JP2006038550A

JP2006038550A - 塗面検査装置

Info

Publication number: JP2006038550A
Application number: JP2004217003A
Authority: JP
Inventors: Yasunori Yamagishi; 靖則山岸; Hidehiko Nakano; 英彦中野
Original assignee: Kanto Jidosha Kogyo KK; Kanto Auto Works Ltd
Current assignee: Kanto Jidosha Kogyo KK; Toyota Motor East Japan Inc
Priority date: 2004-07-26
Filing date: 2004-07-26
Publication date: 2006-02-09

Abstract

【課題】面状に光照射に対する正反射光を入射させるイメージセンサの撮像特性に応じて微細に塗面を検査し得る塗面検査装置を提供する。
【解決手段】検査対象塗面を面状に光照射する面光源１０と、検査対象塗面での正反射光を入射させるイメージセンサとしてのアバランシェ増倍型撮像カメラ２１と、その画像信号のレベル変化を検出する画像処理により、塗面の欠陥の有無を検査する画像処理装置２０とを備える。面光源１０が、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列された複数個の発光ダイオードを奥行き方向へ配列した前記発光ダイオード群による光源と、この光源に円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点とするフレネルレンズとを備えると共に、このフレネルレンズが、円弧状配列の複数個の発光ダイオードのそれぞれの光軸を含む光軸面に沿って焦点を通過する各発光ダイオードの照射光を光軸面に沿って平行に出射させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、塗面を面状に光照射する面光源と、検査対象塗面での正反射光を入射させるイメージセンサと、このイメージセンサの画像信号のレベル変化を検出する画像処理により、塗面の欠陥の有無を検査する画像処理装置とを備えた塗面検査装置に関するものである。

特許文献１により、搬送されてくる車両の表面を照明する面光源としての直管形蛍光灯と、照明領域を撮像するＣＣＤカメラとを車両搬送ラインに配置した車両用塗面検査装置が周知となっている。これにより、レーザ光に依らずに面光源の拡散光を利用する簡単な構成の光学系により、反射角の緩やかなゆず肌に対しては反射光レベルは低下させることなく、ゆず肌と弁別して反射角の変化による反射光レベルの低下を基にゴミに起因するブツ、傷等の凹凸状の微小欠陥を画像処理により検出することができる。

しかしながら、この塗面検査装置は拡散光の塗面での反射光の撮像を前提にするために、直管形蛍光灯の横幅方向の塗面に対する光照射範囲もある程度広げることができるが、所定の照射光量に対する検出感度の点で改良の余地が残される。そこで、特許文献２により、面光源が、直管形蛍光灯の前方に配置され、かつその横幅と同程度もしくは狭い横幅を有する縦長のスリットと、このスリットの前方に配置され、かつ直管形蛍光灯の横幅よりも広い横幅を有し、スリットを通して入射する横幅方向の照射光を平行光に変換する縦長のフレネルレンズとを備え、イメージセンサから出力される画像信号レベルが、正常塗面に対応する高信号レベルから低下するのを検出して車両外面の塗面に生じている微小欠陥を検知する車両用塗面検査装置が開示されている。

さらに、光源としては、発光ダイオード群を面状に配列したテールランプ、ストップランプ等の車両用灯具が周知であり、特許文献３によりアウタレンズに沿って面状に配列された発光ダイオードの前面にフレネルレンズをそれぞれ配置して配光を制御するようにした車両用灯具も開示されている。このように発光ダイオードを利用すると、蛍光灯のように点灯時点から照度が一定になるまで時間を要することなく、しかも長寿命のメインテナンスフリーの光源が実現される。

