JP6173727B2

JP6173727B2 - 金属材料の撮像装置

Info

Publication number: JP6173727B2
Application number: JP2013048118A
Authority: JP
Inventors: 山田　裕久; 裕久山田; 俊企荒井; 憲英眞柳
Original assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Texeng Co Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp; Nippon Steel Texeng Co Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2017-08-02
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP2014174045A

Description

本発明は、例えば鋳片から採取した鋳片サンプルの断面を撮像するのに用いて好適な撮像装置に関する。

従来、金属材料内部の組織や偏析状況の観察方法としては、鋼材のサルファープリントに代表されるようなプリント法が知られている。また、サルファープリント以外の方法として、エッチプリント法と呼ばれ、腐食により生成した腐食孔にワセリンを塗布し、全体を研磨することにより発生した金属紛を付着させ、それをテープに写し取り、凝固組織や偏析を写し取る方法が開発されている。
金属材料の偏析状況について定量的に評価する方法としては、サルファープリントやエッチプリントを標準資料と見比べて評点付けする方法や、サルファープリントやエッチプリントを画像解析して定量評価する方法が行われている。標準資料と見比べる方法は官能検査のため個人差等によるばらつきが大きい。画像解析する場合はより定量的な評価が可能であるが、プリント品質に評価結果が大きく左右され、プリント品質のばらつきにより精度が低下することや、プリント作成後にスキャナー等で読取って電子データ化するという作業が必要となることが課題である。また、いずれの場合でも、プリント作業に関わる時間、労力、熟練を要するといった問題は解決されない。

上記のようなサルファープリントやエッチプリントの問題点に鑑みて、例えば特許文献１や特許文献２には、金属材料の断面をエッチングし、カメラを用いて金属材料の断面から直接、観察データ（画像）を採取して偏析状況を観察、評価する方法が開示されている。特許文献１には、リニアセンサーカメラと照明を固定し、水平に設置したステージでサンプルを移動させるスキャン方法が開示されている。また、特許文献２には、被測定材の上方でカメラを移動させることにより走査する構成が開示されている。

特開平５−９９８６０号公報特開平７−３０６１６１号公報

カメラとしては通常ラインセンサカメラが用いられるが、ラインセンサカメラではオートフォーカス機能を搭載することが難しく、固定焦点となる。そのため、ラインセンサカメラと金属材料とを相対移動させて走査するときに、ラインセンサカメラと金属材料の被撮像面とは一定の距離で平行に保たれるようにする必要がある。

図１０に示すように、連続鋳造で製造された鋳片１００を鋳造方向に直角に板状に切断して鋳片サンプル１０１を採取し、その鋳片サンプル１０１の片方の断面を被撮像面１０２とする場合を考える。この場合、鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２を上向きにし、その上方でラインセンサカメラを水平方向に移動させることにより走査する。

しかしながら、鋳片サンプル１０１は鋳片１００からガスカットにより採取されるため、その断面には粗い凹凸が存在する。被撮像面１０２となる断面は、平面に機械加工した後で腐食液によりエッチングするので比較的平坦度の良い面となる。しかしながら、反対側の断面１０３は、ガスカットしたままとするのが通常である。そのため、断面１０３を床に載置すると、被撮像面１０２が水平でなく傾いてしまい、ラインセンサカメラと鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２とが平行にならないことがある。鋳片サンプル１０１において両断面１０２、１０３を平行に加工することも考えられるが、その加工の手間や費用が膨大なものとなってしまうため、大量の鋳片１００を評価する製鉄業では適用が困難である。

また、鋳片サンプル１０１を採取するときの厚みｔが一定でない、例えば前回採取した鋳片サンプル１０１の厚みと、今回採取した鋳片サンプル１０１の厚みとに差があることもありえる。このように鋳片サンプル１０１を採取するときの厚みｔが一定でないと、ラインセンサカメラの高さ位置が固定されている場合、ラインセンサカメラと鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２との距離もばらついてしまう。

本発明は上記のような点に鑑みてなされたものであり、撮像手段と金属材料の被撮像面とを一定の距離で平行に保って走査することができる撮像装置を提供することを目的とする。

