JP2023059590A - 金属帯の表面検査装置、表面検査方法、及び製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な装置構成により多種類の表面欠陥を検出及び判別可能な金属帯の表面検査装置及び表面検査方法を提供すること。
【解決手段】本発明に係る金属帯の表面検査装置は、金属帯の表面に２以上の波長の光を選択的に出射する２以上の光源部と、光源部からの出射光による金属帯の反射光を撮像する撮像部と、光源部及び撮像部の動作を制御する制御部と、を備え、制御部は、撮像部の撮像タイミングを制御するスキャン信号に同期させて、光源部が出射する光の波長が互いに異なるように光源部を制御する出射光制御信号を出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、金属帯の表面検査装置、表面検査方法、及び製造方法に関するものである。

薄鋼板等に代表される金属帯は様々な製造工程を経て製品となる。例えば製鋼工程で鋳造されたスラブは、熱間圧延工程によって熱延鋼帯となり、酸洗工程において表面の酸化物が除去された後、所定の板厚まで冷間圧延を行う冷間圧延工程、加工ひずみにより硬質化した金属帯の軟質化を図る焼鈍工程、それに引き続くめっき工程や調質圧延工程等、複数の製造工程を経て製品となる。このように金属帯が複数の製造工程を経て製品となるまでの間には、金属帯が所定の特性や品質を備えているか否かが適宜検査される。これは、最終製品の品質保証を行う目的だけでなく、生産管理の手段として、途中工程において欠陥が検出された場合、その後の製造工程を変更したり、その金属帯の製造を途中で中止したりと、途中段階で金属帯毎に適合性の判断を行うためである。例えば酸洗工程において金属帯に表面欠陥が検出された場合、その欠陥が軽度であれば引き続く冷間圧延工程を実行し、重度の欠陥であれば製造工程を中止してスクラップ処理される場合もある。また、金属帯の先端部又は尾端部のみに表面欠陥が検出された場合には、欠陥が検出された部分を切除し、欠陥が発生していない金属帯の部分のみを下流の製造工程に流す場合もある。金属帯の表面検査は、金属帯の製造工程における複数の工程（例えば焼鈍工程やめっき工程等）で行われることがある。

金属帯の表面欠陥には様々な種類の欠陥が存在するが、製品となる金属帯の用途に応じて追加の処置工程等の要否が決定される。例えば表面欠陥について厳格な品質管理が必要な用途に用いられる金属帯に対しては、表面欠陥の管理基準を厳しく設定し、その後の処置工程において表面欠陥が含まれる部分を除去するケースや、製品としての向け先を変更するケースもある。また、表面欠陥として軽度のものが僅かに含まれる場合には、表面欠陥を含む領域を金属帯から除去することなく、検出した表面欠陥の部分にマーキングを施し、出荷時に通知するような対処を行う場合もある。このように、金属帯の製造工程では、表面欠陥の種類や重度（等級）に応じて処置工程等の対処方針が決定されるため、表面検査装置を用いて金属帯の表面に存在する表面欠陥の種類や重度を判別し、オンラインでそれらを分類していくことが重要となる。

このような課題に対して、従来から表面欠陥を検出し判別するための方法が提案されてきた。例えば特許文献１には、金属帯表面に向けて光を照射する光源と、金属帯表面からの反射光の正反射成分を検出する光電変換器と、乱反射成分を検出する光電変換器と、を設置し、金属帯表面の凹凸状態に起因して正反射成分と乱反射成分との比率が変化するという特性に基づき凹凸を持つ欠陥の検出感度を向上させる方法が記載されている。また、特許文献２には、検査対象物に対して波長の異なる単色光を相異なる方向から照射し、検査対象物からの反射光を赤色、緑色、及び青色の３原色に分光し、分光された各波長成分の受光強度レベルから金属帯の表面欠陥を判別する方法が記載されている。また、特許文献２には、この方法によれば、表面疵のような局所的な凹凸状の形態だけでなく色ムラも検出できると記載されている。

