JP2000298102A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 表面粗さの粗い被検査対象物においても、凹
凸が数μm程度の微小凹凸性疵を確実に検出できる装置
及び方法を提供する。 【解決手段】 検出ヘッド３中には、光源４が設けら
れ、鋼板１の表面に、可視域の波長の平行光を入射角θ
が90度近くの大きな角度で照射している。 鋼板１の表
面で反射された光は、半透明のスクリーン６上に像を結
ぶ。その像をスクリーン６の背面から２次元カメラ７で
撮像し、信号処理装置８で画像処理を行うことにより凹
凸性疵を検出する。光源からの光の波長をλ、鋼板１へ
の照射光の入射角をθとすると、cosθ/λを所定値以下
にすることにより、入射角を鋼板表面からの反射光は鏡
面反射光となるが、凹凸性疵があると、その部分が黒く
スクリーン６に写るので、疵の存在を検出することがで
きる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば薄鋼板等の
微小凹凸性疵を光学的に検出する表面検査装置及び方法
に関するものであり、さらに詳しくは、薄鋼板等の微小
凹凸性欠陥を、その表面粗さに影響されることなく自動
検出可能な表面検査装置及び方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】薄鋼板の製造プロセスにおいては、ロー
ル疵またはチャタマークなどの凹凸性の疵が発生する場
合がある。これらの疵の大きさは数mm〜数十mm程度であ
るが、凹凸は数μm程度と非常に小さいものである。こ
の凹凸は鋼板の表面粗さと同じ程度であるため、そのま
まの状態で観察しても発見することができない。ところ
が、塗装され、表面粗さが塗料に埋められ表面が滑らか
になると、明瞭に見えるようになり、外観上大きな問題
となる。そのため、このような疵有する薄鋼板を出荷し
ないようにすることは、品質管理上重要な問題である。

【０００３】またこれらの疵の発生原因を考えてみる
と、例えばロール疵は、ロールに付着した異物、あるい
はその異物がロールに噛み混んだことによってロール自
体に生じた凹凸が鋼板に転写されることにより発生する
ものであり、また、チャタマークは製造プロセスにおけ
るロールもしくは鋼板自体の振動により発生するもので
ある。そのため、これらの疵が一旦発生すると、ロール
を交換したりプロセスを改善したりするまで連続的に発
生するため、早期に発見し対策を講じることは、歩留向
上の点からも極めて重要である。

【０００４】このような疵を見つけるために、製鉄プロ
セスの各検査ラインにおいては、全てのコイルについ
て、操業中に鋼板の走行を一度停止し、検査員が砥石が
けを行った後に目視検査をしている。砥石がけを行う
と、凹部に比べて凸部がより砥石にあたり、反射率が高
くなるので、凹凸部の差が明確になり、ロール疵やチャ
タマークが目視で確認可能となる。しかしながら、この
ような方法は、検査ラインを停止して行わなければなら
ず、かつ、かなりの時間を要するので、作業能率を低下
させるという問題があった。

【０００５】それに対する対策として、古来より伝承さ
れている、魔鏡に平行光を当てた際に生じる現象を利用
することが考えられる。魔鏡とは、背面に施された模様
のために、研磨の際に研磨される部分とそうでない部分
の差がわずかに現れ、裏面の模様とそっくりの微小凹凸
が鏡面上に形成されている鏡である。この鏡は、見た目
には通常の鏡と同じであるが、平行光を照射すると、凸
部面は光を発散し、凹部面は光を集束させるため、裏面
の模様と対応したパターンの像が反射光の像のパターン
として現れる。

【０００６】これと同様、鏡面状の被検査面に微小な凹
凸がある場合、非検査面に平行光を当て、その反射光を
スクリーンに投影したり、撮像素子に入射させたりする
ことにより、微小な凹凸を検出することができる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述し
た魔鏡の原理を応用して被検査面の凹凸欠陥を検出しよ
うとしても、この現象は表面粗さが0.1μm程度にまで研
磨された鏡面に対してのみ適用可能であり、鋼板のよう
に表面粗さが粗い被検査面に対しては有効でないという
問題点がある。すなわち、このような被検査面に平行光
を照射しても、凹凸欠陥に起因する集束光・拡散光が、
非検査面の表面粗さに起因する拡散光に紛れてしまうた
め、疵を検出することができない。

【０００８】本発明はこのような事情に鑑みてなされた
もので、表面粗さの粗い被検査対象物においても、凹凸
が数μm程度の微小凹凸性疵を確実に検出できる装置及
び方法を提供することを課題とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】前記課題を解決するため
の第１の手段は、被検査体の表面に所定の入射角で光を
照射する光源と、前記被検査体の表面にから反射された
光を検出する検出系とを有し、微小凹凸性疵を検出する
表面検査装置において、前記光源の波長λに対する前記
入射角θの余弦の値の比cosθ/λが、前記被検体の表面
粗さに対応して決定される所定の値以下となるように、
前記波長と前記入射角の関係が選定されていることを特
徴とする表面検査装置（請求項１）である。

