JP2008281493A - 表面欠陥検査システム、方法及びプログラム - Google Patents

Abstract

【課題】測定対象物の表面が平坦面でない場合にも表面欠陥の検出精度を高める。
【解決手段】周期的に変調された線状レーザ光の測定対象物２に対する照射位置を連続的にずらしながら、遅延積分型カメラ３０により測定対象物２からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、測定対象物２の表面欠陥を検出する表面欠陥検査システムであって、カメラ３０で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出部５０５と、位相算出部５０５で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理部５０６とを備え、位相連続化処理部５０６は、位相のずれを連続化する処理の後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理を更に施す。
【選択図】図８

Description

本発明は、鋼板等の測定対象物の表面欠陥を検出する表面欠陥検査システム、方法及びプログラムに関する。

近年、光切断方式の光学的形状測定方法がさまざまな分野で利用されている。鋼板の生産ラインにおいても、鋼板の表面に線状レーザ光を照射し、遅延積分型カメラによって鋼板の表面を撮像して光切断画像を出力することにより、鋼板の表面の凹みや疵等の表面欠陥を検出することが提案されている（特許文献１等を参照）。

特開２００４−３９３０号公報

上記特許文献１では、表面が平坦面である鋼板を測定対象物として想定していると考えられるが、例えばレールや形鋼を測定対象物とする場合、表面が平坦面でなく、両端部が低くなる（或いは高くなる）湾曲面となっていることもありえ、その場合、表面欠陥の検出精度が低くなってしまうことがある。

例えば、測定対象物が長手方向に搬送される際に、測定対象物が蛇行したり、幅方向に振動したりすることがあるが、測定対象物の表面が湾曲面となっていると、蛇行したり、幅方向に振動したりして測定対象物の端部に僅かなずれが発生するだけで、画像処理（シェーディング補正処理等）において大きな形状変化（凹凸）として捉えられてしまうおそれがある。

また、測定対象物の表面が湾曲面となっている場合、例えば浮動平均処理（１ライン毎に幅方向に移動平均処理したものと、元データとの差分をとる画像処理）においては、測定対象物の両端部の急峻な形状部分に対応する部位でハンチングが発生することがある。これら凹凸やハンチング部は、疵部を検出するための２値化処理や、形状や凹凸情報を計算して判別を行う際に、疵部として誤検出されることがある。

さらに、遅延積分型カメラで得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出し、その位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する処理を行うが、測定対象物の表面が湾曲面となっていると、特に端部においてスケールや粉塵等の影響を受けてうまく連続化されず、連続化させた位相特性上に段差が発生してしまうことがある。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、測定対象物の表面が平坦面でない場合にも凹凸を含む表面欠陥の検出精度を高めることを目的とする。

本発明の表面欠陥検査システムは、周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出する表面欠陥検査システムであって、前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手段と、前記位相算出手段で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手段とを備え、前記位相連続化処理手段は、前記位相のずれを連続化する処理の後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理を更に施すことを特徴とする。
本発明の表面欠陥検査方法は、周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出する表面欠陥検査方法であって、前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手順と、前記位相算出手順で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手順と、前記位相連続化処理手順後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理手順とを有することを特徴とする。
本発明のプログラムは、周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出するためのプログラムであって、前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手順と、前記位相算出手順で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手順と、前記位相連続化処理手順後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理手順とをコンピュータに実行させることを特徴とする。

本発明によれば、遅延積分型の撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出し、その位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する処理後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正を行うようにしたので、測定対象物が横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材である場合にも凹凸を含む表面欠陥の検出精度を高めることができる。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
（第１の実施形態）
図１は本発明の実施形態に係る表面欠陥検査システムの概略構成図である。本発明の実施形態に係る表面欠陥検査システムは、レーザ装置１０と、ロッドレンズ２０と、遅延積分型カメラ（ＴＤＩカメラ）３０と、タイミング信号発生部４０と、画像処理装置５０と、表示装置６０とを備える。

かかる表面欠陥検査システムは、測定対象物２の形状を光学的に測定するものである。ここで、測定対象物２としては、図２に示すように、横断面形状において両端部が低くなる（或いは高くなる）曲線を有する長丈材（長丈の板材或いは棒材）、すなわち表面が両端部の低くなる（或いは高くなる）湾曲面となっている長丈材、例えばレールや形鋼を想定している。本実施形態では、表面に６ｍｍ程度の高低差があるものを想定とする。測定対象物２はその長手方向（図中矢印）に一定の速さで搬送されており、本実施形態に係る表面欠陥検査システムは、測定対象物２の搬送中にその形状を測定し、測定対象物２の表面の凹みや疵等の表面欠陥を検出する。