さらに、特許文献３には、光の３原色に対応するレーザー光を相異なる角度から金属帯に照射し、各色に対応する撮像用カメラによってそれぞれの色の反射光を撮像する表面欠陥検査装置が記載されている。また、特許文献３には、乱反射光による画像を得るために、一般光をレーザー光に合成させた合成光を用いる装置が記載されている。一方、特許文献４には、複数の白色光源に対して、白色光源から受光部に至る光路にＲＧＢの色毎に波長領域を２以上に分割するフィルタ装置を設け、フィルタ装置がＲＧＢの色毎にそれぞれ分割された波長領域のうち、それぞれ異なる波長領域が透過・遮断されるように構成された表面検査装置が記載されている。この装置によれば、金属帯表面の同一位置に対して複数の光源から光を照射した場合でも、それぞれの光源から照射された光が互いに干渉されることなく撮像できるため、複数の光源からの反射像を複数取得することができる。

特開平５－１８８０１０号公報 特開平４－１１３２６０号公報 特開２００３－１２１３７１号公報 特開２０１８－１０５６３１号公報

しかしながら、上記の従来技術には以下のような課題がある。まず、特許文献１に記載の方法は、金属帯表面で反射した光の正反射成分と乱反射成分との比率により、金属帯の表面にある凹凸状欠陥の検出感度を向上させるものであるが、検出対象となる表面欠陥は凹凸状欠陥に限定され、多種類の欠陥を検出することが難しい。

また、特許文献２に記載の方法は、表面欠陥に応じて乱反射強度が異なるという特性を利用して、波長の異なる単色光を相異なる方向から照射することにより表面欠陥を検出するものであるが、選択できる光源部の配置や光の波長が限定されるため、検出できる表面欠陥の種類も限定される。

また、特許文献３に記載の装置は、光の３原色に対応するレーザー光と、それぞれの光の波長に対応した正反射光を検出する複数の撮像装置を用いるものである。しかしながら、レーザー光は直線性に優れるため正反射光を検出するには有利ではあるが、乱反射光の情報に基づいて欠陥を検出し判別することが困難となる場合がある。また、特許文献３には、一般光をレーザー光に合成させた合成光を用いる装置が記載されているが、その場合には合成光を生成するための装置が大掛かりとなり、表面検査装置が大型化し、装置が高価になる。

また、特許文献４に記載の装置によれば、白色光を用いて光の波長領域を区分することにより、それぞれの波長領域に対応した表面欠陥の情報を取得できるものの、所定の波長領域の範囲内とはいえ、厳密には同一波長の光を異なる角度から入射することにはならないため、多種類の表面欠陥の検出及び判別には改善の余地がある。

本発明は、以上の問題を解決すべくなされたものであり、その目的は、簡易な装置構成により多種類の表面欠陥を検出及び判別可能な金属帯の表面検査装置及び表面検査方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、金属帯の製造歩留まりを向上させることが可能な金属帯の製造方法を提供することにある。

本発明に係る金属帯の表面検査装置は、金属帯の表面に２以上の波長の光を選択的に出射する２以上の光源部と、前記光源部からの出射光による前記金属帯の反射光を撮像する撮像部と、前記光源部及び前記撮像部の動作を制御する制御部と、を備え、前記制御部は、前記撮像部の撮像タイミングを制御するスキャン信号に同期させて、前記光源部が出射する光の波長が互いに異なるように前記光源部を制御する出射光制御信号を出力する。

