JP2005156420A - 表面凹凸の検査方法及び検査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 圧延帯鋼のように非鏡面の表面を有する被検査体について、表面の微小凹凸の有無を自動的に検査する方法及び装置を安価に提供するとともに、帯鋼全長のうち微少凹凸を検査する対象領域を増大する。
【解決手段】 赤外線をパルス発光するレーザー４から反射ボックス２内に赤外線を照射し、反射ボックス２はその内表面７で赤外線の乱反射を繰り返し、反射ボックス２はその表面にスリット３を有し、反射ボックス２の内表面７で反射した赤外線はスリット３を通して外部に拡散光１４として発散し、反射ボックス２を被検査体１付近に配置し、被検査体表面に映るスリットの像１０を赤外線撮像装置５で撮像し、撮像したスリットの像１０の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸１５の有無を検査することを特徴とする表面凹凸の検査方法及び検査装置。
【選択図】 図１

Description

本発明は、例えば非鏡面の表面を有する鋼板等の被検査体表面の微少凹凸有無を検査する検査方法及び検査装置に関するものである。

薄鋼板の製造プロセス、例えば冷延帯鋼の製造プロセスにおいて、製造ラインのロールに異物が付着していると、この異物に起因して帯鋼にロール疵が形成され、また、圧延ロールが微少振動を起こすと、鋼板表面に微細な横縞（チャタマーク）が形成される。これら帯鋼表面に形成される表面形状不良を、ここでは総称して微少凹凸と呼ぶ。ロール疵の原因となる異物がロールに付着したり、あるいはロール振動に起因するチャタマークが一旦発生すると、ロールを交換したりプロセスを改善したりするまで帯鋼表面に欠陥が連続して発生するので、早期に発見して対策を講じることが重要である。

このような疵を見つけるため、帯鋼の通板ラインにおいては、通板中に帯鋼の長手方向不連続に配置した検査部位において帯鋼の走行を一度停止あるいは低速通板とし、検査員が砥石がけを行った後に目視検査をしている。砥石がけを行うと、凹部に比べて凸部がより一層研磨されて鏡面に近づくのに対し、凹部が元の粗面のまま残るので、微少凹凸発生部が明瞭になり、目視で確認可能となる。

砥石がけのために帯鋼の走行を停止あるいは低速通板としている最中においても、検査箇所前後に設けたループカー等の機能に基づいて帯鋼通板ラインの他の部分では帯鋼の走行を継続する。ループカーの能力は有限であるため、砥石がけのために帯鋼を停止する時間は限られ、かつ前回の砥石がけ検査部位から今回の砥石がけ検査部位まで鋼帯を長い距離にわたって無検査で走行させる必要がある。今回の砥石がけ検査でロール疵が発見されると、前回砥石がけ箇所までロール疵発生の可能性があるので、大きな歩留りロスを生じることとなる。

被検査面に平行光を照射し、被検査面から反射した反射光をスクリーンに投影し、被検査面の凹凸部からの反射光がスクリーンにおいて像のパターンとして現れるいわゆる魔鏡現象を適用した検査方法が知られている。従来、魔鏡現象を適用して凹凸評価ができるのは、照射光をミラー反射することのできる鏡面表面のみであった。これに対し、帯鋼通板ラインにおいて、帯鋼の表面は非鏡面の粗面であるため、鏡面表面を対象とした凹凸検査方法は採用することができない。特許文献１においては、上記魔鏡現象を適用した検査方法において、入射光の角度を規定することによって、あるいは入射光として赤外域の波長を選定することにより、被検査面が粗面であっても鏡面反射を可能にし、粗面の微少凹凸性疵が検出できるとしている。具体的には、光源としてパルス発振のＣＯ₂レーザーを用い、スクリーンに照射される像を撮像する２次元カメラとしてサーモカメラを用いる例が記載されている。

特開２０００−２９８１０２号公報

特許文献１に記載の方法のうち、入射光の角度を規定する方法については、角度を８７°とし、入射光と鋼板とのなす角度を極めて鋭角にすることによって検査を成立させている。これでは、鋼板が振動したり形状が平坦でない場合、正反射方向がわずかに変化するだけで、反射光がスクリーンから外れてしまうことが懸念される。

特許文献１に記載の方法のうち、入射光として赤外域の波長を選定する方法については、光源としてＣＯ₂レーザーを用いている。魔鏡現象を適用する場合には、被検査面で反射した反射光をスクリーンに結像する必要があり、被検査面と同じ大きさあるいはそれよりも大きいスクリーンを準備し、このスクリーンに結像した像を間接的に撮像装置で撮像した上で画像処理を行うことが必要である。スクリーン全面の赤外光学特性が均一であることが求められるので、汚れ付着防止等の対策や管理が欠かせない。反射光をレンズで集光した上で、サイズの小さい２次元の撮像素子自体をスクリーンとして撮像素子上に直接結像させることも可能であるが、集光レンズとして被検査面と同等以上の大きさを有する赤外域レンズを準備する必要があり、光学的に製作できる赤外レンズサイズの制約から、検査視野は小さくなる。

