JP5949689B2 - 撮像方法及び撮像装置 - Google Patents

Description

本発明は、冷延鋼帯等の走行する撮影対象物の表面の画像をオンラインで撮影する撮像方法及び撮像装置に関するものである。

冷延鋼帯をボックス焼鈍する過程で鋼中の固溶炭素が鋼帯表面にグラファイトとして析出することがある。これは“カーボン汚れ”と呼ばれるグラファイト析出現象であり、冷延鋼帯の一部又は全部が黒ずんで外観を損ねたり、冷延鋼帯の特性を悪化させたりする。このため、例えば特許文献１には、“カーボン汚れ”が発生することを抑制しながら冷延鋼帯を製造する方法が提案されている。

一方、品質保証の観点からは冷延鋼帯はグラファイト析出現象の有無や程度を確認した上で製造されることが望ましい。グラファイト析出現象の一般的な確認方法としては、冷延鋼帯からサンプルを切り出して光学顕微鏡又は電子顕微鏡による観察を行う方法や、公知の化学的又は物理的な成分分析方法を利用して鋼中又は表面や表層の炭素濃度を測定する方法がある。

しかしながら、冷延鋼帯からサンプルを切り出すためには冷延鋼帯を分割する必要があるが、オーダーに合わせた冷延鋼帯長の確保の点から冷延鋼帯を分割可能な位置は制限される。また、一般にサンプルの分析コストは高いために、分析点数をむやみに増やすことはできない。このため、通常、サンプルは、冷延鋼帯の先端及び尾端から採取され、可能な場合に限り、冷延鋼帯の中間部からわずかな点数のサンプルが採取される。

ところが、冷延鋼帯の先端や尾端のサンプルは非定常部である場合があり、分析結果が冷延鋼帯全体の代表性に欠ける懸念がある。このような背景から、特許文献２には、顕微鏡光学系を利用して走行するシート金属表面の画像をオンラインで撮影し、撮影された画像を解析することによって鉄のレベルや結晶密度等のシート金属表面の特性を決定する方法が記載されている。

特開平７−７０６３３号公報 特表２００４−５２１３４８号公報

しかしながら、特許文献２記載の方法では、走行するシート金属表面の振動幅に対して顕微鏡の対物レンズの被写界深度が小さいために、撮影距離（シート金属と対物レンズとの間の距離）が対物レンズの被写界深度から外れやすい。なお、撮影距離の変動を抑制するために、サポートロールを用いる方法や製造設備の既存ロールにシート金属が密着した位置で画像を撮影する方法を用いることが考えられる。ところが、撮影距離はロールの偏心や形状不良によっても変動することから、撮影距離の変動を完全に抑制することはできない。

従って、撮影距離のある程度の変動を許容しつつ撮影距離ができるだけ被写界深度内に収まるように顕微鏡の位置を調整すべきである。このため、特許文献２には、ロール（シリンダ）と対物レンズとの間の距離が対物レンズの被写界深度内に収まったタイミングで照明を瞬間発光させる方法が記載されている。しかしながら、このような方法では、ロール上の特定の位置でしかシート金属表面の画像を撮影することができない。

一方、シート金属厚の変動に起因する撮影距離の変動も発生し得る。例えばシート金属厚が不均一である場合やシート金属にかかる張力の変動によってシート金属厚が変動する場合である。また、連続製造設備では製造途中にシート金属厚が異なる規格に切り替わることもある。このようなシート金属厚の変動は、ロール偏心等に起因する変動に比べて長周期であり、この場合、ロール偏心等に起因する変動を含む撮影距離の平均距離が時間と共にずれて対物レンズの被写界深度から逸脱することがある。従って、顕微鏡の位置はこのような長周期の変動に対しても追従させるべきである。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、撮影対象物の表面の位置が対物レンズの被写界深度から逸脱することを抑制可能な撮像方法及び撮像装置を提供することにある。