一方、イメージセンサとしては、特許文献４或は特許文献５等により、上面に複数の画素電極が配設された信号読出し用の基板上に、第１導電型キャリア阻止層及び第２導電型キャリア阻止層間に成層させ、その間にバイアスにより印加により高Ｓ／Ｎ比下でアバランシェ増倍作用を有する受光層を介在させた固体撮像素子が周知である。さらに、特許文献６によれば、このような解像度・Ｓ／Ｎ比・感度を大幅に向上させ得る固体撮像素子を用いた内視鏡も周知であり、顕微鏡に匹敵する解像度で対象部位を観察可能にしている。
特開平３−１０１５０号公報特開２０００−２５０６２５号公報特開２０００−１２３６１０号公報特開平５−１２９６４９号公報特開平５−３３５５４９号公報特開平９−２１９６３号公報

特許文献２により、直管形蛍光灯の前方に、スリット及びフレネルレンズを配置した面光源の場合、横幅方向の拡散を抑制して、反射角を変化させるブツ等の微小欠陥からの正反射光の入射が高感度に低減して検知精度を向上させ得るが、横幅方向の平行光への変換範囲は直管形蛍光灯の形状により制限され、また蛍光灯を前提にする以上、輝度の安定度或は保守性の点で発光ダイオード群の光源には及ばない問題がある。そこで、本出願人は、特願２００３−３８４７７８により、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列された複数個の発光ダイオードを奥行き方向へ配列した発光ダイオード群による光源と、この光源に円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点とするフレネルレンズとを備え、このフレネルレンズが、円弧状配列の複数個の発光ダイオードのそれぞれの光軸を含む光軸面に沿って焦点を通過する各発光ダイオードの照射光を光軸面に沿って平行に出射させる表面検査用面光源を提案した。これにより、フレネルレンズを介して広い範囲に安定した輝度の平行光を照射でき、したがって円弧配列方向の拡散が抑制された正反射光の撮像画像を処理することにより、円弧配列方向に広い範囲の塗面の微小欠陥がその反射光の変化で高感度に検査できる。

しかしながら、通常のＣＣＤカメラの使用を前提にした場合、微細な検出感度に限界があり、したがって面光源の改良だけでは、異物混入或いは塗装対象面の傷に起因する微小欠陥等は高精度で検出されとしても、塗膜の表面張力の変動に起因する微小凹部（所謂ハジキ）、塗料垂れに起因する微小凸部（所謂タレ）、気泡が弾けた際に生じるリング状凸部（所謂ワキ）等の凹凸傾斜が相対的に緩やかな塗膜自体の微小欠陥の検出は難しい点で改良の余地が残されている。

本発明は、このような点に鑑みて、面状に光照射に対する正反射光を入射させるイメージセンサの撮像特性に応じて、さらに微細に塗面を検査し得る塗面検査装置を提供することを目的とする。

本発明は、この目的を達成するために、アバランシェ増倍作用を有する受光層を備えたアバランシェ増倍型固体撮像カメラの塗面に対する微細な撮像性能に着眼して、請求項１により、検査対象塗面を面状に光照射する面光源と、検査対象塗面での正反射光を入射させるイメージセンサと、このイメージセンサの画像信号のレベル変化を検出する画像処理により、塗面の欠陥の有無を検査する画像処理装置とを備えた塗面検査装置において、面光源が、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列された複数個の発光ダイオードを奥行き方向へ配列した前記発光ダイオード群による光源と、この光源に円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点とするフレネルレンズとを備えると共に、このフレネルレンズが、円弧状配列の複数個の発光ダイオードのそれぞれの光軸を含む光軸面に沿って焦点を通過する各発光ダイオードの照射光を光軸面に沿って平行に出射させると共に、イメージセンサがアバランシェ増倍型撮像カメラであることを特徴とする。

これにより、円弧状配列の各発光ダイオードの円弧中心点であるフレネルレンズの焦点を通過する照射光が、フレネルレンズに入射して平行光として出射され、円弧配列方向の拡散が抑制された正反射光の高解像度・高感度下で撮像した画像の処理により、円弧配列方向に広い範囲の塗面の微小欠陥がその反射光の変化で微細に検査される。したがって、請求項２により、画像処理装置が、検査対象塗面の傷もしくは付着した塵に起因する微小欠陥に加えて、正常な塗装対象面の塗膜自体の欠陥に起因する微小欠陥を検出する欠陥判定手段を備えることが可能になる。

