JP2015200544A - 表面凹凸検査装置及び表面凹凸検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】鏡面に近い表面性状を有する被測定物に存在する微細な凹凸を精度良く検出する。【解決手段】本発明の表面凹凸検査装置１は、搬送される被測定物の被検査面Ｓに対して搬送方向を横切るように且つ斜め上方からライン状の拡散光を照射する照射部３と、被検査面Ｓで反射する拡散光のうち正反射する反射光を撮像する撮像部２と、撮像部２で撮像された反射光に基づいて被検査面Ｓの凹凸を検出する検出部４と、を備えた表面凹凸検査装置１であって、照射部３は、ライン直交方向に沿って互いに波長が異なる第１拡散光及び第２拡散光を照射可能とされており、撮像部２は、第１拡散光の反射光である第１反射光を含む画像と、第２拡散光の反射光である第２反射光を含む画像とを撮像し、検出部４は、第１反射光を含む画像と、第２反射光を含む画像とを基に、被検査面Ｓの凹凸を検出するように構成とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、アルミ板などの鏡面状の平面を有する被検査材の表面欠陥を検査する表面凹凸検査技術に関する。

圧延設備を用いてアルミなどの金属材料を圧延加工すると、圧延加工された圧延板の表面に凹状の欠陥が残ることがある。このような凹状の欠陥が残った圧延材を光学的な検査装置を用いて検査する場合には、次の特許文献１〜特許文献３に示すような検査方法が行われる。
例えば、特許文献１には、レーザ変位計などの照射部から、圧延ラインを流れる平板状の圧延材の表面にスリット光を照射し、このスリット光の反射光を計測する検査方法が開示されている。この検査方法では、光切断法により圧延材の形状プロファイルを算出し、算出された形状プロファイルから欠陥が検出される。

また、特許文献２には、色相が連続的に変化するパターン光を投影して形状を計測する検査手法が開示されている。この検査方法では、カラー撮像手段を用いて撮像された色相データを三角測量法を用いて三次元形状のデータに変化させ、三次元形状のデータに基づいて欠陥を評価することができ、スキャンの必要なく欠陥を高速に計測することができる。

さらに、特許文献３には、三角測量よりも形状に敏感な方法として、光てこ法に近い光学系で、アルミ板を対象とした凹凸の検出を行う検出方法が開示されている。この検査方法では、アルミ板に正反射した正反射光の座標変化に基づいて被検査面の欠陥を、感度良く検出することが可能である。

特許第４８９６８２８号公報 特開２０１１−２５２８３５号公報 特開２０１０−１３９４５５号公報

ところで、特許文献１の検査方法は、空間周波数の低い欠陥、言い換えればサイズが大きく表面の凹凸が小さな欠陥を定量化するには優れている。しかし、空間周波数の高い欠陥、言い換えれば表面が急峻に凹凸するような微細な欠陥については、分解能が不足し、欠陥として認識できなくなって欠陥を計測することが困難になる可能性がある。
すなわち、特許文献１の方法では、欠陥を計測する際の分解能は圧延材の搬送速度に応じても変化する。例えば、圧延材の搬送速度が大きくなると、センサの検出速度が追いつかずに、分解能が下がって大きなサイズの欠陥しか検出できなくなり、微細な欠陥の評価ができなくなる可能性がある。そのため、特許文献１の方法では、エンコーダなどを設けて圧延材の搬送速度の情報を把握し、分解能が下がらないように検査を行う必要があり、検査装置がどうしても複雑となってしまうという問題も発生する。

さらに、特許文献２の検査方法は三角測量法を基本として欠陥を評価するものであり、その分解能は上述した光切断法と殆ど変わらない。それゆえ、光切断法と同様に微細な欠陥を評価するには不向きであるし、圧延材の搬送速度を精確に把握する必要がある。
加えて、特許文献２の検査方法では、鏡面性の強い圧延材を被検査材として用いた場合には、圧延材が振動するなどして正反射条件を外れると反射光が見えなくなって欠陥の検査が不可能となる場合がある。そのため、この検査方法では、正反射条件から外れた場合を見越して計測可能な領域を狭くせざるを得ないという問題がある。

