JPH07306150A - 逆反射スクリーンによる表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 光源とカメラとを実質的に近接位置に配設で
きる構成により，検査不能領域の発生を抑えた逆反射ス
クリーンによる表面検査装置を提供する。 【構成】 逆反射スクリーン２による表面検査装置を構
成するカメラ３の視野内に半透過鏡６を配置して，カメ
ラ視野外に配置した光源４からの光を上記半透過鏡６で
検査対象物５方向に反射させて投光し，検査対象物５で
反射した光が逆反射スクリーン２で反射して再び検査対
象物５で反射された再反射光を半透過鏡６を透過させて
カメラ３で捕らえることができる。従って，カメラ３と
光源４とを至近位置に配置したと同等の状態が得られる
ので，従来構成でカメラ３と光源４との位置が離れてい
ることにより発生する検査不能の領域，即ち不感帯の発
生を小さくすることができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は，自動車外板，プラスチ
ック面などの表面検査装置に係り，詳しくは，逆反射ス
クリーンを用いて検査対象物表面の欠陥部分を明暗画像
として強調することで，欠陥部分を検出しやすくする逆
反射スクリーンによる表面検査装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】上記逆反射スクリーンを用いた表面検査
装置の基本的な構成は，図１０に示すように逆反射スク
リーン３０，カメラ３１，光源３２の基本要素により構
成される。同図に示すように，検査対象物３３を逆反射
スクリーン３０と光源３２の間に配置し，光源３２の光
が検査対象物３３の表面に当たり，反射して逆反射スク
リーン３０に向かうような光路を形成する。上記配置に
より，光源３２からの光は検査対象物３３で反射し，逆
反射スクリーン３０に入って入射光軸とほぼ同じ方向に
反射するので，再び検査対象物３３の表面で反射して光
源３２のやや上方に配置されたカメラ３１に捕らえられ
る。この構成によって検査対象物３３の表面の凹凸変化
が光学的に強調された画像をカメラ３１で捕らえること
ができ，平滑であるべき表面の欠陥場所を容易に発見す
ることができる。上記逆反射スクリーンによる表面欠陥
の検出原理を，図１１及び図１２を用いて説明する。図
１１は検査対象物３３の表面に欠陥のない場合を示し，
図１２は欠陥がある場合を示している。逆反射スクリー
ン３０は，その表面にビーズ状の反射球３４が密設され
ており，各反射球３４は入射光に対し図示するような指
向性の反射パターンを有している。

【０００３】図１１，図１２に示すように光源方向から
きた光は，検査対象物３３の表面で逆反射スクリーン３
０の方向に反射する。一方，光源近傍の光源よりやや上
方に配置されたカメラ３１は，図中のカメラビューイン
グ方向から検査対象物３３表面に向いており，逆反射ス
クリーン３０からの反射光が検査対象物３３で再反射す
る光を捕らえている。検査対象物３３表面のＡ，Ｂ，Ｃ
の各点をカメラから見るとき，図１１に示すように欠陥
のない平面では逆反射スクリーン３０の各反射球３４の
角度αで反射される同じ強さの光を見ていることにな
り，カメラは濃淡変化のない中間的な明るさをもった面
として捕らえる。一方，図１２に示すように検査対象物
３３の表面に欠陥がある場合，欠陥のないＡ点では前記
と同様に，逆反射スクリーン３０の反射球３４の角度α
の反射光を捕らえるが，Ｂ点（カメラ側から見て下り
坂）では反射角γの強い光を捕らえ，Ｃ点（カメラ側か
ら見て上り坂）では角度βの弱い反射光を捕らえること
になる。従って，Ｂ点のような下り坂は明るく，Ｃ点の
ような上り坂は暗く見えることになる。逆反射スクリー
ン３０の反射球３４の反射パターンの指向性の幅は約±
１度と鋭いため，欠陥の微妙な傾きでも明暗の変化量が
激しく，欠陥の凹凸が強調されて観測されることにな
る。

