JP2013174535A - 対象面検査装置および方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】断面形状が2次元的な広がりを有する光L0を、光射出部9により射出する。射出された光の断面形状の2次元的な広がりを保ちつつ、この断面形状のエッジを、線分形状の高低差計測用エッジに整形する。整形された光L1を検査対象面1に照射する。検査対象面1における光L1の照射範囲を含む領域を、撮像装置5により撮像して画像を生成する。生成した画像において2次元的に広がる光の照射範囲から検査対象面1の様相を観察する。生成した画像において、光L1の高低差計測用エッジが、線分形状から変形している量を求め、この量に基づいて検査対象面1の高低差を求める。
【選択図】図1
Description
(2)この照射範囲を含む領域を撮像する。
(3)これにより得た画像を見て、この領域の様相を観察する。
(4)その伝播方向と直交する断面が線状の光を、検査対象面に照射する。
(5)この照射範囲を含む領域を撮像する。
(6)これにより得た画像における線状光の変形量に基づいて、検査対象面の高低差を求める。
検査対象面に、光を照射する光照射装置と、
検査対象面において、光が照射された範囲を含む領域を撮像する撮像装置と、を備え、
光照射装置は、その伝播方向と垂直な平面による断面形状が2次元的な広がりを有する光を射出する光射出部と、
射出された光の前記断面形状の2次元的な広がりを保ちつつ、この断面形状の光のエッジを、線分形状の高低差計測用エッジに整形する光整形部と、を有する、ことを特徴とする対象面検査装置が提供される。
本発明の好ましい実施形態によると、光整形部は、光射出部により射出された光の一部の伝播方向を変える伝播方向変更部材、又は、光射出部により射出された光の一部を吸収する光吸収部材であり、
伝播方向変更部材、又は、光吸収部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有する。
伝播方向変更部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在する部分の光を非照射光とし、前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在しない部分の光を検査対象面への照射光として、
伝播方向変更部材は、非照射光の伝播方向を、照射光の伝播方向と異なる方向に変えることにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する。
伝播方向変更部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在する部分の光を検査対象面への照射光とし、前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在しない部分の光を非照射光として、
伝播方向変更部材は、照射光の伝播方向を、非照射光の伝播方向と異なる方向に変えることにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する。
光吸収部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において光吸収部材が存在する部分の光を非照射光とし、前記通過範囲において光吸収部材が存在しない部分の光を照射光として、
光吸収部材は、非照射光を吸収することにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する。
画像処理装置は、前記断面形状の高低差計測用エッジが、画像において、線分形状から変形している量に基づいて、高低差を算出する。
光照射装置は、熱で輻射光を発している前記内壁面に、前記光としてレーザ光を照射する。
その伝播方向と垂直な平面による断面形状が2次元的な広がりを有する光を、光射出部により射出し、
射出された光の前記断面形状の2次元的な広がりを保ちつつ、この断面形状の光のエッジを、線分形状の高低差計測用エッジに整形し、
整形された光を検査対象面に照射し、
検査対象面における光の照射範囲を含む領域を、撮像装置により撮像して画像を生成し、
生成した画像において2次元的に広がる光の照射範囲から検査対象面の様相を観察し、
生成した画像において、前記断面形状の高低差計測用エッジが、線分形状から変形している量を求め、この量に基づいて高低差を求める、ことを特徴する対象面検査方法が提供される。
また、上述した本発明によると、光の断面形状のエッジを、光整形部により、線分形状の高低差計測用エッジにする。したがって、検査対象面において、高低差計測用エッジが線分形状から変形している量を求め、この量に基づいて、検査対象面の高低差を求めることができる。
よって、検査対象面の様相を観察することと、検査対象面における高低差を求めることとを、同時に行える。
光射出部9は、図2(A)に示すように、その伝播方向と直交する平面による断面形状(この図の斜線部分)が2次元的な広がりを有する光L0を射出する。光射出部9は、撮像装置5に感知される波長の光L0を射出する。光射出部9により射出される光L0は、例えば、可視光線、赤外線、紫外線またはミリ波である。図2(A)の例では、光L0の前記断面形状は、円形であるが、他の形状(例えば矩形)であってもよい。