一方、光てこ法を用いた特許文献３の検査方法では、三角測量よりも凹凸を感度良く検出することができる。しかし、この検査方法には、搬送速度の変化によるサイズ感度の変動を解決する方法については考慮されていない。それゆえ、特許文献１のように圧延材の
搬送速度の情報を把握した上で検査を行うこともできるが、検査装置や検査方法自体がどうしても複雑となってしまうという問題が同様に発生する。

本発明は、上記問題点を鑑みて為されたものであり、鏡面に近い表面性状を有する被測定物に存在する微細な凹凸を精度良く検出することができる表面凹凸検査装置及び表面凹凸検査方法を提供することを目的とする。

上述の目的を達成するため、本発明は以下の技術的手段を講じた。
すなわち、本発明に係る表面凹凸検査装置は、搬送される被測定物の被検査面に対して搬送方向を横切るように且つ斜め上方からライン状の拡散光を照射する照射部と、前記被検査面で反射する拡散光のうち正反射する反射光を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された反射光に基づいて被検査面の凹凸を検出する検出部と、を備えた表面凹凸検査装置であって、前記照射部は、ライン直交方向に沿って距離をあけると共に互いに波長が異なる第１拡散光及び第２拡散光を照射可能とされており、前記撮像部は、前記第１反射光を含む画像と、前記第２反射光を含む画像とを基に、被検査面の凹凸を検出するように構成されていること特徴とする。

なお、好ましくは、前記照射部は、前記被検査面上での拡散光の間隔が検出しようとする凹凸のサイズに対応したものとなるように設定されているとよい。
なお、好ましくは、前記検出部は、画像内における第１反射光の特徴量と第２反射光の特徴量との差に基づいて、前記被検査面の凹凸を検出する構成とされているとよい。
一方、本発明に係る表面凹凸検査方法は、搬送される被測定物の被検査面に対して搬送方向を横切るように且つ斜め上方からライン状の拡散光を照射し、前記被検査面で反射する拡散光のうち正反射する反射光を撮像し、撮像された反射光に基づいて被検査面の凹凸を検出する表面凹凸検査方法であって、前記拡散光を照射するに際しては、ライン直交方向に沿って互いに波長が異なる第１拡散光及び第２拡散光を照射し、前記第１反射光を含む画像と、前記第２反射光を含む画像とを比較することで、被検査面の凹凸を検出すること特徴とする。

本発明に係る表面凹凸検査装置及び表面凹凸検査方法によれば、鏡面に近い表面性状を有する被測定物に存在する微細な凹凸を精度良く検出することができる。

第１実施形態の検査装置の斜視図である。 フィルタの一例を示す図である。 ２本の拡散光源の反射光を幅方向（ライン方向）を横切るように切断した場合に切断線に沿って輝度がどのように変化するかを示した図である。 拡散光源の反射光の輝度を、拡散光源にカラーとした場合とモノトーンにした場合とで比較した図である。 本発明の検査方法を模式的に示した図である。 本発明の検査方法を用いて欠陥を抽出することを示した図である（フィルタ処理あり）。

以下、本発明に係る表面凹凸検査装置１の実施形態を、図を基に説明する。
本発明に係る表面凹凸検査装置１（以降、単に「検査装置１」ということもある）は、アルミ板のように平滑度の高く鏡面となっている金属の表面（被検査面Ｓ）に対して、この表面に形成された微細な凹凸を検査する検査技術に関するものである。
具体的には、本発明の検査装置１は、例えば広幅のアルミ板の表面（被検査面Ｓ）に形成される微細な凹凸（凹凸のギャップが１０μｍ程度と小さいもの）を検査するものであり、微細な凹凸を欠陥（以降、凹凸欠陥という）として捉えてその発生を検出したり、凹凸の形状を検知したりする構成となっている。このような微細な凹凸は、従来の検査技術では熟練した作業員による目視検査にて検知できていたが、本発明の検査装置１では係る微細な凹凸で生じる角度変化を凹凸で反射した反射光の輝度変化を利用して捉える構成と
なっている。

