JP4673733B2 - 表面検査装置および表面検査方法 - Google Patents

Description

本発明は、表面検査装置および表面検査方法に関し、特に、連続的に移動する検査対象の表面における疵を光学的に検査する表面検査装置および表面検査方法に関する。

従来、例えば、鉄鋼製造プロセスにおいて、連続的に移動する薄鋼板等の検査対象の表面に光を照射し、その検査対象の表面からの反射光を解析することにより検査対象の表面に存在する疵を光学的に検出する手法が提唱され、そして、実用化されている。

具体的に、従来、疵と異物の付着などによる汚れとの弁別が可能な疵検査装置として、検査対象の物体の表面を照明する照明装置、および、照明された物体の表面を撮影する単一または複数の撮影装置を備え、照明装置は、検査対象の物体の上空に形成された環状の軌道に沿って移動することにより、この軌道の中心の直下を中心とする物体の表面を異なる方向から照明し、その照明の方向を前後左右に変更させることで複数の方向からの画像を確認して検査精度を向上するようにした疵検査装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

図１は従来の表面検査装置の一例を概略的に示す図であり、上述した特許文献１に開示された疵検査装置を概略的に示すものである。図１において、参照符号１０１は鋼板等の検査対象、１０２はカメラ、１０３は照明装置、１０４は環状の軌道、そして、１０５はモータを示している。

図１に示されるように、照明装置１０３は、モータ１０５により環状の軌道１０４上を移動するようになっており、この照明装置１０３を移動して照明の方向を前後左右に変更させることで、カメラ１０２により複数の方向からの画像を撮影するようになっている。そして、照明の方向を変更して撮影した複数の方向からの画像を確認することで、検査対象１０１の表面における疵の検査精度を向上することが可能になる。

さらに、従来、顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ欠陥を確実に検出する表面疵検査装置として、被検査面に照明光を入射する線状拡散光源と、被検査面に入射した照明光の正反射方向から鏡面反射成分を受光する第１の受光手段と、被検査面に入射した照明光の複数の散乱反射方向から複数の鏡面拡散反射成分を受光する第２の受光手段と、第１および第２の受光手段で受光された鏡面反射成分および複数の鏡面拡散反射成分に基づいて被検査面の表面疵の有無を判定する判定処理部とを備えるものも提案されている（例えば、特許文献２参照）。

図２は従来の表面検査装置の他の例を概略的に示す図であり、上述した特許文献２に開示された表面疵検査装置を概略的に示すものである。ここで、図２（ａ）は側面図を示し、図２（ｂ）は上面図を示している。また、図２において、参照符号２０１は薄鋼板等の検査対象、２２１〜２２３はカメラ、そして、２０３は照明装置を示している。

図２に示されるように、照明装置２０３は、線状拡散光源２３１およびシリンドリカルレンズ２３２で構成され、検査対象２０１の幅方向に均一な光を照射するようになっている。カメラ２２１〜２２３は、検査対象２０１の移動方向に間隙を持って配置され、検査対象２０１の検査面に入射した照明光の正反射方向から鏡面反射成分を受光する第１のカメラ２２３と、検査対象２０１の検査面に入射した照明光の複数の散乱反射方向からそれぞれの鏡面拡散反射成分を受光する第２のカメラ２２１および２２２で構成され、これらカメラ２２３と２２１および２２２とで受光した画像（鏡面拡散反射成分）から検査対象の表面における疵の有無を判定するようになっている。

特開平０７−３０６１６４号公報 特開平１１−１８３３９６号公報（図１および段落［００５９］〜［００６７］）

しかしながら、図１を参照して説明した従来の表面検査装置は、例えば、照明装置１０３を環状の軌道１０４上を移動して照明の方向を前後左右に変更させることで複数の方向からの画像を確認するようになっているが、照明装置１０３を移動させるために、検査対象１０１を検査時に停止させる必要があり、連続的な検査を行うことはできなかった。

