JPWO2016194939A1 - 金属体の形状検査装置及び金属体の形状検査方法 - Google Patents

金属体の形状検査装置及び金属体の形状検査方法 Download PDF

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Abstract

【課題】金属体の表面粗さによらず、金属体の形状をより正確に検査すること。【解決手段】本発明に係る金属体の形状検査装置は、金属体に対して少なくとも２つの照明光を照射し、金属体からの２つの照明光の反射光を互いに区別して測定する測定装置と、反射光の輝度値に基づいて金属体の形状検査に用いられる情報を算出する演算処理装置と、を備える。測定装置は、金属体に対してピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する第１及び第２の照明光源と、第１の照明光の反射光及び第２の照明光の反射光を互いに区別して測定するカラーラインセンサカメラと、を有し、第１及び第２の照明光源は、カラーラインセンサカメラの光軸の金属体の表面での正反射方向とそれぞれの光軸とのなす角が、略等しくなるように配設されており、第１の照明光のピーク波長と第２の照明光のピーク波長との波長差は、５ｎｍ以上９０ｎｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、金属体の形状検査装置及び金属体の形状検査方法に関する。
測定対象物の表面形状を測定する方法の一つに、蛍光灯、発光ダイオード（Ｌｉｇｈｔ Ｅｍｉｔｔｉｎｇ Ｄｉｏｄｅ：ＬＥＤ）、又は、レーザ光等を利用した照明光を用い、照明光の測定対象物からの反射光を撮像することで、測定対象物の表面形状を測定する方法がある。
例えば下記の特許文献１には、ライン光と撮像カメラとを利用して、いわゆる光切断法によりタイヤ表面の形状を測定する方法が開示されている。
また、下記の特許文献２には、周期的に変調された線状レーザ光を照明光として利用し、この線状レーザ光の反射光を遅延積分型の撮像装置で撮像することで、得られた縞画像により測定対象物の形状を測定する技術が開示されている。
特開２０１２−２２５７９５号公報 特開２００４− ３９３０号公報 中国特許出願公開第１０２８３０１２３号明細書
Ｐ．Ｂｅｃｋｍａｎｎ，Ａ．Ｓｐｉｚｚｉｃｈｉｎｏ，"Ｔｈｅ Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅｓ ｆｒｏｍ Ｒｏｕｇｈ Ｓｕｒｆａｃｅｓ"，Ａｒｔｅｃｈ Ｈｏｕｓｅ，１９８７．
しかしながら、上記特許文献１に開示されているような光切断法では、１枚の撮像画像から１つの断面形状しか得ることができないため、測定対象物の全体形状を高速に測定することが困難であった。
また、上記特許文献２に開示されているような遅延積分型の撮像装置を利用した方法では、縞画像を構成する１本の縞あたり１断面の形状しか得ることができないため、高密度な形状測定が困難であった。
そこで、本発明者は、より高速かつ高密度に金属体の形状を検査することが可能な方法について、鋭意検討を行った。検討に際して、本発明者は、金属体の形状検査に関する技術ではないものの、上記特許文献３に開示されているような、鋼板等の金属体の表面に対して赤色線状光及び青色線状光を照射し、金属体からの反射光をカラーラインカメラで撮像することで、金属体の表面に存在する微細欠陥を検査するという検査方法を、金属体の形状測定に適用することも検討した。
しかしながら、本発明者による検討の結果、上記特許文献３に開示されている検査方法を例えば冷延鋼板等のように表面粗さが比較的粗い金属体の検査に適用し、かかる金属体の表面形状を検査する場合には、十分な検査精度が得られないことが明らかとなった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、金属体の表面粗さによらず、金属体の形状をより高速、高密度かつ正確に検査することが可能な、金属体の形状検査装置及び金属体の形状検査方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、金属体に対して少なくとも２つの照明光を照射し、前記金属体からの前記２つの照明光の反射光を互いに区別して測定する測定装置と、前記測定装置による前記反射光の輝度値の測定結果に基づいて、前記金属体の形状検査に用いられる情報を算出する演算処理装置と、を備え、前記測定装置は、前記金属体に対して、ピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する第１及び第２の照明光源と、前記第１の照明光源から照射された第１の照明光の反射光、及び、前記第２の照明光源から照射された第２の照明光の反射光を互いに区別して測定するカラーラインセンサカメラと、を有し、前記第１の照明光源及び前記第２の照明光源は、前記カラーラインセンサカメラの光軸の前記金属体の表面での正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角と、当該正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角とが、略等しくなるように配設されており、前記第１の照明光のピーク波長と前記第２の照明光のピーク波長との波長差は、５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であり、前記演算処理装置は、前記第１の照明光の反射光の輝度値と、前記第２の照明光の反射光の輝度値との差分を用いて、前記情報として前記金属体の表面の傾きを算出する金属体の形状検査装置が提供される。
前記金属体の表面温度は、５７０℃以下であってもよい。
前記カラーラインセンサカメラの光軸と、前記金属体の表面の法線方向とのなす角度が５度以下であることが好ましく、前記正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角、及び、前記正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角が、３０度以上であることが好ましい。
前記測定装置は、前記正反射方向の近傍に、前記第１の照明光及び前記第２の照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３の照明光を照射可能な第３の照明光源を更に有しており、前記カラーラインセンサカメラは、当該第３の照明光の前記金属体からの反射光を更に測定してもよく、前記演算処理装置は、前記差分と、前記第３の照明光の反射光の輝度値と、を用いて、前記金属体の表面の傾きを算出してもよい。
前記第１の照明光のピーク波長は、４５０ｎｍ以上であり、かつ、前記第２の照明光のピーク波長は、５４０ｎｍ以下であってもよい。
前記第３の照明光のピーク波長は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下であってもよい。
前記差分は、表面が平坦な前記金属体を測定した場合に、当該表面が平坦な金属体からの２つの前記反射光の輝度値の差分がゼロとなるように予め補正されており、前記演算処理装置は、前記差分の正負に基づいて前記傾きの方向を特定するとともに、前記差分の絶対値に基づいて前記傾きの大きさを特定することが好ましい。
前記演算処理装置は、算出した前記金属体の表面の傾きを、前記カラーラインセンサカメラと前記金属体の相対的な移動方向に沿って積分して、前記金属体の表面の高さを前記情報として更に算出してもよい。
前記演算処理装置は、算出した前記金属体の表面の傾きを所定の閾値と比較することで、前記金属体の形状を検査してもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、金属体に対して、ピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する第１及び第２の照明光源と、前記第１の照明光源から照射された第１の照明光の反射光、及び、前記第２の照明光源から照射された第２の照明光の反射光を互いに区別して測定するカラーラインセンサカメラと、を有し、前記第１の照明光源及び前記第２の照明光源は、前記カラーラインセンサカメラの光軸の前記金属体の表面での正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角と、当該正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角とが、略等しくなるように配設されており、前記第１の照明光のピーク波長と前記第２の照明光のピーク波長との波長差が５ｎｍ以上９０ｎｍ以下である測定装置により、前記金属体に前記第１の照明光及び前記第２の照明光を少なくとも照射し、前記金属体からの前記照明光の反射光を互いに区別して測定し、前記測定装置による前記反射光の輝度値の測定結果に基づいて前記金属体の形状を検査するための情報を算出する演算処理装置により、前記第１の照明光の反射光の輝度値と、前記第２の照明光の反射光の輝度値との差分を用いて、前記情報として前記金属体の表面の傾きを算出する、金属体の形状検査方法が提供される。
前記金属体の表面温度は、５７０℃以下であってもよい。
前記カラーラインセンサカメラの光軸と、前記金属体の表面の法線方向とのなす角度は、５度以下に設定されることが好ましく、前記正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角、及び、前記正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角は、３０度以上に設定されることが好ましい。
前記測定装置は、前記正反射方向の近傍に、前記第１の照明光及び前記第２の照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３の照明光を照射可能な第３の照明光源を更に有しており、前記カラーラインセンサカメラは、当該第３の照明光の前記金属体からの反射光を更に測定してもよく、前記演算処理装置での前記表面の傾きの算出処理では、前記差分と、前記第３の照明光の反射光の輝度値と、を用いて、前記金属体の表面の傾きが算出されてもよい。
前記第１の照明光のピーク波長を、４５０ｎｍ以上に設定し、かつ、前記第２の照明光のピーク波長を、５４０ｎｍ以下に設定してもよい。
前記第３の照明光のピーク波長を、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下に設定してもよい。
前記差分は、表面が平坦な前記金属体を測定した場合に、当該表面が平坦な金属体からの２つの前記反射光の輝度値の差分がゼロとなるように予め補正されており、前記演算処理装置での前記表面の傾きの算出処理では、前記差分の正負に基づいて前記傾きの方向が特定されるとともに、前記差分の絶対値に基づいて前記傾きの大きさが特定されることが好ましい。
前記金属体の形状検査方法では、前記演算処理装置により、算出した前記金属体の表面の傾きを前記カラーラインセンサカメラと前記金属体の相対的な移動方向に沿って積分して、前記金属体の表面の高さを前記情報として更に算出してもよい。
前記金属体の形状検査方法では、算出した前記金属体の表面の傾きを所定の閾値と比較することで、前記金属体の形状を検査してもよい。
以上説明したように本発明によれば、金属体の表面粗さによらず、金属体の形状をより高速、高密度かつ正確に検査することが可能となる。