本発明の金属材料の撮像装置は、金属材料を照明手段で照明して撮像手段で撮像する撮像装置であって、互いに平行な一対のスキャンガイド部を有するフレームと、前記スキャンガイド部に沿って移動可能で、前記フレームの上方で前記照明手段及び前記撮像手段を保持する保持フレームと、前記金属材料の被撮像面に載せたときに、前記被撮像面が前記撮像手段の合焦面に一致するように、前記フレームに設置された位置決め部材と、該撮像装置を支持するために前記フレームに設けられた昇降可能な支柱とを備え、前記位置決め部材は、前記スキャンガイド部に沿って移動可能で、前記金属材料の前記被撮像面に載せた後に、前記被撮像面から退避可能であることを特徴とする。例えば前記位置決め部材は、前記一対のスキャンガイド部間に架設され、少なくともそのうちの１本が前記スキャンガイド部に沿って移動可能な２本の補助フレームと、前記金属材料の前記被撮像面に載せた後、前記被撮像面から退避可能となるように前記移動可能な補助フレームの下方に設けられた回転体とにより構成されてもよい。さらに、前記２本の補助フレームが共に前記スキャンガイド部に沿って移動可能であり、前記各補助フレームに少なくとも１個の前記回転体が設けられるとともに、前記回転体の合計が３個以上であるようにしてもよい。
また、本発明の金属材料の撮像装置の他の特徴とするところは、前記支柱は３本以上設けられている点にある。

本発明によれば、撮像手段と金属材料の被撮像面とを一定の距離で平行に保って走査することができる。

実施形態に係る撮像装置の構成を示す図である。補助フレームとスキャンガイド部との連係構造を示す図である。リニアガイド構造の例を示す図である。昇降可能な支柱の構造の例を示す図である。実施形態に係る撮像装置の設置の仕方を説明するための図である。ラインセンサカメラと鋳片サンプルの被撮像面との距離が変化した状況を説明するための図である。ラインセンサカメラと鋳片サンプルの被撮像面との距離が変化した状況で得られる撮像画像の例を示す図である。ラインセンサカメラと鋳片サンプルの被撮像面とが平行からずれた状況を説明するための図である。ラインセンサカメラと鋳片サンプルの被撮像面とが平行からずれた状況で得られる撮像画像の例を示す図である。鋳片サンプルを説明するための図である。

以下、添付図面を参照して、本発明の好適な実施形態について説明する。
本実施形態でも、図１０に示すように、鋳片１００を鋳造方向に直角に板状に切断して鋳片サンプル１０１を採取し、その鋳片サンプル１０１の片方の断面１０２を被撮像面とする。
この鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２をラインセンサカメラで撮像し、その撮像画像を用いて偏析状況を観察、評価するが、その前処理として、鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２を研磨し、腐食液によりエッチングする。
そして、前処理を施した鋳片サンプル１０１を、図１に示すように、被撮像面１０２が上向きとなるように床５１に載置する。鋳片サンプル１０１は扁平な略矩形状であり、Ｔが鋳片１００の板厚方向、Ｈが鋳片１００の板幅方向となる。なお、本願において「床に載置」とは、床５１に直接載置するだけでなく、図１に示すように床５１上の輪木等の台座５２に載置する（床５１に間接的に載置する）ことも含む意味である。

図１は、本実施形態に係る撮像装置の構成を示す図であり、（ａ）が正面図、（ｂ）が平面図である。
撮像装置１は、フレーム２を備える。フレーム２は、鋳片サンプル１０１よりも大きな矩形状を呈し、互いに平行な一対のスキャンガイド部２ａ、２ｂを有する。なお、フレーム２は、互いに平行な一対のスキャンガイド部２ａ、２ｂを有するものであれば、その形状等は限定されるものではない。

一対のスキャンガイド部２ａ、２ｂ間には門型の保持フレーム３が架設されており、この保持フレーム３がスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って移動可能となっている。保持フレーム３は、フレーム２の上方で撮像手段であるラインセンサカメラ４、及び照明手段である線状照明５をそれぞれ所定の角度で保持する。なお、ここでは一対のスキャンガイド部２ａ、２ｂを跨ぐ門型の保持フレーム３を示したが、いずれか一方のスキャンガイド部２ａ又は２ｂに移動可能に設けられ、ラインセンサカメラ４及び線状照明５を片持ちする保持フレームでもかまわない。