さらに、図２を参照して説明した従来の表面検査装置は、第１の受光手段（カメラ２２３）で受光された鏡面反射成分、並びに、第２の受光手段（カメラ２２１および２２２）で受光された複数の鏡面拡散反射成分に基づいて被検査面の表面疵の有無を判定するものであり、連続的に移動する検査対象を連続的に検査することは可能である。しかしながら、照明方向および反射光分布の受光は、検査対象の移動方向にだけであるため、例えば、検査対象の移動方向と直角方向の反射光に特徴があるような疵（例えば、スリップ疵）を検出することは困難であった。ここで、スリップ疵とは、例えば、圧延鋼板の製造において、圧延ローラや炉内ロールの回転速度と鋼板の移動速度が整合せず、圧延ローラや炉内ロールがスリップして鋼板表面に生じる疵である。

本発明は、検査対象の表面を簡単な構成で連続的に且つ高精度に検出することのできる表面検査装置および表面検査方法の提供を目的とする。

本発明の第１の形態によれば、検査対象を照明する照明手段と、前記検査対象の画像を反射する少なくとも１つの反射面を有する画像反射手段と、該少なくとも１つの反射面により反射された前記検査対象の反射画像、および、前記検査対象の直接画像を同時に撮影する画像撮影手段と、前記検査対象に対して光学的な基準位置を照射する基準位置照射手段と、を備え、前記画像反射手段は、前記検査対象の画像を周囲に設けられた複数のミラー内面で反射する多面体ミラーであり、前記画像撮影手段は、前記多面体ミラーの各ミラーにより反射された前記検査対象の各反射画像、および、該多面体ミラーで囲まれた前記検査対象の直接画像を同時に撮影することを特徴とする表面検査装置が提供される。

また、本発明の第２の形態によれば、検査対象を照明して、画像撮影手段により、前記検査対象の直接画像を撮影すると同時に、少なくとも１つの反射面で反射された反射画像を撮影し、前記撮影された前記検査対象の直接画像および前記少なくとも１つの反射画像を対応させて、該検査対象の表面検査を行う表面検査方法であって、前記直接画像および前記反射画像の対応は、前記検査対象に対して光学的な基準位置を照射し、該基準位置に基づいて行い、前記反射画像は、前記検査対象を多面体ミラーで反射した複数の反射画像を含むことを特徴とする表面検査方法が提供される。

本発明によれば、検査対象の表面を簡単な構成で連続的に且つ高精度に検出することのできる表面検査装置および表面検査方法を提供することができる。

以下、本発明に係る表面検査装置および表面検査方法の実施例を、添付図面を参照して詳述する。

図３および図４は本発明に係る表面検査装置の一実施例を示す図であり、図３は側面図を示し、図４は平面図を示している。図３および図４において、参照符号１は、連続的に移動する圧延鋼板等の検査対象、２はカメラ（画像撮影手段）、３は照明装置（照明手段）、４はレーザプロジェクター（基準位置照射手段）、５はミラー（画像反射手段）、７１は信号処理部、そして、７２は照明制御装置を示している。

カメラ２は、検査対象１の直接画像を撮影する同時に、ミラー５の内面で反射された反射画像も撮影するようになっている。ここで、ミラー５は、検査対象１の表面における法線と平行な反射面を有する八面体ミラーとして構成され、後述する図７に示されるように、カメラ２は、検査対象１が各ミラー面で反射された８つの反射画像と、検査対象１を直接撮影した直接画像を同時に撮影し、その画像信号を信号処理部７１へ出力するようになっている。

照明装置３は、八面体ミラー５とカメラ２との間に設けられたリング照明として構成され、照明制御装置７２によって制御されるようになっている。さらに、カメラ２とリング照明３との間には、レーザプロジェクター４が設けられ、後述する図７或いは図８に示されるように、検査対象１の実際の検査領域（有効領域）において直線状または点状のレーザ光を照射するようになっている。このレーザプロジェクター４から照射される直線状または点状のレーザ光により、例えば、八面体ミラー５の各ミラーにより反射された８つの反射画像および直接撮影した直接画像の位置を整合させて、例えば、検査対象１の表面における疵の検査を行う。

