JPH09166552A - 表面検査装置 - Google Patents
表面検査装置Info
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- JPH09166552A JPH09166552A JP28458096A JP28458096A JPH09166552A JP H09166552 A JPH09166552 A JP H09166552A JP 28458096 A JP28458096 A JP 28458096A JP 28458096 A JP28458096 A JP 28458096A JP H09166552 A JPH09166552 A JP H09166552A
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Abstract
−ト状製品の表面の模様状疵をオンラインで連続的に検
査することは困難であった。 【解決手段】鋼板6の表面からの反射光の異なる偏光を
ラインセンサカメラ7a〜7cで検出して偏光の強度分
布を示す画像形成する。信号処理部9は3種類の偏光画
像の各画素における偏光パラメ−タtanΨとcosΔと表面
反射強度I0を演算し、偏光パラメ−タのtanΨ画像とco
sΔ画像及びI0画像を生成し、生成したtanΨ画像とcos
Δ画像とI0画像の異常部における明暗のパタ−ンを利
用して異常部の種別を判定し、それらの明暗の輝度変化
の度合いにより異常の程度を判定する。
Description
の表面疵を光学的に検出する表面検査装置に関するもの
である。
装置としては、レ−ザ光の散乱又は回折パタ−ンの変化
を利用して疵を検出する方法が多く用いられている。こ
の方法は鋼板の表面に明らかな凹凸を形成している疵を
検出する場合には有効な方法である。
く、物性値のむら,ミクロな粗さのむら,薄い酸化膜等
の局所的な存在あるいはコ−ティング膜厚の厚さむらと
いった模様状疵といわれるものがある。このような模様
状疵はレ−ザ光の散乱や回折パタ−ンの変化では検出が
困難である。例えば正常部で100Å程度の酸化膜が付い
ている鋼板表面に、局所的に400Å程度の酸化膜が厚く
付いている異常部がある場合、このような異常部の領域
は表面処理工程において塗装不良が生じるため、疵とし
て検出して除去したい要請がある。しかしながら、異常
部と正常部の酸化膜厚の差は鋼板表面の粗さに埋もれて
しまい、光の散乱や回折を利用した方法では全く検出が
不可能である。
では検出できない疵を検出するために、偏光を用いた疵
検査方法が例えば特開昭52−138183号公報や特開昭58−
204356号公報,特開平4−58138号公報等に開示されて
いる。特開昭52−138183号公報に示された検査方法は被
検査体の表面から反射したP偏光とS偏光の比があらか
じめ定めた比較レベルより高いか否可によって欠陥の有
無を検知するものである。また、特開昭58−204356号公
報に示された検出方法は被検査体の表面に特定角度の入
射角で光を照射して、表面欠陥を検出するときのS/N
比を向上するようにしたものである。特開平4−58138
号公報に示された検査方法は、試料から反射した偏光を
1/4波長板からなる移相子と検光子とを介してイメ−
ジセンサに導くときに、移相子の透過軸の位置を所定角
度変え、各角度毎に検光子を回転させてイメ−ジセンサ
の画素毎に偏光パラメ−タを求めて複屈折分布を精度良
く測定する方法である。
報や特開昭58−204356号公報に示された検査方法は、偏
光を用いて正常部と異常部とを弁別しているが、厳密な
偏光パラメ−タすなわち反射光の電気ベクトルのうち入
射面方向の成分であるP偏光と入射面に垂直方向の成分
であるS偏光との振幅反射率比tanΨと位相差Δを判定
することなしに疵を検出するようにしている。鋼板等の
表面の疵部は光学的物性が正常部と異なった部分である
ことが多く、このような部分は複素屈折率が正常部と異
なっているといえる。このような場合、偏光パラメ−タ
の振幅反射率比tanΨと位相差Δの両方を考慮しない
と、偏光パラメ−タの変化の一部しか捕らえることがで
きず、例えば検査結果として異常部が検出できたとして
も、それが油のしみか、酸化膜のむらか、又は何らかし
らの異常な付着物が付着したのであるか等を弁別するこ