また、一対のスキャンガイド部２ａ、２ｂ間には２本の補助フレーム６が架設されており、これら２本の補助フレーム６がスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って個別に移動可能となっている。図１では、補助フレーム６とスキャンガイド部２ａ、２ｂとの連係構造の図示を省略するが、その具体例は図２を参照して後述する。
各補助フレーム６の下方には、左右一対の回転体７（車輪或いはボール）が設けられている。スキャンガイド部２ａ、２ｂに対する全回転体７の高さ位置は揃えられており、回転体７の最下部がちょうどラインセンサカメラ４が合焦する面（以下、合焦面と称する）の高さ位置となるように設定されている。
本実施形態では、これら補助フレーム６及び回転体７が本発明でいう位置決め具として機能する。

図２に示すように、補助フレーム６の一方の端部は、一方のスキャンガイド部２ｂにいわゆるリニアガイド構造で連係する。具体的には、一方のスキャンガイド部２ｂの補助フレーム６と向き合う内側面にガイドレール８が設けられており、補助フレーム６のスキャンガイド部２ｂに向き合う一方の端部にはガイドレール８の上下面を覆うガイド９が設けられている。図３に示すように、ガイドレール８の上下面に形成された溝１０と、ガイド９の上下面の内側との間にボール１１が介在し、補助フレーム６を滑らかに移動させることができる。
また、補助フレーム６のスキャンガイド部２ａに向き合う他方の端部には、スキャンガイド部２ａを上下に挟み込むように配置された車輪１２が設けられており、補助フレーム６を滑らかに移動させることができる。
なお、補助フレーム６のスキャンガイド部２ａに向き合う他方の端部もスキャンガイド部２ｂに向き合う一方の端部と同様にリニアガイド構造で連係させるようにしてもよいが、その場合、高い寸法精度が要求され、スキャンガイド部２ａ、２ｂにゆがみ等が発生すると補助フレーム６が動きにくくなる。そこで、図２の例では、補助フレーム６のスキャンガイド部２ａに向き合う他方の端部を車輪１２を用いてスキャンガイド部２ａに連係させることにより、スキャンガイド部２ａ、２ｂのゆがみ等を吸収できるようにしている。

上述した保持フレーム３と補助フレーム６とは、互いに干渉することなくスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って移動可能となっている。

図１に説明を戻して、フレーム２の四隅には、撮像装置１を支持するための支柱１３が昇降可能に設けられている。各支柱１３は、フレーム２の四隅に設けられた、ブロック状の支持部１４によって支持される。図４に示すように、支持部１４には、上下に貫通する挿通穴１５と、挿通穴１５を開放するスリット状の開口部１６とが形成されている。挿通穴１５に支柱１３を挿通させるが、挿通穴１５の内径は支柱１３の外径よりわずかに大きく、支柱１３を昇降させることができる。また、開口部１６を横切るようにボルト状の連結部材１７が設けられるとともに、この連結部材１７を回転させるハンドル１８が設けられている。ハンドル１８を緩めた状態では支柱１３を昇降させることができるが、ハンドル１８を締め付けると、連結部材１７を介して支持部１４を弾性変形させて開口部１６の幅を狭くして、すなわち挿通穴１５の内径を小さくして、支柱１３を固定することができる。

次に、図５を参照して、本実施形態に係る撮像装置１の設置の仕方を説明する。
図５（ａ）に示すように、支柱１３を上昇させた状態で固定し、人手により撮像装置１を持ち上げて、鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２上に回転体７を載せる。このとき、スキャンガイド部２ａ、２ｂが床５１に載置された鋳片サンプル１０１の長手辺に略平行になるようにする。上述したように、回転体７の最下部がちょうどラインセンサカメラ４の合焦面Ｐの高さ位置となっていることから、図５（ａ）に示す状態では、鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２が合焦面Ｐに一致した状態となる。例えば鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２が水平でなく傾いていたとしても、それに合わせるように撮像装置１の全体が傾くことになり、ラインセンサカメラ４と鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２とが一定の距離で平行に保たれて、被撮像面１０２が合焦面に一致した状態となるよう位置決めされる。

