JP2021067588A - 被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法 - Google Patents

Abstract

【課題】単独光源を用いた簡易な構成であり、かつ、連続的な波長成分からなる光を被検査体の表面欠陥の検出に利用可能とした被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法を提供する。【解決手段】白色平行光を出射する光源１０と、光源から出射された白色平行光を連続的な波長成分に分光する分光手段１２と、カラーラインスキャンカメラを備え、光源と分光手段は、分光手段により分光された連続的な波長成分からなる光が、被検査体Ｓの表面にライン状に照射されるように設置され、カラーラインスキャンカメラは、被検査体の表面にライン状に照射された連続的な波長成分からなる光の反射光を撮像する。【選択図】図２

Description

本発明は、被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法に関する。

金属帯生産ラインに設置される表面検査装置に於いては、一つの光源によって検査箇所を照射し、それに対して単体或いは複数のカメラ角度によって撮像を行う構成が現在一般的である。これらの装置では、モノクロ或いはカラーラインスキャンカメラを使用して金属帯表面を撮像し、疵や汚れ等の欠陥を検出している。金属帯表面の疵欠陥としては、通板進行方向に長い形状を持つものが多い。

上記のような従来の金属帯生産ラインに設置される表面検査装置として、特許文献１には、一つの光源によって検査箇所を照射し、単体或いは複数のカメラ角度によって撮像を行う表面検査装置が開示されている。

また、特許文献２には、走行する金属帯の表面の幅方向同一ラインに、ＲＧＢ光源等の３つ以上の線光源からのそれぞれ波長の異なる光をそれぞれ異なる方向から平行照射し、前記照射されたラインを、前記光を検出可能なラインスキャンカメラでスキャンしつつ撮像する金属帯表面の検査方法が記載されている。

特許文献３には、白色照明光を分光プリズムで分光し、分光された照明光を集光レンズで集光して被検査対象面に照射し、その反射光を２次元カラーセンサにより撮像することで、欠陥の種類に応じて異なる色についてのカラー映像信号から、被検査対象面の欠陥の検出と欠陥種類の判別を行う方法が開示されている。

特開平５−１８８０１０号公報 特開２０１９−３９７９８号公報 特開平９−１９６８５９号公報

特許文献１を含めて従来の表面検査方法では、直進光源或いは斜光光源をそのまま用いて被検査体の表面に照射して疵等の欠陥部分の明暗を撮像しているが、この方法では欠陥部分の明暗の情報のみから疵等の欠陥の形状を判定する必要があるため、欠陥の正確な形状を推定するのが難しいという問題がある。

特許文献２の検査方法では、表面欠陥についていずれの方向の傾斜も検出することが可能であるが、使用する光源が３つ以上であり、装置の構成物が多く装置が大型となる。また、使用する光源はいずれも単色光源であるため、各色の境界部分となる色に対応する角度については連続的な情報が得られにくく、情報が離散的となって欠陥形状の検出精度が低下傾向となる。

特許文献３の検査方法では、単一スポット光源を分光後に集光しており、この検査方法を正確に使用できるのは集光点周辺の狭いエリアになり、ラインスキャンカメラを用いて幅広い箇所を撮像するような検査方法とすることは困難である。また、集光点から離れた領域では検出精度が低下する。

本発明は、単独光源を用いた簡易な構成であり、かつ、連続的な波長成分からなる光を被検査体の表面欠陥の検出に利用可能とした被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法を提供することを目的とする。

