JP2018036175A - 鋼材の表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】疵、刻印、文字やマーキングの検出について、その識別を人手に頼らず高分解能にて安定的に検出、識別できる鋼板の表面検査装置及び表面検査方法を提供する。【解決手段】鋼材表面検査ラインに配置されたカラーラインカメラ２、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明３、画像処理装置５が配置され、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させる手段を有した処理装置、疵および／またはＩＤを検出し識別する手段を有した処理装置を備えた構成とする。【選択図】図１３

Description

本発明は、薄板・厚板などの鋼材の表面検査が必要となる工程において、ラインセンサーカメラと棒状光源を用いて疵の識別や、マーキング、吹付、打刻などによりなされたＩＤの識別を行い、表面を検査する装置に関するものである。

従来から、鋼材の走間検査工程、例えば厚板の走間検査工程において、出荷前に検査手入れを実施している。しかし、この検査は一般的に目視に頼るため、有害な疵の見逃しや、ＩＤが不適切な異材の流出が発生することがある。また、この様な事態の発生時には、原因究明や嫌疑範囲の絞込みが行われるが、そのために必要な表面品質情報が不足していたり、整理されていなかったりすることがあった。その為、検査手入前の走間検査工程において、深さを有する疵（ヘゲ、ワレ、スケールなど）と刻印、インクにより印字された吹付文字やマーキングの検出、識別を人手に頼らず行うことが望まれている。

そこで、特許文献１に記載されているように、複数組の照明や撮影装置を用いて疵などの有無を確認する技術が提案されている。

特開平０７−２１８４５１号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている技術にも、まだ改善の余地がある。より高度に疵やＩＤなどの有無を判断するには、従来にない高度な検出がなされる必要があった。

本発明の課題は、疵、刻印、文字やマーキングの検出について、その識別を人手に頼らず高分解能にて安定的に検出、識別できる鋼板の表面検査装置及び表面検査方法を提供することである。

上記課題を解決するためになされた本発明は次の手段を採用する。先ず、鋼材表面検査ラインに配置されたカラーラインカメラ、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明、画像処理装置が配置され、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させる手段を有した処理装置、疵および／またはＩＤを検出し識別する手段を有した処理装置を備えたことを特徴とする鋼材の表面検査装置である。

第一の手段において、棒状光源Ｇ及び棒状光源Ｂの幅方向斜光照明の長手方向投光角度は15〜60°、幅方向斜光角度は15〜45°である構成とすることが好ましい。

第一の手段において、疵および／またはＩＤの識別により異材を検出した場合にガイダンスを発信する手段を有する処理装置、および当該異材の異常部を画像表示する手段を有した処理装置を備える構成とすることが好ましい。

第一の手段において、棒状光源Ｇ及び棒状光源Ｂの２色の照明は、互いに正負が逆になる角度で幅方向に斜光照射し、反射輝度の差によって幅方向凹凸を顕在化させる様に配置されている構成とすることが好ましい。

更に、光学系に用いる幅方向の斜光照明はプリズムシートおよび／またはライトコントロールフィルムおよび／または光ファイバを用いている構成とすることが好ましい。

また、第二の手段は、鋼材表面検査ラインにカラーラインカメラ、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明、画像処理装置を配置し、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させ、疵とＩＤを検出し識別することである。

第二の手段において、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明の長手方向投光角度は15〜60°、幅方向斜光角度は15〜45°であることが好ましい。

第二の手段において、疵および／またはＩＤの識別により異材を検出した場合、ガイダンスし、当該部を画像表示することが好ましい。

第二に手段において、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの２色の照明は互いに正負が逆になる角度で幅方向に斜光照射し、反射輝度の差によって幅方向凹凸を顕在化させることが好ましい。

更に、光学系に用いる幅方向斜光照明はプリズムシートおよび／またはライトコントロールフィルムおよび／または光ファイバを用いて照明することが好ましい。

第一の手段や第二に手段を用いると、疵、刻印、文字やマーキングの検出について、その識別を人手に頼らず高分解能にて安定的に検出、識別できる鋼板の表面検査装置及び表面検査方法を提供することができる。

