JP5948974B2 - 表面欠陥検査装置 - Google Patents

Description

本発明は、円筒形状の外形を有する金属材の表面欠陥を検査する表面欠陥検査装置に関するものである。

従来から、鋼管等の金属製品の製造工程においては、検査対象の表面が円弧形状をなす金属材（以下、被検査金属材という）の表面にカキ疵、割れ、異物付着、汚れ等の表面欠陥が発生することがあり、これらの表面欠陥を自動的に検査する種々の装置の開発が行われている。このうち、光学的手法による検査技術、すなわち被検査金属材表面に光を照射し、その反射光の強度変化に基づいて、被検査金属材の表面欠陥を検査する技術として、例えば、特許文献１あるいは特許文献２に記載されたものがある。

特許文献１に記載の従来技術は、鋼管正面を照射する明視野照明と、明視野照明と直交する真横方向から鋼管両側面を照射する一対の暗視野照明とを設け、明視野照明と同じ方向からカメラによって鋼管表面を撮像し、その画像の輝度変化部分を欠陥として抽出するものである。特に、φ３００ｍｍ以下の小径の鋼管あるいは棒鋼の場合、明視野照明だけでは、鋼管表面または棒鋼表面の明るい領域が狭くなるので、この従来技術では、両側面からの暗視野照明を併用することによって、明るい領域を増やし、鋼管表面または棒鋼表面の周方向のほぼ半分の領域を照明できるようにしている。

また、特許文献２に記載の従来技術では、鋼管の軸心方向に沿って長く伸びる一対の長尺集光照明を鋼管両側の斜め上から鋼管側縁部に照射することによって、鋼管表面の上部と側縁部との輝度をほぼ均等にし、両照明の中央位置からテレビカメラによって鋼管表面を撮像し、その画像の輝度変化部分を欠陥として抽出するものである。本装置は、鋼管をその軸心を中心に回転しながら検査するものであり、表面の傷痕、汚れおよび形状不良等の欠陥が検査可能とされている。

特開２００６−２９２５８０号公報 特許第２９６２１２５号公報

しかしながら、上述した従来技術には次のような問題があった。特許文献１に記載の従来技術では、１回の撮像によって鋼管表面の周方向約半分の領域を検査できるが、図６に示すように、同じ表面欠陥であっても、鋼管表面上において、カメラ側から見て正面に表面欠陥が存在する場合（図６の（ａ）参照）と、鋼管の側面近くに表面欠陥が存在する場合（図６の（ｂ）参照）とでは、検出される表面欠陥の寸法または輝度が見かけ上、異なってしまう。このため、鋼管の周方向に亘って均一な条件で表面欠陥検査を行うことができない。すなわち、図６（ｂ）の状態の場合、表面欠陥の周方向の寸法は、図６（ａ）の状態に比して過小評価されて撮像されてしまう。また、図６（ａ）の状態の場合は、明視野照明からの正反射光によって表面欠陥を検出するのに対し、図６（ｂ）の状態の場合は、暗視野照明からの拡散反射光によって表面欠陥を検出することになる。凹凸を有する小さい表面欠陥を検査する場合、正反射光と拡散反射光とでは画像輝度の極性や大きさが異なるため、表面欠陥の検出性能が表面欠陥の周方向位置に依存して大きく変化するという問題がある。

また、特許文献２に記載の従来技術では、上述した特許文献１の従来技術と同様に、表面欠陥の周方向発生位置によって撮影画像内の表面欠陥の寸法や輝度が変動するため、周方向に均一な検査を行うことができないという問題がある。これに加えて、この従来技術では、集光照明を用いているため、鋼管表面上の輝度分布が大きくなり、この結果、鋼管の位置変動や外径変化の影響を受けやすくなり、安定した表面欠陥検査を行うことができないという問題点もある。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、撮像視野内における表面欠陥の位置の違いによらず、表面欠陥の検出能力を高く維持でき、この結果、被検査金属材の外周面の全周に亘って、表面欠陥を検出し損なうことなく、被検査金属材の表面欠陥の有無を的確に検査できる表面欠陥検査装置を提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明にかかる表面欠陥検査装置は、円筒形状の外形を有する金属材の表面欠陥を検査する表面欠陥検査装置において、前記金属材表面の法線方向から前記金属材の有効検査領域の画像を撮像する撮像部と、前記撮像部の光軸に対して互いに逆方向に同じ傾斜角だけ傾斜し、前記撮像部の光軸に対して前記傾斜角をなす照射方向の拡散光を前記有効検査領域に照射して、前記有効検査領域を照明する一対の拡散照明部と、前記有効検査領域の画像をもとに前記有効検査領域内の表面欠陥を検出する欠陥検出部と、を備え、前記有効検査領域は、前記金属材の外周面のうちの前記傾斜角に比して小さい中心角の円弧面であることを特徴とする。

