JP5728395B2 - 円筒内周面検査用光学系及び円筒内周面検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、円筒内周面検査用光学系及び円筒内周面検査装置に関する。

従来より、孔内面の鋳巣、疵、バリ等の結果を検出する円筒孔検査装置が知られている（特許文献１）。この円筒孔検査装置は、円筒の孔内面を照明するための照明手段と、照明手段によりの照明光を伝達する導光手段と、導候手段よりの照明光を孔内に照射する照明照射手段と、画像反射手段を有し、照明照射手段より照射される照明の照射角度と孔内面にて反射されて画像反射手段に入射する画像の入射角度とが略正反射となるよう構成された内視鏡と、内視鏡及び画像伝達手段を介して撮像手段より撮像された孔の内面の画像から欠陥検出手段と備えている。

特開２００８−２３３７１５号公報

上記の特許文献１に記載の技術では、照明照射手段より照射される照明の照射角度と孔内面にて反射された画像反射手段に入射する画像の入射角度とが略正反射となるよう構成する必要がある。

しかしながら、上記特許文献１に記載の光学系では、被検査対象の円筒内に、先端に反射光学系を備えた検査プローブを位置決め精度良く挿入することは難しく、芯ずれや傾いて挿入される場合が多い。

このとき、上記特許文献１に記載の光学系では、プローブが芯ずれや傾いて挿入されることにより、円筒の内壁面での反射方向が正反射の光学系からずれた方向へ反射されるため、画像全体が暗く撮像され、その部分に巣やキズなどの欠陥がある場合にも、それらを検出することが難しくなってしまう、という問題がある。

また、芯ずれや傾きを防ぐためには、高価な位置決め装置を導入し、微妙な調整の元でプローブを挿入させる必要が生じるため、検査スピードを速くすることができない。

本発明は、上記事情を鑑みて成されたものであり、本発明の目的は、検査装置の円筒内への光学系位置決めのずれに対してロバストで、円筒の内周面に亘って画像化することができる円筒内周面検査用光学系及び円筒内周面検査装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明に係る円筒内周面検査用光学系は、円筒内を照明するための光源と、前記光源からの照明光を、前記円筒内であって、かつ、前記円筒と同軸な光となるように導光する導光部と、前記導光部により導光された照明光の開口を制限するための絞り部と、前記導光部により導光され、かつ、前記絞り部により制限された照明光の拡散を防止するように集光する凸レンズ部と、前記凸レンズ部によって集光された照明光を前記円筒の内周面に亘って反射させると共に、前記内周面からの反射光を、前記円筒内を撮像する撮像装置へ反射させる凸面状の反射鏡と、前記反射鏡により反射された照明光を前記内周面に照射すると共に前記内周面からの反射光を集光して受光するための、前記内周面に対向して設けられた対物凸レンズ部と、を含んで構成されている。

本発明によれば、光源からの照明光が、導光部、絞り部、凸レンズ部、凸面状の反射鏡、及び対物凸レンズ部を介して、円筒の内周面に亘って照射される。そして、内周面からの反射光が、対物凸レンズ部、凸面状の反射鏡、凸レンズ部、及び絞り部を介して、撮像装置へ入射され、撮像装置によって、円筒内が撮像される。

このように、凸面状の反射鏡によって、照明光を前記円筒の内周面に亘って反射させると共に、対物凸レンズ部によって、内周面からの反射光を集光して受光し、凸面状の反射鏡によって、円筒内を撮像する撮像装置へ反射させることにより、検査装置の円筒内への光学系位置決めのずれに対してロバストで、円筒の内周面に亘って画像化することができる。

上記の絞り部は、開口の大きさを調整可能とすることができる。開口の大きさによって、検査対象の円筒内周面に投射される検査光の角度広がりが制御される。これによって、検査の感度を調整することができる。

上記の円筒内周面検査用光学系は、前記光源からの照明光の拡散を防止するよう集光する照明用凸レンズ部を更に含み、前記導光部は、前記照明用凸レンズによって集光された照明光を、前記円筒内であって、かつ、前記円筒と同軸な光となるように導光することができる。

上記の導光部は、前記対物凸レンズ部、前記反射鏡、前記凸レンズ部、及び前記絞り部を介して入射された、前記内周面からの反射光を透過し、前記撮像装置には、前記導光部を透過した前記内周面からの反射光が入射されるようにすることができる。

本発明に係る円筒内周面検査装置は、上記の円筒内周面検査用光学系と、前記円筒の内周面を検査するための画像として、前記円筒内を表わす画像を撮像する撮像装置とを含んで構成されている。