本発明に係る撮像方法は、走行する撮影対象物の表面に対向配置された対物レンズを介して該表面の画像を複数撮影する撮影ステップと、前記表面の画像を撮影するのと同時に、前記対物レンズの光軸方向への前記表面の相対変位を測定する測定ステップと、撮影した各画像について、画像の全体又は一部の範囲内における輝度値の平均値及び標準偏差を算出し、平均値を標準偏差で除算した値をぼけ指標として算出する算出ステップと、前記表面の相対変位と前記ぼけ指標との組からなる各画像のデータに基づいて、前記表面に対する前記対物レンズの焦点を調整する調整ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る撮像方法は、上記発明において、前記調整ステップは、前記データを前記表面の相対変位が所定値未満である第１データ群と前記表面の相対変位が所定値以上である第２データ群とに分割するステップと、前記第１データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第１平均値として算出するステップと、前記第２データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第２平均値として算出するステップと、前記第１平均値と前記第２平均値との比較に基づいて前記対物レンズの移動方向及び移動量を決定するステップと、前記決定した移動方向及び移動量に従って前記対物レンズの焦点を調整するステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る撮像方法は、上記発明において、前記調整ステップは、前記ぼけ指標が大きい方から所定割合のデータを除外するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る撮像装置は、走行する撮影対象物の表面に対向配置された対物レンズと、前記対物レンズを介して前記表面の画像を撮影する撮影手段と、前記表面の画像を撮影するのと同時に、前記対物レンズの光軸方向への前記表面の相対変位を測定する測定手段と、撮影した各画像について、画像の全体又は一部の範囲内における輝度値の平均値及び標準偏差を算出し、平均値を標準偏差で除算した値をぼけ指標として算出する算出手段と、前記表面の相対変位と前記ぼけ指標との組からなる各画像のデータに基づいて、前記表面に対する前記対物レンズの焦点を調整する調整手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る撮像方法及び撮像装置によれば、撮影対象物の表面の位置が対物レンズの被写界深度から逸脱することを抑制できる。

図１は、本発明の一実施形態である撮像装置の構成を示す模式図である。 図２は、ボックス焼鈍工程でカーボン汚れが発生した鋼板の表面を高倍率で観察した画像を示す図である。 図３は、図２に示す画像について算出した輝度のヒストグラムを示す図である。 図４は、図２に示す画像を撮影した位置と同じ位置を対物レンズに対する鋼板の相対変位を変化させて撮影した画像のぼけ指標を示す図である。 図５は、移動量算出部による移動量算出処理の流れを示すフローチャートである。 図６は、ヘッドの位置を調整する前後におけるぼけ指標と相対変位との関係の一例を示す図である。 図７は、図６に示すヘッド位置調整前のデータに対するステップＳ２〜Ｓ４の処理結果を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である撮像装置の構成について説明する。

図１は、本発明の一実施形態である撮像装置の構成を示す模式図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である撮像装置１は、走行する鋼板Ｐの表面の画像を高倍率で撮影するための装置である。鋼板Ｐはボックス焼鈍工程において所定の熱処理が施されたものであり、鋼板Ｐの鋼中成分や熱処理パターン等の諸々の条件によってボックス焼鈍工程中に鋼中の固溶炭素がグラファイトとして鋼板Ｐの表面に析出することがある。鋼板Ｐは、撮像装置１が備え付けられている次工程ライン又は検査・精製工程ラインにおいてコイル状態から展開、通板され、図１に示すＸ方向に走行する。また、鋼板Ｐは、走行中の振動を抑制するためにサポートロールＲによって支持されている。

本発明の一実施形態である撮像装置１は、ヘッド２、ロータリーエンコーダ３、同期信号発生装置４、変位計５、アクチュエータ６、及び処理装置７を主な構成要素として備えている。

ヘッド２は、対物レンズ２１、ＣＣＤカメラ２２、及び光源２３，２４を備えている。対物レンズ２１は光軸が鋼板Ｐ表面に対して垂直になるように配置され、対物レンズ２１を介して鋼板Ｐ表面の像がＣＣＤカメラ２２内の撮像素子２２ａに結像される。鋼板Ｐ表面の画像を撮影する際には、光源２３の照明光が、対物レンズ２１の鏡筒側方より供給され、対物レンズ２１内部にあるハーフミラー２１ａによって鋼板Ｐの表面側に折り返され、対物レンズ２１と光軸を同じくする同軸落射照明を形成する。光源２４は、対物レンズ２１を囲むようなリング状の照明であり、同一視野を斜め方向から囲むように鋼板Ｐ表面を照明するリング状照明を形成する。これら２種類の照明は鋼板Ｐ表面に析出したグラファイトが観測しやすいようにバランスが調整されている。

ロータリーエンコーダ３は、鋼板ＰがＸ方向に一定距離移動する度毎にパルス信号を出力する。

同期信号発生装置４は、ロータリーエンコーダ３から出力されたパルス信号に基づいて、鋼板Ｐが撮影間隔として設定された距離を進む毎に同期信号を出力する。同期信号は、ヘッド２内部のＣＣＤカメラ２２に供給されて撮像タイミングを制御する。また、同期信号は光源２３，２４にも同時に供給され、ＣＣＤカメラ２２の撮像タイミングに同期して光源２３，２４は瞬時発光する。これにより、鋼板Ｐ表面の静止画像を撮影することができる。