アバランシェ増倍型撮像カメラにより出力可能な高Ｓ／Ｎ比のアナログ画像信号を前提に簡単に微小欠陥を画像表示するためには、請求項３により、画像処理装置が、アバランシェ増倍型撮像カメラの撮像画像の読出し走査により出力されるアナログ画像信号の微分処理によりアナログ微分信号を出力する微分処理手段と、所定レベルを超えるアナログ微分信号が、連続する複数の読出し走査ライン及びこの読出し走査方向の所定の走査幅で規定される走査範囲内に隣合って検出される微分信号検出領域の広さにより欠陥の有無を判定する欠陥判定手段と、検査対象塗面に対して生じたアナログ微分信号を画面表示する画面表示手段とを備える。出射光の平行度をさらに高めるには、請求項４の発明により、焦点位置に、奥行き方向に沿ってスリットが形成される。各発光ダイオード間の出射光量を平滑するには、請求項５の発明により、発光ダイオード群及び焦点位置のいずれか一方に、発光ダイオードの出射光の指向角を広くする拡散板が配置される。

請求項１の発明によれば、円弧面状に配列された発光ダイオード群により、フレネルレンズを介して広い範囲に安定した輝度の平行光を照射でき、したがって円弧配列方向の拡散が抑制された正反射光の撮像画像を処理することにより、円弧配列方向に広い範囲の塗面の微小欠陥がその反射光の変化で高い検知精度検出され、しかも安定光源により安定的に検査できる。発光ダイオード群の円弧配列により、任意の形状の面光源が製作可能になる。加えて、イメージセンサとして、高解像度・高Ｓ／Ｎ比・高感度の特性を有するアバランシェ増倍型固体撮像カメラの採用により、従来検出が難しかった正常な塗装対象面上の塗膜自体の凹凸傾斜が所謂ブツ等に較べて相対的に緩やかな微小欠陥も検出可能となる。つまり、請求項２の発明により塗膜の表面張力の変動、塗料垂れ、気泡の弾け等に起因する塗膜自体の微小欠陥も検出可能となる。また、請求項３の発明により高Ｓ／Ｎ比のアナログの画像信号が得られることにより、簡単なアナログ式の微分処理により、微小欠陥の画像信号のエッジが標準輝度に対して明暗に強調されてそのまま画面表示することが可能となる。請求項４の発明によれば、発光ダイオードの拡散する照射光を遮光することにより、平行度が一層向上して解像度が向上する。請求項５の発明によれば、多少の平行度の低下を甘受して発光ダイオード群の輝度を均一化できる。

図１乃至図５を基に本発明の実施の形態による塗面検査装置を説明する。図１は車両用として構成された塗面検査装置を示すもので、車両１の搬送路の両側にロボット３９、３９ａが配置され、それぞれのロボットアーム９、９ａの先端部に取付けられた基部２９には、面光源１０及びイメージセンサとしてのHARP(High-gain Avalanche Rushing amorphous Photoconductor)、即ちアバランシェ受光層を備えたアバランシェ増倍型固体撮像カメラ（浜松ホトニクス株式会社製、商品名AP
イメージャカメラ、型名Ｃ９１４８）２１よりなる撮像装置２０が取付けられている。ロボット３９、３９ａは、撮像装置２０を順にシフトさせるように塗面上を走査し、かつ各走査位置で塗面に対面する３次元位置及び３軸方向の角度を任意に制御可能になっている。アバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１は、フレネルレンズ１５の例えば５０ｃｍの前方位置の塗面での照射領域よりも広い横幅で、２００ｍｍ程度の縦幅の範囲の正反射光が入射するように配向されている。

このアバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１は、５１２×５１２画素の高解像度を備えると共に、通常のＣＣＤカメラに対して高Ｓ／Ｎ比で電子増幅を行い、塗膜を微細に高感度で検出することができる。撮像装置２０には、アバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１により、撮像画面を読出し走査方向に高速度で読出して出力される連続的なアナログの画像信号のレベルが、微小欠陥に起因して通常の高い信号レベルから低下するのを検出する画像処理装置３０が付属している。

この画像処理装置は、例えば、図２に示すように、アバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１から供給されるアナログ画像信号を増幅してＣＲ(コンデンサ、抵抗器)のアナログ式の微分回路により微分処理を行ってアナログの微分波形信号を出力する微分処理手段３１と、その微分された検査対象塗面の撮像画面の画像信号を画面表示する画面表示装置３２と、読出し走査ラインに沿って読出し走査されたフレネルレンズ１５の横幅よりも僅かに狭い横幅約８ｃｍ、奥行き方向２０ｃｍ範囲の画像信号を横幅方向へ読出し走査した画像データを実際の処理範囲として、微分により生じる対状の正負のパルスのそれぞれのピーク間の振幅を検出して所定レベルを超える画像信号を欠陥候補信号としてそのピーク間の微小画素に対応したアドレスを格納する欠陥候補検出部３３ａ及び連続する複数の読出し走査ライン及びこの読出し走査方向の所定の走査幅で規定される走査範囲内に、隣合って欠陥候補信号が検出される微分信号検出領域の面積を判断する面積判断部３３ｂを備えて欠陥の有無を判断する欠陥判定手段３３と、検査データを格納する検査データ格納手段３４とを備えている。

この検査データ格納手段及び欠陥判定手段３３は、パーソナルコンピュータにより構成されると共に、画面表示装置３２はロボットアーム９，９ａ側の双方の画像信号を入力されて、画面表示手段としてこのパーソナルコンピュータに共通の付属装置を構成している。この画面表示装置には、撮像装置２０を順にシフトさせるように塗面上を走査するロボット３９、３９ａの各ロボット走査位置データと共に、所属のアナログの微分波形信号をディジタル化して格納するパーソナルコンピュータ利用の表示データ格納手段３２ａが付属すると共に、検査対象の車体輪郭のグラフィック表示データ及び欠陥部位を指示する後述のマークデータを内蔵しており、検査対象塗面全域或は指示された領域の微分波形信号を再度Ｄ／Ａ変換して微小欠陥を対応する車体上の塗面位置にマークと共に表示する。

微分処理手段３１のＣＲの時定数は、塗面上の例えば幅が０．２ｍｍ程度の微小欠陥に対応して読出し走査方向の微小領域で検出される細いパルス信号のレベル低下による立下り及びその復帰による立上りを検知し得るように十分小さく設定されている。欠陥候補検出部３３ａは、微分波形信号をＡ／Ｄ変換して、塗面の０．２ｍｍ乃至１．５ｍｍ程度に相当する読出し走査方向の微小領域で対状に発生した正負のパルスのそれぞれのピーク間の振幅を演算して、所定の振幅を越えた場合、所属の領域のアドレスと共に欠陥候補信号として記憶する。面積判断部３３ｂは、欠陥候補信号が隣接して検出される塊領域もしくは線状領域の大きさを基に塗面で見て面積例えば０．５ｍｍ^２を上廻るか否かを判断し、上廻る場合に、その部位を指示する欠陥信号を出力する。検査データ格納手段３４は、欠陥信号が出力されたロボット走査位置で特定された塗面位置を欠陥位置データとして格納する。

図４及び図５は車両用塗面を検査するための面光源１０を示すもので、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列した複数個の発光ダイオード１１ａを基面１２に奥行き方向へさらに配列した発光ダイオード群で構成される光源１１と、この光源にその円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点Ｆとするフレネルレンズ１５と、焦点Ｆの位置で奥行き方向へ縦長のスリット１６を形成するスリット板１７とを備えて、それぞれケース１３に収納されている。