なお、信号処理部７１に入力された画像（異なる角度で撮影された複数の画像）は、従来から知られている様々な画像処理技術および判定処理技術等を使用して処理され、検査対象１の表面検査が行われる。

具体的に、例えば、本実施例によれば、カメラ２によって、検査対象１の表面を直接撮影すると共に、異なる角度からの８つの反射画像を同時に撮影することができるため、これらの画像を分析することにより、連続的に移動する圧延鋼板（検査対象）１の表面におけるスリップ疵等を高精度に検出し、さらに、疵と汚れなどの無害なものとの識別や疵の種類の判別等も行うことができる。

なお、画像撮影手段２として高精細カメラを使用することにより高分解能の画像撮影が可能になり、また、照明手段３として指向性を有する照明を使用することにより、検査対象１の表面の検査を一層明確に行うことができる。さらに、照明装置３としてストロボ照明を使用するか、或いは、画像撮影手段２として高速シャッターカメラを用いることで、高速で移動する検査対象１に対応することも可能である。

以上において、画像反射手段５としては、八面体ミラーに限定されるものではなく、四面体ミラーや六面体ミラー、或いは、十六面体ミラー等であってもよい。すなわち、画像反射手段５は、少なくとも１つの反射面を有し、その反射面による検査対象１の反射画像および検査対象１の直接画像の両方を１つのカメラ２で撮影できればよい。

本実施例のように、画像反射手段５を八面体ミラーで構成した場合、例えば、対向する２つの反射面（ミラー）で反射された画像から得られる情報に大きな違いがなければ、図４中の一点鎖線の一方（右側または左側）だけのミラーで反射された画像を使用（処理）することができる。また、本実施例の表面検査装置は、連続的に移動する圧延鋼板の表面におけるスリップ疵の検査だけでなく、連続的に移動する他の金属や合成樹脂等のフィルムの表面の検査、さらには、移動しない様々な検査対象の表面の検査に適用することも可能である。

図５は本発明に係る表面検査装置の他の実施例を示す図である。図５において、参照符号３０は照明装置、そして、６はハーフミラーを示している。

図５に示されるように、本実施例において、照明装置３０は、カメラ２の周囲に設けられたリング照明ではなく、ハーフミラー６で反射して検査対象１を照らす照明装置として構成されている。また、レーザプロジェクター４もハーフミラーで反射されたレーザ光を検査対象１上に照射し、そして、カメラ２は、ハーフミラー６を通った検査対象１の反射画像および直接画像を撮影するようになっている。

図５に示されるように、本実施例では、例えば、八面体ミラーで構成される画像反射手段５の各ミラーは、検査対象１の表面における法線と鋭角θをなす反射面（ミラー面）を有しており、検査対象１を低い位置から撮影することができるようになっている。

図６は本発明に係る表面検査装置の実施例における検査原理を説明するための図であり、図６（ａ）は測定方法を示し、図６（ｂ）は疵の方向とカメラの角度との関係を示し、そして、図６（ｃ）は反射光の分布の測定結果を示している。

図６（ａ）〜図６（ｃ）に示されるように、検査対象１の表面における疵１１の測定において、疵１１からの反射光は、疵１１の方向とカメラ２の方向との相対的な角度に応じて、その強度が異なる。すなわち、疵１１の方向とカメラ２の方向との相対的な角度が０°に近づく程、疵１１からの反射光の強度は高くなり、逆に、±９０°に近づく程、疵１１からの反射光の強度は低くなることが分かる。

すなわち、検査対象１の表面を疵１１に対して異なる角度から複数の画像を撮影し、該複数の画像を分析することにより、様々な疵を検出すると共に、その疵の種類や疵の有害度等も判別することができる。