本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］被検査体の表面検査装置であって、
白色平行光を出射する光源と、
前記光源から出射された白色平行光を連続的な波長成分に分光する分光手段と、
カラーラインスキャンカメラを備え、
前記光源と前記分光手段は、前記分光手段により分光された連続的な波長成分からなる光が、被検査体の表面にライン状に照射されるように設置され、
前記カラーラインスキャンカメラは、前記被検査体の表面にライン状に照射された連続的な波長成分からなる光の反射光を撮像する、被検査体の表面検査装置。
［２］前記光源と前記分光手段は、前記被検査体の表面にライン状に照射される連続的な波長成分からなる光のうち中央領域の波長成分の光が、前記光源の正面からみて、前記被検査体の表面に垂直に照射されるように設置された、［１］に記載の被検査体の表面検査装置。
［３］前記中央領域の波長成分の光が、緑色光である、［２］に記載の被検査体の表面検査装置。
［４］前記光源が斜光光源である、［１］〜［３］のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
［５］前記被検査体の表面検査装置が、移動する被検査体の表面検査装置であって、
前記光源と前記分光手段は、前記分光手段により分光された連続的な波長成分からなる光が、前記被検査体の表面に前記被検査体の移動方向と垂直なライン状に照射されるように設置された、［１］〜［４］のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
［６］さらに、前記カラーラインスキャンカメラにより撮像されたカラー画像をもとに、前記被検査体の表面の傾斜角を算出する傾斜角算出手段を有する演算装置を備える、［１］〜［５］のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
［７］被検査体の表面検査方法であって、
光源から出射した白色平行光を連続的な波長成分に分光し、
前記分光した連続的な波長成分からなる光を、被検査体の表面にライン状に照射し、
前記被検査体の表面にライン状に照射した連続的な波長成分からなる光の反射光をカラーラインスキャンカメラで撮像する、被検査体の表面検査方法。
［８］前記被検査体の表面にライン状に照射する連続的な波長成分からなる光のうち中央領域の波長成分の光を、前記光源の正面からみて、前記被検査体の表面に垂直となるように照射する、［７］に記載の被検査体の表面検査方法。
［９］前記中央領域の波長成分の光が、緑色光である、［８］に記載の被検査体の表面検査方法。
［１０］前記光源として斜光光源を用いる、［７］〜［９］のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。
［１１］前記被検査体の表面検査方法が、移動する被検査体の表面検査方法であって、
前記分光した連続的な波長成分からなる光を、前記被検査体の表面に前記被検査体の移動方向と垂直なライン状に照射する、［７］〜［１０］のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。
［１２］前記カラーラインスキャンカメラにより撮像したカラー画像をもとに、前記被検査体の表面の傾斜角を算出する、［７］〜［１１］のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。

本発明によれば、単独光源を用いた簡易な構成であり、かつ、連続的な波長成分からなる光を被検査体の表面欠陥の検出に利用可能とした被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法を提供することができる。

本発明によれば、連続的な波長成分からなる光を被検査体の表面欠陥の検出に利用することで、被検査体表面の連続的な傾斜角の情報を得ることができる。これにより、欠陥形状の検出精度をより高めることが可能となる。

図１は、本発明の一実施形態にかかる被検査体の表面検査装置の構成を説明する模式図（側面図）である。 図２は、図１の正面図である。 図３は、本発明の被検査体の表面検査装置により撮像される撮像図の一例を示す模式図である。

本発明は、光学式カメラ及び人間の目が、ＲＧＢの三つの波長領域を用いて色を認識することと、分光によって被検査体表面の同一直線上に複数の角度で複数の波長成分の光を照射できることを利用する。即ち、金属帯等の被検査体に対して幅方向に長い可視光の平行白色光源を用い、前記光源の平行白色光を連続的な波長成分に分光する分光手段を光源側に備え、それによって分光した複数の角度で複数の波長成分の光を被検査体の表面に照射し、その反射光をカラーラインスキャンカメラで撮像することで画像を取得する構成としたものである。

本発明によれば、被検査体の幅方向に長い線状の平行白色光源の出射する平行白色光に対して同じく幅方向に連続的な波長成分に分光することで、被検査体の幅方向において前記波長成分の入射角度を波長成分（色成分）毎に均一に分割するようにしたから、その反射光が被検査体の凹凸面に対する入射角度によって、カラーラインスキャンカメラで撮像される色相や色温度が変化するようになり、そこから表面欠陥の検出や表面欠陥の形状を推定できるようになる。

以下、本発明の実施形態について、図面を参照しながら説明する。

図１は、本発明の一実施形態にかかる被検査体の表面検査装置の構成を説明する模式図（側面図）であり、図２は、その正面図である。

本発明における被検査体としては、金属帯（金属板）、紙などが挙げられる。前記被検査体としては、板状、シート状のものが好ましい。なお、本実施形態では、被検査体として鋼帯（鋼板）を例に挙げて説明する。具体的には、本実施形態では、鋼帯の連続通板設備において走行する鋼帯の表面欠陥を検出する例を説明する。図１に示すように、本実施形態では、被検査体である鋼帯Ｓは矢印の方向に移動している。

図１に示す被検査体の表面検査装置１（以下、単に、表面検査装置１ともいう）は、白色平行光Ｌ１を出射する光源１０と、前記光源１０から出射された白色平行光Ｌ１を連続的な波長成分に分光する分光手段１２と、カラーラインスキャンカメラ１４を備える。

