JP2015206788A - 表面疵検査装置及び表面疵検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査面における表面の割れ・抉れ・めくれ上がりのような顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ欠陥を確実に検出でき、高い欠陥検出精度を実現し、製品の品質検査ラインにも十分組込ことができる表面疵検査装置及び表面疵検査方法を提供することを課題とする。【解決手段】被検査面にｐ及びｓ成分のいずれをも含む偏光した光を入射する線状拡散光源と、前記被検査面からの拡散反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分を抽出し受光する受光手段とを具備したことを特徴とする表面疵検査装置であって、前記受光手段は、前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する向きにそれぞれ調節された１／４波長板と検光子とを具備する。【選択図】図１

Description

本発明は、表面疵検査装置及び表面疵検査方法に関し、特に、薄鋼板表面といった被検査面に光を照射してこの被検査面の表面疵を光学的に検出する技術に関するものである。

薄鋼板表面といった被検査面に光を照射してこの被検査面からの反射光を解析することによって、被検査面に存在する表面疵を光学的に検出する表面疵検査に関しては、従来から種々の手法が提唱され実施されている。

例えば、被検体表面に対して光を入射し、被検体表面からの正反射光及び拡散反射光をカメラで検出する金属物体の表面探傷方法が特許文献１に開示されている。この表面探傷方法においては、被検体表面に対し光を３５°〜７５°の角度で入射し、被検体表面からの反射光を、正反射方向と入射方向又は正反射方向から２０°以内の角度方向に設置した２台のカメラで受光する。そして、２台のカメラの受光信号を比較し、例えば両者の論理和を取る。そして、２台のカメラが同時に異常値を検出した場合のみ該当異常値を疵とみなすことにより、ノイズに影響されない表面探傷方法を実現している。

また、被検体からの後方散乱光を受光することによる被検体表面の疵検査方法が特許文献２に開示されている。この疵検査方法においては、ステンレス鋼板に対して大きな入射角で光を入射し、入射側へ戻る反射光、すなわち後方散乱光を検出することにより、ステンレス鋼板表面のヘゲ疵を検出している。

さらに、複数の後方散乱反射光を検出することによる平鋼熱間探傷装置が特許文献３に開示されている。この平鋼熱間探傷装置は熱間圧延された平鋼上の掻疵を検出する。そして、この探傷装置においては、掻疵の疵斜面角度は１０°〜４０°であり、この範囲の疵斜面からの正反射光を全てカバーできるように後方拡散反射方向に複数台のカメラが配設されている。

また、偏光を利用した表面の測定装置が特許文献４及び特許文献５に開示されている。特許文献４に提案された測定装置においては、測定対象に４５°方向の偏光を入射し偏光カメラで反射光を受光している。偏光カメラにおいては、反射光をカメラ内部のビームスプリッタを用いて３つに分岐し、それぞれ異なる方位角の偏光フィルタを通して受光する。そして、偏光カメラからの３本の信号を、カラーＴＶシステムと同様の信号処理により、モニタに表示し、偏光状態を可視化する技術が開示されている．この技術はエリプソメトリの技術を利用しており、光源は平行光であることが望ましく、例えばレーザ光が用いられている。

また、特許文献５に開示された表面検査装置においては、特許文献４記載技術と同様に、エリプソメトリを利用して鋼板表面の疵を検査している。

また、特許文献６には、正反射光をλ／４板（四分の一波長板）及び検光子を通して受光することにより、検出すべきでない疑似模様と母材部のコントラストをなくし、過検出を抑制する光学系が開示されている。

特開昭５８−２０４３５３ 号公報 特開昭６０−２２８９４３ 号公報 特開平８−１７８８６７号公報 特開昭５７−１６６５３３ 号公報 特開平９−１６６５５２号公報 特開２００５−２２１３９１号公報

しかしながら、上述した各特許文献に開示された各測定技術は、いずれも顕著な凹凸性を持つ疵を検出するか、又は酸化膜等異物が存在する疵を検出することを目的としたものであり、顕著な凹凸性を持たない疵（例えば、模様状ヘゲ欠陥）に対しては全ての疵を確実に捕捉することが困難であるという問題がある。

例えば、特許文献１の探傷方法においては、正反射光と散乱反射光を受光する２台のカメラを有しているが、その目的は２つのカメラにおける検出信号の論理和によるノイズの影響除去である。したがつて、顕著な凹凸性を有する疵、すなわち表面に割れ・抉れ・めくれ上がりを生じているような疵に対しては両方のカメラで疵の信号が捉えられるので適用可能である。しかし、いずれか一方のカメラでしか疵の信号を捉えられないような顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ欠陥のような疵の場合は、その疵を全て検出することはできないという問題がある。

また、特許文献２の表面状態検査方法は、表面粗さの小さいステンレス鋼板上に顕在化した持ち上がったヘゲ疵を対象としている。したがって、顕在化していない持ち上がった部分のない疵や、疵の存在しない部分も入射側へ戻る光を反射するような表面の粗い鋼板に適用することはできない。

特許文献３の平鋼熱間探傷装置は、掻き疵を対象にしており、疵斜面での正反射光を捉えることに基づいているため、顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲのような疵の場合には後方散乱反射光では捉えられないものも存在し、検出もれを生ずる問題点があった。また、一度カメラを設置し、どの角度の反射成分を受光するかが決定されると、容易にカメラ位置を変更できない問題もある。

さらに、特許文献４の測定装置及び特許文献５の表面検査装置は、エリプソメトリの技術を用いており、「薄い透明な層の厚さ及び屈折率」や「物性値のむら」を検出することはできる。しかしながら、例えば表面処理鋼板のように、もともと疵部が母材部と異なる物性値を有していたとしても、その上から同一の物性値を有するものに覆われたような対象に対しては、有効性が低下してしまう問題がある。

また、エリプソメトリでは、同一点からの反射光を各ＣＣＤの対応する画素で受光し、画素毎にエリプソパラメータを計算する必要がある。そのため、特許文献４においては反射光をビームスプリッタにより３分岐して３つのＣＣＤにより検出しており、光量が低下したり、ＣＣＤ間の画素合わせが困難であるという問題がある。

また、特許文献６は、過検出をある程度抑制することは可能であったが、表面が擦れてキラキラ光るような母材部と特性が大きく異なるような疑似模様は、過検出してしまうこともある。

製品の品質検査ラインに組込まれる表面検査装置においては、製造製品に対する品質保証の観点から、疵の検出もれがないこととともに、疵ではないものを過検出しないことが絶対条件である。しかしながら、表面処理鋼板等まで検査対象とした表面が擦れてキラキラ光る疑似模様を過検出しないような表面疵検査装置は実用化されていない。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、被検査面における表面の割れ・抉れ・めくれ上がりのような顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ欠陥を確実に検出でき、高い欠陥検出精度を実現し、製品の品質検査ラインにも十分組込ことができる表面疵検査装置及び表面疵検査方法を提供することを課題とする。

上記課題は、以下の発明によって解決できる。

［１］ 被検査面にｐ及びｓ成分のいずれをも含む偏光した光を入射する線状拡散光源と、
前記被検査面からの拡散反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分を抽出し受光する受光手段とを具備したことを特徴とする表面疵検査装置であって、
前記受光手段は、正反射から外れてはいるが鏡面拡散反射光が支配的な受光角における反射光である正反射近傍拡散反射光を受光する位置に配置され、
鏡面反射成分を遮断するとともに、前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する向きにそれぞれ調節された１／４波長板と検光子とを具備したことを特徴とする表面疵検査装置。

［２］ 上記［１］に記載の表面疵検査装置において、
前記受光手段は、正反射からの角度のずれが１０度以内であることを特徴とする表面疵検査装置。

［３］ 上記［１］または上記［２］に記載の表面疵検査装置において、
前記受光手段とともに、前記被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面反射成分を抽出し受光する第２の受光手段を具備したことを特徴とする表面疵検査装置。

［４］ 上記［３］に記載の表面疵検査装置において、
前記受光手段及び第２の受光手段でそれぞれ受光された鏡面反射成分及び鏡面拡散反射成分に基づいて前記被検査面の表面疵の有無を判定する判定処理部を具備したことを特徴とする表面疵検査装置。

［５］ 上記［１］ないし上記［４］のいずれか１項に記載の表面疵検査装置において、
前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する１／４波長板と検光子は、
受光光量最小となる方位角に対し、それぞれ±３度以内に調整されていることを特徴とする表面疵検査装置。

