JPH0695075B2 - 表面性状検出方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、金属板、ガラス板のような面状体表面のみな
らず、各種機械、電気製品等の段差のある表面について
も、傷、欠陥の位置、大きさ、種別を検出して、不良欠
陥品を高速かつ高精度に発見するための表面性状検出方
法に関するものである。

［従来の技術］ 素材の製品の表面の傷、欠陥の検査は、自動車、電気製
品をはじめとして、あらゆる産業分野において必要であ
る。この表面検査では、表面の傷、欠陥の位置、大きさ
を検出するだけでは不十分で、傷や欠陥の種別を判別す
ることが要求されている。

このため、従来の表面欠陥検出装置における光照射系に
は、レーザー光を用いたフライングスポット法が用いら
れている。このフライングスポット法では、レーザー光
源から照射した光ビームを光走査手段を介して、被検体
の表面に照射かつ走査し、表面からの反射回折光を適当
な受光検出系により検出している。既存の受光検出系と
しては、マルチフォトセル法、回折パターン投影法、ミ
ラー集光法、拡散板集光法などがあるが、いずれも被検
体として表面の平らなガラス板、金属板、フィルム等の
面状体を対象としており、凹凸や段差のある製品の表面
検査には適用が困難である。すなわち、段差のある被検
体では、検査面の高さが場所によって変化するので、斜
め方向から照射した走査光の検査面からの反射位置（高
さ）が変わり、受光検出系に反射光が入射結像されなく
なる。

また、うまく受光検出系に入射した場合でも、上記した
従来の受光検出系では、被検体表面からの反射回折光の
正確な回折パターンを検出することが困難なため、傷や
欠陥の種別を正確に判定することができない。

第４図は、一例として従来のマルチフォトセル法による
検出装置の構成を示している。この装置は、レーザー発
振器31からの光ビームをコリメータレンズ32を通して振
動ミラー33に投射することにより、光ビームの照射方向
を高速に変えて被検体34表面を光走査可能とし、受光検
出系には、反射光用と回折光用に２組の受光器35,36を
並設して、それらの出力を増幅器37,38を介してアナロ
グ演算器39に入力できるようにしたものである。

しかしながら、この装置の受光検出系では、回折光の光
量は求まるが、傷種の判定に必要な回折パターンの方法
を特定することはできない。

また、第５図に示すような回折パターン投影法による場
合には、レーザー発振器41からの光ビームを被検体42に
投射して、スクリーン43に写った回折パターンをカメラ
等で撮り込み、これによって傷の判別することができる
が、ポイント測定のため、面的な情報を得るには、被検
体もしくは光学系を二次元的に移動走査する必要があ
り、検査に時間を要する欠点がある。

したがって、上記した従来の表面欠陥検出方法では、段
差のある被検体表面の傷や欠陥の種別を正確かつ高速に
判定することは不可能であり、精度的にもよい検出方法
とはいえない。

［発明が解決しようとする課題］ 本発明の技術的課題は、上記問題点を解決するためにな
されたもので、被検体の表面に段差のある場合において
も、傷、欠陥、割れ、汚れ等を正確に検出測定できるば
かりでなく、それらの位置、大きさ、種別をも検出でき
るようにした表面性状検出方法を提供することにある。

［課題を解決するための手段］ 上記課題を解決するための本発明の表面性状検出方法
は、光源からの光ビームにより被検体表面を光走査し、
前記被検体表面からの回折光を受光手段で受光して得ら
れる受光データにもとづいて、前記被検体表面の各種表
面欠陥を検出する方法において、被検体検査面の上方に
備えたTVカメラにより撮り込んだ走査光の反射像から検
査面の高さを検出し、その検出出力に基づき、検査面に
斜め方向から照射した走査光の反射回折光が常に受光検
出系に入射結像するように、被検体の上下方向の位置を
制御し、さらに、上記反射回折光を放物柱面鏡で集光し
て、集光点と集光点を中心とする同心円周上に光ファイ
バーの受光端を並べた受光検出部の受光面に投射し、光
ファイバーの他端に設けた光電変換器によって、受光し
た反射回折光の光量測定を行い、上記受光検出部におい
て得られた情報と、前記TVカメラにより検出した検査面
の凹凸、割れ等の情報を併用して、被検体表面の傷、欠
陥、割れ等の位置、大きさ、種別を判定し、ディスプレ
イ上に表示させることを特徴とするものである。