また、本発明にかかる表面欠陥検査装置は、上記の発明において、前記一対の拡散照明部の各々は、前記金属材の長手方向の中心軸と平行な方向に延伸するバー型照明部であることを特徴とする。

また、本発明にかかる表面欠陥検査装置は、上記の発明において、前記金属材をその中心軸の周りに回転する金属材回転部と、前記中心角毎に前記金属材を回転するように前記金属材回転部を制御するとともに、前記金属材が前記中心角だけ回転する都度、前記金属材の有効検査領域の画像を撮像するように前記撮像部を制御する制御部と、をさらに備えたことを特徴とする。

また、本発明にかかる表面欠陥検査装置は、上記の発明において、前記欠陥検出部は、前記金属材の外周面の全周に亘って前記撮像部が撮像した複数の有効検査領域の画像を蓄積し、前記複数の有効検査領域の画像をもとに、前記金属材の外周面内の表面欠陥を検出することを特徴とする。

本発明によれば、撮像視野内における表面欠陥の位置の違いによらず、表面欠陥の検出能力を高く維持でき、この結果、被検査金属材の外周面の全周に亘って、表面欠陥を検出し損なうことなく、被検査金属材の表面欠陥の有無を的確に検査できるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施の形態にかかる表面欠陥検査装置の一構成例を示す模式図である。 図２は、被検査金属材に対する撮像部および拡散照明部の位置関係を例示する模式図である。 図３は、拡散照明部の一構成例を示す分解模式図である。 図４は、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置によって検査される鋼管の有効検査領域の設定を説明するための模式図である。 図５は、表面欠陥の検査結果を示す情報の一例を示す模式図である。 図６は、従来の表面欠陥検査装置の問題点を説明する模式図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明にかかる表面欠陥検査装置の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、以下では、被検査金属材の一例として鋼管を例示するが、この実施の形態により本発明が限定されるものではない。

(実施の形態)
まず、本発明の実施の形態にかかる表面欠陥検査装置の構成および機能について説明する。図１は、本発明の実施の形態にかかる表面欠陥検査装置の一構成例を示す模式図である。図２は、被検査金属材に対する撮像部および拡散照明部の位置関係を例示する模式図である。図３は、拡散照明部の一構成例を示す分解模式図である。

図１に示すように、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置１は、鋼管１０の有効検査領域１０ａの画像を撮像する撮像部２と、有効検査領域１０ａに拡散光を照射する一対の拡散照明部３，４と、鋼管１０をその管軸Ｃ１０のまわりに回転する金属材回転部５と、鋼管１０の表面欠陥を検出する欠陥検出部６と、表面欠陥の検査結果等の情報を表示する表示部７と、表面欠陥検査装置１の各構成部を制御する制御部８とを備える。

撮像部２は、鋼管１０の表面欠陥の検査に必要な画像を撮像する。詳細には、撮像部２は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳセンサ等の固体撮像素子とレンズ等の光学系とによって構成される。この撮像部２としては、汎用のカラーあるいはモノクロのエリアセンサカメラを用いることができる。撮像部２は、図１に示すように、その光軸Ｃ１が鋼管１０の表面の法線方向に対して平行となり、鋼管１０の管軸Ｃ１０と直交するように配置される。なお、管軸Ｃ１０は、図２に示すように、鋼管１０の長手方向の中心軸である。このような配置によって、撮像部２は、対向する有効検査領域１０ａの頂点部分における法線方向から、有効検査領域１０ａを撮像視野内に捉え、一対の拡散照明部３，４によって照明された有効検査領域１０ａの画像を撮像する。撮像部２は、このように有効検査領域１０ａの画像を撮像する都度、得られた画像データを欠陥検出部６に送信する。

一対の拡散照明部３，４は、撮像部２の光軸Ｃ１に対して対称の位置に配置され、それぞれによって鋼管１０の有効検査領域１０ａを照明する。これらの拡散照明部３，４から照射される照明は、図１に示すように、撮像部２の光軸Ｃ１に対して角度θ１だけ傾斜する方向に向けられる。ここで、この拡散照明部３，４の出射光としては、曲率を有した鋼管１０の表面に可能な限り均一な照明を照射するため、拡散光を用いる。