［６］ 線状拡散光源で被検査面にｐ及びｓ成分のいずれをも含む偏光した光を入射し、
前記被検査面からの拡散反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分を抽出し受光することを特徴とする表面疵検査方法であって、
前記抽出し受光するにあたっては、
正反射から外れてはいるが鏡面拡散反射光が支配的な受光角における反射光である正反射近傍拡散反射光を受光し、
１／４波長板と検光子とを、鏡面反射成分を遮断するとともに、前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する向きにそれぞれ調節することを特徴とする表面疵検査方法。

［７］ 上記［６］に記載の表面疵検査方法において、
正反射からの角度のずれが１０度以内の反射光を受光することを特徴とする表面疵検査方法。

［８］ 上記［６］または上記［７］に記載の表面疵検査方法において、
前記被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面反射成分を抽出し受光することを特徴とする表面疵検査方法。

［９］ 上記［８］に記載の表面疵検査方法において、
それぞれ受光された鏡面反射成分及び鏡面拡散反射成分に基づいて前記被検査面の表面疵の有無を判定することを特徴とする表面疵検査方法。

［１０］ 上記［６］ないし上記［９］のいずれか１項に記載の表面疵検査方法において、
前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する１／４波長板と検光子は、
受光光量最小となる方位角に対し、それぞれ±３度以内に調整されていることを特徴とする表面疵検査方法。

本発明によれば、被検査面での正反射光が鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分とを含むという知見に基づいて、それぞれの成分を区別して抽出して検出している。具体的には、線状拡散光源を使用し、ｐ偏光，ｓ偏光を共に含む偏光を被検査面に入射し、鋼板正反射方向からずれた方向から、検光子を用いて鏡面反射成分をより多く含む成分を抽出し、かつ１／４波長板と検光子とを組合わせて鏡面拡散反射成分を抽出するようにしたので、鏡面反射成分が強い擬似欠陥の過検出も抑制され、鏡面反射成分からのみでは観察できない疵も検出可能となり、従来検出できなかった顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ疵を検出もれすることなく検出することが可能になる。

さらに、品質保証の観点からは、表面疵検査装置は未検出がないことが絶対条件であり、本発明により初めて表面処理鋼板等へ広く適用可能な未検出のない表面疵検査装置が実現できたので、従来までは検査員による目視の検査に頼っていた表面疵検査を自動化できるようになった点で産業上の利用効果は大きい。

本発明に係る表面疵検査装置の概略構成例を示す図である。 信号処理部の処理ブロック例を示す図である。 本発明に係る表面疵検査装置で測定された光強度信号波形（疵）を示す図である。 本発明に係る表面疵検査装置で測定された他の光強度信号波形（疵）を示す図である。 本発明に係る表面疵検査装置で測定された他の光強度信号波形（無害模様）を示す図である。 表面疵検査装置が検査対象とする合金亜鉛メッキ鋼板の製造方法及び詳細断面構造を説明する図である。 検査対象の鋼板におけるテンパ部と非テンパ部における入射光と反射光との関係を示す図である。 テンパ部と非テンパ部とにおける反射光の角度分布を示す図である。 鋼板に存在するヘゲ部の生成過程を説明するための図である。 鋼板の照射部における微小面素の法線角度と面積率との関係を示す図である。 鋼板に対する入射光の入射角と微小面素の法線角度との関係を示す図である。 微小面素の法線角度と重み関数との関係を示す図である。 線状拡散光源の各位置からの各入射光と鋼板上の入射位置との関係を示す図である。 線状拡散光源の各入射光が偏光されていた場合における反射光の偏光状態を示す図である。 線状拡散光源の中央部からの各入射光が偏光されていた場合における微小面素からの反射光を示す図である。 線状拡散光源の中央部以外の位置からの各入射光が偏光されていた場合における微小面素からの反射光を示す図である。 微小面素の法線角度と反射光の楕円偏光状態との関係を示す図である。 検光子の検光角を変更した場合における微小面素の基準法線角度からのずれ量と重み関数との関係を示す図である。 検光子の検光角を変更した場合における微小面素の基準法線角度からのずれ量（絶対値）と重み関数との関係を示す図である。 検査対象の鋼板におけるテンパ部と非テンパ部における無害模様の付着状況を示す断面模式図である。 通常部と高光沢部の顕微鏡観察画像を示す図である。 検光子の前面にλ／４板を挿入し微小面素からの反射光受光を示す図である。 η＝０に対応する鏡面拡散反射光の楕円偏光とλ／４板透過後の直線偏光を示す図である。 無害模様（高光沢）部における微小面素の法線角度と面積率との関係を示す図である。 偏光板が極小の角度条件からずれた場合の高光沢部と正常部の信号の変化を示す図である。

以下、図面および数式を参照して、本発明を実施するための形態について説明する。まず、本発明に係る表面疵検査装置が検査対象とする鋼板表面の光学的反射の形態を、鋼板表面のミクロな凹凸形状と関連づけて説明する。

図６は、表面疵検査装置が検査対象とする合金亜鉛メッキ鋼板の製造方法及び詳細断面構造を説明する図である。図中、１は下地鋼板、２はメッキ層、３は柱状結晶、４は鋼板、５ａはロール、５ｂはロール、６はテンパ部、および７は非テンパ部をそれぞれ表す。

例えば、検査対象が合金化亜鉛メッキ鋼板の場合においては、まず図６（ａ）に示すように、下地の冷延鋼板は溶融亜鉛メッキされ、下地鋼板１の上にメッキ層２が形成される。そして、合金化炉を通過する間に、下地鋼板１の鉄元素がメッキ層２の亜鉛中に拡散し、通常、図６（ｃ）に示すような合金の柱状結晶３を形成する。

さらに、このメッキされた鋼板４は、ロール５ａ，５ｂで調質圧延される。すると、図６（ｄ）に示すように、柱状結晶３における特に突出した箇所がロール５ａ，５ｂで平坦につぶされ、それ以外の箇所は元の柱状結晶３の形状を維持したままとなる。

そして、この調質圧延のロール５ａ，５ｂにて平坦につぶされた部分をテンパ部６と呼び、それ以外の調質圧延のロール５ａ，５ｂが当接しない元の凹凸形状を残した部分を非テンバ部７と称する。

図７は、検査対象の鋼板におけるテンパ部と非テンパ部における入射光と反射光との関係を示す図である。図中、８は入射光、９は鏡面反射光、１０ａは鏡面拡散反射光、および１０ｂは完全拡散反射光をそれぞれ表し、上述したテンパ部６と非テンバ部７とを有する鋼板４の表面でどのような光学的反射が生じるかをモデル化した断面模式図である。調質圧延のロール５ａ，５ｂによりつぶされたテンパ部６に入射した入射光８は、鋼板４の正反射方向に鏡面的に反射して鏡面反射光９となる。一方、調質圧延のロール５ａ，５ｂが当接しない元の柱状結晶３の構造を残す非テンパ部７の比較的浅い部分（浅部）に入射した入射光８は、ミクロに見れば柱状結晶３の各表面の微小面素一つ一つにより鏡面的に反射されるが、反射の方向は鋼板４の正反射方向とは必ずしも一致しない鏡面拡散反射光１０ａとなる。

また、非テンパ部７の比較的深い部分（深部）に入射した入射光の中には、１回の反射では出て来られずに、非テンパ部７の微小面素により複数回反射された後に非テンパ部７から出てくる光がある。このような光は、反射回数もまちまちで、複数回の反射の後には偏光状態も保存されず、むしろ、偏光状態及び反射方向が完全にランダムであると見なせる反射が起こる。このような光を完全拡散反射光１０ｂと称する。

図８は、テンパ部と非テンパ部とにおける反射光の角度分布を示す図である。鋼板４の表面におけるテンパ部６及び非テンパ部７の浅部及び深部からの各反射光の角度分布は、マクロに見ればそれぞれ図８（ａ）、図８（ｂ）及び図８（ｃ）のようになる。すなわち、テンパ部６では鋼板正反射方向に鋭い鏡面性の反射が発生し、非テンパ部７（浅部）では柱状結晶３の表面の微小面素の角度分布に対応した広がりを持った反射光となる。また、非テンパ部（深部）では、強度は一般的に小さいが全方位角方向に一様な角度分布を持った反射光となる。前述したように、テンパ部６の反射光を鏡面反射光９と称し、非テンパ部７（浅部）の反射光を鏡面拡散反射光１０ａと称し、非テンパ部（深部）の反射光を完全拡散反射光１０ｂと称する。

そして、実際には、テンパ部６と非テンパ部７はマクロ的には混在しているので、カメラ等の光学測定器で観察される反射光の角度分布は、図８（ｄ）に示すように、鏡面反射光９、鏡面拡散反射光１０ａ及び完全拡散反射光１０ｂの角度分布を、テンパ部６と非テンパ部７の浅部及び深部とのそれぞれの面積率に応じて加算したものとなる。また、被検査面の表面性状や観察する受光角によりテンパ部深部からの反射光が他の部分からの反射光に比べて十分小さいと見なせる場合には、前述の特許文献３に開示されているように、テンパ部からの鏡面反射光及び非テンパ部（浅部）からの鏡面拡散反射光の２成分を考慮すれば十分な場合もある。