以上のような理由により、非鏡面の表面を有する鋼板の微小凹凸検査について特許文献１に記載のような魔鏡現象を適用する検査方法には、技術的な課題が残る。

本発明は、圧延帯鋼のように非鏡面の表面を有する被検査体について、表面の微小凹凸の有無を自動的に検査する方法及び装置を安価に提供するとともに、帯鋼全長のうち微少凹凸を検査する対象領域を増大することを目的とする。

即ち、本発明の要旨とするところは以下の通りである。
（１）赤外線をパルス発光するレーザー４から反射ボックス２内に赤外線を照射し、反射ボックス２はその内表面７で赤外線を反射し、反射ボックス２はその表面にスリット３を有し、反射ボックス２の内表面７で反射した赤外線はスリット３を通して外部に発散し、反射ボックス２を被検査体１付近に配置し、被検査体表面に映るスリットの像１０を赤外線撮像装置５で撮像し、撮像したスリットの像１０の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸１５の有無を検査することを特徴とする表面凹凸の検査方法。
（２）反射ボックス２の内表面７の一部又は全部は非鏡面のＡｕメッキ面であることを特徴とする上記（１）に記載の表面凹凸の検査方法。
（３）被検査体付近に配置した線状体１７に対してレーザー４から赤外線をパルス発光させて照射し、被検査体表面に映る線状体１７の像を赤外線撮像装置４で撮像し、該撮像した線状体１７の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を検査することを特徴とする表面凹凸の検査方法。
（４）レーザー４はパルスＣＯ₂レーザーであることを特徴とする上記（１）乃至（３）のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
（５）赤外線撮像装置５はレーザー４のパルス発光に同期して露光を行うことを特徴とする上記（１）乃至（４）のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
（６）撮像したスリット又は線状体の像の形状が非直線となった被検査体表面部分を微少凹凸発生部と判定することを特徴とする上記（１）乃至（５）のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
（７）被検査体１は、非鏡面の表面を有する鋼板であることを特徴とする上記（１）乃至（６）のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
（８）赤外線をパルス発光するレーザー４と、表面にスリット３を有する反射ボックス２と、赤外線撮像装置５と、判定装置６とを有し、レーザー４は反射ボックス内に赤外線を照射し、反射ボックス２の内表面７は赤外線を反射し、反射した赤外線はスリット３を通して外部に放出され、赤外線撮像装置５は被検査体表面に映る反射ボックスのスリットの像１０を撮像し、判定装置６は赤外線撮像装置５で撮像したスリットの像１０の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を判定することを特徴とする表面凹凸の検査装置。
（９）反射ボックス２の内表面７の一部又は全部は非鏡面のＡｕメッキ面であることを特徴とする上記（８）に記載の表面形状の検査装置。
（１０）赤外線をパルス発光するレーザー４と、被検査体付近に配置した線状体１７と、赤外線撮像装置５と、判定装置６とを有し、レーザー４は線状体１７に赤外線を照射し、赤外線撮像装置５は被検査体表面に映る線状体１７の像を撮像し、判定装置６は赤外線撮像装置で撮像した線状体１７の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を判定することを特徴とする表面凹凸の検査装置。
（１１）レーザー４はパルスＣＯ₂レーザーであることを特徴とする上記（８）乃至（１０）のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
（１２）赤外線撮像装置５はレーザー４のパルス発光に同期して露光を行うことを特徴とする上記（８）乃至（１１）のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
（１３）判定装置６は、前記撮像したスリット又は線状体の像の形状が非直線となった被検査体表面部分を微少凹凸発生部と判定することを特徴とする上記（８）乃至（１２）のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
（１４）被検査体１は非鏡面の表面を有する帯鋼であり、帯鋼の通板ラインに配置されることを特徴とする上記（８）乃至（１３）のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。

本発明により、被検査体表面が粗さを有する場合であっても、被検査体表面の微小凹凸の有無を光学的に検査することができ、かつ検査装置を安価に構築することができるとともに、長尺の被検査体全長のうち微少凹凸を検査する対象領域を増大することができる。

溶融亜鉛メッキ鋼板、熱間圧延後にスケール除去を行った鋼板等の表面は、人の見た目には粗面である。このような鋼板の表面において可視光域の波長を有する光を反射させると、反射光は粗面において散乱してしまい、鏡面反射とすることができない。光の波長が被検査面の粗さよりも短いためである。一方、光の波長をλ（μｍ）、被検査面の粗さをＲ（μｍ）、被検査面に対する光の入射角度をθとすると、Ｒｃｏｓθ／λの値を小さくするほど鏡面性が増すことが知られている。