レーザ装置１０は、連続発振のレーザ光を発生するものである。ロッドレンズ２０は、レーザ装置１０から発せられたレーザ光を、測定対象物２の幅方向（図１の紙面に垂直な方向）に沿って扇状に広げるものである。これにより、レーザ装置１０が発したレーザ光は、線状レーザ光として測定対象物２に照射される。このとき、線状レーザ光は測定対象物２の表面に対して斜めに入射する。このようして線状レーザ光が照射された測定対象物２の表面には、測定対象物２の幅方向に沿って線状の明るい部位が形成される。また、測定対象物２は長手方向に移動しているので、測定対象物２からみると、線状の明るい部位も測定対象物２の長手方向に沿って移動する。かかる線状の明るい部分からの反射光（線状反射像）は、ＴＤＩカメラ３０により撮像される。

タイミング信号発生部４０は、所定の周波数ωをもつ正弦波形の信号を発生し、その正弦波形の信号をレーザ装置１０に送出するものである。レーザ装置１０は、外部信号によりその発振強度を連続的に変化させられるものであり、タイミング信号発生部４０から送出される正弦波形の信号を受けると、正弦波形で出力が変化するレーザ光を発生する。すなわち、本実施形態では、レーザ装置１０が発するレーザ光を周期的に変調させている。また、タイミング信号発生部４０は、上記周波数ωのＭ倍の周波数をもつカメラシフトパルス信号を発生し、そのカメラシフトパルス信号を遅延積分型カメラ３０に送出する。

ＴＤＩカメラ３０は、移動する測定対象物２の線状反射像を撮像するものである。図３はＴＤＩカメラの構造と動作を説明するための図である。このＴＤＩカメラ３０では、図３（ａ）に示すように、多数の光電変換素子３５がマトリクス状に配置されている。ここでは、例えば、これらの光電変換素子３５を、行方向にｎ個、列方向にＮ個配置したものとする。そして、各行については、最上行を第１行として、上から順に番号付けをし、各列については、最左列を第１列として、左から順に番号付けをしている。

光電変換素子３５は、受光した光の強度に対応する電荷を蓄積する。本実施形態では、測定対象物２の線状反射像が、ＴＤＩカメラ３０のレンズ３１を介して、１列分の幅で光電変換素子３５に入射するものとする。このＴＤＩカメラ３０では、各光電変換素子３５は、その蓄積した電荷を、当該光電変換素子３５と同じ行に位置し且つ一つ後の列に位置する光電変換素子に転送する。この転送のタイミングは、すべての光電変換素子３５で同一であり、タイミング信号発生部４０から送出されるカメラシフトパルス信号によって制御される。すなわち、カメラシフトパルス信号が入力する度に、各光電変換素子３５は電荷を転送する。本実施形態では、かかるカメラシフトパルス信号の周波数（カメラシフト周波数）はＭωである。そして、第Ｎ列（最終列）に位置する光電変換素子３５は、カメラシフトパルス信号が入力すると、その蓄積している電荷を読出しレジスタに送る。これにより、線状反射像に対応する光切断画像が出力される。

なお、一般に、ＴＤＩカメラ３０では、図３（ｂ）に示すように、電荷が転送される途中で、各光電変換素子３５に光が入射すると、その入射した光の強度に対応する電荷が上乗せされる。しかし、本実施形態では、上述したように、光電変換素子３５に１列分の幅の線状反射像が入射するように構成している。このため、電荷の転送途中で、各光電変換素子３５において電荷が上乗せされることはほとんどない。特に、背景光が問題となる場合でも、レンズ前面にレーザ波長のみを透過する光学フィルタを設置することで、これを抑制することができる。

測定対象物２はその長手方向に沿って移動しているので、レーザ装置１０からレーザ光を測定対象物２に照射し、ＴＤＩカメラ３０を用いて測定対象物２の線状反射像を一定時間撮像すると、測定対象物２の長手方向の各位置における光切断画像を順次得ることができる。したがって、こうして得られた各光切断画像を順に配列することにより、測定対象物２全体を表す画像が得られる。

また、本実施形態では、線状レーザ光を周期的に変調させており、その線状レーザ光の強度が時間的に変化するので、各行において列方向の各光電変換素子に蓄積される電荷量（受光強度）の分布も周期的に変化する。したがって、ＴＤＩカメラ３０から出力される各光切断画像を順に配列することにより得られる画像は、その配列方向に沿って、各光切断画像の濃度（強度）が周期的に変化する縞画像となる。図４に縞画像の一例を示す。ここで、濃度変化の一周期分に相当する光切断画像のことを「縞」と称することにする。かかる縞画像では、縞に平行な方向が測定対象物２の幅方向に対応し、縞に直交する方向が測定対象物２の長手方向に対応する。ＴＤＩカメラ３０のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比を、Ｍ：１とすると、Ｍ個の光切断画像、すなわち配列方向のＭ画素分が、一本の縞を構成する。