図７は本発明に係る表面検査装置の一実施例により撮影された画像の一例を示す図であり、図８は本発明に係る表面検査装置の一実施例により撮影された画像における疵およびマーカを示す図である。

図７に示されるように、例えば、図３および図４に示す表面検査装置におけるカメラ２で撮影した画像には、検査対象１を直接撮影した直接画像Ｐ０、検査対象１を八面体ミラー５の第１のミラー（反射面）５１で反射した第１の反射画像Ｐ１、並びに、検査対象１を八面体ミラー５の第２〜第８のミラー（反射面）５２〜５８で反射した第２〜第８の反射画像Ｐ２〜Ｐ８が含まれる。ここで、１〜４個の黒丸を付した領域は、９つの画像Ｐ０〜Ｐ８において、相互にどの領域に対応するかを示すためのものである。

なお、８つの反射画像Ｐ１〜Ｐ８において、隣接する２つの画像が重なり合う部分では、検査対象１の表面検査を有効に行うことができないが、このような各反射画像Ｐ１〜Ｐ８から重なり合う部分を除いた領域の共通する範囲が検査対象１の有効領域（例えば、図８中の参照符号ＰＥの領域）となる。

図８に示されるように、例えば、図３および図４におけるレーザプロジェクター（基準位置照射手段）４は、検査対象１の有効領域ＰＥに対して直線状のレーザ光を照射し、この直線状のレーザ光（マーカ）は、カメラ２で撮影した直接画像Ｐ０および反射画像Ｐ１〜Ｐ８における光学的な基準位置１２１ａ，１２２ａおよび１２１ｂ，１２２ｂ；１２１ｃ，１２２ｃ；１２１ｄ，１２２ｄ；…となる。そして、前述した図３における信号処理部７１が、この基準位置に基づいて各画像Ｐ０〜Ｐ８の位置を整合させ、従来から知られている様々な画像処理技術および判定処理技術等を適用して検査対象１の表面検査（例えば、疵の検査）を行うことになる。

図８から明らかなように、疵１１を撮影した画像Ｐ０〜Ｐ８において、疵１１を撮影する角度によって、疵からの反射光の強度が異なることが分かる。さらに、画像Ｐ０〜Ｐ８を処理することによって、例えば、疵と汚れとの識別や疵の種類の判別等も行うことができる。

なお、基準位置照射手段４は、有効領域において直線状のレーザ光（１２１ａ，１２２ａ）を照射する代わりに、点状のレーザ光（１２３ａ，１２４ａ）を照射して、各画像の位置を整合させることもできる。

図９は本発明に係る表面検査装置の一実施例における処理の一例を説明するためのフローチャートである。

本実施例の表面検査装置における処理としては、まず、ステップＳ１において、例えば、カメラ１により検査対象１の直接画像Ｐ０および八面体ミラー５を利用した反射画像Ｐ１〜Ｐ８を撮影し、ステップＳ２に進んで、直接画像Ｐ０および反射画像Ｐ１〜Ｐ８を認識する。さらに、ステップＳ３において、反射画像Ｐ１〜Ｐ８を回転する。このとき、例えば、レーザプロジェクター４から検査対象１に照射された直線状のレーザ光の画像１２１ａ，１２２ａ；１２１ｂ，１２２ｂ；…を使用して、上記の回転の向きと角度を調節する。

さらに、ステップＳ４において、画像データのフィルタリングを行うと共に、ステップＳ５で検査領域（有効領域ＰＥ）を認識して、ステップＳ６で二値化処理を行う。さらに、ステップＳ７で二値化画像を合成し、ステップＳ８に進んでラベリングを行い、そして、ステップＳ９において、特徴量を演算する。なお、ステップＳ３における画像の回転処理の後、直接ステップＳ９に進んで、特徴量の演算を行ってもよい。