【００１０】本発明者らは、表面粗さの粗い鋼板に対し
ても、反射光のうち鏡面反射が支配的な条件を作り出す
ことができれば、魔鏡現象が成立し、疵を検出すること
が可能になると考えた。そこで、まず、表面粗さと反射
特性について検討を行った。Beckmann著The scattering
of electromagnetic waves from rough surface（Perg
amon Press, 1963）によると、凹凸量の分布が正規分布
となるモデルを仮定した場合、下記のパラメータｇが小
さいほど鏡面性が高いといえる。また、σ、λ、θ1、
θ2のそれぞれの値にかかかかわらず、gの値が等しけれ
ば鏡面性の程度は同等である。 g = {2πσ(cosθ₁+cosθ₂)/λ}² …（１） ここで、σは凹凸量の正規分布の標準偏差、λは照射光
の波長、θ₁は入射角、θ₂は出射角である。ここで、正
反射光を受光することを考え、入射角θ₁及び出射角θ₂
がともに等しく、その値をθとすると、 g = {4πσcosθ/λ}² …（２） となる。

【００１１】上式によれば、σが大きな対象であって
も、cosθ／λを所定の値以下にすれば、鏡面性を確保
できることがわかる。 例えばσ=0.5μmの粗面を有する
被検査体の鏡面性ｇを、σ=0.025μm程度の鏡面が、可
視光の波長0.5μm、入射角０度に対して有するのと同程
度の鏡面性ｇと同じ程度にしようとした場合、その方法
の例としては、波長はそのままで入射角を87度程度に大
きくするか、入射角はそのままで波長を10μm程度に大
きくすることが考えられる。

【００１２】（１）、（２）式は、凹凸量が正規分布を
なすことを仮定しているので、必ずしも全ての鋼板に対
して適用できるとは限らないが、多くの場合、凹凸量は
近似的に正規分布をなすと考えられるので、（１）、
（２）式が適用できる。また、（１）、（２）式が適用
できない場合であっても、（１）、（２）式に相当する
関係式を実験的に求めることも可能である。

【００１３】すなわち、本手段においては、光源の波長
λに対する前記入射角θの余弦の値の比cosθ/λが、前
記被検体の表面粗さに対応して決定される所定の値以下
となるように、前記波長と前記入射角の関係が選定され
ている。よって、鏡面性が上がって魔鏡現象が起こり、
微小凹凸により反射された収束光・発散光が、表面粗さ
による拡散光に紛れることがなくなるので、表面粗さと
同等の深さの微小凹凸性疵を確実に検出することができ
る。どの程度のｇ値とすべきかは、被検査体によっても
異なるので、実験的に求めるようにする。

【００１４】ここで、魔鏡光学系によって得られる明暗
のパターンについて考察する。図１１に示すように、フ
ラットであると仮定した被検査体上に座標軸ｘを、それ
と直交する方向にｈ軸をとり、被検査体の凹凸が一次元
の分布ｈ（ｘ）をしているとする。このとき、入射角θ
で点（x、h(x))に入射した光が、点（x、h(x))における
傾きφ（ｘ）の微小面素により正反射し、スクリーン上
に入射するとする。ここで、 tanφ(x)＝dh/dx なる関係が成り立っている。

【００１５】スクリーンはｘ軸に対し角度Θで設置され
ているとし、スクリーン上にｕ軸をとる。ｕ軸の原点
は、ｘ軸の原点の正反射位置に対応させ、それぞれの軸
の原点間の距離をＬとする。従って、ｕ軸の原点は、ｘ
−ｈ座標では（L・sinθ, L・cosθ）である。同様に、ｕ
軸上の任意の点は、ｘ−ｈ座標で（L・sinθ+u・cosΘ, L
・cosθ−u・sinΘ）と表される。

【００１６】このとき、点（x、h(x))からの反射光がス
クリーン上に照射される点ｕを求める。点（x、h(x))か
らの反射光は、ｈ軸に対し角度θ−２φ（ｘ）を有する
から、

【００１７】

【数１】 (L・sinθ+u・cosΘ-x)/(L・cosθ−u・sinΘ-h(x))=tan(θ-2φ(x)) …（３） よって、

【００１８】

【数２】

【００１９】凹凸量が十分小さく、L・cosθ≫h(x)とお
ける場合は、

【００２０】

【数３】

【００２１】ここで、スクリーンが光軸と垂直、すなわ
ち、Θ＝θの場合、

【００２２】

【数４】 u={cosθ+sinθtan(2φ(x))}x-L・tan(2φ(x)) …（６） と書ける。

【００２３】さらに、入射光の傾きが被検査体上の凹凸
の傾きよりも十分大きい、すなわち、1/tanθ≫tan(2φ
(x))とすると、

【００２４】

【数５】 u=x・cosθ-L・tan(2φ(x)) ≒x・cosθ-2L・dh/dx=cosθ(x-2L/cosθ・dh/dx) …（７） となる。

【００２５】ここで、スクリーン上の明点は、図１２
（ａ）のようにｘを増加させたときに各点からの反射光
がｕ軸上で重なり合ったり、図１２（ｂ）のように重な
り合うことはなくても密になるということで説明でき
る。また、逆に暗点は各点からの反射光がｕ軸上で疎に
なる領域として理解することができる。特に、凹凸量が
十分小さく、ｕ（ｘ）が一価関数となる場合には、スク
リーン上の明暗は、微小区間ｄｘに照射された光量が微
小区間ｄｕへ投影されると考えると、dx/duで計算でき
る。