本発明の実施形態に係る形状検査装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の反射角と表面の傾き角との関係を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 同実施形態に係る測定装置における照明光の波長について説明するための説明図である。 第１及び第２の照明光の反射光の輝度差と金属体表面の傾き角との関係の一例を示したグラフ図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の別の一例を模式的に示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の別の一例を模式的に示した説明図である。 第３の照明光の反射光の輝度値と金属体表面の傾き角との関係の一例を示した説明図である。 同実施形態に係る形状検査装置が備える演算処理装置の構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理装置が備えるデータ処理部の構成の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理装置が備えるデータ処理部の構成の別の一例を示したブロック図である。 同実施形態に係る形状検査方法の流れの一例を示した流れ図である。 同実施形態に係る形状検査方法の流れの別の一例を示した流れ図である。 本発明の実施形態に係る演算処理装置のハードウェア構成の一例を示したブロック図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。 実施例１について説明するための説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
（形状検査装置の構成について）
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る金属体の形状検査装置（以下、単に「形状検査装置」ともいう。）１０の全体的な構成について説明する。図１は、本実施形態に係る形状検査装置１０の一構成例を示した説明図である。
本実施形態に係る形状検査装置１０は、所定の場所に載置されている鋼板や所定の搬送ライン上を搬送される鋼板等といった、各種の金属体Ｓの形状（例えば、表面形状）を検査する装置である。
ここで、形状検査装置１０と金属体とは、互いに相対的に運動をしていればよく、上記のように、搬送ラインに対して形状検査装置１０の測定装置１００が固定されており、かつ、金属体が搬送ライン上を搬送されていてもよく、静止した金属体に対して測定装置１００が移動していてもよい。
金属体Ｓのマクロな形状は特に限定されるものではなく、例えば、スラブやビレットといった板状のものであっても良いし、帯状のものであってもよい。
また、金属体Ｓの成分も特に限定されるものではなく、鉄元素を主成分とする各種の鋼であってもよいし、鉄と他の金属元素との各種合金であってもよいし、各種の非鉄金属であってもよい。
なお、金属体Ｓは、通常、熱間圧延工程の後、酸洗工程及び冷間圧延工程を通り、めっき工程等を経て製品となるが、熱間圧延工程における５７０℃以上の赤熱状態では、金属体Ｓ自体の熱放射が、後述する測定装置１００での撮像の誤差要因となる可能性がある。
一般的に、熱間圧延処理が施された後の鋼板は、表面にスケールと呼ばれる酸化膜が生成しており、表面粗さのムラは小さいが、酸化膜と地鉄との間の界面は平坦ではなく不均一である。そのため、スケールを除去する酸洗工程では、地鉄表面が現われて粗面となっている。また、冷間圧延処理においては製品に意図的に表面粗さを付与するため、冷間圧延後の鋼板は表面粗さのムラが大きくなっている。そのため、冷間圧延後の鋼板に対して上記特許文献３に開示されているような技術を用いた場合、正確な表面形状の測定は困難となる。しかしながら、以下で説明する本実施形態に係る形状検査装置１０は、冷間圧延処理が施された後の鋼板のように、表面粗さのムラが大きくなっている金属体Ｓであっても、精度良く表面形状の検査を行うことが可能となる。
以下では、金属体Ｓは、未図示の搬送ライン上を金属体Ｓの長手方向に沿って搬送されているものとし、金属体Ｓの長手方向を搬送方向とも称するものとする。
かかる形状検査装置１０は、図１に示したように、測定装置１００と、演算処理装置２００と、を主に備える。
測定装置１００は、演算処理装置２００による制御のもとで、金属体Ｓ（より詳細には、金属体Ｓの表面）に対して少なくとも２種類の照明光を照射するとともに、当該照明光の金属体Ｓ（より詳細には、金属体Ｓの表面）からの反射光を互いに区別して測定して、反射光の輝度値に関するデータを生成する装置である。測定装置１００は、生成した反射光の輝度値に関するデータを、演算処理装置２００に対して出力する。
演算処理装置２００は、測定装置１００による金属体Ｓの測定処理を制御する。また、演算処理装置２００は、測定装置１００により生成された反射光の輝度値に関するデータを取得し、取得した輝度値に関するデータに対して以下で詳述するデータ処理を行うことで、金属体Ｓの形状（より詳細には、表面形状）を検査するために用いられる各種の情報を算出する。以下では、形状検査に用いられる各種の情報を、まとめて「検査用情報」と称することとする。演算処理装置２００によって算出される検査用情報としては、以下で詳述するように、例えば、２種類の照明光の反射光の輝度値の差分に基づき算出される金属体Ｓの表面の傾きに関する情報、及び、かかる表面の傾きを積分することで得られる金属体Ｓの表面の高さに関する情報等を挙げることができる。換言すれば、これら金属体Ｓの表面の傾きに関する情報及び表面の高さに関する情報が、金属体Ｓの形状を表わす情報となる。
測定装置１００による金属体Ｓの測定処理、及び、演算処理装置２００による検査用情報の算出処理は、金属体Ｓの搬送にあわせてリアルタイムに実施することが可能である。形状検査装置１０の使用者は、形状検査装置１０（より詳細には、演算処理装置２００）から出力される検査結果に着目することで、金属体Ｓの形状をリアルタイムに把握して、金属体Ｓを検査することが可能となる。
以下では、これら測定装置１００及び演算処理装置２００について、それぞれ詳述することとする。
＜測定装置１００について＞
まず、図２Ａ〜図２３を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１００について、詳細に説明する。
図２Ａ〜図４は、本実施形態に係る形状検査装置１０が備える測定装置の一例を模式的に示した説明図である。図５〜図８、及び、図１０〜図１９は、本実施形態に係る測定装置１００における照明光の波長について説明するための説明図である。図９は、本実施形態に係る測定装置における照明光の反射角と表面の傾き角との関係を模式的に示した説明図である。図２０は、第１及び第２の照明光の反射光の輝度差と金属体表面の傾き角との関係の一例を示したグラフ図である。図２１及び図２２は、本実施形態に係る形状検査装置が備える測定装置の別の一例を模式的に示した説明図である。図２３は、第３の照明光の反射光の輝度値と金属体表面の傾き角との関係の一例を示した説明図である。
図２Ａは、測定装置１００を金属体Ｓの側方から見た場合の模式図であり、図２Ｂ及び図２Ｃは、測定装置１００を金属体Ｓの上方から見た場合の模式図である。
本実施形態に係る測定装置１００は、図２Ａ及び図２Ｂに示したように、カラーラインセンサカメラ１０１と、第１の照明光源（以下、「第１照明光源」ともいう。）１０３と、第２の照明光源（以下、「第２照明光源」ともいう。）１０５と、を少なくとも有している。カラーラインセンサカメラ１０１、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５は、これらの設定位置が変化しないように、公知の手段により固定されている。
図２Ａでは、カラーラインセンサカメラ１０１は、その光軸が金属体Ｓの表面（以下、「金属体表面」ともいう。）に対して垂直となるように、金属体Ｓの上方（ｚ軸正方向側）に配設されている。なお、金属体表面に対して垂直とは、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸と、かかる光軸と金属体表面との交点における金属体Ｓの接平面と、のなす角が垂直であることを意味している。カラーラインセンサカメラ１０１は、第１照明光源１０３から照射された第１の照明光（以下、「第１照明光」ともいう。）及び第２照明光源１０５から照射された第２の照明光（以下、「第２照明光」ともいう。）の金属体表面での反射光を互いに区別して測定する。これにより、カラーラインセンサカメラ１０１は、第１照明光及び第２照明光の金属体表面での反射光の強度を示すデータ（すなわち、反射光の輝度値を示すデータ）を特定することができる。金属体Ｓが例えば一定距離搬送される毎にカラーラインセンサカメラ１０１で撮像を行う結果、カラーラインセンサカメラ１０１は、第１照明光の金属体表面での反射光の、搬送方向及び幅方向（図１のｘｙ平面内）の分布や、第２照明光の金属体表面での反射光の、搬送方向及び幅方向（図１のｘｙ平面内）の分布を特定することができる。
第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５は、ＬＥＤもしくはレーザ、、又は、白色光源からの白色光をバンドパスフィルタに透過させた準単色とみなせる光を照射する光源であり、照射される光のピーク波長は互いに相違している。また、カラーラインセンサカメラ１０１は、少なくとも２本のラインセンサを有しており、それぞれのラインセンサ上には、ある一つの照明光のピーク波長に対する透過率がその他の照明光のピーク波長に対する透過率よりも高くなるような透過波長帯域を有するカラーフィルタが形成されている。かかるカラーフィルタがそれぞれのラインセンサ上に形成されることで、カラーラインセンサカメラ１０１では、第１照明光の反射光と第２照明光の反射光とを、互いに区別して測定することが可能となる。
カラーラインセンサカメラ１０１としては、公知のものを使用することが可能である。これにより、第１照明光及び第２照明光の反射光に含まれる様々な波長成分（例えば、Ｒ成分、Ｇ成分、Ｂ成分）の大きさを、互いに独立して同時に測定することが可能となる。
ここで、上記のＲ成分（赤色成分）は、例えばピーク波長６００〜７００ｎｍの光に対応する成分を指し、Ｇ成分（緑色成分）は、例えばピーク波長５００〜５６０ｎｍの光に対応する成分を指し、Ｂ成分（青色成分）は、例えばピーク波長４３０ｎｍ〜５００ｎｍの光に対応する成分を指す。
カラーラインセンサカメラ１０１は、第１照明光及び第２照明光の反射光の輝度値を互いに区別して測定すると、得られた測定結果に対応するデータ（反射光の輝度値に関するデータ）を生成して、後述する演算処理装置２００に出力する。
第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５は、金属体Ｓの表面に対して、それぞれ第１照明光及び第２照明光を照射する。第１照明光及び第２照明光は、互いにピーク波長が異なる光である。なお、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５の発光スペクトル分布は、ピーク波長がそれぞれ異なってさえいれば、重なりが生じていてもよい。
例えば以上で説明したような方法で、第１照明光と第２照明光とを区別することにより、カラーラインセンサカメラ１０１が測定した反射光の輝度値の分布が、第１照明光又は第２照明光のいずれに対応するものなのかを、容易に特定することが可能となる。
ここで、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５は、例えば図２Ｂに示したように、金属体Ｓの幅方向のほぼ全域にわたって照明光を照射可能なものであれば、任意の光源を利用することが可能である。このような光源として、例えば、棒状のＬＥＤ照明を利用することも可能であるし、レーザ光をロッドレンズ等により線状に広げたもの等を利用することも可能である。また、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５に利用する可視光光源としては、単波長のレーザ光や発光波長帯域の狭いＬＥＤのような光源を用いても良いし、キセノンランプのような連続スペクトルを有する光源にカラーフィルタを組み合わせて用いても良い。
