JP6099115B2 - 三次元表面検査装置および三次元表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、自動車やその部品などの計測対象物の表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を非接触で検査する三次元表面検査装置および三次元表面検査方法に関する。

自動車のボディーの表面の疵、凹みや塗装の剥がれなどの検査は、自動車の生産やリサイクルにおいて非常に重要である。しかしながら、現状ではこれらの品質検査は、熟練工の目視に頼っており、作業員によりばらつきがあるだけでなく、作業員に過大な負担を掛けることになる。そのため、デジタルカメラやデジタルビデオカメラ等のデジタル式撮影装置を用い、非接触で高速かつ高精度に計測対象物の表面検査を行うことが可能な表面検査装置が望まれている。

自動車のボディーのような三次元的形状を有する計測対象物を計測する三次元画像計測は、受動法と能動法に大別できる。典型的な受動計測法は、２台のカメラによるステレオ計測法が挙げられる。ステレオ計測法は、計測物体の各部分の画像特徴を利用して２台のカメラにより撮影した２枚の画像の対応点関係を明らかにし、その三次元座標を計算する手法であるので、物体の輪郭などの計測に好適であるが、緩やかな面などの特徴の少ない部分の計測には不向きである。

一方、典型的な能動計測法としては、パターン光投影計測法が挙げられる。パターン光投影計測法は、パターン光を計測対象物に投影することにより、能動的に計測対象物に特徴を付けるので、緩やかな面などの特徴の少ない部分の計測にも適応できる。

また、正弦波のようなパターン光を計測対象物に投影し、その複数枚の反射パターン画像に基づく位相シフト解析方法が知られている。例えば、パターン光投影に基づく三次元画像計測の計測時間の短縮と計測精度の向上のため、特許文献１，２に記載の手法が提案されている。特許文献１の手法では、最適強度変調パターン光の使用により、１回のパターン光の投影で三次元画像計測を実現でき、計測の時間短縮と精度向上が可能であるが、表面反射の強い自動車のボディーの表面計測には不向きである。

また、特許文献２の手法では、より高い密度を持つ計測線パターンと基準線パターンの使用により、より高精度の三次元画像計測が実現できるが、ハイライト等の表面反射の強い計測対象物への応用が困難である。すなわち、一般のパターン光投影技術に基づく三次元画像計測は、自動車のボディーのような艶のある物体、すなわち鏡面反射の強い物体には適応困難である。

そこで、鏡面反射の強い物体に対しては、以下の技術が提案されている。例えば、特許文献３の手法では、計測対象物に対して光源光が直接当たらないようにすることにより、鏡面反射が酷い計測対象物であってもその表面検査を可能としている。また、特許文献４に記載の手法では、直線状の明暗パターンを計測対象物に投影し、その反射パターンの境界点の解析により計測対象物の表面の凹凸の欠陥を検出するものであり、自動車表面の凹みの計測に対応可能となっている。

特開２００６−１４５４０５号公報 特開２０１１−１８５８７２号公報 特開２０１０−１８５８２０号公報 特開２０１０−８５１６５号公報

ところが、特許文献３の手法では、二次元式の画像計測技術を用いるので、自動車の表面疵等の二次元的な計測は可能であるものの、凹みの深さなどの三次元的な検査を行うことができない。また、特許文献４の手法は、パターンの境界点を主に用いた解析手法であり、二値化画像解析に似た解析手法であるため、凹凸の深さを精密に計測することが困難である。また、境界線のないところの凹凸の計測は困難である。

そこで、本発明においては、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、簡単な構造により低コストで高精度かつ高速に表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を検査することが可能な三次元表面検査装置および三次元表面検査方法を提供することを目的とする。

本発明の三次元表面検査装置は、計測対象物を撮影する撮影装置と、曲面状に配設されて計測対象物を覆うフィルタ膜と、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、フィルタ膜を介して計測対象物に投影する曲面パターン光投影手段と、撮影装置により撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出する欠陥検出手段とを含むものである。

また、本発明の三次元表面検査方法は、曲面状に配設されて計測対象物を覆うフィルタ膜に対し、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、フィルタ膜を介して計測対象物に投影すること、計測対象物を撮影装置により撮影し、撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出することを含むことを特徴とする。