ができず、異常部の種別と程度を判定することは困難で
あった。
検査方法は、薄膜評価等に使用されているエリプソメ−
タを2次元に拡大したものであり、この場合は、各画素
毎に複屈折率が求められるため、正常部と異常部とでは
異なる値として複屈折率が測定され、その違いにより正
常部と異常部を弁別できる可能性がある。しかしなが
ら、移相子と検光子を機械的に回転させて測定している
ため、被検査体の各位置の複屈折率を測定するには、少
なくとも1回の測定中は被検査体を停止させている必要
があった。このため、例えば鋼板等のように連続的に製
造されて送られるシ−ト状製品の表面をオンラインで連
続的に検査することは不可能であった。
敏感であり、他の種類の疵や汚れ,油むら,スケ−ルな
どから相対的に微弱な検出強度した与えない模様状の表
面疵の情報のみを弁別して検出することは困難であっ
た。特に、表面に油膜が塗布されて製造ライン上を移動
する鋼板を検査する場合には、その油膜むらと本来検出
すべき表面疵の両方を含んだ偏光パラメ−タを検出して
しまい、表面疵の情報だけを弁別して検出することはで
きなかった。このため、特に防錆のために表面に油膜が
塗布されていることが多い冷延鋼板等の通常の鋼板の表
面疵の検出に使える可能性がないと考えられており、鋼
板の模様状疵を光学的手段で検出すること、さらに表面
疵の種類や等級までを判定することは不可能とされてい
た。
されたものであり、シ−ト状製品の表面にある模様状疵
もオンラインで連続的に検出して、その種別や程度を正
確に弁別することができる表面検査装置を得ることを目
的とするものである。
装置は、投光部と受光部と信号処理部とを有し、投光部
は被検査面に平行光束の偏光を入射し、受光部は被検査
面からの反射光の異なる光路にそれぞれ設けられ、それ
ぞれ異なる方位角を有する3個の検光子と、各検光子を
透過した光を受光するリニアアレイセンサとを有し、被
検査面からの反射光を入射し画像信号に変換し、信号処
理部は3個のリニアアレイセンサからの画像信号を処理
し、振幅反射率比tanΨと位相差Δを示すcosΔと被検査
面の表面反射強度I0を演算し、tanΨ画像とcosΔ画像
及びI0画像を生成し、生成したtanΨ画像とcosΔ画像
及びI0画像の各画素の濃度から表面の特性を評価する
ことを特徴とする。
置を投光部と受光部及び信号処理部で構成する。投光部
は被検査面の板幅方向に長く形成された平行光源から偏
光子を介して被検査面に偏光を入射し、被検査面からの
反射光を受光して、被検査面に疵等の異常部があるか否
を検出する。
ラインセンサカメラの受光面の前面に設けられた検光子
とで構成し、3個の検光子はそれぞれ異なる方位角、す
なわち透過軸が被検査面の入射面となす角が、例えば
「0」,「π/4」,「−π/4」になるように配置さ
れ、3個のラインセンサカメラは各検光子を通った偏光
を入射して偏光の強度分布を示す画像を出力する。
らそれぞれ出力された光強度分布を示す画像の各画素に
おける偏光パラメ−タすなわち振幅反射率比tanΨと位
相差Δを示すcosΔと表面反射強度I0を演算し、偏光パ
ラメ−タのtanΨ画像とcosΔ画像及びI0画像を生成
し、生成したtanΨ画像とcosΔ画像とI0画像の異常部
における明暗のパタ−ンを利用して異常部の種別を判定
し、それらの明暗の輝度変化の度合いにより異常の程度
を判定する。
し、図1は光学系の構成図、図2は信号処理部を示すブ
ロック図である。図1に示すように、光学系1は投光部
2と受光部3とを有する。投光部2は平行光源4と平行
光源4の前面に設けられた偏光子5とを有する。平行光
源4は被検査体例えば鋼板6の板幅方向に長く形成され
た面状光源からなり、鋼板6の表面の一定長さ範囲に平
行光束を照射する。偏光子5は例えば偏光板や偏光フイ
ルタからなり、図3に示すように、透過軸Pが鋼板6の
入射面となす角α1がπ/4になるように配置されてい
る。受光部3は3個のラインセンサカメラ7a,7b,
7cと、各ラインセンサカメラ7a,7b,7cの受光
面の前面に設けられた検光子8a,8b,8cとを有す
る。ラインセンサカメラ7a,7b,7cは鋼板6の移
動方向に位置をずらして配置され、鋼板6の表面からの
反射光を検出して偏光画像信号に変換する。検光子8
a,8b,8cは、例えば偏光板や偏光フイルタからな
