JP2008275424A - 表面検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】被検査面の微小な表面欠陥を地合ノイズの影響を受けずに安定して検査することのできる表面検査装置を提供する。
【解決手段】光源２から鋼板１の表面に照射された照明光の反射光を受光して鋼板表面の画像信号を得る撮像装置３の空間分解能を０．２ｍｍ以下にするとともに、照射位置での鋼板１の法線方向１ａを基準として撮像装置３を光源２と同じ側に配置し、かつ光源２から鋼板表面への照明光の入射角度αを６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、撮像装置３の受光角度β１を２０°〜αの間の角度に設定した。
【選択図】図１

Description

本発明は、被検査面を光学的に検査する装置に関し、特に、溶融亜鉛鍍金鋼板における微小な表面欠陥を検査するのに適した表面検査装置に関する。

鋼板の表面品質に対する顧客の要求レベルは、近年、厳格化の一途を辿っている。特に、溶融亜鉛鍍金鋼板に関しては、顧客側でプレス成形を行った後に顕在化するような非常に微小な凹凸欠陥（寸法０．５ｍｍ以下、深さ数十μｍ以下）に対する品質保証が求められつつある。
鋼板の表面に欠陥が存在するか否かの検査は、従来、検査員による目視検査によって行われている。しかし、検査員による目視検査では、鋼板の搬送を停止させない限り上記のような微小欠陥を発見することができないため、鋼板の全長全幅に亘って微小な表面欠陥の有無を検査することは不可能であった。

そこで、図９に示すように、矢印方向に搬送される鋼板１の表面に帯状の照明光を光源２から照射するとともに、鋼板１の表面で反射した反射光をＣＣＤラインセンサなどの撮像装置３，５で受光し、これらの撮像装置３，５で得られた鋼板表面の画像信号を画像処理装置で画像処理することによって、鋼板１の表面に発生した欠陥を光学的に検出する技術が知られている（特許文献１参照）。

また、図１０に示すように、鋼板１の表面に発生した欠陥を光学的に検出する際に、光源２から鋼板１の表面への光の入射角度αを１５°〜３０°の間の角度に設定するとともに、撮像装置３の受光角度をα＋３°〜α＋７°に設定したものも知られている（特許文献２参照）。
さらに、図１１に示すように、鋼板１の表面に発生した欠陥を光学的に検出する際に、光源２から鋼板１の表面への入射角度αを３０°〜６０°の間の角度に設定するとともに、撮像装置３，５の受光角度β１，β２をα−５°≦β１≦α＋５°，β２≧α＋２０°に設定したものも知られている（特許文献３参照）。
特開平５−３２２７９４号公報 特開平８−９４５４２号公報 特開２００６−２４２８８６号公報

しかしながら、特許文献１〜３に開示された技術は、基本的に、鋼板からの正反射光を撮像装置で受光して鋼板の表面欠陥を検出するようにしている。撮像装置の空間分解能は検出すべき欠陥サイズの半分程度以下に設定するのが一般的である。このため、０．５ｍｍ以下の微小な欠陥が鋼板の表面にあるか否かを光学的に検査する場合、撮像装置の空間分解能を０．２ｍｍ程度以下に設定して検査することになるが、鋼板の地合部（健全部）からのノイズ信号に欠陥信号が埋もれてしまい、十分なＳＮ比が得られず欠陥の有無を検査することができないという問題があった。また、深さ数十μｍ程度以下の微小な凹凸欠陥に対しても、十分なコントラストが得られず、欠陥の見逃しが発生するという問題もあった。

本発明は、以上のような従来法の課題を解決し、被検査面の表面欠陥を安定して検査することのできる表面検査装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するために、請求項１記載の発明に係る表面検査装置は、被検査面に照明光を照射する光源と、前記被検査面での反射光を受光して画像信号を得る撮像装置と、この撮像装置で得られた画像信号に基づいて前記被検査面の表面欠陥を検出する画像処理装置とを具備してなる表面検査装置において、前記撮像装置の空間分解能を０．２ｍｍ以下にするとともに、前記被検査面の法線に対して前記撮像装置を前記光源と同じ側に配置し、かつ前記光源から被検査面への入射角度αを６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、前記撮像装置の受光角度を２０°〜αの間の角度に設定することを特徴とする。

請求項２記載の発明に係る表面検査装置は、請求項１記載の表面検査装置において、前記被検査面での反射光を受光して画像信号を得る第２の撮像装置を被検査面の法線に対して光源と反対側に配置し、該第２の撮像装置の受光角度を０°〜（α−１０°）の間の角度に設定することを特徴とする。
請求項３記載の発明に係る表面検査装置は、請求項１または２記載の表面検査装置において、溶融亜鉛鍍金ラインのインラインスキンパルミルの上流の溶融亜鉛鍍金鋼板表面を前記被検査面とすることを特徴とする。