これまで、テンパ部６と非テンパ部７とを、合金化亜鉛メッキ鋼板を例に説明を行ってきたが、調質圧延により平坦部が生じる他の鋼板にも、以上の説明は一般に成立つものである。次に、本発明の検出対象となる顕著な凹凸性を持たない「模様状ヘゲ欠陥」と呼ばれる欠陥の光学反射特性について説明する。

図９は、鋼板に存在するヘゲ部の生成過程を説明するための図である。図中、１１はヘゲ部、および１２は母材部をそれぞれ表し、他の符号はこれまで参照した図と同様である。合金化溶融亜鉛メッキ鋼板に見られるヘゲ欠陥（ヘゲ部１１）は、メッキ加工前の冷延鋼板原板にヘゲ欠陥（ヘゲ部１１）が存在し、その上にメッキ層２が乗り、さらに下地鋼板１の鉄元素の拡散によるヘゲ欠陥の合金化が進行したものである。

一般に、ヘゲ部１１は鋼板４の正常部分を示す母材１２と比較して、例えばメッキ厚に違いが生じたり、合金化の程度に違いが生じる。その結果、例えば、ヘゲ部１１のメッキ厚が厚く母材１２に対し凸の場合には、調質圧延が施されることによりテンパ部６の面積が非テンパ部７に比べて多くなる。逆に、ヘゲ部１１のメッキ厚が薄く母材１２に比べ凹の場合には、ヘゲ部１１は調質圧延のロール５ａ，５ｂが当接せず、非テンパ部７が大半を占める。また、ヘゲ部１１の合金化が浅い場合には微小面素の角度分布は鋼板法線方向に強く、拡散性は小さくなる。

次に、このようなヘゲ部１１と母材部１２の表面性状の相違により、模様状ヘゲ欠陥がどのように見えるかを説明する。上述したモデルに基づきヘゲ部１１と母材部１２の違いについて分類すると、一般に次に示す３種類に分けられる。尚、この疵のモデルは、基本的に前述の特許文献３にて開示されているものと同様であるが、微小面素の角度分布の等方性を考慮して、法線角度ξ≧０の部分を明示している。

図１０は、鋼板の照射部における微小面素の法線角度と面積率との関係を示す図である。また、図１１は、鋼板に対する入射光の入射角と微小面素の法線角度との関係を示す図である。

先ず、１番目の種類として、(a) ヘゲ部１１におけるテンパ部６の面積率及び非テンパ部７の微小面素の角度分布が、母材部１２におけるテンパ部６の面積率及び非テンパ部７（浅部）の微小面素の角度分布と異なるもの（図１０（ａ）参照）。

また、２番目の種類として、(b) ヘゲ部１１におけるテンパ部６の面積率は母材部１２におけるテンパ部６の面積率と異なるが、ヘゲ部１１における非テンパ部７の微小面素の角度分布は母材部１２における非テンパ部７（浅部）の微小面素の角度分布とほとんど変わらないもの（図１０（ｂ）参照）。

そして、３番目の種類として、(c) ヘゲ部１１における非テンパ部７の微小面素の角度分布は母材部１２における非テンパ部７（浅部）の微小面素の角度分布と異なるが、ヘゲ部１１におけるテンパ部６の面積率は母材部１２におけるテンパ部６の面積率とほとんど変わらないもの（図１０（ｃ）参照）。

図１１に示すように、入射光８が当接する微小面素１３の法線が鋼板４の鋼板法線に対する傾斜角度を微小面素１３の法線角度ξとし、この法線角度ξとテンパ部６の面積率Ｓ（ξ）との関係を、上述した(a)(b)(c) の３つの場合について、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）にそれぞれ示している。

このようなヘゲ部１１を母材部１２と確実に区別して検出するためには、図１０において、どういう角度（法線角度ξ）の微小面素１３からの反射光を抽出するのかを検討することが必要である。例えば、正反射方向でヘゲ部１１と母材部１２の違いを検出するということは、図１０で示される微小面素１３の角度分布のうち微小面素１３の法線角度ξ＝０について抽出し、ヘゲ部１１と母材部１２との違いを検出していることになる。

ここで、微小面素１３の法線角度ξ＝０の反射光を抽出するということを、数学的に表現することを考える。図１２は、微小面素の法線角度と重み関数との関係を示す図である。図１０の特性（面積率Ｓ（ξ））それぞれに、図１２（ａ）に示すデルタ関数δ（ξ）で表される抽出特性を示す関数（以後この関数を重み関数Ｉ（ξ）と呼ぶ）を乗じて積分することは、微小面素１３の法線角度ξ＝０の反射光を抽出することに相当する。

また、例えば、入射角６０°において、正反射方向から２０°ずれた４０°の角度位置で反射光を測定することは、図１２（ｂ）のようなデルタ関数δ（ξ−１０）なる重み関数Ｉ（ξ）を用いて計算することに相当するといった具合である。

なお、図１１に示すように、反射角度θ´と微小面素１３の法線角度ξと入射光８の入射角度θとの関係は、簡単な幾何学的計算によって次の(1) 式で求まる。
θ´＝−θ＋２ξ ・・・・・・(1)
すなわち、どういう角度（法線角度ξ）の微小面素１３からの反射光を抽出するかということは、どのような重み関数Ｉ（ξ）を設計するかということに相当することが理解できる。

このような観点から、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）で表されるような各ヘゲ部１１を母材部１２と弁別し検出するための重み関数Ｉ（ξ）を考えると、図１２（ａ）（ｂ）に示すデルタ関数δ（ξ），δ（ξ−１０）も有効な重み関数Ｉ（ξ）の一つである。なお、重み関数Ｉ（ξ）は、必ずしも図１２に示した特定の法線角度のみ抽出する幅が無限小のデルタ関数δ（ξ）である必要はなく、ある程度の信号幅を有することも可能である。

しかしながら、このような弁別手法においては、次に示す３つの課題がある。先ず、(1) パスライン変動があった場合、２つの光学系の視野位置がずれてしまうことを避けることができないという課題がある。

また、(2)その重み関数Ｉ（ξ）を変更することは、カメラの設置位置を変更する必要であるため、拡散反射光を測定するためにカメラを一旦設置してしまうと容易ではないという課題がある。

さらに、(3) 軽度な疵と同程度のコントラストを有する無害模様をも過検出してしまい、無害模様を過検出せずに軽度な疵を全て検出することはできないという課題がある。

これらの課題に対処するため、先ず第一の課題に対しては、同一光軸上あるいはその近傍からの測定が必要である。すなわち、拡散反射光を捉えるのでなく、鋼板４の正反射方向あるいはそれから大きく外れない方向からの測定のみで鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分との両成分が捉えられることが望ましい。そして、第二の課題に対しては、重み関数Ｉ（ξ）をある程度自由度を持って設定できることが望ましい。また、第三の課題に対しては、軽度な疵と無害模様をともに検出したとしても、それらを区別する手段を有することが必要である。

そこで、本発明においては、まず光源として、レーザのような平行光源ではなく拡散特性をもつ線状の光源、すなわち線状拡散光源を用いている。また、鋼板４の正反射方向から鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分とを分離して抽出する必要があり、また、同程度のコントラストを有する疵と無害模様の判別をする必要があるので偏光を用いている。

図１３は、線状拡散光源の各位置からの各入射光と鋼板上の入射位置との関係を示す図である。線状拡散光源の効果を説明するために、図１３（ａ）（ｂ）に示すように、線状拡散光源１４を鋼板４の表面に平行に配置し、光源に垂直な面内にあり、入射角が出射角と一致する方向である鋼板正反射方向から鋼板４上の一点を観察したときの反射特性を考える。

図１３（ａ）に示すように、線状拡散光源１４の中央部から照射された入射光８の場合、テンパ部６に入射した入射光８は鏡面的に反射され、鋼板正反射方向で全て捉えられる。一方、非テンパ部７に入射した光は鏡面拡散的に反射され、たまたま鋼板法線方向と同一方向を向いている微小面素１３により反射された分のみが捉えられる。このような方向を向いている微小面素１３は非常に少ないので、鋼板正反射方向に配設された受光カメラで捉えられる反射光のうちではテンパ部６からの鏡面反射光が支配的である。