前記撮像部は、前記光源部から出射される前記２以上の波長の光を識別可能なセンサ部を備えるとよい。

前記光源部はそれぞれＲＧＢに対応する波長の光を出射する３つの光源部を備えるとよい。

前記光源部は、いずれもライン状光源を出射するライン光源であって、前記光源部からの出射光はいずれも前記金属帯の表面の同一箇所に照射されるとよい。

前記金属帯の表面欠陥を判別する表面欠陥判別部を備え、前記表面欠陥判別部は、前記撮像部が撮像した画像データを取得する画像データ取得部と、前記光源部が出射する光の波長を一巡させる出射光サイクル毎に前記制御部が出力する信号を取得する出射光サイクル信号取得部と、前記出射光サイクル信号取得部が取得した信号に従って、前記出射光サイクル毎に前記画像データ取得部が取得した画像データに基づいて前記金属帯の表面欠陥を判定する欠陥判定部と、を備えるとよい。

本発明に係る金属帯の表面検査方法は、本発明に係る金属帯の表面検査装置を用いて、金属帯の表面欠陥を判別するステップを含む。

本発明に係る金属帯の製造方法は、本発明に係る金属帯の表面検査方法を用いて金属帯の表面欠陥の判別を行いながら金属帯を製造するステップを含む。

本発明に係る金属帯の表面検査装置及び表面検査方法によれば、簡易な装置構成により多種類の表面欠陥を検出及び判別することができる。また、本発明に係る金属帯の製造方法によれば、金属帯の製造歩留まりを向上させることができる。

図１は、本発明の一実施形態である表面検査装置の構成を示す図である。 図２は、光源部が出射する光の変化を示す模式図である。 図３は、光源部及び撮像部の時系列の動作を示す模式図である。 図４は、同軸落射照明方式の光学系を示す模式図である。 図５は、欠陥情報処理の一例を説明するための図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である金属帯の表面検査装置、表面検査方法、及び製造方法について説明する。

〔検査対象〕
本発明の一実施形態である金属帯の表面検査装置及び表面検査方法は、薄鋼板の製造工程における熱間圧延工程以降の任意の工程での薄鋼板を表面欠陥の検査対象とする。なお、少なくとも熱間圧延工程以降では、薄鋼板はコイル状に巻かれてから処理されるので、本実施形態では当該薄鋼板を「金属帯」と記載する。但し、薄鋼板のような金属帯だけでなく、厚鋼板等のシートの状態で処理が行われる金属帯にも適用できる。また、金属帯は鉄鋼材料に限定されることはなく、アルミニウムや銅等を含む金属帯も対象となる。また、表面欠陥の検査は、熱間圧延工程、酸洗工程、冷間圧延工程、焼鈍工程、めっき工程、調質圧延工程の各工程の設備における入側から出側にかけての任意の位置で行うことができる。また、金属帯の品質保証を行う最終検査工程において行うこともできる。

本実施形態の表面検査装置による検査対象となる表面欠陥は、凹凸状欠陥及び模様状欠陥と呼ばれる２つの種類に大別できる。凹凸状欠陥は、凹部や凸部、又は複数の凹凸形状から構成される形態の欠陥であり、目視により凹凸形状をある程度認識できるものをいう。具体的には、凹凸状欠陥は、金属帯の表面からみて直径０．１ｍｍ以上の円状、楕円状、筋状又は不規則形状の欠陥であり、その凹み部の深さ（又は凸部の高さ）は、概ね５～１０００μｍ程度のものをいう。慣用的には凹凸状欠陥はさらに細かく種類分けされ、デンツ、ダルハゲ、圧着疵、掻き疵、ヘゲ疵等と呼ばれることもある。デンツとは、金属帯が何らかの固い異物をライン通板途中で巻き込んだ際に生成される噛跡状の凹み欠陥をいう。ダルハゲとは、ダル加工を施した圧延ロールによる圧延工程（冷間圧延工程や調質圧延工程）において、金属帯の一部に圧延ロールの凹凸（ダル目）が転写されない部分が生じる欠陥である。ダルハゲは圧延ロールの摩耗や圧延ロールへの異物の付着等が原因で生じる。圧着疵とは、コイルの状態で金属帯に対してバッチ焼鈍を行う際、コイルの層間の一部が凝着し、その凝着部が引き剥がされることで生じる欠陥である。掻き疵とは、金属帯が設備部品等の異物と接触して、金属帯の表面に摺動痕として観察される欠陥である。ヘゲ疵とは、金属帯の内部介在物等により表面の剥離が生じたことによりラップ状に形成された欠陥である。掻き疵やヘゲ疵は、金属帯の長手方向に連続的又は断続的に延伸した欠陥として観察される場合が多い。