【０００４】上記構成において，光源３２からの光が直
接，欠陥部分に当たる光路を考えると，欠陥部分が凹部
である場合には，その凹部からの反射光が逆反射スクリ
ーン３０から反射されて検査対象物３３に戻り，再反射
した光をカメラ３１が捕らえるとき，凹部が凹面鏡的な
役割りをする結果，図１３（ａ）に示すように欠陥によ
る明暗像の先に，欠陥凹部による明るい疑似像が生じ
る。又，欠陥部分が凸部であるときは，凸部が凸面鏡的
な役割りをするため，図１３（ｂ）に示すように同じ位
置に暗い疑似像が生じる。これらの疑似像は，欠陥のな
い場所にあたかもそこに欠陥があるがごときに現れるの
で，欠陥検査において疑似像が生じた位置にも欠陥があ
るように誤認することになる。又，図１１及び図１２に
おいて，仮にＳ点を検査対象物３３の端辺とすると，カ
メラ３１から見てＳ点からＡ点までの間は，Ｓ点より左
（図示上の）は検査対象物３３以外からの反射光も入っ
てくることになり，従ってＳ点からＡ点までの間は，検
査できない領域，即ち不感帯となる。例えば，図１４に
示すような自動車ドアパネル３６の表面検査をすると
き，図中手前（下）をカメラ３１及び光源３２の側と
し，奥（上）を逆反射スクリーン３０の側とすると，図
示するように手前の端辺３７と開口部３８，３９から奥
方向の検査対象物３３の表面以外の反射が混入する部分
は検査できないことになる。そこで，上記疑似像による
影響を少なくすると共に，不感帯が生じる領域を少なく
するために，図１５に示すようにカメラ３１の上下に光
源３２ａ，３２ｂを配した構成，あるいは，図１６に示
すように光源３２の上下にカメラ３１ａ，３１ｂを配し
た構成を，本願発明者は先に提案した。このような構成
によって，同一の検査対象物３３に対して光源３２又は
カメラ３１の位置が異なる２つの検査画像を得ることが
でき，画像処理によって欠陥像と疑似像との識別が可能
となり，又，不感帯の発生位置が互いに反対位置になる
ことから，不感帯をなくすことができる。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，２つの
検査画像のマッチング，あるいは画像特性の差など，２
つの画像を一致させるための補正処理が難しく，カメラ
や画像処理等のためのハードコストが高くなる問題点が
あった。又，光源の投光軸とカメラの撮像軸との間隔差
が大きいため，検査対象物の逆スクリーン側に穴が形成
されているような場合に，その付近に生じる不感帯に対
応させることができない問題点があった。そこで，本発
明の目的とするところは，光源からの投光軸とカメラの
撮像軸との差を小さくした構成により，上記不感帯の発
生を抑えた逆反射スクリーンによる表面検査装置を提供
することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明が採用する手段は，逆反射スクリーンと，光源
と，検査対象物とを，上記光源からの光が上記検査対象
物で反射して上記逆反射スクリーンに向かうような相対
的位置に配置し，検査対象物の表面を上記光源で照射し
たときの反射光を逆反射スクリーンで検査対象物に戻
し，該検査対象物の表面で再反射した光をカメラで捕ら
えることにより，検査対象物表面の欠陥部分の凹凸変化
を明暗変化に強調された画像として検出する逆反射スク
リーンによる表面検査装置において，上記検査対象物か
ら上記カメラへ向かう再反射光を透過させ，上記光源か
らの光を検査対象物へ反射させる半透過鏡を，少なくと
もその一部が上記カメラの視野にかかる位置に設置した
ことを特徴とする逆反射スクリーンによる表面検査装置
として構成されている。上記構成において，上記半透過
鏡により形成された光源の虚像が上記カメラの撮像軸か
らずれた位置に形成されるように，上記半透過鏡をカメ
ラの撮像軸からずれた位置に設けて構成される。又，上
記構成において，上記半透過鏡のカメラ撮像軸からのず
れ量が調整可能として構成することができる。更に，上
記半透過鏡のカメラ光学軸からのずれ量を欠陥の形状に
応じて調整することができ，凹形状欠陥を検出する場合
には，上記ずれ量を±１５mm以内とし，凸形状欠陥を検
出する場合には，上記ずれ量を±３mm以内とすることが
できる。更に，上記半透過鏡から漏れる光を吸収する光
吸収手段を具備して構成することができる。