また、拡散照明部３，４の各々は、図２に示すように、鋼管１０の管軸Ｃ１０に沿って延伸するバー型照明部で好適である。具体的には、たとえば拡散照明部３は、図３に示すように、多数のＬＥＤ３ｂが組み込まれたバー形状のＬＥＤ基板３ａに、アクリル板等でできた拡散板３ｃを取り付けたものを用いることができる。なお、拡散照明部４は、この拡散照明部３と同様の構成を有する。このようなバー型の拡散照明部３，４の各光軸面Ｃ２，Ｃ３は、図１に示すように、撮像部２の光軸Ｃ１に対して傾斜角θ１をなす。また、拡散照明部３，４の各々は、図２に示すように、少なくとも鋼管１０の長手方向の先端から尾端までの全長を照明できるような長さとする。

なお、拡散照明部３，４としては、図３に示すようなＬＥＤ拡散バー照明が好適であるが、本発明はこれに限定されるものではなく、蛍光灯、ハロゲンランプ、メタルハライドランプ等のＬＥＤ素子以外を光源とする拡散照明を用いてもよい。

ここで、鋼管１０の有効検査領域１０ａは、鋼管１０の外周面の一部分であって、撮像部２の撮像視野のうち、実際に表面欠陥の検出処理が行われる領域である。この有効検査領域１０ａの中心角θ２は、拡散照明部３，４の傾斜角θ１に比して小さい角度になるように設定される。なお、上述した撮像部２の撮像視野は、鋼管１０の表面欠陥検査に無効な撮像領域を可能な限り少なくするために、実質的に、有効検査領域１０ａとほぼ一致する領域であることが好ましい。この場合、撮像部２の鋼管１０の外周方向の撮像視野長さは、この有効検査領域１０ａの円弧に対応する弦の長さとほぼ等しくなる。なお、中心角θ２の設定については、後述する。

金属材回転部５は、鋼管１０を鋼管１０の管軸Ｃ１０のまわりに回転する。詳細には、金属材回転部５は、撮像部２と管軸Ｃ１０との相対位置が変化しないように鋼管１０を支持しつつ、管軸Ｃ１０を回転中心として鋼管１０を回転する。この際、金属材回転部５は、一定の外周方向、例えば、図１の太線矢印に示される方向に、鋼管１０の中心角θ２ずつ、断続的または連続的に鋼管１０を回転する。最終的に、金属材回転部５は、鋼管１０を３６０°以上回転する。この金属材回転部５の作用によって、撮像部２は、鋼管１０の外周面の全周に亘って、有効検査領域１０ａの画像を順次撮像できる。

欠陥検出部６は、撮像部２によって撮像された画像のうち、有効検査領域１０ａ内で鋼管１０の表面欠陥を検出する。詳細には、欠陥検出部６は、予め設定されたプログラムに基づいて所定の画像処理を実行可能な画像処理装置等を用いて実現される。欠陥検出部６は、鋼管１０の中心角θ２に対応する有効検査領域１０ａの画像（以下、単位検査画像という）を撮像部２が撮像する都度、撮像部２から単位検査画像を取得する。その後、欠陥検出部６は、撮像部２から取得した単位検査画像を順次蓄積する。最終的に、金属材回転部５が鋼管１０を全周回転し終えた際、欠陥検出部６は、鋼管１０の外周面の全周に亘って撮像部２が撮像した複数の単位検査画像を蓄積する。欠陥検出部６は、蓄積した複数の単位検査画像に対して画像処理を行って、これら複数の単位検査画像を撮像時間順に結合し、これによって、鋼管１０の外周面の全周に亘る有効検査領域１０ａの画像群（以下、全周検査画像という）を生成する。ついで、欠陥検出部６は、この生成した全周検査画像の各画素の輝度および色度等の画素情報をもとに画像処理を行って、この全周検査画像内の特徴部分を検出する。この特徴部分は、鋼管１０の表面欠陥に相当する部分であり、鋼管１０の外周面内の正常部分に比して輝度または色合い等の状態が異なる。欠陥検出部６は、このような特徴部分の検出処理によって、鋼管１０の表面欠陥を検出する。その後、欠陥検出部６は、上述した全周検査画像等の鋼管１０の表面欠陥検出結果を表示部７に送信する。

表示部７は、ＣＲＴまたは液晶等のディスプレイを用いて実現され、鋼管１０の表面欠陥の検査結果、および制御部８によって表示指示された各種情報、具体的には、鋼管１０のロット番号や品種情報などを表示する。上記の鋼管１０の表面欠陥の検査結果としては、鋼管表面の展開図上に欠陥位置や欠陥種類を図示したグラフなどが好ましい。作業者は、この表示部７の表示情報を視認することによって、鋼管１０の外周面の全周に亘って鋼管１０の表面欠陥情報を確認し、欠陥の原因事象の排除など、しかるべき対処を行うことができる。