次に、図５（ｂ）に示すように、支柱１３を下降させて床５１に当接させた状態で固定し、撮像装置１を支持する。これにより、撮像装置１が自ら立った状態となるので、撮像装置１から手を離すことができる。

次に、図５（ｃ）に示すように、補助フレーム６をスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って移動させて、補助フレーム６及び回転体７を鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２上から退避させる。このように鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２上で回転体７を転がすので、被撮像面１０２を疵付けないように回転体７を樹脂製等とするのが好ましい。

その後、図５（ｄ）に示すように、保持フレーム３をスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って移動させながら、ラインセンサカメラ４及び線状照明５を用いて鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２を１ラインずつ撮像することにより、被撮像面１０２の画像を取得する。上述した位置決めによりラインセンサカメラ４と鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２とを一定の距離で平行に保って走査することができるので、ここで取得される被撮像面１０２の撮像画像は焦点の合った撮像画像となる。また、補助フレーム６及び回転体７を鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２上から退避させているので、補助フレーム６及び回転体７が写り込むことなく、被撮像面１０２の全面を撮像することができる。

以上のように、鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２が水平でなく傾いていたり、鋳片サンプル１０１を採取するときの厚みｔが一定でなかったりするときでも、ラインセンサカメラ４と鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２とを一定の距離で平行に保って走査することができる。

以下、本発明を適用することによる効果を説明するために、図６に示すように、ラインセンサカメラ４と鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２との距離が変化したときに、撮像画像がどのようになるかを示す。
ここでは、被写界深度が±４ｍｍとなる撮像系において、合焦面からのずれを０ｍｍとした場合の撮像画像（図７（ａ））、−３ｍｍとした場合の撮像画像（図７（ｂ））、−８ｍｍとした場合の撮像画像（図７（ｃ））を示す。なお、図７に示す撮像画像のサイズは、横２８．５ｍｍ×縦７．８ｍｍである。
図７（ｂ）に示すように、合焦面からのずれが−３ｍｍであれば、撮像画像に大きな乱れはない。しかしながら、図７（ｃ）に示すように、合焦面からのずれが−８ｍｍになると、撮像画像の画質が大きく低下し、偏析部の形状もぼやけたものとなって、目視で判定するのが困難になってしまう。

また、図８に示すように、ラインセンサカメラ４と鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２とが平行からずれたときに、撮像画像がどのようになるかを示す。
ここでは、被写界深度が±４ｍｍとなる撮像系において、合焦面からの傾きを０度とした場合の撮像画像（図９（ａ））、３度とした場合の撮像画像（図９（ｂ））、４．５度とした場合の撮像画像（図９（ｃ））を示す。なお、図９に示す撮像画像のサイズは、横３３．１ｍｍ×縦７．７ｍｍである。
図９（ｂ）に示すように、合焦面からの傾きが３度であれば、撮像画像に大きな乱れはない。しかしながら、図９（ｃ）に示すように、合焦面からの傾きが４．５度（図１に示すＴ方向のサイズが２５０ｍｍの場合、高さに換算すると２０ｍｍ程度の差となる）になると、母材部の輝度が低下して、偏析部との差が小さくなると同時に、偏析部内部や周囲の輝度が明るくなる場合が発生する。このような撮像画像に同じ処理を適用した場合には、傾きの有無により偏析部の大きさを異なって認識してしまうことになる。

本発明を適用した撮像装置を用いることにより、図７（ａ）、図９（ａ）に示すように、焦点の合った撮像画像を取得することができるので、正確に偏析状況を観察、評価することができる。

以上、本発明を種々の実施形態と共に説明したが、本発明はこれらの実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の範囲内で変更等が可能である。
例えば上記実施形態では、４本の支柱１３を設けた例を説明したが、３本以上設けられていればよい。