図１、図２に示すように、光源１０は、白色平行光Ｌ１を出射する。前記白色平行光Ｌ１は、可視光領域の波長成分を含む。光源１０としては、幅広い波長成分を含む光源が好ましい。また、光源１０としては、指向性（直進性）の高い白色光を出射する光源が好ましい。光源１０としては、例えば、ＬＥＤ、ハロゲン、メタルハライド等が挙げられる。光源１０は、白色光を出射する素子、例えばＬＥＤをライン状（線状）に並べて構成することができる。これにより、光源１０は、ライン状に均一な白色平行光を出射できる。

図２に示すように、本実施形態においては、光源１０として斜光光源を用いており、光源１０は、その照射面１１に対して斜め方向に平行白色光Ｌ１を出射する。

分光手段１２は、白色平行光Ｌ１の光路上で、かつ、光源１０と被検査体（鋼帯Ｓ）の間に配置される。分光手段１２としては、プリズム等が挙げられる。分光手段１２は、例えば小型のプリズムをライン状に並べて構成することができる。なお、光源１０と分光手段１２の間に、スリット等を配置してもよい。

分光手段１２は、光源１０から出射された白色平行光Ｌ１を、連続的な波長成分に分光する。そして、分光された連続的な波長成分（連続スペクトル）からなる光（以下、「分光光Ｌ２」ともいう）が、鋼帯Ｓの表面に照射される（図２参照）。なお、分光手段１２による分光光Ｌ２は、全分光角度を９０分割以上で離散化したものでもよい。被検査体の表面欠陥を検出するには、９０分割以上されていれば、連続的な波長成分に分光されているとみなせるからである。

前記光源１０と分光手段１２は、分光手段１２により分光された分光光Ｌ２が、鋼帯Ｓの表面にライン状に照射されるように設置される。このような設置方法としては、特に限定されないが、例えば、光源１０から出射する白色平行光Ｌ１の出射方向（出射角度）を調整したり、分光手段１２を形成するプリズム等の角度（屈折角度）を調整したり、光源１０と分光手段１２の相対位置を調整する方法等が挙げられる。なお、光源１０として斜光光源を用いることで、前記調整をしやすくなる。このような調整により、白色平行光Ｌ１を同一面内で連続的な波長成分に分光させ、これにより、分光光Ｌ２を鋼帯Ｓの表面にライン状に照射するように構成する。

さらに、前記光源１０と前記分光手段１２は、前記鋼帯Ｓ表面にライン状に照射される分光光Ｌ２のうち、中央領域の波長成分の光が、前記光源１０の正面からみて、前記鋼帯Ｓ表面に垂直に照射されるように設置されることが好ましい。このように設置すると、被検査体である鋼帯Ｓの左右幅方向に均等に波長成分を照射することができる。これにより被検査体表面の様々な角度変化を検出しやすくなる。

本実施形態では、図２に示すように、光源１０と分光手段１２を、分光光Ｌ２のうち中央領域の波長成分である緑色光が、前記光源１０の正面からみて、前記鋼帯Ｓ表面に垂直に照射されるように設置している。これにより、緑色光を中央として被検査体である鋼帯Ｓの左右幅方向に均等に波長成分（色成分）を照射することができる。すなわち、緑色光を中央として、中央から紙面右側の領域に向かって緑色から黄色、黄色から赤色の連続的な波長成分を、中央から紙面左側の領域に向かって緑色から水色、水色から青色の連続的な波長成分を照射することができる。これにより被検査体表面の様々な角度変化を検出しやすくなる。さらに、前記様々な角度変化を色相や色温度の変化量として検出しやすくなる。

さらに、光源１０と分光手段１２は、被検査体の幅方向の全域において、分光光Ｌ２のすべての波長成分が照射されるように設置されるのが好ましい。例えば、図２に示されるように、光源１０の正面からみて、被検査体である鋼帯Ｓ表面の幅方向の右端に青色の波長成分が、左端に赤色の波長成分が照射されるように設置すると、鋼帯Ｓの幅方向全域において分光光Ｌ２のすべての波長成分を照射することができる。これにより、鋼帯Ｓ表面の幅方向全域の角度変化を検出しやすくなる。なお、このような設置方法としては、特に限定されないが、例えば、光源１０、分光手段１２の幅方向の長さを調整する方法等が挙げられる。