本発明の検出対象例となる、鋼板に発生した有害な疵、及び、鋼板に付されたＩＤの図である。 色差ステレオ方式による検出原理を表した図である。 鋼板になされた刻印を色差ステレオ方式により撮像した結果を表した図である。ただし、（３ａ）は赤色及び青色の照明を用いた結果が示されており、（３ｂ）は緑色及び青色の照明を用いた結果が示されている。 鋼板になされた刻印を色差ステレオ方式（緑色及び青色）により撮像した結果と、その拡大図である。 幅方向の凹凸の顕在化の考え方を表した図である。 幅方向斜光方式の検討時に利用した設備の概略図である。 幅方向の斜光角度と撮像結果との関係を表した図である。 長手方向の照明投光角度と検出感度（Ｓ／Ｎ比）との関係を表した図である。 長手方向の照明投光角度と設備の干渉との関係を表した図である。 幅方向の凹凸を顕在化する方法の例を表した図である。 プリズムシートを用いた高指向性幅方向斜光照明の方式を表した図である。 ＩＤや疵などの検出や識別をする流れを示すフロー図である。 厚板鋼板の表面検査ラインを示した図である。 斜光の有無と刻印を撮像した画像との関係を示した図である。 斜光色差ステレオ方式により、吹き付けされたＩＤと、マーキングされたＩＤを撮像した結果を表した図である。

以下では、発明の実施形態に至るまでの経緯について説明し、その後、発明の実施形態を説明する。鋼板製造ライン、特に厚板ラインにおける有害疵は、図１の（ａ１）〜（ａ３）に示すように、開口のあるヘゲ・ワレ・スケール疵である。また、本明細書におけるＩＤとは図１の（ｂ）に示すように、深さを有する刻印、白印字の吹付および黒印字のマーキングである。これらを一つの装置で検出するためには深さ情報と輝度情報を同時に取得できる光学系が必要である。また、実際に利用しようとすると、深さ情報や輝度情報の他に、高分解能化やメンテ性についても検討する必要がある。実用の可能性のある光学系としては、複眼方式、光切断方式、色差ステレオ方式が考えられるため、これらの検討事項を複眼方式、光切断方式、色差ステレオ方式の中で比較すると、表１に記すようにまとめることができる。表１に示したことから理解されるように、高分解能化が容易で設備安定性の高い色差ステレオ方式が好適であることが分かった。

色差ステレオ方式は酸洗ラインでも設置されるが、酸洗ラインでの検出ターゲットは、凹凸を有する点状疵と輝度のあるスリ疵・スリバー・スケールである。対して、厚板ラインでは刻印や縦長開口疵の凹凸情報とマーキングの輝度情報が必要となる。加えて、厚板の地合は赤錆が特に多い。これらの特徴をまとめると、表２に記すようなものとなる。厚板ラインで色差ステレオ方式を採用するに当たっては、（1）赤錆による過検出の抑制、（2）幅方向凹凸の検出が課題となることが分かった。

ここで、図２に色差ステレオ方式の検出原理を示す。図２の（２ａ）においては、赤と青のように異なる色は、対象物と４５度の角度をなすように照射しているが、図２の（２ｂ）においては、対象物が図２の（２ａ）から傾くように位置している。図２の（２ｂ）に示すように、対象物に傾斜が生じると、２色の反射輝度差（＝色差）が表れる。ここで、同じ光軸において２色の反射輝度をそれぞれ取得するために、カラーラインセンサカメラを使用している。

次に、２色の色の組み合わせについて、ＩＤサンプルを用いてオフライン試験検証をした。図３にはＲおよびＢ（Ｒ反射輝度およびＢ反射輝度）およびＧおよびＢ（Ｇ反射輝度およびＢ反射輝度）の撮像結果を示す。図３の（３ａ）に示すように、ＲおよびＢでは深さを有する刻印の反射輝度差が得られているものの、鋼板の赤錆に起因する外乱を除去できていないことがわかる。一方、Ｇ照明およびＢ照明においては、図３の（３ｂ）に示すように、Ｇ−（マイナス）Ｂ画像で刻印のみ抽出しつつ、輝度画像（ＧおよびＢ）にてマーキング文字を抽出できることが分かった。このため、厚板にも用いることが出来るＧおよびＢ照明を使った色差ステレオ方式を採用することにした。

