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検査装置・基盤検査に関する記事

【図解】検査装置のカメラとは?画像処理とは?おすすめのメーカー5選

1.はじめに

 

外観検査を初めとした検査装置の発達により、従来、人が行っていた目視検査を検査装置に託することができるようになり、ラインの製造効率が向上しています。この検査装置の欠かせないものが、カメラを主体とした画像処理です。

人の目に代わるカメラ、人の頭脳に代わる画像処理ソフトウェア、この2つがカメラシステムの重要な位置づけを占めます。
本コラムでは、カメラを初めとした検出器と画像処理について紹介します。

 

2.基本事項「画素とは」

 

初めに、カメラシステムの基本事項として、「画素とは」について紹介します。
画素に関しての基本事項を、図1で紹介します。

図1 画素とは

検査装置に使われるカメラは解像度160万画素、というように仕様に加えられます。160万画素とは、1080ピクセル×1440ピクセルの画素の集まりです。
解像度160万画素CCDカメラは、160万個のCCD撮像子からできていて、1ピクセルごとに対応した検査対象の画像を送信します。
白黒カメラでは、1個のCCDは、0~255の2576階調のデータを持っています。0~255のデータは、0が黒、255が白として中間がグレーというように色対応し、全体画像のイメージを表したものが、図1の白黒画像です。

なお、コラムでは詳細は紹介しませんが、カラーカメラは、RGB(レッド・グリーン・ブルー)のフィルターを、CCDごとにかぶせて撮像し、それぞれの色を、256×256×256の階調で表します。

 

3.カメラ装置の構成とは

 

(1) カメラの構成

 

カメラ装置の構成を図2で紹介します。

図2 カメラの構成図

カメラの主要な部品は、CCD撮像子とレンズから構成されています。レンズは、レンズ・絞り・ピント調整で構成され、ピントが合ってコントラストが取れた画像を、撮像します。

(2) 照明装置

 

検査対象物の検査位置を明確にするものが、照明装置です。照明の当てかたによって、検出対象のキズやゆがみなどの欠陥を明らかにします。
検査対象の特徴を浮き出す照明の要素は、照明の当て方、照明の形状です。それぞれの特徴を表1、表2で紹介します。
他には、検査物の背景に合わせて照射する、照明の色も要素の一つです。

表1 照明の当て方

種類 方法
反射照明 検査対象に対して光を斜めから照射し、検査物からの反射光をCCDでとらえます。
同軸落射照明 検査物に対して照明の光軸とカメラの光軸を合わせて光を照射します。光軸を同じにするために使われるものがハーフミラーです。
透過照明 検査対象の背面から光を当て、透過光によって検査物の外形などを写します。

 

 

 

 

 

 

 

表2 照明の形状

形状 方式 特徴
リング照明(ローアングル照明) リング状にLEDを配置しています。 エッジ部などを白く際立たすことができます。
バー照明 直線状にLEDを配置しています。 長尺エリアに均一な照射ができます。
フラット照明 LEDを平面上に配置しています。 バックライト照明としてハレーションが起きやすい検査物全体に間接光を当てます。
同軸落射照明 同軸落射照明用に配置されたLED照明です。 検査面を均一に照らすことができます。
ドーム照明 ドーム型にLEDを配置し、色々な方向から間接光を当て、検査物全体を均一の拡散光で反射します。 不定形な検査物に対し、全体的に光を照射でき、表面を均一な状態とし、コントラストを明確にします。

 

4.画像処理とは

 

CCDカメラから取り込んだ画像は、白黒またはカラーの階調データとして、図2で紹介した画像処理装置に伝送されます。

画像処理装置では、次の検査を行います。
・部品の欠陥の発見
・文字の読み取り
・寸法測定
・位置決め
・異種混入物発見
・部品の形状や欠損の発見
・色落ちや汚れの発見
・ラベル上の賞味期限や製造番号などの印字欠陥の発見

取り込んだ画像から、キズやゆがみなどの欠陥を検査するには、そのままの画像では欠陥が抽出できないため、取り込んだ画像を加工し、欠陥を浮き上がらせるなどの処理をする必要があります。それが、前処理フィルターです。

◆ 前処理フィルター

前処理フィルターの例を表3で紹介します。

表3 前処理フィルター例

フィルター名称 処理方法 効果
膨張 画像を3ピクセル×3ピクセルごとに分け、中心を9つの濃度のうち最大濃度に置き換えます。 黒いノイズを除きます。
収縮 中心の濃度を最小濃度で置き換えます。 黒い画素を強調します。
平滑化 中心の濃度を9つの濃度の平均に置き換えます。 ノイズ成分の影響を減らします。
メディアン 中心の濃度を9つの濃度のうち5番目に濃い濃度で置き換えます。 ノイズ成分を除きます。
エッジ抽出 ソーベルとプレヴィット処理結果を合成します。 画像全体のエッジが抽出できます。
色抽出 画像の特定の色を個別に抽出します。