ところで、レーザ光は測定対象物２の表面に斜めから入射するので、例えば測定対象物２に凹んでいる部分があると、図１においてレーザ光の反射点は右側にずれる。したがって、光電変換素子３５上での光切断画像の位置も右側、すなわち図３（ａ）において列方向にずれることになる。このため、縞画像において、当該凹んでいる部分で反射したレーザ光に対応する光切断画像は、当該凹んでいない部分で反射したレーザ光に対応する光切断画像よりも時間的に早く出力されることになる。したがって、ＴＤＩカメラ３０から出力される画像を順に配列することにより得られる画像において、凹んでいる部分は縞のずれとして明白に認識することができる。

この縞のずれについてもう少し詳しく説明する。図５（ａ）はある縞画像の概略拡大図である。図５（ａ）では、縞毎に最大濃度を与える位置を実線で結んで示している。例えば、この縞画像では、幅方向の位置Ａにおいて最大濃度位置を配列方向に沿って調べると、最大濃度位置は等間隔に位置しており、縞のずれは生じていない。すなわち、当該測定対象物２は、幅方向の位置Ａでは配列方向に沿って平坦な形状をしている。この場合、幅方向の位置Ａにおいて配列方向に沿っての縞画像の濃度分布（スライス縞画像データ）は、図５（ｂ）に示すように、きれいな正弦波形状をしている。

一方、図５（ａ）に示す幅方向の位置Ｂにおいて最大濃度位置を配列方向に沿って調べると、最大濃度位置の間隔は左から右に向かって徐々に広がっており、縞のずれが生じている。すなわち、当該測定対象物２には、幅方向の位置Ｂで配列方向に沿って凹みが生じている。この場合、幅方向の位置Ｂにおいて配列方向に沿っての縞画像の濃度分布（スライス縞画像データ）は、図５（ｃ）に示すように、図５（ｂ）に示す正弦波と比べて位相がずれている。このように、測定対象物２の凹みによる縞のずれは、スライス縞画像データにおける位相のずれとして現れてくる。実際、かかる位相のずれと測定対象物２の凹み（深さ）とは比例関係にある。深さが深くなるほど、スライス縞画像データにおける位相のずれが大きくなる。本実施形態の表面欠陥検査システムでは、縞画像に基づいて位相のずれに関する情報を算出し、その位相のずれに関する情報に基づいて測定対象物２の形状を測定することにしている。この位相のずれを計算する方法を用いると、例えばカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比を４：１としたとき、縞が明確に一画素以上ずれなくても凹凸をして検出できる感度がある。

ここで、図４に示す縞画像は、表面が平坦な測定対象物のものである。それに対して、本実施形態で想定する測定対象物２、すなわち、レールや形鋼等のように横断面形状において両端部が低くなる（或いは高くなる）曲線を有する長丈材では、図６に示すように、各縞の両端部が湾曲する縞画像となる。

次に、スライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物２の深さとの関係について説明する。図７はスライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物２の深さとの関係を説明するための図である。

いま、図７に示すように、線状レーザ光が測定対象物２の表面に入射する入射角度をθとする。また、測定対象物２に凹部があり、線状レーザ光はその凹部に入ったときに測定対象物２の表面から深さｄのところで反射して、ＴＤＩカメラ３０に入射したとする。このとき、深さｄで反射した線状レーザ光は、測定対象物２の平坦な表面で反射した線状レーザ光に比べて、測定対象物２の長手方向（右方向）に距離ｈだけ反射点がずれる。ここで、ｈ＝ｄ・ｔａｎθである。かかる線状レーザ光の反射点が長手方向に距離ｈだけずれた結果として、スライス縞画像データにおいて位相のずれが生ずるが、この位相のずれをφとする。

ＴＤＩカメラ３０における光電変換素子３５の列方向の撮影分解能をｓ（ｍｍ／画素）とすると、線状レーザ光の反射点が長手方向にずれた距離ｈは、縞画像においてｈ／ｓ画素に相当する。また、ＴＤＩカメラ３０のカメラシフト周波数とレーザ光の変調周波数との比がＭ：１のとき、縞画像において配列方向のＭ画素分が一本の縞を構成する。すなわち、縞がＭ画素分だけずれたときに、位相のずれは２πとなる。したがって、線状レーザ光の反射点が長手方向に距離ｈずれたときのスライス縞画像データにおける位相のずれφは、
Ｍ／２π＝（ｈ／ｓ）／φ
より、
ｄ＝｛Ｍ・ｓ／（２π・ｔａｎθ）｝φ
となる。これより、スライス縞画像データにおける位相のずれφと測定対象物２の深さｄとは比例関係にあることが分かる。