変位計５は、ヘッド２と一体に構成され、ヘッド２に対する鋼板Ｐ表面の相対的なＺ方向（上下方向）の変位を測定する。

アクチュエータ６は、処理装置７からの制御信号に従ってヘッド２をＺ方向に動作させることによってヘッド２と鋼板Ｐとの間の距離を動的に調整する。

処理装置７は、パーソナルコンピュータやワークステーション等の情報処理装置によって構成され、画像取得部７１、画像メモリ７２、ぼけ指標算出部７３、データメモリ７４、変化量取得部７５、及び移動量算出部７６を備えている。

画像取得部７１は、ＣＣＤカメラ２２によって撮影された鋼板Ｐ表面の静止画像のデータを受信、数値化して複数の画像データＩ（ｎ）を生成し、画像メモリ７２に保存する。ｎは画像番号である。

ぼけ指標算出部７３は、画像メモリ７２に保存された画像データＩ（ｎ）を読み出し、画像全体又は画像中の予め設定された範囲内における輝度値の平均値μ（ｎ）及び標準偏差σ（ｎ）を算出した上で、ぼけ指標Ｂ（ｎ）＝μ（ｎ）／σ（ｎ）を算出する。ぼけ指標算出部７３は、算出したぼけ指標Ｂ（ｎ）をデータメモリ７４に保存する。

ここで、図２〜図４を参照して、ぼけ指標Ｂ（ｎ）について説明する。図２は、ボックス焼鈍工程でカーボン汚れが発生した鋼板の表面を高倍率で観察した画像を示す。図２（ａ）は、焦点が合っている状態で鋼板表面を撮影した画像である。図２（ｂ）は、図２（ａ）に示す画像を撮影した場所と同じ場所を焦点が外れたぼけた状態で撮影した画像である。図３は、図２に示す２つの画像について算出した輝度（画像の濃淡）のヒストグラムである。

図３に示すように、図２（ａ）に示す画像の輝度ヒストグラムＬ１に比べて図２（ｂ）に示す画像の輝度ヒストグラムＬ２は尖った形状をしている。すなわち、焦点があっていない状態で撮影された図２（ｂ）に示す画像では、焦点があっている状態で撮影された図２（ａ）に示す画像に比べて、輝度の標準偏差σが小さくなっている。一方、輝度ヒストグラムのピーク位置は輝度ヒストグラムＬ１と輝度ヒストグラムＬ２とでほぼ同じであるから、図２（ａ）に示す画像と図２（ｂ）に示す画像とでは輝度の平均値μはほぼ同じである。従って、ぼけ指標Ｂ（ｎ）（＝μ（ｎ）／σ（ｎ））は図２（ｂ）に示す画像の方が大きくなる。

図４は、図２（ａ），（ｂ）に示す画像を撮影した位置と同じ位置を対物レンズに対する鋼板の相対変位を変化させて撮影した画像のぼけ指標Ｂ（ｎ）を示すグラフである。図４に示すように、焦点が合う位置（相対変位Ｚ［μｍ］＝０）を中心として鋼板の相対変位Ｚに対してほぼ対称にぼけ指標Ｂ（ｎ）が大きくなっている。なお、図４中、点Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ図２（ａ），（ｂ）に示す画像のぼけ指標を示す。また、ぼけ指標Ｂ（ｎ）の逆数σ（ｎ）／μ（ｎ）は正規化された画像のコントラストを示す。輝度の平均値μによる除算によって正規化されているため、照明の明るさ等によってコントラストは不変、すなわちぼけ指標Ｂ（ｎ）は不変である。

変化量取得部７５は、変位計５が出力する電圧信号を同期信号発生装置４が出力する同期信号に同期してＡ／Ｄ変換し、数値データ化された鋼板Ｐの相対変位Ｚ（ｎ）としてデータメモリ７４に保存する。

移動量算出部７６は、データメモリ７４に保存されたぼけ指標Ｂ（ｎ）と鋼板Ｐの相対変位Ｚ（ｎ）との組からなるデータを読み出し、それらの関係を解析して撮影時のピントが改善されるようにヘッド２のＺ方向の移動方向を含む移動量ΔＺを算出する。