まず、本発明の検査装置１の詳細を説明する前に、本発明者らが本発明の検査装置１に想到するに至った考え方を、詳しく説明をする。
例えば、アルミ板のように平滑度の高い鏡面において凹凸を検出するに際しては、光てこ法などのように板の角度に基づいて欠陥を検出する検出方法が簡便かつ感度が高い。ただ、この光てこ法に指向性の高いレーザなどの光源を用いた場合に、変形を伴うような板の振動があると、対象物で反射した反射光の反射方向が大きく変化する。その結果、反射光が撮像部における検査可能な範囲からすぐに外れてしまい、表面の凹凸を安定して検査できなくなる。そこで、本発明の装置では、まず蛍光灯に代表されるような棒状の拡散光源、図例では白色のＬＥＤ光源を用いている。

なお、このような棒状の拡散光源を用いた場合であっても、拡散光源の本数が１本だけであると、欠陥を見逃す可能性がある。例えば、アルミ板の搬送速度が大きくなると、センサの検出速度（本発明の場合、撮像部のスキャン速度）が追いつかずに、分解能が下がって大きなサイズの欠陥しか検出できなくなり、微細な欠陥の評価ができなくなる可能性がある。

そこで、本発明の検査装置１では、拡散光源を少なくとも２本以上設けておき、撮像部２で撮像される撮像データに表れる２本の反射光の変化状況に基づいて、凹凸欠陥（凹凸）の大きさを求めるようにしている。拡散光源を２本以上設けることで、いずれかの拡散光源が凹凸欠陥をセンシングすることとなり、微細な欠陥であっても確実に評価できるようになる。なお、２本の光源の間隔を凹凸欠陥のサイズに対応したもの、つまり、凹凸欠陥と同等かそれ以下（例えば、凹凸欠陥のサイズの１／２程度）とすれば、検出漏れを確実に防ぐことが可能となる。

なお、検出しようとする凹凸欠陥の寸法が非常に小さい場合には、撮像データに表れる２本の反射光の間隔も小さくなり、２本の拡散光源の波長を同じにしてしまうと反射光の像が近接しすぎて分離が困難になるという問題が発生する（図４（ｃ）を参照）。そこで、本発明の検査装置１では、２本の拡散光源の波長を互いに異なるものとし、それぞれの反射光を撮像部２のカラーカメラなどで検出することとしている。

以上述べた考えのもと、本願発明の表面凹凸検査装置１は構成されている。
すなわち、本実施形態の表面凹凸検査装置１では、水平方向に移動する被測定物の被検査面Ｓに対して斜め上方からライン状の拡散光を照射する照射部３と、被検査面Ｓで反射する拡散光のうち正反射する反射光だけを撮像する撮像部２と、撮像部２で撮像された反射光に基づいて被検査面Ｓの凹凸を検出する検出部４と、を設けている。

そして、この照射部３は、ライン直交方向（搬送方向）に沿って距離をあけると共に互いに波長が異なる２つの拡散光を照射可能とされており、１つの拡散光（第１拡散光）が照射されて得られた撮像画像（第１反射光を含む画像）と、もう１つの拡散光（第２拡散光）が照射されて得られた撮像画像（第２反射光を含む画像）とを比較することで、被検査面Ｓの凹凸（凹凸形状）を検出する構成とされている。

次に、図１を用いて、表面凹凸検査装置１を構成する照射部３、撮像部２及び検出部４について、詳しく説明する。
上述した照射部３は、水平方向に搬送される被測定物の被検査面Ｓに対して、照射部３のライン方向とは直交する方向（照射部３に用いられるライン状の光源の設置方向とは直交する向き）に直線状に伸びるライン光を照射可能な光源である。この照射部３には、図示はしないが、直管型の蛍光灯や複数のＬＥＤをライン状に並べた発光器が採用されている。