本発明においては、光源として赤外線を発光するレーザー４を用いる。赤外線を発光源として用いれば、被検査体表面１の粗さ（１〜２μｍ）において鏡面反射条件を実現することができ、被検査面で反射する光を鏡面反射とすることが可能となるからである。使用する赤外線の波長としては、３μｍ程度以上とすればよい。赤外線発光源としてＣＯ₂レーザーを用いれば、波長１０．６μｍの赤外線を発光させることができる。

本発明においては、図１に示すように、表面にスリット３を有する反射ボックス２を被検査体１付近に配置する。赤外線をパルス発光するレーザー４を反射ボックス付近に配設し、図２に示すようにレーザー４から反射ボックス２内に赤外線を照射する。反射ボックス２はその内表面７が赤外線を反射する表面を形成しており、レーザー照射した赤外線は反射ボックス内で反射を繰り返すこととなる。反射ボックス２はその表面にスリット３を有し、反射ボックス２の内表面７で反射を繰り返した赤外線は反射ボックス表面に配置されたスリット３を通して外部に発散することとなる。スリット３の形状は好ましくは直線状であり、細い直線状であると最も好ましい。

反射ボックス２の内表面７で多数回反射を繰り返した赤外線が種々の方向からスリット３を通過していくので、スリット３を通して被検査体表面に照射される赤外線は、拡散光１４となる。拡散光とは、光源から発する光が一定の方向のみに集束せず、拡散あるいは散乱している意味である。光源から３６０°全周に拡散して発光する必要はないが、少なくとも被検査面表面２１に向けて照射される。スリットから照射される赤外線を拡散光とするためには、反射ボックスの内表面は非鏡面として赤外線を極力乱反射させることとすると好ましい。

図１の場合を例にとって説明する。被検査体表面２１には、微小凹凸１５が存在する。図１（ａ）に示すように、反射ボックス表面のスリット３を通して被検査体表面２１に照射された赤外線は、被検査体表面２１において鏡面反射する。当該反射光の通過位置に赤外線撮像装置５を配置して被検査面表面２１を観察すると、被検査面表面には図１（ｂ）に示すようにスリットの像１０が映って観察される。それは、被検査体表面２１の位置に鏡を配置したときに、可視光で見ることのできるスリットの像が鏡に映って観察できるのと同様である。図１（ａ）には、スリット３から赤外線撮像装置５に至る光路１２の一部が記載されている。被検査体表面２１で反射して赤外線撮像装置５に至る光路１２は、あたかもスリットの虚像１１ａからの直線光路で赤外線撮像装置５に入射するように形成される。図２（ｂ）にはスリットの虚像１１ａとともに反射ボックスの虚像１１ｂも記載している。

本発明においては、スリット３から照射される赤外線が拡散光であるので、被検査体表面に映るスリットの像１０を赤外線撮像装置５で撮像することができる。スリットから照射される赤外線が平行光あるいは集束光であると、被検査体表面にスリットの像１０を映すことができない。

被検査体表面２１が平面である場合、直線状の形状を有するスリットの像１０は、被検査体表面２１に同じく直線状の形状として映り、そのままの姿で撮像装置５によって撮像される。これに対し、図１に示すように被検査体表面２１のスリットの像が映る位置に微小凹凸１５が存在する場合には、この微小凹凸１５によって光の反射方向が乱されるため、微小凹凸の位置において像の形状も乱れ、図１（ｂ）に示すように直線形状からずれた形状で観察されることとなる。具体的には、細線状のスリットの像１０が微小凹凸１５の位置において広がったり（図３（ａ））、当該位置において一方の側に曲がって見えたり（図３（ｂ））、あるいは当該位置において像が消滅したり（図３（ｃ））する。従って、被検査体表面に映るスリットの像１０を赤外線撮像装置５によって撮像し、その形状を観察することにより、被検査体表面の微小凹凸１５の有無を検査できることとなる。

微小凹凸１５の位置におけるスリットの像１０の歪みは、微小凹凸部の傾斜が大きくなるほど大きくなる。また、微小凹凸部の傾斜が同じであれば、被検査体表面２１と赤外線撮像装置５との距離が遠くなるほど大きくなる。従って、赤外線撮像装置５の位置を被検査体表面２１から遠ざけることにより、よりわずかな微小凹凸を観察することが可能になる。例えば、微小凹凸部の表面傾斜が１ｍｍ当たり５μｍであり、被検査体表面から撮像装置までの距離を６００ｍｍとした場合、被検査体表面に映るスリットの像は微小凹凸部において約６ｍｍ歪むこととなる。

被検査体表面２１付近における反射ボックス表面のスリットの配置位置としては、図１に示すようにスリット３を被検査体表面２１の垂直面上に配置することとしても、あるいは図６に示すようにスリット３を被検査体表面２１に対して平行に配置することとしてもよい。