フレネルレンズ１５は、半径が８ｃｍ程度の円弧状配列の複数個の発光ダイオード１１ａの横幅よりも広く設定され、焦点Ｆを通って光源１１を奥行き方向へ２分割する対称面に対して対称に配置され、複数個の円弧状発光ダイオード１１ａの各光軸を含む光軸面、即ち前述の対称面の直交面に沿って焦点Ｆを通過する入射光を前述の光軸面に沿って平行に偏向する。また、フレネルレンズ１５の横幅は１０ｃｍ、奥行き幅は直管形蛍光灯に対応して３０ｃｍ程度であり、前述の光軸面に沿って横幅が１ｃｍ程度のスリット１６を通過する各発光ダイオード１１ａの照射光を平行に出射させるように、横幅方向へ発光ダイオードの個数よりも大幅に多い個数のフレネル面が形成されている。発光ダイオード１１ａは青色の発光を行い、その光軸に対して横幅方向へ約±１０°、奥行き方向へ±２０°程度の出射光量の指向角で光照射を行う。

このように構成された塗面検査装置の動作は次の通りである。発光ダイオード１１ａの円弧配列及びスリット１６の絞りにより、フレネルレンズ１５にその焦点もしくはその近辺を通過する照射光が入射し、平行光もしくは略平行光で検査対象塗面が照射される。撮像装置２０は、その反射光をアバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１で撮像して、その撮像範囲のアナログの画像信号を画像処理装置３０に供給する。円弧配列方向の拡散が抑制された正反射光の撮像画像が、検査対象塗面の微小欠陥がその反射光で高感度に高解像度下で検知され、円弧配列の発光ダイオード１１ａの光軸面に沿った横幅方向の読出し走査により広い範囲を高精度に効率良く検査できる。しかも波長の短い青色光により一層敏感な振幅変化で検知される。

即ち、図３において、同図１段目に中央部の読出し走査方向の断面を示すように、塗面に前述のブツ、ハジキ、タレ、ワキ（同図３段目に塗面での平面視の形状を示す）の微小欠陥を発生していると、図で見て横方向の読み出し走査により、その中央部について同図２段目に示す微分波形信号がそれぞれ発生する。ブツ、タレは凸状であるが、画像信号は暗く検知されるために先ず立下がりを生じて対状に立上がりを生じる。同様に、読出し走査が図で見て順に上方から下方へ行われるごとに、微小欠陥の形状に応じた微分波形信号が発生する。

画面表示装置３２の画面には、図１に示すように、検査終了後に、車体輪郭の画像上に微分波形の画像が表示される。その際、図３の４段目に標準輝度□に対して順に明るくなる△○及び順に暗くなる▲●の概略的に５段階で示すように、微分波形信号により微小欠陥が表示される（その画像の大きさを便宜上揃えてある）。横幅が狭いと、微分波形自体がその輝度に応じて表示されるが、広くなると中間領域は一旦標準輝度になる。つまり、微小欠陥のエッジでの画像信号レベルの立上がりにより輝度が標準輝度レベルより上昇し、立下りで下降することにより、微小欠陥が読出し走査方向の両側のエッジの明暗により鮮明に画像表示される。また、微小欠陥であると判断された画像位置には、×印のマークが表示される。画面表示装置３２に対する指示により、特定領域の検査面を拡大して表示することもできる。

尚、別の実施の形態による画面表示装置として、塗面検査装置が静止状態で塗面検査を行うように構成されている場合、アバランシェ増倍型固体撮像カメラ２１の撮像と同期状態でその撮像範囲のアナログの画像信号を一旦格納することなくそのまま表示するように構成することもできる。前述の実施の形態による面光源において、焦点位置のスリットは廃止しても、全ての発光ダイオードの光軸がフレネルレンズの焦点を指向していることにより、多少の平行度の低下を甘受して広範囲の平行変換が可能である。さらに、図６に示すように、図１において、スリット１６に各発光ダイオード１１ａの光軸に対して横幅方向の指向角を広げる拡散板１９を配置することにより、多少の平行度の低下を甘受して光源１１の横幅方向の輝度を均一化できる。同様に、同図に示すように光源１１に沿って拡散板１９ａを拡散板１９に代えて配置することも考えられる。