請求項１記載の発明に係る表面検査装置では、撮像装置の空間分解能を０．２ｍｍ以下にし、かつ撮像装置を光源と同じ側に配置し、後方散乱光を受光する配置とすることで、欠陥の大きさが０．５ｍｍ以下の場合でも、被検査面の地合部の画像輝度分散値が小さくなるので、地合ノイズを抑制できると共に、微小な欠陥を高コントラストで撮像することが可能となる。これにより、被検査面の表面欠陥があるか否かを正確に検査することができる。さらに、光源から被検査面への入射角度αを６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、撮像装置の受光角度を２０°〜αの間の角度に設定することで、被検査面に発生した微小な凹凸欠陥の陰影が現われ易くなるので、被検査面に微小な凹凸欠陥があるか否かを正確に検査することができる。

請求項２記載の発明に係る表面検査装置では、第２の撮像装置を光源と反対側に配置し、前記後方散乱光を受光するようにその角度を０°〜（α−１０°）の間の角度に設定することで、多様な微小表面欠陥が被検査面にあるか否かを正確に検査することができる。
請求項３記載の発明に係る表面検査装置では、溶融亜鉛鍍金ラインのインラインスキンパルミルの上流の鋼板表面を被検査面とするので、微小な凹凸欠陥がスキンパス圧下によって平坦化されることがなく、微小な凹凸欠陥が溶融亜鉛鍍金鋼板の表面にあるか否かを正確に検査することができる。

以下、被検査面の一例として鋼板表面を取り上げて、本発明に係る表面検査装置を図面に基づいて説明する。図１は本発明の第１の実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図であり、同図に示されるように、第１の実施形態に係る表面検査装置は光源２、撮像装置３および画像処理装置４を備えている。
光源２は図中矢印方向に搬送される鋼板１の上方に配置されており、この光源２から鋼板１の表面に照射される照明光は鋼板１の法線１ａに対して６０°以上８０°以下の入射角度αで鋼板１の表面に投光されるようになっている。また、光源２は例えばメタルハライドランプからの光を光ファイバーを用いて導き、出射光端側をライン状（線状）として、線状光源にし、その光をシリンドリカルレンズで集光して鋼板１の表面に照射するように構成されている。

撮像装置３は空間分解能が０．１ｍｍ（板幅方向：鋼板搬送方向に対して直交する方向）×０．１ｍｍ（鋼板搬送方向）のＣＣＤラインセンサカメラ等から構成されており、この撮像装置３で得られた鋼板表面の画像信号は画像処理装置４で画像処理（たとえば、しきい値処理）されるようになっている。また、撮像装置３は鋼板１への照射位置における鋼板表面の法線方向１ａを基準として光源２と同じ側に配置（いわゆる後方散乱光を受光する配置）されており、この撮像装置３の受光角度β１が鋼板１の法線方向１ａに対して２０°以上α以下（αは前述の入射角度で、α＝６０〜８０°）になっている。

このような構成において、表面に直径０．３ｍｍの表面欠陥（押し疵）を有する鋼板１を撮像装置の空間分解能を０．０５ｍｍ，０．１ｍｍ，０．１５ｍｍ，０．２ｍｍ，０．３ｍｍ，０．４ｍｍ，０．５ｍｍ，０．６ｍｍ，０．７ｍｍ，０．８ｍｍとして、検査したときの欠陥ＳＮ比を測定した結果を図２に示す。
同図に示されるように、撮像装置３の空間分解能が０．３ｍｍ〜０．８ｍｍの場合は欠陥ＳＮ比が低くなるのに対し、撮像装置３の空間分解能が０．２ｍｍ以下の場合は欠陥ＳＮ比が２．５より大きな値となることがわかる。したがって、図１に示した第１の実施形態の光源と撮像装置の配置とし、撮像装置３の空間分解能を０．２ｍｍ以下にすることで、欠陥の大きさが０．５ｍｍ以下の場合でも鋼板１の表面に微小な欠陥があるか否かを正確に検査することができる。なお、空間分解能の下限はノイズと検出対象のサイズによるが、０．０５ｍｍ以上が適用範囲で、０．１ｍｍ以下が好ましい。