厳密には、通常のレンズを用いた場合、撮影分解能ｓは深さｄに応じて変化するため、補正する必要があるが、鋼板の凹みを測定する場合のように、レンズ作動距離に対して深さ変化が微小な場合は、かかる撮影分解能ｓの変化を実用上無視することができる。また、テレセントリックレンズを使えば、撮影分解能ｓを深さｄによらず、一定とすることができる。

画像処理装置５０は、ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像に基づいて測定対象物２の形状を表す画像を生成する処理と、その画像に基づいて欠陥を検出する処理とを行うものである。図８に、画像処理装置５０の概略ブロック図を示す。画像処理装置５０は、Ａ／Ｄ変換部５０１と、プレフィルタ部５０２と、直交正弦波発生部５０３と、ローパスフィルタ部５０４ａ、５０４ｂと、位相算出部５０５と、位相連続化処理部５０６と、センタリング処理部５０７と、形状補正処理部５０８と、欠陥検出処理部５０９と、振幅算出部５１０と、エッジ位置検出部５１１とを有する。画像処理装置５０の各部で処理された結果は、表示装置６０の画面上に表示される。

また、図１４は、画像処理装置５０の処理動作を説明するためのフローチャートである。以下、図１４も参照しつつ、画像処理装置５０の各部の処理動作について説明する。

まずは、ＴＤＩカメラ３０が測定対象物２を撮像して光切断画像を出力する（ステップＳ１０１）。Ａ／Ｄ変換部５０１は、ＴＤＩカメラ３０から出力された各光切断画像をＡ／Ｄ変換し、ディジタル多値画像データとして出力する。かかるディジタル多値画像データは、図示しない画像メモリに記憶される。これらのディジタル多値画像データを順に配置することにより、縞画像が形成される。

かかる縞画像（又はディジタル多値画像データ）からは、幅方向の各位置において配列方向に沿っての縞画像の濃度分布を表すデータが生成される。かかる配列方向に沿っての縞画像の濃度分布を表すデータが「スライス縞画像データ」である。幅方向の各位置におけるスライス縞画像データは画像メモリから順次出力される。

プレフィルタ部５０２は、各スライス縞画像データに所定のフィルタ処理を施すことにより、ノイズを除去し、縞の状態を鮮明にする。なお、プレフィルタ部５０２によるフィルタ処理は必ずしも行う必要はない。例えば縞画像に細かいノイズが多数生じているような場合にのみ行うようにすればよい。

プレフィルタ部５０２からは、幅方向の各位置ｊ（ｊ＝０、１、２、・・・）におけるスライス縞画像データＩ_j（ｋ）が二つ出力される。ｋ（ｋ＝０、１、２、・・・）は配列方向の位置である。このとき、幅方向の位置ｊにおけるスライス縞画像データＩ_j（ｋ）は正弦波的に変化すると仮定する。すなわち、
Ｉ_j（ｋ）＝Ａ（ｊ，ｋ）｛ｃｏｓ（（２πｋ／Ｍ）＋φ（ｊ，ｋ））＋１｝
である。ここで、Ａ（ｊ，ｋ）は画素位置（ｊ，ｋ）におけるスライス縞画像データの振幅、φ（ｊ，ｋ）は画素位置（ｊ，ｋ）におけるスライス縞画像データの位相のずれである。測定対象物２の凹みによって縞画像に発生する縞のずれの影響は、位相のずれφとして現れる。また、線状レーザ光の振幅は一定であるので、通常、上記振幅Ａは一定である。しかし、測定対象物２の表面が汚れているような場合には、かかる汚れ位置に対応する画素位置において振幅Ａは急激に減少することがある。このため、上式では、振幅Ａを画素位置（ｊ，ｋ）に依存する形で書いている。

なお、ｃｏｓの項の次に「１」を加えているのは、スライス縞画像データ（濃度値）Ｉ_j（ｋ）はマイナスにならないので、このことを保証するためである。したがって、スライス縞画像データＩ_j（ｋ）は０から２Ａの間で変化する。

直交正弦波発生部５０３は、ＲＯＭ等のメモリ上に予め作成しておいた、直交する二つの基準正弦波データｓｉｎ（２πｋ／Ｍ）、ｃｏｓ（２πｋ／Ｍ）を発生する。特に、前者を基準ｓｉｎデータ、後者を基準ｃｏｓデータとも称する。これらの二つの基準正弦波データはそれぞれ、プレフィルタ部５０２から出力されたスライス縞画像データＩ_j（ｋ）と乗算される。この乗算処理により、下記の二つの出力Ｉａ_j（ｋ）、Ｉｂ_j（ｋ）が得られる。