なお、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５のピーク波長の選択方法については、以下で詳述する。
カラーラインセンサカメラ１０１の正反射方向（図２Ａの場合、金属体表面の法線方向）と第１照明光源１０３の光軸とのなす角をθ１と表すこととし、当該正反射方向と第２照明光源１０５の光軸とのなす角をθ２と表すこととする。この場合に、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５は、θ１とθ２とが略等しくなるように、金属体Ｓの上方（ｚ軸正方向側）に配設されている。
ここで、θ１とθ２とが略等しいとは、θ１とθ２とが等しい場合のみならず、凹凸の存在しない平面を第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５で撮像した場合に、凹凸の存在しない平面が、かかる平面に存在する汚れ等による輝度の変化を含めて互いに同じように見える範囲の角度差を有している場合をも含むものとする。このようなθ１とθ２との角度差｜θ１−θ２｜は、例えば、１０度以内であることが好ましく、５度以内であることが更に好ましい。このような範囲の角度差であれば、凹凸の存在しない平面をそれぞれの照明光で撮像した場合、２つの撮像画像が互いに同じように見えるものとなる。
また、θ１及びθ２それぞれの大きさは、光源の設置上の制約が存在しない範囲で、なるべく大きな角度とすることが好ましい。これにより、それぞれの照明光の乱反射をカラーラインセンサカメラ１０１で測定させることが可能となる。例えば、θ１及びθ２の大きさは、共に３０度以上とすることが好ましい。θ１及びθ２の大きさをそれぞれ３０度以上とすることで、カラーラインセンサカメラ１０１によって測定される角度変化に対する輝度値の相対変化を更に大きくすることが可能となる。
図２Ａ及び図２Ｂに示したように、カラーラインセンサカメラ１０１、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５を配設することにより、凹凸の存在しない平面を測定した場合には、第１照明光の反射光の輝度値と、第２照明光の反射光の輝度値とが略等しくなる。その一方で、金属体表面に凹凸が存在した場合には、凹凸に起因して表面の傾きが変化しており、第１及び第２の照明光のカメラ方向への反射光強度に差が生じるため、第１照明光の反射光の輝度値と第２照明光の反射光の輝度値とに差が生じる。
なお、図２Ａ及び図２Ｂに示した例では、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５の長手方向が、金属体Ｓの幅方向と略平行となるように設置されている。この場合には、搬送方向に対して平行な傾き（より正確には、搬送方向に対して平行な軸周りに回転した場合の傾き）による輝度値の差が生じない。そこで、このような傾きを検出するために、図２Ｃに示したように、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５の長手方向が、金属体Ｓの幅方向に対して傾斜するように、それぞれの光源を配設してもよい。図２Ｃに示すように各照明光源を傾けて配置することで、金属体Ｓの表面に凹凸が存在し、かかる凹凸による傾きが搬送方向に対して平行に生じている場合であっても、二つの反射光の輝度値の差により傾きを検出することが可能となる。
図３は、測定装置１００を金属体Ｓの側方から見た場合の模式図である。図２Ａに示した例では、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸が金属体Ｓの表面に対して垂直となるように配設される場合を示したが、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸は、図３に示したように、金属体表面の法線方向（すなわち、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸と金属体表面との交点での金属体の接平面の法線方向）に対して傾斜していてもよい。この場合には、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸と金属体表面の法線とのなす角の大きさは、例えば５度以内とすることが好ましい。このような角度差の範囲でカラーラインセンサカメラ１０１を設置することで、凹凸が存在しない平面における第１照明光の反射光の輝度値と第２照明光の反射光の輝度値とが、互いにほぼ等しい値となる。
図４は、測定装置１００を金属体Ｓの側方から見た場合の模式図である。図２Ａ〜図３では、カラーラインセンサカメラ１０１の搬送方向の上流側及び下流側に、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５が均等に配設される場合を示している。しかしながら、図４に示したように、カラーラインセンサカメラ１０１を表面に対して大きく傾斜させて配置し、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５のそれぞれを、カラーラインセンサカメラ１０１に対向させて、カラーラインセンサカメラ１０１の下流側（図４に示すように、カラーラインセンサカメラ１０１が上流側に設置された場合）又は上流側（カラーラインセンサカメラ１０１が下流側に設置された場合）にまとめて配置することも可能である。この場合においても、図中に示した角度θ１及びθ２を略等しくすることが好ましく、それぞれの角度の大きさは、なるべく大きな値とすることが好ましい。
以上、図２Ａ〜図４を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１００の構成について、詳細に説明した。
なお、図２Ａ〜図３では、搬送方向の上流側に第１照明光源１０３が配設され、搬送方向の下流側に第２照明光源１０５が配設される場合について図示しているが、搬送方向の上流側に第２照明光源１０５が配設され、下流側に第１照明光源１０３が配設されてもよい。
［照明光の波長の選択方法について］
続いて、図５〜図２３を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１００における照明光の波長の選択方法について、詳細に説明する。
○２つの照明光のピーク波長の差の上限値について
金属粗面での光の反射を模擬するモデルの一つに、上記非特許文献１に開示されているようなＫｉｒｃｈｈｏｆｆ−Ｂｅｃｋｍａｎｎ−Ｓｐｉｚｚｉｃｈｉｎｏモデル（以下、「ＫＢＳモデル」と略記する。）がある。ＫＢＳモデルでは、ある表面での光の反射率を、表面での光の入射角及び反射角、表面粗さ、並びに、表面形状の相関長に依存する関数として表わしている。
着目している表面の表面粗さの相関長を１５μｍとし、入射角を４５度とし、入射光と法線を含む面内へ反射する反射光との反射角を４５度とした場合のＫＢＳモデルにおける表面反射率を、４種類の表面粗さについて算出すると、図５に示したようになる。ここで、着目した表面粗さは、二乗平均平方根粗さＲｑが１μｍ、２μｍ、４μｍ、１０μｍの４種類である。また、図５において、縦軸は反射率であり、横軸は表面に入射する光の波長である。なお、Ｒｑ＝１μｍでの結果は極めてゼロに近い値を推移しており、図５において横軸とほぼ重なっている。
図５から明らかなように、上記の設定角度では、それぞれの表面粗さにおいて、光の波長が長くなると反射率は大きくなることがわかる。また、得られる反射率は、表面粗さに応じて変動する。
例えば金属体Ｓとして鋼板を考えた場合、冷間圧延時には圧延ロールに付与された粗さのムラ、酸洗工程後の鋼板においては冷却の際のスケール生成の違いによる地鉄界面の変化、めっき鋼板では表面の合金化のムラ、等により、表面粗さに変動が生じる。そのため、本実施形態に係る測定装置１００のように、２種類の波長を有する照明光を用いる場合、用いる照明光のそれぞれで反射率が変動する。鏡面仕上げではない金属肌の場合、鋼板は、通常１〜３μｍ程度の粗さを有しており、通常操業で生じうる粗さの変化は、±１０％程度である。
ところで、以下で詳述するように、本実施形態に係る演算処理装置２００では、２つの照明光の反射光の輝度値を利用して、これら２つの輝度値の差分を算出し、得られた輝度差から金属体Ｓの表面の傾きを算出する。ここで、ＫＢＳモデルを例に挙げて説明したように、金属体Ｓの表面に入射する光の波長が異なると、図５に示したように、表面での反射率が波長に応じて変動してしまう。その結果、平坦であることが既知の表面について、２つの反射光の輝度値をカラーラインセンサカメラで測定し、得られた輝度値の差分を算出した場合に、本来ゼロになるはずの輝度差がゼロ以外の値を有するようになる。
かかる現象を模式的に表わすと、図６に示したようになる。図６に模式的に示したように、ある表面の表面粗さがａ（μｍ）である場合に、表面からの反射光の輝度値は、色１と色２とで変化してしまう。以下で説明するように、本実施形態に係る演算処理装置２００では、例えば、（色１での輝度値）−（色２での輝度値）という演算を行った結果得られる輝度差の符号で、表面の傾きの方向（すなわち、傾きが増加する方向なのか減少する方向なのか）を判定するとともに、輝度差の絶対値で傾き角の大きさを決定する。従って、図６に示したような状況によって、本来ゼロとなるべき差分の演算にゼロ以外の値が発生してしまうと、測定誤差の要因となってしまう。
そこで、本実施形態に係る演算処理装置２００では、以下で詳述するように、以下の式１０１で表わされる差分計算式が、平坦であることが既知の表面（すなわち、傾きがゼロである表面）を測定した場合にゼロとなるように、事前に実験的に補正定数を設定する。
輝度差＝（色１での輝度値）−（色２での輝度値）＋補正定数 ・・・（式１０１）
ここで、図５に示す反射率曲線が被測定材の表面粗さにより異なるため、上記式１０１の補正定数の値も、被測定材の表面粗さにより異なる値となる。従って、冷間圧延材などのように意図的に粗さを付与する場合には、製造する製品の表面粗さに対応する補正定数の値を事前に求めておき、表面粗さと補正定数とを対応させて保存しておくことが望ましい。
ここで、金属体Ｓの表面の粗さが変動した場合を考える。各波長で同じ量だけ輝度値が変化するのであれば（換言すれば、図７に示したような輝度曲線が単に平行移動するだけであれば）、適切に補正定数を決定した上記式１０１の値は、ゼロのままとなる。しかしながら、実際には、輝度値の変化は図７に模式的に示したように波長によって異なるため、偽の傾きが発生してしまう。図７に示した例では、粗さａにおいて色２における補正定数を予め適切に決定した場合であっても、形状検査中に粗さがｂ（＞ａ）に変化した場合には、予め適切に決定した補正定数のみでは輝度値の変化を補正しきれず、補正しきれなかった分の輝度差が偽の傾きとして認識されてしまう。
従って、本実施形態に係る測定装置１００で用いられる２つの照明光のピーク波長は、なるべく近接した値であることが好ましい。そこで、本実施形態に係る測定装置１００では、以下で説明するような理由により、２つの照明光のピーク波長の差の上限値を規定する。
ピーク波長５３０ｎｍの照明光を照射する照明光源と、ピーク波長４６０ｎｍの照明光を照射する照明光源とを、図２Ａに示した角度｜θ１｜＝｜θ２｜＝４５度でカラーラインセンサカメラ１０１に対して設置したものとする。この際、ＫＢＳモデルに基づいて、二乗平均平方根粗さＲｑ＝１．５μｍ、相関長１５μｍ、入射角＝４５度として、カラーラインセンサカメラ１０１に結像する反射光の強度を算出すると、図８に示したようになる。ここで、図８に示した横軸は、表面の傾き角φであり、縦軸は、反射光の輝度値である。なお、表面の傾き角φは、図９に模式的に示したように、照明光の反射角θ１，θ２とは異なるものである。また、かかるシミュレーションにおいて、二乗平均平方根粗さＲｑ＝１．５μｍ、相関長１５μｍという表面粗さの設定は、鋼板をはじめとする一般的な金属体Ｓの表面を表わすモデルとして、適切な値である。