また、図2(C)はレーザ光L1が検査対象面1に照射された時点での状態を示している。
ここで、光射出部9からの光L0のうち、前記通過範囲において伝播方向変更部材11が存在する部分に入射する光を、非照射光L2とし、前記通過範囲において伝播方向変更部材11が存在しない部分に入射する光を、照射光L1とする。
伝播方向変更部材11は、非照射光L2の伝播方向を、照射光L1の伝播方向と異なる方向に変更することにより、その線分状外縁11aが、照射光L1の断面形状における高低差計測用エッジE1を形成する。
図3(A)の構成例では、伝播方向変更部材11は、くさび形に形成された光学部材である。この伝播方向変更部材11は、入射した非照射光L2を、照射光L1と異なる方向に全反射させる反射面11bを有する。なお、図3(C)は、図3(A)のC−C線矢視図であり、照射光L1と伝播方向変更部材11のみを図示している。
図3(B)の構成例では、伝播方向変更部材11は、くさび形に形成された光学部材である。この伝播方向変更部材11は、入射した非照射光L2を、照射光L1と異なる方向に屈折させる。なお、図3(D)は、図3(B)のD−D線矢視図であり、照射光L1と伝播方向変更部材11のみを図示している。
反射防止部12を設けるときにおいて、後述する図6や変更例3の場合のように、光L0がエネルギー密度の高いレーザ光である場合には、次の(A)(B)の一方または両方を採用するのがよい。
(A)反射防止部12が設けられる構造物18を耐熱材で形成する。
(B)反射防止部12と、反射防止部12が設けられた構造物18との一方または両方に、図3に示すように、冷却用空気を噴出するエア噴出部14を設ける。図3の例では、エア噴出部14は、冷却用の圧縮空気が内部に供給されるチューブにより構成され、このチューブ14に設けた孔16から、内部の圧縮空気を、反射防止部12と構造物18の一方または両方に噴出する。
D=ΔP×(1/M)×(cosα/sinθ) ・・・(1)
式(1)において、Mは、撮像装置5の撮像倍率であり、この撮像倍率は、一般に次のように表される。
M=g(f,X)
ここで、gは、fとXを変数とする関数である。fは、撮像装置5の撮像レンズの焦点距離であり、Xは、受光レンズ31(後述の図6を参照)から検査対象面1までの既知の距離である。
また、式(1)において、θは、図5(B)に示す角度である。すなわち、θは、光照射装置3により光L1を検査対象面1に照射する方向と、撮像装置5により検査対象面1を撮像する方向(図5(B)の破線の方向)とのなす角度である。
式(1)において、αは、図5(B)に示す角度である。すなわち、αは、検査対象面1に対する照射光L1の入射角である。
検査対象面1における光L1の照射範囲を変えながら、変えられた複数の照射範囲をそれぞれ含む複数の領域を、それぞれ複数の時点で撮像装置5により撮像してよい。
これにより複数の画像を得ることができる。このように得た複数の画像から、検査対象面1の様相を示す広範囲な画像を得ることができる。
また、得られた複数の画像から、上述のように高低差Dを求めることができる。したがって、検査対象面1における高低差Dの分布を得ることができる。この場合、好ましくは、検査対象面1における光1のエッジE1の位置を微小量だけ変えるように検査対象面1に対する光1の照射範囲を変えながら、上述のように、変えられた複数の照射範囲をそれぞれ含む複数の領域を、それぞれ複数の時点で撮像装置5により撮像してよい。
箱体13の壁13aには、投光窓15と受光窓17が形成されている。投光窓15と受光窓17は、例えば、石英板により構成されている。箱体13は、炉2の壁に形成された開口部19から炉2内に挿入され、投光窓15と受光窓17が内壁面1に対向するように配置される。
なお、図6の例では、レーザ発振装置21は、箱体13の外部であって炉2の外部に配置されている。
箱体13の外部において、チューブ14の内部に冷却用の圧縮空気が供給される。チューブ14は、反射防止部12の近傍において孔16を有する。孔16は、反射防止部12と、反射防止部12が設けられた構造物18との一方または両方へ内部の圧縮空気を噴出する。図6と図7の例では、チューブ14は、第1チューブ部14aと第2チューブ部14bとを有する。第1チューブ14a部は、変形自在な材質(例えばゴム)で形成されており、箱体13の外部に位置する。第2チューブ部14bは、第1チューブ14aに接続されて箱体13の内部に位置する。第2チューブ部14bは、箱体13に対して固定され、変形しない材質(例えば金属)により形成されている。
このスキャンを、光照射装置3と撮像装置5を検査対象面1に沿って移動させることにより行う場合を説明する。
(1)図6のように、炉2の壁の上部に形成された開口部19から箱体13を鉛直方向に炉2の内部へ挿入する。
(2)次いで、光照射装置3により、レーザ光L1を検査対象面1に照射し、このレーザ光L1の照射範囲を含む領域を、撮像装置5により撮像して、この領域の画像を取得する。