［実施例］ 第１図は本発明の表面性状検出方法の実施に使用する装
置の概略的構成を示している。

この装置の投光系は、レーザービームを照射するレーザ
ー発振器１、レーザービーム径の大きさを調整するコリ
メータレンズ２、ビームの照射方向を高速に変えてＹ方
向に光走査を行う振動ミラー３、走査光を平行光に変換
する放物柱面鏡４により構成される。

一方、受光検出系は、被検体11の検査面の直上に備えた
TVカメラ５、そのTVカメラに接続されて撮り込んだ画像
の解析を行う画像処理部６、検査面の各位置で反射散乱
したレーザー走査光を集光するための放物柱面鏡７、上
記放物柱面鏡７から投射される反射回折光を受光する受
光検出部８、上記画像処理部６および受光検出部８から
の情報に基づいて、傷、欠陥、割れ等の位置、大きさ、
種別を判定するデータ処理部９、上記データ処理部９に
おける判定の結果を傷種ごとに表示するディスプレイ10
によって構成される。

第２図には、受光検出部８の受光面12における光ファイ
バー13の受光端13a,13a,…の配列状態を示している。こ
の受光面12においては、集光点および集光点を中心とす
る同心円周上の右半分に光ファイバー13の受光端13aが
配置され、各光ファイバーの他端はそれぞれ光電変換器
（フォトマルチプライヤ）14に接続される。この光電変
換器14には、低雑音、高感度のものを用い、微弱な回折
光まで正確に検出可能にする必要がある。

さらに、被検体11の検査面の高さを常に一定に保持する
ため、被検体11を載置するためのステージ16のＺ方向
（上下方向）移動用の駆動モータ18を備えたスライダー
17と、上記ステージ16をＸ方向に移動させるための駆動
モータ20を備えたスライダー19とが設けられている。

上記装置による被検体11の表面性状の検出は、次のよう
にして行われる。

光源であるレーザー発振器１からのレーザービームは、
コリメータレンズ２によりビーム径の調整を行い、放物
柱面鏡４の焦点位置に備えられた振動ミラー３によりそ
の方向を変える。

予め決められた角度内を決められた周期で振動ミラー３
を振動させておくと、ミラー３で反射した光ビームは時
間的にその方向を変えながら放物柱面鏡４にあたり、そ
の位置から平行光に変換され、被検体の検査に対して斜
めに入射して、指定した範囲内を一定周期、一定速度で
順次光走査する。

凹凸や段差のある被検体の表面検査を自動的に行うた
め、検査面の直上に配置した前記TVカメラ５は、検査面
に照射したレーザー走査光の反射像を撮り込み、画像処
理部６において、レーザー光の反射位置を検出する。レ
ーザー光の検査面への入射角度θは予めわかっているの
で、被検体の各部の基準面からの高さＨは、次式により
容易に求められる。

Ｈ＝ｄ tan θ ここで、ｄは画像から検出したレーザー反射像の基準位
置からのずれ量である。

画像処理部６において基準面からの高さＨを求めた後、
その検出出力に基づき、被検体11を載置したステージ16
を駆動モータ18付きのスライダー17により上下に移動さ
せ、検査面の高さが常に一定に保たれるようにその上下
位置を制御する。この機構により、凹凸や段差があって
も、検査面において反射回折したレーザー光は、常に受
光検出部８に入射される。

さらに、TVカメラ５から撮り込んだレーザー走査光の反
射像を画像処理すると、検査面の高さとともに、検査面
の細かな凹凸や割れの位置、大きさが検出できる。その
場合、TVカメラ５のレンズ系に、通常の光学レンズのか
わりに２本の円柱レンズを一定距離おいて互いに直交さ
せたものを使用すると、Ｘ方向とＹ方向で異なる倍率の
画像が得られる。例えば、Ｘ方向の倍率をＹ方向より10
倍高くしておくと、被検体表面の凹凸を10倍精度よく検
出することができる。

画像処理部６における画像処理によって求めた検査面の
細かい凹凸や割れや位置、大きさなどの情報は、データ
処理部９に送られ、以下に説明する反射回折光の検出結
果とあわせて、傷や欠陥の種別の判定に用いられる。

上述したように、高さを一定に保持された被検体11の検
査面において反射回折したレーザー走査光は、検査面の
表面性状（傷、欠陥、汚れ、割れ）により種々の方向に
回折され、入射角度に等しい角度で後方に反射し、放物
柱面鏡７により集光された後、受光手段としての受光検
出部８に入射する。