【００２６】（７）式は次のように理解できる。すなわ
ち括弧の前のcosθは、スクリーン上に投影される像の
大きさを表す倍率である。入射角が大きくなるほど、像
の大きさは小さくなる。また、dh/dxの前に係数１/cos
θがかかっており、図１３に示すように、入射角θが大
きいほど明暗のパタンが現れやすくなる。

【００２７】従って、cosθ/λを所定の値以下とし鏡面
性を高めるためにθを大きく（すなわちcosθを小さ
く）することは、１/cosθだけ感度を向上することにも
つながっている。以上、被検査体の凹凸が一次元の場合
について考察したが、二次元の凹凸の場合にも同様の方
法により考察することができる。

【００２８】また、スクリーンの角度をｘ軸と平行に設
置した場合、(７)式に対応して、 u=x-2L・tan²θ・dh/dx …(８） が得られる。この場合、投影された像の倍率は入射角θ
によらず一定であるが、入射角が大きいほど感度が高い
のは同様である。

【００２９】これらの考察によれば、被検査面に凹凸が
あるとき、その部分からの反射光がスクリーン上で正常
部より明るくなったり、暗くなったりするので、スクリ
ーン上の明暗点を検出することにより被検査面に発生す
る凹凸疵を検出することができ、その検出感度は、照射
光の入射角が大きいほど高いことが分かる。

【００３０】前記課題を解決するための第２の手段は、
前記第１の手段であって、光源の波長として可視域の波
長を選定し、前記入射角として90度近くの大きな角度を
選定したことを特徴とするもの（請求項２）である。

【００３１】入射角として90度近くの大きな角度を用い
ることにより、波長の短い光源を使用することが可能と
なり、可視光を用いることができる。これにより、装置
の調整、光軸合わせ等を容易に行うことができる。

【００３２】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段であって、光源の波長として赤外域の波
長を選定したことを特徴とするものである。

【００３３】光源として赤外光を用いることにより、そ
の分入射角を小さくすることができる。よって、被検査
体の凹凸や振動に対しても、その影響を小さいものにす
ることができる。

【００３４】前記課題を解決するための第４の手段は、
前記第１の手段から第３の手段のうちのいずれかであっ
て、前記光源が、前記被検査体がロールに接している部
位に光を照射するものであることを特徴とするもの（請
求項４）である。

【００３５】本手段においては、被検査体がロールに接
している部位に光を照射し、その部位からの反射光を検
出して表面検査を行っているので、被検査体のばたつき
や大きな凹凸を小さくすることができる。よって、照射
光の入射角を大きくしても、受光位置が大きく変動する
ことが無く、安定した検出が可能となる。

【００３６】前記課題を解決するための第５の手段は、
前記第４の手段であって、前記ロールに接している部分
における被検査体のパスライン変動量δが ｜δ｜／Ｒ＜ε_max・cosθ を満足するよう、ロール半径Ｒの選定、パスライン変動
要因の抑制の少なくとも一方が行われていることを特徴
とするもの（請求項５）である。ただし、θは入射角、
ε_maxは許容できる入射角変動[rad]である。

【００３７】発明者らは、被検査体がロールに接した状
態にあるときに、パスライン変動があった場合の入射角
の変化量の見積もりを行った。その過程を図１４により
説明する。パスライン変動が表面検査装置に与える影響
は、入射光軸に対して垂直に変動する場合が最も影響が
大きい。従って、図１４のような場合を考える。パスラ
イン変動が生じると、光の入射する位置が変わり、結果
的に入射角の変動となる。よって、この場合について考
察する。

【００３８】図１４において、２１は通常のパスライ
ン、２１’は入射光軸に対して直角方向にδだけずれた
パスライン、２２は入射光、２３は定常状態における反
射光（正反射光）、２３’はパスラインが上記の値だけ
ずれた場合の反射光（正反射光）である。いま、半径Ｒ
のロールに巻き付いている鋼板に、入射角θで光が入射
している場合、入射光と垂直な方向にδだけパスライン
変動が生じると、図１４より R・sinθ＋δ=R・sin(θ+ε) …（９） 従って、許容できる入射角変動の値を±εmaxとする
と、

【００３９】

【数６】 −2・sin(εmax /2)・cos(θ−εmax /2)≦δ／R ≦ 2・ sin(εmax /2)・cos(θ+ε max /2) …（11） である必要がある。いま、εが十分小さいとすると、 sin(εmax /2)= εmax /2 …（12） cos(θ±εmax /2)=cos(θ) …（13） と近似することができ、（11）式は |δ|／Ｒ ≦ εmax・cosθ …（14） となる。

【００４０】前記課題を解決するための第６の手段は、
前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前
記検出系は、前記被検査体の表面により反射された光を
投影するスクリーンと、当該スクリーン上の光強度分布
を測定する受光器とを有してなることを特徴とするもの
（請求項６）である。

【００４１】本手段においては、被検査体の表面で反射
された光は、たとえば半透明のスクリーンに投影され
る。受光器は、この半透明のスクリーンの裏側から、ス
クリーンに写った反射光線の像を撮像する。微小凹凸欠
陥があると、その点が明部又は暗部となってスクリーン
に写し出されるので、それを検出することにより、微小
凹凸欠陥を検出することができる。