制御部８は、表面欠陥検査装置１の機能を実現するためのプログラム等を記憶するメモリおよびこのメモリ内のプログラムを実行するＣＰＵ等を用いて実現される。制御部８は、表面欠陥検査装置１の各構成部、すなわち、撮像部２、一対の拡散照明部３，４、金属材回転部５、欠陥検出部６、および表示部７の各動作を制御し、且つ、これらの各構成部との電気信号の入出力を制御する。

具体的には、制御部８は、金属材回転部５による鋼管１０の回転量と撮像部２の撮像タイミングとを同期させて制御する。すなわち、制御部８は、鋼管１０を中心角θ２毎に回転するように金属材回転部５を制御する。これと同時に、制御部８は、鋼管１０が中心角θ２だけ回転する都度、鋼管１０の有効検査領域１０ａを照明するように拡散照明部３，４を制御するとともに、撮像部２に対して撮像トリガー信号を送信して撮像部２に撮像動作を開始させる。これによって、制御部８は、鋼管１０の中心角θ２分の回転毎に、照明された有効検査領域１０ａの画像を撮像するように撮像部２を制御する。なお、制御部８は、鋼管１０の回転状態によらず、常時、鋼管１０の有効検査領域１０ａを照明するように拡散照明部３，４を制御してもよい。

また、制御部８は、金属材回転部５が中心角θ２だけ鋼管１０を回転する都度、撮像部２から鋼管１０の単位検査画像を撮像時間順に取得し、蓄積するように欠陥検出部６を制御する。その後、制御部８は、金属材回転部５が鋼管１０を全周回転し終えたタイミングに、鋼管１０の全周検査画像に対する画像処理によって鋼管１０の表面欠陥検出処理を行うように欠陥検出部６を制御する。さらに、制御部８は、この表面欠陥検出処理の結果を表示するように表示部７を制御する。

つぎに、鋼管１０の有効検査領域１０ａの設定について詳細に説明する。図４は、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置によって検査される鋼管の有効検査領域の設定を説明するための模式図である。

本発明者が鋭意検討を行った結果、鋼管表面に発生する表面欠陥の多くは、正反射光による観測の場合と拡散反射光による観測の場合では、欠陥部輝度の極性が変化することがわかった。すなわち、ある種の典型的な表面欠陥は、正反射光によって観測した場合、この表面欠陥の周囲に比して明るく見え、光学配置をずらして正反射光から徐々に乖離させるに伴い、この周囲との輝度差が徐々に小さくなって周囲との識別ができなくなる。さらに光学配置をずらし、正反射光からさらに乖離させて拡散反射光によって表面欠陥を観測した場合、この表面欠陥は、その周囲に比して暗く見えるようになる。したがって、表面欠陥を一定の基準により安定して検出するためには、表面欠陥が撮像領域内の何処に位置していても、少なくとも輝度の極性が変化しないようにすることが重要である。これを実現するためには、鋼管１０における表面欠陥の検査対象面である有効検査領域１０ａを適切な範囲に設定して、有効検査領域１０ａから反射する正反射光および拡散反射光のうち、拡散反射光のみが撮像部２に受光されるようにすればよい。

図４は、撮像部２の光軸Ｃ１に対して角度θ１で平行光を入射したときの、鋼管表面各位置における正反射光の方向について模式的に示したものである。拡散照明部３から照射される光は平行光ではないが、鋼管１０と拡散照明部３との距離が十分大きければ平行光とみなすことができる。図４に示すように、鋼管１０の外周面上、撮像部２の光軸Ｃ１を基準とした鋼管１０の中心角がαとなる位置Ｐ１における正反射の方向をβとすると、幾何学的な配置に基づいて、次式（１）が成立する。

β＝２α―θ１ ・・・（１）
ここで、Ｌｔ２は、位置Ｐ１に照射された照明光Ｌｔ１の正反射光で表しており、正反射光の進行方向βは、撮像部２の光軸Ｃ１と平行な直線であるＣ４を基準として定義されている。