従来の研究から、被検体表面の表面性状（傷、欠陥、汚
れ）と回折パターンの形状の間には密接な相関関係があ
ることが知られている。第３図Ａ〜Ｄに代表的な回折パ
ターンの例を示す。正常部の場合、第３図Ａに示すよう
に、回折パターンはほとんどあらわれない。一方、傷や
欠陥がある場合は、傷の種類、方向、巾、深さによっ
て、特有の回折パターンを生ずる。第３図Ｂは汚れがあ
る場合の回折パターン、同図Ｃはカキキズがある場合の
回折パターン、同図Ｄは押込みキズがある場合の回折パ
ターンを示している。

したがって、上記受光検出部８において、回折光の方向
と光量を検出することにより、傷の種別を判別すること
ができる。また、一般に回折パターンは、集光点（直接
反射）を中心とした対称形をしているので、受光検出部
８の受光面12における光ファイバー13の配列は、第２図
に示すように同心円周上の右半分または左半分だけ配置
すればよい。

検査においては、スライダー19で被検体11をＸ方向に一
定ピッチずつ移動しながら光走査を行い、検査面全体の
表面性状の検出を行う必要がある。その際、最終的な製
品の良不良の判定は、検査員により上記装置による検査
結果を見ながら総合的に判定される。そこで、上記装置
では、TVカメラ５により撮り込んだ画像、ならびに反射
光の回折パターンの解析結果をデータ処理部９に送り、
検査面の表面の凹凸、回折パターンから傷や欠陥、割れ
等の位置、大きさ、種別を判定し、判定結果をディスプ
レイ10に傷種ごとに色分けしてカラーグラフィック表示
させる。検査員は、表示された色の分布から、容易に傷
種を知ることができ、良不良の判定を正確に行うことが
できる。

傷や欠陥が深いところ、あるいは割れの部分では、反射
光が受光検出系に入射されず、測定が不能となる場合が
ある。このような場合でも、上記装置では、TVカメラで
撮り込んだ画像を用いることによって、測定不能部の幾
何学的な形状に関する情報が得られる利点がある。

［発明の効果］ 以上のように、本発明の表面性状検出方法によれば、大
きな凹凸や段差のある被検体においても、検査面を一定
高さに保持しながら検査を行うことが可能となり、さら
に、検出系として、TVカメラと高感度の光電変換器を併
用することにより、欠陥、傷種の判別を正確かつ高精度
に行うことのできる表面性状検出方法を得ることができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例である表面性状検出方法の実
施に使用する装置の概略構成図、第２図は上記装置にお
ける光ファイバーの受光端面の正面図、第３図は各種欠
陥による回折パターンについての説明図、第４図及び第
５図は従来例の説明図である。 １……レーザー発振器、５……TVカメラ、 ６……画像処理部、７……放物柱面鏡、 ８……受光検出部、９……データ処理部、 10……ディスプレイ、11……被検体、 12……受光面、13……光ファイバー、 13a……受光端、14……光電変換器。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 宮内 秀和 広島県呉市広末広２丁目２番２号 工業技 術院中国工業技術試験所内 (56)参考文献 特開 昭62−75234（ＪＰ，Ａ) 特開 昭58−97608（ＪＰ，Ａ) 実開 昭62−14039（ＪＰ，Ｕ) 実開 昭56−105834（ＪＰ，Ｕ)

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】光源からの光ビームにより被検体表面を光
   走査し、前記被検体表面からの回折光を受光手段で受光
   して得られる受光データにもとづいて、前記被検体表面
   の各種表面欠陥を検出する方法において、 被検体検査面の上方に備えたTVカメラにより撮り込んだ
   走査光の反射像から検査面の高さを検出し、その検出出
   力に基づき、検査面に斜め方向から照射した走査光の反
   射回折光が常に受光検出系に入射結像するように、被検
   体の上下方向の位置を制御し、 さらに、上記反射回折光を放物柱面鏡で集光して、集光
   点と集光点を中心とする同心円周上に光ファイバーの受
   光端を並べた受光検出部の受光面に投射し、光ファイバ
   ーの他端に設けた光電変換器によって、受光した反射回
   折光の光量測定を行い、 上記受光検出部において得られた情報と、前記TVカメラ
   により検出した検査面の凹凸、割れ等の情報を併用し
   て、被検体表面の傷、欠陥、割れ等の位置、大きさ、種
   別を判定し、ディスプレイ上に表示させる、 ことを特徴とする表面性状検出方法。