【００４２】前記課題を解決するための第７の手段は、
前記第６の手段であって、前記検出系が、前記被検査体
の表面により反射された光のうち、一次元方向成分につ
いては、被検査面の像を前記スクリーン上に結像する光
学系を有することを特徴とするもの（請求項７）であ
る。

【００４３】本手段においては、光源としてラインライ
トガイド等のライン状のものを使用できるので、ライン
の広幅方向を被検査面の幅方向に一致させれば、入射角
の広がりを狭くすることができ、確実に魔鏡現象を起こ
すことができる。そして、被検査体又は表面検査装置を
移動させることにより、平面の検査を行うことができ
る。入射光は、被検査面の幅方向には拡散光となるが、
こちらの方向成分については、被検査面の像をスクリー
ン上に結像させることにより、拡散光により魔鏡現象の
発生が阻害されるのを防止することができる。

【００４４】なお、本明細書で被検査面の「幅方向」と
いうのは、被検査体と検査装置の相対的な運動方向に直
角な方向をいうものであり、被検査体と検査装置の相対
的な運動方向を被検査体の「長さ方向」と称する。

【００４５】前記課題を解決するための第８の手段は、
前記第１の手段から第５の手段のいずれかであって、前
記検出系が、撮像素子と前記被検査体の表面により反射
された光を当該撮像素子上に投影する光学系を有するこ
とを特徴とするもの（請求項８）である。

【００４６】前記第６の手段においては、反射された光
をスクリーン上に投影して、スクリーン上の光強度分布
を受光器で測定していたが、本手段においては、反射さ
れた光を直接撮像素子で測定している。よって、前記第
６の手段と同様の作用効果が得られる。

【００４７】前記課題を解決するための第９の手段は、
前記第８の手段であって、前記検出系は、前記被検査体
の表面により反射された光のうち、一次元方向成分につ
いては、被検査面の像を前記撮像素子上に結像する光学
系を有することを特徴とするもの（請求項９）である。

【００４８】本手段の作用効果は、前記第７の手段と同
じである。

【００４９】前記課題を解決するための第１０の手段
は、前記第１の手段から第９の手段のいずれかであっ
て、前記光源が、被検査体に平行光を照射する光源であ
ることを特徴とするもの（請求項１０）である。

【００５０】本手段においては、被検査体に照射される
光が平行光であるので、被検査体が平面状の場合、平行
光の平行の方向を被検査体平面と平行とすることで、被
検査体の各部位における照射光の入射角を等しくするこ
とができる。よって、照射範囲が広くても、魔鏡現象を
起こすようにすることができる。

【００５１】前記課題を解決するための第１１の手段
は、前記第４の手段又は第５の手段であって、照射され
た被検査体上のすべての測定点において入射角が所定範
囲内に収まるように、ロール径に合わせて収束する光を
照射するものであることを特徴とするもの（請求項１
１）である。

【００５２】本手段においては、被検査体がロールに接
しているので、照射光が被検査体の長さ方向に幅を有し
ている場合、平行光を照射すると、被検査体の長さ方向
各部分において入射角が変わってくる。よって、レンズ
等の光学系を用いて、照射された被検査体上のすべての
測定点において入射角が所定範囲内に収まるように、照
射光を収束光とする。入射角の許容範囲は、すべての測
定点において鏡面反射状態が成立し、微小凹凸欠陥が所
定のS/N比（通常はS/N≧２）で検出可能な範囲であり、
実験により求めることができる。

【００５３】前記課題を解決するための第１２の手段
は、前記第７の手段又は第９の手段であって、前記光源
が、一次元方向には平行性を、もう一次元方向には拡散
特性を有する光源であることを特徴とするもの（請求項
１２）である。

【００５４】本手段によれば、後に発明の実施の形態の
欄で延べるように、ラインライトガイドとシリンドリカ
ルレンズを使用する等の簡単な方法で、被検査体に対し
て入射角が一定である照射光を作り出すことができる。
この光源を使用した場合には、光束の長手方向（拡散特
性を有する方向）を被検査体表面に平行にし、平行性を
有する方向を被検査体表面に垂直にすることにより、被
検査体に対して入射角が一定である照射光を作り出すこ
とができ、魔鏡現象を発生させることができるが、光束
の長手方向には光が拡散するので、入射方向が一定でな
く、ボケが発生する。これを防ぐためには、光が照射さ
れる被検査体表面の像を、スクリーン又は撮像面に結像
させるようにすればよい。

【００５５】前記課題を解決するための第１３の手段
は、前記第１の手段から第１２の手段のいずれかであっ
て、前記検査装置は、被検査体の幅全体の一部分を検査
する検査装置を幅方向に移動させる移動機構を有してな
ることを特徴とするもの（請求項１３）である。

【００５６】被検査体の幅方向全面を一度に検査するこ
とをせず、その一部を検査できる検査装置を用い、この
検査装置を幅方向に往復移動させて、被検査体表面をス
キャニングして検査を行っている。検査対象となる疵は
一過性のものではなく、ロール疵やチャタマークのよう
に周期性を有し、繰り返し現れるものであるので、この
ように間欠的な検査でも発見することができる。