ここで、式（１）および図４に示すように、中心角α＝０の場合、角度β＝−θ１となる。また、中心角αが（θ１）／２に近づくに伴って、角度βは零に近づき、中心角α＝（θ１）／２の場合、角度β＝０となり、正反射光Ｌｔ２は撮像部２に入射することになる。さらに、中心角αがθ１に近づくに伴って、角度βはθ１に近づき、中心角α＝θ１の場合、角度β＝θ１となる。したがって、角度βが零未満（β＜０）となる範囲では、拡散反射光のみが撮像部２によって観測されるので、安定した表面欠陥の検査が可能になる。この条件は上述した式（１）に基づけば、図４に示す中心角αの範囲が、α＜（θ１）／２となる範囲に相当する。以上、図４において撮像部２の左側にある照明から撮像部２に正反射光が入射されない条件について説明したが、撮像部２の右側にある照明から撮像部２に正反射光が入射されない条件も同様に考えて、α＞−（θ１）／２となる。したがって、撮像部２に左右両照明のいずれからも正反射光が入射されないような中心角αの範囲は、次式（２）によって表される。

−（θ１）／２＜α＜（θ１）／２ ・・・（２）

この式（２）によって表される中心角範囲内の領域、すなわち、鋼管１０の中心角が拡散照明部３，４の設置角度θ１と一致する円弧面に比して狭い領域を、図１に示した有効検査領域１０ａにすればよい。

一方、この中心角θ２の詳細な範囲は、有効検査領域１０ａに照射される拡散照明の光源の種類や鋼管１０の表面粗さなどの表面性状によって決定される定数δと、上述した式（２）とに基づいて、次式（３）によって定義される。

−（θ１）／２＋δ≦（θ２）／２≦（θ１）／２−δ ・・・（３）

鋼管１０の有効検査領域１０ａは、この式（３）によって定義される範囲内の中心角θ２を有する円弧面に設定される。このように設定された有効検査領域１０ａ内において、撮像部２は、正反射光を受光せずに拡散反射光のみを観測できるようになる。

なお、拡散照明部３，４の傾斜角θ１が過度に大きい場合、特に有効検査領域１０ａの両端部から撮像部２に入射する拡散反射光の受光量が過度に減少する虞がある。この結果、単位検査画像全体が暗くなって、表面欠陥部分と背景部分とのコントラストが低くなり、表面欠陥の検査性能が低下する虞がある。
また、傾斜角θ１の増加に伴って、表面欠陥検査装置１全体のサイズが大きくなり、検査装置の設置に広い空きスペースが必要となる。このため、表面欠陥検査装置１の設備規模の観点から、傾斜角θ１の上限設定によって、表面欠陥検査装置１の設備規模の大型化を抑制することが望ましい。

上記と逆に、傾斜角θ１が過度に小さい場合、鋼管１０の有効検査領域１０ａ（図１，４を参照）が過度に狭くなる。これに起因して、鋼管１０の全周分の単位検査画像を撮像し終えるまでの撮像部２の処理時間と、鋼管１０の全周検査画像をもとに表面欠陥検出処理を実行し終えるまで欠陥検出部６の処理時間とが長時間化する。この結果、鋼管１０の外周面の全周に亘って表面欠陥の有無を検査し終えるまでに多大な時間を要する。さらには、表面欠陥検査を完了するまでの処理が煩雑になる。したがって、傾斜角θ１は、過度に小さくせず、適度な大きさに設定することが望ましい。

前記のように、鋼管１０の表面欠陥が、撮像部２の正面に存在した場合と撮像部２の正面から隔たった位置に存在した場合では、表面欠陥の輝度、ひいては表面欠陥の検出能が大きく変わる可能性がある。また、この撮像部２に対する表面欠陥の相対位置の違いに起因して、表面欠陥の検出寸法が変化するという問題もある。すなわち、表面欠陥が撮像部２の正面からずれた位置に存在する場合、撮像部２によって撮像される表面欠陥の周方向の寸法は、表面欠陥が撮像部２の正面に存在する場合に比して見かけ上、小さくなってしまう。これは、鋼管１０が外周面に曲率を有しているからである。したがって、同じサイズの表面欠陥であっても、撮像部２の正面に発生した場合は容易に検出されるが、撮像部２の正面から隔たった位置に発生した場合は、その見かけ上の寸法が実際の寸法に比して縮小されるため、検出され難くなる可能性がある。本発明では、上述したように、式（３）を満足する中心角θ２の範囲より狭い範囲に有効検査領域１０ａを設定することによって、表面欠陥の輝度の極性変化のみならず、このような見かけ上の寸法に起因する表面欠陥の検出能の変動をも抑制することが可能になる。