次に、光源２から鋼板１の表面に照射された照明光の反射光を受光する撮像装置３として空間分解能が０．１ｍｍの撮像装置を用い、その撮像装置の受光角度β１をβ１＝１０°に設定して溶融亜鉛鍍金鋼板の地合部（健全部）を撮像したときの鋼板地合部の画像輝度分散値を測定した結果を図３に示す。
同図に示されるように、撮像装置３の反対側に光源を配置して撮像装置が正反射光を受光する位置（入射角度α＝１０°）では、鋼板地合部の画像輝度分散値（地合ノイズレベルの大きさに対応）が大きくなり、欠陥信号と地合ノイズを分離するのが困難となるのに対し、撮像装置３の配置が鋼板１からの拡散反射光を受光する配置（入射角度α＝−６０°〜−２０°，０°〜４０°）では鋼板地合部の画像輝度分散値が小さくなり、欠陥信号と地合ノイズを分離するのが容易となる。なお、図３においては、鋼板表面の照射位置における鋼板表面の法線方向に対して撮像装置側（後方散乱光受光方向）の入射角度を正として表している。

このことから、鋼板のような表面テクスチャーを有した対象表面を空間分解能が０．１ｍｍ程度の高分解能撮像装置で撮像する場合、撮像装置３の配置が鋼板１からの正反射光を受光する配置では、鋼板地合部（健全部）からの反射輝度分散値が大きくなり、安定した欠陥検査ができなくなるとの知見が得られたので、第１の実施形態では、鋼板照射位置での鋼板１の法線方向１ａを基準として撮像装置３を光源２と同じ側に配置し、撮像装置３に鋼板１からの正反射光成分が入らない後方散乱光を受光する配置とする。

次に、撮像装置の受光角度β１を０°，１０°，２０°，３０°，４０°，５０°，６０°とした場合における光の入射角度α（α＝４０°〜８０°）と欠陥ＳＮ比との関係を調べた結果を図４に示す。図４においても、図３と同様に、鋼板表面の照射位置における鋼板の法線方向に対して撮像装置側の入射角度を正としている。
同図に示されるように、光源２から鋼板１の表面に照射される照明光の入射角度αが５０°以下の場合は欠陥ＳＮ比が低くなり、凹凸欠陥の陰影が現われ難くなるのに対し、入射角度αが６０°以上の場合は欠陥ＳＮ比が高くなり、凹凸欠陥の陰影が現われ易くなることがわかる。また、受光角度β１が２０°未満の場合は欠陥ＳＮ比が低くなるのに対し、入射角度β１が２０°以上の場合は欠陥ＳＮ比が高くなることがわかる。

このことから、鋼板１からの正反射光ではなく拡散反射光を撮像装置３で受光して微小な凹凸欠陥を検出する場合、欠陥の凹凸部分による幾何学的な光の反射方向（反射角度）変化に基づく検出法では、輝度変化が小さく、十分なＳＮ比が得られないという知見が得られた。これにより、第１の実施形態では、光源２から鋼板１の表面への入射角度αを鋼板１の法線１ａに対して６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、受光角度β１を鋼板１の法線１ａに対して２０°〜αの間の角度に設定する。

次に、撮像装置の受光角度β１をβ１＝３５°に固定し、光源２から鋼板１の表面への入射角度αを−８０°〜＋６０°の間で変化させたときの欠陥ＳＮ比を測定した結果を図５に示す。ここで、αは鋼板表面の法線方向に対して撮像装置側を正とし、反射側を−とする。
同図に示されるように、鋼板１の表面に発生した欠陥がある特定の欠陥Ｂ（凹状の点状欠陥の一種）である場合は欠陥を検出できないことがわかる。したがって、このような欠陥も検査対象に含まれる場合は、第１の実施形態の構成に加えて、図６に示す第２の実施形態のように、光源２から鋼板１の表面に照射された照明光の反射光を受光して鋼板表面の画像信号を得る第２の撮像装置５を照射位置での鋼板１の法線方向１ａを基準として光源２と反対側で、前方散乱光を受光するように配置し、撮像装置の受光角度β２を鋼板１の法線方向１ａに対して０°以上（α−１０°）以下とすることが好ましい。ただし、β２は鋼板表面の法線方向に対して光源とは反対側の方向を正として扱う。

光源２から鋼板１の表面への照明光の入射角度αを５０°，６０°，７０°，８０°とした場合における第２の撮像装置５の受光角度β２（β２＝０°〜７０°）と上記欠陥Ｂに対する欠陥ＳＮ比との関係を調べた結果を図７に示す。
同図に示されるように、第２の撮像装置５の受光角度β２が概ねα−１０°以上になると、欠陥ＳＮ比が低下することがわかる。

このことから、鋼板１の表面に発生した上記欠陥Ｂのような欠陥を光学的に検出するためには、照射位置での法線方向を基準として、第２の撮像装置５を光源の反対側に配置し、受光角度β２を鋼板１の法線方向１ａに対して０°以上（α−１０°）以下にすることが良いことがわかり、第２の実施形態では、第１の実施形態の配置に加えて、鋼板１の表面から第２の撮像装置５に入射する照明光の入射角度β２を鋼板１の法線１ａに対して０°〜α−１０°の間の角度とする。