また、本実施形態のように、移動する被検査体の表面を検査する場合、被検査体の移動方向に対し、該表面に照射される分光光Ｌ２のラインが垂直となるように、光源１０と分光手段１２を設置することが好ましい。特に被検査体が金属帯の場合には全幅検査が求められる場合が多く、光源やカメラ視野は金属帯全幅をカバーする必要がある。このような場合に、被検査体の移動方向と分光光Ｌ２のラインが垂直とならない角度を有すると、その角度分だけ光源やカメラ視野を広くする必要が生じ、また、画像化する際にピクセル位置をその角度分補正する必要等が生じて、検査効率が低下する傾向となる。

なお、被検査体が幅方向に反りを有する場合には、被検査体をロール等で拘束して反りを抑制した状態で被検査体の表面検査を行うことが好ましい。また、被検査体が幅方向に反りを有する場合、取得した色温度等の情報にバンドパスフィルターをかけて反りの影響を除去するようにしてもよい。

カラーラインスキャンカメラ１４は、上述のようにしてライン状に照射された分光光Ｌ２の反射光Ｌ３を撮像可能な位置に設置される。

カラーラインスキャンカメラ１４により得られたカラー画像は、適宜パーソナルコンピュータ等の演算装置（図示略）に転送され処理される。そして、その結果を前記演算装置に接続されたモニタ（図示略）上に表示する。

前記カラー画像では、連続的な波長成分からなる分光光Ｌ２が被検査体表面に照射されることで、正常部（凹凸等の表面欠陥のない部分）では無彩色の反射光を得るが、凹凸等によって反射角度が正常部と異なる状態となる箇所では、波長成分により異なった傾向の反射分布となり色相に違いが生じる。これにより被検査体の表面欠陥を検出することができる。

また、本実施形態の表面検査装置は、画像変換手段と、傾斜角算出手段と、凹凸形状算出手段と、データ結合手段を有する演算装置を備えている。

前記画像変換手段は、カラーラインスキャンカメラにより取得したカラー画像を色温度に変換する処理を行う。前記傾斜角算出手段は、前記色温度から傾斜角を算出する処理を行う。これにより、前記カラー画像をもとに、被検査体の表面の傾斜角を求めることができる。

さらに、前記凹凸形状算出手段は、前記傾斜角から凹凸の二次元または三次元形状を算出する処理を行う。前記データ結合手段は、前記二次元または三次元形状を面情報に変換する処理を行う。これらの処理により、検出した凹凸形状を面情報としてモニタ上に表示することができる。

なお、本実施形態では、カラー画像を色温度に変換する処理を行ってから、傾斜角を算出する処理を行うものとしたが、これに限定されない。カラー画像から直接傾斜角を算出できれば色温度に変換する処理を行わなくてもよいし、色温度以外のパラメータに変換する処理を行ってもよい。また、本実施形態では、算出した凹凸の二次元または三次元形状を面情報に変換する処理を行うものとしたが、これに限定されない。例えば、上記カラー画像を面情報に変換してから色温度に変換する処理を行ってもよい。

次に、本発明にかかる被検査体の表面検査方法の一例として、上述の表面検査装置１を用いた被検査体（鋼帯Ｓ）の表面検査方法により、図３（ａ）に示すような断面形状の凹状欠陥２０を撮像した場合について説明する。

この場合には、図３（ｂ）に示すような色情報をもったカラー画像を得ることができる。なお、図３（ｂ）に示すカラー画像は、カラーラインスキャンカメラで撮像したライン状のデータを面情報に変換して表示したものである。

図３（ｂ）では、被検査体である鋼帯Ｓの表面に、連続的な波長成分からなる分光光Ｌ２が照射されることで、正常部Ｂ（凹凸等の表面欠陥のない部分）では無彩色の反射光を得る。そして、凹凸等によって反射角度が正常部と異なる状態になる箇所では、波長成分により異なった傾向の反射分布となる。

具体的には、図３（ｂ）では、図２に示される分光光Ｌ２の波長成分に対応して、凹状欠陥２０の幅方向中央の領域は白色を呈し、前記中央の領域から紙面右側の領域に向かって白色から黄白色、黄白色から赤色へ連続的に色相傾向が変化し、前記中央の領域から紙面左側の領域に向かって白色から青白色、青白色から青色へ連続的に色相傾向が変化する画像が得られる。

さらに、上記のようなカラー画像を得た場合、幅方向の傾きと向きに応じて赤或いは青の波長が極端に強くなるため、色温度に差異が生じる。これを分析することで、欠陥が凹凸面を有しているか、また、どのような形状であるかを推定することが可能となる。