 

◆ 画像処理

画像の前処理を行った後に、検査対象の欠陥などを検出するものが、画像処理です。
画像処理の例を表4で紹介します。
なお、前処理や画像処理は、検査装置メーカーやカメラメーカーによって区分が異なりますので、CCDから送信された画像を処理することで、理解すればよいでしょう。

表4 画像処理方法例

名称 処理内容
二値化処理(カラー) 画像を構成する256×256×256階調のカラー情報から、特定の色範囲だけを抽出する処理です。例えば、赤、青、黄色、緑の5本の線から、黄色の線だけを抽出するという使い方ができます。
濃淡処理 カラー情報を、指定する明るさをもとに、256階調の黒・グレー・白情報に変換する処理です。単な白黒処理よりはっきりとしたグレー画像ができます。
パターンサーチ 基準となる画像をもととして、類似する画像を見つけ、その位置や一致するかどうかを判定する処理です。
エッジ検出 画像の明るい所と暗い所の境界を検出する処理です。これによって、エッジの位置やエッジの幅などが計測できます。

 

5.カメラと画像処理による検査装置とは

 

(1) 検査装置

 

カメラと画像処理装置で構成された検査装置を使い、検査するイメージを図3で紹介します。

図3 差分画像による検査

 

図3のイメージは、検査対象の位置が傾いて移動しているため、検査する欠陥文字がずれてしまっているときの検査です。
検査対象がズレていることを検出したのちに、位置補正処理を行って正常な状態にします。

それから、登録した正常な文字パターンと検査画像から差分画像を抽出し、不具合のような点を抽出します。

この不具合のような点が、欠陥かどうかを判定処理で検出し、NGであれば、この検査対象はNGラインへ流す出力処置を行います。多くの判定処理で使われるものが、しきい値です。

 

(2) 3D画像検査

レーザーを使って3D画像として検査するイメージを図4で紹介します。従来は2D検査が主体でしたが、検査対象の高さの情報を加えることで、欠陥検出の幅が広がっています。

図4 3D画像検査イメージ

 

6.おすすめのカメラ・画像処理メーカー5選

 

① 日本サポートシステム株式会社

https://jss1.jp/

JSS紹介写真

【所在地】

茨城県稲敷郡阿見町阿見字阿見原4666-1777

【営業品目】

・産業用ロボット
・生産設備合理化・省力化の設計及び製作
・基板電気チェッカーや貼合・折曲など
・治具の設計・製作

【特徴】

設計・加工・組立まで自社で生産する一貫体制が、日本サポートシステムの強みです。これをベースに、高品質・低コストの製品・サービスを提供することができています。
また、現状の生産方式と計画情報から、どうすれば最大利益が得られるかというシミュレーションが得意分野で、簡単に生産設備の見える化が可能です。
日本サポートシステム社は幅広い分野の生産設備の構成に関わっていますので、いろいろな検査装置のノウハウがあります。特に、カメラやX線を使った検出装置とそれから得られる画像の処理の経験を豊富に持ち合わせています。製造ラインに必要な外観検査や位置や寸法測定などの検査機器の導入について、最適なシステムの提案が可能です。
さらに、国内・海外の拠点によって、どのような案件でも対応することができ、国内の東北から九州まで広い範囲で、様々な要望に答えられる体制が日本サポートシステム社の強みと言えます。

【実績】

NM社(電子部品の製造販売)、HS製作所(情報通信・社会産業・電子装置・建設機械・高機能材料・生活の各システム製造販売)、TT社(ショッピングセンターなどリテール事業)、SM社(自動制御機器の製造・販売)、OR社(自動車安全システムの製造販売)

② 株式会社キーエンス

https://www.keyence.co.jp/

キーエンス社製 22種類のエリアカメラ写真は、キーエンス社製 22種類のエリアカメラです。

【所在地】

大阪市東淀川区東中島1-3-14
TEL:06-6379-1111

【営業品目】

・センサ、測定器
・画像処理機器
・制御・計測機器
・研究・開発用 解析機器
・ビジネス情報機器

【特徴】

キーエンス社は、創業以来、ファクトリー・オートメーションの総合メーカーとして生産現場と関わってきています。その分野は、自動車、半導体、電子・電気機器、機械などほとんどの製造分野です。
活躍している分野の例を紹介すると、半導体や液晶業界では生産性向上に役立っています。自動車業界では、自動測定による工程改善です。製造工程でロット番号をバーコードで読むことで、自動化を推し進めた分野は、電気・電子業界です。そのほかに、食品・薬品業秋では品質向上を、金属・鉄鋼業界では安全性向上に貢献しています。
これらの分野で活躍している商品が、キーエンス社の得意分野である、センサ、変位計 寸法測定器、安全機器、画像処理システム 画像センサ、三次元測定機/3Dスキャナ、画像寸法測定器などです。

