JP2001242090A

JP2001242090A - 表面検査装置

Info

Publication number: JP2001242090A
Application number: JP2000050421A
Authority: JP
Inventors: Takahiko Oshige; 貴彦大重; Takahiro Koshihara; 敬弘腰原; Mitsuaki Uesugi; 満昭上杉
Original assignee: NKK Corp; Nippon Kokan Ltd
Current assignee: JFE Engineering Corp
Priority date: 2000-02-28
Filing date: 2000-02-28
Publication date: 2001-09-07

Abstract

(57)【要約】【課題】平行光を照射して微小凹凸性疵を検出する際
に、光量を増大させ、広範囲を高速に検査可能な装置を
提供する。【解決手段】ラインライトガイド１、シリンドリカル
レンズ２を介して照射される光は、被検査体３の表面に
垂直で光の進行方向に平行な面内では平行性を有し、被
検査体３の幅方向では拡散性を有する光束となってい
る。被検査体３の表面は、照射される光に対して十分な
鏡面性を有し、検査すべき凹凸欠陥が光を正反射方向と
は異なる方向に反射するような面となっている。被検査
体３の表面で反射された光は、シリンドリカルレンズ４
に入射する。シリンドリカルレンズ４は、(a)の紙面に
平行な方向で凸レンズ作用を有し、(a)の紙面に平行な
方向では、被検査体３の光照射面（検査線）の像を、リ
ニアアレイセンサ５の表面に結像するようになってい
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、被検査体の表面に
存在する微小な凹凸欠陥を検出する表面検査装置に関す
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、凹凸が数μm程
度の微小凹凸性疵を自動検査する方法の開発が行われて
きた。このような、自動表面検査装置の例として、被検
査体が鏡面性を呈するような入射角で被検査体に平行光
を入射し、被検査体上の凹凸による明点あるいは暗点を
検出することにより、被検査体の欠陥を検出する方式の
ものが考えられている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】このような原理の検査
装置を作動させるためには、平行光の光源が必要であ
る。そして、微小な疵を検出しようとすると、それに応
じて高い平行光の平行度が要求される。平行光を作るた
めには、例えばランプからの光を一点に集光させ、ピン
ホールを透過させた後、レンズでコリメートすることが
考えられる。その場合、平行度は、主にピンホール径と
コリメータレンズの焦点距離によって決まる。

【０００７】このような光源を用いた場合、平行度を高
くするためにピンホール径を小さくしたり、平行光の照
射範囲を広くしたりしようとすると、十分な光量が得ら
れないという問題があった。

【０００８】このような課題に対して、特開平０６−２
６８３９号公報では、ラインライトガイドを光源として
用いる方式が提案されている。この方式では、ラインラ
イトガイドの長さ方向の平行度を上げるために、ランプ
と光ファイバ間の距離を大きく取ること、光ファイバ入
射端面の径を小さく抑えること、開口数の小さな光ファ
イバを用いることなどが提案されている。しかしなが
ら、このような対策は、いずれも光量の損失を伴う手段
であり、十分な光量が得られなくなるという問題点を有
している。

【０００９】本発明は以上のような事情に鑑みてなされ
たものであり、平行光を照射して微小凹凸性疵を検出す
る際に、一方向に拡散する光を採用できるようにし、そ
の結果、光量を増大させ、広範囲を高速に検査可能な装
置を提供することを課題とする。

【００１０】

【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
面検査装置であって、前記光源からの光束は、被検査体
の幅方向に長くて平行に照射され、幅方向には拡散性を
有し、被検査面と直交し光の進行方向と平行な面内では
平行性を有するものであって、前記検出系は、前記被検
査体の一点から発せられた反射光のうち、前記光源が拡
散性を有する方向の成分を結像させて観察するものであ
ることを特徴とする表面検査装置（請求項１）である。

【００１１】まず、本発明による欠陥検出の原理を説明
する。図５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。