【０００７】

【作用】本発明によれば，逆反射スクリーンによる表面
検査装置を構成するカメラの視野内に半透過鏡を配置し
て，カメラ視野外に配置した光源からの光を上記半透過
鏡で検査対象物方向に反射させて投光し，検査対象物で
反射した光が逆反射スクリーンで反射して再び検査対象
物で反射された再反射光を半透過鏡を透過させてカメラ
で捕らえることができる。従って，カメラと光源とを至
近位置に配置したと同等の状態が得られるので，カメラ
と光源との位置が離れていることにより発生する検査不
能の領域，即ち不感帯の発生を小さくすることができ
る。請求項１がこれに該当する。又，カメラの撮像軸に
対して，光源からの光を半透過鏡で反射させた投光軸を
僅かにずらせた位置に設定する，即ち，光源の虚像がカ
メラの撮像軸中心からずれた位置に設定することによ
り，撮像軸と投光軸とが完全同軸とならず，撮像軸と投
光軸との関係角度が一定になる状態に設定することがで
き，カメラ視野の手前側から奥側まで欠陥検出の能力に
変化を与えない。請求項２がこれに該当する。更に，こ
の撮像軸と投光軸とのずれ量を調整可能にすることによ
り，凹形状の欠陥と凸形状の欠陥とで異なる最適ずれ量
を調整して，それぞれの検出能力を最適条件に設定する
ことができる。請求項３〜６がこれに該当する。更に，
光吸収手段を設けて，光源からの光の一部が上記半透過
鏡を透過して，再び半透過鏡に戻ってくることによる撮
像画像のＳＮ比を低下を防ぐことができる。請求項７が
これに該当する。

【０００８】

【実施例】以下，添付図面を参照して本発明を具体化し
た実施例につき説明し，本発明の理解に供する。尚，以
下の実施例は本発明を具体化した一例であって，本発明
の技術的範囲を限定するものではない。ここに，図１は
本発明の実施例に係る表面検査装置の構成を示す模式
図，図２は実施例構成における光路の最適配置構成を示
す模式図，図３は不適当な光路となる配置構成を示す模
式図，図４は上記最適配置での欠陥検出画像（ａ）と不
適当な配置での欠陥検出画像（ｂ）を示す模式図，図５
は不適当な配置による検出性能の低下を示すグラフ，図
６はカメラと光源とを最適位置に設定するための装置構
成を示す構成図，図７，図８，図９は実施例に係る光ト
ラップ装置の構成を示す模式図である。図１において，
表面検査装置１は，検査装置を構成する基本要素である
逆反射スクリーン２，カメラ３，光源４を検査対象物５
の載置位置を中心として，図示するような位置関係に配
設して構成されている。カメラ３の撮像視野内にはハー
フミラー（半透過鏡）６が配設されており，光源４から
の光を検査対象物５方向に反射すると共に，検査対象物
５からの再反射光をカメラ３方向に透過させる。

【０００９】上記構成により，光源４からの光はハーフ
ミラー６によって反射され検査対象物５の表面を照射
し，その反射光は逆反射スクリーン２に向かう。逆反射
スクリーン２は，その表面に設けられた反射球の鋭い指
向性で入射光を反射し，検査対象物５に戻す。検査対象
物５の表面で再反射した光はハーフミラー６を透過して
カメラ３に捕らえられる。上記検査対象物５からの再反
射光をカメラ３で撮像することにより，検査対象物５表
面の凹凸欠陥は明暗変化が強調された画像として検出す
ることができる。欠陥部分の明暗強調による欠陥検出の
原理は，先に従来構成で示したと同様であるので，その
説明は省略する。尚，本発明では，欠陥に伴って発生す
る疑似像を利用して欠陥の存在を検出できる能力の拡大
を図っている。即ち，微小な欠陥の検出には，疑似像の
方が検出感度として優れており，疑似像検出によって微
小欠陥の存在が検知でき，欠陥検出性能の向上を図るこ
とができる。上記構成におけるカメラ３，光源４，ハー
フミラー６の位置関係は，図２に示すように配置され
る。