③ ヴィスコ・テクノロジーズ株式会社

https://www.visco-tech.com/

ヴィスコ社製 全方位立体検査装置写真は、ヴィスコ社製 全方位立体検査装置です。

【所在地】

東京都港区海岸1-11-1 ニューピア竹芝ノースタワー20階
TEL:03-6402-4500

【営業品目】

画像処理システムの開発・製造・販売・保守サービス

【特徴】

ヴィスコ社は、筐体型画像処理検査装置の開発・製造・販売を事業の核としている会社です。この筐体型画像処理検査装置は、筐体、カメラ、レンズ、照明等で構成され、客先のニーズに応じて検査を最適とするためのシステム提案とアドバイスを行います。
ヴィスコ社の経営方針は、画像処理技術を広め、お客様が満足いく画像システムのクリエータとなることです。
そのために、外観検査・画像処理検査に関して専門集団となり、画像処理アルゴリズム・光学技術・電気・機械についての知識と経験を持つ画像処理検査装置メーカーと総合コンサルティングを目指しています。

【実績】

電子部品メーカー A社:超深度カメラで対象物を斜めから撮像し、欠陥検出
スマホ関連メーカー B社:高速カメラを3台によりタクトタイムの大幅削減
自動車関連メーカー C社:連結画像の精度向上により高精度検査を実現

④ コアテック株式会社

http://www.coretec.co.jp/

コアテック社製 接写型ラインカメラ写真は、コアテック社製 接写型ラインカメラ(画像検査カメラ)です。

【所在地】

岡山県総社市赤浜500番地

【営業品目】

・FA自動化設備
・ACサーボツール
・画像検査システム
・エコロジービジネス
・IT&デジタルビジネス

【特徴】

コアテック社は、FA設備事業・エコロジー事業・自社商品事業のメーカーとして事業を展開しています。FA設備事業は、組立・加工・溶接・検査・ロボットなどをコア技術として、生産工場に合ったオートメーションシステムを設計製作しています。
エコロジー事業は、太陽光発電・風力発電・蓄熱・暖房などのエネルギー設備の設計・製作・施工を行う事業分野です。
自社商品事業では、ニュービジネス事業で、ACサーボプレスの締結ツール、ラインカメラ、3D溶接ビード検査装置等の画像検査システムなど、新しい分野においてユニークな製品を開発しています。

【実績】

・自動車関連設備プラグ組付装置、エンジン組立装置、シートレールCO2溶接ロボット他
・精密部品関連設備ボールベアリングシール検査機、他
・精密部品関連設備特殊バルブ流量検査機、電動弁作動試験機、他
・液晶関連設備液晶マクロレビュー装置、液晶膜厚検査機、他
・コミュニケーションロボット、手術支援ロボット、他

⑤ オプテックス・エフエー株式会社

https://www.optex-fa.jp/

オプテックス社製 マルチカメラ画像センサ写真は、オプテックス社製 マルチカメラ画像センサです。

【所在地】

本社:京都市下京区中堂寺粟田町91 京都リサーチパーク9号館
TEL 075-325-2920

【営業品目】

ファクトリー・オートメーション用光電センサ関連機器、装置の企画開発・製造・販売等

【特徴】

オプテックス社は、光電センサ・変位センサ・画像センサ及び画像処理用LED照明や非接触温度計を設計・製作・販売を行い、工場の生産ラインの品質管理と自動化に貢献する独創的開発型企業です。
オプテックス社が扱う製品は、独創的にラインアップした光電センサ、コスト競争力を備えたレーザー変位センサがあります。他に製造ラインを監視するための製品が、幅広く課題を解決できる画像センサや画像検査装置、画像検査の品質管理に貢献するLED照明です。

 

7.おわりに

 

このコラムでは、検査装置の中核を担う、カメラシステムと画像処理について紹介してきました。ここで紹介したカメラの基本事項は、CCDと画像処理の構成などですが、そのほかにも、レンズの基本事項、照明の基本事項など多くの技術で成り立っています。それは、画像処理についても同様です。

カメラや画像処理についての技術については、メーカー各社が公開していますので、担当する部門に役立つ情報もたくさんあることでしょう。情報が公開されていなくとも、メーカーに問い合わせることで、必要なことが提示される可能性が高いでしょう。

カメラなどのセンサや画像処理方式は、半導体の高効率化によって年々進化しています。昨年問い合わせてダメだったことも、今年は解決できているかもしれません。いつも新しい情報に接することで、製造ラインのより良い効率化が望めるのではないでしょうか。

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