また、上記実施形態では、２本の補助フレーム６にそれぞれ２個の回転体７を設けた例を説明したが、３点支持できればよいので、例えばいずれか一方の補助フレーム６に２個の回転体７を、他方の補助フレーム６に１個の回転体７を設けるような形態でもかまわない。すなわち、各補助フレーム６に少なくとも１個の回転体７が設けられるとともに、回転体７の合計が３個以上であればよい。

また、上記実施形態では、２本の補助フレーム６が共にスキャンガイド部２ａ、２ｂに沿って移動可能であり、被撮像面１０２から退避可能にした例を説明したが、いずれか一方の補助フレーム６は移動しない形態でもかまわない。例えば鋳片サンプルの図１に示すＨ方向の半分だけを撮像するような場合、撮像する側の補助フレーム６は移動可能とし、撮像しない側の補助フレーム６は固定としてもよい。
さらに、２本の補助フレームの両方ともに、移動しない形態でもかまわない。例えば、鋳片サンプルの図１に示すＨ方向の両端部は撮像する必要がない場合、２本の補助フレーム６を当該両端部に載せれば、撮像する際に移動する必要はない。移動をする必要がない場合は、各補助フレーム６には回転体を設ける必要はなく、各補助フレーム６を直接鋳片サンプル上に載せればよい。

また、上記実施形態では、２本の細長い補助フレーム６を用いた例を説明したが、それに比べて面積の大きな１つの補助フレームを用い、この補助フレームに３個（或いはそれ以上）の回転体を複数点支持できるよう配設してもよい。図５（ａ）に示す状態では、人手により撮像装置１が支持されるので、撮像装置１が３個の回転体により自ら立っている必要はない。換言すれば、３個の回転体は、３点支持により鋳片サンプル１０１の被撮像面１０２が合焦面Ｐに一致した状態となるよう位置決めさえできればよい。
さらに、鋳片サンプルの図１に示すＨ方向の両端部は撮像する必要がない場合に、この補助フレームを、当該Ｈ方向の両端部に載せれば、撮像する際に移動する必要はない。移動をする必要がない場合は、補助フレーム６には回転体を設ける必要はなく、補助フレーム６を直接鋳片サンプル上に載せればよい。

１：撮像装置、２：フレーム、２ａ、２ｂ：スキャンガイド部、３：保持フレーム、４：ラインセンサカメラ、５：線状照明、６：補助フレーム、７：回転体、８：ガイドレール、９：ガイド、１０：溝、１１：ボール、１２：車輪、１３：支柱、１４：支持部、１５：挿通穴、１６：開口部、１７：連結部材、１８：ハンドル、５１：床、１００：鋳片、１０１：鋳片サンプル、１０２：被撮像面

Claims

金属材料を照明手段で照明して撮像手段で撮像する撮像装置であって、
互いに平行な一対のスキャンガイド部を有するフレームと、
前記スキャンガイド部に沿って移動可能で、前記フレームの上方で前記照明手段及び前記撮像手段を保持する保持フレームと、
前記金属材料の被撮像面に載せたときに、前記被撮像面が前記撮像手段の合焦面に一致するように、前記フレームに設置された位置決め部材と、
該撮像装置を支持するために前記フレームに設けられた昇降可能な支柱とを備え、
前記位置決め部材は、前記スキャンガイド部に沿って移動可能で、前記金属材料の前記被撮像面に載せた後に、前記被撮像面から退避可能であることを特徴とする金属材料の撮像装置。
前記位置決め部材は、
前記一対のスキャンガイド部間に架設され、少なくともそのうちの１本が前記スキャンガイド部に沿って移動可能な２本の補助フレームと、
前記金属材料の前記被撮像面に載せた後、前記被撮像面から退避可能となるように前記移動可能な補助フレームの下方に設けられた回転体とにより構成されることを特徴とする請求項１に記載の金属材料の撮像装置。
前記２本の補助フレームが共に前記スキャンガイド部に沿って移動可能であり、前記各補助フレームに少なくとも１個の前記回転体が設けられるとともに、前記回転体の合計が３個以上であることを特徴とする請求項２に記載の金属材料の撮像装置。
前記支柱は３本以上設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の金属材料の撮像装置。