これに対し、図１３（ｂ）に示すように、線状拡散光源１４の中央部以外の位置から照射された入射光８の場合には、テンパ部６に入射した光は鏡面反射して鋼板正反射方向とは異なる方向へ反射する。そのため、鏡面反射した光は鋼板正反射方向では捉えることができない。一方、非テンパ部７に入射した光は鏡面拡散的に反射され、そのうち鋼板正反射方向に反射された分が受光カメラで捉えられる。したがって、鋼板正反射方向に配設された受光カメラで捉えられる反射光は、全て非テンパ部７で反射した鏡面拡散反射光である。

以上２つの場合を併せると、線状拡散光源１４の長尺方向全体から照射される全ての入射光８のうち鋼板正反射方向からの観察で捉えられるのは、テンパ部６からの鏡面反射光と非テンパ部７からの鏡面拡散反射光との和である。

次に、鋼板４の正反射方向から線状拡散光源１４を使用して観察した場合に、偏光状態がどう変化するかについて、以下に説明を行う。図１４は、線状拡散光源の各入射光が偏光されていた場合における反射光の偏光状態を示す図である。

一般に、鏡面状の金属表面での反射においては、電界の方向が入射面に平行な光（ｐ偏光）あるいは入射面に直角な光（ｓ偏光）においては、反射によっても偏光特性は保存される。すなわち、ｐ偏光のまま又はｓ偏光のまま出射する。また、ｐ偏光成分とｓ偏光成分とを同時に持つ任意の偏光角を有した直線偏光が反射されると、ｐ、ｓ偏光の反射率比 tanΨ及び位相差Δに応じた楕円偏光となって出射する。

合金化亜鉛メッキ鋼板に線状拡散光源１４から光が照射される場合を、図１４（ａ）（ｂ）を用いて説明する。線状拡散光源１４の中央部から出射した光は、図１４（ａ）に示すように、鋼板４のテンパ部６で鏡面反射して鋼板正反射方向で観察される。これに関しては上記一般の鏡面状の金属表面での反射がそのまま成立する。

一方、線状拡散光源１４の中央部以外の位置から出射した光は、図１４（ｂ）に示すように、鋼板４の非テンパ部７の結晶表面の傾いた微小面素１３で鏡面反射して鋼板正反射方向で観察される。この場合、鋼板４の入射面に平行なｐ偏光の光を入射したとしても実際に反射する傾いた微小面素１３に対して考えた場合には、入射光の偏光方向は微小面素１３の入射面に対して平行ではなく、ｐ、ｓ両偏光成分を持つ直線偏光であるため、楕円偏光となって出射する。線状拡散光源１４からｓ偏光を入射した場合も同様である。

また、線状拡散光源１４からｐ、ｓ両偏光成分を持つ任意の偏光角αの直線偏光が鋼板４に入射した場合、線状拡散光源１４の中央部以外の位置から傾いた微小面素１３に入射した光は、偏光角αが傾いて作用するため、鋼板正反射方向に出射する楕円偏光の形状は、線状拡散光源１４の中央部から入射してテンパ部６で鏡面反射した光とは異なる。

図１５は、線状拡散光源の中央部からの各入射光が偏光されていた場合における微小面素からの反射光を示す図である。以下、ｐ，ｓ両成分をもつ直線偏光を線状拡散光源１４から鋼板４に入射する場合について詳細に検証する。

まず、図１５に示すように、線状拡散光源１４からの入射光８を方位角（偏光角α）を有する偏光板１５で直線偏光にした後、水平に配置された鋼板４に入射させ、その正反射光あるいは正反射から外れてはいるが鏡面拡散反射光が支配的な受光角における反射光（以下「正反射近傍拡散反射光」と称す）を受光カメラ１６で受光する。調質圧延された鋼板の場合、少なくとも正反射から１０度ずれる範囲までは、正反射近傍拡散反射ということができる。

正反射光を受光する場合には、前述したように、線状拡散光源１４上のＣ点から出射された入射光８については、鋼板４におけるテンパ部６により鏡面反射された成分、及び、非テンパ部７におけるたまたま法線が鋼板４の鉛直方向を向いた法線角度ξ＝０の微小面素１３から鏡面拡散反射された成分が鋼板４上のＯ点から受光カメラ１６方向へ反射する光に寄与している。

また、正反射近傍拡散反射光を受光する場合には、テンパ部６からの反射は寄与せず、非テンパ部７におけるたまたま法線角度ξ＝η₀≡（θ−θ’）／２、の方向を向いた法線角度の微小面素１３から鏡面拡散反射された成分が、鋼板４上のＯ点から受光カメラ１６方向へ反射する光に寄与している。

ここで、前者の正反射光の場合は、θ＝θ’の特別な場合と考えることができるので、以下、後者の正反射近傍拡散光を受光する場合について議論を展開する。尚、以下の議論は、受光カメラ１６の受光角が正反射方向から大きく外れ、完全拡散反射光が支配的になる場合には成立しないことは留意する必要がある。

一方、図１６は、線状拡散光源の中央部以外の位置からの各入射光が偏光されていた場合における微小面素からの反射光を示す図である。図１６に示すように、線状拡散光源１４上の鋼板４のＯ点から見て角度φだけずれた点Ａからの入射光８については、鏡面反射成分は受光カメラ１６方向とは異なる方向に反射されるため、微小面素１３による鏡面拡散反射成分のみが寄与する。

ここで、入射光８の入射方向を示す角度φと寄与する微小面素１３の基準法線角度η₀からのずれ量ηとの関係は、入射光８の鋼板４に対する入射角度θを用いて、簡単な幾何学的考察により、(2)式あるいはその変形である(3)式で与えられる。

cos η＝［２・ cosθ₀・ cos² （φ／２）］ ／［sin ² φ＋４・｛ cos² θ₀・ cos⁴（φ／２） ＋sin ² θ₀・ sin⁴（φ／２）｝］^1/2 …(2)
cos η＝ cosθ₀・（１＋ cos φ） ／［２・（１＋ cos ^２θ₀・ cos φ）］^1/2 …(3)
ここで、θ₀は、θ₀≡θ−η₀＝（θ＋θ’）／２、であり、微小面素１３における鏡面拡散反射の実効的な入射角、反射角に相当する。当然のことながら、正反射光を受光する場合は、θ₀＝θ＝θ’となる。また、このときの、φと鉛直方向基準とした場合の微小面素の法線角度ξとの関係は、下式にて与えられる。

cos ξ＝ cosθ’＋cosθ・cos φ ／［２・｛１＋ cos （θ＋θ’）・ cos φ｝］^1/2 …(4)
θ＝θ’＝θ₀の場合には、(4)式は(3)式と一致する。

次に、このようにして反射された光の偏光状態について考える。Ｃ点から出射された入射光８が、方位角（偏光角）αの偏光板１５を通り、鋼板４上のＯ点にて鏡面反射された後の偏光状態Ｅ_C は、偏光光学で一般に用いられるジョーンズ行列を用いて、以下の(5)式で表される。

Ｅ_C ＝Ｔ・Ｅ_in ・・・・・(5)
但し、Ｅ_inは偏光板１５の方位角（偏光角）αの直線偏光ベクトルを示し、Ｔは鋼板４の反射特性行列を示す。そして、直線偏光ベクトルＥ_in及び反射特性行列Ｔは、それぞれ(6)、 (7) 式で与えられる。

但し、 tanΨ：ｐ，ｓ偏光の振幅反射率比、 Δ：ｐ，ｓ偏光の反射率の位相差、ｒ_S ：ｓ偏光の振幅反射率
同様に、線状拡散光源１４上のＡ点から出射した入射光８が、法線角度ξの微小面素１３で受光器１６方向に反射された光の偏光状態Ｅ_A は、入射面が偏光板１５及び受光カメラ１６の検光子１７と直交しているとすれば(8) 式で与えられる。但し、Ｒは回転行列であり、(9) 式で与えられる。

Ｅ_A ＝Ｒ（η）・Ｔ・Ｒ（−η）・Ｅ_in ・・・・・（8）

(5) 式は、(8) 式において微小面素１３の法線角度η₀＝η＝０とした特別の場合であり、正反射光を受光する場合の鏡面反射成分についても鏡面拡散反射成分についても、また、正反射近傍拡散光を受光する場合についても(8) 式を用いて統一的に考えることができる。(8) 式を計算し、法線角度 ηの微小面素１３からの反射光の楕円偏光状態を図示すると、図１７に示すようになる。

但し、ここで入射偏光の方位角（偏光角）αは４５°、入射角θは６０°、鋼板４の反射特性としてｐ，ｓ偏光の振幅反射率比の逆正接Ψ＝２８゜、ｐ，ｓ偏光の反射率の位相差Δ＝１２０゜とした。図１７より、法線角度η＝０、すなわち 線状拡散光源１４の中央部から照射された入射光の場合の楕円に対して基準法線角度η₀からのずれ量ηの値が変化するに従って、楕円が傾いていくのが理解できる。