次に凹凸の検出について説明する。これまで説明してきた、従来の色差ステレオ方式は長手方向の凹凸を検出することは可能である。ところが、図４に示すように、幅方向の凹凸は顕在化せず、検出できない。例えば厚板の場合、長手方向に伸びた開口疵や刻印の検出が必要であるため、幅方向の凹凸の顕在化の対策が必要となる。

図５に長手開口疵や刻印を検出するために開発した幅方向凹凸検出の考え方を示す。従来方式は長手方向にカメラを基準に２色の照明を対向配置させて長手方向のみの傾斜を顕在化させる。対して、本発明の方式では幅方向にも２色の光が対向されるように幅方向に斜光照射する。すなわち、幅方向の凹凸が発生すると、輝度差が生じ、Ｇ-（マイナス）Ｂで表されるような、ＧとＢの差分画像で顕在化する。以下、長手方向の照明照射角度を“長手方向照明投光角度”、幅方向の照明照射角度を“幅方向斜光角度”と記載する。

また、幅方向斜光方式による効果を検証するために、ＩＤ鋼板および図に記載の溝を持つテストピースを図６に示すようなオフライン撮像試験機で撮像した。この結果を図７に示す。なお、図７の（７ａ）は、溝を持つテストピースを撮像した結果であり、図７の（７ｂ）は、刻印がなされたＩＤ鋼板を撮像した結果である。幅方向斜光角度0°では刻印、テストピースともに幅方向の凹凸部は顕在化しないものの、幅方向斜光角度をつけるに従い、凹凸のコントラストが向上した。

幅方向に斜光させたＧ照明とＢ照明の長手方向照明投光角度については、次のようにして決定した。図８に照明の長手方向照明投光角度とテストピースに対する検出感度の検討結果を示す。なお、図８の縦軸で表されているＳ／Ｎ比は、傾斜部の検出値と１２８の差の絶対値の平均を平坦部の標準偏差で除したものである。図８に示すように、長手方向照明投光角度45°より低角度ではＳ／Ｎ比が低下するものの、検出したい最小深さ0.05mmに対しては30°と45°の検出感度に変化はほとんどない。15°では顕在化するものの画像処理で抽出するには不足している。図９のような設備干渉や長手照明投光角度が大きくなることによる反射輝度低下を考慮した結果、30°が好ましいことがわかった。以上から長手方向照明投光角度は長手方向15〜60°、好ましくは30°とする。

次に、幅方向斜光照明の検討をおこなった。幅方向の凹凸を顕在化する方法として図１０に示すような構成を採用することが考えられる。つまり、図１０の（１０ａ）に示すように、鋼板面での光学系を回転させた構成と、図１０の（１０ｂ）に示すように照明を幅方向に対して傾斜させた構成である。図１０の（１０ａ）に示す構成については幅方向で輝度ムラが発生し、図１０の（１０ｂ）に示す構成については画像の補正が必要で、カメラ・照明の台数も増大する。どちらも設備として複雑化し、コストもかかる。その為、そのいずれでも無い、幅方向の斜光照明を用いた方式を検討した。

幅方向斜光照明を実施する方式としては、表３のようなものが挙げられる。つまり、ライトコントロールフィルムを採用するものと、斜め方向に向く光ファイバを採用するものと、プリズムシートを用いるものである。これらのどの方式を取っても幅方向斜光照明は実現できるが、高分解能化を行う上では高輝度化が必要である。輝度・コストの観点からプリズムシートを採用したいが、指向性を向上させることが課題であった。そこで、図１１のように、（1）長手方向に伸びたロッドレンズによる指向性アップ、（2）幅方向集光ロッドレンズによる集光効率アップ、（3）プリズムシートによる光の屈折、によって指向性を改善したプリズムシート方式を採用することが考えられる。

図１１に示す例では、ＬＥＤ素子が取り付けられたＬＥＤ基板と対向する位置には、長手方向に伸びたロッドレンズが配置されている。また、長手方向に延びたロッドレンズと対向する位置に幅方向に延びたロッドレンズが配置されており、長手方向に延びたロッドレンズで指向性を向上させたうえで、幅方向に延びたロッドレンズにより集光性を向上させている。集光性が向上された光がプリズムシートに入射するため、プリズムシートから出る光の指向性が高められている。

