JPH07318499A - 表面欠陥検出装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 自動車や家電製品等の外装材として使用され
る鋼板表面に発生する微小な凹凸欠陥を光学的に効率よ
く、かつ精度よく検出する。 【構成】 被検査材２２表面の微小な凹凸欠陥を光学的
に検出する装置である。搬送中の被検査材２２の幅方向
に、光の干渉によって得られる一定の縞周期を持った格
子縞２３を投影すべく、搬送中の被検査材２２の表面に
相対して少なくとも１台の格子投影器２１を配置する。
被検査材２２に投影された格子縞２３を撮像すべく格子
投影器２１に適数台の撮像器２４を近接配置する。これ
ら撮像器２４によって得られる信号から被検査材２２幅
方向における縞周期の変動を定量化する信号処理器２５
を設置する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば自動車や家電製
品等の外装材として使用される鋼板表面に発生する微小
な深さの凹状欠陥又は高さの凸状欠陥を、光学的に効率
よくかつ高精度に検出できる検出装置に関するものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】例えば自動車のボディに使用される外装
鋼板は、プレス成型等の加工が加わるので、プレス成型
時に、被成型板である被検査材の裏面側に付着した異物
や、被検査材の表面側に発生した微小表面欠陥、あるい
はプレス金型に付着した異物等によってプレス成型品に
微小な欠陥を生じる。この微小な欠陥は、例えば深さが
数十μｍ程度であっても、塗装後、外観にあらわれるの
で外装鋼板としては使用できなくなる。従って、プレス
成型前、及びプレス成型後にこのような微小な表面欠陥
を検出することは、品質管理の重要な項目の１つとなっ
ている。

【０００３】この微小な表面欠陥を検出する装置とし
て、従来より光学式の欠陥検出装置が開発されてきた。
そして、その方式は大別すると次の２つになる。 健全部との反射光量差から欠陥を検出する方式 欠陥部の凹凸量を計測し、その大小から欠陥を検出
する方式

【０００４】このうちについては、図５に示すよう
に、レーザ１から照射するレーザ光を回転ミラー２で走
査しながら被検査材３の表面に照射し、その反射光を光
電変換器４により受光する方式（「目視検査の自動化技
術」ｐ４４〜４６，日刊工業新聞社刊）等がある。な
お、図５中の５はフレネルレンズ、６は干渉フィルタを
示す。またについては、欠陥の凹凸によって生じる光
学系の焦点ズレから欠陥を検出する焦点法（特開平６−
７４９０３号）等がある。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】の方式は、健全部と
欠陥部の反射光量差を検出する原理であるので、汚れや
錆等、健全部と反射率の異なる欠陥や、すり疵等の反射
光量差を生ずる程度の深さを有する欠陥の検出には適し
た方式である。しかも、搬送中における検査が比較的容
易であるので、鋼板表面の自動検査装置として一般的に
用いられているものである。

【０００６】しかしながら、上記したような自動車や電
化製品の外装材として用いられる材料に発生した深さが
数十μｍ程度の微小な欠陥は、健全部との反射光量差が
乏しいので、の方式ではその検出は困難である。

【０００７】一方、の方式は、図６に示すように、切
り出した被検査材３をステージ７上に乗せ、ステージ７
を水平面方向に移動させつつそれぞれの位置において自
動焦点光学系の鉛直方向移動量を検出することにより、
被検査材３表面の凹凸を計測するものであるから、計測
精度がよく、微小な凹凸欠陥も検出可能であるが、反面
検査に多大の時間を要するという問題があることに加え
てオンラインでの適用は不可能である。なお、図６中の
８は表面高さ量検出装置、９は信号処理装置、１０は表
示装置、１１は水平面方向スケーラ、１２は高さ方向ス
ケーラを示す。

【０００８】このように、現状では上記した微小な欠陥
をオンラインで自動的に、高精度かつ効率よく検出でき
る装置はないので、搬送ラインを移動する被検査材を停
止させた後、検査員が被検査材表面を砥石を使って研磨
することにより生じる欠陥部と健全部の光沢差を目視判
定することにより、あるいは凸状欠陥の場合は研磨時の
触感により欠陥判定を行っているのが実態である。

【０００９】従って、検査そのものが非常に官能的であ
り個人差があるという問題に加え、砥石による研磨作業
が、検査員の大きな負担となっている。

【００１０】本発明は、上記した従来の表面欠陥検出装
置にあった問題点に鑑みてなされたものであり、数十μ
ｍ程度の微小な凹凸欠陥を、オンラインで自動的に、高
精度にかつ効率よく検出できる表面欠陥検出装置を提供
することを目的としている。