ローパスフィルタ部５０４ａ、５０４ｂはそれぞれ、上記の乗算処理で得られた出力Ｉａ_j（ｋ）、Ｉｂ_j（ｋ）について、所定のフィルタ処理を施すことにより、縞周波数成分及びその高調波成分を除去する、すなわち位相のずれφのみを含む成分を抽出する。ローパスフィルタ部５０４ａからの出力をＬＰＦ（Ｉａ_j（ｋ））、ローパスフィルタ部５０４ｂからの出力をＬＰＦ（Ｉｂ_j（ｋ））とすると、
ＬＰＦ（Ｉａ_j（ｋ））＝（Ａ ｃｏｓφ）／２
ＬＰＦ（Ｉｂ_j（ｋ））＝−（Ａ ｓｉｎφ）／２
である。

位相算出部５０５は、二つのローパスフィルタ部５０４ａ、５０４ｂから出力された結果に基づいて、各画素位置（ｊ，ｋ）における位相のずれφ（ｊ，ｋ）を算出する（ステップＳ１０２）。位相のずれφ（ｊ，ｋ）は、下式より求めることができる。

上式では、ａｒｃｔａｎの値域を−π／２〜＋π／２とすると共に、ＬＰＦ（Ｉａ_j（ｋ）），ＬＰＦ（Ｉｂ_j（ｋ））の符号についての情報を利用して、位相のずれφを−π〜＋πの範囲で求めている。ここで、この範囲で求めた位相のずれを改めてφ′と記すことにする。この場合、上式で求めた位相のずれφ′は、測定対象物２の深さと周期的な関係があり、位相のずれφ′のある値をとるような深さは複数ある。したがって、かかる位相のずれφ′を用いたのでは、測定対象物２の形状について正確な情報は得られない。このため、この位相のずれφ′から、測定対象物２の深さと比例関係にあるような位相のずれφを求める必要がある。深さと比例関係にある位相のずれφを得る処理は、位相連続化処理部５０６によって行われる。図９（ａ）には、位相算出部５０５で得られた位相画像の一例を示す。また、図１０（ａ）には、位相画像における位相特性を表わす特性図一例を示す。

位相連続化処理部５０６は、位相算出部５０５で得られた位相画像に基づいて、位相のずれφ′の不連続点を検出し、位相のずれφ′が滑らかに繋がるように位相のずれφ′を補正する（ステップＳ１０３）。上述したように、位相算出部５５で算出した位相のずれφ′の値域は、−π〜＋πであるので、位相のずれφ′は−π及び＋πで不連続となる。例えば、図９（ａ）に示す位相画像において、白（又は黒）から黒（又は白）に変化している部分が位相のずれφ′の不連続点に対応する。かかる位相画像をそのまま用いたのでは、測定対象物２の形状を認識することは困難である。したがって、位相のずれφ′の不連続点において位相のずれφ′が滑らかに繋がるように位相のずれφ′を補正する必要がある。かかる補正（位相飛び補正）は、２πの範囲で定義された位相のずれφ′から測定対象物２の深さに比例する一義的な位相のずれφを求める処理である。

具体的には、位相連続化処理部５０６は、位相のずれφ′の不連続点を検出すると共に、その不連続点において位相のずれφ′を補正する。位相のずれφ′が不連続であるかどうかは、一つの画素だけを見ても分からない。隣り合う画素同士を見て判断する必要がある。まず、位相連続化処理部５０６は、位相画像の幅方向の各位置において位相画像を配列方向に沿って調べ、隣り合う画素での位相のずれφ′を比較する。その隣り合う画素において位相のずれφ′が大きく異なる場合には、当該画素間で位相のずれφ′が不連続であると判断し、これらの位相のずれφ′を補正する。実際、鋼板等の測定対象物２の表面における深さは、急激に変化しない。このため、位相のずれφ′が大きく異なるのは、位相のずれφ′が±２πだけ変化しているために生じたと考えられる。したがって、位相のずれφ′がその隣接する画素での位相のずれφ′と大きく異なっている画素を調べて、それらの位相のずれφ′を滑らかに繋げていくようにすればよい。

例えば、ある画素位置では、位相のずれφ′が＋πに近い値であり、その右隣りの画素位置では、位相のずれφ′が−πに近い値である場合には、当該右隣りの画素位置では位相のずれφ′が＋２πだけ変化していると認識する。そして、当該右隣りの画素位置における位相のずれφ′に＋２πを加算することにより、位相のずれφ′を補正する。また、ある画素位置では、位相のずれφ′が−πに近い値であり、その右隣りの画素位置では、位相のずれφ′が＋πに近い値である場合には、当該右隣りの画素位置では位相のずれφ′が−２πだけ変化していると認識する。そして、当該右隣りの画素位置における位相のずれφ′に−２πを加算することにより、位相のずれφ′を補正する。