本実施形態に係る演算処理装置２００では、図８に示したような反射光の輝度値の測定データが得られると、適切に補正定数が決定された式１０１を利用して、図１０に示したような輝度差のデータを生成する。ここで、図１０に示したような輝度差のデータにおいて、横軸は、着目している金属体の表面の傾き度合いを表わす傾き角φであり、縦軸は、輝度差である。
本実施形態に係る測定装置１００では、図２Ａ等に示したように、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸と、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５の光軸と、が所定の角度｜θ１｜≒｜θ２｜となるように設置（固定）されている。この角度を光源角度θと称することとする。本実施形態では、第１照明光源１０３の光源角度と第２照明光源１０５の光源角度とは、略等しくなるように設置されている。そのため、水平を維持している平面を撮像した場合、カラーラインセンサカメラ１０１によって検出される反射光の測定輝度において、第１照明光の反射光の測定輝度と第２照明光の反射光の測定輝度との輝度差は、波長の違いによる補正定数分の小さな差を除いてゼロと考えることができる。ここで、水平を維持している平面に、金属体Ｓの長手方向の傾きｔａｎφが生じると、各照明光の反射の度合いが変化して、各反射光の輝度差が変化する。
図１０に示したような輝度差のデータから明らかなように、傾き角φと輝度差との間には相関がある。そこで、本実施形態に係る演算処理装置２００では、例えば図１０に示したような傾き角と輝度差との関係から、粗さ変化に起因する輝度差の変動を、傾き角に換算する。より詳細には、図１０における原点付近、すなわち、傾き角φが０度のときのグラフの傾きから、輝度差を角度へと換算する換算係数を決定する。この換算係数は、カラーラインセンサカメラ１０１に設けたレンズの絞り等によっても変化するため、実際の測定に用いる光学系を用いて予め実験的に決定しておく。
上記のような演算により輝度差を傾き角へと変換する際に、本実施形態に係る形状検査装置１０では、１０％の粗さ変化に対して、表面傾きの算出誤差が１度以下となるように、２つの照明光のピーク波長の差の上限値を規定する。以下では、その上限値の決定方法について、詳細に説明する。
照明光の入射角＝４５度とし、カラーラインセンサカメラ１０１を表面法線方向に垂直に設置した場合（すなわち、図２Ａにおいて｜θ１｜＝｜θ２｜＝４５度とした場合）に着目する。かかる場合に、表面粗さ＝１．５μｍ±１０％、表面粗さの相関長＝１５μｍとした場合のＫＢＳモデルによる反射強度を算出した。得られた結果は、図１１に示したようになる。図１１からも明らかなように、（１）表面粗さが同一であっても、入射光の波長が変化すると得られる反射強度は変化すること、（２）表面粗さが変化すると、同じ入射光の波長であっても反射強度が変化すること、がわかる。
ここで、第１照明光のピーク波長として、青色帯域に属する波長（４６０ｎｍ）、緑色帯域に属する波長（５３０ｎｍ）、赤色帯域に属する波長（６４０ｎｍ）の３種類を考える。この際に、第１照明光のピーク波長を上記３種類の波長の何れか１つに固定し、第２照明光のピーク波長と角度誤差との関係を算出すると、図１２〜図１４に示したようになる。
まず、図１２に着目する。図１２は、第１照明光としてピーク波長４６０ｎｍの青色光を選択した場合に、基準粗さ＝１．５μｍ、基準粗さ＋１０％、基準粗さ−１０％という３種類の表面粗さにおいて、第２照明光のピーク波長と角度誤差との関係をシミュレートしたものである。図１２に示したように、基準粗さ＝１．５μｍでは、上記式１０１に示した補正定数を第２照明光のピーク波長に対してそれぞれ適切に設定することで、第２照明光のピーク波長に依らず、角度誤差＝０度となる。しかしながら、表面粗さが、基準粗さ＋１０％又は基準粗さ−１０％に変化した場合には、基準粗さにおいて決定した補正定数を利用しても変化を補正しきれず、図７に示したような偽の傾きが発生した結果、角度誤差が生じている。
図１２に示したシミュレーション結果から、第２照明光のピーク波長（横軸の値）が、第１照明光のピーク波長（＝４６０ｎｍ）＋９０ｎｍの範囲内である場合には、角度誤差が±１度以内に収まることがわかる。
次に、図１３に着目する。図１３は、第１照明光としてピーク波長５３０ｎｍの緑色光を選択した場合に、基準粗さ＝１．５μｍ、基準粗さ＋１０％、基準粗さ−１０％という３種類の表面粗さにおいて、第２の照明光のピーク波長と角度誤差との関係をシミュレートしたものである。図１３に示した場合においても、基準粗さ＝１．５μｍでは、上記式１０１に示した補正定数を第２照明光のピーク波長に対してそれぞれ適切に設定することで、第２の照明光のピーク波長に依らず、角度誤差＝０度となる。しかしながら、表面粗さが、基準粗さ＋１０％又は基準粗さ−１０％に変化した場合には、基準粗さにおいて決定した補正定数を利用しても変化を補正しきれず、図７に示したような偽の傾きが発生した結果、角度誤差が生じる。
ここで、図１２に着目することで得られた、第１照明光のピーク波長から９０ｎｍの範囲という領域において、図１３での角度誤差がどのようになっているかを見てみると、４４０ｎｍ〜６２０ｎｍの帯域の範囲で、角度誤差が１度以内に収まっていることがわかる。
同様にして、図１４に着目する。図１４は、第１照明光としてピーク波長６４０ｎｍの赤色光を選択した場合に、基準粗さ＝１．５μｍ、基準粗さ＋１０％、基準粗さ−１０％という３種類の表面粗さにおいて、第２照明光のピーク波長と角度誤差との関係をシミュレートしたものである。図１４に示した場合においても、基準粗さ＝１．５μｍでは、上記式１０１に示した補正定数を第２照明光のピーク波長に対してそれぞれ適切に設定することで、第２の照明光のピーク波長に依らず、角度誤差＝０度となる。しかしながら、表面粗さが、基準粗さ＋１０％又は基準粗さ−１０％に変化した場合には、基準粗さにおいて決定した補正定数を利用しても変化を補正しきれず、図７に示したような偽の傾きが発生した結果、角度誤差が生じる。
ここで、図１４においても、第１照明光のピーク波長から９０ｎｍの範囲という領域において、角度誤差がどのようになっているかを見てみると、５５０ｎｍ〜６４０ｎｍの帯域の範囲で、角度誤差が１度以内に収まっていることがわかる。
従って、図１２〜図１４に基づく知見から、第１の照明光のピーク波長と、第２の照明光のピーク波長の差を９０ｎｍ以下とすることで、１０％の粗さ変化に対して、表面の傾きの算出誤差を１度以下とすることができる。よって、本実施形態に係る測定装置１００では、第１照明光のピーク波長と、第２照明光のピーク波長の差の上限値を９０ｎｍとする。なお、第１照明光のピーク波長と、第２照明光のピーク波長とを選択する場合には、ピーク波長の差が９０ｎｍ以下となり、かつ、ピーク波長が互いに異なるように、２つの波長を選択すればよい。
以上、図５〜図１４を参照しながら、２つの照明光のピーク波長の差の上限値について、詳細に説明した。
なお、上記説明では、２つの照明光の輝度差を式１０１のように規定したが、以下の式１０３のように輝度差を規定しても良いことは言うまでもない。
輝度差＝（色２での輝度値）−（色１での輝度値）−補正定数 ・・・（式１０３）
○２つの照明光のピーク波長の差の下限値について
次に、図１５〜図１９を参照しながら、２つの照明光のピーク波長の差の下限値について、詳細に説明する。
本実施形態に係る形状検査装置１０で着目するような、２種類の色光を用いた形状検査において、カラーラインセンサカメラ１０１の感度特性や、２つの照明光の発光スペクトルに重なりが生じている場合を考える。かかる場合に、カラーラインセンサカメラ１０１からの２色の出力値は、混色が生じる結果、例えば図１５に示したように、第１照明光のみを点灯して強度を変化させた場合の直線（例えば、図１５におけるＢだけ点灯させた場合の直線）と、第２照明光のみを点灯して強度を変化させた場合の直線（例えば、図１５におけるＧだけ点灯させた場合の直線）とで挟まれた領域に存在する値となる。以下の説明において、図１５に示したような一方の照明光のみを点灯した場合の２つの直線のなす角を、挟み角と称することとする。
照明光の発光スペクトルの重なりが大きい場合には、混色の度合が大きくなる結果、図１５に示した挟み角は小さな角度となる。逆に、照明光の発光スペクトルの重なりが小さい場合には、混色の度合がさほど大きくならない結果、図１５に示した挟み角は９０度に近付いていく。
金属体Ｓの表面の傾きに起因する強度変化を線形近似し、かつ、２つの照明色の変化量が互いに等しいと仮定する。かかる仮定が成立する場合、カラーラインセンサカメラ１０１に設けられた撮像素子での色１の出力値の増加分と、色２の出力値の減少分とは、互いに同じ値となる。従って、図１６に示したように、平坦な表面での撮像素子からの出力値は、色１−色２＝０（図１６の例では、Ｇ−Ｂ＝０）という原点を通り傾き４５度の直線上を推移する。図１６において、平坦な表面において出力値Ａが出力される場合に、表面が傾斜することによって、Ｂ成分が、点Ａから点Ａ’まで、「Ｂだけ点灯した場合の直線」と同じ傾きの直線上を増加したとする。この場合、Ｇ成分の出力の減少分はＢ成分の出力の増加分と等しいため、Ｇ成分は、点Ａ’から点Ｂまで、「Ｇだけ点灯した場合の直線」と同じ傾きの直線上を減少する。その結果、カラーラインセンサカメラ１０１からの出力値は、図１６における点Ｂの値となる。この場合に、傾きに対応する輝度差は、図１６に示したように、点Ｂを通り傾き４５度の直線のｙ切片と原点との差分に相当する。
また、２つの照明光の混色が大きい場合には、図１７に示したように挟み角が小さくなる結果、輝度差は、図１６に示したような混色が小さい場合と比べて、小さなものとなる。
一方、カラーラインセンサカメラ１０１に設けられた撮像素子からの出力には、カメラノイズが重畳されており、かかるカメラノイズは、画素成分（Ｒ成分、Ｂ成分、Ｇ成分）について互いに独立である。カメラノイズがガウス分布に従うとすると、図１８に示したＢ−Ｇ平面のような画素成分平面において、カメラノイズは２次元ガウス関数となり、画素成分平面においては、図１８に示したように円形の分布となる。
第１照明光及び第２照明光の出力がカメラノイズに埋没しないようにするためには、図１８に示したようなガウシアンノイズの直径よりも、挟み角が大きくなることが必要となる。
撮像素子における混色の度合を表わす混色行列Ｍは、以下の式１０５のように表わすことが可能である。ここで、行列成分Ｍｉｊは、積分変数を波長λとして、以下の式で表わされる値となる。
２つの照明光をそれぞれ単独で点灯した場合の混色度合い（すなわち、行列成分Ｍ１２，Ｍ２１）を、同色側の強度が１となるように正規化すると、混色行列Ｍｎｏｒｍは、以下の式１０５’のようになる。その結果、図１８に示したような画素成分平面は、図１９のように表わされる。ここで、図１９において、２つの直線は、式１０５’におけるＭ２１／Ｍ１１、及び、Ｍ１２／Ｍ２２に対応する。
照明光の発光スペクトルの半値全幅（ＦＷＨＭ）を、一般的な照明光源であるＬＥＤの一般的な半値全幅である２０ｎｍとし、カラーラインセンサカメラの分光感度の幅を、一般的なカラーフィルタの最も帯域が狭いものの値を参考に５０ｎｍとし、ガウシアンノイズの半径を、撮像素子の最大出力の２％であると仮定する。この場合に、２つの照明光のピーク波長の差を変えながら、図１９に示したような２つの直線（Ｍ２１／Ｍ１１に対応する直線、及び、Ｍ１２／Ｍ２２に対応する直線）のなす挟み角とガウシアンノイズの半径との位置関係をシミュレートした。その結果、２つの照明光のピーク波長の差が５ｎｍ未満である場合に、ガウシアンノイズに相当する円が、２つの直線に挟まれた領域からはみ出すことが明らかとなった。
このような知見から、本実施形態に係る測定装置１００では、第１照明光のピーク波長と、第２照明光のピーク波長の差の下限値を５ｎｍとする。