図５は、移動量算出部７６による移動量算出処理の流れを示すフローチャートである。移動量算出処理はＣＣＤカメラ２２による画像撮影が所定回数（Ｎ回とする）行われる度毎に実行される。以下、直近のＮ回分のぼけ指標Ｂ（ｎ）と鋼板Ｐの相対変位Ｚ（ｎ）（ｎ＝１，２，…，Ｎ）とのデータがデータメモリ７４に保存されているとして説明する。

図５に示すように、移動量算出処理では、始めに、移動量算出部７６が、データメモリ７４からぼけ指標Ｂ（ｎ）と鋼板Ｐの相対変位Ｚ（ｎ）とのデータを読み出す（ステップＳ１）。以降、同じｎについて、ぼけ指標Ｂ（ｎ）と鋼板Ｐの相対変位Ｚ（ｎ）の組をデータｎとする。

次に、移動量算出部７６は、ぼけ指標Ｂ（ｎ）が大きいデータを除外する（ステップＳ２）。具体的には、移動量算出部７６は、ぼけ指標Ｂ（ｎ）が大きい方から所定割合（例えば３割）のデータを以降の処理において除外する。次に、移動量算出部７６は、残ったデータを鋼板Ｐの相対変位Ｚの大小に応じて２つのデータ群に分割する（ステップＳ３）。すなわち、移動量算出部７６は、データを相対変位Ｚ（ｎ）が所定値未満であるデータ群１と相対変位Ｚ（ｎ）が所定値以上であるデータ群２とに２等分する。

次に、移動量算出部７６は、各データ群でぼけ指標Ｂ（ｎ）の平均値を算出する（ステップＳ４）。以下では、データ群１のぼけ指標Ｂ（ｎ）の平均値をｂ１、データ群２のぼけ指標Ｂ（ｎ）の平均値をｂ２とする。次に、移動量算出部７６は、ぼけ指標Ｂ（ｎ）の平均値ｂ１と平均値ｂ２との比較に基づいてヘッド２の移動量ΔＺを決定する（ステップＳ５）。

具体的には、平均値ｂ１＜平均値ｂ２である場合、ヘッド２から遠い位置に鋼板Ｐ表面があるときに画像のぼけが小さいので、ヘッド２は鋼板Ｐに近づく方向に移動させるとぼけが小さくなると考えられる。そこで、移動量算出部７６は、移動量ΔＺ＜０とする。一方、平均値ｂ１＞平均値ｂ２である場合には、ヘッド２は鋼板Ｐから遠ざかる方向に移動させる方が良いので、移動量算出部７６は、移動量ΔＺ＞０とする。なお、移動量ΔＺの絶対値は一定値ΔＺｃとする。また、例えば移動量ΔＺ＝Ｋ（ｂ１−ｂ２）（Ｋ＞０）のように、移動量ΔＺがぼけ指標Ｂ（ｎ）の平均値ｂ１，ｂ１の差に比例するようにしてもよい。

最後に、移動量算出部７６は、ヘッド２を移動量ΔＺだけ移動するようにアクチュエータ６を制御する（ステップＳ６）。以上の処理がＮ回の撮像毎に繰り返されると、ヘッド２はアクチュエータ６により焦点が合いやすい位置に移動されてゆき、相対変位Ｚ（ｎ）はステップＳ２で除外される一部のデータを除いて、焦点位置（ぼけ指標Ｂ（ｎ）が最小になる位置）の前後に均等に分布するようになる。

ステップＳ２の処理でぼけ指標Ｂ（ｎ）が大きいデータを一部除外する理由は、サポートロールＲの偏心等によって生じる鋼板Ｐ表面の変位の変動幅が対物レンズ２１の被写界深度内に収まらない場合において、対物レンズ２１の被写界深度を超えるような変動は無視するようにするためである。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である撮像装置１は、鋼板Ｐ表面の複数の画像Ｉ（ｎ）について、画像の全体又は一部の範囲内における輝度値の平均値μ（ｎ）及び標準偏差σ（ｎ）を算出し、平均値μ（ｎ）を標準偏差σ（ｎ）で除算した値をぼけ指標Ｂ（ｎ）として算出し、鋼板Ｐ表面の相対変位Ｚ（ｎ）とぼけ指標Ｂ（ｎ）との組からなる各画像Ｉ（ｎ）のデータに基づいて、鋼板Ｐ表面に対する対物レンズ２１の焦点を調整する。これにより、撮影距離の短周期変動に対しては多くの画像が対物レンズ２１の被写界深度内に収まるようになり、また撮影距離の長周期変動に対してはその変動に追従することができるので、鋼板Ｐ表面の位置が対物レンズ２１の被写界深度から逸脱することを抑制できる。