本発明に係る円筒内周面検査用光学系及び円筒内周面検査装置によれば、凸面状の反射鏡によって、照明光を前記円筒の内周面に亘って反射させると共に、対物凸レンズ部によって、内周面からの反射光を集光して受光し、凸面状の反射鏡によって、円筒内を撮像する撮像装置へ反射させることにより、検査装置の円筒内への光学系位置決めのずれに対してロバストで、円筒の内周面に亘って画像化することができる、という効果がある。

本発明の実施の形態に係る円筒内周面検査装置の概略構成図である。 同軸落射照明を説明するための図である。 撮像画像の一例であり、欠陥とその周りのみを切り出した図である。 反射鏡及び対物凸レンズ部における照射光および反射光の光路を示す図である。 （Ａ）軸ずれがない場合における照射光および反射光の光路を示す図、及び（Ｂ）軸ずれが生じた場合における照射光および反射光の光路を示す図である。 （Ａ）、（Ｂ）絞り部の開口の大きさを調整した場合における照射光および反射光の光路を示す図である。 欠陥モデルを示す図である。 シミュレーションにより得られた撮像画像の一部を示す図である。 軸ずれがない場合における撮像画像を示す図である。 軸ずれを許容した場合における撮像画像を示す図である。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の一例を詳細に説明する。

図１は本発明の実施の形態に係る円筒内周面検査装置の概略構成図である。図１に示すように、本実施の形態に係る円筒内周面検査装置１０は、円筒孔を有する検査対象物１２を保持する保持具１４と、円筒孔の内面を照明するための光源１６と、光源１６からの照明光の拡散を防止するよう集光する照明用凸レンズ１８と、照明用凸レンズ１８により集光された照明光を、円筒孔に導光し、かつ、検査対象物１２の円筒孔と同軸な光となるように反射させるビームスプリッタ２０と、ビームスプリッタ２０を透過した光を集光するカメラ用凸レンズ２２と、カメラ用凸レンズ２２を介して、検査対象物１２の円筒孔内を撮像する撮像装置２４と、ビームスプリッタ２０により反射された照明光の開口を制限するための絞り部２６と、ビームスプリッタ２０により反射され、かつ、絞り部２６により制限された照明光を集光して、照明光を検査対象物１２の円筒孔の内周面に亘って照射すると共に内周面からの反射光を集光する複合レンズ２８と、撮像装置２４により撮像された画像に画像処理を施し、欠陥の検出を行うコンピュータ３０とを備えている。なお、ビームスプリッタが、導光部の一例であり、光源１６、照明用凸レンズ１８、ビームスプリッタ２０、絞り部２６、及び複合レンズ２８が、円筒内周面検査用光学系の一例である。

検査対象物１２は、例えば、内面が金属面となっている、φ１４ｍｍ、深さ２５ｍｍの円筒孔を有している。

また、円筒内周面検査装置１０では、光源１６より照射される照明光が、円筒孔と同軸な照明となるように、円筒孔内に照射される。これによって、光源１６より照射される照明光の照射角度と円筒孔の内周面にて反射されて撮像装置２４に入射する反射光の入射角度とが略正反射となる。また、円筒内周面検査装置１０は、複合レンズ２８を円筒孔の深さ方向に挿入するための移動機構（図示省略）に固定されており、移動機構により、複合レンズ２８が検査対象物１２の円筒孔の位置に移動したときに、円筒孔の深さ方向に挿入される。

絞り部２６は、照明光の開口の大きさを調整可能に構成されている。例えば、絞り部２６は、人手により開口の大きさが調整可能な機構を有している。

複合レンズ２８は、ビームスプリッタ２０により反射され、かつ、絞り部２６により制限された照明光を集光する凸椀状の凸レンズ部２８Ａと、凸レンズ部２８Ａによって集光された照明光を円筒孔の内周面に亘って反射させると共に、内周面からの反射光を、撮像装置２４へ反射させる凸曲面状の反射鏡２８Ｂと、反射鏡２８Ｂにより反射された照明光を円筒孔の内周面に照射すると共に内周面からの反射光を集光して受光するための、円筒孔の内周面に対向して設けられた対物凸レンズ部２８Ｃとを組み合わせて構成されている。凸曲面状の反射鏡２８Ｂについては、例えば、凸椀状の反射鏡が、複合レンズ２８の下面（凸レンズ部２８Ａと反対側の面）に形成されている。