一方、模様状欠陥は、金属帯の表面に不均一な色調として、目視により認識できる欠陥である。模様状欠陥であっても、微視的に観察すると微細な凹凸から形成されている場合がある。ここでは、模様状欠陥とは、凹凸の高さが５μｍ未満のものを指す。例えば、金属帯の表面にめっき処理を施したとき、めっき皮膜の金属粒子の析出状態が他の部分と異なるために模様状欠陥として認識される場合がある。このように析出した粒子による微細な凹凸は、特定の波長以下（例えば６００ｎｍ以下）の光を散乱させ、見る角度によって褐色に色付いた欠陥（褐色模様）として観察される。模様状欠陥の発生原因としては、数多くのものが挙げられる。例えば錆模様、スケール模様、褐色模様、テンパーカラー、汚れ等と呼ばれることがある。錆模様とは、金属帯表面の一部が酸化し、圧延工程や通板過程において、凹凸形状としては金属帯の他の部分と判別ができないものの、金属帯の表面に錆色の（色調が他の領域と異なる）模様を形成しているものをいう。テンパーカラーとは、金属帯の焼鈍時に表面の酸化膜の厚みが部分的に変化し、酸化膜の表面と金属帯の地肌との間で発生する干渉色が金属帯の面内の場所によって異なることが原因とされる。なお、模様状欠陥が呈する色は、金属帯の表面で光が反射する際の干渉色により発生するものもあり、欠陥の種類によって模様状欠陥が呈する色調が異なる。以上のような、凹凸状欠陥及び模様状欠陥についての欠陥の種類分けは、金属帯の製造ライン毎に予め設定されており、通常は検査担当者の目視によって欠陥の特徴が判別され、各製造ラインで管理されている。

なお、上記の凹凸状欠陥と模様状欠陥の分類は、人の視覚によってどのように認識されるかという違いによる分類である。従って、幾何学的な凹凸でも、それが大きければ凹凸状欠陥と判定され、小さければ模様状欠陥として判定される場合があって、それらの相違は便宜的なものともいえる。本明細書中では、金属帯の表面に存在する凹凸の起伏の高さ（振幅）が５μｍ以上であれば凹凸状欠陥、凹凸の起伏の高さ（振幅）が５μｍ未満である、又は、凹凸によるものではなく、光の干渉等により色調や明度差によってのみ観察されるものを模様状欠陥と呼ぶ。

〔構成〕
本実施形態の表面検査装置の構成を図１に示す。図１に示すように、本実施形態の表面検査装置１は、金属帯Ｓに向けて光を出射する複数の光源部２ａ～２ｃと、出射光が金属帯Ｓの表面で反射した反射光を撮像する撮像部３と、複数の光源部２ａ～２ｃ及び撮像部３の動作を制御する制御部４と、を備えている。複数の光源部２ａ～２ｃは、複数の波長帯における光を選択的に出射するものであり、金属帯Ｓの表面における検査位置に向けて任意の角度で配置してよい。撮像部３は、制御部４からのスキャン信号を受けて金属帯Ｓの表面における検査位置を含む画像データを取得する。制御部４は、撮像部３が画像データを取得するタイミングを制御するスキャン信号を出力する。また、制御部４は、スキャン信号に同期させて複数の光源部２ａ～２ｃが出射する光の波長を切り替えるように各光源部に対して出射光制御信号を出力する。出射光制御信号は、それぞれの光源部が出射する光の波長を特定する信号でもあり、出射する光の波長がそれぞれ異なるように複数の光源部２ａ～２ｃを制御する。