魔鏡現象を利用する従来の微小凹凸検出方法においては、光源として平行光または集束光を用い、被検査体表面で反射する光を一度スクリーンに結像させ、その結像した像を間接的に撮像装置で撮像して観察することが必要であった。本発明においては、スクリーンに像を結像させることなく、被検査体表面に映る像を直接撮像装置によって撮像することが可能であり、そのため装置構成がシンプルになり小型化できる。さらに、スクリーンを常に光学的に清浄に保つ維持管理が不要になることも工業的には大きなメリットである。

被検査体表面２１の微小凹凸のうち、検出できるのは線状のスリットの像１０が映っている線状の領域に存在する凹凸のみである。本発明においては、図１に示すように線状の形状を有するスリットを多数並列に並べることにより、被検査体表面２１の広い領域においてスリットの像１０が映ることとなり、当該広い領域のいずれかに存在する微小凹凸１５を検出することが可能になる。隣り合うスリット３の間隔を、被検査体表面における微小凹凸１５の大きさと同等あるいはそれ以下の広さとすれば、検査対象面に存在する微小凹凸１５をもれなく検出することが可能となる。検査対象の微小凹凸１５が鋼板表面の押し疵である場合には、隣り合うスリット３の間隔を数ｍｍ程度とすることにより、適切な検査を行うことが可能である。多数のスリット３を並列に並べるに際し、個々のスリットの配置方向としては、図１に示すように被検査体表面２１の垂直面上に配置することとしても良く、あるいは図６に示すように被検査体表面２１に平行に配置することとしても良い。

本発明においては、赤外線光源として赤外線をパルス発光するレーザー４を用いる。赤外線光源として例えば赤外線を連続発光する発熱体を用いると、反射ボックス２が加熱されて反射ボックス自体が赤外線を発することとなって好ましくない。それに対し、赤外線をパルス発光するレーザー４を光源として用いれば、発光していない時間に比して発光時間が短く、従って反射ボックス２が赤外線の照射によって温度上昇する程度を非常に低く抑えることができる。また、赤外線レーザーであれば目的とする赤外線以外の熱線を放射することがないので、その点からも反射ボックスの加熱を防止することができる。

赤外線光源として赤外線を連続発光する発熱体を用いると、赤外線強度が弱いので赤外線撮像装置５での露光時間を十分に短い時間とすることができない。そのため、被検査体１が一定速度で移動しているときにその表面凹凸を検査しようとすると、像のぶれを防ぐために被検査体移動速度を遅くすることが必要になる。一方、赤外線光源として赤外線をパルス発光するレーザー４を用いれば、発光時間を短くし、かつ発光中の赤外線強度の強い光を得ることができる。従って、赤外線撮像装置５で像のぶれを発生させずに検査することのできる被検査体最低移動速度が大きいので、被検査体１が高速で移動していても良好な検査を実施することが可能になる。

レーザー４から発したレーザービーム９を反射ボックス２に導入するに際し、図２に示すように集光レンズ８によってレーザービームに広がり角を持たせ、反射ボックス内部の広い範囲に赤外線を広がらせることとすると好ましい。これにより、反射ボックスの内表面７においてあらゆる方向に赤外線を反射させ、散乱・多重反射を繰り返すことによる赤外線の指向性低下の程度を向上させることができる。

反射ボックス２の内表面７は、Ａｕメッキ面とすると好ましい。Ａｕメッキ面は赤外線の反射率が高いので、反射ボックス内で赤外線が多重反射するに際しての減衰を防止することができる。また、反射ボックス２の内表面７で赤外線を乱反射させるため、Ａｕメッキ面は非鏡面とする。波長の長い赤外線を乱反射させるためには、表面の粗度を調整することが必要である。Ａｕメッキ表面を梨地加工した表面とすれば、表面粗度を２０μｍ以上の凹凸を有する非鏡面とすることができ、波長が１０μｍを超える赤外線を用いた場合であっても内表面で乱反射させることが可能になる。反射ボックスの内表面７についてこのような形状を確保することにより、反射ボックス内に入射した赤外線を散乱・多重反射させ、スリット３から放出する赤外線の指向性を低下させて拡散光１４とすることが可能になる。

赤外線レーザーの照射によって反射ボックス２が加熱されると、反射ボックス２自体が赤外線を発することとなるので好ましくない。そのため、反射ボックス２を冷却する機構を設けると好ましい。例えば、反射ボックス２内にガスを吹き込み、ガスによって冷却することができる。レーザービーム９の入射口と反対側の反射ボックス内表面は、レーザー４からのレーザービームが直接照射されるので特に温度が上昇しやすい。そこで、この部分については水冷機構を設けて反射ボックスの内表面を強制冷却することとすると好ましい。