プリズムシートについては、幅方向斜光角度が大きくなるにしたがって、Ｓ／Ｎ比は向上するが、30°より幅方向斜光角度が大きくなると、プリズムシートとＬＥＤ素子間での反射が大きくなり、大きく輝度が低下する。画像処理で凹凸を十分抽出できるようにすることを考慮すると、幅方向斜光角度は15°〜45°の範囲が好ましく、30°とすることがより好ましい。

ここで、疵やＩＤの検出、識別処理について、簡単に説明する。疵やＩＤを検出し、識別する処理のフロー概要は図１２に示す。疵の抽出処理としては一般的な画像処理である二値化、Ｏｐｅｎ／Ｃｌｏｓｅ処理、ラベリングなどを実施する。疵識別処理については抽出された疵の特徴計算を行った後、ロジックテーブルやＳＶＭ（サポートベクターマシーン）によって疵やＩＤを分類することで識別する。なお、本実施形態の厚板における疵やＩＤ検出では、「ＧおよびＢ画像」の処理は、マーキング、吹付、模様の抽出に使われる。また、「Ｇ-（マイナス）Ｂ画像」の処理は、刻印、疵の抽出に使われる。

次に、実施例について説明する。本実施形態の表面検査装置１は、図１３に示すように、厚板鋼板表面検査ラインに配置されたカラーラインカメラ２、棒状光源ＧおよびＢの幅方向斜光照明３を備えている。また、カラーラインカメラ２や棒状光源などを昇降させて、鋼板の板厚に追従させる光学系昇降機構４を備え、更には、画像処理装置５を備えている。棒状光源Ｇは、緑色の光を照射することが可能な棒状の光源であり、棒状光源Ｂは、青色の光を照射することが可能な棒状の光源である。また、本実施形態の表面検査装置１は、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させる手段を有した処理装置を備えている。更には、疵および／またはＩＤ（刻印、吹付、マーキング）を検出し識別する手段を有した処理装置を備えている。

したがって、厚板鋼板表面検査ラインにカラーラインカメラ２と、棒状光源ＧおよびＢの幅方向斜光照明３と、光学系昇降機構４と、画像処理装置５を配置することができる。そして、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させ、疵とＩＤ（刻印、吹付、マーキング）を検出し識別することが可能となる。このため、疵、刻印、文字やマーキングの検出について、その識別を人手に頼らず高分解能にて安定的に検出、識別できる。

棒状光源Ｇと棒状光源Ｂの幅方向斜光照明３の長手方向投光角度は15〜60°の範囲に収まるように設定可能な構成としており、幅方向斜光角度は15〜45°の範囲に収まるように設定可能としている。

棒状光源Ｇと棒状光源Ｂの２色の照明は、互いに正負が逆になる角度で幅方向に斜光照射し、反射輝度の差によって幅方向凹凸を顕在化させる様に配置されている。

本実施形態の表面検査装置１は、疵および／またはＩＤの有無の異材を検出した場合にガイダンスを発信する手段を有する処理装置を備えている。また、当該異材の異常部を画像表示する手段を有した処理装置を備えている。したがって、疵および／またはＩＤ有無の異材を検出した場合、ガイダンスし、当該部を画像表示することが可能となる。

本実施形態の光学系にはＬＥＤ素子が取り付けられたＬＥＤ基板が採用されている。このＬＥＤ基板と対向する位置には、小型レンズが配置されている。この小型レンズはＬＥＤ素子毎に装着されている。また、小型レンズと対向する位置に長手方向に延びるロッドレンズが配置されている。ロッドレンズにより集光性が向上された光がプリズムシートに入射するため、プリズムシートから出る光の指向性が高められている。

なお、顕在化された長手、幅方向の凹凸検出は二値化、Ｏｐｅｎ／Ｃｌｏｓｅ、ラベリングなどの画像処理を使用している。また、抽出された疵については特徴量計算（幅、長さ、平均輝度など）を行い、ロジックテーブルもしくはＳＶＭによる分類を行っている。