本発明に係る表面検査装置は種々の鋼板製造ラインに適用できるが、溶融亜鉛鍍金鋼板製造ラインに適用する場合は、鋼板を調圧するスキンパスミルの上流に本発明に係る表面検査装置を設置することが好ましく、以下、その理由について説明する。
溶融亜鉛鍍金鋼板は自動車の外板などに使用されるため、微小な凹凸欠陥の検査ニーズが非常に高い鋼板である。従来の溶融亜鉛鍍金鋼板製造ラインの欠陥検査装置は、スキンパスミルよりも上流側では、地合ノイズが大きく、欠陥ＳＮ比が低下するため、スキンパスミルの下流に設置するのが一般的であった。しかしながら、本発明に係る表面検査装置では、正反射受光を回避した光学配置となっているため、地合ノイズを著しく抑制可能である。一方、溶融亜鉛鍍金金属鋼板の微小凹凸欠陥の多くは、スキンパス調質圧延により欠陥凹凸部が押し潰されて健全部とのコントラストが低下することがわかった。そこで、種々の微小凹凸欠陥に対して、スキンパス調質圧延前とスキンパス圧延後の状態で欠陥ＳＮ比を比較調査した。その結果を図８に示す。図８からわかるように、図１に示した第１の実施形態や図６に示した第２の実施形態を用いて欠陥の有無を検査する場合、スキンパスミルの上流で検査を行ったほうがＳＮ比が大きくなり、有利であることがわかる。

上述した第１及び第２の実施形態において、光源２から鋼板１の表面に投光される照明光としては、たとえば鋼板１の搬送方向に垂直な方向の帯状照明光を用いることができる。また、光源２としては、たとえばメタルハライドランプ、ハロゲンランプ、高輝度ＬＥＤ、キセノンストロボランプ等を用いることができる。また、撮像装置３，５としては、ＣＣＤラインセンサカメラなどの１次元撮像装置や、ＣＣＤエリアセンサカメラなどの２次元撮像装置を用いることができる。

また、上述の説明においては、鋼板表面を被検査面とする例を説明したが、本発明はそれに限定されるものではなく、アルミや銅などの金属帯やフィルムや紙などの表面を被検査面として適用することも可能である。

本発明の第１の実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 表面に直径０．３ｍｍの表面欠陥を有する鋼板を空間分解能を変えて撮像装置で撮像したときの欠陥ＳＮ比を示す図である。 受光角度β１をβ１＝１０°に設定して溶融亜鉛鍍金鋼板の地合部を撮像したときの鋼板地合部の画像輝度分散値を測定した結果を示す図である。 鋼板の表面に照射される照明光の入射角度と欠陥ＳＮ比との関係を調べた結果を示す図である。 鋼板の表面に照射される照明光の入射角度αを−８０°〜＋６０°の間で変化させたときの欠陥ＳＮ比を測定した結果を示すである。 本発明の第２の実施形態に係る表面検査装置の概略構成を示す図である。 第２の撮像装置の受光角度β２と欠陥ＳＮ比との関係を調べた結果を示す図である。 スキンパス圧延前での欠陥ＳＮ比とスキンパス圧延後での欠陥ＳＮ比との関係を調べた結果を示す図である。 第１の従来例を示す図である。 第２の従来例を示す図である。 第３の従来例を示す図である。

符号の説明

１ 鋼板
２ 光源
３ 撮像装置
４ 画像処理装置
５ 第２の撮像装置

Claims (3)

1. 被検査面に照明光を照射する光源と、前記被検査面での反射光を受光して画像信号を得る撮像装置と、この撮像装置で得られた画像信号に基づいて前記被検査面の表面欠陥を検出する画像処理装置とを具備してなる表面検査装置において、
   前記撮像装置の空間分解能を０．２ｍｍ以下にするとともに、前記被検査面の法線に対して前記撮像装置を前記光源と同じ側に配置し、かつ前記光源から被検査面への入射角度αを６０°〜８０°の間の角度に設定するとともに、前記撮像装置の受光角度を２０°〜αの間の角度に設定することを特徴とする表面検査装置。
2. 請求項１記載の表面検査装置において、前記被検査面での反射光を受光して画像信号を得る第２の撮像装置を被検査面の法線に対して光源と反対側に配置し、該第２の撮像装置の受光角度を０°〜（α−１０°）の間の角度に設定することを特徴とする表面検査装置。
3. 請求項１または２記載の表面検査装置において、溶融亜鉛鍍金ラインのインラインスキンパルミルの上流の溶融亜鉛鍍金鋼板表面を前記被検査面とすることを特徴とする表面検査装置。

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