(3)その後、箱体13(すなわち光照射装置3と撮像装置5)を、鉛直方向に設定量だけずらして、前記(2)を再び行う。ここで、光照射装置3をずらすとは、箱体13と一体に移動することになる光照射装置3の部分(例えば投光レンズ25や投光ミラー27)をずらすこと意味し、光照射装置3のレーザ発振装置21は静止していてよい。
以降は、前記(3)を繰り返すことにより、複数の画像を得る。得られた各画像に基づいて、内壁面1の様相を観察する。また、得られた各画像に基づいて、上述のように、検査対象面1の高低差を求める。これにより、検査対象面1の高低差の分布が得られる。
これに対し、光整形部11が光L0を吸収するものである場合には、光L0がエネルギ密度が高いレーザ光L0であると、光整形部11は、吸収したレーザ光L0により熱損傷を受けやすい。この点を考慮して、本実施形態では、光整形部11は、レーザ光L0を吸収しない伝播方向変更部材として構成されている。
また、検査対象面1が円筒状や球状の炉内壁面1などの場合は、図6の装置(箱体13)が回転できることが好ましく、更に、上下移動(軸方向での移動、図では上下)できることがより好ましい。装置(箱体13)が回転することで、検査対象面1を円周方向に連続的に観察及び検査することができる。その際、内壁面1における線分形状の高低差計測用エッジE1を回転方向と平行になるように配置すれば、ある断面での円周全周に亘って凹凸の状況を、容易に連続的且つ定量的に測定できる。また、更に装置(箱体13)が上下移動できる場合は、これを併用することで、投光ミラー27及び受光ミラー29の角度を固定したまま容易に、内壁面1を広範囲に、円周全周に亘って凹凸の状況を連続的且つ定量的に測定できる。なお、このように箱体13を回転させる場合や、箱体13を上下移動させる場合には、箱体13の中心軸(図6の上下に延びる軸)が、炉内壁面1の前記円筒状の中心軸と一致し、または、炉内壁の前記球状の中心を通る直線と一致するようにすることが好ましい。
図8と図9は、上述した対象面検査方法により得た熱風炉2の内壁面1の画像を示す。
炉内温度:約1200℃
投影角度:18.4度
撮像角度:17.0度
撮像素子距離:約5.5m
分解能:約4.5cm
レーザ光L0の波長:0.53μm
パルスレーザ光L0のパルス幅:15ns
レーザ光L1のエネルギー密度:投光窓15において約200mW/cm2、内壁面1において約0.01mW/cm2
なお、投影角度は、レーザ光L1(レーザ光L1の中心)の内壁面1への入射角であり、撮像角度は、撮像装置5の視線の内壁面1への入射角である。投影角度が18.4度であり、撮像角度:17.0度であるので、レーザ光L1(レーザ光L1の中心)の内壁面1への入射方向と、撮像装置5の視線の内壁面1への入射方向とのなす角度は1.4度である。
撮像素子距離とは、レーザ光L1が内壁面1で反射した時点から撮像素子33に至るまでに、この反射レーザ光L1が進行する距離である。
分解能は、この実施例により求められた内壁面1の高低差の分解能である。
図8(B)は、ステップS4で得た画像に基づいて、ステップS61において生成した微分画像である。
図9(A)は、図8(B)の画像に対してノイズ除去処理を行うことにより得た画像である。
図9(B)は、図9(A)の画像において、エッジをトレースすることにより得た画像である。
図9(B)から判るように、本発明により、高低差計測用エッジE1の変形量ΔPを認識することができた。このΔPから、高低差Dを上述した(1)式から求めることができ、本画像の範囲内における最大の高低差Dは、180mmであることが判った。
光射出部9からの光L0のうち、光L0の通過範囲(光L0の伝播方向から見た通過範囲)において伝播方向変更部材11が存在する部分に入射する光を、検査対象面1への照射光とし、当該通過範囲において伝播方向変更部材11が存在しない部分に入射する光を、非照射光としてもよい。この場合、伝播方向変更部材11は、次のように図3(A)または図3(B)に示すものと同じ構成を有していてよい。
伝播方向変更部材11が、図3(B)のように、光射出部9から入射した光L0(照射光)を、非照射光と異なる方向に屈折させる場合には、屈折された照射光が、検査対象面1に照射される。この場合、屈折された照射光を、検査対象面1に入射させる光学系を設けてもよい。
光整形部11は、光射出部9により射出された光の一部を吸収する光吸収部材であってもよい。この場合における光整形部11を図10に示す。図10(B)は、図10(A)のB−B線断面図である。光吸収部材11は、図10に示すように、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光L0の通過範囲の内部に位置する線分状外縁11aを有する。また、光吸収部材11は、非照射光L2を吸収することにより、その線分状外縁11aが、照射光L1の断面形状における高低差計測用エッジE1を形成する。光吸収部材11は、例えば、黒色アルマイト処理を施した部材(一例ではアルミ材)である。特に、光L0がエネルギー密度の高いレーザ光ではない場合に、光整形部11を光吸収部材として構成するのがよい。
この変更例2において、他の点は、上述した内容と同じである。