【００１２】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。

【００１３】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、

【００１４】

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

【００１５】

【数２】

【００１６】凹凸量が十分小さく、L・cosθ≫h(x)とお
ける場合は、

【００１７】

【数３】

【００１８】ここで、スクリーンが光軸と垂直、すなわ
ち、Θ＝θの場合、

【００１９】

【数４】 u={cosθ-sinθtan(2φ(x))}x-L・tan(2φ(x)) …（４）と書ける。ただし、tanθ≫tan(2φ(x))を仮定した。

【００２０】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、

【００２１】

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

【００２２】ここで、スクリーン上の明点は、図６
（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６（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。

【００２３】（５）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７に示すように、入射角θが大き
いほど明暗のパターンが現れやすくなる。

【００２４】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。

【００２５】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。すなわち、平行光束を被検
査面に照射し、その反射光をスクリーンで受けた場合、
被検査面が完全にフラットであれば明暗は現れないが、
凹凸状の疵があるとスクリーン上に明暗が現れるので、
明暗の有無により表面の凹凸疵を検出することができ
る。

【００２６】また、スクリーンの角度をｘ軸と平行に設
置した場合、(５)式に対応して、 u=x-2L・tan²θ・dh/dx …(６）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。

【００２７】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。

【００２８】以上の方法で２次元的に平行な光束で被検
査面を照射し、その反射光を受光することが理想的であ
るが、２次元的に平行な広い断面を有する光束を作り出
すことは、前述のような理由で困難である。しかしなが
ら、たとえば矩形断面を有し、その狭幅方向には平行性
を有し、広幅方向には拡散性を有する光束は容易に作り
出すことができ、大きな球面レンズを用いなくても、広
幅方向の長さを容易に長いものとすることができる。

【００２９】本手段においては、このような光束を使用
し、光束の広幅方向を被検査体の幅方向と一致させ、光
束の狭幅方向を被検査体の表面に垂直方向として、被検
査面に照射している。

【００３０】よって、被検査面の幅方向に平行で、長さ
方向に狭く、幅方向に長い範囲が光源からの光で照射さ
れることになる。前述のように、平行光で被検査面を照
射した場合、表面に微小な凹凸があると、その反射光を
うけるスクリーン面または撮像面に光量の変化が現れる
ので、微小な凹凸欠陥を検出することができるが、本手
段においては、被検査体幅方向の光の平行性が確保され
ていないので、そのままでは、被検査面の異なる点から
反射される光が交じり合ってしまい、光量変化の信号が
小さくなってしまう。

【００３１】これに対する対策として、本手段において
は、反射光のうち、前記光源が拡散性を有する方向の成
分を結像させて、その像を観察している。すなわち、拡
散性を有する方向については、被検査面の像が観察面に
結像されることになる。よって、観察面においては、前
記光源が拡散性を有する方向の各像点に入射する光は、
前記光源が拡散性を有する方向成分については、当該像
点と被検査面において光学的に共役な点となる。したが
って、拡散性を有する方向についても、被検査面の異な
る点から反射される光が交じり合うことが無いので、像
のぼけが起こらず、微小な凹凸の変化が明暗となって現
れることになる。

【００３２】前記光源が拡散性を有する方向の成分を結
像させるには、一方向の結像だけでよいので、大きな球
面レンズを必要とせず、簡単な光学系で実現できる。

【００３３】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。

【００３４】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、前記光源が、ラインライトガ
イド及びシリンドリカルレンズを有してなることを特徴
とするもの（請求項２）である。

【００３５】本手段においては、ラインライトガイドを
用いて、一方向に長く、１方向に狭い矩形断面状の光束
を発生させる。そして、ラインライトガイドの長さ方向
とシリンドリカルレンズの長さ方向を平行とし、ライン
ライトガイドの狭幅方向に対して、シリンドリカルレン
ズが凸レンズ作用を有するようにし、ラインライトガイ
ドの端面をシリンドリカルレンズの焦点位置に置く。す
ると、ラインライトガイドの狭幅方向には平行性を有
し、ラインライトガイドの長さ方向には光ファイバーの
開口角で決まる拡散性を有する光束を作り出すことがで
きる。