【００１１】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ために、本発明の表面欠陥検出装置は、被検査材表面の
微小欠陥を光学的に検出する装置であって、被検査材の
幅方向に、光の干渉によって得られる一定の縞周期を持
った格子縞を投影すべく、被検査材の表面に相対して配
置された少なくとも１台の格子投影器と、被検査材の幅
方向に投影された格子縞を撮像すべく前記格子投影器に
近接配置された適数台の撮像器と、これら撮像器によっ
て得られた信号から被検査材幅方向における縞周期の変
動を定量化する信号処理器を具備させているのである。

【００１２】本発明において、干渉縞を格子縞として被
検査材表面に投影するのは、原理的にも明らかなよう
に、上記したような微小欠陥を検出するために必要な細
かい格子縞周期が得られることに加えて、更に下記の２
つの理由による。

【００１３】先ず第１は、通常の金型格子を用いて格子
縞を投影（金型格子の陰影を投影）する場合には、凹凸
の計測ピッチ及び計測精度が使用した格子のピッチによ
って限定されるが、干渉縞の場合には干渉光学系の調整
により容易に格子縞周期を変更できるので、計測ピッチ
及び計測精度が検査対象に応じて容易に変更可能であ
る。

【００１４】次に第２は、通常の金型格子を用いた場
合、切り出した被検査材への適用時には被検査材の湾曲
により、また被検査材搬送時にはパスライン変動により
金型格子と被検査材の距離が変化するので、格子縞がぼ
けてしまい計測精度が低下するが、干渉縞を格子縞とす
る場合には使用する光の可干渉範囲においてはそのよう
な心配はない。

【００１５】また、本発明において、格子投影器により
搬送中の被検査材の全幅に格子縞を投影し、この被検査
材の全幅に投影された格子縞の全てを適数の撮像器によ
り一度に撮像すれば、被検査材の搬送中に連続して未検
査領域なく検査することも可能である。

【００１６】

【作用】本発明の表面欠陥検出装置は、被検査材の表面
に相対して配置された少なくとも１台の格子投影器から
光の干渉によって得られる被検査材幅方向に一定の縞周
期を持った格子縞を被検査材に投影する。そして、被検
査材の幅方向に投影された格子縞を前記格子投影器に近
接配置された適数の撮像器によって異なる角度から撮像
する。最後に、これら撮像器によって得られた信号から
信号処理器では被検査材幅方向における縞周期の変動を
定量化する。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の表面欠陥検出装置を図１〜図
４に示す１実施例に基づいて説明する。図１は本発明装
置の全体構成を示す概略図、図２は本発明装置を構成す
る格子投影器の詳細図、図３は欠陥による縞周期変動の
説明図、図４は本発明装置を構成する信号処理器におけ
る縞周期変動算出方法の説明図であり、（ａ）は撮像器
の光軸方向から格子縞を見た図、（ｂ）は（ａ）図にお
けるａとｂの撮像器の出力信号を表した図である。

【００１８】図１において、２１は搬送中の被検査材２
２の表面幅方向に一定の縞周期（明暗ピッチ）を持った
格子縞２３を斜め方向から照射すべく、前記被検査材２
２の表面に相対して例えば角度φをもって例えば１台配
置された格子投影器である。

【００１９】この格子投影器２１は例えば図２に示すよ
うに、レーザ投光器２１ａと、このレーザ投光器２１ａ
より射出されたレーザスポットを拡大する拡大レンズ系
２１ｂと、この拡大レンズ系２１ｂによって広げられた
レーザ光束２１ｃを２方向に分割するビームスプリッタ
２１ｄと、このビームスプリッタ２１ｄによって分割さ
れたレーザ光束２１ｃを反射する反射ミラー２１ｅ，２
１ｆを備えており、これら反射ミラー２１ｅ，２１ｆで
反射したそれぞれのレーザ光束２１ｃは再度ビームスプ
リッタ２１ｄを通過し、搬送中の被検査材２２の表面幅
方向に角度φの方向から照射される。

【００２０】ここで、反射ミラー２１ｆのみをレーザ光
束２１ｃの入射方向と垂直な方向から角度θだけ傾ける
と、２分割されたレーザ光束２１ｃに角度θに応じた光
路差が生じ、被検査材２２の幅方向に一定の縞周期を持
った格子縞２３が照射されることになる。