したがって、例えば受光カメラ１６の前に検光子１７を挿入し、その検光角βを設定することによって、どの法線角度ξの微小面素１３からの反射光をより多く抽出するかを選択することができる。

このことを定量化するために、図１６に示すように、(5) 式で表される偏光状態Ｅ_A の反射光に対して検光角βの検光子１７を挿入した後における偏光状態Ｅ₀ を求めると、(10) 式となる。但し、Ａは検光子１７を表す行列であり、(11) 式で示される。

Ｅ₀ ＝Ｒ（β）・Ａ・Ｒ（−β）・Ｅ_A ＝Ｒ（β）・Ａ・Ｒ（−β）・Ｒ（ η）・Ｔ・Ｒ（− η）・Ｅ_in …(10)

次に、上記(10) 式から受光カメラ１６で検出する法線角度ξの微小面素１３からの反射光の光強度を求める。前述したように、該当微小面素１３の面積率をＳ（ξ）とすると、下記（12）式が成立する。

Ｓ（ξ）・｜Ｅ₀ ｜² ＝ｒ_S ² Ｅ_P （φ）² ・Ｓ（ξ）・Ｉ（ η，β） ・・・(12)
ここで、（12）式のＩ（ η，β）は、下記（13）式でもとめる。

Ｉ（ η，β）＝ tan² Ψ・ cos² （ η−α）・ cos² （ η−β） ＋２・ tanΨ・ cosΔ・ cos（ η−α）・ sin（ η−α） × cos（ η−β）・ sin（ η−β） ＋ sin² （ η−α）・ sin² （ η−β） …(13)
上式におけるＩ（ η，β）は、前述したように、基準法線角度 η₀からのずれ量ηの微小面素１３からの反射光をどの程度抽出できるかを示す重み関数であり、光学系及び被検体の偏光特性に依存する。そして、それに鋼板４の反射率ｒ_S ² 、入射光光量Ｅ_P ²、面積率Ｓ（ξ）を乗じて、光源の有効範囲に亘りφに関して積分したものが検出される光強度になる。

表面処理鋼板などのように、鋼板表面の材質が均−な対象を考える場合は反射率ｒ_S ² の値は一定と考えられる。また、入射光光量Ｅ_P ²（φ）は、入射光量が光源の位置によらず均一ならば同じく一定の値としてよい。

したがって、受光カメラ１６が検出する光強度Lを求めるには、法線角度ξの微小面素１３の面積率Ｓ（η）と重み関数Ｉ（ η，β）とを考えればよく、すなわち、受光される光強度は(14)式で考えればよい。

L ＝ ∫S（ξ）Ｉ（η，β）・ｄφ・・・(14)
図１８は、検光子の検光角を変更した場合における微小面素の基準法線角度からのずれ量と重み関数との関係を示す図である。検光子１７の検光角βが−４５°、４５°及び０°の場合における微小面素１３の基準法線角度η₀からのずれ量ηと重み関数の例を示す。但し、見やすさのために重み関数の最大値を［１］に規格化してある。また、ここでも、鋼板４の反射特性として、前述した反射率比の逆正接Ψ＝２８°、位相差Δ＝１２０°を採用し、線状拡散光源１４からの入射光８に対する偏光板１５の方位角（偏光角）α＝４５°を採用した。

図１８の特性から、β＝−４５°の場合、基準法線角度 η₀からのずれ量η＝０°、すなわち鏡面反射成分が最も支配的で、逆に基準法線角度 η₀からのずれ量η＝±３５°付近の微小面素１３からの鏡面拡散反射光が最も抽出されないことが理解できる。

また、逆に基準法線角度 η₀からのずれ量η＝±３５°の反射光を最もよく抽出するような検光子１７の検光角βを(12)式及び(13)式より求めると、およそβ＝４５°である。なお、図１８の重み関数Ｉ（ξ，β）の特性が左右対称でないのは、入射面（微小面素１３に対する入射光８と反射光により張られる平面）を基準に考えると、微小面素１３の基準法線角度η₀からのずれ量ηが正の場合、見かけ上入射光８の偏光の方位角（偏光角）αが小さくなる（ｐ偏光に近づく）ことと、鋼板４のｐ偏光反射率がｓ偏光反射率より小さいことによる。さらに、検光子１７の検光角β＝４５°の場合よりも更に大きなηについて感度のあるβ＝０°についても図１８に示した。

さて、(14)式に戻って考えることとする。積分変数をφ→η→ξと変換して計算することを考えると、ξは正で定義されているから、積分区間を正負で分けて考える必要がある。すなわち、(14)式を以下の(15)式のように変形する。

L ＝ ∫S（ξ）Ｉ（η，β）・ｄφ
＝ ∫_φ＞0 S（ξ）Ｉ（η，β）・ｄφ ＋∫_φ<0 S（ξ）Ｉ（η，β）・ｄφ
＝ ∫_φ＞0 S（ξ）Ｉ（η，β）・ｄφ ＋∫_φ＞0 S（ξ）Ｉ（−η，β）・ｄφ
＝ ∫_φ＞0 S（ξ）｛Ｉ（η，β）＋Ｉ（−η，β）｝ｄφ ・・・(15)
ここで、図１８に対応する形で、以下の(16)式を計算すると、図１９のようになる。ただし、ここでも最大値を１に規格化してある。ここで、
Ｉs（η，β）＝Ｉ（η，β）＋Ｉ（−η，β） （η≧０）・・・(16)
とおき、積分変数をφからξに変換すると、以下の(17)式のように表せる。

L ＝ ∫_φ＞0 S（ξ）Ｉs（η，β）・（dφ／ｄη）・（ｄη／ｄξ）・dξ・・・(17)
上記(17)式で、限られた範囲においてはｄφ／ｄη≒１と見なせるので、以下の(18)式のように表せる。

L ≒ ∫_φ＞0 S（ξ）Ｉs（η，β）・（ｄη／ｄξ）・dξ ・・・(18)
さらに、正反射光を受光する場合には、η₀＝０、η＝ξであるから、(18)式は、以下の(19)式のように表せる。

L ≒ ∫_φ＞0 S（ξ）Ｉs（ξ，β）・dξ ・・・(19)
一方、正反射から外れた角度にて受光する場合には、ｄη／ｄξを考慮する必要がある。ξとηの関係は、(20)式にて与えられる。

cosξ＝cosη₀・（１＋ cos η）／［２・（１＋ cos ２η₀・ cos η）］^1/2 ・・・(20)
これから計算すると、ｄη／ｄξはξ＝η0に鋭いピークを持つ関数となる。従って、結果的に(18)式は、S（ξ）からξ＝η0付近の微小面素を抜き出して観測することを意味する。

以上、微小面素の角度分布に違いのある疵について議論してきた。次に、鋼板表面に擬似欠陥模様が付着した場合を考える。

擬似欠陥模様は、例えば、油の付着や表面処理工程における金属酸化膜のむら、水切り不良など誘電体質の薄膜状のものが多い。このような薄膜が付着すると、表面が平滑な基板に付着した場合には、エリプソメトリなどで説明されるように薄膜による多重反射の影響でΔがより変化することが知られている。

発明者は、本発明の検査対象にこのような薄膜が付着した場合、以下のようなミクロモデルが成立することを見出した。すなわち、テンパ部や非テンパ部の微小面素の傾きが大きくない範囲では、薄膜が鋼板表面のミクロ形状に倣って付着しており、上記エリプソメトリックな現象が成り立っている。この非テンパ部の微小面素の傾きが大きくない範囲というのは、前述の正反射近傍拡散反射を生ずる微小面素と概ね一致すると考えられる。

逆に、非テンパ部の微小面素の傾きが大きい範囲では、薄膜の表面張力の関係で、微小面素に比して傾きが小さい状況で付着している。その結果、もはやエリプソメトリックな現象は成り立たず、エリプソメトリで記述されるようなΔの変化は期待できない。図２０は、検査対象の鋼板におけるテンパ部と非テンパ部における無害模様の付着状況を示す断面模式図である。

従って、正反射あるいは正反射近傍拡散反射においては、無害模様の有無はΔの変化として検出信号に影響を与える。ここで、Δが変化したときの検出信号の変化は、前述の(12)、(18)式より、以下の(21)式で与えられる。

ｄＩs（η，β）／ｄΔ
＝−２・tanΨ・sinΔ・｛cos（η−α）・cos（η−β）・sin（η−α）・sin（η−β）
＋cos（η＋α）・cos（η＋β）・sin（η＋α）・sin（η＋β）｝・・・(21)
ここで、入射光は、ｐ及びｓ偏光いずれも含む偏光であるから、方位角αは０°＜α＜９０°であり、例えばα＝４５°である。また、正反射または正反射近傍拡散反射で、η＝０の面積率が支配的と見なせる場合には、(21)式は以下の(22)式のように書ける。