【００３６】本手段においては、目的とする光源を形成
するのに、汎用されているラインライトガイドを使用す
ることができ、また、一方向に平行性を有する光束を形
成するのにシリンドリカルレンズを使用しているので、
球面レンズを使用する場合に比較して、光学系の大きさ
を小さく、かつ安価なものとすることができる。

【００３７】また、従来技術のように、平行度を上げる
ために、ランプ−バンドルファイバ入射端間の距離を大
きくとったり、バンドルファイバ入射端面の面積を小さ
くしたり、開口数の小さなファイバを使用したりする必
要はなく、ランプの光量を有効に利用することができ
る。

【００３８】前記課題を解決するための第３の手段は、
前記第１の手段または第２の手段であって、前記検出光
学系が、テレセントリック光学系を用いていることを特
徴とするもの（請求項３）である。

【００３９】本手段においては、テレセントリック光学
系を用いることにより、受光面の全ての点において光を
垂直入射させているので、ノイズとなる光量むらを減少
させることができる。

【００４０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態の例に
ついて説明する。具体的な実施の形態の説明に先立ち、
図１にラインライトガイドとシリンドリカルレンズを組
み合わせた光源の例を示す。図１において（ａ）が平面
図、（ｂ）が側面図であり、１はラインライトガイド、
１ａはバンドルファイバ、２はシリンドリカルレンズで
ある。

【００４１】本光源は、水平方向に長いラインライトガ
イド１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２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１
ａを介して伝達された光は、ラインライトガイド１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。

【００４２】ラインライトガイド１の光放出面は、シリ
ンドリカルレンズ２の焦点面位置に置かれている。よっ
て、シリンドリカルレンズ２の焦点距離をｆとすると
き、図１（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１（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。

【００４３】図２に、このような光源を有する本発明の
実施の形態の例を示す。以下の図において前出の図にお
いて示された構成要素と同じ構成要素には同じ符号を付
して説明を省略することがある。図２において、３は被
検査体、４はシリンドリカルレズ、５はリニアアレイセ
ンサである。

【００４４】図２において、(a)は平面図、(b)は側面図
である。ラインライトガイド１、シリンドリカルレンズ
２の配置は図１に示されたものと同じとなっており、被
検査体３の表面に垂直で光の進行方向に平行な面、すな
わち(b)において紙面に平行な面内では平行性を有し、
被検査体３の幅方向、すなわち、被検査体３上で(a)に
おける紙面に平行な面方向では拡散性を有する光束を放
出している。

【００４５】被検査体３の表面は、照射される光に対し
て十分な鏡面性を有し、検査すべき凹凸欠陥が光を正反
射方向とは異なる方向に反射するような面となってい
る。被検査体３の表面で反射された光は、シリンドリカ
ルレンズ４に入射する。シリンドリカルレンズ４は、
(a)の紙面に平行な方向で凸レンズ作用を有し、(b)の紙
面に平行な方向にはレンズ作用を有しないようなもので
あり、(a)の紙面に平行な方向では、被検査体３の光照
射面（検査線）の像を、リニアアレイセンサ５の表面に
結像するようになっている。

【００４６】よって、前記第１の手段の説明において説
明したように、(a)の紙面に平行な方向に拡散する光を
用いる場合であっても、検査線上の像がリニアアレイセ
ンサ５上に結像されるため、ぼけが生じるのが防止さ
れ、平行光を使用した検査と同等の検査結果を得ること
ができる。

【００４７】被検査体３の表面を検査する場合には、図
２(b)における矢印方向に被検査体３を移動させ、走査
を行うことにより２次元的な欠陥検査を行う。図示しな
い信号処理装置は、順次リニアアレイセンサ５からの信
号を読み出し、その画像信号の明暗により凹凸性疵の有
無を判定する。このとき、リニアアレイセンサ５に受光
される光量が大きいため、リニアアレイセンサの操作周
期（蓄積時間）を短くし、被検査体３を高速に検査する
ことが可能となる。