次に、円筒内周面検査装置１０の動作について説明する。検査対象物１２は、保持具１４により保持され、規定位置に位置決めされると、複合レンズ２８が検査対象物１２の円筒孔内に挿入されるように、移動機構により円筒内周面検査装置１０が移動する。

そして、光源１６から照射された照明光は、照明用凸レンズ１８、ビームスプリッタ２０、絞り部２６、凸レンズ部２８Ａ、反射鏡２８Ｂ、及び対物凸レンズ部２８Ｃを介して、検査対象物１２の円筒孔の内周面に亘って照射される。そして、光源１６からの照明光は、検査対象物１２の円筒孔の内周面にて反射され、対物凸レンズ部２８Ｃを介して、反射鏡２８Ｂに入射および反射して、凸レンズ部２８Ａ、絞り部２６、ビームスプリッタ２０、及びカメラ用凸レンズ２２を介して撮像装置２４に入射され、撮像装置２４により、検査対象物の円筒孔内が撮像される。また、凸面上の反射鏡２８Ｂにより、円筒孔の内周面に亘って広視野に撮像される。

このとき、円筒孔の内面に自然巣や疵、くぼみなどの欠陥部分Ａがあると、図２に示すように、欠陥部分Ａにより正反射光が散乱するため、反射鏡２８Ｂに入射する光量が減少し、結果として、図３に示すように、撮像装置２４により暗部（背景光）となって撮像される。

コンピュータ３０は、撮像装置２４によって撮像された画像から、明暗より欠陥候補を切り出し、欠陥であるか否かを判定することにより、欠陥の検出を行う。

また、対物凸レンズ部２８Ｃによって、検査対象物１２の円筒孔の内周面に対する垂直から少し傾いた、内周面の反射光を集光して、反射鏡２８Ｂを介して撮像装置２４へ向かうようにする。これによって、検査対象物１２の円筒孔の内周面に垂直な光（図５（Ａ）参照）だけでなく、図５（Ｂ）に示すように、検査対象物１２の円筒孔の内周面に対する垂直方向から少しだけ傾いて入射する光も撮像装置２４の撮像面で結像させることができる。従って、円筒内周面検査装置１０が、検査対象物１２の円筒孔の軸に対して少しだけ傾いている場合であっても、検査対象物１２の円筒孔の内周面での反射光が、反射鏡２８Ｂを介して撮像装置２４へ向かう。

また、図６（Ａ）、（Ｂ）に示すように、絞り部２６の開口の大きさを変更することにより、開口絞りによる、検査対象物１２の円筒孔の内周面の反射光の拡散度合いを制御することができる。ここで、円筒孔の内周面の反射光の拡散度合いは、検出する欠陥（凹み）の度合いに対応するため、絞り部２６の開口の大きさを調整することにより、検出感度を制御することができる。

次に、本実施の形態に係る円筒内周面検査光学系を模擬した光学シミュレーションと、円筒内周面検査装置を用いて実験サンプルを作成して実験を行った結果について説明する。

まず、図７に示すような、円筒孔の内周面にφ０．２ｍｍ、フチ角度２．５度とする微小欠陥を等間隔に配置したモデルに対して、同軸照射照明により円筒孔の内周面を撮像するシミュレーションを行った。撮像画像を４分割した左下部分を、図８に示す。２つの円周の間が、観察する円周内面部分である。上記図８に示すように、微小欠陥が、撮像画像によって捉えられていることがわかった。

また、図９に示すような、検査対象物の円筒の内周面上に凹が存在する場合に、±０．１ｍｍ以内（±０．５度以内）の軸ずれを許容して、撮像画像を取得した。図１０に、得られた撮像画像を示す。上記図１０に示すように、±０．１ｍｍ以内の軸ずれが生じても、円筒の内周面上のゴミ及び穴を正しく検出できることがわかった。

以上説明したように、本発明の実施の形態に係る円筒内周面検査装置によれば、凸曲面状の反射鏡によって、照明光を円筒の内周面に亘って反射させると共に、対物凸レンズ部によって、内周面からの反射光を集光して受光し、凸曲面状の反射鏡によって、円筒内を撮像する撮像装置へ反射させることにより、検査装置の円筒内への光学系位置決めのずれに対してロバストで、円筒の内周面の全周を表わす画像を撮像することができる。