こうして、幅方向の各位置において配列方向に沿って隣り合う画素を調べて、位相のずれφ′を補正した後、位相連続化処理部５０６は、今度は、配列方向の各位置において幅方向に沿って隣り合う画素を調べ、同様にして、位相のずれφ′を補正する。かかる補正後の各画素位置における位相のずれは、測定対象物２の深さに比例する一義的な位相のずれφである。

次に、位相連続化処理部５０６は、かかる補正後の位相のずれφに基づいて新たに位相画像を作成する。この新たな位相画像は測定対象物２の形状を正確に表している。この新たな位相画像のことを形状画像と称することにする。図９（ｂ）には、位相連続化処理部５０６で得られた形状画像の一例を示す。また、図１０（ｂ）には、形状画像における位相特性を表わす特性図の一例を示す。

一方、振幅算出部５１０は、二つのローパスフィルタ部５０４ａ、５０４ｂから出力された結果に基づいて、各画素位置（ｊ，ｋ）における振幅Ａ（ｊ，ｋ）、すなわち輝度を算出する（ステップＳ１０４）。振幅Ａ（ｊ，ｋ）は、
Ａ（ｊ，ｋ）＝２［｛ＬＰＦ（Ｉｂ_j（ｋ））｝²＋｛ＬＰＦ（Ｉａ_j（ｋ））｝²］^1/2
より求めることができる。そして、算出された振幅Ａに基づいて振幅画像（輝度画像）を作成する。振幅画像は、例えば振幅が小さいほど画像が黒くなるような濃淡画像で表現される。図１１には、振幅算出部５１０で得られた振幅画像の一例を示す。

エッジ位置検出部５１１は、振幅算出部５１０で得られた振幅画像（輝度画像）に基づいて、閾値を利用する等して、１ライン毎に左右のエッジ位置を検出する（ステップＳ１０５）。

センタリング処理部５０７は、エッジ位置検出部５１１で検出されたエッジ位置に基づいて、位相連続化処理部５０６で得られた形状画像にセンタリング処理を行う（ステップＳ１０６）。センタリング処理では、図１２に示すように、１ライン毎に左右のエッジ位置に基づいて測定対象物２のセンタ位置を算出し、長手方向に揃えるようにする。かかるセンタリング処理により、測定対象物２が、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材である場合に、該測定対象物２が蛇行したり、幅方向に振動したりしたときにも、表面欠陥の検出精度を高めることができる。

形状補正処理部５０８は、センタリング処理後の形状画像に形状補正処理を行う。図９（ｂ）、１０（ｂ）に示す形状画像では、測定対象物２の表面形状そのものが平坦でないので、表面欠陥判別を行うための二値化処理を施しても、鋼板の表面の凹みや疵等の表面欠陥を抽出することができない。そこで、測定対象物２の曲面形状を平面に焼き直す形状補正処理を行うものである。

具体的には、センタリング処理後の形状画像に１ライン毎に偶関数（例えば４次関数）によるフィッティング処理を施し（ステップＳ１０７）、元データ（センタリング処理後の形状画像）との差分演算を行う（ステップＳ１０８）。かかるフィッティング処理により、測定対象物２の両端部が急峻な形状となっている場合でも、両端部の急峻な信号変化が緩和されることになる。

続いて、フィッティング処理後の形状画像を測定対象物２の走行方向（長手方向）に所定の長さだけ平均（積算）し（ステップＳ１０９）、ローパスフィルタ処理を施して（ステップＳ１１０）、元データ（フィッティング処理後の形状画像）との差分演算（或いは除算演算）を行う（ステップＳ１１１）。このシェーディング補正により、表面欠陥候補となる凹凸情報を保持したまま平坦化されることになる。

以上のように、形状補正処理として、偶関数によるフィッティング処理、更にはシェーディング補正といった二段階の処理を行う。形状補正処理後の画像のことを深さ画像と称することにする。図９（ｃ）には、形状補正処理部５０８で得られた深さ画像の一例を示す。また、図１０（ｃ）には、深さ画像における位相特性を表わす特性図の一例を示す。

欠陥検出処理部５０９は、形状補正処理部５０８で得られた深さ画像を二値化処理する（ステップＳ１１２）。二値化処理では、閾値を設定し、閾値内部分には０を、閾値を超える部分に１を与えて画像化する。