【００１０】図２において，光源４の投光点位置〔Ｂ〕
と，カメラ３の撮像点位置〔Ａ〕とは，ハーフミラー６
を反射面とする虚像関係位置にあり，この関係位置から
光源４を位置〔Ｂ〕から僅かに移動させた位置〔Ｂ′〕
を光源４の投光点位置として設定している。即ち，実質
的には，位置〔Ｂ′〕の虚像位置〔Ａ′〕から投光し，
撮像点〔Ａ〕で投光された光の検査対象物５での再反射
光を撮像することになる。従って，カメラ３と光源４と
は，僅かなずれを設けてほぼ同一位置に配設されたと同
等の状態が得られることになる。図２に示す状態では，
位置〔Ｂ′〕から投光された光はハーフミラー６によっ
て反射され，検査対象物５の表面のＥ₁ 〜Ｅ₃ 点を照射
し（点線で図示），Ｅ₁〜Ｅ₃ 点で反射して逆反射スク
リーン２により戻された光は，Ｅ₁ 〜Ｅ₃ 点で再反射
し，ハーフミラー６を透過してカメラ３の撮像位置
〔Ａ〕で撮像される（実線で図示）。このときの投光軸
と撮像軸との角度ａは，Ｅ₁ ，Ｅ₂ ，Ｅ₃ 点において同
じであるので，検査対象物５の表面全体が同じ強さの反
射光で撮像できる。上記構成によって理解されるよう
に，従来構成ではカメラ３及び光源４のそれぞれの外径
サイズ以内の間隔にカメラ３と光源４とを近接させるこ
とができないことから，不感帯（検査不能領域）が生じ
てしまう問題点があったが，本構成では，実質的にカメ
ラ３と光源４とを至近位置に配設することが可能とな
り，不感帯の発生が極小に抑えられる。

【００１１】上記カメラ３の撮像軸と，光源４の投光軸
（ハーフミラー６で反射した投光軸）との間に僅かなず
れを設けるには，光源４とカメラ３との配設位置関係の
調整，あるいはハーフミラー６の角度調整によってなさ
れる。図２に示したようなカメラ３と光源４とを所定位
置に設定するための構成は，図６に示すように構成する
ことができる。図６に示す構成では，光源４が配設され
た基台７上に上下移動ステージ９及び左右移動ステージ
１０上に支持されてカメラ３及びハーフミラー６を備え
た投光・撮像装置８が設置されている。上記上下移動ス
テージ９及び左右移動ステージ１０を移動させることに
より，表面検査に最適な位置にカメラ３と光源４とを設
定することができ。上記カメラ３の撮像軸と，光源４の
投光軸との間に僅かなずれを設ける，即ち，撮像軸と投
光軸とが重なる完全同軸の状態とならないように，カメ
ラ３と光源４との位置設定を行う理由を図３を参照して
以下に説明する。図３に示すように，投光点位置を完全
同軸とならない位置（Ｂ′）に設定しても，カメラ３に
対する光源４の上下位置を変化させると，ハーフミラー
６での反射角度が撮像軸とは大きく異なって反射し，投
光軸が分散して検査対象物５に対する照明の効果が低下
する。即ち，図２に示す状態に比較して光源位置をハー
フミラー６側にずらすと，光源４から出た光はハーフミ
ラー６でＦ₁ 〜Ｆ₄ の方向に反射し，検査対象物５のＥ
₁ 〜Ｅ₄ を照射する。このときＥ₁ 〜Ｅ₄ を撮像するカ
メラ３では，Ｅ₁ では角度ｂ，Ｅ₂ では角度ｃ，Ｅ₃ で
は角度−ｄ，Ｅ₄ では角度０で撮像することになる。従
って，Ｅ₁ 〜Ｅ₄ で輝度が一定でなく，特にＥ₄ では完
全同軸の状態となり，その位置にある欠陥画像は，図４
（ｂ）のようになる。この結果，検査対象物画像上に平
均した輝度が得られず，カメラ３が得る画像の手前側か
ら奥側まで一定した欠陥検出能力が得られないことにな
る。この状態を実験的に検証した結果を図５に示す。