【００５７】前記課題を解決するための第１４の手段
は、前記第１３の手段であって、前記検査装置は、前記
周期的に発生する疵の想定される最大周期の２倍以上に
相当する距離だけ、前記被検査体が進む時間中、前記被
検査体の幅方向の同一場所を検査できるだけの速度で移
動するものであることを特徴とするもの（請求項１４）
である。

【００５８】ロール疵等の周期性を有する疵の場合に
は、問題のロールを特定し、対策を講じる必要がある。
そのためには、疵の発生周期を知ることが必要である。
よって、本手段においては、前記検査装置は、被検査体
の幅方向の同一位置を、少なくとも想定される疵の最大
周期の２倍以上の長さに相当する距離だけ、前記被検査
体が進む時間中連続して検査することできるだけの速度
で移動するようにしている。よって、幅方向の同一場所
の連続検査中に、最大周期を有する欠陥であっても、少
なくとも２回は現れるので、これから周期性を有する疵
の発生周期を特定することができる。

【００５９】検査装置は、必ずしも連続的にトラバース
しながら検査を行う必要はなく、停止した状態で、ある
幅方向位置の測定を、周期性を有する欠陥の予想される
最大周期の２倍以上の長さに亘って行った後、視野幅以
下の距離だけトラバースするという動作を繰り返して全
幅の測定を行ってもよい。

【００６０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例を
図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態
である表面検査装置の構成を示す概要図である。図１に
おいて１は鋼板、２はロール、３は検出ヘッド、４は光
源、５はミラー、６はスクリーン、７は２次元カメラ、
８は信号処理装置、９は出力装置である。

【００６１】鋼板１は、２つのロール２によって張力を
かけられ、平面に張られて走行している。鋼板１の表面
に近接して検出ヘッド３が設置されている。検出ヘッド
３中には、光源４が設けられ、鋼板１の表面に、可視域
の波長の平行光を入射角θが90度近くの大きな角度、例
えば87度で照射している。平行光は、ランプからからの
光を一旦集光し、ピンホールを透過させた後、レンズま
たは放物面鏡を用いて形成している。この平行光は、ミ
ラー５で反射された後、前記の入射角で鋼板１の表面を
照射する。

【００６２】鋼板１の表面で反射された光は、半透明の
スクリーン６上に像を結ぶ。その像をスクリーン６の背
面から２次元カメラ（ＣＣＤカメラ等）７で撮像し、信
号処理装置８で画像処理を行うことにより凹凸性疵を検
出する。鋼板表面からの反射光は鏡面反射光となるが、
凹凸性疵があると、その部分が、明るい又は暗いパター
ンとしてスクリーン６に写るので、疵の存在を検出する
ことができる。画像処理の方法としては、２値化処理
等、周知の手法を使用することができる。鋼板１の移動
速度が高速の場合、撮影した像のぶれを防ぐために、ス
トロボ光源を使用して照明時間を短くすることが必要で
ある。

【００６３】図２は、冷延鋼板のロール疵及を測定した
場合の、照射光の入射角θとS/N比の関係を示したもの
である。このように、これらの疵は、入射角87度以下で
は検出が困難であるのに対し、87度以上とすることによ
りS/N比を大きくでき、検出可能になっていることがわ
かる。以上の実施の形態では、ストロボ光源と二次元カ
メラを用いたが、線状光源とリニアアレイカメラを用い
ることもできる。

【００６４】本発明の第２の実施の形態である表面検査
装置の構成を概要図を図３に示す。以下の図において
は、前出の図に示された要素と同じ要素には、同じ符号
を付してその説明を省略することがある。図３に示した
実施の形態は、基本的には図１に示したものと同じであ
るが、光源４に波長10.6μmのパルス発振のＣＯ₂レーザ
を、２次元カメラにサーモカメラを用いている。このよ
うに、長い波長の光を用いると入射角θの制約がなくな
り、入射角θを小さくすることができるので、パスライ
ン変動によりスクリーン上の像がぶれる影響を小さくす
ることができる。

【００６５】図４に本発明の第３の実施の形態である表
面検査装置の構成の概要図を示す。本実施の形態におい
ては、図のように、鋼板１がロール２に巻き付いている
部分を測定している。さらに、測定点の各点における入
射角が等しくなるように、光源４から、ミラー５を介し
て、ロール径に合わせて収束する光を入射させている。
このように、ロールに巻き付いている位置で測定するこ
とにより、被検査体のパスライン変動を極力抑えること
ができる。

【００６６】図５に本発明の第４の実施の形態である表
面検査装置の構成の概要図を示す。（ａ）が側面図、
（ｂ）が平面図であり、７’はリニアアレイセンサ、１
０はシリンドリカルレンズである。

【００６７】光源４にはレーザが用いられており、スリ
ット状の平行なレーザ光が入射角87度以上でロール２に
巻きつけられた鋼板１に入射する。スリット状のレーザ
光は、その広幅方向が、鋼板１の幅方向に一致するよう
にされている。スリット光の狭幅ｗは、ロールの偏心等
でパスラインが変動した場合でも検査線が等しい光量で
照射されるよう余裕を持って設定しておく。