つぎに、本発明にかかる表面欠陥検査装置１の実施例について説明する。本実施例では、鋼管１０として、直径（外径）６０ｍｍの小径鋼管を検査した。表面欠陥検査装置１の撮像部２として１００万画素のモノクロエリアＣＣＤカメラを用いた。この撮像部２は、図１に示したように、その光軸Ｃ１が、鋼管１０の表面の法線方向と平行になるように配置した。

また、一対の拡散照明部３，４の各々として、６００ｍｍ×３０ｍｍの発光面を有するバー型の長尺ＬＥＤ照明装置を用いた。各拡散照明部には、図３に示すように、アクリル製の拡散板を装備した。このような拡散照明部３，４の各々は、図１に示した傾斜角θ１が２０°になるように配置した。

撮像部２には焦点距離３５ｍｍのレンズを装着し、撮像部２と鋼管１０の距離は、撮像部２の垂直方向の撮像視野が１０ｍｍとなるように設定した。垂直方向の撮像視野を１０ｍｍに設定した根拠は、鋼管１０の有効検査領域１０ａの上限に相当する長さＬが式（４）で計算されるように１０．４２ｍｍとなるため、これにより若干小さい値としたものである。

Ｌ＝（６０ｍｍ／２）×｛ｓｉｎ（２０°／２）｝×２＝１０．４２ｍｍ・・・（４）

上記の撮像部２および一対の拡散照明部３，４を用いて、直径６０ｍｍの鋼管１０の全周に亘って、表面欠陥の有無を検査した。具体的には、制御部８は、角度２０°ずつ鋼管１０を回転する都度、有効検査領域１０ａの単位検査画像を撮像するように、撮像部２と拡散照明部３，４と金属材回転部５とを制御した。この制御に基づいて、撮像部２は、鋼管１０が中心角θ２（＝２０°）だけ回転して停止したタイミングに、単位検査画像を撮像した。撮像部２、拡散照明部３，４、および金属材回転部５は、鋼管１０の全周分の単位検査画像を撮像し終えるまで、同じ動作を繰り返し行った。一方、制御部８は、鋼管１０の全周分の単位検査画像を欠陥検出部６に蓄積させ、この蓄積した全周分の単位検査画像をもとに表面欠陥検出処理を行うように欠陥検出部６を制御した。この制御に基づいて、欠陥検出部６は、蓄積した全周分の単位検査画像を撮像時間順に繋げて、鋼管１０の全周検査画像を生成した。欠陥検出部６は、この全周検査画像に対して画像処理を行って、この全周検査画像を構成する各画素の輝度の大きさに基づいて、表面欠陥検出処理を行った。

この欠陥検出部６による表面欠陥検出処理の結果は、表示部７に送信した。表示部７は、図５に示すように、鋼管１０の表面欠陥の検査結果として、欠陥検出部６による鋼管１０の全周検査画像１６を表示した。全周検査画像１６は、中心角２０°毎の有効検査領域１０ａの単位検査画像１５を鋼管１０の全周分、具体的には１８枚分繋げた画像情報である。なお、単位検査画像１５の長辺の長さは、図２に示した鋼管１０の管長さに対応し、短辺の長さは、１０ｍｍである。また、全周検査画像１６の長さは、単位検査画像１５の長辺方向について、単位検査画像１５と同等であり、単位検査画像１５の連結方向について、鋼管１０の外周長さに対応する。

このような全周検査画像１６には、例えば図５に示すように、欠陥検出部６によって検出された鋼管１０の表面欠陥ｅｒ１〜ｅｒ４がプロットされた。表面欠陥ｅｒ１〜ｅｒ４は、鋼管１０の外周面に発生した疵、割れ、異物付着、汚れ等の表面欠陥である。なお、全周検査画像１６において、表面欠陥ｅｒ１〜ｅｒ４は、縁取り処理または着色処理等の画像処理によって、鋼管１０の正常な外周面と容易に識別できるように強調表示されている。

作業者は、このように表示部７によって表示された全周検査画像１６を視認し、これによって、鋼管１０の外周面の全周に亘って鋼管１０の表面欠陥の有無を容易に確認することが可能となった。この鋼管１０をオフラインの検査場に搬送し、熟練作業者が目視によって表面欠陥を検査した結果、本発明による上記検査装置による欠陥の検出率は、１００％であった。