図１に示す表面検査装置１では、光源部２ａ～２ｃは金属帯Ｓの表面に対する出射光の入射角がそれぞれα，β，γというように異なるように配置されており、それぞれの光源部から金属帯Ｓの表面の検査位置に向けて異なる波長の光が出射される。いずれの光源部もＲＧＢの波長帯から選択された波長の光を選択的に出射する機能を備え、制御部４からの出射光制御信号により、いずれの波長帯の光を出射するかが決定される。また、光源部２ａ～２ｃから出射される光の波長はそれぞれ互いに異なる波長のものが選択されるように、制御部４が出射光制御信号を出力する。すなわち、任意のタイミングでは、光源部２ａ～２ｃはＲＧＢの波長帯から選択された異なる波長の光を出射している状態となる。図１に示す構成例では、光源部２ａがＲの波長帯の光を出射し、光源部２ｂがＧの波長帯の光を出射し、光源部２ｃがＢの波長帯の光を出射している。

本実施形態における光源部２ａ～２ｃは、２以上の波長の光を選択的に出射するものであり、波長帯の異なる複数の光を出射することが可能な光源である。異なる波長帯とは、光のスペクトル分布（分光分布）が互いに異なることをいう。但し、スペクトル分布の一部が重複していてもよく、スペクトル分布のピークの波長が異なればよい。また、撮像部３は、１回の撮像により取得した画像データから異なる波長帯の光に対応した複数の画像を分離するため、光源部２ａ～２ｃが出射する光のスペクトル分布のピーク波長は少なくとも５０ｎｍ以上離れていることが好ましい。より好ましくは１００ｎｍ以上である。

光源部２ａ～２ｃが出射する光として可視光を選択する場合には、紫色（波長域が３８０～４３０ｎｍの光）、藍色（波長域が４３０～４６０ｎｍの光）、青色（波長域が４６０～５００ｎｍの光）、緑色（波長域が５００～５７０ｎｍの光）、黄色（波長域が５７０～５９０ｎｍの光）、橙色（波長域が５９０～６１０ｎｍの光）、赤色（波長域が６１０～７８０ｎｍの光）等から任意に選択した波長を用いればよい。光源部２ａ～２ｃのより好ましい形態は、ＲＧＢの３波長を独立に調光可能なＬＥＤ照明である。例えば株式会社アイテックシステム製のＲＧＢ高輝度ライン照明等を用いることができる。なお、光源部２ａ～２ｃから出射する光は必ずしも可視光に限定されない。赤外線（ＩＲ）や紫外線（ＵＶ）等を選択的に出射する光源部であってよい。但し、撮像部３がそれらの波長帯の光を受光した画像を撮像できるものであることが必要である。

撮像部３は、光源部２ａ～２ｃから出射された光が金属帯Ｓの表面に照射される照射位置（検査位置）の画像を撮像するように配置される。撮像部３は２次元カメラであってもラインカメラであってもよい。光源部２ａ～２ｃから出射され金属帯Ｓの表面の検査位置で反射する光を撮像できればよい。撮像部３としては固体撮像素子（ＣＣＤ、ＣＭＯＳ）を用いたカラーカメラを適用するのが好ましい。固体撮像素子は２以上の波長の光を識別可能なセンサ部を備え、撮像した画像をＲＧＢの３チャンネルの画像に分解できる。固体撮像素子による色分解の方式は多板方式であっても単板方式であってもよい。撮像した画像に対して、固体撮像素子により色分解された画像がそれぞれ電気信号に変換されて取得されるものであればよい。なお、撮像部３は、ＲＧＢの光を受光する受光部としてＳｉフォトダイオードを用いたＲＧＢカラーセンサを単数又は複数配置した構成としてもよい。例えば浜松ホトニクス株式会社製のＲＧＢカラーセンサを用いることができる。但し、撮像部３はカラーカメラに限定されず、同一の位置（図１に示す例では受光角θの位置）に複数のモノクロカメラを設置し、それぞれのカメラには光源部２ａ～２ｃから出射される光の波長を選択的に透過させるフィルタ部を設けたものを用いてもよい。これにより、撮像部３は、複数のカメラにより光源部２ａ～２ｃから出射する複数の波長の光に対応した画像を取得できる。