レーザーから入射して反射ボックスの内表面で反射した赤外線をスリットを通して外部に発散させるかわりに、図７に示すように、レーザー４から線状体７に向けて赤外線を照射し、線状体７で反射した赤外線は拡散光となって被検査体１に照射され、被検査体表面２１に映る線状体１７の赤外線像を赤外線撮像装置５で撮像し、該撮像した線状体１７の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を検査することとしてもよい。線状体１７として伸張したワイヤーを用い、多数のワイヤーを並列に並べることとすると好ましい。レーザー照射された赤外線を拡散光として反射する線状体１７は、拡散光を発する上記スリット３と同様に機能し、赤外線撮像装置５によってあたかも線状体１７の虚像１１のように被検査体表面に映る像を撮像することができる。被検査体表面２１に映る線状体１７の像を赤外線撮像装置５で撮像し、該撮像した線状体１７の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を検査することが可能となる。

線状体１７としては、照射されたレーザー光を乱反射して拡散光とする必要があるので、表面が粗面である金ワイヤーあるいは金メッキワイヤーを用いると好ましい。赤外線の照射によって線状体１７が発熱しないように、線状体１７に空気を吹き付けるようにすると良い。レーザー４から発光するレーザービームは、所定のレンズによってビームに拡がりを持たせ、線状体１７の全体に赤外線を照射する。また、線状体１７の周囲を透過した余剰の赤外線ビームについては、反射板１８によって反射させ、余剰の赤外線が被検査体表面に映らないようにする。

本発明で用いるレーザー４としてはパルスＣＯ₂レーザーを用いると好ましい。ＣＯ₂レーザーで発生する光は波長１０．６μｍの赤外線であり、本発明で用いる赤外線として最も好ましい波長を有する。また、ＣＯ₂レーザーをパルス発光させる場合、発光時間を１ｍ秒以下に設定することが可能であり、十分に短時間のパルス発光とすることができる。また、パルス発光時の光量は２５ｍＪ以上とすることができ、十分な光量を確保することができる。

パルスレーザーの発光時間が短時間であれば、被検査体の表面凹凸１５を検査する際に被検査体１の移動速度を増大してもぶれのない明瞭な画像を得ることができるようになる。発光時間を１ｍ秒以下の短時間とすれば、被検査体１の移動速度が５ｍ／秒であっても表面凹凸１５を評価することができる。種々の鋼帯処理ラインにおいて、検査時の鋼帯移動速度を５ｍ／秒まで上げることができれば、そのラインにおける本来の鋼帯移動速度と同じ速度で検査を行うことが可能になる場合が多い。従来のように、本来の鋼帯移動速度よりも遅い速度で検査が行われる場合には、検査は鋼帯の短い部分でのみ行い、とびとびの部位でのみでしか検査ができなかった。本発明では本来の被検査体移動速度と同じ速度で検査を行うことができるので、被検査体１の全長に渡って表面凹凸１５の検査を行うことが可能になる。

レーザー４にて赤外線を短時間のパルス発光させ、赤外線撮像装置５はレーザー４のパルス発光に同期して露光を行うこととすると好ましい。移動する被検査体表面を連続的に検査するに際しては、必要な間隔で連続して静止画を撮像することが必要である。レーザーパルスの発光と赤外線撮像装置５での撮像をともに所定の間隔で行い、両者を同期させることによって、連続的に静止画を撮像することができるようになる。また、赤外線撮像装置５における露光時間が長すぎると、レーザーに起因する赤外線以外の赤外線も感光してしまうので、スリットや線状体の像が不明瞭になることがある。レーザーのパルス発光に同期して短時間露光を行うことにより、レーザーに起因する赤外線のみを露光し、明瞭な像を撮像することが可能になる。

撮像したスリット３や線状体１７の像の形状から微少凹凸１５の発生部を判定する手段としては、スリット等の像の形状が非直線となった被検査体表面部分を微少凹凸発生部と判定すると良い。微小凹凸１５発生部において反射した光に基づく像は、図５（ａ）に示す通り、広がったり、あるいは一方の側に曲がったり、さらには消滅する場合もある。従って、像の形状が非直線となった部分を微小凹凸発生部と判断することが可能となる。以下、スリットの像を撮像する場合を例にとって説明を行う。

微小凹凸１５発生部を判定するための画像処理方法としては、撮像したスリットの像１０の映像信号について直線状のスリット３の長手方向に微分フィルタリングを施し、その後２値化処理を行い、像が消滅した部分は健全部と判定し、像が消滅しなかった部分を微少凹凸発生部と判定することができる。図４（ａ）に示すスリットの像１０について、当該方向に微分フィルタリングを施すと、健全部である直線部については当該方向の輝度変化がないので、微分係数がゼロになるので像が消滅する。一方、微小凹凸発生部で線が歪んだ部位ついては微分係数がたつので、図４（ｂ）に示すように像が残る。その後さらに２値化処理を行えば、微小凹凸発生部のみの像を残すことができる。従って、像が消滅した部分は健全部と判定し、像が消滅しなかった部分を微少凹凸発生部と判定することができる。