【００６８】鋼板１で反射された光は、シリンドリカル
レンズ１０により、図５（ｂ）に示すように、鋼板１の
幅方向については、リニアアレイセンサ７’上に縮小投
影される。一方、図５（ａ）に示すように、鋼板１に垂
直な面内においては、ロール２の形状により拡がる光と
なり、シリンドリカルレンズ１０の影響は受けずにリニ
アアレイセンサ７’上に入射される。シリンドリカルレ
ンズ１０を用いるのは、幅の広いレーザースリット光
を、幅の狭いリニアアレイセンサ７’面に収束させるた
めである。

【００６９】すなわち、この実施の形態は、鋼板１の幅
方向に長い一次元の検査範囲を有している。そして、鋼
板１は、ロール２の回転により図５（ａ）の矢印方向に
移動するので、順次リニアアレイセンサ７’からの信号
を読み出し、図示しない信号処理装置に入力すること
で、鋼板１を２次元的に検査する。信号処理装置は、明
暗の画像信号より凹凸性疵の有無を判定する。

【００７０】この実施の形態においてはシリンドリカル
レンズ７’を用いているが、例えば球面レンズ等を用い
るなどにより、図５(a)の紙面内についても反射光の広
がりを変化させると、全体の光束に対するセンサの相対
的な大きさが変化することになるので、魔鏡像を検出す
る際の位置や分解能を変えることができる。

【００７１】次にラインライトガイドを光源に用いた実
施の形態について説明する。具体的な実施の形態の説明
に先立ち、図６にラインライトガイドとシリンドリカル
レンズを組み合わせた光源を示す。図６において（ａ）
が平面図、（ｂ）が側面図であり、１０’はシリンドリ
カルレンズ、１１はラインライトガイド、１１ａはバン
ドルファイバである。

【００７２】本光源は、水平方向に長いラインライトガ
イド１１と、垂直方向で凸レンズ作用を有し、水平方向
ではレンズ作用を有しないシリンドリカルレンズ１０’
を組み合わせたものである。光発生源からバンドルファ
イバ１１ａを介して伝達された光は、ラインライトガイ
ド１１の先端部から放出されるが、各光ファイバの開口
角（半角）はφとなっている。そして、垂直方向の光の
放出点の幅はｄであり、水平方向には十分大きな放出幅
を有している。ラインライトガイド１１の光放出面は、
シリンドリカルレンズ１０’の焦点面位置に置かれてい
る。

【００７３】よって、シリンドリカルレンズ１０’の焦
点距離をｆとするとき、図６（ｂ）に示されるように、
垂直方向断面では、この光源からの光は、平行度ｄ／ｆ
の平行光となっている。一方、水平方向断面では図６
（ａ）に示されるように、ファイバの開口角φの２倍の
開き角を有する拡散光源となっている。すなわち、この
光源からの光は、一次元方向には平行性を、もう一次元
方向には拡散特性を有している。このような光源を用い
て魔鏡現象を観察しようとしても、魔鏡の原理による明
点及び暗点は、水平方向の光の拡散性のためにボケを生
じるので、そのままでは明瞭に現れない。

【００７４】そこで、図７に示すように、光源が拡散性
を有する水平方向について、被検査体の一点から反射さ
れた光を結像するためのシリンドリカルレンズ１０を設
ける。すると、光源が拡散性を有する方向については、
被検査面の像がリニアアレイセンサ７’表面に結像する
ので、光源の拡散性によるボケを生じることなく、ま
た、光源が平行性を有する方向については、従来通り魔
鏡の原理が成立するため、結果として魔鏡の原理による
明点及び暗点が観察できるようになる。このような系を
構成することにより、従来においてはランプの光を一旦
ピンホールによって絞ってからレンズ系で平行光束を作
るのに対し、バンドルファイバ全体に入射する光を全て
利用できるので、光発生源からの光量を有効に利用する
ことができる。

【００７５】図８に、具体的な実施の形態（第５の実施
の形態）の概要図を示す。図示しないランプの光は、バ
ンドルファイバ１１ａへ入射され、ファイバが紙面に垂
直な方向に線状に配置されたラインライトガイド１１よ
り出射される。出射された光は、図８の紙面に平行な方
向については、シリンドリカルレンズ１０’により平行
光とされ、鋼板１に入射する。一方、紙面に垂直な方向
については、拡散光として鋼板１に入射する。鋼板１か
らの反射光は、紙面に垂直な方向については、シリンド
リカルレンズ１０によって、検査線上の一点がリニアア
レイ７’上の一点に結像される。

【００７６】すなわち、この実施の形態も、鋼板１の幅
方向に長い一次元の検査範囲を有している。そして、鋼
板１は走行するので、順次リニアアレイセンサ７’から
の信号を読み出し、図示しない信号処理装置に入力する
ことで、鋼板１を２次元的に検査する。信号処理装置
は、明暗の画像信号より凹凸性疵の有無を判定する。

【００７７】このような、反射光を一次元方向について
結像させて観察するという考え方は、例えば図５に示す
ような平行光源の場合にも適用することができる。すな
わち、入射角を大きくすることにより魔鏡の感度が向上
している図５（ａ）の断面で見た方向に関しては結像系
を用いず、図５（ｂ）の断面で見た方向について結像系
を導入することにより、検出能は維持したまま、若干の
拡散反射に起因する像のボケや受光光量ロスを向上させ
ることができる。