以上、図１５〜図１９を参照しながら、２つの照明光のピーク波長の差の下限値について、詳細に説明した。
以上説明したような上限値及び下限値に関する知見に基づき、本実施形態に係る測定装置１００では、第１照明光のピーク波長と第２照明光のピーク波長との波長差が、５ｎｍ以上９０ｎｍ以下となり、かつ、ピーク波長が互いに異なるように、２つの照明光のピーク波長が選択される。
実際に選択する２つの照明光のピーク波長は、上記のような関係を満たしてさえいれば、任意の波長を選択することが可能であるが、例えば、第１照明光のピーク波長を４５０ｎｍ〜４７０ｎｍの波長帯域から選択し、第２照明光のピーク波長を５１０ｎｍ〜５４０ｎｍの波長帯域から選択することが好ましい。かかる波長帯域からそれぞれ１つずつピーク波長を選択することで、第１照明光は青色光となり、第２照明光は緑色光となる。
なお、以下のような２種類のバンドパスフィルタを準備し、各バンドパスフィルタを、対応する照明光源と金属体Ｓとの間の光軸上に更に設置してもよい。すなわち、第１照明光を透過させる第１バンドパスフィルタと、第２照明光を透過させる第２バンドパスフィルタと、を準備し、第１バンドパスフィルタの透過帯域のピーク波長と第２バンドパスフィルタの透過帯域のピーク波長との波長差が５ｎｍ以上９０ｎｍ以下の値となるようにしておく。その上で、第１バンドパスフィルタを第１照明光源１０３と金属体Ｓとの間の光軸上に配設するとともに、第２バンドパスフィルタを第２照明光源１０５と金属体Ｓとの間の光軸上に配設する。これにより、上記のような第１照明光のピーク波長と第２照明光のピーク波長との波長差を、より確実に実現することが可能となる。
［測定装置１００の変形例］
ここで、対象とする金属体Ｓの表面の鏡面性が高く、表面粗さが例えば二乗平均平方根粗さＲｑ＝１μｍ等のように小さな値である場合も生じうる。かかる場合、図５からも明らかなように、２つの照明光源の何れにおいても、カラーラインセンサカメラ１０１に結像する反射光の輝度値が、小さな値となってしまう。
いま、ピーク波長５３０ｎｍの照明光を照射する照明光源と、ピーク波長４６０ｎｍの照明光を照射する照明光源とを、図２Ａに示した角度｜θ１｜＝｜θ２｜＝４５度でカラーラインセンサカメラ１０１に対して設置したものとする。この際、ＫＢＳモデルに基づいて、二乗平均平方根粗さＲｑ＝１．０μｍ、相関長１５μｍ、入射角＝４５度として、カラーラインセンサカメラ１０１に結像する反射光の強度を算出し、２つの反射光の輝度差を算出すると、図２０に示したようになる。
図２０を参照すると明らかなように、かかる輝度差のグラフにおいて、鎖線で囲んだ領域として示した傾き角φ＝０度の近傍では、傾きがほぼゼロであるために傾きの変化量がわずかとなる。かかる状態は、傾き角φ＝０度の近傍では、傾き角が変化した場合であっても、輝度差の変化がほとんど生じないことを意味しており、輝度差を傾き角に換算する際の誤差が大きくなってしまう。そこで、金属体Ｓの鏡面性が高い場合であっても、より正確に金属体Ｓの形状検査を行うために、図２１や図２２に示したように、カラーラインセンサカメラ１０１の光軸の金属体Ｓの表面での正反射方向の近傍に、第１照明光及び第２照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３照明光を照射する第３の照明光源（以下、「第３照明光源」ともいう。）１５１を設置してもよい。
かかる第３照明光源１５１についても、透過帯域のピーク波長が、第１バンドパスフィルタ及び第２バンドパスフィルタのそれぞれと透過帯域のピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３バンドパスフィルタを準備し、第３照明光源１５１と金属体Ｓとの間の光軸上に、かかる第３バンドパスフィルタを配設してもよい。これにより、「第３照明光は、第１照明光及び第２照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる」という関係を、より確実に実現することが可能となる。
ここで、カラーラインセンサカメラ１０１の正反射方向の近傍とは、図２２に示したように、カラーラインセンサカメラ１０１の正反射方向上だけでなく、図２１に示したように、正反射方向から所定の角度θ３だけ離隔した位置をも含むものとする。ここで、正反射方向からの離隔角度θ３は、第３照明光の金属帯表面での正反射をカラーラインセンサカメラ１０１が測定可能となる範囲で設定されることが好ましい。このような角度θ３は、例えば５度以内とすることが更に好ましい。
なお、上記のようなピーク波長の基準に基づき、第１照明光のピーク波長を青色光の帯域とし、かつ、第２照明光のピーク波長を緑色光の帯域とした場合に、第３照明光のピーク波長は、赤色光の帯域（波長６００〜７００ｎｍの帯域）としてもよい。
図２３は、ＫＢＳモデルに基づいて、二乗平均平方根粗さＲｑ＝１．０μｍ、相関長１５μｍ、入射角＝５度（すなわち、ほぼ正反射となる角度）として、カラーラインセンサカメラ１０１に結像する反射光の強度を算出した結果である。図２３から明らかなように、カラーラインセンサカメラ１０１の正反射方向の近傍に第３照明光源１５１を設けることで、傾き角＝０度近傍で、ある傾きの直線（例えば、輝度差の曲線の原点での接線）を設定することが可能となる。かかる直線を利用することで、表面粗さＲｑが１μｍという極めて小さな場合であっても、表面の傾きをより正確に算出することが可能となる。
以上、図２０〜図２３を参照しながら、本実施形態に係る測定装置１００の変形例について説明した。
＜演算処理装置２００について＞
続いて、図２４を参照しながら、本実施形態に係る形状検査装置１０が備える演算処理装置２００の構成について、詳細に説明する。なお、以下では、測定装置１００が、第１照明光源１０３、第２照明光源１０５及び第３照明光源１５１を有している場合について、説明を行うものとする。なお、測定装置１００が第３照明光源１５１を有していない場合、以下の説明における第３照明光源１５１に関する処理が実施されないことは、言うまでもない。図２４は、本実施形態に係る演算処理装置２００の全体構成の一例を示したブロック図である。
本実施形態に係る演算処理装置２００は、測定装置１００による反射光の輝度値に基づいて、金属体Ｓの形状検査に用いられる検査用情報を算出する装置である。演算処理装置２００では、かかる検査用情報として、金属体Ｓの表面の傾きに関する情報が少なくとも算出され、更に、金属体Ｓの表面形状に関する情報が算出されてもよい。
この演算処理装置２００は、図２４に示したように、データ取得部２０１と、測定制御部２０３と、データ処理部２０５と、表示制御部２０７と、記憶部２０９と、を主に備える。
データ取得部２０１は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。データ取得部２０１は、測定装置１００によって生成され、測定装置１００から出力された反射光の輝度値に関するデータを取得し、後述するデータ処理部２０５へと伝送する。また、データ取得部２０１は、取得した反射光の輝度値に関するデータに、当該データを取得した日時等に関する時刻情報を紐づけて、履歴情報として後述する記憶部２０９に格納してもよい。
測定制御部２０３は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。測定制御部２０３は、本実施形態に係る測定装置１００による金属体Ｓの測定制御を実施する。より詳細には、測定制御部２０３は、金属体Ｓの測定を開始する場合に、第１照明光源１０３、第２照明光源１０５、第３照明光源１５１に対して、各照明光の照射を開始させるための制御信号をそれぞれ送出する。
また、第１照明光源１０３、第２照明光源１０５、第３照明光源１５１が金属体Ｓの表面に対して各照明光の照射を開始すると、測定制御部２０３は、金属体Ｓと測定装置１００との間の相対的な位置を変化させる駆動機構等から定期的に送出されるＰＬＧ信号（例えば、金属体Ｓが１ｍｍ移動する毎等に出力されるＰＬＧ信号）に基づいて、カラーラインセンサカメラ１０１に対して測定を開始するためのトリガ信号を送出する。
これにより、測定装置１００は、金属体Ｓの搬送方向の各位置における測定データ（反射光の輝度値に関するデータ）を生成することが可能となる。
データ処理部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。データ処理部２０５は、測定装置１００により生成された反射光の輝度値に関するデータを用いて、各反射光の輝度値に関するデータに対して以下で説明するようなデータ処理を行い、金属体Ｓの形状検査に用いられる検査用情報を算出する。データ処理部２０５は、検査用情報の算出処理を終了すると、得られた処理結果に関する情報を、表示制御部２０７に伝送する。
なお、このデータ処理部２０５については、以下で詳述する。
表示制御部２０７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２０７は、データ処理部２０５から伝送された、金属体Ｓに関する検査用情報の算出結果を含む各種の処理結果を、演算処理装置２００が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理装置２００の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、形状検査装置１０の利用者は、金属体Ｓについての検査用情報等といった各種の処理結果を、その場で把握することが可能となる。
記憶部２０９は、例えば本実施形態に係る演算処理装置２００が備えるＲＡＭやストレージ装置等により実現される。記憶部２０９には、本実施形態に係る演算処理装置２００が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、又は、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２０９は、データ取得部２０１、測定制御部２０３、データ処理部２０５、表示制御部２０７等が、自由にデータのリード／ライト処理を行うことが可能である。
［データ処理部２０５について］
次に、図２５及び図２６を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００が備えるデータ処理部２０５の構成について、詳細に説明する。図２５及び図２６は、本実施形態に係るデータ処理部２０５の構成の一例を示したブロック図である。
まず、図２５を参照しながら、第１照明光源１０３及び第２照明光源１０５の設けられた測定装置１００から出力される輝度値データを利用した、データ処理の詳細について説明する。
本実施形態に係るデータ処理部２０５は、第１照明光の反射光の輝度値と、第２照明光の反射光の輝度値との差分（すなわち、輝度差）に基づいて、金属体Ｓの表面の傾きに関する情報を少なくとも含む検査用情報を算出する。このデータ処理部２０５は、図２５に示したように、差分データ生成部２２１と、傾き算出部２２３と、高さ算出部２２５と、結果出力部２２７と、を備える。
差分データ生成部２２１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。差分データ生成部２２１は、データ取得部２０１が取得した第１照明光の反射光の輝度値に関するデータ（以下、単に、「第１照明光の測定データ」という。）と、第２照明光の反射光の輝度値に関するデータ（以下、単に、「第２照明光の測定データ」という。）と、に対して、以下で説明するような差分データの生成処理（すなわち、輝度差データの生成処理）を実施する。
以下、差分データ生成部２２１が実施する差分データの生成処理について説明する。
差分データ生成部２２１は、第１照明光の測定データと第２照明光の測定データとを用いて、以下の式１１１又は式１１２に基づき、第１照明光の測定データと第２照明光の測定データとの差分からなる差分データ（すなわち、輝度差データ）を生成する。