本発明の赤外線撮像装置５としては、２次元の赤外カメラを用いることができる。

赤外カメラを用いた赤外線撮像に際しては、ピント合わせのために被写体側の焦点位置調整を行う。ここで被写体側の焦点位置とは、その被写体側の焦点位置から発した光が、赤外線撮像装置５の撮像素子部分でちょうど結像するような位置をいう。赤外線撮像装置５のレンズ位置と撮像素子位置との距離を調整することにより、被写体側の焦点位置を調整することができる。

本発明の赤外カメラを用いた赤外線撮像に際しては、被検査体表面に映るスリットの像１０にピントが合うように被写体側の焦点位置を調整することは当然である。さらに、被検査体表面の微小凹凸有無を明確に検査するためには、被検査体表面の微小凹凸１５部位においてもピントが合うように被写体側の焦点位置を調整することとすると好ましい。被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の双方で赤外線撮像画像のピントが合致するように被写体側の焦点位置を調整することにより、微小凹凸１５を明瞭に識別することが可能になる。被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の両方にピントが合っていないと、両者が一対一に対応しなくなり、微小凹凸を明瞭に検出することができないからである。例えば、被検査体表面に映るスリットの像１０にのみピントが合っている場合には、被検査体表面の微小凹凸の位置では像がぼやけたのと同じ状態であるので、被検査体表面に映るスリットの像の変形が明瞭には起こらないのである。

被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の双方で赤外線撮像画像のピントが合致するとは、言葉を換えれば、被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の双方が赤外線撮像装置５の焦点深度（被写界深度ともいう。）の範囲内に入るということである。

本発明においてピントが合致するとは、被検査体表面の微小凹凸有無を検出することができる程度にピントが合致していることを意味する。

撮像装置レンズによって奥行きのある３次元物体を撮影する場合において、ある距離の物体にピントを合わせてもその前後にある物体についてはピント外れとなり像が劣化する。この劣化の程度が少なくて許容される物体距離の範囲を焦点深度と呼んでいる。

レンズのＦ値（＝焦点距離／レンズ口径）が大きいほど焦点深度も大きくなる。従って、被検査体表面に映るスリットの像と被検査体表面の微少凹凸部位の両方を焦点深度の範囲内に入れることができるよう、レンズのＦ値を選定する。さらに、微小凹凸１５部位とスリットの像１０の双方が焦点深度内に入るように焦点位置を調整することにより、被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の双方で赤外線撮像画像のピントを合致させることができる。

赤外線撮像装置５のレンズのＦ値を上記のように定めるに際しては、レンズ選択時においてレンズの口径が上記Ｆ値を満足する口径を有するものを選択することとしても良い。あるいは、レンズの口径としては上記Ｆ値よりも小さなＦ値を有する口径の大きなレンズを選択し、レンズ内に配設された絞りを調整することにより、レンズの有効口径が上記Ｆ値を満足するように調整することとしても良い。

焦点深度を拡げるためにレンズの有効口径を小さくすると、必然的に集光量が減少することとなる。少ない集光量で赤外線撮像装置５に良好な像を結像させるためには、撮像素子として感度の高い素子を用いる必要が生じるときがある。必要な感度の撮像素子を選択することにより、小さな有効口径のレンズを用いた場合において良好な像を得ることができる。

赤外カメラには、検出波長３〜５μｍ帯と８〜１２μｍ帯のものがある。これら以外の波長帯域では、大気中のＣＯ₂や水蒸気の吸収があり、一般に赤外線観察に適していない。本発明においては検出波長８〜１２μｍ帯のマイクロボロメータ素子の非冷却型赤外カメラが最も適している。当該赤外カメラは、ＩｎＳｂ素子やＰｔＳｉ素子を用いた冷却型の赤外カメラに比較して安価であり、耐用性も優れている。従って、検査装置を安価に提供することが可能になる。また、マイクロボロメータ素子カメラは画素数として３２０×２４０を実現することができ、十分に高解像度の画像を撮像することができる。

前述の通り、帯鋼の通板ラインにおいて帯鋼表面の微小凹凸有無を検査するに際しては、帯鋼の通板速度を低下させずに検査が可能であれば好ましい。上記マイクロボロメータ素子の赤外カメラには高速シャッターが配備されていないが、光源であるパルスレーザーの発光時間を短くすることにより、たとえ被検査体１が高速で移動していてもぶれのない像を撮像することができる。具体的には、微小凹凸検査時に鋼板が検査部を通過する速度が３００ｍ／分程度の高速であっても、マイクロボロメータ素子の赤外カメラを用いても十分に精度の良い検査を行うことができる。この程度の速度で検査を行うことができれば、帯鋼の処理ライン本来の移動速度と同じ速度で凹凸検査を行うことができるので、帯鋼の全長に渡って検査を行い、微少凹凸の発生を直ちに検出してラインを停止し、微少凹凸の発生原因を除去することができる。また、微少凹凸発生部位のみを不良とし、不発生部位は良品とすることができる。これにより、押し疵が発見されたときに格落ちさせるべき帯鋼の長さを短くすることができるので、歩留向上にはたす役割が大きい。