り、図3に示すように、検光子8の透過軸が鋼板4の入
射面となす角α2は検光子8aがα2=0、検光子8bが
α2=π/4、検光子8cがα2=−π/4になるように配
置されている。
リ10a,10b,10cと、演算用CPU11と、エ
リプソパラメ−タ画像用のフレ−ムメモリ12a,12
b,12c及び処理用CPU13とを有する。フレ−ム
メモリ10a,10b,10cにはそれぞれラインセン
サカメラ7a,7b,7cから出力された偏光画像信号
が2次元展開される。演算用CPU11はラインセンサ
カメラ7a,7b,7cの設置位置のずれを考慮して鋼
板6の同じ位置の偏光画像信号をフレ−ムメモリ10
a,10b,10cから読み出し、各画素における偏光
パラメ−タすなわち振幅反射率比tanΨと位相差Δを示
すcosΔと鋼板6の表面反射強度I0を演算し、偏光パラ
メ−タのtanΨ画像とcosΔ画像及びI0画像を生成す
る。フレ−ムメモリ12a,12b,12cには演算用
CPU11で演算したtanΨ画像とcosΔ画像及びI0画
像が展開される。処理用CPU13はフレ−ムメモリ1
2a,12b,12cに展開されたtanΨ画像とcosΔ画
像とI0画像の異常部における明暗のパタ−ンを利用し
て異常部の種別を判定し、それらの明暗の輝度変化の度
合いにより異常部程度を判定する。
作を説明するに当たり、まず、3個のラインセンサカメ
ラ7a,7b,7cで検出した光強度から振幅反射率比
tanΨとcosΔと鋼板6の表面反射強度I0を演算する原
理を説明する。
光子8の透過軸Aが鋼板6の入射面となす角をα1,α2
とすると、任意の入射角iで鋼板6に入射して反射した
p偏光成分とs偏光成分が検光子8を通って合成された
ときの光強度I(α1,α2)は、p成分とs成分の振幅反
射率をrp,rsとすると次式で表せる。
検光子8aを通った光強度I1は、I1=I0ρ2となり、
α2=π/4の検光子8bを通った光強度I2は、I2=
I0(1+ρ2+2ρcosΔ)/2、α2=−π/4の検光
子8cを通った光強度I3は、I2=I0(1+ρ2−2ρc
osΔ)/2となる。この光強度I1,I2,I3からtanΨ
とcosΔ及び表面反射強度I0は次式で得られる。ただ
し、光強度I1,I2,I3はカメラのアンプゲインなど
の選び方によって定数倍される場合もある。
用して鋼板6の疵を検出する表面検査装置の動作を図4
の信号特性図を参照して説明する。光学系1から出射さ
れて一定速度で移動している鋼板6の一定間隔Lをおい
た各位置で反射した偏光はそれぞれ検光子8a,8b,
8cを通ってラインセンサカメラ7a,7b,7cに入
射する。すなわち鋼板6表面の同一検査線上の像は間隔
Lに対応したずれが生じて検出される。このラインセン
サカメラ7a,7b,7cで鋼板6の表面からの反射光
の光強度を検出するときに、ラインセンサカメラ7aの
前面にはα2=0の検光子8aが設けられているから、
ラインセンサカメラ7aは前記光強度I1を検出し、ラ
インセンサカメラ7bの前面にはα2=π/4の検光子
8bが設けられているから、ラインセンサカメラ7bは
前記光強度I2を検出し、ラインセンサカメラ7cの前
面にはα2=−π/4の検光子8cが設けられているか
ら、ラインセンサカメラ7cは前記光強度I3を検出す
る。ラインセンサカメラ7a,7b,7cで検出した光
強度I1,I2,I3の分布を示す画像がそれぞれフレ−
ムメモリ10a,10b,10cに展開される。このよ
うにラインセンサカメラ7a,7b,7cで光強度
I1,I2,I3を検出するときに、α2=0の検光子8a
を通ってラインセンサカメラ7aに入射する光強度のI
1はラインセンサカメラ7b,7cに入射する光強度
I2,I3のほぼ2倍程度になる。そこでラインセンサカ
メラ7aの感度をラインセンサカメラ7b,7cの感度
の1/2にしておくと、フレ−ムメモリ10a,10
b,10cに同じ程度の濃度を基準とした画像を生成す
ることができる。
a,10b,10cに生成された光強度I1,I2,I3
による偏光画像信号をラインセンサカメラ7a,7b,
7cの設置位置のずれを考慮して読み出し、各画素にお
ける振幅反射率比tanΨと位相差Δを示すcosΔと鋼板6
の表面反射強度I0を逐次演算してフレ−ムメモリ12
aにはtanΨ画像を生成し、フレ−ムメモリ12bにはc
osΔ画像を生成し、フレ−ムメモリ12bにはI0画像
