JP4511978B2

JP4511978B2 - 表面疵検査装置

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Publication number: JP4511978B2
Application number: JP2005062320A
Authority: JP
Inventors: 宏尚山地; 尊道小林; 修治内藤
Original assignee: Nippon Steel Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2010-07-28
Anticipated expiration: 2025-03-07
Also published as: JP2006242886A

Description

本発明は、金属板等の帯状体の表面の疵検査装置に関し、特に、薄鋼板等鋼板の表面の各種の疵の検査を、撮影画像を用いて行う疵検査装置に好適な技術に関するものである。

鋼板等の帯状体の製造工程において、製品の品質を損なうおそれのある疵は製造段階で早期に発見し、製造条件を変更するなどして後続の製品について疵の発生を未然に防ぐ必要がある。例えば、製造ライン中で鋼板を移動しながら疵の検査を行っている。疵の検査方法として、電磁的、光学的など数々の検査方法が開発されており、なかでも光学的検査方法は鋼板に非接触で疵が検出可能であり、疵画像が容易に得られるために広く用いられている。

光学的検査方法は、鋼板の疵通板する鋼板の表面をＣＣＤカメラのような撮像装置により撮影して得られる画像信号に基づいて、鋼板表面の疵を検出している。

一般的にこのような表面疵検査方法としては、正反射光学系と散乱反射光学系の２系統の光学系が知られている。正反射光学系は表面の凹凸状の疵検出で有効であり、散乱反射光学系は鋼板表面の有色異物、汚れ欠陥検出で有効であることが知られている。

近年は、出荷時の品質検査や、疵早期発見による疵発生防止対策等の観点から、色調や凹凸の僅かな違いのライン方向線状疵をも検出することがますます重要になっている。しかしながら、特に光沢性が高い鋼板に適用した場合、正常部からの正反射光が直接撮像装置に入射するため、微小疵表面でおこるわずかな乱反射の違いや反射率の角度依存性でおこる輝度変化を得ることできず、微小凹凸のあるライン方向線状疵（スリ疵、カキ疵等の板の流れ方向の疵）の検出が困難な場合が多いという問題があった。

そこで、従来の鋼板等の表面疵検査としては、例えば、特許文献１に開示された技術のように、疵の種類毎に複数の照明、カメラを配置し、また、照明撮影方向は、鋼板のライン方向と直角もしくは平行に配置される装置、特許文献２に開示された技術のように、鋼板表面に照明光を照射する線状光源をライン方向に直交する線に対して角度を設けて斜めに設置し、反射光像を撮像するように配置した装置、及び特許文献３に開示された技術のように、鋼板表面に入射角９０度近くの大きな角度で照射し、かつ照射光の入射方向を鋼板長手方向と幅方向の中間方向となるように配置することで、凹凸性の疵を検出する装置が公知である。

特開平７−２１８４５１号公報特開２０００−１２１５７４号公報特開２０００−３１４７０７号公報

しかしながら、上記従来技術では、以下のような問題がある。

特許文献１に開示されている技術は、照明装置および撮影装置を１組とする３組の照明撮影系を必要とするため、現場での調整に時間を要し、また、メンテナンス費用や設備費が高くなるといった問題がある。

特許文献２に開示されている技術は、帯状光を照射する照明光源を鋼板のライン方向に直交させずに斜めに配置したことにより、照明光はライン幅方向に平行せずに、製造ライン方向に伸びる線状疵に対して斜め方向から照射することで、線状疵からの反射光像に陰影が形成させ検出感度を向上している。しかし、ロール巻付け部に設置することができないため、鋼板の振動による反射光強度にムラが生じ、撮影画像上に濃淡線が生じるなどの問題がある。また、撮像する際の走査線が板の通板方向に対して斜めになることから、検出した疵位置の表示や疵画像表示する際には、画像変換が必要となり、後段のデータ処理に時間や負荷が生じるといった問題もある。

特許文献３に開示されている技術は、光の照射方向を鋼板のライン幅方向に沿った方向とライン長手方向に沿った方向の中間の方向にすることにより、点状欠陥、鋼板の長手方向に長い欠陥、幅方向に長い結果を検出するものである。またこの技術は、照明光の波長に対する入射角の余弦の値の比が、鋼板の表面粗さから決定される所定の値以下となるようにすることにより、表面粗さと同等の深さの微小凹凸性疵を検出するものである。しかしながら、疵検出の原理が、反射光のうち鏡面反射が支配的な条件を作り出すことで、魔鏡現象を成立させて疵を検出する技術であるため、凹凸のない色調変化疵（汚れ、変色、スケール残り等）を検出することは不可能であるといった問題がある。