照射部３は、上述したライン状の光源から、互いに平行な２本のライン状の拡散光を照射可能となっている。照射部３の発光部（光源）の前面には、図２に示すようなカラーフィルタ５が設置されている。このカラーフィルタ５は、照射部３における光源の設置方向に沿って配備された長尺のフィルタであり、例えば、赤色（Ｒ）のみを通過する長細尺のフィルタ（Ｒフィルタ）と、青色（Ｂ）のみを通過する長細尺のフィルタ（Ｂフィルタ）とが所定の隙間をもって並行に並べた構造となっている。

このＲフィルタを透過した照射光は６００ｎｍ〜７５０ｎｍの光線、言い換えれば赤色の光線となり、この赤色の光線が上述した第１拡散光となっている。また、Ｂフィルタを透過した照射光は３６０ｎｍ〜４５０ｎｍの光線、言い換えれば青色の光線となり、この青色の光線が上述した第２拡散光となっている。
このＲフィルタとＢフィルタとの間には、Ｒフィルタ、Ｂフィルタと長手方向に同尺であって光を通さない（非通過の）遮蔽部材６が設けられている。言い換えれば、カラーフィルタ５は、長尺の遮蔽部材６の幅方向両側にＲフィルタとＢフィルタとがそれぞれ配備された構成を有し、係る構成を有するカラーフィルタ５が、照射部３の発光部の前面に配置された構成となっている。

それ故、照射部３を発光させると、照射部３からは、例えば、図３（ａ）に示すように、赤色ライン光（Ｒ照射光）と青色ライン光（Ｂ照射光）とが隣接した状態で、被検査面Ｓ上に照射される。
撮像部２は、ＣＣＤカメラ（エリアカメラ）で構成され、被測定物の被検査面Ｓで正反射したライン光の反射光が撮像画面のほぼ中央に映り込むように、幅方向及び長手方向に十分な長さを備えた広い範囲を撮像可能とされている。また、撮像部２は、被検査面Ｓに対して照射部３とは反対の位置（拡散光と反射光とが被検査面Ｓの法線に対して線対称関係にある位置）に設けられており、被検査面Ｓで正反射した反射光、正確には第１拡散光（Ｒ照射光）の反射光である第１反射光（Ｒ反射光）と、第２拡散光（Ｂ照射光）の反射光である第２反射光（Ｂ反射光）とを撮影可能となっている。この撮像部２で撮像された反射光画像は、検出部４に送られる。

検出部４は、パーソナルコンピュータ等で構成されており、撮像部２で撮像された反射光の画像（反射画像）に基づいて被検査面Ｓの表面状態（凹凸欠陥の発生状態）を検出している。
この検出部４では、被検査面Ｓ上に存在する凹凸欠陥を検出するための処理が実施される。以下、凹凸欠陥を検出するための処理の詳細について述べる。

まず、図３（ａ）に示す如く、撮像部２で撮像される画像は、カラー画像（出願データでは白黒）となっており、２本の輝線を含むものとなっている。これら２本の輝線のうち、一方の輝線（図の左側に位置する輝線）が「赤（Ｒ）」の輝線となっており、他方の輝線（図の右側に位置する輝線）が「青（Ｂ）」の輝線となっている。
具体的には、図３（ａ）の画像は、アルミ板の表面に生じた幅３０ｍｍ、送り方向に１０ｍｍ程度、深さは０．１ｍｍ以下の凹凸欠陥に対し計測したものである。上述した照射部３の光源には幅７５０ｍｍ、太さ１０ｍｍの白色ＬＥＤ光源を用い、２波長光源とするために、フィルム状のカラーフィルタ５を光源の表面に貼り付けている。このカラーフィルタ５は、青色の部分が幅３ｍｍ、黒色（遮蔽部材６）の部分が幅４ｍｍ、赤色の部分が幅３ｍｍ赤とされている。撮像部２及び照射部３は、測定点から距離５００ｍｍで仰角４０度の位置に配置し、撮像部２のレンズは焦点距離８ｍｍ、絞りは１６、２０ｍｐｍの搬送速度に対し、２００Ｈｚでサンプリングしたものである。