を生成する。この画像を生成するときに、各画素のtan
Ψ=0〜2程度を0〜255階調に変換し、cosΔ=−1〜
1を0〜255階調に変換して生成する。例えばcosΔ画像
において、正常部がcosΔ=0であるとき、異常部をcos
Δ=−1とすると、cosΔ画像で異常部は正常部より濃
度が濃い画像に形成される。ここで振幅反射率比tanΨ
と位相差Δを示すcosΔと鋼板6の表面反射強度I0を演
算するときに、ラインセンサカメラ7aの感度をライン
センサカメラ7b,7cの感度の1/2にしたときに
は、ラインセンサカメラ7aで検出した光強度をI1と
すると、tanΨとcosΔ及びI0を下記で演算する。
a,12b,12cに生成されたtanΨ画像とcosΔ画像
及びI0画像の各画素の濃度をシェ−ディング補正して
から正常部の濃度を基準として正規化して、濃度レベル
特性に変換処理する。このtanΨ画像とcosΔ画像及びI
0画像の濃度レベル特性の変化により異常部の種別とそ
の程度を判定する。
鋼板6に投光部2から偏光を入射角60度で入射し、検査
線間隔L=100mmおきにラインセンサカメラ7a,7
b,7cで光強度I1,I2,I3を検出してフレ−ムメ
モリ10a,10b,10cに展開した画像を図4
(a)に示す。また、このフレ−ムメモリ10a,10
b,10cに生成された光強度I1,I2,I3による偏
光画像から演算用CPU11で演算して生成したtanΨ
画像とcosΔ画像及びI0画像を図4(b)に示す。ここ
で図4(a)、(b)の画像において、画面中央部に示
す光強度の変化している部分21は模様状疵を示し、右
端部の光強度の変化している部分22は油しみ等の無害
であるが模様状のパタ−ンを示す。図4(b)に示すよ
うにほとんど大部分を示す正常部と異常部ではtanΨ画
像とcosΔ画像及びI0画像の濃度が明らかに相違し、例
えば図4(b)に示すようにcosΔ画像では異常部が正
常部より非常に濃くなる。このtanΨ画像とcosΔ画像及
びI0画像の各画素の濃度を正常部の濃度を基準として
正規化した濃度レベル特性を図4(c)に示す。図4
(c)に示すように、模様状疵21のtanΨ画像の濃度
レベルはプラスになり、cosΔ画像の濃度レベルはマイ
ナスになり、I0画像の濃度レベルはマイナスになる
が、油しみ等の模様状パタ−ン22の部分はtanΨ画像
の濃度レベルとcosΔ画像の濃度レベルはともにマイナ
スになり、I0画像の濃度レベルはプラスになる。した
がって、tanΨ画像の明暗とcosΔ画像の明暗とI0画像
の明暗により疵の種別を判別することができる。また、
それらの濃度レベルの変化度により疵の程度を判定する
ことができる。
個の面状光源で構成した場合について説明したが、図5
の側面図に示すように、3個のラインセンサカメラ7
a,7b,7cに対応して一定距離をおいて配置された
3個の線状光源4a,4b,4cを用い、各線状光源4
a,4b,4cから出射し鋼板6表面で反射した偏光を
対応するラインセンサカメラ7a,7b,7cで受光す
るようにしても良い。
ンサカメラ7a,7b,7cを鋼板6の移動方向に対し
て位置をずらして配置した場合について説明したが、図
6の上面図と図7の側面図に示すように、ラインセンサ
カメラ7a,7b,7cを鋼板6の移動方向と直交する
同一ライン上で同じ高さの位置に設け、鋼板6の同一位
置からの反射光をラインセンサカメラ7a,7b,7c
で同時に検出するようにしても良い。そしてスペ−ス的
に余裕がある場合にはラインセンサカメラ7a,7b,
7cに焦点距離の長いレンズを使用することにより、画
面上の被写界深度の問題を回避することができる。ま
た、場合によっては中心に設けたラインセンサカメラ7
aの両側のラインセンサカメラ7b,7cを一定角度内
側に向けても良い。
b,7cを鋼板6の移動方向と直交する同一ライン上で
同じ高さの位置に設けた場合について説明したが、図8
に示すようにラインセンサカメラ7a,7b,7cの設
置高さを変えて鋼板6の同一位置からの反射光を同時に
検出するようにしても良い。
て平行光よりも若干収束させることにより入射角の幅を
持たせ、各ラインセンサカメラ7a,7b,7cが光源
4からの正反射光を捕らえるようにすると良い。また光
源4として白色光源を用いた場合は、元々完全な平行光
にはできないので、若干異なる入射角と反射角の光を別