【００７８】以上の実施の形態においては、一方向のみ
の結像のためにシリンドリカルレンズ１枚を用いたが、
本発明はこのような実施例に限定されるものではないこ
とは言うまでもない。たとえば、レンズを複数枚使用し
たり、図９に示すように、２枚のシリンドリカルレンズ
を用いたテレセントリック系を用いることも可能であ
る。このようにテレセントリック系を用いることによ
り、素子ごとの光量むらを減少させることができる。

【００７９】また、以上の実施の形態においては、被検
査面による反射光をリニアアレイセンサ上に投影した
が、リニアアレイセンサの代わりにスクリーンを設け、
スクリーン上の像を撮像装置で観察することも可能であ
る。

【００８０】図１０に、以上の各実施の形態における検
出ヘッド３と鋼板１との関係の１例を示す。図１０にお
いて１２はリニアガイドである。図１０（ａ）に示すよ
うに、これら各実施の形態においては、検出ヘッド３
は、鋼板１の板幅全域に亘って検査が可能なものではな
く、検査視野はその一部のみをカバーするようになって
いる。そして、図に示すように、リニアガイド１２に沿
って鋼板１の幅方向にトラバースして往復し、鋼板１の
表面をジグザグに検査するようになっている。

【００８１】鋼板１の検査される面の様子を図１０
（ｂ）に示す。検出ヘッド３の視野範囲は、図に示すよ
うに斜めになっている。そして、検出ヘッド３が、その
視野幅だけ横に移動する間に、鋼板１は、周期性を有す
る疵の想定最大周期の２倍以上の長さだけ移動するよう
になっている。これにより、鋼板１の幅方向同一位置
は、鋼板１が、周期性を有する疵の想定最大周期の２倍
以上の長さだけ移動する間に亘って連続的に検査される
ので、最大周期を有する疵でも、この間に必ず２回検出
できる。よって、周期性を有する疵の周期を判別するこ
とができる。

【００８２】このように、周期性を有する疵の検出を目
的とする場合には、鋼板１の一部のみの検査視野を有す
る検査装置をトラバースさせて鋼板１全面の欠陥検出を
行うことができ、安価な装置とすることができる。ま
た、本実施の形態では、幅方向に連続的にトラバースし
ながら測定を行なったが、一定位置で最大周期の２倍以
上の距離を測定した後、検出ヘッドの視野分移動すると
いうように、間欠的にトラバースさせても構わない。

【００８３】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１に係る発明においては、光源の波長に対する前記入
射角の余弦の値の比が、前記被検体の表面粗さに対応し
て決定される所定の値以下となるように、前記波長と前
記入射角の関係が選定されている。よって、鏡面性が上
がって魔鏡現象が起こり、微小凹凸により反射された収
束光・発散光が、表面粗さによる拡散光に紛れることが
なくなるので、表面粗さと同等の深さの微小凹凸性疵を
確実に検出することができる。

【００８４】請求項２に係る発明においては、照射光と
して可視光を用いることができるので、装置の調整、光
軸合わせ等を容易に行うことができる。請求項３に係る
発明においては、入射角を小さくすることができるの
で、被検査体の凹凸や振動に対しても、その影響を小さ
いものにすることができる。

【００８５】請求項４に係る発明においては、被検査体
のばたつきや大きな凹凸を小さくすることができるの
で、照射光の入射角を大きくしても、受光位置が大きく
変動することが無く、安定した検出が可能となる。

【００８６】請求項５に係る発明においては、ロール半
径とパスライン変動量が所定の関係式を満足するように
ロール径とパスライン変動量の少なくとも一方を定めて
いるので、許容される入射角で被検査面を照射すること
ができる。

【００８７】請求項６に係る発明、請求項８に係る発明
においては、微小凹凸欠陥があると、その点が明部又は
暗部となってスクリーンに写し出されたり撮像面に投影
されるので、それを検出することにより、微小凹凸欠陥
を検出することができる。

【００８８】請求項７に係る発明、請求項９に係る発明
においては、スリットの広幅方向を被検査面の幅方向に
一致させれば、入射角の広がりを狭くすることができ、
確実に魔鏡現象を起こすことができる。

【００８９】請求項１０に係る発明においては、被検査
体が平面状の場合、被検査体の各部位における照射光の
入射角を等しくすることができる。よって、照射範囲が
広くても、魔鏡現象を起こすようにすることができる。

【００９０】請求項１１に係る発明においては、照射さ
れた被検査体上のすべての測定点において入射角が所定
範囲内に収まるように、照射光を収束光としているの
で、検査範囲全体に亘って鏡面反射条件が成り立つよう
にすることができ、検査範囲全体に亘って、S/N比の良
い検査が実行できる。

【００９１】請求項１２に係る発明においては、ライン
ライトガイドとシリンドリカルレンズを使用する等の簡
単な方法で、被検査体に対して入射角が一定である照射
光を作り出すことができる。

【００９２】請求項１３に係る発明においては、被検査
体の幅方向前面を一度に検査することをせず、その一部
を検査できる検査装置を用い、この検査装置を幅方向に
往復移動させて、被検査体表面をスキャニングして検査
を行っているので、装置を安価なものとすることができ
る。

【００９３】請求項１４に係る発明においては、幅方向
の同一場所の連続検査中に、最大周期を有する欠陥であ
っても、少なくとも２回は現れるので、これから周期性
を有する疵の発生周期を特定することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施の形態である表面検査装置
の構成を示す概要図である。