そして、二値化画像を用いて表面欠陥判別を行い（ステップＳ１１３）、表面欠陥を検出する（ステップＳ１１４）。図１３（ａ）には二値化画像の面積、長さ、幅、縦横比等に基づいて、表面欠陥判別を行う様子を示す。また、二値化画像だけでなく、図１３（ｂ）に示すように、深さ画像の最大、最小深さ等に基づいて、表面欠陥判別を行ったり、図１３（ｃ）に示すように、振幅算出部５１０で得られた振幅画像（輝度画像）の最大輝度、最小輝度、平均輝度等に基づいて、表面欠陥判別を行ったりしてもよい。

（第２の実施形態）
第２の実施形態でも、測定対象物２として、横断面形状において両端部が低くなる（或いは高くなる）曲線を有する長丈材（長丈の板材或いは棒材）、例えばレールや形鋼を想定している。そして、第２の実施形態では、位相連続化処理部５０６での位相連続化処理において、更に段差補正処理を施すようにしている。

上述した第１の実施形態で、位相連続化処理部５０６では、まず幅方向において、隣り合う画素のレベル差（閾値）が一定以上である場合１周期分（２５６レベル）オフセットして連続化（接続）し、次に配列方向において、同様にライン間のレベルを連続化（接続）する。

ところで、測定対象物２である鋼板の表面にスケールや粉塵が存在すると、図１５の丸で囲んだ領域に示すように、その箇所で輝度が飽和することがある。このように輝度が飽和した箇所（スケールや粉塵の存在箇所）では、位相算出部５０５での位相計算の結果、図１６に示すように、位相のずれが発生することがある。

そして、スケールや粉塵の存在箇所が測定対象物２の両端部の急峻な形状部分であると、上述した位相連続化処理部５０６での位相連続化処理でうまく連続化されず、図１７に示すように段差（位相飛び）が発生してしまうことがある。位相連続化処理でうまく連続化されないのは、位相のずれが発生した箇所（スケールや粉塵の存在箇所）が測定対象物２の両端部であるため、一方の隣接画素との関係ではレベル差が一定以上あるが、他方の隣接画素との関係ではレベル差が一定以上ないという事態が生じうるためである。

そこで、本実施形態では、上述した位相連続化処理部５０６での位相連続化処理後に、該連続化させた位相特性上における段差、まずは幅方向において段差（位相飛び）を検出して、その段差をなくす段差補正処理を施す。例えば微分フィルタをかけて所定の閾値以上の信号レベルを発生した箇所を段差として検出すればよい。また、段差補正処理では、図１８に示すように、隣接７画素に（１，１，１，０，−１，−１，−１）フィルタをかけ、一定値以上で一位相（２π）分を加減算する。ここでは、一端側（図１８の左端側）から段差を検出していき（図１８の矢印１８０１を参照）、低い段差がある場合はそれを高くする方向に（図１８の矢印１８０２を参照）、高い段差がある場合はそれを低くする方向にフィルタをかけて段差をなくすようにしている。

配列方向においても、位相接続不良が発生した箇所は一位相分の段差が存在している。そこで、幅方向に続いて配列方向においても同様に、段差（位相飛び）を検出して、その段差をなくす段差補正処理を施す。図１９には、深さ画像の配列方向において測定対象物２の端部（急峻な形状部分）に段差が発生している状態を示す特性図である。この場合、図１９に示す段差に囲まれた領域において、図２０（ａ）、（ｂ）に示すように、隣り合うライン間でレベルを比較しながら段差補正を行う。例えば図２０（ｂ）に示すように、隣り合うラインでの特性線２００１（図２０（ａ））との差をなくすように配列方向に（１，０，−１）フィルタをかける（図２０の矢印２００２を参照）。

図２１（ａ）、（ｂ）には、あるラインにおいて、位相連続化処理部５０６での位相連続化処理のみを行った場合の特性図を示す。それに対して、図２２（ａ）、（ｂ）には、同ラインにおいて、位相連続化処理部５０６での位相連続化処理後に、上述した段差補正処理を施した場合の特性図を示す。これら図２１、２２に示すように、位相連続化処理により連続化させた位相特性上で段差がなくなっていることがわかる。

図２３には、画像処理装置５０として機能するコンピュータシステムのハードウェア構成例を示す。同図に示すように、ＣＰＵ５１と、入力装置５２と、表示装置５３と、記録装置５４とを含み、各部はバス５５を介して接続される。記録装置５４はＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤ等により構成されており、上述した画像処理装置５０としての動作を制御するコンピュータプログラムが格納される。ＣＰＵ５１がコンピュータプログラムを実行することによって画像処理装置５０の機能、又は処理を実現する。なお、画像処理装置５０は、一つの装置である必要はなく、複数の機器から構成されてもよい。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。例えば、上記実施形態では、エッジ位置の検出のための輝度画像をＴＤＩカメラ３０で取得するようにしたが、ＴＤＩカメラ３０とは別の撮像装置で取得するようにしてもよい。