ここで、図３（ａ）に示す画面幅方向中央の１ライン（１pixel）分の輝度プロファイルを規格化してプロットした場合、撮像部２のカメラが白黒画像しか撮影できない場合には、図３（ｂ）に示すような２つピークを持つグラフが得られ、第１反射光のピーク輝度の重心位置と第２反射光のピーク輝度の重心位置とを区別することが困難になる。
ところが、カラーカメラからなる撮像部２で青単独および赤単独の画像をそれぞれ撮像すると、図４（ａ）に示すように明瞭なピークを１つ持つグラフが赤青双方に対してそれぞれ得られる。そのため、撮像部２で青単独および赤単独の画像をそれぞれ撮像すると、図４（ｂ）に示すように各ライン光におけるピーク輝度の重心位置、言い換えれば輝線の画像上での位置を容易に決定でき、図４（ｃ）に示すように画像上での輝線の重心位置の決定が困難になることはなく、第１反射光のピーク輝度の重心位置と第２反射光のピーク輝度の重心位置とを１pixel毎にそれぞれ区別して算出することが可能となる。

次に、検出部４では、１pixel毎に算出された第１反射光のピーク輝度の重心位置を幅方向の全pixelに対して求め、これらの重心位置を結ぶことで図５（ａ）に示すような「
第１反射光の画像」、つまりＲ反射光の画像を得る。また、検出部４では、第２反射光のピーク輝度の重心位置を全幅方向のpixelに対して求め、これらの重心位置を結ぶことで図５（ｂ）に示すような「第２反射光の画像」、つまりＢ反射光の画像を得る。

そして、このようにして得られた「Ｒ反射光の画像」と「Ｂ反射光の画像」との差分を計算する。この差分が大きい場合は、Ｒ反射光のピーク輝度の重心位置（特徴量）とＢ反射光のピーク輝度の重心位置（特徴量）とが離れていることになる。また、差分が小さい場合は、Ｒ反射光のピーク輝度の重心位置とＢ反射光のピーク輝度の重心位置とが近づいていることになる。つまり、被検査面Ｓの表面を連続して撮像している場合、被検査面Ｓの表面に凹凸欠陥が存在しない場合は、Ｒ反射光とＢ反射光とは互いに平行のままである。ところが、被検査面Ｓの表面に凹凸欠陥が存在する場合は、いずれかの反射光の反射方向が歪められてＲ反射光とＢ反射光との距離が変化する。

その上で、１回の計測で得られた両反射光の重心位置の差分（言い換えれば、反射光の形状の差分）を、被測定物の幅方向（Ｘ方向）に亘って濃淡で表示し、撮像が行われる度にＹ方向に積算することで、図５（ｃ）に示すような元画像が得られる。この図５（ｃ）の画像を所定の閾値で２値化することで、被検査面Ｓ（アルミ板）の表面に存在する凹凸欠陥を検出することが可能となる。

図６（ａ）は、図５（ｃ）に示した元画像である。前述したように、図６（ａ）の画像を所定の閾値で２値化することで、被検査面Ｓ（アルミ板）の表面に存在する凹凸欠陥を検出することができるが、より確実に凹凸欠陥を検出するためには、図６（ａ）の画像に対して、フィルタ処理を施すとよい。
まず、図６（ａ）の元画像に対して、例えばＸ方向に３pixel以下、Ｙ方向に２pixl以下の平均化処理（第１のフィルタ処理）を行った画像を作成する。この画像は、図６（ｂ）に示すようなものとなる。第１のフィルタ処理は、２〜３pixl以下の小さなノイズ（元画像の１画像にだけ発生する一時的なノイズ、高周波成分）を除去するローパスフィルタである。