上記の問題を解決するため、本発明の目的は、簡略な構成により、製造ライン方向に伸びる線状疵、微小凹凸疵、製造ライン方向に交差する疵、及び色調変化疵をも検出することのできる鋼板の疵検装置を提供することにある。

上記課題を解決する本発明の疵検査装置は、移動する鋼板の表面に該表面を横切る帯状光を照射し、前記表面からの反射光を撮像して鋼板の表面の疵を検査する疵検査装置において、前記帯状光の鋼板面上の照射領域は鋼板の幅方向に平行な帯状であり、前記帯状光の鋼板表面への入射が、鋼板の移動の方向に対して３０度以上６０度未満の範囲にある水平方向入射角度θで、鋼板表面の法線方向に対する垂直方向入射角度αが１５度以上７０度以下の範囲にある照明装置と、前記鋼板の法線方向に対して前記照明装置と反対側からα±５度の範囲である垂直方向受光角度βで前記照射領域を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする。

前記照明装置は、光源、及び該光源から出射した帯状光を該帯状光が伝播する平面内で伝播する方向に所定角度で屈折させるプリズムシートを具備し、鋼板幅方向に横断させるように配置することもできる。

また、前記照明装置は、光源、及び複数の光ファイバーを整列し、光源からの入射光線を揃えて出射する光ファイバユニットを備えてもよい。

さらに、前記撮像装置に加えて、前記垂直方向受光角度βよりも大きな垂直方向受光角度γで前記照射領域を撮像する第２の撮像装置を備えてもよく、前記垂直方向受光角度βと前記垂直方向受光角度γの差が２０度以上の範囲にするとよい。

上記のように構成された装置であれば、簡易な構成で帯状体面上の照射領域に均一の光強度で、帯状体の移動方向に対して水平方向の所定の角度だけ傾けた照明光を照射することができ、帯状体の正常部である地合の散乱、反射光の正反射成分を少なくし、微小凹凸形状疵の散乱光による輝度変調を効率良く撮像装置で受光することができる。さらに、製造ライン方向に伸びる線状疵に対しても、斜め方向から照射されるので、線状疵からの反射光像に陰影が形成されやくなる。これにより凹凸形状疵を検出すると同時に、製造ライン方向に伸びる線状疵を精度良く検出することができる。また、第２の撮像装置を備えれば、散乱反射光学系を形成するので、同一位置、同時検査でもって、色調変化疵の検出感度をさらに向上させることが可能となる。

本発明によると、凹凸性状の疵、とくにライン方向の線状疵をコントラスト良く検出でき、また、色調変化疵や汚れ疵を確実に検出することができる。さらには、装置の小型化、廉価化が図れるとともに、ロールに捲き付いている部分に適用することも可能となるので、パスラインの変動による影響を受けない正確な疵検査ができる。

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。

図１は本発明の１実施の形態を示すもので、鋼板の疵検査装置の概略構成図である。

疵検査装置は主として照明装置１０、撮像装置２０、疵画像処理装置３０およびオペレータ疵表示装置３１で構成されている。鋼板１がロール２に巻付いている部分を測定しており、パスライン変動による誤差を少なく検査が可能である。なお、本願で湾曲した鋼板面の垂直方向とは、接平面の垂直方向をさす。

照明装置１０は、蛍光灯または白熱灯からなる光源１１および光ファイバー束１２からなっている。光ファイバー束１２の入力端１３には光源１１が近接しており、出力端１４では、照射される帯状光Ｌ１は平行光で、鋼板１のライン方向に対して、水平方向入射角度θで傾いて照射されるように多数の光ファイバーが整列されている。

撮像装置２０は、ＣＣＤまたはＣＭＯＳなどの撮像素子からなり、照明装置１０に対向する位置にあって、一台または複数台が板幅方向に沿って配置されている。撮像装置２０の台数は、検査幅および分解能に応じて決定される。鋼板１は各種あり、幅が１ｍ〜４ｍ程度であるので、これに合わせて撮像装置も通常３，４台並列に並ぶ。なお、撮像装置２０から帯状光Ｌ１の鋼板面上の帯状光照射面ＬＡまでの距離は８００〜１２００ｍｍ程度である。

撮像装置２０は鋼板面から反射される帯状光の反射像を撮像し、疵画像信号を出力する。鋼板ライン方向の画素サイズは、１ラインスキャンする間（露光時間）に移動する鋼板の長さに等しい。パルス信号ＰＬＧに同期して１ラインスキャンするごとに疵画像信号は疵画像処理装置３０に出力される。