【００４８】図３に、鋼板などの表面粗さの大きい被検
査体を検査する装置の例を示す。前述のように、平行光
を用いて凹凸欠陥の検出する本方式においては、被検査
面が照射光に対してある程度の鏡面性を有し、正常部で
の反射光がほぼ正反射されることを前提としている。し
かるに、鋼板などにおいては表面粗さが大きく、この条
件が満たされないため、微小な凹凸疵の検出ができない
場合がある。

【００４９】この対策として、この実施の形態において
は、入射角を８７度以上の大きい角度に設定することに
より、被検査面が鏡面性を有するようにしている。この
ように、入射角を大きくすると、被検査体３のパスライ
ン変動より反射光の位置が大きく変動する。よって、例
えば被検査体がロールに巻き付いている部分などで検査
することにより、パスライン変動の影響を抑制すること
が好ましい。

【００５０】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４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。

【００５１】また、以上の実施の形態においては、結像
させる方向と直交する方向について作用する光学部品を
受光系に用いなかったが、こちら方向に作用する光学部
品を挿入し、像の拡大／縮小を図ることも可能である。

【００５２】さらに、以上の実施例においては、被検査
面からの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。

【００５３】

【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、一方向にのみ平行光とした
光源を用い、それと直交する方向については、被検査体
上の一点をラインセンサ上の一点に結像する受光光学系
を用いている。よって、一方向のみ平行光とした状態で
も、２次元的な平行光を用いた場合と同様の検査が可能
となり、二方向について照射光の平行度を上げる必要が
無いので、ランプ光量を有効に利用することができ、光
学系を安価で簡単なものとすることができる。

【００５４】請求項２に係る発明においては、これに加
え、汎用されているラインライトガイドを使用すること
ができ、また、一方向に平行性を有する光束を形成する
のにシリンドリカルレンズを使用しているので、球面レ
ンズを使用する場合に比較して、光学系の大きさを小さ
く、かつ安価なものとすることができる。また、従来技
術のように、平行度を上げるために、ランプ−バンドル
ファイバ入射端間の距離を大きくとったり、バンドルフ
ァイバ入射端面の面積を小さくしたり、開口数の小さな
ファイバを使用したりする必要はなく、ランプの光量を
有効に利用することができる。

【００５５】請求項３に係る発明においては、これらに
加え、テレセントリック光学系を用いることにより、受
光面においてノイズとなる光量むらを減少させることが
できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】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例を示す図である。

【図２】本発明の実施の形態の例を示す図である。

【図３】表面粗さの大きい被検査体を検査する装置の例
を示す図である。

【図４】２枚のシリンドリカルレンズを用いたテレセン
トリック系からなる受光部を示す図である。

【図５】本発明による微小凹凸欠陥の検出原理を示す図
である。

【図６】検査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７】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。

【符号の説明】

１…ラインライトガイド１ａ…バンドルファイバ２…シリンドリカルレンズ３…被検査体４…シリンドリカルレズ５…リニアアレイセンサ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者上杉満昭東京都千代田区丸の内一丁目１番２号日本鋼管株式会社内Ｆターム(参考） 2F065 AA49 BB13 BB25 CC06 DD02 DD05 FF01 FF04 GG16 HH02 HH05 HH13 JJ02 JJ03 JJ25 JJ26 LL08 LL59 2G051 AA37 AB07 BA20 BB09 BB17 CA03 CA04 CB01 CC09 DA01 DA06

Claims

【特許請求の範囲】

【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
検査装置であって、前記光源からの光束は、被検査体の
幅方向に長くて平行に照射され、幅方向には拡散性を有
し、被検査面と直交し光の進行方向と平行な面内では平
行性を有するものであって、前記検出系は、前記被検査
体の一点から発せられた反射光のうち、前記光源が拡散
性を有する方向の成分を結像させて観察するものである
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】前記光源は、ラインライトガイド及びシ
リンドリカルレンズとを有してなることを特徴とする請
求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】前記検出光学系は、テレセントリック光
学系を用いていることを特徴とする請求項１又は請求項
２に記載の表面検査装置。