さらに、図６（ｂ）の画像に対して、Ｘ方向３pixel以上、Ｙ方向に１０pixel以上の平均化処理（第２のフィルタ処理）を行った画像を作成する。この画像は、図６（ｃ）に示すようなものとなる。第２のフィルタ処理は、１０pixl以上の大きなノイズ（例えば、アルミ板のうねりや凹凸欠陥には含まれないスクラッチ傷などの低周波成分）を除去するハイパスフィルタである。

その後、図６（ｂ）と図６（ｃ）との画像の差を取る。得られた差画像は、図６（ｄ）に示す画像である。図６（ｄ）の画像は、ハイパスフィルタとローパスフィルタとを行ったもの、言い換えればバンドパスフィルタを通過した画像に相当する。図６（ｄ）の画像において、所定範囲の探索エリアを設定し、この探索エリア内の平均値±エリア内の標準偏差で閾値を設定し、閾値範囲外を０、範囲内を２５５として最終的な画像（二値化画像）を取得するようにする。取得した画像が図６（ｅ）の画像である。図６（ｅ）の画像を見ることにより、アルミ板上の凹凸欠陥を検出することが可能となる。

なお、取得した画像は２値化画像であるため、面積でのフィルタリングなど、ブロブ解析の手法を応用して不必要な情報を更に省くことも可能である。
上述した方法によれば、ライン状の光源（波長が異なる光源）の間隔を検出したい凹凸欠陥のサイズに合わせて決めることで、簡便な構成でありながら鏡面に近い表面性状を有する被測定物に存在する微細な凹凸欠陥を精度良く検出することができる。

なお、今回開示された実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。特に、今回開示された実施形態において、明示的に開示されていない事項、例えば、運転条件や操業条件、各種パラメータ、構成物の寸法、重量、体積などは、当業者が通常実施する範囲を逸脱するものではなく、通常の当業者であれば、容易に想定することが可能な値を採用している。

１ 表面凹凸検査装置（検査装置）
２ 撮像部
３ 照射部
４ 検出部
５ カラーフィルタ
６ 遮蔽部材
Ｓ 被検査面

Claims (4)

1. 搬送される被測定物の被検査面に対して搬送方向を横切るように且つ斜め上方からライン状の拡散光を照射する照射部と、前記被検査面で反射する拡散光のうち正反射する反射光を撮像する撮像部と、前記撮像部で撮像された反射光に基づいて被検査面の凹凸を検出する検出部と、を備えた表面凹凸検査装置であって、
   前記照射部は、ライン直交方向に沿って距離をあけると共に互いに波長が異なる第１拡散光及び第２拡散光を照射可能とされており、
   前記撮像部は、前記第１反射光を含む画像と、前記第２反射光を含む画像とを基に、被検査面の凹凸を検出するように構成されていること特徴とする表面凹凸検査装置。
2. 前記照射部は、前記被検査面上での拡散光の間隔が検出しようとする凹凸のサイズに対応したものとなるように設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面凹凸検査装置。
3. 前記検出部は、画像内における第１反射光の特徴量と第２反射光の特徴量との差に基づいて、前記被検査面の凹凸を検出する構成とされていることを特徴とする請求項１または２に記載の表面凹凸検査装置。
4. 搬送される被測定物の被検査面に対して搬送方向を横切るように且つ斜め上方からライン状の拡散光を照射し、前記被検査面で反射する拡散光のうち正反射する反射光を撮像し、撮像された反射光に基づいて被検査面の凹凸を検出する表面凹凸検査方法であって、
   前記拡散光を照射するに際しては、ライン直交方向に沿って互いに波長が異なる第１拡散光及び第２拡散光を照射し、
   前記第１反射光を含む画像と、前記第２反射光を含む画像とを比較することで、被検査面の凹凸を検出すること特徴とする表面凹凸検査方法。