以下、図６、図７を参照しながら本発明の実施例について説明する。

図６は、ヘッドの位置を調整する前後におけるぼけ指標Ｂと相対変位Ｚとの関係の一例を示す図である。図６に示す例では、データ数Ｎ＝６４とした。相対変位Ｚが０［μｍ］である位置は対物レンズ２１の焦点が合っている位置である。図７は、図６（ａ）に示すデータに対するステップＳ２〜Ｓ４の処理結果を示す図である。ステップＳ２の処理においてデータを除外する割合は２５％、ΔＺｃ＝１０［μｍ］とした。

図７に示すように、相対変位Ｚが小さいデータ群１のぼけ指標の平均値ｂ１は相対変位Ｚが大きいデータ群２のぼけ指標の平均値ｂ２より大きいので、移動量ΔＺはΔＺｃ＝１０［μｍ］と算出され、アクチュエータ６によってヘッド２の位置を調整した。このような処理が数回繰り返され、ヘッド２の位置が図６（ａ）に示す位置から合計３０［μｍ］移動した結果、図６（ｂ）に示すようにぼけ指標が最小となる（焦点が合っている）相対変位Ｚ＝０［μｍ］付近にデータが集中するように改善された。以上のことから、本発明によれば、鋼板Ｐ表面の位置が対物レンズ２１の被写界深度から逸脱することを抑制できることが知見された。

以上、本発明者によってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、本実施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、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 撮像装置
２ ヘッド
３ ロータリーエンコーダ
４ 同期信号発生装置
５ 変位計
６ アクチュエータ
７ 処理装置
２１ 対物レンズ
２１ａ ハーフミラー
２２ ＣＣＤカメラ
２２ａ 撮像素子
２３，２４ 光源
７１ 画像取得部
７２ 画像メモリ
７３ ぼけ指標算出部
７４ データメモリ
７５ 変化量取得部
７６ 移動量算出部
Ｐ 鋼板
Ｒ サポートロール

Claims (3)

1. 走行する撮影対象物の表面に対向配置された対物レンズを介して該表面の画像を複数撮影する撮影ステップと、
   前記表面の画像を撮影するのと同時に、前記対物レンズの光軸方向への前記表面の相対変位を測定する測定ステップと、
   撮影した各画像について、画像の全体又は一部の範囲内における輝度値の平均値及び標準偏差を算出し、平均値を標準偏差で除算した値をぼけ指標として算出する算出ステップと、
   前記表面の相対変位と前記ぼけ指標との組からなる各画像のデータに基づいて、前記表面に対する前記対物レンズの焦点を調整する調整ステップと、を含み、
   前記調整ステップは、前記データを前記表面の相対変位が所定値未満である第１データ群と前記表面の相対変位が所定値以上である第２データ群とに分割するステップと、前記第１データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第１平均値として算出するステップと、前記第２データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第２平均値として算出するステップと、前記第１平均値と前記第２平均値との比較に基づいて前記対物レンズの移動方向及び移動量を決定するステップと、前記決定した移動方向及び移動量に従って前記対物レンズの焦点を調整するステップと、を含むことを特徴とする撮像方法。
2. 前記調整ステップは、前記ぼけ指標が大きい方から所定割合のデータを除外するステップを含むことを特徴とする請求項１に記載の撮像方法。
3. 走行する撮影対象物の表面に対向配置された対物レンズと、
   前記対物レンズを介して前記表面の画像を撮影する撮影手段と、
   前記表面の画像を撮影するのと同時に、前記対物レンズの光軸方向への前記表面の相対変位を測定する測定手段と、
   撮影した各画像について、画像の全体又は一部の範囲内における輝度値の平均値及び標準偏差を算出し、平均値を標準偏差で除算した値をぼけ指標として算出する算出手段と、
   前記表面の相対変位と前記ぼけ指標との組からなる各画像のデータに基づいて、前記表面に対する前記対物レンズの焦点を調整する調整手段と、を備え、
   前記調整手段は、前記データを前記表面の相対変位が所定値未満である第１データ群と前記表面の相対変位が所定値以上である第２データ群とに分割し、第１データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第１平均値として算出し、第２データ群に分割されたデータについて、前記ぼけ指標の平均値を第２平均値として算出し、前記第１平均値と前記第２平均値との比較に基づいて前記対物レンズの移動方向及び移動量を決定し、前記決定した移動方向及び移動量に従って前記対物レンズの焦点を調整することを特徴とする撮像装置。