ｄＩs（η，β）／ｄΔ
＝−４・tanΨ・sinΔ・cosα・cosβ・sinα・sinβ ・・・(22)
ここで、カメラの前の検光子の検光角β＝０と設定すると、sinβが０と見なせるため、検出信号の変化はなくなる。すなわち、無害模様は検出できない条件となる。

また、例えば、β＝−４５°とすると(22)式の右辺は正であるから、無害模様があってΔが減少する際にはＩsも減少、すなわち無害模様が付着していない正常部に比べ膜は暗く観察される。逆にβ＝４５°とすると、(22)式の右辺は負となるから、無害模様があってΔが減少する際にはＩsは増加、すなわち無害模様が付着していない正常部に比べ膜は明るく観察される。

これは、３つのカメラの前で使用する検光子の方位角の設定により、各カメラでの見え方（無害模様が明るく見えるか暗く見えるかのパタン）が変わってくるため、模様状ヘゲなどの疵の見え方のパタンと異なる方位角の設定をしておけば、疵と無害模様の弁別が可能になる。

また、別の無害模様として、高い光沢を有する部分が存在する場合がある。図２１は、通常部と高光沢部の顕微鏡観察画像を示す図である。焼鈍後に急速冷却による焼入れを行う高張力鋼板などで発生することが多い形状不良により、板形状の凸の部分がロールと擦れて平坦な金属面になって、図２１に示すように高光沢部として表れていることによる。

このような金属面は、鏡面反射成分が支配的で、正反射あるいは正反射近傍反射の方向のカメラにより大きな反射光が受光され、排除するのが難しい過検出要因となる。

図２４は、無害模様（高光沢）部における微小面素の法線角度と面積率との関係を示す図である。これは、図２４に示すような微小面素の法線角度と面積率の関係になるものである。図１０（ａ）のタイプと比較すると、似ているが、それに比べて法線角度ξ＝０°の面積率が大きく、広がりが小さいものとなっている。

これを解消するためには、鏡面反射成分を全く受光しない、あるいは、鏡面反射成分の重みを極力小さくする工夫が必要である。そこで、λ／４板（１／４波長板）を使用する。図２２は、検光子の前面にλ／４板を挿入し微小面素からの反射光受光を示す図である。図２２に示すように、受光カメラ１６の検光子１７の前面にλ／４板１８を挿入する。

図２３は、η＝０に対応する鏡面拡散反射光の楕円偏光とλ／４板透過後の直線偏光を示す図である。

すなわち、図１７における微小面素１３の法線角度η＝０に対応する鏡面拡散反射光の楕円偏光の長短軸に合わせてλ／４板１８を挿入すると、このλ／４板１８を透過した光は、ｐ，ｓ偏光の反射率の位相差Δ（−１８０≦Δ≦１８０）の正負によって、図２３に示すように、入射した楕円偏光を囲む矩形の対角線を示すいずれかの直線偏光に変換される。

そして、その直線偏光に直交するように検光子１７の方位角（偏光角）βを設定すれば、鏡面反射成分は完全に遮断される。

それに対して、法線角度η≠０の鏡面拡散反射成分の楕円偏光は長短軸がずれているために、λ／４板１８を透過しても形状は変換されるが楕円偏光のままであるから、検光子１７を透過する。 このようにして、λ／４板１８及び検光子１７を用いることによって、正反射光に含まれる鏡面反射成分を遮断し、鏡面拡散反射成分のみを抽出することが可能になる。 従って、鏡面拡散反射成分の違いは、高光沢部と正常部とでほとんどないため、結果的に高光沢部のむらを消すことができる。

ただし、高光沢部の鏡面反射成分が母材部に比べ非常に大きい（法線角度ξ＝０の面積率が非常に高い）場合には、それだけではコントラストを抑制できない場合もある。その場合には、正反射位置から少し外した正反射近傍反射位置で受光することにより、鏡面反射成分を予め抑制しておき、その抑制された鏡面反射成分にλ／４板をさらに働かせることにより、コントラストを完全に抑制することが可能になることが、上述したモデルからも理解できる。

λ／４板及び偏光板の角度は、当然のことながら、高光沢部と正常部との性状により左右されるが、いずれにしても高光沢部からの鏡面反射成分を遮断するということであるから、反射光量極小となる条件を探すことにより実現できる。図２５に、偏光板が極小の角度条件からずれた場合の高光沢部と正常部の信号の変化を示す。信号が正常部との差「１０」の疵を検出しようと思うと、偏光角の許容範囲は±４度（°とも表記する） 以内に調整されていれば、高光沢部のむらは疵信号よりも小さくなることがわかる。図２５に示すように、λ／４がずれた場合も同様である。両者がともにずれた場合は、±３度ずつ以内のずれであれば、それぞれのずれによる高光沢部の信号増加が５以内に収まるので、合計１０以内に収めることができる。

ここで、各種疵、無害模様が存在した場合の動作について考える。

まず、鋼板４の表面に、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されるような特性のヘゲ部１１が存在した場合を考える。まず、図１０（ｂ）のように鏡面反射成分のみに違いがある場合を考える。このような疵を正反射位置において検光角β＝−４５°の検光子１７を通して受光したときの光強度は、図１０（ｂ）に示す面積率Ｓ（ξ）に図１８で表される重み関数Ｉ（ξ，β）をかけて積分したものに相当するから、母材部１２とヘゲ部１１との反射光量の違いを大きな信号差として検出することができる。

また、同一疵を正反射位置において、検光角β＝４５°または、０°の度検光子１７を通して受光したときの光強度については、図１０（ｂ）に示すように、鏡面拡散反射成分に違いがないため、図１８の検光角β＝４５°または、０°の重み関数Ｉ（ξ，β）をかけて積分することを考えると明らかなように、母材部１２とヘゲ部１１との違いを検出することができないか、検出できてもその信号の差は小さい。

また、同一疵を正反射近傍拡散反射（受光角５０°）で、λ／４板と検光子を通して受光したときの光強度については、ξ＝０からすこし外れた法線角度で、無害模様（高光沢部）に比べ面積率が高くなっている角度の微小面素からの反射光の違いを検出することができる。ただし、無害模様（高光沢部）と特性が近くなると、信号レベルは小さくなる場合がある。

さらに、図１０（ｃ）のように鏡面拡散反射成分のみに違いがある場合には、逆に、検光角β＝−４５°の検光子１７を通したのでは検出できないか、検出できてもその信号の差は小さく、検光角β＝４５°の度検光子１７を通したときに大きな信号差として検出できる。但し、母材部１２とヘゲ部１１の鏡面拡散反射成分の違いがなくなっている法線角度ξは、図１０（ｃ）では法線角度ξ＝３０°付近であったが、もし、その角度がたまたま０°と３０°の間となる疵があると、検光角β＝４５°の検光子１７を通しても検出できないか、検出できてもその信号の差は小さくなる。

その場合は、正反射位置において別の重み関数となるような検光角β（例えば９０゜）の検光子１７をもうーつ別に用意し、３番目の受光カメラで受光することが考えられる。

しかし、その検光角の重み関数が、検光角β＝４５°の重み関数Ｉ（ξ，４５）や、検光角β＝−４５°の重み関数Ｉ（ξ，−４５）との重なりが小さくなく、完全に独立した情報は得られない場合もある。また、ξ＝０°の重み関数の値が大きくなり、違いがない鏡面反射光ばかり多く拾ってしまって、鏡面拡散反射の違いが捕らえられない場合もある。

この場合は、３番目の受光カメラを正反射近傍拡散反射方向に設置すればよい。例えば、入射光８の入射角θ＝６０°の場合、正反射光から１０°程度ずらした位置、すなわち５０°方向の拡散位置に３番目の受光カメラを設置すればよい。さらにλ／４板を挿入して鏡面反射成分を遮断すれば、鏡面拡散反射成分の違いを明確に捉えることができるようになる。ただし、微小面素の角度分布によっては、信号レベルが小さいこともある。

一般に、鋼板４の表面の母材部１２とヘゲ部１１の反射特性は図１０（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のいずれかであるので、ヘゲ部１１の見落としをなくするためには、３つの異なる重み関数Ｉ（ξ）を用い、対応する３つの法線角度ξの微小面素１３からの反射光を抽出して受光するようにすることが必要である。

なお、図１０（ａ）のように鏡面反射成分、鏡面拡散反射成分ともに違いがある場合には、基本的には、例えば−４５°と＋４５°とのいずれの検光子１７を通した反射光でも母材部１２とヘゲ部１１との違いを検出できる。