一方、本実施例に対する比較例として、検査対象の円弧面に対応する中心角と照明角度との関係を考慮せずに、ＩＴＶカメラを用いて鋼管表面の画像を撮像する従来の検査方法によって、本実施例と同じ鋼管１０の表面欠陥の有無を検査した。この従来方法においては、検査対象の円弧面内における表面欠陥の発生位置に起因して、表面欠陥の明暗および寸法等が変化してしまったため、表面欠陥の検出漏れが発生し、表面欠陥検出率は６０％であった。したがって、本発明にかかる表面欠陥検査装置１によれば、従来の検査方法に比して大幅に表面欠陥検出率を向上できることが確認された。

以上、説明したように、本発明の実施の形態にかかる表面欠陥検査装置では、鋼管の外周面のうち、撮像光軸に対する拡散照明部の傾斜角に比して小さい中心角の円弧面を有効検査領域に設定し、この有効検査領域を一対の拡散光によって両側から照明しつつ撮像している。

このため、撮像光軸に対する有効検査領域の傾斜度合いを可能な限り軽減できるとともに、正反射光を撮像部に受光させることなく、拡散反射光のみを撮像部に受光させて有効検査領域の画像を撮像できる。これによって、有効検査領域の外周方向に沿って表面欠陥の位置に違いが生じた場合であっても、撮像部が感受する表面欠陥の見かけ上の寸法の変化を抑制できるとともに、表面欠陥の画像を構成する各画素の輝度の極性変化を防止できる。この結果、撮像視野内における表面欠陥の位置の違いによらず、表面欠陥の検出能力を高く維持できることから、被検査金属材の外周面の全周に亘って、表面欠陥を検出し損なうことなく、被検査金属材の表面欠陥の有無を的確に検査できる。

また、有効検査領域における照明光の明暗の斑を抑制しつつ、表面欠陥の撮像に十分な光量を有効検査領域全体において確保することができる。この結果、有効検査領域の画像に基づく表面欠陥検出処理を精度よく実行できる。

さらに、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置では、鋼管の長手方向の中心軸に沿って延伸するバー型照明部を拡散照明部として用いているので、表面欠陥の画素同士の輝度斑および正常な鋼管表面部分の輝度斑をともに抑制できる。この結果、有効検査領域の画像内に捉えられた表面欠陥と正常な鋼管表面部分とのコントラストを高くして、表面欠陥と正常な鋼管表面部分とを容易に識別できることから、表面欠陥の有無の検査を一層容易に行うことができる。

また、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置では、撮像視野領域と有効検査領域とを概略一致させているため、鋼管の外周面のうちの有効検査領域の画像のみを効率よく撮像できる。この結果、表面欠陥検出処理に掛かる処理負荷および処理時間を低減できる。

さらに、本実施の形態にかかる表面欠陥検査装置では、有効検査領域の中心角だけ鋼管を回転する都度、有効検査領域の画像を撮像しているので、この中心角毎に撮像部と有効検査領域とを容易に対向できるとともに、この中心角毎の鋼管の回転動作を鋼管の全周に亘って安定的に継続することができる。これによって、鋼管の外周面の全周に亘って安定的に有効検査領域の画像を撮像でき、この結果、鋼管の外周面の全周に亘って容易且つ安定的に表面欠陥の検査を行うことができる。

なお、上述した実施の形態では、一対の拡散照明部３，４は、撮像部２の光軸Ｃ１を中心に対称に配置されていたが、これに限らず、拡散照明部３，４は、互いに対称的に配置されていなくてもよい。すなわち、撮像部２の光軸Ｃ１に対する拡散照明部３，４の傾斜角θ１と、拡散照明部３，４が協働して照明する鋼管１０の有効検査領域１０ａの照明光量および照明範囲とが単位検査画像の撮像に適した状態を確保できていれば、拡散照明部３，４の各配置は、特に問われない。

また、上述した実施の形態では、拡散照明部３，４として、鋼管１０の管軸Ｃ１０に沿って延伸するバー型照明部を用いていたが、これに限らず、拡散照明部３，４は、バー型以外の照明部であってもよい。すなわち、鋼管１０の有効検査領域１０ａの照明光量および照明範囲が単位検査画像の撮像に適するものであれば、拡散照明部３，４の各形状は、特に問われない。

さらに、上述した実施の形態では、鋼管１０の外周面における撮像視野の領域と有効検査領域１０ａとを一致させていたが、これに限らず、有効検査領域１０ａは、撮像部２の撮像視野内に捉えられていればよい。具体的には、撮像部２の撮像視野が有効検査領域１０ａに比して広くてもよく、この場合、欠陥検出部６は、撮像部２によって撮像された画像内から有効検査領域１０ａの画像を抽出して、上述した表面欠陥検出処理を実行すればよい。