本発明の実施形態に係る表面欠陥検査システムの概略構成図である。 測定対象物の横断面形状の例を示す図である。 遅延積分型カメラの構造と動作を説明するための図である。 縞画像の一例を示す図である。 縞画像における縞のずれを説明するための図である。 縞画像の一例を示す図である。 スライス縞画像データにおける位相のずれと測定対象物の深さとの関係を説明するための図である。 画像処理装置の概略ブロック図である。 各段階での画像の写真を示す図であり、（ａ）は位相画像の写真を示す図、（ｂ）は形状画像の写真を示す図、（ｃ）は深さ画像の写真を示す図である。 各段階での位相特性を表わす特性図であり、（ａ）は位相画像における位相特性を表わす特性図、（ｂ）は形状画像における位相特性を表わす特性図、（ｃ）は深さ画像における位相特性を表わす特性図である。 振幅画像の写真を示す図である。 センタリング処理の概要を説明するための図である。 表面欠陥判別に用いる画像の写真を示す図であり、（ａ）は二値化画像の写真を示す図、（ｂ）は深さ画像の写真を示す図、（ｃ）は輝度画像の写真を示す図である。 画像処理装置の処理動作を説明するためのフローチャートである。 幅方向における輝度レベル特性を表わす特性図である。 位相計算後の幅方向における位相特性を表わす特性図である。 位相連続化処理後の幅方向における位相特性を表わす特性図である。 幅方向における段差補正処理の概要を説明するための図である。 配列方向において測定対象物の端部に段差が発生している状態を示す特性図である。 隣り合うライン間での位相特性を表わす特性図である。 あるラインにおいて位相連続化処理のみを行った場合の位相特性を表わす特性図であり、（ａ）が位相特性を表わす特性図であり、（ｂ）が（ａ）が点線で囲んだ領域の拡大図である。 あるラインにおいて位相連続化処理後に段差補正処理を施した場合の位相特性を表わす特性図であり、（ａ）が位相特性を表わす特性図であり、（ｂ）が（ａ）が点線で囲んだ領域の拡大図である。 画像処理装置として機能するコンピュータシステムのハードウェア構成例を示す図である。

符号の説明

２ 測定対象物
１０ レーザ装置
２０ ロッドレンズ
３０ 遅延積分型カメラ
４０ タイミング信号発生部
５０ 画像処理装置
６０ 表示装置
５０１ Ａ／Ｄ変換部
５０２ プレフィルタ部
５０３ 直交正弦波発生部
５０４ａ、５０４ｂ ローパスフィルタ部
５０５ 位相算出部
５０６ 位相連続化処理部
５０７ センタリング処理部
５０８ 形状補正処理部
５０９ 欠陥検出処理部
５１０ 振幅算出部
５１１ エッジ位置検出部

Claims (4)

1. 周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出する表面欠陥検査システムであって、
   前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、
   前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手段と、
   前記位相算出手段で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手段とを備え、
   前記位相連続化処理手段は、前記位相のずれを連続化する処理の後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理を更に施すことを特徴とする表面欠陥検査システム。
2. 前記段差補正処理は、まず幅方向において段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理を施し、次に配列方向において段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理を施すことを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査システム。
3. 周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出する表面欠陥検査方法であって、
   前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、
   前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手順と、
   前記位相算出手順で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手順と、
   前記位相連続化処理手順後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理手順とを有することを特徴とする表面欠陥検査方法。
4. 周期的に変調された線状レーザ光を測定対象物の表面の幅方向に照射する照射手段と、前記測定対象物からの反射光を撮像する遅延積分型の撮像手段とを用いて、前記測定対象物に対する前記線状レーザ光の照射位置を連続的にずらしながら、前記撮像手段により前記測定対象物からの反射光を撮像して光切断画像を出力し、前記測定対象物の表面欠陥を検出するためのプログラムであって、
   前記測定対象物は、横断面形状において両端部が低くなる或いは高くなる曲線を有する長丈材であり、
   前記撮像手段で得られた光切断画像を順に配列することにより得られる縞画像の各位置における位相のずれを算出する位相算出手順と、
   前記位相算出手順で得られた位相のずれに基づいて位相のずれが不連続になっている位置を検出し、その検出した位置における位相のずれを繋ぐことにより位相のずれを連続化する位相連続化処理手順と、
   前記位相連続化処理手順後に、該連続化させた位相特性上における段差を検出して、その段差をなくす段差補正処理手順とをコンピュータに実行させるためのプログラム。

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