したがって、本発明では、線状拡散光源１４を用い、第１の受光手段で被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分に比較して鏡面反射成分をより多く抽出する検光子を通して受光し、第２の受光手段で被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面反射成分に比較して鏡面拡散反射成分をより多く抽出する検光子を通して、第３の受光手段で被検査面からの正反射近傍拡散反射光を検光子を通して検出している。

よって、図１０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す鋼板４の表面の各反射特性におけるヘゲ部１１の存在を母材部１２との比較において確実に検出できる。このような光学系により、速度変化に影響されることなく、鏡面反射・鏡面拡散反射それぞれに対応した３つの信号を正反射光を受光するカメラの検光子の方位角を設定することにより、ある程度の柔軟性をもつて得ることが可能になり、顕著な凹凸性を持たない模様状ヘゲ疵を検出もれが生じることなく検出可能な表面疵検査装置及び表面疵検査方法が実現する。また、疵と同様のコントラストを有する無害模様については、３カメラの明暗パタンが疵と無害模様とで異なるため、検出したとしても容易に疵と無害模様を判別できる。ただし、明瞭な疵を対象とする場合であれば、正反射近傍拡散反射を受光するカメラだけで十分な場合もある。

図１は、本発明に係る表面疵検査装置の概略構成例を示す図である。図１（ａ）は側面図を、図１（ｂ）は上面図をそれぞれ表す。図中、２１は鋼板、２２は線状拡散光源、２３は入射光、２４はシリンドリカルレンズ、２５は偏光板、２６は反射光、２７ａは第１の受光カメラ、２７ｂは第２の受光カメラ、２８は第３の受光カメラ、２９ａは第１の受光カメラの検光子、２９ｂは第２の受光カメラの検光子、２９ｃは第３の受光カメラの検光子、および４０は信号処理部をそれぞれ表す。

本表面疵検査装置は、例えば、製鉄工場における合金化亜鉛メッキ鋼板の品質検査ラインに設置されている。図中の矢印方向に搬送状態の鋼板２１の搬送路の上方位置に、この帯状の鋼板２１の幅方向に線状拡散光源２２が配設されている。この線状拡散光源２２は、一部に拡散反射塗料を塗布した透明導光棒の両端から内部へメタルハライド光源の光を投光することによって、幅方向に一様の出射光を得る。

線状拡散光源２２の各位置から出射された鋼板２１に対する入射光２３は、シリンドリカルレンズ２４と偏光板２５を介して走行状態の鋼板２１の全幅に対して例えば６０°の入射角θで照射する。偏光板２５の方位角（偏光角）αは４５°に設定されている。

鋼板２１で反射された反射光２６は鋼板正反射方向、すなわち鋼板２１の法線方向に対して６０°方向に配置された第１の受光カメラ２７ａ及び第２の受光カメラ２７ｂに入射する。また、鋼板２１の法線方向に対して５０°の受光角度方向に第３の受光カメラ２８が配設されている。

この第１，第２，第３の受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８は、各光軸が鋼板２１の幅方向に設定されたリニアアレイカメラで構成されている。そして、３台の受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８の視野のずれは、信号処理部４０において補正している。このように各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８の光軸が一致、平行もしくは近接していると、この３台の受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８の各画素は鋼板２１幅方向についてはほぼ同一視野サイズで一対一に対応する。このように、光軸が一致、平行もしくは近接した配置をとることにより、パスラインの変動があっても３台の受光カメラの視野は大きくずれることはない。

第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂのレンズの前面には、検光角βがそれぞれ−４５°、４５°に設定された検光子２９ａ，２９ｂが取付けられている。なお、第３の受光カメラ２８の前面には検光角βが０°に設定された検光子２９ｃが取り付けられており、鋼板２１からの正反射近傍拡散反射光を受光する。ここで、各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８として、リニアアレイカメラの代りに２次元ＣＣＤカメラを使用することもできる。

また、線状拡散光源２２として、蛍光灯を使用することもできる。また、バンドルファイバの出射端を直線上に整列させたファイバ光源を使用することもできる。各ファイバからの出射光は、ファイバのＮ／Ａに対応して充分な広がり角を持つため、これを整列させたファイバ光源は実質的に線状拡散光源となるためである。

各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８で受光された反射光２６及び拡散反射光における鋼板２１の幅方向の１ライン分の各画素毎の光強度はそれぞれ光強度信号ａ，ｂ，ｃに変換されて判定処理部としての信号処理部４０へ送信される。

図２は、信号処理部の処理ブロック例を示す図である。−４５°の検光子２９ａが組込まれた第１の受光カメラ２７ａ、＋４５°の検光子２９ｂが組込まれた第２の受光カメラ２７ｂ、及び０°の検光子２９ｃが組込まれた受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８から入力された各光強度信号ａ，ｂ，ｃはそれぞれ平均値間引き部３０ａ，３０ｂ，３０ｃへ入力される。

各平均値間引き部３０ａ，３０ｂ，３０ｃは、各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８のスキャン周期毎に各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８から入力される各光強度信号ａ，ｂ，ｃを平均し、鋼板２１が信号処理における長手方向分解能に相当する距離を移動した場合に、１ライン分の信号を出力する。

このような間引き処理を行うことにより、鋼板２１の搬送速度が変化しても信号処理における１ラインの鋼板移動方向の分解能を一定にすることができる。また、スキャン周期毎の各光強度信号ａ，ｂ，ｃを平均しているので、信号処理における１ラインの鋼板移動方向の分解能が受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８の鋼板移動方向の視野サイズよりも十分大きい場合にも、間を細かく測定した平均値を用いることができるので、見落としをなくすことができる。

各平均値間引き部３０ａ，３０ｂ，３０ｃで信号処理された各光強度信号ａ，ｂ，ｃは次の各前処理部３１ａ，３１ｂ，３１ｃへ入力される。各前処理部３１ａ，３１ｂ，３１ｂは、１ラインの信号の輝度ムラを補正する。ここでいう輝度ムラには、光学系に起因するムラも鋼板２１の反射率に起因するムラも含まれる。また、各前処理部３１ａ，３１ｂ，３１ｃは、鋼板２１の両側のエッジ位置も検出し、エッジにおける急激な光強度信号ａ，ｂ，ｃの変化を疵と誤認識することを防ぐ処理も実施する。各前処理部３１ａ，３１ｂ，３１ｃで信号処理された各光強度信号ａ，ｂ，ｃは次の各２値化処理部３２ａ，３２ｂ，３２ｃへ入力される。

各２値化処理部３２ａ，３２ｂ，３２ｃは、各光強度信号ａ，ｂ，ｃに含まれる各画素のデータを予め決められたしきい値と比較し、疵候補点を抽出して、次の特徴量算出部３３ａ，３３ｂ，３３ｃへ送出する。

特徴量抽出部３３ａ，３３ｂ，３３ｃは、一続きとなっている疵候補点をーつの疵候補領域と判定し、例えばスタートアドレス、エンドアドレスなどの位置特徴量や、ピーク値などの濃度特徴量などを算出する。

カメラ間特徴量対応付け部３４では、各受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８に対応する各特徴量抽出部３３ａ，３３ｂ，３３ｃにより算出された位置特徴量に基づいて、異なるカメラで検出した同一疵の特徴量の対応付けをする。そして、二次特徴量算出部３５では、各カメラ単独の特徴量以外に、各カメラの濃度積算値の符号（＋、−、０）の組み合わせである明暗パタンなどの二次特徴量を演算する。さらに、疵種・無害模様判定部３６では、二次特徴量算出部３５での特徴量により、検査対象としての鋼板２１に対する最終的な疵種及びその程度を判定する。

このように、特徴量単位で受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８相互間の視野ずれの補正を行うので、受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８相互間の視野を画素単位で調整しておく必要はない。

図１に示す表面疵検査装置を用いた、合金化亜鉛鍍金鋼板の表面疵の測定結果を、図３，図４に示し、その測定結果に基づく判定結果を、表１に示す。測定した各疵は、図１０（ｂ）に示すテンパ部６の面積率Ｓ（ξ）がヘゲ部１１で母材部１２より大きいが、非テンパ部７の拡散性は変わらない疵と、図１０（ｃ）に示すテンパ部６の面積率Ｓ（ξ）にはヘゲ部１１と母材部１２間に大きな差はないが、例えば微小面素１３の法線角度ξが３０°付近の拡散性に差がある疵とである。

さらに、図１０（ｃ）に示す反射特性を有した疵のうち、前述した入射光２３の照射位置の鋼板２１の微小面素１３の法線角度ξが０°と３０°の間、例えば１５°である表面疵の測定を実施した。