【００２１】２４は上記したように搬送中の被検査材２
２の表面幅方向に照射された一定の縞周期を持った格子
縞２３を撮像すべく、被検査材２２の鉛直上方に例えば
前記格子投影器２１と近接して適数台設置された例えば
ＣＣＤラインセンサのような幅方向に視野を有する撮像
器である。これらの撮像器２４によって撮像された格子
縞２３は信号処理器２５によってその縞周期が算出さ
れ、被検査材２２の表面に凹凸欠陥が存在する場合に
は、縞周期が健全部と異なることから欠陥が存在すると
判定する。

【００２２】以下、図３を用いて被検査材２２の表面に
凹状欠陥がある場合に生じる格子縞２３の縞周期の変動
について詳細に説明する。図３において、被検査材２２
の表面に照射される格子縞２３の縞周期Ｐｏは、使用す
るレーザの波長をλとすると、図２における角度θを用
いて下記数式１で表される。

【００２３】

【数１】Ｐｏ＝λ／（２× tanθ）

【００２４】次に、格子縞２３が被検査材２２に対し図
２に示すように角度φで照射されるとすると、被検査材
２２に対向する位置に設置された撮像器２４の光軸方向
での健全部における格子縞２３の縞周期Ｐｎは下記数式
２で表される。

【００２５】

【数２】Ｐｎ＝Ｐｏ／ sinφ

【００２６】ここで、被検査材２２に深さｄをもった凹
状欠陥２６が存在する場合を考えると、凹状欠陥２６の
エッジ部において本来ならば図３のＡ点に格子縞２３の
明点が存在するはずのものが、Ａ’点に格子縞２３の明
点が移動することになる。従って、凹状欠陥２６のエッ
ジ部における格子縞２３の縞周期Ｐｄは撮像器２４の光
軸方向でみた場合には下記数式３で表され、健全部にお
ける格子縞２３の縞周期Ｐｎとは異なることになる。

【００２７】

【数３】Ｐｄ＝Ｐｎ＋ｄ／ tanφ

【００２８】以上説明したように、凹状欠陥２６部にお
いては撮像器２４上に結像される格子縞２３の縞周期が
健全部と異なるので、縞周期の変動（ｄ/tanφ）を算出
すれば欠陥の検出が可能となることは明らかである。こ
のことは凸状欠陥部でも同様である。

【００２９】次に、本発明における格子投影器２１（光
学系の各パラメータ）について、実際の設定値を用いて
数十μｍの深さ又は高さの凹凸を持った欠陥の検出が可
能であることを説明する。レーザの波長λ＝０．４８８
μｍ（Ａｒレーザ）、反射ミラー２１ｆの傾斜角度θ＝
０．０５°とすると、上記数式１よりＰｏ＝０．２８ｍ
ｍとなる。また、格子縞２３の照射角φ＝５°とする
と、上記数式２よりＰｎ＝３．２ｍｍとなる。従って、
格子縞２３は被検査材２２の幅方向に３．２ｍｍピッチ
で照射されることになるが、通常微小な凹凸欠陥の面積
は直径が数十ｍｍであるので、凹凸を算出する板幅方向
サンプリングピッチとしては問題ないと考えられる。

【００３０】次に、撮像器２４において欠陥の凹凸を計
測する分解能について説明する。撮像器２４として、Ｃ
ＣＤ素子２４ａ数が５０００pixel のＣＣＤラインセン
サを使用し、その被検査材２２幅方向の視野が１６０ｍ
ｍとなるようなカメラレンズ２４ｂを用いるとすると、
視野内には１６０ｍｍ／３．２ｍｍ＝５０周期分の格子
縞２３が撮像される。この時、格子縞２３の１周期Ｐｎ
に相当する画素数は５０００pixel ／５０周期＝１００
pixel となる。

【００３１】従って、撮像器２４における欠陥の凹凸を
計測する分解能をΔｄとすると、Δｄは上記した数式３
においてＰｄ＝２×Ｐｎとなる場合の欠陥の深さｄを１
００分割した値と等価であるので、Δｄ＝Ｐｎ× tanφ
／１００＝２．８μｍとなる。これは、数十μｍの凹凸
を持った欠陥を検出するには十分な分解能である。