帯鋼の通板ラインにおいて帯鋼表面を被検査体表面２１として微小凹凸有無を検査するにあたり、帯鋼の全幅について微小凹凸有無を検査することが必要である。帯鋼の幅は最大２０００ｍｍを超えることもあるが、スリットの有効幅としてこの帯鋼の全幅をカバーするものを用いることができ、その場合には赤外線撮像装置を１台のみ用いてその１台で同時に全幅を観察することができる。あるいは、図５に示すように、赤外線撮像装置（５ａ〜５ｃ）を帯鋼の幅方向に複数台配置し、幅方向の領域を各撮像装置で分担して撮像することとしても良い。１台の撮像装置が担当する帯鋼の幅を狭くすれば、撮像の解像度を上げることができ、微小凹凸の検出分解能を高めることができる。

反射ボックス表面のスリット３の向きとしては、帯鋼に映るスリット像の線状形状の方向を帯鋼の長手方向に垂直な面上としても、あるいは帯鋼の幅方向としてもいずれでも良い。

赤外線撮像装置５の撮像データに基づいて微小凹凸の有無及びその発生位置を判定する判定装置６としては、パーソナルコンピュータなどの演算処理装置を用いることができる。判定結果に基づいて、微小凹凸の発生位置を被検査体表面の位置と対応させる。帯鋼の通板ラインにおける検査であれば、帯鋼の長手方向及び幅方向の位置と対応させる。これらのデータ処理は、検査装置が有する演算処理装置で行うこととしてもよく、あるいは検査装置が有する演算処理装置から帯鋼の通板装置が有する演算処理装置にデータを転送し、通板装置の演算処理装置において帯鋼の位置と微小凹凸の位置を対応させることとしても良い。

微小凹凸が帯鋼の長手方向に周期的に繰り返し発生し、帯鋼幅方向に発生位置が同一であれば、ロールに起因する押し疵と判定することができる。通板装置の各ロールのロール円周と押し疵の発生間隔とを比較し、押し疵の発生間隔と等しい円周を有するロールに押し疵の原因が存在すると判定することができる。通板装置の演算処理装置においては、これらの判定結果を上位のコンピュータに転送し、あるいはプリンタ、ディスプレイ、音声発生装置などの出力装置に出力することができる。

帯鋼の通板ラインにおける押し疵検査のために、本発明を適用した。帯鋼の幅は１６００ｍｍ、通常位置における通板速度は１５０ｍ／分である。帯鋼表面の粗さはＲａ＝０．７μｍ、Ｒｚ＝７μｍ程度である。帯鋼表面が被検査体表面２１となる。

図５に示すように、表面にスリット３を有する反射ボックス２とパルスＣＯ₂レーザー４を用いて微少凹凸検査装置を構成した。

反射ボックス２は、内表面７をＡｕメッキの梨地処理面とした。表面粗度は２５μｍであった。反射ボックス２の一方の側面にスリット３を形成した。幅０．５ｍｍのスリットを数ｍｍ間隔で並列にかつ直線状に形成した。

パルスＣＯ₂レーザー４からは発光時間０．５ｍ秒、発光周期６０Ｈｚでパルス赤外線が発せられ、レーザー４から発射されたレーザービーム９は反射ボックス２の入射口から反射ボックス内に入る。図２に示すようにレーザービーム９は集光レンズ８を通って広い角度に広がり、反射ボックス内の広い範囲の内表面７に照射され、乱反射と多重反射を繰り返し、最終的にスリット３から拡散光１４として外部に照射される。

赤外線撮像装置５として検出波長８〜１２μｍ帯のマイクロボロメータ素子の非冷却型赤外カメラを用い、図５に示すように赤外カメラを帯鋼の走行方向２２と直角に４台配置し、各カメラで幅方向の検査部位を分担することとした。赤外カメラの配置位置及び撮像方向としては、スリット３から発せられる光が帯鋼表面で反射し、帯鋼表面に映るスリットの像１０を撮像できる位置及び方向に配置した。帯鋼表面の像が映る位置から撮像装置までの距離は概略６００ｍｍとした。

赤外カメラの絞りを調整することによってレンズのＦ値を調整し、被検査体表面に映るスリットの像１０と被検査体表面の微小凹凸１５部位の双方で赤外線撮像画像のピントが合致するように焦点深度を調整した。スリットと鋼帯表面との間隔は５００ｍｍであり、レンズのＦ値が４となるようにレンズ絞りを調整した結果、大きさ３ｍｍの微小凹凸の有無を正確に判定することが可能になった。

赤外線撮像装置５をレーザー４のパルス発光に同期して露光し、スリットの像１０を撮像し、データを判定装置６である検査装置の演算処理装置に転送し、演算処理装置において撮像したスリットの像１０の映像信号について縦方向微分フィルタリングを施し、その後２値化処理を行い、像が消滅した部分は健全部と判定し、像が消滅しなかった部分を微少凹凸発生部と判定することとした。