別の実施の形態による画像処理装置としては、前述の連続アナログ波形の微分処理を行うことなく、従来通り一旦ディジタルの画像信号をメモリに取込み、ＣＰＵにより画像信号レベルの急峻なレベル変化を検出することによっても前述の各種の微小欠陥は検出可能である。例えば、欠陥判定手段として、図７に示すように、読出し走査方向の画像信号に対して微小欠陥に起因する高画像レベルからの立下がり点Ｔｆ及び立上り点Ｔｒを検出し、これらの差が基準値を上廻ると、その画素ラインデータを微小欠陥候補として判定する。さらに、順に隣合う微小欠陥候補の読出し走査ラインのデータで形成される微小欠陥候補領域が外接する方形Ｒを作成し、その縦横の長さをそれぞれ算出して、いずれかが所定の長さを上廻ると微小欠陥と判定する。

本発明の実施の形態による塗面検査装置の構成を説明する図である。同塗面検査装置の画像処理装置の動作を説明する図である。同車両用塗面検査装置の概略正面図である。同塗面検査装置の面光源の断面図である。同面光源の斜視図である。別の実施の形態による面光源の概略断面図である。別の実施の形態による画像処理装置の処理動作を説明する。

符号の説明

１車両
１０面光源
１１光源
１１ａ発光ダイオード
１５フレネルレンズ
１６スリット
２１アバランシェ増倍型固体撮像カメラ
３２画面表示装置

Claims

検査対象塗面を面状に光照射する面光源と、検査対象塗面での正反射光を入射させるイメージセンサと、このイメージセンサの画像信号のレベル変化を検出する画像処理により、塗面の欠陥の有無を検査する画像処理装置とを備えた塗面検査装置において、
面光源が、それぞれの光軸が円弧中心点に一致するように、円弧状に配列された複数個の発光ダイオードを奥行き方向へ配列した前記発光ダイオード群による光源と、この光源に前記円弧中心点の前方で対面し、かつこの円弧中心点を焦点とするフレネルレンズとを備えると共に、このフレネルレンズが、円弧状配列の複数個の前記発光ダイオードのそれぞれの前記光軸を含む光軸面に沿って前記焦点を通過する各前記発光ダイオードの照射光を前記光軸面に沿って平行に出射させると共に、イメージセンサがアバランシェ増倍型撮像カメラであることを特徴とする塗面検査装置。
画像処理装置が、検査対象塗面の傷もしくは付着した塵に起因する微小欠陥に加えて、正常な塗装対象面の塗膜自体の欠陥に起因する微小欠陥を検出する欠陥判定手段を備えることを特徴とする請求項１記載の塗面検査装置。
画像処理装置が、アバランシェ増倍型撮像カメラの撮像画像の読出し走査により出力されるアナログ画像信号の微分処理によりアナログ微分信号を出力する微分処理手段と、所定レベルを超えるアナログ微分信号が、連続する複数の読出し走査ライン及びこの読出し走査方向の所定の走査幅で規定される走査範囲内に隣合って検出される微分信号検出領域の広さにより欠陥の有無を判定する欠陥判定手段と、検査対象塗面に対して生じたアナログ微分信号を画面表示する画面表示手段とを備えたことを特徴とする請求項１又は請求項２記載の塗面検査装置。
焦点位置に、奥行き方向に沿ってスリットが形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか記載の塗面検査装置。
発光ダイオード群及び焦点位置のいずれか一方に、発光ダイオードの出射光の指向角を広くする拡散板が配置されることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか記載の塗面検査装置。