【００３２】以上の説明は、光学系のパラメータ設定値
の一例であり、必ずしも上記の値を用いる必要がないこ
とは言うまでもなく、検出したい欠陥の形状（凹凸、面
積）に応じて最適なパラメータを決定すればよい。ま
た、基本となる縞周期Ｐｏは反射ミラーの振れ角θを変
えるだけで容易に変更が可能である。さらに、被検査材
２２の搬送中に上下方向の変動が生じた場合には、格子
縞２３の明暗位置は変化するが縞周期は変動しないの
で、周期変動を算出する事により欠陥を検出する上では
問題は生じない。

【００３３】またさらに、撮像器２４としてＣＣＤライ
ンセンサを使用した場合には、通常ＣＣＤラインセンサ
の走査周波数は数ｋＨｚであり、パスライン変動の周波
数（通常、数Ｈｚ〜数十Ｈｚ）よりもかなり高い周波数
であるので、ＣＣＤラインセンサの一走査中に格子縞２
３の明暗位置に極端な変化が生じることも考えにくく、
問題とはならない。なお、被検査材２２の例えば全幅を
検査する場合には上記パラメータ設定値で述べれば、被
検査材２２の全幅を１６００ｍｍとすると、幅方向に１
０台のＣＣＤラインセンサを設置すればよい。

【００３４】最後に、信号処理器２５における縞周期変
動の算出方法を図４を用いて説明する。図４（ａ）は撮
像器２４の光軸方向から格子縞２３を見た図であり、こ
の図より、欠陥部においては特にエッジ部の縞周期が変
動することが判る。この撮像器２４の視野は被検査材２
２が搬送されることによって図４（ａ）のａからｂへと
変化するが、それぞれの視野における撮像器２４の出力
信号を示したのが図４（ｂ）である。

【００３５】信号処理器２５では撮像器２４からの図４
（ｂ）ような出力信号を適当なしきい値で２値化した後
縞周期を算出し、縞周期に変動がある部分を欠陥と判定
する。ここで、変動有無の基準となる縞周期は、撮像器
２４の一視野内の平均の縞周期を使ってもよいし、被検
査材２２の走行方向における複数の視野から得られる平
均の縞周期を用いてもよい。

【００３６】なお、以上の説明は被検査材２２の搬送中
における欠陥検出について説明したが、静止している被
検査材２２に対しても格子投影器２１や撮像器２４を被
検査材２２の長手方向に走査すればよいことは言うまで
もない。また、本実施例では１台の格子投影器２１で被
検査材２２の全幅に格子縞を投影するものを示したが、
複数の格子投影器２１を例えば千鳥状に配置し、これら
複数の格子投影器２１によって被検査材２２の全幅に格
子縞を投影してもよい。また、本実施例では被検査材２
２の全幅に格子縞を投影するものを示したが、全幅に投
影しなくてもよい。

【００３７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の表面欠陥
検出装置によれば、被検査材の表面に相対して配置され
た少なくとも１台の格子投影器から光の干渉によって得
られる一定の縞周期を持った格子縞を被検査材の幅方向
に投影し、被検査材に投影された格子縞を前記格子投影
器に近接配置された適数台の撮像器によって異なる角度
から撮像した後、これら撮像器によって得られた信号か
ら信号処理器で被検査材幅方向における縞周期の変動を
定量化するので、従来の光学式欠陥検出装置では検出が
困難であった微小な凹凸欠陥を、被検査材の搬送中にお
いても自動的にかつ高精度に検出できる。また、目視に
よる検出のような個人差もない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明装置の全体構成を示す概略図である。

【図２】本発明装置を構成する格子投影器の詳細図であ
る。

【図３】欠陥による縞周期変動の説明図である。

【図４】本発明装置を構成する信号処理器における縞周
期変動算出方法の説明図であり、（ａ）は撮像器の光軸
方向から格子縞を見た図、（ｂ）は（ａ）図におけるａ
とｂの撮像器の出力信号を表した図である。

【図５】従来の表面欠陥検出装置の説明図である。

【図６】従来の表面欠陥検出装置の説明図である。

【符号の説明】

２１ 格子投影器 ２２ 被検査材 ２３ 格子縞 ２４ 撮像器 ２５ 信号処理器

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査材表面の微小欠陥を光学的に検出
   する装置であって、被検査材の幅方向に、光の干渉によ
   って得られる一定の縞周期を持った格子縞を投影すべ
   く、被検査材の表面に相対して配置された少なくとも１
   台の格子投影器と、被検査材の幅方向に投影された格子
   縞を撮像すべく前記格子投影器に近接配置された適数台
   の撮像器と、これら撮像器によって得られた信号から被
   検査材幅方向における縞周期の変動を定量化する信号処
   理器を具備したことを特徴とする表面欠陥検出装置。