【図２】冷延鋼板のロール疵及を測定した場合の、照射
光の入射角θとS/N比の関係の例を示す図である。

【図３】本発明の第２の実施の形態である表面検査装置
の構成を示す概要図である。

【図４】本発明の第３の実施の形態である表面検査装置
の構成を示す概要図である。

【図５】本発明の第４の実施の形態である表面検査装置
の構成を示す概要図である。

【図６】ラインライトガイドとシリンドリカルレンズを
組み合わせた光源の概要図である。

【図７】光が拡散性を有する方向について、結像光学系
を設けた例を示す概要図である。

【図８】本発明の第４の実施の形態である表面検査装置
の構成を示す概要図である。

【図９】２枚のシリンドリカルレンズを用いたテレセン
トリック系の結像装置の例を示す概要図である。

【図１０】検出ヘッドをトラバースさせて検査する例の
概要を示す図である。

【図１１】魔鏡光学系によって得られる明暗のパターン
の発生を説明するための図である。

【図１２】魔鏡光学系によって得られる明点における光
線の収束状況を示す図である。

【図１３】入射角と明暗のパターンのピッチとの関係を
示す図である。

【図１４】被検査体がロールに接した状態にあるときの
パス欄変動の影響を示す図である。

【符号の説明】

１…鋼板、２…ロール、３…検出ヘッド、４…光源、５
…ミラー、６…スクリーン、７…２次元カメラ、７’…
リニアアレイセンサ、８…信号処理装置、９…出力装
置、１０、１０’…シリンドリカルレンズ、１１…ライ
ンライトガイド、１１ａ…バンドルファイバ、１２…リ
ニアガイド

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被検査体の表面に所定の入射角で光を照
   射する光源と、前記被検査体の表面から反射された光を
   検出する検出系とを有し、微小凹凸性疵を検出する表面
   検査装置において、前記光源の波長λに対する前記入射
   角θの余弦の値の比cosθ/λが、前記被検体の表面粗さ
   に対応して決定される所定の値以下となるように、前記
   波長と前記入射角の関係が選定されていることを特徴と
   する表面検査装置。
2. 【請求項２】 前記光源の波長として可視域の波長を選
   定し、前記入射角として90度近くの大きな角度を選定し
   たことを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
3. 【請求項３】 前記光源の波長として赤外域の波長を選
   定したことを特徴とする請求項１に記載の表面検査装
   置。
4. 【請求項４】 前記光源は、前記被検査体がロールに接
   している部位に光を照射するものであることを特徴とす
   る請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の表
   面検査装置。
5. 【請求項５】 前記ロールに接している部分における被
   検査体のパスライン変動量δが下記条件を満足するよ
   う、ロール半径Ｒの選定、パスライン変動要因の抑制の
   少なくとも一方が行われていることを特徴とする請求項
   ４に記載の表面検査装置。 ｜δ｜／Ｒ＜ε_max・cosθ ただし、θは入射角、ε_maxは許容できる入射角変動[ra
   d]である。
6. 【請求項６】 前記検出系は、前記被検査体の表面によ
   り反射された光を投影するスクリーンと、当該スクリー
   ン上の光強度分布を測定する受光器とを有してなること
   を特徴とする請求項１から請求項５のうちいずれか１項
   に記載の表面検査装置。
7. 【請求項７】 前記検出系は、前記被検査体の表面によ
   り反射された光のうち、一次元方向成分については、被
   検査面の像を前記スクリーン上に結像する光学系を有す
   ることを特徴とする請求項６に記載の表面検査装置。
8. 【請求項８】 前記検出系は、撮像素子と前記被検査体
   の表面により反射された光を当該撮像素子上に投影する
   光学系とを有することを特徴とする請求項１から請求項
   ５のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
9. 【請求項９】 前記検出系は、前記被検査体の表面によ
   り反射された光のうち、一次元方向成分については、被
   検査面の像を前記撮像素子上に結像する光学系を有する
   ことを特徴とする請求項８に記載の表面検査装置。
10. 【請求項１０】 前記光源は、被検査体に平行光を照射
    する光源であることを特徴とする請求項１から請求項９
    のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
11. 【請求項１１】 前記光源は、被検査体を面状に照射す
    る光源であって、照射された被検査体上のすべての測定
    点において入射角が所定範囲内に収まるように、ロール
    径に合わせて収束する光を照射するものであることを特
    徴とする請求項４又は請求項５に記載の表面検査装置。
12. 【請求項１２】 前記光源は、一次元方向には平行性
    を、もう一次元方向には拡散特性を有する光源であるこ
    とを特徴とする請求項７又は請求項９に記載の表面検査
    装置。
13. 【請求項１３】 前記検査装置は、被検査体の幅全体の
    一部分を検査する検査装置を幅方向に移動させる移動機
    構を有してなることを特徴とする請求項１から請求項１
    ２のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
14. 【請求項１４】 前記検査装置は、前記周期的に発生す
    る疵の想定される最大周期の２倍以上に相当する距離だ
    け、前記被検査体が進む時間中、前記被検査体の幅方向
    の同一場所を検査できるだけの速度で移動するものであ
    ることを特徴とする請求項１３に記載の表面検査装置。