図6では、検査対象面1は炉2の内壁面であったが、検査対象面1は、熱間圧延されたスラブの表面であってよい。このスラブの表面は熱で輻射光を発している。また、このスラブは、連続鋳造機から搬送されて圧延された直後のものであってよい。このスラブは、例えば1100℃以上の高温になっているので、検査対象面1に照射する光L1は、炉2の内壁面1に照射した上述のレーザ光と同じであるのがよい。
この変更例3において、他の点は、図1〜図5を参照して上述した内容と同じである。
Claims (9)
- 2次元的な範囲にわたって検査対象面の様相を観察し、かつ、検査対象面の高低差を計測するための対象面検査装置であって、
検査対象面に、光を照射する光照射装置と、
検査対象面において、光が照射された範囲を含む領域を撮像する撮像装置と、を備え、
光照射装置は、その伝播方向と垂直な平面による断面形状が2次元的な広がりを有する光を射出する光射出部と、
射出された光の前記断面形状の2次元的な広がりを保ちつつ、この断面形状の光のエッジを、線分形状の高低差計測用エッジに整形する光整形部と、を有する、ことを特徴とする対象面検査装置。 - 光整形部は、光射出部により射出された光の一部の伝播方向を変える伝播方向変更部材、又は、光射出部により射出された光の一部を吸収する光吸収部材であり、
伝播方向変更部材、又は、光吸収部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有する、ことを特徴とする請求項1に記載の対象面検査装置。 - 光整形部は、光射出部により射出された光の一部の伝播方向を変える伝播方向変更部材であり、
伝播方向変更部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在する部分の光を非照射光とし、前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在しない部分の光を検査対象面への照射光として、
伝播方向変更部材は、非照射光の伝播方向を、照射光の伝播方向と異なる方向に変えることにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する、ことを特徴とする請求項2に記載の対象面検査装置。 - 光整形部は、光射出部により射出された光の一部の伝播方向を変える伝播方向変更部材であり、
伝播方向変更部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在する部分の光を検査対象面への照射光とし、前記通過範囲において伝播方向変更部材が存在しない部分の光を非照射光として、
伝播方向変更部材は、照射光の伝播方向を、非照射光の伝播方向と異なる方向に変えることにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する、ことを特徴とする請求項2に記載の対象面検査装置。 - 光照射装置は、熱で輻射光を発している検査対象面に、前記光としてレーザ光を照射する、ことを特徴とする請求項3または4に記載の対象面検査装置。
- 光整形部は、光射出部により射出された光の一部を吸収する光吸収部材であり、
光吸収部材は、光の伝播方向から見た場合に、線分形状となっており、光の通過範囲の内部に位置する線分状外縁を有し、
前記通過範囲において光吸収部材が存在する部分の光を非照射光とし、前記通過範囲において光吸収部材が存在しない部分の光を照射光として、
光吸収部材は、非照射光を吸収することにより、その線分状外縁が、照射光の断面形状における高低差計測用エッジを形成する、ことを特徴とする請求項2に記載の対象面検査装置。 - 撮像装置により得た画像に基づいて、検査対象面における高低差を算出する画像処理装置を備え、
画像処理装置は、前記断面形状の高低差計測用エッジが、画像において、線分形状から変形している量に基づいて、高低差を算出する、ことを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の対象面検査装置。 - 検査対象面は、炉内の内壁面であり、
光照射装置は、熱で輻射光を発している前記内壁面に、前記光としてレーザ光を照射する、ことを特徴とする請求項1〜7のいずれか一項に記載の対象面検査装置。 - 2次元的な範囲にわたって検査対象面の様相を観察し、かつ、検査対象面の高低差を計測する対象面検査方法であって、
その伝播方向と垂直な平面による断面形状が2次元的な広がりを有する光を、光射出部により射出し、
射出された光の前記断面形状の2次元的な広がりを保ちつつ、この断面形状の光のエッジを、線分形状の高低差計測用エッジに整形し、
整形された光を検査対象面に照射し、
検査対象面における光の照射範囲を含む領域を、撮像装置により撮像して画像を生成し、
生成した画像において2次元的に広がる光の照射範囲から検査対象面の様相を観察し、
生成した画像において、前記断面形状の高低差計測用エッジが、線分形状から変形している量を求め、この量に基づいて高低差を求める、ことを特徴する対象面検査方法。
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