疵画像処理装置３０は、入力インターフェイス、画像メモリなどを含むコンピュータ（いずれも図示しない）からなっている。疵画像処理装置３０は撮像装置２０から入力される１ラインスキャン毎の疵画像信号を蓄積し、フレーム画像を生成し、画質改善、画像解析、画像圧縮などの画像処理を行う。

オペレータ疵表示装置３１は、疵画像処理装置３０から送られてくる疵画像および疵画像から抽出された特徴量を含む信号を重畳し、疵の画像および特徴量を表示する。ここで、特徴量は疵の種類、位置、大きさ、有害度などのデータを含んでいる。

図２はロール面上方から見た照明装置１０と撮像装置２０の平面配置状況を示し、図３はロール軸方向から見た照明装置１０と撮像装置２０の配置状況を示している。照明装置１０の出力端は、図２に示すように、鋼板の幅方向に平行で、帯状光は水平方向入射角度θ、かつ図３に示すように、垂直方向入射角度αで傾いて照射するように設置してある。光ファイバー束１２の出力端１４から帯状光Ｌ１の鋼板面上の入射点までの距離は２００〜４００ｍｍ程度である。鋼板上の帯状光照射面ＬＡの幅は、８０〜２００ｍｍ程度であり、長さは鋼板の全幅にわたって照射される。また、撮像装置２０の光軸の垂直方向受光角度βは、帯状光Ｌ１の垂直方向入射角度αに対して±５度の範囲を満たすように設置されている。

本発明の実施形態によれば、水平方向入射角度θ傾いて帯状光が照射するように照明装置１０の出力端１４は設定されているので、鋼板の正常部である地合による散乱、反射光の正反射成分を少なくし、微小凹凸形状の微細疵の散乱光による輝度変調を効率良く撮像装置は受光することができる。また、製造ライン方向に伸びる線状疵に対しては、斜め方向から照射されるので、線状疵からの反射光像に陰影が形成されやすくなる。水平方向角度θは９０度に近づけるほど、正反射成分を取り除くことが可能であるが、チャタマークや横折れなどの凹凸性状横線疵に対して疵顕在化能力が低下し、また、撮像装置２０が十分な受光光量を確保するのが困難となる。そのため、水平方向角度は約３０度から６０度としたときに、凹凸疵や製造ライン方向に伸びる線状疵に対して疵顕在化がはかれるという結果が得られた。

帯状光Ｌ１の鋼板面に対する垂直方向入射角度αは、検査したい疵形態や、鋼板表面粗度に依存するが、１５度〜７０°程度であることが好ましい。入射角を小さくすると鋼板表面粗度による悪影響を受けにくくなり、入射角を大きくすると微小凹凸性状疵が検出しやすくなる。

図４は、本発明の別の実施の形態における疵検査装置の照明装置の構成図である。この実施の形態では、水平方向に平行な帯状光を照射する照明光源に、プリズムシート４０を鋼板幅方向に横断させるように配置し、水平方向角度θの帯状光の照射を実現している。照明装置以外の装置構成は図２に示す装置と同じである。プリズムシート４０は、図５に示すように、ノコギリ状プリズム４１を横方向に整列した集合対である。プリズムシート４０は、帯状光を水平方向に平行に照射する照明装置の出力端１４の鋼板幅方向（横方向）に対して直角（縦方向）になるように配置される。

プリズムシート４０を用いた場合、図６に示すように、ライン方向に平行に入射された光線は、プリズムによるスネルの法則に基づく屈折によりθ傾いた光線として照射される。

本実施の形態では、約４０度の水平方向角度で照射するために、プリズム角度φが２８度のプリズムが、ピッチ０．５ｍｍで配列されているアクリル製プリズムシートを用いれば良い。照明装置からの帯状光の水平方向角度を変更するには、プリズム角度φの異なるプリズムシートを用意すれば良く、容易に照明装置を改善することができる。

また、出力端１４の射出面とプリズムシートの間や、あるいは、プリズムシートの射出面に、ロッドレンズなどの集光レンズを挿入、あるいは、設置して、照射する帯状光を垂直方向に集光させてもよい。