本表面検査装置１は厚板走間検査前に設置し、自動で撮像・画像処理を行い、オペレータに結果をガイダンスすることで疵やＩＤ異材の流出防止に貢献する。本実施例の表面検査装置１におけるオンライン画像例を図１４に示す。図１４を確認すると、鋼板になされた刻印に関し、幅方向の斜光が無い場合のオフライン画像に比べて、幅方向の凹凸が顕在化されていることがわかる。また、図１５には、本実施例の表面検査装置１を用いて、鋼板にインクを吹き付けたＩＤや、マーキングによりなされたＩＤを撮像した画像例を示す。図１５に示されているように、インクの吹付やマーキングによってなされたＩＤについても、識別可能であった。

以上、一つの実施の形態を例に説明を発明の説明を行ったが、本発明は、当該実施の形態に拘束される必要は無い。例えば、幅方向凹凸の顕在化は光学系の回転または照明の傾斜、幅方向斜光照明を用いて実現しても良い。

幅方向斜光照明はロッドレンズによって指向性をアップしたプリズムシート方式であることに限らない。光学系に用いる幅方向の斜光照明は、プリズムシートおよび／またはライトコントロールフィルムおよび／または光ファイバを用いることが可能である。

厚板のラインで使用することに限らず、薄板のラインで使用することなども可能である。この場合、光学設計によっては鋼板の厚みに追従させる必要がなくなるため光学系昇降機構を設けない構成とすることが可能である。

１ 表面検査装置
２ カラーラインカメラ
３ 幅方向斜光照明
４ 光学系昇降機構
５ 画像処理装置

Claims (10)

1. 鋼材表面検査ラインに配置されたカラーラインカメラ、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明、画像処理装置が配置され、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させる手段を有した処理装置、疵および／またはＩＤを検出し識別する手段を有した処理装置を備えたことを特徴とする鋼材の表面検査装置。
2. 前記棒状光源Ｇ及び棒状光源Ｂの幅方向斜光照明の長手方向投光角度は15〜60°、幅方向斜光角度は15〜45°であることを特徴とする請求項１に記載の鋼材の表面検査装置。
3. 疵および／またはＩＤの識別により異材を検出した場合にガイダンスを発信する手段を有する処理装置、および当該異材の異常部を画像表示する手段を有した処理装置を備えることを特徴とする請求項１または２に記載の鋼材の表面検査装置。
4. 前記棒状光源Ｇ及び棒状光源Ｂの２色の照明は、互いに正負が逆になる角度で幅方向に斜光照射し、反射輝度の差によって幅方向凹凸を顕在化させる様に配置されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項記載の鋼材の表面検査装置。
5. 光学系に用いる幅方向の斜光照明はプリズムシートおよび／またはライトコントロールフィルムおよび／または光ファイバを用いていることを特徴とする請求項４に記載の鋼材の表面検査装置。
6. 鋼材表面検査ラインにカラーラインカメラ、棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明、画像処理装置を配置し、ＲＧＢカラー画像とＧ-Ｂ差分画像により通板方向に対し、長手方向と幅方向の凹凸を顕在化させ、疵とＩＤを検出し識別することを特徴とする鋼材の表面検査方法。
7. 前記棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの幅方向斜光照明の長手方向投光角度は15〜60°、幅方向斜光角度は15〜45°であることを特徴とする請求項６に記載の鋼材の表面検査方法。
8. 疵および／またはＩＤの識別により異材を検出した場合、ガイダンスし、当該部を画像表示することを特徴とする請求項６または７に記載の鋼材の表面検査方法。
9. 前記棒状光源Ｇおよび棒状光源Ｂの２色の照明は互いに正負が逆になる角度で幅方向に斜光照射し、反射輝度の差によって幅方向凹凸を顕在化させることを特徴とする請求項６乃至８の何れか１項記載の鋼材の表面検査方法。
10. 光学系に用いる幅方向斜光照明はプリズムシートおよび／またはライトコントロールフィルムおよび／または光ファイバを用いて照明することを特徴とする請求項９に記載の鋼材の表面検査方法。