【００１２】図５は検査対象物５をカメラ３と逆反射ス
クリーン２との間で，同一の欠陥の位置を−２００mmか
ら５００mmまで移動させたときの輝度変化を測定したも
ので，欠陥画像の縦断面の最大輝度の変化を示してい
る。同図において，移動距離２００mm辺りで最大輝度が
極端に変化していることがわかる。一方，図２に示すよ
うに，投光軸と撮像軸とのずれを僅かに設け，完全同軸
となる部分がなく，ハーフミラー６による反射角度が適
切になる位置に設定すると，検査対象物５の表面のＥ₁
点からＥ₃ 点までの欠陥検出を平均して行うことがで
き，欠陥が凸状欠陥である場合，図４（ａ）に示すよう
な欠陥部分による明暗像（欠陥像Ｄ）と，それに付随し
て生じた疑似像（Ｑ）とが検出される。欠陥が微小な場
合，欠陥像Ｄは検出し難いが，疑似像Ｑは検出されるた
め，疑似像Ｑを検出することによって微小欠陥の存在を
検出することができる。本実施例構成では，欠陥形状が
凹か凸かによって光源４の位置により検出性能が異なる
ことが検証されている。即ち，図６に示す光源軸１３の
位置変化によって検出性能がよくなる位置が欠陥の凹か
凸かによって異なる。そこで，光源４は基台７上の位置
調整可能に構成されているので，図示するように光源軸
１３の位置を，凹形状の欠陥検出の際には撮像軸１１に
対して±１５mm以内の間に設定し，凸形状の欠陥検出の
際には同様に±３mm以上のカメラ視野範囲内での位置に
設定する。

【００１３】実際の調整操作は，上下移動ステージ９及
び左右移動ステージ１０の調整操作により，投光・撮像
装置８と光源４との位置関係を完全同軸の状態（図６に
示す撮像軸１１の中心軸と，光源軸１３の中心軸とを一
致させた状態）にしてカメラ３と光源４との上下位置を
決定し，検出したい欠陥形状（凹か凸か）に応じて光源
４を基台７上で上記範囲に移動させることにより，完全
同軸からずれた撮像軸と投光軸との位置関係の設定がな
される共に，検出したい欠陥形状に対応する光源位置の
設定がなされる。上記投光軸をカメラ３の視野内に設定
するための半透過鏡として，上記構成になるハーフミラ
ー６の他，ビームスプリッター等を用いることができ
る。この半透過鏡では光源４の投光方向に一部の光が透
過するが，この透過光が再度ハーフミラー６に戻ると，
撮像光に混入して欠陥検出のＳＮ比を低下させる。そこ
で，この透過光がカメラ３に入ることを防止するため
に，図６に示す投光・撮像装置８には光トラップ装置１
４が設けられている。上記光トラップ装置１４は，図
７，図８，図９に示すように構成することができる。図
７に示す構成では，透過光をステンレス鋼板，色ガラス
等による遮光ガラス１５で反射させ，その反射光を光吸
収体１６に吸収させる。光吸収体１６として起毛紙，黒
色紙，ベッチン，ビロード等を使用することができる。
図８に示す構成では，透過光を直接に光吸収体１６に吸
収させている。又，図９に示す構成では，遮光ガラス１
５ａ，１５ｂを所定角度に配置して，その間の多重反射
により透過光を吸収消滅させるよう構成されている。

【００１４】

【発明の効果】以上の説明の通り本発明によれば，逆反
射スクリーンによる表面検査装置を構成するカメラ視野
内に半透過鏡を配置して，カメラ視野外に配置した光源
からの光を上記半透過鏡で検査対象物方向に反射させ，
検査対象物で反射した光が逆反射スクリーンで反射して
再び検査対象物で反射された再反射光を半透過鏡を透過
させてカメラで捕らえることができるので，カメラと光
源との位置が離れていることにより発生する検査不能の
領域，即ち不感帯の発生を小さくすることができる。
（請求項１） 又，カメラの撮像軸に対して光源の投光軸を僅かにずら
せた位置，即ち，光源の虚像がカメラの撮像軸中心から
ずれた位置に設定することにより，撮像軸と投光軸との
関係角度が一定になり，カメラ視野の手前側から奥側ま
で欠陥検出の能力に変化を与えない効果を奏する。（請
求項２） 更に，この撮像軸と投光軸とのずれ量を調整可能にする
ことにより，凹形状の欠陥と凸形状の欠陥とで異なる最
適ずれ量を調整して，それぞれの検出能力を最適条件に
設定することができる。（請求項３〜６） 更に，光吸収手段を設けて，上記半透過鏡を光源からの
光の一部が透過し再び戻ってくることによる撮像画像の
ＳＮ比を低下を防ぐことができる。（請求項７）