図７は、本発明の別の実施の形態における疵検査装置の構成図である。この実施の形態においては、撮像装置として、撮像装置２０と第２の撮像装置２１が設けられている。撮像装置２０は第１の実施の形態と同様に、撮像装置２０の光軸の垂直方向受光角度βは、帯状光Ｌ１の垂直方向入射角α±５度の範囲を満たすように設置されている。第２の撮像装置２１は、光軸の垂直方向受光角度γが、大きくなるように設置されている。このように、第２の撮像装置２１を設置することにより、乱反射光のみを受光することが可能となり、疵部での乱反射光と正常部での正反射光を明瞭に分離でき、コントラストの明瞭な疵画像を得ることができる。したがって、撮像装置２０では検出することが困難であったコントラストの低い色調変化疵を検出することができる。さらに、撮像装置２０だけで検出できる疵と、画像撮像装置２０および第２の撮像装置２１の両方で検出できる疵、第２の像撮像装置２１だけで検出できる疵を区別することができ、疵検出の分別に役立てることができる。乱反射光のみを受光するための第２の撮像装置２１の光軸の垂直方向受光角度γは、撮像装置２０の垂直方向受光角度βとの差が約２０度以上であることが好ましい。

実施例として、図１に示す装置を用いた。鋼板の幅は１５００ｍｍである。

撮像装置は２０４８画素のラインセンサカメラ３台で、各カメラの視野サイズは２０４８ｍｍになるようにあらかじめ光学条件を設定している。したがって、ラインセンサカメラ１台の視野は５１２ｍｍ、板幅方向の画素サイズは０．５ｍｍ、ライン方向の画素サイズは０．５ｍｍである。

照明装置は、１８０Ｗのハロゲンランプ３台を光源とした、２０００ｍｍのファイバー束の出力端の照明装置で、水平方向角度４０度傾いて照射するように設定してある。垂直方向角度２０度で、鋼板表面に照射するように設定してある。また、ラインセンサカメラ光軸は垂直方向受光角２０度で等しく設置している。

上記の構成で疵検査装置を用いて、速度は３００ｍ／ｍｉｎで走行する鋼板の表面検査をおこなったところ、凹凸性状の線状疵、凹凸疵、色調疵を確実に検出することができた。

本発明の一実施形態の疵検査装置の概略を示す図である。図１の上方から見た照明装置と撮像装置の配置状況を示す平面図である。図１の正面から見た照明装置と撮像装置の配置状況を示す正面図である。本発明の他の実施形態を示すもので、照明装置の模式図である。図４で用いられているプリズムシートの例を示しており、（ａ）は断面図、（ｂ）は正面図である。図５に示すプリズムシートによる照明光の屈折を模式的に示した側面図である。本発明の他の実施形態を示すもので、照明装置と撮像装置の配置状況を示す正面図である。

符号の説明

１鋼板
２ロール
１０照明装置
１１光源
１２光ファイバー束
１３光ファイバー束入力端
１４光はフィバー束出力端
２０撮像装置
２１第２の画像撮像装置
３０疵画像処理装置
３１オペレータ疵表示装置
４０プリズムシート
４１ノコギリ状プリズム
Ｌ１帯状光
ＬＡ帯状光照射面

Claims

移動する鋼板の表面に該表面を横切る帯状光を照射し、前記表面からの反射光を撮像して鋼板の表面の疵を検査する疵検査装置において、
前記帯状光の鋼板面上の照射領域は鋼板の幅方向に平行な帯状であり、前記帯状光の鋼板表面への入射が、鋼板の移動の方向に対して３０度以上６０度未満の範囲にある水平方向入射角度θで、鋼板表面の法線方向に対する垂直方向入射角度αが１５度以上７０度以下の範囲にある照明装置と、前記鋼板の法線方向に対して前記照明装置と反対側からα±５度の範囲である垂直方向受光角度βで前記照射領域を撮像する撮像装置を備えることを特徴とする疵検査装置。
前記照明装置は、光源、及び該光源から出射した帯状光を該帯状光が伝播する平面内で伝播する方向に所定角度で屈折させるプリズムシートを具備し、鋼板幅方向に横断させるように配設することを特徴とする請求項１に記載の疵検査装置。
前記照明装置は、光源、及び複数の光ファイバーを整列し、光源からの入射光線を揃えて出射する光ファイバユニットを具備し、帯状光を出射するものであることを特徴とする請求項１に記載の疵検査装置。
前記撮像装置に加えて、前記垂直方向受光角度βよりも大きな垂直方向受光角度γで前記照射領域を撮像する第２の撮像装置を備え、前記垂直方向受光角度βと前記垂直方向受光角度γの差が２０度以上の範囲であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の疵検査装置。