撮像部３としては、光源部２ａ～２ｃが出射する光のピーク波長と、撮像部３のセンサ部が有する透過波長とが合致しているものを用いるのが好ましい。また、撮像部３のセンサ部を構成する各波長の光を受光するセンサは互いに透過波長について重複がないことが好ましい。但し、透過波長について一部重複領域があっても、透過光の光量に対して１０％以下の重複であれば許容できる。

以上のような構成を有する光源部２ａ～２ｃ及び撮像部３により、光源部２ａによる入射角αのＲの波長帯の光の反射像と、光源部２ｂによる入射角βのＧの波長帯の光の反射像と、光源部２ｃによる入射角γのＢの波長帯の光の反射像とが、撮像部３により取得される。また、撮像部３は固体撮像素子により撮像した画像をＲＧＢの３チャンネルの画像に分解して取得する。但し、撮像部３としてモノクロカメラを用いる場合には、３台のモノクロカメラに対してＲＧＢのいずれかの波長帯の光のみを透過させるフィルタ部を設けることにより、ＲＧＢの波長帯の反射像をそれぞれ取得する。これにより、撮像部３は３つの異なる入射角からのそれぞれ異なる波長帯の光に対応した反射像を計３つ取得できる。このようにして複数の波長の光が複数の入射角から入射され金属帯Ｓの表面で反射した反射像を撮像部３において複数取得することになり、複数の種類の表面欠陥を検出及び判別することが可能になる。

〔光源部からの出射光の切り替え〕
制御部４は、撮像部３に対してスキャン信号を出力するタイミングに同期して、光源部２ａ～２ｃに対して、それぞれの光源部から出射される光の波長が互いに異なるように制御する出射光制御信号を出力する。撮像部３は、制御部４から出力されたスキャン信号に従って金属帯Ｓからの反射光を撮像する。光源部２ａ～２ｃは、制御部４から出力された出射光制御信号に従って所定の波長の光を出射する。この場合、制御部４において光源部２ａ～２ｃが出射する光の波長が予め設定された順番で更新されるようにプログラムされている場合には、出射光制御信号は、それぞれの光源部から出射する光の波長を特定する信号である必要はなく、予め設定された順番で光源部２ａ～２ｃから出射する光の波長を切り替えるための信号であってよい。

図２（ａ）～（ｃ）は、光源部２ａ～２ｃが出射する光の変化を模式的に示したものである。図２（ａ）に示すＳｃａｎ１は、光源部２ａからはＲの波長の光、光源部２ｂからはＧの波長の光、光源部２ｃからはＢの波長の光を出射している状態を表しており、このＳｃａｎ１のタイミングで撮像部３は金属帯Ｓの表面の反射光の画像データを取得する。次に、制御部４が生成するスキャン信号により図２（ｂ）に示すＳｃａｎ２の状態に遷移する。Ｓｃａｎ２は、制御部４のスキャン信号に従って出射光制御信号が生成され、予め設定された順番で光源部２ａ～２ｃの出射光の波長を切り替えた状態である。図２（ｂ）に示す例では、光源部２ａの出射光はＢの波長の光、光源部２ｂの出射光はＲの波長の光、光源部２ｃの出射光はＧの波長の光に切り替えられている。そして、Ｓｃａｎ２のタイミングで改めて撮像部３が金属帯Ｓの表面の反射光の画像データを取得する。さらに、制御部４が生成する次のスキャン信号により図２（ｃ）に示すＳｃａｎ３の状態に遷移する。Ｓｃａｎ３の状態では、光源部２ａの出射光はＧの波長の光、光源部２ｂの出射光はＢの波長の光、光源部２ｃの出射光はＲの波長の光に切り替えられている。Ｓｃａｎ３の状態でも、上記と同様に撮像部３が金属帯Ｓの表面の反射光の画像データを取得する。