具体的には、上記カラー画像を色温度に変換すると、青の波長が強い領域では色温度が高くなり、赤の波長が強い領域では色温度は低くなる。そのため、この色温度と傾斜角を対応させることで色温度から傾斜角を算出できる。さらに、前記傾斜角から凹凸の二次元または三次元形状を算出することで、欠陥の二次元形状或いは三次元形状を推定できる。

本発明においては、連続的な波長成分からなる分光光を表面欠陥の検出に用いているため、傾斜角等の連続的な情報を得ることができる。そのため、欠陥形状をより精密に検出することが可能となる。

以上説明したとおり、本発明の被検査体の表面検査装置および被検査体の表面検査方法によれば、単独光源を用いた簡易な構成であり、かつ、連続的な波長成分からなる光を被検査体の表面欠陥の検出に利用することができる。これにより、被検査体表面について連続的な情報を得ることができ、欠陥形状の検出精度をより高めることが可能となる。

本発明では、連続的な波長成分からなる分光光を被検査体の表面に照射し、その反射光を撮像する。これにより、複数の角度で入射する複数の波長成分の入射光を利用でき、凹凸の傾斜角の変化を連続的に、より詳細に検出することが可能となる。これにより、凹凸形状をより精度良く推定することが可能となる。本発明によれば、表面欠陥の凹凸を明瞭に検出するとともに、微小凹凸の形状を検出することができ、表面欠陥の検出精度を向上させながら、コンパクトな構成で高精度な欠陥検出が可能になる。

１ 被検査体の表面検査装置
１０ 光源
１２ 分光手段
１４ カラーラインスキャンカメラ
Ｌ１ 白色平行光
Ｌ２ 分光光
Ｌ３ 反射光
Ｓ 被検査体（鋼帯）

Claims (12)

1. 被検査体の表面検査装置であって、
   白色平行光を出射する光源と、
   前記光源から出射された白色平行光を連続的な波長成分に分光する分光手段と、
   カラーラインスキャンカメラを備え、
   前記光源と前記分光手段は、前記分光手段により分光された連続的な波長成分からなる光が、被検査体の表面にライン状に照射されるように設置され、
   前記カラーラインスキャンカメラは、前記被検査体の表面にライン状に照射された連続的な波長成分からなる光の反射光を撮像する、被検査体の表面検査装置。
2. 前記光源と前記分光手段は、前記被検査体の表面にライン状に照射される連続的な波長成分からなる光のうち中央領域の波長成分の光が、前記光源の正面からみて、前記被検査体の表面に垂直に照射されるように設置された、請求項１に記載の被検査体の表面検査装置。
3. 前記中央領域の波長成分の光が、緑色光である、請求項２に記載の被検査体の表面検査装置。
4. 前記光源が斜光光源である、請求項１〜３のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
5. 前記被検査体の表面検査装置が、移動する被検査体の表面検査装置であって、
   前記光源と前記分光手段は、前記分光手段により分光された連続的な波長成分からなる光が、前記被検査体の表面に前記被検査体の移動方向と垂直なライン状に照射されるように設置された、請求項１〜４のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
6. さらに、前記カラーラインスキャンカメラにより撮像されたカラー画像をもとに、前記被検査体の表面の傾斜角を算出する傾斜角算出手段を有する演算装置を備える、請求項１〜５のいずれかに記載の被検査体の表面検査装置。
7. 被検査体の表面検査方法であって、
   光源から出射した白色平行光を連続的な波長成分に分光し、
   前記分光した連続的な波長成分からなる光を、被検査体の表面にライン状に照射し、
   前記被検査体の表面にライン状に照射した連続的な波長成分からなる光の反射光をカラーラインスキャンカメラで撮像する、被検査体の表面検査方法。
8. 前記被検査体の表面にライン状に照射する連続的な波長成分からなる光のうち中央領域の波長成分の光を、前記光源の正面からみて、前記被検査体の表面に垂直となるように照射する、請求項７に記載の被検査体の表面検査方法。
9. 前記中央領域の波長成分の光が、緑色光である、請求項８に記載の被検査体の表面検査方法。
10. 前記光源として斜光光源を用いる、請求項７〜９のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。
11. 前記被検査体の表面検査方法が、移動する被検査体の表面検査方法であって、
    前記分光した連続的な波長成分からなる光を、前記被検査体の表面に前記被検査体の移動方向と垂直なライン状に照射する、請求項７〜１０のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。
12. 前記カラーラインスキャンカメラにより撮像したカラー画像をもとに、前記被検査体の表面の傾斜角を算出する、請求項７〜１１のいずれかに記載の被検査体の表面検査方法。

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