凸椀状の反射鏡により円筒の内周面に亘って一度に撮像することにより、１回の撮像で円筒内面を周状にさらに深さ方向にも幅広く画像化することができる。

円筒内壁面に対して垂直に照射して反射光を撮像する光学系とすることで、傷、凹みによる内壁面の傾き変化を光強度の変化として感度良く捉えることができる。例えば、円筒内壁面内の傾き２．５度以上、大きさ０．２ｍｍ以上となる傷・凹みを高感度に検出することができる。

また、対物凸レンズ部で光を集光することで、位置ずれによる傾きの影響を低減している。これによって、検査装置の円筒内への光学系位置決めのずれに対してロバストとなり、例えば、挿入時の傾きが０．５度程度発生しても、傷・凹みを画像としてＳ／Ｎ良く撮像することができる。

また、絞り部の開口の大きさを調整することにより、傷・凹みの検出感度を調整することができる。

なお、上記の実施の形態では、絞り部が、照明光の開口の大きさを調整可能に構成されている場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、絞り部を取替え可能に構成してもよい。この場合には、開口の大きさが異なる絞り部を用いることにより、照明光の開口の大きさを調整することができる。

また、複合レンズを用いた場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、凸椀状の凸レンズ部、凸曲面状の反射鏡、及び対物凸レンズ部をそれぞれ別個に設けてもよい。

また、複合レンズの反射鏡として、凸曲面状の反射鏡を用いる場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、例えば、照明光を円筒の内周面に亘って反射させる凸面状（例えば、円錐状）の反射鏡を用いてもよい。

また、ビームスプリッタを用いて、光源からの照明光を円筒内に導光する場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、ビームスプリッタ以外の導光手段を用いて、光源からの照明光を円筒内に導光するようにしてもよい。

１０ 円筒内周面検査装置
１２ 検査対象物
１６ 光源
１８ 照明用凸レンズ
２０ ビームスプリッタ
２２ カメラ用凸レンズ
２４ 撮像装置
２６ 絞り部
２８ 複合レンズ
２８Ａ 凸レンズ部
２８Ｂ 反射鏡
２８Ｃ 対物凸レンズ部

Claims (6)

1. 円筒内を照明するための光源と、
   前記光源からの照明光を、前記円筒内であって、かつ、前記円筒と同軸な光となるように導光する導光部と、
   前記導光部により導光された照明光の開口を制限するための絞り部と、
   前記導光部により導光され、かつ、前記絞り部により制限された照明光の拡散を防止するように集光する凸レンズ部と、
   前記凸レンズ部によって集光された照明光を前記円筒の内周面に亘って反射させると共に、前記内周面からの反射光を、前記円筒内を撮像する撮像装置へ反射させる凸面状の反射鏡と、
   前記反射鏡により反射された照明光を前記内周面に照射すると共に前記内周面からの反射光を集光して受光するための、前記内周面に対向して設けられた対物凸レンズ部であって、かつ、前記内周面に対して、前記反射鏡により反射された照明光を前記内周面に垂直に照射すると共に前記内周面からの正反射光を集光して受光するように設けられた前記対物凸レンズ部と、
   を含み、前記撮像装置には、前記対物凸レンズ部が受光した前記内周面からの前記正反射光が入射される円筒内周面検査用光学系。
2. 前記絞り部は、開口の大きさを調整可能とした請求項１記載の円筒内周面検査用光学系。
3. 前記光源からの照明光の拡散を防止するよう集光する照明用凸レンズ部を更に含み、
   前記導光部は、前記照明用凸レンズによって集光された照明光を、前記円筒内であって、かつ、前記円筒と同軸な光となるように導光する請求項１又は２記載の円筒内周面検査用光学系。
4. 前記導光部は、前記対物凸レンズ部、前記反射鏡、前記凸レンズ部、及び前記絞り部を介して入射された、前記内周面からの反射光を透過し、
   前記撮像装置には、前記導光部を透過した前記内周面からの反射光が入射される請求項１〜請求項３の何れか１項記載の円筒内周面検査用光学系。
5. 前記凸レンズ部、前記反射鏡、及び前記対物凸レンズ部は、前記凸レンズ部、前記反射鏡、及び前記対物凸レンズ部を組み合わせて構成された複合レンズ部によって形成され、
   前記反射鏡は、前記凸レンズ部が形成されている、前記複合レンズ部の面の反対側の面に形成されている請求項１〜請求項４の何れか１項記載の円筒内周面検査用光学系。
6. 請求項１〜請求項５の何れか１項記載の円筒内周面検査用光学系と、
   前記円筒の内周面を検査するための画像として、前記円筒内を表わす画像を撮像する撮像装置と、
   を含む円筒内周面検査装置。