輝度値の差分＝（第１照明光の反射光の輝度値）−（第２照明光の反射光の輝度値）＋補正定数 ・・・（式１１１）

輝度値の差分＝（第２照明光の反射光の輝度値）−（第１照明光の反射光の輝度値）−補正定数 ・・・（式１１３）
ここで、上記式１１１及び式１１３における補正定数は、先だって説明したように、傾きのない平面（すなわち、平坦であることが既知となっている平面）を用いて、第１照明光の測定データ及び第２照明光の測定データを実際に測定し、式１１１又は式１１３の右辺の値がゼロとなるように予め設定する。
予め設定された補正定数の値に関する情報は、例えば記憶部２０９等に格納されており、差分データ生成部２２１は、差分データの生成処理を実施する際に記憶部２０９から補正定数に関する情報を取得して、差分データの生成処理を実施する。
また、差分データ生成部２２１は、上記式１１１又は式１１３のどちらを使用しても良く、金属体Ｓの形状検査処理を実施している最中に使用する式を変更しないようにしておけばよい。
以上のような差分演算処理を行うことで、差分データ生成部２２１は、金属体Ｓの表面全体についての差の値のデータ群（換言すれば、差の値に関するマップデータ）を得ることができる。このようにして得られる差の値のデータ群が、金属体Ｓの形状（より詳細には、表面形状）を検査する際に用いられる検査用情報となる。また、かかる検査用情報に含まれる差分値を輝度値の高低や濃淡に置き換えることで、検査用情報を画像化することも可能である。生成された輝度差に関するマップデータを画像化して差分画像とすることで、差分画像に基づく形状検査を行うことも可能となる。
差分データ生成部２２１が以上のような差分データの生成処理を行うことで、照明ムラや地合模様や反射率の違いや汚れ等に伴う影響を測定データから取り除くことが可能となり、微小な形状を精度よく検出することが可能となる。
差分データ生成部２２１は、以上のようにして生成した差分データ（輝度差のデータ）を、傾き算出部２２３に出力する。また、差分データ生成部２２１は、生成した差分データそのものを、結果出力部２２７に対して出力してもよい。
傾き算出部２２３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。傾き算出部２２３は、差分データ生成部２２１から出力された差分データ（輝度差のデータ）を用いて、輝度差と傾きとの関係性に基づき、金属体Ｓの表面の傾きの方向と大きさを算出する。先だって図１０を参照しながら説明したように、傾き角φ＝０度近傍での輝度差のグラフの傾きから、輝度差を角度へと変換する変換係数を予め特定しておくことができる。
図１０からも明らかなように、原点付近でのグラフの傾き（すなわち、変換係数）をαと表わすこととすると、輝度差ΔＬと傾き角φとは、ΔＬ＝α×φという関係で表わすことができる。そこで、傾き算出部２２３は、差分データ生成部２２１から出力されたΔＬに関するデータ群と、変換係数αと、を用いることで、各輝度差ΔＬを表面の傾き角φに変換することができる。着目している金属体Ｓの表面の傾きは、輝度差から換算された傾き角φにおける正接（ｔａｎｇｅｎｔ）に対応する。そこで、傾き算出部２２３は、算出した傾き角φにおける正接であるｔａｎφを算出することで、着目している金属体Ｓの表面の傾きを算出することができる。このようにして算出された傾きは、その正負が傾きの方向を表わしており、絶対値が傾きの具体的な大きさを表わしている。
なお、予め特定された変換係数に関する情報は、例えば記憶部２０９等に格納されており、傾き算出部２２３は、傾きの算出処理を実施する際に記憶部２０９から変換係数に関する情報を取得して、輝度差を傾き角へと変換する。
傾き算出部２２３は、以上説明したような処理を輝度差のデータの全ての要素に対して実施することで、金属体Ｓの表面全体についての傾きの値のデータ群（換言すれば、傾きの値に関するマップデータ）を得ることができる。このようにして得られる傾きの値のデータ群が、金属体Ｓの形状（より詳細には、表面形状）を検査する際に用いられる検査用情報となる。また、かかる検査用情報に含まれる傾きの値を輝度値の高低や濃淡に置き換えることで、検査用情報を画像化することも可能である。生成された傾きに関するマップデータを画像化して傾き画像とすることで、傾き画像に基づく形状検査を行うことも可能となる。
また、傾き算出部２２３は、算出した傾きを所定の閾値と比較することで、金属体Ｓの表面の形状の検査を行うことも可能である。すなわち、過去の操業データ等に基づいて公知の統計処理等を実施することで、金属体Ｓの表面に異常部分が存在する場合における表面の傾きの閾値を予め特定しておき、記憶部２０９等に格納しておく。その上で、傾き算出部２２３は、算出した傾きの値と閾値との大小関係を特定することで、着目している金属体Ｓの表面に異常部分が存在するか否かを検査することが可能となる。
傾き算出部２２３は、以上のようにして生成した金属体Ｓの表面の傾きに関するデータを、高さ算出部２２５に出力する。また、傾き算出部２２３は、生成した金属体Ｓの表面の傾きに関するデータそのものや、金属体Ｓの表面の検査結果等を、結果出力部２２７に対して出力してもよい。
高さ算出部２２５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。高さ算出部２２５は、傾き算出部２２３によって算出された金属体Ｓの表面の傾きを用いて、着目している金属体Ｓの表面の高さを算出する。具体的には、高さ算出部２２５は、傾き算出部２２３によって算出された金属体Ｓの表面の傾きｔａｎφを、カラーラインセンサカメラ１０１と金属体Ｓの相対的な移動方向である金属体Ｓの長手方向（換言すれば、カラーラインセンサカメラ１０１の走査方向）に沿って積分していくことで、金属体Ｓの表面の高さを算出する。
高さ算出部２２５は、以上説明したような積分処理を表面の傾きに関するデータの全ての要素に対して実施することで、金属体Ｓの表面全体についての表面の高さに関するデータ群（換言すれば、表面の高さに関するマップデータ）を得ることができる。このようにして得られる表面の高さに関するデータ群が、金属体Ｓの形状（より詳細には、表面形状）を検査する際に用いられる検査用情報となる。また、かかる検査用情報に含まれる表面の高さに関する値を輝度値の高低や濃淡に置き換えることで、検査用情報を画像化することも可能である。生成された表面の高さに関するマップデータを画像化して高さ画像とすることで、高さ画像に基づく形状検査を行うことも可能となる。
高さ算出部２２５は、以上のようにして生成した金属体Ｓの表面の高さに関するデータを、結果出力部２２７に出力する。
結果出力部２２７は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。結果出力部２２７は、差分データ生成部２２１により生成された輝度差に関するデータ、傾き算出部２２３により算出された金属体Ｓの表面の傾きや検査結果に関するデータ、及び、高さ算出部２２５により算出された金属体Ｓの表面の高さに関するデータ等、金属体の形状検査結果に関する様々な情報を、表示制御部２０７に出力する。これにより、金属体Ｓの形状検査結果に関する様々な情報が、表示部（図示せず。）に出力される。また、結果出力部２２７は、得られた形状検査結果を、製造管理用プロコン等の外部の装置に出力してもよく、得られた形状検査結果を利用して、製品に関する各種の帳票を作成してもよい。また、結果出力部２２７は、金属体Ｓの形状検査結果に関する情報を、当該情報を算出した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２０９等に履歴情報として格納してもよい。
以上、図２５を参照しながら、第１照明光の測定データと第２照明光の測定データとを利用して金属体Ｓの形状検査を行う場合におけるデータ処理部２０５の構成について、詳細に説明した。
なお、図２１や図２２に示したように、測定装置１００に対して第３照明光源１５１が設けられている場合には、第１照明光及び第２照明光の測定データに加えて、第３照明光の反射光の輝度値に関するデータ（以下、単に、「第３照明光の測定データ」という。）を用いることも可能である。そこで、以下では、図２６を参照しながら、第１〜第３照明光の測定データを用いた金属体Ｓの形状検査を行う場合におけるデータ処理部２０５の構成について、簡単に説明する。
このような処理を行うデータ処理部２０５は、図２６に示したように、差分データ生成部２２１と、傾き算出部２５１と、高さ算出部２２５と、結果出力部２２７と、を備える。
ここで、データ取得部２０１が取得した第１照明光及び第２照明光の測定データは、図２６に示したように、差分データ生成部２２１へと出力され、データ取得部２０１が取得した第３照明光の測定データは、傾き算出部２５１へと出力される。
図２６に示した差分データ生成部２２１で実施される差分データ生成処理は、図２５に示した差分データ生成処理と同様であるため、以下では詳細な説明は省略する。
傾き算出部２５１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。傾き算出部２５１は、差分データ生成部２２１から出力された差分データ（輝度差のデータ）と、データ取得部２０１から出力された、第３照明光の測定データそのものと、を用いて、輝度差と傾きとの関係性、及び、輝度値と傾きとの関係性に基づき、金属体Ｓの表面の傾きの方向及び大きさを算出する。
より詳細には、傾き算出部２５１は、図２５に示した傾き算出部２２３における傾き算出処理と同様にして、輝度差のデータを用いて着目する金属体Ｓの表面の傾き角φを算出する。また、傾き算出部２５１は、処理対象とする輝度差のデータが所定の閾値以下である場合には、輝度差のデータではなく、第３照明光の測定データを利用して、該当するデータ位置での表面の傾き角φを算出する。
ここで、例えば図２３に示したように、カラーラインセンサカメラ１０１の正反射位置近傍に設けられた第３照明光源１５１を利用した輝度値の測定データについても、傾き角φ＝０度近傍における輝度値の曲線の接線等に着目することで、輝度値を傾きへと変換するための変換係数を決定することができる。そこで、輝度値を傾きへと変換するための変換係数を予め特定しておき、かかる変換係数に関する情報を、例えば記憶部２０９等に格納しておく。傾き算出部２５１は、第３照明光の測定データを用いた傾きの算出処理を実施する際に記憶部２０９から変換係数に関する情報を取得して、輝度値を傾き角へと変換する。
その上で、傾き算出部２５１は、着目しているデータ位置における傾きのデータを、輝度差から変換することで得られる傾きのデータではなく、輝度値から変換した傾き角から算出される傾きのデータとする。このようにすることで、輝度差を用いた場合には誤差を多く含んでいる可能性のあるデータ位置であっても、第３照明光の測定データを利用することで、正確に表面の傾きを得ることができる。
また、傾き算出部２５１は、図２５に示した傾き算出部２２３と同様に、算出した傾きを所定の閾値と比較することで、金属体Ｓの表面の形状の検査を行うことも可能である。
傾き算出部２５１は、以上のようにして生成した金属体Ｓの表面の傾きに関するデータを、高さ算出部２２５に出力する。また、傾き算出部２５１は、生成した金属体Ｓの表面の傾きに関するデータそのものや、金属体Ｓの表面の検査結果等を、結果出力部２２７に対して出力してもよい。
図２６に示した高さ算出部２２５及び結果出力部２２７で実施される処理は、図２５に示した高さ算出部２２５及び結果出力部２２７で実施される処理と同様であるため、以下では詳細な説明は省略する。
以上、本実施形態に係る演算処理装置２００の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
（形状検査方法の流れについて）
続いて、図２７及び図２８を参照しながら、本実施形態に係る形状検査装置１０で実施される形状検査方法の流れの一例について、簡単に説明する。図２７及び図２８は、本実施形態に係る形状検査方法の流れの一例を示した流れ図である。