検査実施にあたっては、検査装置を通過する帯鋼の通板速度を本来の鋼板処理速度と同一の速度である１５０ｍ／分とした。その結果、帯鋼の全長、全幅について微小凹凸の検査が可能となり、帯鋼表面に押し疵が発生している部位については、確実に微小凹凸発生部として判定がくだされ、判定結果は通板装置の演算処理装置に転送され、帯鋼の長手方向及び幅方向の部位と押し疵発生部を対応させることができた。

検査装置の演算処理装置にはプリンタ、表示モニタ、ボイスガイダンス装置が接続され、オペレータの要求に応じて検査結果を出力することができる。

本発明の検査方法を示す図であり、（ａ）は全体斜視図、（ｂ）は被検査体表面に映る像を示す図である。 レーザービームが反射ボックスの内表面で反射を繰り返す様子を示す断面図である。 微小凹凸を有する被検査体表面に映る像を示す図である。 微小凹凸を有する被検査体表面に映る像の画像処理状況を示す図であり、（ａ）は画像処理前、（ｂ）は画像処理後の状況を示す。 本発明の検査方法を示す全体斜視図である。 本発明の検査方法を示す全体斜視図である。 本発明の検査方法を示す全体斜視図である。

符号の説明

１ 被検査体
２ 反射ボックス
３ スリット
４ レーザー
５ 赤外線撮像装置
６ 判定装置
７ 内表面
８ 集光レンズ
９ レーザービーム
１０ スリットの像
１１ 虚像
１２ 光路
１３ データ処理後の像
１４ 拡散光
１５ 微小凹凸
１７ 線状体
１８ 反射板
２１ 被検査体表面
２２ 走行方向

Claims (14)

1. 赤外線をパルス発光するレーザーから反射ボックス内に赤外線を照射し、反射ボックスはその内表面で赤外線を反射し、反射ボックスはその表面にスリットを有し、反射ボックスの内表面で反射した赤外線はスリットを通して外部に発散し、反射ボックスを被検査体付近に配置し、被検査体表面に映るスリットの像を赤外線撮像装置で撮像し、該撮像したスリットの像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を検査することを特徴とする表面凹凸の検査方法。
2. 前記反射ボックスの内表面の一部又は全部は非鏡面のＡｕメッキ面であることを特徴とする請求項１に記載の表面凹凸の検査方法。
3. 被検査体付近に配置した線状体に対してレーザーから赤外線をパルス発光させて照射し、被検査体表面に映る線状体の像を赤外線撮像装置で撮像し、該撮像した線状体の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を検査することを特徴とする表面凹凸の検査方法。
4. 前記レーザーはパルスＣＯ₂レーザーであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
5. 前記赤外線撮像装置はレーザーのパルス発光に同期して露光を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
6. 前記撮像したスリット又は線状体の像の形状が非直線となった被検査体表面部分を微少凹凸発生部と判定することを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
7. 被検査体は、非鏡面の表面を有する鋼板であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の表面凹凸の検査方法。
8. 赤外線をパルス発光するレーザーと、表面にスリットを有する反射ボックスと、赤外線撮像装置と、判定装置とを有し、前記レーザーは反射ボックス内に赤外線を照射し、反射ボックスの内表面は赤外線を反射し、反射した赤外線はスリットを通して外部に放出され、前記赤外線撮像装置は被検査体表面に映る反射ボックスのスリットの像を撮像し、前記判定装置は赤外線撮像装置で撮像したスリットの像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を判定することを特徴とする表面凹凸の検査装置。
9. 前記反射ボックスの内表面の一部又は全部は非鏡面のＡｕメッキ面であることを特徴とする請求項８に記載の表面形状の検査装置。
10. 赤外線をパルス発光するレーザーと、被検査体付近に配置した線状体と、赤外線撮像装置と、判定装置とを有し、前記レーザーは線状体に赤外線を照射し、前記赤外線撮像装置は被検査体表面に映る線状体の像を撮像し、前記判定装置は赤外線撮像装置で撮像した線状体の像の形状に基づいて被検査体表面の微少凹凸の有無を判定することを特徴とする表面凹凸の検査装置。
11. 前記レーザーはパルスＣＯ₂レーザーであることを特徴とする請求項８乃至１０のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
12. 前記赤外線撮像装置はレーザーのパルス発光に同期して露光を行うことを特徴とする請求項８乃至１１のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
13. 前記判定装置は、前記撮像したスリット又は線状体の像の形状が非直線となった被検査体表面部分を微少凹凸発生部と判定することを特徴とする請求項８乃至１２のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。
14. 前記被検査体は非鏡面の表面を有する帯鋼であり、帯鋼の通板ラインに配置されることを特徴とする請求項８乃至１３のいずれかに記載の表面凹凸の検査装置。

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