ステップＳ１０では、疵の種類やその疵の有害度の判定を行い、ステップＳ１１に進んで、疵マップを作成する。この疵マップは、検査対象１において、どの位置にどのような疵が検出されたかを示すものである。そして、ステップＳ１２に進んで、作成された疵マップから、製造された製品（検査対象）の判定を行う。

上述した表面検査装置の処理は単なる一例であり、表面検査装置が適用される技術分野に応じて様々な処理が行われるのはいうまでもない。

図１０は本発明に係る表面検査装置が適用される一例としての連続焼鈍ラインの構成を概略的に示す図である。図１０において、参照符号３０１は圧延鋼板（検査対象）、３０３は巻き戻しリール、３０４は焼鈍炉、３０５は圧延ロール、３０６は、巻き取りリール、３０７は炉内ロール、３２１は上面検査装置、そして、３２２は下面検査装置を示している。

連続焼鈍ラインは、例えば、巻き戻しリール３０３に巻かれた鋼板を連続的に焼鈍炉３０４で焼鈍した後、圧延ロール３０５で圧延して巻き取りリール３０６に巻き取る。図１０から明らかなように、連続焼鈍ラインにおいては、圧延鋼板１の上面を検査する上面検査装置（表面検査装置）３２１、および、圧延鋼板１の下面を検査する下面検査装置（表面検査装置）３２２が設けられ、例えば、圧延ロール３０５や炉内ロール３０７における、鉄粉の付着や表面の劣化等により生じた圧延鋼板１の両面の疵を検査するようになっている。

図１１は本発明に係る表面検査装置が適用される他の例の要部を概略的に示す図であり、図１１（ａ）は移動する１つの画像撮影手段４０２を使用する例を示し、また、図１１（ｂ）は固定された複数の画像撮影手段４２１〜４２５を使用する例を示している。なお、図１１（ａ）および図１１（ｂ）において、画像撮影手段４０２および４２１〜４２５は、図３および図４に示す画像撮影手段４だけでなく、リング照明３、レーザプロジェクター４および八面体ミラー５を含むのはいうまでもない。

すなわち、図１１（ａ）に示す例では、移動する検査対象４０１の幅に対して検査領域（有効領域ＰＥ）が小さい画像を撮影する画像撮影手段４０２を使用する場合に、画像撮影手段４０２を検査対象４０１の移動方向に交差する方向に動かして表面の検査を行うものである。すなわち、例えば、連続焼鈍ラインにおいては、圧延ロール３０５や炉内ロール３０７に起因した疵は、その圧延ロール３０５や炉内ロール３０７の円周に対応して周期的に繰り返される場合が多いため、その圧延ロールや炉内ロールの周期に依存しない間隔で画像撮影手段４０２を移動させて検査対象４０１の画像を撮影するだけでも十分に効果を発揮することができる。

このように、例えば、検査対象４０１の幅に対して有効領域（ＰＥ）が狭い１つの画像撮影手段４０１を移動させて使用する場合には、表面検査装置の価格を低廉化することができる。

また、図１１（ｂ）に示す例では、固定式の画像撮影手段４２１〜４２５の有効領域（ＰＥ）により検査対象４０１の幅を全てカバーするようになっている。なお、図１１（ｂ）の例では、配置を考慮して検査対象４０１の移動方向とほぼ直角する方向に、３つの画像撮影手段４２１，４２２，４２３と２つの画像撮影手段４２４，４２５を、位置をずらして配列しているが、このような配列は様々に変形させることができるのはいうまでもない。

本発明に係る表面検査装置は、例えば、連続的に移動する圧延鋼板の表面における疵を検査する鋼板圧延装置に適用されるだけでなく、連続的に移動する他の金属や合成樹脂等の板またはフィルム状の検査対象の表面検査に適用することができ、さらに、移動しない様々な検査対象の表面検査に適用することも可能である。