これらの発明によれば、計測対象物に対してパターン光は直接投影されず、フィルタ膜を介して投影されるので、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物を普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物の表面欠陥を検出することができる。このとき、投影されるパターン光は、フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つが、この撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布にデコード処理により変換すると、計測対象物の表面の三次元的欠陥部分は直線状強度分布から外れるので、この三次元的欠陥部分を検出することが可能となる。

本発明によれば、鏡面反射が酷い計測対象物であっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物を普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物の表面欠陥を検出することができ、計測対象物表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥部分を低コストで高精度かつ高速に検出することが可能となる。

本発明の実施の形態における三次元表面検査装置の全体構成図である。 図１の三次元表面検査装置の詳細な構成を示すブロック図である。 本実施形態における三次元表面検査装置による検査処理のフロー図である。 本発明の実施形態における表面検査装置の曲面状空間強度分布パターン光生成のイメージ図である。 本発明の実施形態における表面検査装置の投影パターンのその他の実施例である。 （ａ）は計測対象物の表面に凹みなどの形状変化がない場合の画像の強度分布を示す図、（ｂ）は（ａ）のデコード解析結果の強度分布を示す図である。 （ａ）は計測対象物の表面に凹みなどの形状変化がある場合の画像の強度分布を示す図、（ｂ）は（ａ）のデコード解析結果の強度分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態における三次元表面検査装置について、図面を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態における三次元表面検査装置の全体構成図、図２は図１の三次元表面検査装置の詳細な構成を示すブロック図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における三次元表面検査装置は、自動車のボディーやその部品などの計測対象物Ｘの表面の疵や凹みなどの三次元的欠陥を非接触で検査する装置であり、線状光源１と、線状光源１と計測対象物Ｘとの間に配置され、線状光源１の光が計測対象物Ｘに直接当たらないように前記線状光源１の光を均一に減光するフィルタ膜２と、計測対象物Ｘを撮影する撮影装置としてのカメラ装置３と、線状光源１およびカメラ装置３が接続されるコンピュータ４とから構成される。

線状光源１は、普通の市販されている例えば、蛍光灯やＬＥＤなどの線状の照明機器である。フィルタ膜２は、半透明な材料によりドーム状やトンネル状などの曲面状に形成されたものであり、線状光源１からの光を減光および拡散するものである。線状光源１は、このフィルタ膜２の曲面状に沿って複数本配置されている。

フィルタ膜２の透過率は、線状光源１の光量および計測対象物Ｘの表面反射率に応じて適切に選ばれるが、一般的には５％から９５％までの範囲である。カメラ装置３はデジタル式カメラである。カメラ装置３は画像のデジタルデータを取得可能な撮影装置であればよく、８ビット、１０ビット、１２ビットや１６ビット等のもの、３ＣＣＤ、１ＣＣＤやＣＭＯＳ等のイメージセンサを用いたもの、静止画カメラ、動画カメラやビデオカメラ等のどのようなものでもよい。

コンピュータ４は、線状光源１およびカメラ装置３を接続するためのインターフェース（図示せず。）を備えており、図示しない検査プログラムの実行により、図２に示す記憶手段１０、投影パターン光制御手段１１、写真撮影手段１２、欠陥検出手段１３、寸法推定手段１４、検査結果表現手段１５および出力手段１６として機能する。

投影パターン光制御手段１１は、複数本の線状光源１を制御、例えばオン−オフ制御することにより、フィルタ膜２の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影するものである。この投影パターン光制御手段１１による線状光源１の制御データは、記憶手段１０に記憶されている。

写真撮影手段１２は、検査に適用できる画像を撮影するために必要な最適なパラメータ（以下、「撮影パラメータ」と称す。）でカメラ装置３を制御して、計測対象物Ｘの表面の撮影を行い、撮影された画像データを記憶装置１０に記憶させるものである。このカメラ装置３の制御に必要な撮影パラメータ等は、記憶手段１０に記憶されている。また、記憶手段１０には、後述する各手段により算出された結果のデータ等も記憶される。