そして、鋼板２１の幅方向の中央部に図１０（ｂ）に示すタイプの疵が発生した場合において、−４５°、４５°に検光子２９ａ，２９ｂの検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂ、及び０°に検光子２９ｃの検光角βが設定され受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８を幅方向に１ライン分走査して得られた鋼材２１の１幅分の光強度信号ａ，ｂ，ｃの変化を図３（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。

図示するように、−４５°に検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第１の受光カメラ２７ａの光強度信号ａに疵（ヘゲ部１１）に対応するピーク波形が発生する。この場合、４５°に検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第２の受光カメラ２７ｂの光強度信号ｂには疵（ヘゲ部１１）に対応するピーク波形は発生しない。

また、鋼板２１の幅方向の中央部に図１０（ｃ）に示すタイプの疵（微小面素１３の法線角度ξが３０°付近）が発生した場合において、−４５°、４５°に検光子２９ａ，２９ｂの検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂ、及び０°に検光子２９ｃの検光角βが設定され受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８を幅方向に１ライン分走査して得られた鋼材２１の１幅分の光強度信号ａ，ｂ，ｃの変化を、図３（ｄ）（ｅ）（ｆ）に示す。

図示するように、４５°に検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第２の受光カメラ２７ｂの光強度信号ｂに疵（ヘゲ部１１）に対応するピーク波形が発生する。この場合、−４５°に検光角βが設定された第１の受光カメラ２７ａの光強度信号ａには疵（ヘゲ部１１）に対応するピーク波形は発生しない。

さらに、図１０（ｃ）に示す反射特性を有した疵のうち、前述した入射光２３の照射位置の鋼板２１の微小面素１３の法線角度ξが０°と３０°の間、例えば１５°である表面疵が発生した場合において、−４５°、４５°に検光子２９ａ，２９ｂの検光角βが設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂ、及び０°に検光子２９ｃの検光角βが設定され受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８を幅方向に１ライン分走査して得られた鋼材２１の１幅分の光強度信号ａ，ｂ，ｃの変化を図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。

図示するように、受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８の光強度信号ｃに疵（ヘゲ部１１）に対応するピーク波形が発生する。この場合、−４５°、４５°に検光角βが設定された第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂの各光強度信号ａ，ｂには疵（ヘゲ部１１）に対応する顕著なピーク波形は発生しない。

また、無害模様が発生した場合において、−４５°、４５°に検光子２９ａ，２９ｂの検光角βが設定された第１，第２の受光カメラ２７ａ，２７ｂ、及び０°に検光子２９ｃの検光角βが設定され受光角が５０°に設定された第３の受光カメラ２８を幅方向に１ライン分走査して得られた鋼材２１の１幅分の光強度信号ａ，ｂ，ｃの変化を、図５（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。

図示するように、λ／４板と検光子２９ｃの検光角βが鏡面反射成分を遮断する角度に設定され受光角が５０°に設定された第３の受光カメラでは無害模様に対応する顕著なピーク波形は発生しないが、検光角が−４５°に設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第１のカメラ、および、検光角が４５°に設定され受光角が６０°（正反射）に設定された第２のカメラでは無害模様に対応する正のピーク波形が発生する。

表１に検出状況をまとめる。また、本実施例にて検出した状況に対応する明暗パタン特徴量も記した。この特徴量は、例えば、正として検出を２、負として検出を１、検出せずを０と３進数にて表現し、各カメラを各ビットに並べたものである。

この特徴量は、例えば、検出した場合の信号レベルを予め設定された閾値で高低にわけ（下表の○、△に対応）、正負それぞれに設定することにより、検出状況を５進で表すことにより詳細な明暗パタン特徴量を設け、より細かな疵種・無害模様の判別に用いることもできる。

なお、比較のため、従来例で、入射角６０°で光を入射し、正反射方向（６０°）と入射方向から３０°ずれた受光角（−３０゜）方向から無偏光で測定した結果も同時に記載した。

従来例では、２つの受光角で受光しノイズ除去のために論理和をとっているが、これらの疵については、２つの受光角を同時に検出することは不可能である。さらに言うと、どちらの受光角でも検出できない疵も存在する。また、無害模様も検出してしまい、過検出を避けることはできない。

それに対し、本発明の実施形態では、３つの異なる受光角に対応する反射光成分を、検光角βが異なる値に設定された２つの検光子２９ａ，２９ｂを用い、かつ受光角を鏡面反射方向とは異なる値に設定しているから、第１，第２，第３の受光カメラ２７ａ，２７ｂ，２８のうちのいずれかでヘゲ部１１を母材部１２に対して区別して検出することが可能である。また、検出する必要がある疵の反射特性に合わせて、無害模様を判別できる条件内にて検光角βを最適値に設定することも容易である。

１ 下地鋼板
２ メッキ層
３ 柱状結晶
４ 鋼板
５ａ ロール
５ｂ ロール
６ テンパ部
７ 非テンパ部
８ 入射光
９ 鏡面反射光
１０ａ 鏡面拡散反射光
１０ｂ 完全拡散反射光
１１ ヘゲ部
１２ 母材部
１３ 微小面素
１４ 線状拡散光源
１５ 偏光板
１６ 受光カメラ
１７ 検光子
１８ λ／４板
２１ 鋼板
２２ 線状拡散光源
２３ 入射光
２４ シリンドリカルレンズ
２５ 偏光板
２６ 反射光
２７ａ 第１の受光カメラ
２７ｂ 第２の受光カメラ
２８ 第３の受光カメラ
２９ａ 第１の受光カメラの検光子
２９ｂ 第２の受光カメラの検光子
２９ｃ 第３の受光カメラの検光子
３０ 第３の受光カメラのλ／４板
４０ 信号処理部

Claims (10)

1. 被検査面にｐ及びｓ成分のいずれをも含む偏光した光を入射する線状拡散光源と、
   前記被検査面からの拡散反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分を抽出し受光する受光手段とを具備したことを特徴とする表面疵検査装置であって、
   前記受光手段は、正反射から外れてはいるが鏡面拡散反射光が支配的な受光角における反射光である正反射近傍拡散反射光を受光する位置に配置され、
   鏡面反射成分を遮断するとともに、前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する向きにそれぞれ調節された１／４波長板と検光子とを具備したことを特徴とする表面疵検査装置。
2. 請求項１に記載の表面疵検査装置において、
   前記受光手段は、正反射からの角度のずれが１０度以内であることを特徴とする表面疵検査装置。
3. 請求項１または請求項２に記載の表面疵検査装置において、
   前記受光手段とともに、前記被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面反射成分を抽出し受光する第２の受光手段を具備したことを特徴とする表面疵検査装置。
4. 請求項３に記載の表面疵検査装置において、
   前記受光手段及び第２の受光手段でそれぞれ受光された鏡面反射成分及び鏡面拡散反射成分に基づいて前記被検査面の表面疵の有無を判定する判定処理部を具備したことを特徴とする表面疵検査装置。
5. 請求項１ないし請求項４のいずれか１項に記載の表面疵検査装置において、
   前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する１／４波長板と検光子は、
   受光光量最小となる方位角に対し、それぞれ±３度以内に調整されていることを特徴とする表面疵検査装置。
6. 線状拡散光源で被検査面にｐ及びｓ成分のいずれをも含む偏光した光を入射し、
   前記被検査面からの拡散反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面拡散反射成分を抽出し受光することを特徴とする表面疵検査方法であって、
   前記抽出し受光するにあたっては、
   正反射から外れてはいるが鏡面拡散反射光が支配的な受光角における反射光である正反射近傍拡散反射光を受光し、
   １／４波長板と検光子とを、鏡面反射成分を遮断するとともに、前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する向きにそれぞれ調節することを特徴とする表面疵検査方法。
7. 請求項６に記載の表面疵検査方法において、
   正反射からの角度のずれが１０度以内の反射光を受光することを特徴とする表面疵検査方法。
8. 請求項６または請求項７に記載の表面疵検査方法において、
   前記被検査面からの正反射光に含まれる鏡面反射成分と鏡面拡散反射成分のうち、鏡面反射成分を抽出し受光することを特徴とする表面疵検査方法。
9. 請求項８に記載の表面疵検査方法において、
   それぞれ受光された鏡面反射成分及び鏡面拡散反射成分に基づいて前記被検査面の表面疵の有無を判定することを特徴とする表面疵検査方法。
10. 請求項６ないし請求項９のいずれか１項に記載の表面疵検査方法において、
    前記拡散反射光に含まれる鏡面拡散反射光を抽出する１／４波長板と検光子は、
    受光光量最小となる方位角に対し、それぞれ±３度以内に調整されていることを特徴とする表面疵検査方法。