々のラインセンサカメラ7a,7b,7cで拾うこと
で、光源光量をより有効に利用することができる。ま
た、ラインセンサカメラ7a,7b,7cの設置高さを
変えると、入射角と反射角がラインセンサカメラ7a,
7b,7c毎に異なるという問題が考えられるが、例え
ば鋼板6から距離1000mmの位置に50mm上または下に
ずらしてラインセンサカメラ7a,7b,7cを配置し
た場合、入射角と反射角の違いは3度程度である。図9
は冷延鋼板上の典型的な模様疵を測定したときの光強度
I1,I2,I3の信号レベルと初期入・反射角θからの
ずれとの関係を示す。図に示すように、入射角と反射角
のラインセンサカメラ7a,7b,7c毎の相違が±3
度程度であれば、各信号の信号レベルの違いはせいぜい
数%であり、表面検査装置の性能上特に問題なく使用す
ることができる。
た偏光を鋼板6の表面に直接入射し、その反射光をライ
ンセンサカメラ7a,7b,7cで直接受光する場合に
ついて説明したが、図10に示すように、平行光源4か
ら鋼板6の表面に対して直交するように出射した光をミ
ラ−14で反射してから偏光子5を通して所定の入射角
で鋼板6の表面に入射し、その反射光を検光子8a,8
b,8cを通してからミラ−15で反射して鋼板6の表
面に対して直交するように設けたラインセンサカメラ7
a,7b,7cで受光するようにしても良い。このよう
に投光部2と受光部3を構成することにより、光学系1
の設置スペ−スを小さくすることができ、オンラインに
おける設置の自由度を改善することができる。なお、上
記実施例は偏光子5をミラ−14の後段に設け、検光子
8a,8b,8cをミラ−15の前段に設けて偏光がミ
ラ−14,15の影響を受けないようにしたが、偏光子
5をミラ−14の前段に設け、検光子8a,8b,8c
をミラ−15の後段に設けて、ミラ−14,15の影響
を補正するようにしても良い。
7a,7b,7cでそれぞれ鋼板6の移動方向と直交す
るライン画像を検出する場合について説明したが、2次
元CCDカメラを使用して鋼板6の一定長さ毎の画像を
検出するようにしても良い。
面に平行光束の偏光を入射し、被検査面からの反射光の
異なる光路にそれぞれ設けられ、異なる方位角を有する
3個の検光子を通した偏光の光強度分布を検出し、検出
した光強度分布を示す画像の各画素における偏光パラメ
−タすなわち振幅反射率比tanΨと位相差Δを示すcosΔ
と表面反射強度I0を演算し、偏光パラメ−タの像tanΨ
画像とcosΔ画像及びI0画像を生成し、生成したtanΨ
画像とcosΔ画像とI0画像の異常部における明暗のパタ
−ンを利用して異常部の種別を判定し、それらの明暗の
輝度変化の度合いにより異常の程度を判定するようにし
たから、簡単な構成で被検査面の疵や油じみ等を精度良
く検出することができる。
に被検査面の疵等を検出できるから、連続的に製造され
て送られるシ−ト状製品の表面をオンラインで連続的に
検査することができる。
る。
る。
る。
の変化特性図である。
Claims (1)
- 【請求項1】 投光部と受光部と信号処理部とを有し、
投光部は被検査面に平行光束の偏光を入射し、受光部は
被検査面からの反射光の異なる光路にそれぞれ設けら
れ、それぞれ異なる方位角を有する3個の検光子と、各
検光子を透過した光を受光するリニアアレイセンサとを
有し、被検査面からの反射光を入射し画像信号に変換
し、信号処理部は3個のリニアアレイセンサからの画像
信号を処理し、振幅反射率比tanΨと位相差Δを示すcos
Δと被検査面の表面反射強度I0を演算し、tanΨ画像と
cosΔ画像及びI0画像を生成し、生成したtanΨ画像とc
osΔ画像及びI0画像の各画素の濃度から表面の特性を
評価することを特徴とする表面検査装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP28458096A JP3591160B2 (ja) | 1995-10-09 | 1996-10-08 | 表面検査装置 |
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JP28637795 | 1995-10-09 | ||
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