まず、図２７を参照しながら、図２５で示したようなデータ処理部２０５を有する形状検査装置１０で実施される形状検査方法の流れの一例について、簡単に説明する。
形状検査装置１０の測定装置１００は、演算処理装置２００の測定制御部２０３の制御下で、金属体Ｓの表面の所定領域を第１照明光及び第２照明光を利用して測定し、それぞれの照明光に関する測定データを生成する（ステップＳ１０１）。その後、測定装置１００は、生成した測定データを、演算処理装置２００に出力する。
演算処理装置２００のデータ取得部２０１は、測定装置１００から出力された測定データを取得すると、取得した測定データを、データ処理部２０５の差分データ生成部２２１に出力する。
データ処理部２０５の差分データ生成部２２１は、第１照明光の測定データ及び第２照明光の測定データを用いて、先だって説明したような処理により、差分データ（すなわち、輝度差に関するデータ）を生成する（ステップＳ１０３）。その後、差分データ生成部２２１は、生成した輝度差に関するデータを、傾き算出部２２３に出力する。
傾き算出部２２３は、差分データ生成部２２１から出力された差分データ（輝度差に関するデータ）を用いて、着目する金属体Ｓの表面の傾きに関するデータ（すなわち、測定領域の傾き）を算出する（ステップＳ１０５）。その後、傾き算出部２２３は、算出した傾きに関するデータを、高さ算出部２２５へと出力する。
その後、高さ算出部２２５は、傾き算出部２２３から出力された傾きに関するデータに格納されている傾きを積分することで、金属体の表面の高さを算出する（ステップＳ１０７）。高さ算出部２２５は、得られた金属体の表面の高さに関するデータを、結果出力部２２７に出力する。
結果出力部２２７は、金属体Ｓの表面検査に用いられる各種の検査用情報が入力されると、得られた結果を、ユーザや外部に設けられた各種の機器に出力する（ステップＳ１０９）。これにより、ユーザは、金属体Ｓの形状に関する検査結果を把握することが可能となる。
次に、図２８を参照しながら、図２６で示したようなデータ処理部２０５を有する形状検査装置１０で実施される形状検査方法の流れの一例について、簡単に説明する。
まず、形状検査装置１０の測定装置１００は、演算処理装置２００の測定制御部２０３の制御下で、金属体Ｓの表面の所定領域を、第１照明光〜第３照明光を利用して測定し、それぞれの照明光に関する測定データを生成する（ステップＳ１５１）。その後、測定装置１００は、生成した測定データを、演算処理装置２００に出力する。
演算処理装置２００のデータ取得部２０１は、測定装置１００から出力された測定データを取得すると、取得した測定データのうち、第１照明光及び第２照明光に関する測定データをデータ処理部２０５の差分データ生成部２２１に出力する。また、データ取得部２０１は、取得した測定データのうち、第３照明光に関する測定データを、傾き算出部２５１に出力する。
データ処理部２０５の差分データ生成部２２１は、第１照明光の測定データ及び第２照明光の測定データを用いて、先だって説明したような処理により、差分データ（すなわち、輝度差に関するデータ）を生成する（ステップＳ１５３）。その後、差分データ生成部２２１は、生成した輝度差に関するデータを、傾き算出部２５１に出力する。
傾き算出部２５１は、差分データ生成部２２１から出力された差分データ（輝度差に関するデータ）と、第３照明光の測定データと、を用いて、先だって説明したような処理によって、着目する金属体Ｓの表面の傾きに関するデータ（すなわち、測定領域の傾き）を算出する（ステップＳ１５５）。その後、傾き算出部２５１は、算出した傾きに関するデータを、高さ算出部２２５へと出力する。
その後、高さ算出部２２５は、傾き算出部２２３から出力された傾きに関するデータに格納されている傾きを積分することで、金属体の表面の高さを算出する（ステップＳ１５７）。高さ算出部２２５は、得られた金属体の表面の高さに関するデータを、結果出力部２２７に出力する。
結果出力部２２７は、金属体Ｓの表面検査に用いられる各種の検査用情報が入力されると、得られた結果を、ユーザや外部に設けられた各種の機器に出力する（ステップＳ１５９）。これにより、ユーザは、金属体Ｓの形状に関する検査結果を把握することが可能となる。
以上、図２７及び図２８を参照しながら、本実施形態に係る形状検査装置１０で実施される形状検査方法の一例について、簡単に説明した。
（ハードウェア構成について）
次に、図２９を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００のハードウェア構成について、詳細に説明する。図２９は、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
演算処理装置２００は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理装置２００は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。
ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、又は、リムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置２００内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラム及び演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラム、及び、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。
バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。
入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理装置２００の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。更に、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９０９を操作することにより、形状検査装置１０に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、演算処理装置２００が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置２００が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
ストレージ装置９１３は、演算処理装置２００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶部デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は、光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び、外部から取得した各種のデータなどを格納する。
ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置２００に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙメディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）または電子機器等であってもよい。
接続ポート９１７は、機器を演算処理装置２００に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ−２３２Ｃポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、演算処理装置２００は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。
通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線または無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は、ＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信又は衛星通信等であってもよい。
以上、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
（まとめ）
以上説明したように、本発明の実施形態に係る金属体の形状検査装置及び形状検査方法では、形状検査に用いられる照明光源の波長が適切に選択されることで、金属体の表面の形状を正確に検査することが可能となる。また、本発明の実施形態に係る金属体の形状検査装置及び形状検査方法では、ラインセンサカメラによって撮像された撮像画像の１画素毎の検査用情報が得られるため、非常に高密度な形状検査が可能である。更に、本発明の実施形態に係る金属体の形状検査装置及び形状検査方法では、上記のような簡便な演算により検査用情報を算出することが可能であるため、非常に高速な形状検査が可能である。
続いて、具体例を示しながら、本発明に係る形状検査装置１０について、具体的に説明を行う。ここで、以下に示す実施例は、本発明に係る形状検査装置及び形状検査方法のあくまでも一例であって、本発明に係る形状検査装置及び形状検査方法が、以下に示す実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
図３０〜図３３は、実施例１について説明するための説明図である。図３０に示したように、本実施例では、金属体Ｓとして鋼板を利用し、かかる鋼板の表面に図３０に示したような凹溝及びＶ溝という２種類の凹凸性形状を意図的に形成し、これら２種類の凹凸性形状の検出を試みた。ここで、凹溝及びＶ溝の幅は３ｍｍとし、溝の深さｄは、５０μｍ、１００μｍ、２００μ、３００μｍの４種類とした。また、かかる鋼板では、鋼板の幅方向右半分にＶ溝を形成し、幅方向左半分に凹溝を形成した。更に、かかる鋼板では、鋼板の長手方向に、４種類の深さの溝を形成した。
本発明に係る形状検査装置１０として、図２Ａ及び図２Ｂに示した測定装置１００を有する形状検査装置１０を用いた。本実施例では、第１照明光としてピーク波長４６０ｎｍの青色光を利用し、第２照明光としてピーク波長５３０ｎｍの緑色光を利用した。また、カラーラインセンサカメラ１０１は、鋼板表面に対して垂直に設置し、図２Ａに示したθ１及びθ２は、それぞれ４５度とした。本実施例で利用したカラーラインセンサカメラ１０１は、０．１２５ｍｍの分解能を有している。
上記のような形状検査装置１０を用いて、上記式１１３を利用した凹凸性形状の検出処理を行った。ここで、上記式１１１における補正定数と、輝度差を角度へと変換するための変換係数は、予め適切に決定しておいたものを利用した。
なお、比較例として、上記特許文献１に開示されているような一般的に用いられる光切断法による形状検査装置を用いて、上記の凹凸性形状の形成された鋼板を検査した。かかる光切断法においても、撮像分解能は０．１２５ｍｍとし、レーザ線状光源の設置角度は４５度とし、エリアカメラの設置角度は０度とした。
得られた結果を、図３１〜図３３に示す。図３１における右側及び左側の図では、高さ０ｍｍを１２８とし、−４００μｍから４００μｍのレンジを０〜２５５の８ｂｉｔ画像に対応させることで得られた高さ画像を示しており、図の左右が鋼板の幅方向、図の上下が鋼板の長手方向に対応している。また、図３１における中央の図は、−１０度から１０度の傾きを０〜２５５の８ｂｉｔ画像に対応させることで得られた傾き画像である。図３１の中央に示した本発明の実施形態に係る形状検査装置１０での傾きの算出結果では、溝の深さに関わらず、凹溝及びＶ溝のそれぞれについて、溝部と正常部との境界のコントラストが明瞭となっている。この傾きを積分した、表面の高さを表わした図３１左側の画像においても、コントラストが明瞭となっている。一方、図３１右側に示した比較例では、溝の深さが浅くなるにつれて、溝部と正常部との境界のコントラストが不鮮明になっていることがわかる。