本実施形態では、各光源部が出射する光の波長が順次更新され、それが一巡することを「出射光サイクル」と呼ぶ。１回の出射光サイクルが完了すると、光源部の数（光源部の位置）×出射光の波長の数に対応した金属帯表面の反射光の画像データが取得される。例えば、図２（ａ）～（ｃ）に示すＳｃａｎ１からＳｃａｎ３までを１回の出射光サイクルとしてその出射光サイクルが完了すると、光源部の数３×出射光の波長の数３＝９種類の画像が取得されることになる。これにより、以下の表１に示すように、光源部の位置と出射する光の波長の全ての組合せについて、金属帯表面の反射光の画像データが取得されることになり、多種類の表面欠陥を検出することが可能となる。なお、光源部の数と光源部から出射される光の波長の数が同数である必要はなく、光源部の数よりも光源部から出射される光の波長の数の方が多くてもよい。

〔スキャン信号〕
制御部４が出力するスキャン信号は、予め設定された時間間隔で出力されるパルス信号でよい。パルス信号の時間間隔は任意に設定されたものでよく、予め制御部４に設定値が記憶される。また、スキャン信号を出力する時間間隔は、撮像部３のスキャンレートに合致するように設定するのが好ましい。撮像部３のスキャンレートに同期させて光源部２ａ～２ｃからの出射光の切り替えを行うことにより、一定時間内で多くの画像データを取得できるからである。一方、制御部４が出力するスキャン信号は、金属帯Ｓの表面検査の過程では必ずしも一定の時間間隔である必要はない。例えば金属帯Ｓの搬送速度に同期させて、金属帯Ｓの搬送速度と逆比例する時間間隔でパルス信号を出力してもよい。この場合、金属帯Ｓの搬送速度が速い場合は、撮像部３は長い時間間隔で画像データを取得し、搬送速度が遅い場合には、短い時間間隔で画像データを取得することになる。これにより、金属帯Ｓの長手方向に対して等間隔で画像データを取得することができる。具体的には、金属帯Ｓの搬送設備に設置した搬送速度計測手段が金属帯Ｓの一定の進行距離毎にＰＬＧ信号を制御部４に出力し、制御部４は取得したＰＬＧ信号をスキャン信号として光源部２ａ～２ｃ及び撮像部３に出力するようにしてもよい。

本実施形態では、光源部からの入射角と使用する光の波長の組合せに基づいて多数の画像を取得することにより多様な表面欠陥を検出するものであるから、光源部の数と光源部から出射する光の波長の数が多いほど、表面欠陥に関する詳細な情報を取得できる。但し、この場合、１回の出射光サイクルが完了するまでに撮像部３が実行するスキャン数も多くなり、表面欠陥に関する複数の画像を取得するのに一定の時間を要する。これにより、検査対象の金属帯Ｓが高速で搬送される状態では、撮像部３のスキャン毎に取得される画像の位置が少しずつずれた状態となり得る。そのため、金属帯Ｓの同一箇所に対して詳細な画像情報を取得するためには、撮像部３のスキャン信号の時間間隔を短くすると共に、光源部の数と光源部から出射する光の波長の数をある程度限定するのが好ましい。

このような観点から、撮像部３としてラインスキャンカメラを用いる場合には、スキャンレートが１０ＭＨｚ以上のものを用いるのが好ましく、ラインスキャンカメラのスキャンレートに合わせてスキャン信号の周波数を決定すればよい。ラインスキャンカメラを用いる場合には、撮像部３が１スキャンあたりに取得する画像は金属帯Ｓの搬送方向については線状の情報であるが、スキャンレートが高い場合には１回の出射光サイクルの間に取得する複数の画像は、概ね同一箇所の画像情報とみなしてよい。具体的には、図２（ａ）～（ｃ）に示すように３つの光源部と３つの波長の光を用いて３回のスキャンを実行する場合において、金属帯Ｓの搬送速度が５０～２０００ｍ／ｍｉｎで表面検査を実行する際には、ラインスキャンカメラのスキャンレートが１０～６４０ＭＨｚであれば、１回の出射光サイクルで取得される９種類の画像は、同一箇所の画像情報を取得したものとみなしてよい。ライン速度に対してスキャンレートが十分に高いからである。