欠陥検出手段１３は、写真撮影手段１２により入力された画像データの解析により、計測対象物Ｘの表面にある凹みや大きな疵等の三次元的欠陥を検出するものである。寸法推定手段１４は、検出された三次元的欠陥の寸法（径や深さ等）を画像解析により推定するものである。

検査結果表現手段１５は、三次元的欠陥の位置、形状やサイズ等の検査結果を、ユーザが分かりやすい方法でコンピュータ４のモニタ上で表現するものである。また、検査結果表現手段１５は、必要に応じてモニタ上で検査結果を拡大表示、縮小表示、全体表示や部分表示等させる機能を備えている。出力手段１６は、写真撮影した画像や検査結果等を、画像、テキストファイル、表、グラフや数値などの方式で、各種のメディアに保存したり、出力したりするものである。

なお、図２に示すように、曲面パターン光投影手段５は、線状光源１と投影パターン光制御手段１１により構成される。なお、線状光源１は、必要とする投影パターン光を生成するために、予め、その総合的な位置関係と、互いの間隔と、フィルタ膜２との間の距離を調整しておく。

次に、本実施形態における三次元表面検査装置による計測対象物Ｘの表面の凹み等の三次元的欠陥部分の検査処理について説明する。図３は本実施形態における三次元表面検査装置による検査処理のフロー図である。

本表面検査装置を使用する前に、線状光源１を設定する。設定は、まず線状光源１の位置、各線状光源１の間隔、すなわち各線状光源１間の距離を調節する（Ｓ１０１）。続いて、線状光源１とフィルタ膜２との間の距離を調節し、曲面状強度分布パターン光の生成のための環境を備える（Ｓ１０２）。上記の設定は、毎回計測の前に行う必要はなく、表面検査装置の構築の際に一回だけ行えば良い。

続いて、コンピュータ４の投影パターン光制御手段１１の指令により、各線状光源１のオン−オフを制御し、計測のための曲面状空間強度分布パターン光を生成する（Ｓ１０３）。図４は曲面状強度分布パターン光の生成のイメージ図であり、（ａ）は線状光源１の配置と、フィルタ膜２の表面の曲面状に沿って周辺に生成したパターン光の強度分布のイメージ図、（ｂ）は（ａ）のフィルタ膜２を平面上に展開（円弧Ｒを直線化）した際のパターン光の強度分布のイメージ図である。図４（ｂ）に示すように、同図（ａ）の曲面状強度分布のパターン光の強度分布は、平面上に展開すると強度分布が正弦波となるパターン光である。

次に、コンピュータ４の写真撮影手段１２がカメラ装置３の撮影パラメータを調節し、計測対象物Ｘから反射された曲面状強度分布パターン光をカメラ装置３により撮影し、画像をコンピュータ４に入力する（Ｓ１０４）。写真撮影手段１２は入力した画像の強度分布を解析し、欠陥検出に理想的な画像かどうかを判断する。理想的な画像であれば次の処理に進むが、理想的な画像でなければ、理想的な画像が撮れるまで繰り返しカメラ装置３の撮影パラメータを調節し、撮影する（Ｓ１０５）。

理想的な画像が撮影されたら、欠陥検出手段１３により曲面状強度分布のパターン光である正弦波を直線状強度分布に変換するデコード処理を行う（Ｓ１０６）。このとき、計測対象物Ｘの表面に凹みなどの形状変化がなければ、撮影された画像の強度分布は図６（ａ）に示すような綺麗な正弦波分布なので、デコードの結果は同図（ｂ）に示すような直線状の強度分布になる。一方、計測対象物Ｘの表面に凹みなどの形状変化があれば、図７（ａ）に示すように凹みなどの欠陥部分の画像の強度の位相分布に変化が生じ、綺麗な正弦波分布は得られなくなる。そのため、デコードすると、同図（ｂ）に示すように、この欠陥部分は直線から外れるので、この直線から外れた部分に凹みなどの欠陥が存在すると判定できる（Ｓ１０７）。