従来の表面検査装置の一例を概略的に示す図である。 従来の表面検査装置の他の例を概略的に示す図である。 本発明に係る表面検査装置の一実施例を示す図（その１）である。 本発明に係る表面検査装置の一実施例を示す図（その２）である。 本発明に係る表面検査装置の他の実施例を示す図である。 本発明に係る表面検査装置の実施例における検査原理を説明するための図である。 本発明に係る表面検査装置の一実施例により撮影された画像の一例を示す図である。 本発明に係る表面検査装置の一実施例により撮影された画像における疵およびマーカを示す図である。 本発明に係る表面検査装置の一実施例における処理の一例を説明するためのフローチャートである。 本発明に係る表面検査装置が適用される一例としての連続焼鈍ラインの構成を概略的に示す図である。 本発明に係る表面検査装置が適用される他の例の要部を概略的に示す図である。

符号の説明

１，１０１，２０１，３０１ 検査対象
２，１０２，２２１〜２２３，４０２，４２１〜４２５ カメラ（画像撮影手段）
３，３０，１０３，２０３ 照明装置（照明手段）
４ レーザプロジェクター（基準位置照射手段）
５ 八面体ミラー（画像反射手段）
６ ハーフミラー
５１〜５８ ミラー（反射面）
７１ 信号処理部
７２ 照明制御装置
１０４ 軌道
１０５ モータ
３０３ 巻き戻しリール
３０４ 焼鈍炉
３０５ 圧延ロール
３０６ 巻き取りリール
３０７ 炉内ロール
３２１ 上面検査装置
３２２ 下面検査装置
Ｐ０ 直接画像
Ｐ１〜Ｐ８ 反射画像
ＰＥ 検査領域（有効領域）

Claims (8)

1. 検査対象を照明する照明手段と、
   前記検査対象の画像を反射する少なくとも１つの反射面を有する画像反射手段と、
   該少なくとも１つの反射面により反射された前記検査対象の反射画像、および、前記検査対象の直接画像を同時に撮影する画像撮影手段と、
   前記検査対象に対して光学的な基準位置を照射する基準位置照射手段と、
   を備え、前記画像反射手段は、前記検査対象の画像を周囲に設けられた複数のミラー内面で反射する多面体ミラーであり、
   前記画像撮影手段は、前記多面体ミラーの各ミラーにより反射された前記検査対象の各反射画像、および、該多面体ミラーで囲まれた前記検査対象の直接画像を同時に撮影することを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記多面体ミラーは、八面体ミラーであることを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１または２に記載の表面検査装置において、
   前記多面体ミラーの各ミラーは、前記検査対象の表面における法線と平行な反射面を有することを特徴とする表面検査装置。
4. 請求項１または２に記載の表面検査装置において、
   前記多面体ミラーの各ミラーは、前記検査対象の表面における法線と鋭角をなす反射面を有することを特徴とする表面検査装置。
5. 請求項１に記載の表面検査装置において、
   前記基準位置照射手段は、前記画像撮影手段が撮影する前記検査対象の有効領域において直線状または点状のレーザ光を照射することを特徴とする表面検査装置。
6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の表面検査装置において、
   前記照明手段は、前記撮影手段の周囲に設けられたリング照明であることを特徴とする表面検査装置。
7. 請求項１〜６のいずれか１項に記載の表面検査装置において、さらに、
   前記照明手段からの光を反射して前記検査対象を照らすと共に、前記検査対象の反射画像および直接画像を透過して前記画像撮影手段に撮影させるハーフミラーを備えることを特徴とする表面検査装置。
8. 検査対象を照明して、画像撮影手段により、前記検査対象の直接画像を撮影すると同時に、少なくとも１つの反射面で反射された反射画像を撮影し、
   前記撮影された前記検査対象の直接画像および前記少なくとも１つの反射画像を対応させて、該検査対象の表面検査を行う表面検査方法であって、
   前記直接画像および前記反射画像の対応は、前記検査対象に対して光学的な基準位置を照射し、該基準位置に基づいて行い、
   前記反射画像は、前記検査対象を多面体ミラーで反射した複数の反射画像を含むことを特徴とする表面検査方法。

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