また、上述した実施の形態では、鋼管１０の全周検査画像をもとに、表面欠陥検出処理を実行していたが、これに限らず、中心角θ２毎の単位検査画像をもとに、表面欠陥検出処理を実行してもよい。この場合、欠陥検出部６は、例えば、撮像時間順に撮像部２から単位検査画像を取得する都度、取得した単位検査画像の各画素情報をもとに、表面欠陥検出処理を実行すればよい。

さらに、上述した実施の形態では、金属材回転部５によって鋼管１０を中心角θ２ずつ回転していたが、これに限らず、鋼管１０は、回転駆動手段を用いずに手動によって、中心角θ２ずつ鋼管１０を回転してもよい。

また、上述した実施の形態では、被検査金属材の一例として鋼管１０を例示したが、これに限らず、本発明における表面欠陥の被検査金属材は、円筒形状の外形を有する金属材であればよい。具体的には、被検査金属材の外形は、管形状に限らず、棒鋼等の円柱形状であってもよい。また、被検査金属材の種類は、鋼管または棒鋼等の鉄鋼材であってもよいし、銅またはアルミニウム等の鉄鋼材以外の金属材であってもよい。

さらには、被検査金属材は、比較的外径の小さい小径（例えば直径２０〜６０ｍｍ程度）の鋼管または棒鋼等の金属材であってもよいし、比較的外径の大きい大径（例えば直径６０〜２５０ｍｍ程度）の鋼管または棒鋼等の金属材であってもよい。

また、上述した実施の形態により本発明が限定されるものではない。上述した各構成要素を適宜組み合わせて構成したものも本発明に含まれる。その他、上述した実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例および運用技術等は全て本発明に含まれる。

１ 表面欠陥検査装置
２ 撮像部
３，４ 拡散照明部
３ａ ＬＥＤ基板
３ｂ ＬＥＤ
３ｃ 拡散板
５ 金属材回転部
６ 欠陥検出部
７ 表示部
８ 制御部
１０ 鋼管
１０ａ 有効検査領域
１５ 単位検査画像
１６ 全周検査画像
Ｃ１ 撮像部の光軸
Ｃ２，Ｃ３ 照明の光軸面
Ｃ１０ 管軸
ｅｒ１〜ｅｒ４ 表面欠陥
Ｌｔ１ 照明光
Ｌｔ２ 正反射光

Claims (4)

1. 円筒形状の外形を有する金属材の表面欠陥を検査する表面欠陥検査装置において、
   前記金属材表面の法線方向から前記金属材の有効検査領域の画像を撮像する撮像部と、
   円筒形状の前記金属材の長手方向中心軸に垂直な面内で前記撮像部の光軸に対して互いに逆方向に同じ傾斜角θ１だけ傾斜し、前記撮像部の光軸に対して前記傾斜角θ１をなす照射方向の拡散光を前記有効検査領域に照射して、前記有効検査領域を照明する一対の拡散照明部と、
   前記有効検査領域の画像をもとに前記有効検査領域内の表面欠陥を検出する欠陥検出部と、
   を備え、前記有効検査領域は、前記金属材の外周面のうちの前記傾斜角θ１に比して小さい中心角θ２の円弧面であり、前記中心角θ２は、下式（１）によって定義される範囲内の角度であることを特徴とする表面欠陥検査装置。
   −（θ１）／２＋δ≦（θ２）／２≦（θ１）／２−δ ・・・（１）
   ただし、定数δは、前記撮像部が前記有効検査領域から正反射光を受光せずに拡散反射光のみを観察でき且つ前記有効検査領域内の位置の違いによって表面欠陥の検出寸法が変化しないように、前記有効検査領域に照射される前記拡散光の光源の種類や前記金属材の表面性状によって決定される定数である。
2. 前記一対の拡散照明部の各々は、前記金属材の長手方向の中心軸と平行な方向に延伸するバー型照明部であることを特徴とする請求項１に記載の表面欠陥検査装置。
3. 前記金属材をその中心軸の周りに回転する金属材回転部と、
   前記中心角θ２毎に前記金属材を回転するように前記金属材回転部を制御するとともに、前記金属材が前記中心角θ２だけ回転する都度、前記金属材の有効検査領域の画像を撮像するように前記撮像部を制御する制御部と、
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１または２に記載の表面欠陥検査装置。
4. 前記欠陥検出部は、前記金属材の外周面の全周に亘って前記撮像部が撮像した複数の有効検査領域の画像を蓄積し、前記複数の有効検査領域の画像をもとに、前記金属材の外周面内の表面欠陥を検出することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載の表面欠陥検査装置。

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