また、寸法推定手段１４により凹みの寸法および深さを推定する。図７（ｂ）に示す直線から外れた範囲は凹みの寸法と比例し、直線から外れた程度は凹みの深さと比例するため、寸法推定手段１４は、直線から外れた範囲と程度より、凹みの寸法と深さを推定できる（Ｓ１０８）。この検査結果は、検査結果表現手段１５によりコンピュータ４のモニタ上でコンピュータグラフィックスによる表現ができ（Ｓ１０９）、出力手段１６により各種の記憶メディアに保存したり、出力したりすることができる（Ｓ１１０）。

なお、上記実施形態では、曲面状強度分布のパターン光として正弦波状の強度分布を持つパターン光を用いたが、その他のパターン光として、図５に示すような台形波状や矩形波状等の周期的な強度分布を持つパターン光を使用することも可能である。

本実施形態における三次元表面検査装置では、計測対象物Ｘに対してパターン光は直接投影されず、フィルタ膜２を介して投影され、フィルタ膜２により減光および拡散されるので、鏡面反射が酷い計測対象物Ｘであっても、その表面にパターン光の光源が直接映り込まないため、この計測対象物Ｘを普通に撮影することで、この撮影された画像から容易に計測対象物Ｘの表面欠陥を検出することが可能となっており、数秒から数十秒の短時間で処理することが可能である。

また、計測対象物Ｘに投影されるパターン光は、フィルタ膜２の曲面状に沿って周期的な強度分布を持ち、撮影された画像に対し、曲面状強度分布を直線状強度分布にデコード処理により変換すると、計測対象物Ｘの表面の三次元的欠陥部分は直線状強度分布から外れるので、この三次元的欠陥部分を容易に検出することが可能となっており、数秒から数十秒で、凹み等の三次元的欠陥の検査を行うことが可能である。

本発明の三次元表面検査装置および三次元表面検査方法は、自動車やその部品などの計測対象物の表面の凹みや大きな疵などの三次元的欠陥を非接触で検査する装置および方法として有用であり、特に鏡面反射の酷い計測対象物の検査に好適である。

Ｘ 計測対象物
１ 線状光源
２ フィルタ膜
３ カメラ装置
４ コンピュータ
５ 曲面パターン光投影手段
１０ 記憶手段
１１ 投影パターン光制御手段
１２ 写真撮影手段
１３ 欠陥検出手段
１４ 寸法推定手段
１５ 検査結果表現手段
１６ 出力手段

Claims (3)

1. 計測対象物を撮影する撮影装置と、
   曲面状に配設されて前記計測対象物を覆うフィルタ膜であり、当該フィルタ膜の曲面状に沿って当該フィルタ膜の外側に複数本が平行に配置された線状光源からの光が前記計測対象物に直接当たらず、前記線状光源が直接映り込まないように前記線状光源の光を均一に減光および拡散するフィルタ膜と、
   前記複数本の線状光源を制御することにより、前記フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、前記フィルタ膜を介して前記計測対象物に投影する曲面パターン光投影手段と、
   前記撮影装置により撮影された画像に対し、前記曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、前記計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出する欠陥検出手段と
   を含む三次元表面検査装置。
2. 前記曲面状強度分布のパターン光は、正弦波状、矩形波状または台形波状の周期的な強度分布である請求項１記載の三次元表面検査装置。
3. 曲面状に配設されて計測対象物を覆うフィルタ膜であり、当該フィルタ膜の曲面状に沿って当該フィルタ膜の外側に複数本が平行に配置された線状光源からの光が前記計測対象物に直接当たらず、前記線状光源が直接映り込まないように前記線状光源の光を均一に減光および拡散するフィルタ膜に対し、前記複数本の線状光源を制御することにより、前記フィルタ膜の曲面状に沿って周期的な強度分布を持つ曲面状強度分布のパターン光を投影し、前記フィルタ膜を介して前記計測対象物に投影すること、
   前記計測対象物を撮影装置により撮影し、撮影された画像に対し、前記曲面状強度分布を直線状強度分布に変換するデコード処理を行うことで、前記計測対象物の表面の三次元的欠陥を検出すること
   を含む三次元表面検査方法。

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