JP2005003691A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【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。
【選択図】図１

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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 （Pergamon 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、（１）式は、（２）式となる。
g = {4πσcosθ/λ}² …（２）
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。

（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。

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。

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、以下のような関係が成り立っている。
tanφ(x)＝dh/dx
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。

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、（３）式となる。

(L・sinθ+u・cosΘ-x)/(L・cosθ−u・sinΘ-h(x))=tan(θ-2φ(x)) …（３）
よって、以下の（４）式のようになる。

凹凸量が十分小さく、L・cosθ≫h(x)とおける場合は、以下の（５）式のようになる。

ここで、スクリーンが光軸と垂直、すなわち、Θ＝θの場合、（６）式のように書ける。
u={cosθ+sinθtan(2φ(x))}x-L・tan(2φ(x)) …（６）
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、（７）式のようになる。

u=x・cosθ-L・tan(2φ(x))
≒x・cosθ-2L・dh/dx=cosθ(x-2L/cosθ・dh/dx) …（７）
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。

（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/cosθ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ーンが現れやすくなる。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。

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、(８)式が得られる。
u=x-2L・tan²θ・dh/dx …(８）
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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、以下の関係を満足するよう、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、εmaxは許容できる入射角変動[rad]である。
｜δ｜／Ｒ＜εmax・cosθ
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。

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より以下の関係が得られる。

R・sinθ＋δ=R・sin(θ+ε) …（９）
∴ δ／R = sin(θ+ε)−sinθ
= 2・sin(ε/2)・cos(θ+ε/2) …（10）
従って、許容できる入射角変動の値を±εmaxとすると、（１１）式で示す関係にある必要がある。
−2・sin(εmax /2)・cos(θ−εmax /2)≦δ／R ≦ 2・ sin(εmax /2)・cos(θ+ε
max /2) …（11）
いま、εが十分小さいとすると、（１２）および（１３）式と近似することができ、（１１）式は、（１４）式となる。

sin(εmax /2)= εmax /2 …（12）
cos(θ±εmax /2)=cos(θ) …（13）
|δ|／Ｒ ≦ εmax・cosθ …（14）
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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。本手段の作用効果は、前記第７の手段と同じである。

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。

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。

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１１）である。

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。

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。

本手段によれば、後に発明の最良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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

本発明を実施するための最良の形態を、以下図面を用いて説明を行う。図１は、本発明の第１の最良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。

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。

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。

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。 以上の最良の形態では、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。

本発明の第２の最良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に示した最良の形態は、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。

図４に、本発明の第３の最良の形態である表面検査装置の構成の概要図を示す。本最良の形態においては、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。

図５に本発明の第４の最良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、１０はシリンドリカルレンズである。

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。

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。

すなわち、この最良の形態は、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。

この最良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。

次にラインライトガイドを光源に用いた最良の形態について説明する。具体的な最良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。

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。

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。

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。

図８に、具体的な最良の形態（第５の最良の形態）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。

すなわち、この最良の形態も、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。

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。

以上の最良の形態においては、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。

また、以上の最良の形態においては、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。

図１０に、以上の各最良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、これら各最良の形態においては、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。

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。

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、本最良の形態では、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。

本発明の第１の最良の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。 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。 本発明の第２の最良の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。 本発明の第３の最良の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。 本発明の第４の最良の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。 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。 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。 本発明の第４の最良の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。 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。 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。 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。 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。 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。 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)

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. 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. 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. 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. 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＜εmax・cosθ
   ただし、θは入射角、εmaxは許容できる入射角変動[rad]である。
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. 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. 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. 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. 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. 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. 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. 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１２のうちいずれか１項に記載の表面検査装置。
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。

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