図３２〜図３４は、図３１に示した高さ画像の凹溝が形成された部分の断面プロファイルを示したグラフ図であり、縦軸が画像の輝度値を示しており、横軸が画像の長手方向位置を示している。図３２が、本発明の実施形態に係る形状検査装置１０の結果における表面の傾きのプロファイルであり、図３３が、図３２に示した表面の傾きを積分することで得られた表面の高さのプロファイル（換言すれば、断面プロファイル）である。図３４が、比較例における断面プロファイルである。図３２及び図３３からも明らかなように、本発明の実施形態に係る形状検査装置１０では、溝の深さに関わらず、溝部と正常部との境界において、エッジが明瞭に検出されていることがわかる。一方、図３４に示した比較例の結果では、溝の深さが浅くなるにつれて、溝部と正常部との境界において、エッジが不鮮明になっていることがわかる。
この結果から明らかなように、本発明の実施形態に係る形状検査装置１０では、溝の深さ５０μｍという微小な凹凸性形状を、良好に検出できることがわかる。
続いて、同様な形状検査装置１０を用いて、スケール発生のむらにより表面に粗さ変化が生じているが、当該表面の粗さ以外の凹凸の無い平坦な熱延鋼板を処理対象とした。ここで、測定装置１００における照明光のピーク波長の組み合わせを変えて、同一の熱延鋼板に対して３つの異なる差分画像を生成した。
用いた照明光のピーク波長の組み合わせは、（ａ）第１照明光＝ピーク波長４６０ｎｍの青色光、第２照明光＝ピーク波長６４０ｎｍの赤色光、（ｂ）第１照明光＝ピーク波長５３０ｎｍの緑色光、第２照明光＝ピーク波長６４０ｎｍの赤色光、（ｃ）第１照明光＝ピーク波長４６０ｎｍの青色光、第２照明光＝ピーク波長５３０ｎｍの緑色光、の３通りである。
得られた結果を、図３５に示した。ここで、図３５に示した差分画像において、色の濃い部分の二乗平均平方根粗さＲｑ＝２．７μｍであり、色の薄い部分の二乗平均平方根粗さＲｑ＝２．１μｍであることを、別途確認している。
図３５に示したように、輝度値の標準偏差は、上記ケース（ａ）の場合には３．５０であったのに対し、ケース（ｂ）の場合には３．０９となり、ケース（ｃ）の場合には２．０６となった。また、角度誤差については、上記輝度値の標準偏差の状況を反映して、ケース（ａ）では１．６度であり、ケース（ｂ）では１．４度であり、ケース（ｃ）では０．９度であった。
２種類の色光を照明光として用いた形状検査処理を行うにあたり、通常であれば、２種類の照明光の混色を避けるために、例えば上記ケース（ａ）のような、ピーク波長がなるべく離れた２種類の色光を選択しがちである。しかしながら、上記結果から明らかなように、ケース（ａ）よりもピーク波長の差が小さいケース（ｂ）の方が、ケース（ａ）と比べて良好な結果が得られており、ピーク波長の差が９０ｎｍ以下となっているケース（ｃ）では、ケース（ｂ）よりも更に良好な結果が得られていることがわかる。
また、図３６は、上記のような測定装置１００の正反射位置の近傍（図２１におけるθ３＝５度）の位置に、ピーク波長６４０ｎｍの赤色光を照射する第３照明光源１５１を設置し、鋼板に存在した凹凸量１０μｍ×直径３ｍｍの凸部を観察した結果を示したものである。図３６から明らかなように、正反射位置の近傍に第３照明光源１５１を設け、鋼板からの正反射を測定することによって、凹凸量１０μｍという微小な形状をも検出することが可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０ 形状検査装置
１００ 測定装置
１０１ カラーラインセンサカメラ
１０３ 第１照明光源
１０５ 第２照明光源
１５１ 第３照明光源
２００ 演算処理装置
２０１ データ取得部
２０３ 測定制御部
２０５ データ処理部
２０７ 表示制御部
２０９ 記憶部
２２１ 差分データ生成部
２２３，２５１ 傾き算出部
２２５ 高さ算出部
２２７ 結果出力部

Claims (18)

  1. 金属体に対して少なくとも２つの照明光を照射し、前記金属体からの前記２つの照明光の反射光を互いに区別して測定する測定装置と、
    前記測定装置による前記反射光の輝度値の測定結果に基づいて、前記金属体の形状検査に用いられる情報を算出する演算処理装置と、
    を備え、
    前記測定装置は、
    前記金属体に対して、ピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する第１及び第２の照明光源と、
    前記第１の照明光源から照射された第１の照明光の反射光、及び、前記第２の照明光源から照射された第２の照明光の反射光を互いに区別して測定するカラーラインセンサカメラと、
    を有し、
    前記第１の照明光源及び前記第２の照明光源は、前記カラーラインセンサカメラの光軸の前記金属体の表面での正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角と、当該正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角とが、略等しくなるように配設されており、
    前記第１の照明光のピーク波長と前記第２の照明光のピーク波長との波長差は、５ｎｍ以上９０ｎｍ以下であり、
    前記演算処理装置は、前記第１の照明光の反射光の輝度値と、前記第２の照明光の反射光の輝度値との差分を用いて、前記情報として前記金属体の表面の傾きを算出する、金属体の形状検査装置。
  2. 前記金属体の表面温度が、５７０℃以下である、請求項１に記載の金属体の形状検査装置。
  3. 前記カラーラインセンサカメラの光軸と、前記金属体の表面の法線方向とのなす角度が５度以下であり、
    前記正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角、及び、前記正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角が、３０度以上である、請求項１又は２に記載の金属体の形状検査装置。
  4. 前記第１の照明光のピーク波長は、４５０ｎｍ以上であり、かつ、前記第２の照明光のピーク波長は、５４０ｎｍ以下である、請求項１〜３の何れか１項に記載の金属体の形状検査装置。
  5. 前記測定装置は、前記正反射方向の近傍に、前記第１の照明光及び前記第２の照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３の照明光を照射可能な第３の照明光源を更に有しており、
    前記カラーラインセンサカメラは、当該第３の照明光の前記金属体からの反射光を更に測定し、
    前記演算処理装置は、前記差分と、前記第３の照明光の反射光の輝度値と、を用いて、前記金属体の表面の傾きを算出する、請求項１〜４の何れか１項に記載の金属体の形状検査装置。
  6. 前記第３の照明光のピーク波長は、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下である、請求項５に記載の金属体の形状検査装置。
  7. 前記差分は、表面が平坦な前記金属体を測定した場合に、当該表面が平坦な金属体からの２つの前記反射光の輝度値の差分がゼロとなるように予め補正されており、
    前記演算処理装置は、前記差分の正負に基づいて前記傾きの方向を特定するとともに、前記差分の絶対値に基づいて前記傾きの大きさを特定する、請求項１〜６の何れか１項に記載の金属体の形状検査装置。
  8. 前記演算処理装置は、算出した前記金属体の表面の傾きを、前記カラーラインセンサカメラと前記金属体の相対的な移動方向に沿って積分して、前記金属体の表面の高さを前記情報として更に算出する、請求項１〜７の何れか１項に記載の金属体の形状検査装置。
  9. 前記演算処理装置は、算出した前記金属体の表面の傾きを所定の閾値と比較することで、前記金属体の形状を検査する、請求項１〜８の何れか１項に記載の金属体の形状検査装置。
  10. 金属体に対して、ピーク波長が互いに異なる帯状の照明光をそれぞれ照射する第１及び第２の照明光源と、前記第１の照明光源から照射された第１の照明光の反射光、及び、前記第２の照明光源から照射された第２の照明光の反射光を互いに区別して測定するカラーラインセンサカメラと、を有し、前記第１の照明光源及び前記第２の照明光源は、前記カラーラインセンサカメラの光軸の前記金属体の表面での正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角と、当該正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角とが、略等しくなるように配設されており、前記第１の照明光のピーク波長と前記第２の照明光のピーク波長との波長差が５ｎｍ以上９０ｎｍ以下である測定装置により、前記金属体に前記第１の照明光及び前記第２の照明光を少なくとも照射し、前記金属体からの前記照明光の反射光を互いに区別して測定し、
    前記測定装置による前記反射光の輝度値の測定結果に基づいて前記金属体の形状を検査するための情報を算出する演算処理装置により、前記第１の照明光の反射光の輝度値と、前記第２の照明光の反射光の輝度値との差分を用いて、前記情報として前記金属体の表面の傾きを算出する、金属体の形状検査方法。
  11. 前記金属体の表面温度が、５７０℃以下である、請求項１０に記載の金属体の形状検査方法。
  12. 前記カラーラインセンサカメラの光軸と、前記金属体の表面の法線方向とのなす角度は、５度以下に設定され、
    前記正反射方向と前記第１の照明光源の光軸とのなす角、及び、前記正反射方向と前記第２の照明光源の光軸とのなす角は、３０度以上に設定される、請求項１０又は１１に記載の金属体の形状検査方法。
  13. 前記第１の照明光のピーク波長を、４５０ｎｍ以上に設定し、かつ、前記第２の照明光のピーク波長を、５４０ｎｍ以下に設定する、請求項１０〜１２の何れか１項に記載の金属体の形状検査方法。
  14. 前記測定装置は、前記正反射方向の近傍に、前記第１の照明光及び前記第２の照明光のそれぞれとピーク波長が５ｎｍ以上異なる第３の照明光を照射可能な第３の照明光源を更に有しており、前記カラーラインセンサカメラは、当該第３の照明光の前記金属体からの反射光を更に測定し、
    前記演算処理装置での前記表面の傾きの算出処理では、前記差分と、前記第３の照明光の反射光の輝度値と、を用いて、前記金属体の表面の傾きが算出される、請求項１０〜１３の何れか１項に記載の金属体の形状検査方法。
  15. 前記第３の照明光のピーク波長を、６００ｎｍ以上７００ｎｍ以下に設定する、請求項１４に記載の金属体の形状検査方法。
  16. 前記差分は、表面が平坦な前記金属体を測定した場合に、当該表面が平坦な金属体からの２つの前記反射光の輝度値の差分がゼロとなるように予め補正されており、
    前記演算処理装置での前記表面の傾きの算出処理では、前記差分の正負に基づいて前記傾きの方向が特定されるとともに、前記差分の絶対値に基づいて前記傾きの大きさが特定される、請求項１０〜１５の何れか１項に記載の金属体の形状検査方法。
  17. 前記演算処理装置により、算出した前記金属体の表面の傾きを、前記カラーラインセンサカメラと前記金属体の相対的な移動方向に沿って積分して、前記金属体の表面の高さを前記情報として更に算出する、請求項１０〜１６の何れか１項に記載の金属体の形状検査方法。
  18. 前記演算処理装置により、算出した前記金属体の表面の傾きを所定の閾値と比較することで、前記金属体の形状を検査する、請求項１０〜１７の何れか１項に記載の金属体の形状検査方法。
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