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の実施例に係る表面検査装置の構成を
示す模式図。

【図２】 実施例構成における光路の最適配置構成を示
す模式図。

【図３】 不適当な光路となる配置構成を示す模式図。

【図４】 上記最適配置での欠陥検出画像（ａ）と不適
当な配置での欠陥検出画像（ｂ）を示す模式図。

【図５】 不適当な配置による検出性能の不均一な状態
を示すグラフ。

【図６】 カメラと光源とを最適位置に設定するための
装置構成を示す構成図。

【図７】 実施例に係る光トラップ装置の構成を示す模
式図。

【図８】 実施例に係る光トラップ装置の構成を示す模
式図。

【図９】 実施例に係る光トラップ装置の構成を示す模
式図。

【図１０】 逆反射スクリーンを用いた表面検査装置の
基本構成を示す模式図。

【図１１】 逆反射スクリーンによる表面検査の原理を
示す説明図（表面欠陥が無い場合）。

【図１２】 逆反射スクリーンによる表面検査の原理を
示す説明図（表面欠陥が有る場合）。

【図１３】 欠陥像に伴って発生する疑似像の例を示す
模式図。

【図１４】 光源とカメラとの離隔距離の差により不感
帯が生じた例を示す画像図。

【図１５】 従来例に係る表面検査装置の構成を示す模
式図。

【図１６】 従来例に係る表面検査装置の構成を示す模
式図。

【符号の説明】

１…表面検査装置 ２…逆反射スクリ
ーン ３…カメラ ４…光源 ５…検査対象物 ６…ハーフミラー
（半透過鏡） ８…投光・撮像装置 ９…上下移動ステ
ージ １０…左右移動ステージ １１…撮像軸 １４…光トラップ装置（光吸収手段）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 逆反射スクリーンと，光源と，検査対象
   物とを，上記光源からの光が上記検査対象物で反射して
   上記逆反射スクリーンに向かうような相対的位置に配置
   し，検査対象物の表面を上記光源で照射したときの反射
   光を逆反射スクリーンで検査対象物に戻し，該検査対象
   物の表面で再反射した光をカメラで捕らえることによ
   り，検査対象物表面の欠陥部分の凹凸変化を明暗変化に
   強調された画像として検出する逆反射スクリーンによる
   表面検査装置において，上記検査対象物から上記カメラ
   へ向かう再反射光を透過させ，上記光源からの光を検査
   対象物へ反射させる半透過鏡を，少なくともその一部が
   上記カメラの視野にかかる位置に設置したことを特徴と
   する逆反射スクリーンによる表面検査装置。
2. 【請求項２】 上記半透過鏡により形成された光源の虚
   像が上記カメラの撮像軸からずれた位置に形成されるよ
   うに，上記半透過鏡をカメラの撮像軸からずれた位置に
   設けてなる請求項１記載の逆反射スクリーンによる表面
   検査装置。
3. 【請求項３】 上記半透過鏡のカメラ撮像軸からのずれ
   量が調整可能である請求項１記載の逆反射スクリーンに
   よる表面検査装置。
4. 【請求項４】 上記半透過鏡のカメラ光学軸からのずれ
   量を欠陥の形状に応じて調整する請求項２記載の逆反射
   スクリーンによる表面検査装置。
5. 【請求項５】 凹形状欠陥を検出する場合には，上記ず
   れ量を±１５mm以内とする請求項４記載の逆反射スクリ
   ーンによる表面検査装置。
6. 【請求項６】 凸形状欠陥を検出する場合には，上記ず
   れ量を±３mm以上とする請求項４記載の逆反射スクリー
   ンによる表面検査装置。
7. 【請求項７】 上記半透過鏡から漏れる光を吸収する光
   吸収手段を具備してなる請求項１又は２記載の逆反射ス
   クリーンによる表面検査装置。