一方、撮像部３として２次元カメラを用いる場合のスキャンレートは５０～６０Ｈｚ程度とするとよい。但し、検査ラインにおける金属帯Ｓのライン速度（検査対象物の移動速度）が１５０ｍ／ｍｉｎを超える場合には、撮像部３としてハイスピードカメラを用いるのが好ましい。その場合のスキャンレートは５０～２０００ｋＨｚ程度とするとよい。２次元カメラを用いる場合に、金属帯Ｓの進行方向に対しても一定の範囲が撮像された画像を取得できるので、スキャンタイミングが遷移する間に検査対象となる金属帯Ｓが移動しても、１回の出射光サイクルの間では同一の箇所を含む画像を取得できる。従って、撮像部３に２次元カメラを用いる場合には、ラインスキャンカメラの場合ほどスキャンレートが大きなものを用いる必要はない。なお、１回の出射光サイクルの間に取得した複数の画像データは、後述する表面欠陥判別部５において、金属帯Ｓの同一位置の画像データとなるように位置補正を行うのが好ましい。

図３（ａ）～（ｆ）は、光源部及び撮像部の時系列の動作を模式的に示したものである。なお、制御部４が生成するスキャン信号は、撮像部３のスキャンレートに合わせて設定している。また、この例は３つの光源部からＲＧＢの波長帯の光が選択的に出射されるものとして、撮像部３が備える３つの波長の光を識別可能なセンサ部をそれぞれセンサＲ、センサＧ、センサＢとしている。このとき、制御部４は、設定されたスキャンレートでスキャン信号を生成し、撮像部３にスキャン信号を出力すると同時に、光源部２ａ～２ｃに対して出射光制御信号を出力する。出射光制御信号は、光源部２ａ～２ｃに対して、ＲＧＢの波長から互いに異なる波長の光を予め設定された順番で出射するように設定されたものとなる。光源部２ａ～２ｃが出射光の切り替えを行うためには一定の切替応答時間（この場合には５０～１００ｎｓ）を要するため、撮像部３はスキャン信号を取得した後に予め設定された時間遅れをもってセンサ部が画像データを取得する露光タイミングが設定されている。そして、光源部２ａ～２ｃから出射される光としてＲＧＢの切り替えが一巡する出射光サイクルが完了すると、撮像部３は３つの光源部２ａ～２ｃと３つの波長の光に対応した９つの画像データを取得することになり、このような出射光サイクルを繰り返すことにより、金属帯Ｓの長手方向に対して連続的な表面検査が可能となる。

〔ライン状光源〕
光源部２ａ～２ｃは、金属帯Ｓの表面にライン状に光を照射するライン状光源であることが好ましい。また、光源部２ａ～２ｃからのライン状光源は、金属帯Ｓの表面に照射する場合、直線状に照射される照射部が金属帯Ｓの搬送方向に対して直交するように配置することが好ましい。金属帯Ｓを搬送しながら表面欠陥の検出を行う場合に、金属帯Ｓの幅方向にライン状の光を照射してその反射光を撮像部３で検出することにより、金属帯Ｓの幅方向の任意の位置にある表面欠陥を検出できる。ライン状光源とは、線光源に限定されず、金属帯Ｓに対して長方形の範囲に光を照射する光源であって、１辺の方向の照射範囲が他辺の照射範囲よりも１０倍以上長い光源をいう。本実施形態では、長方形の照射範囲の長辺の方向を少なくとも金属帯Ｓの幅方向より長い範囲として光を照射するのが好ましい。また、複数の光源部２ａ～２ｃからの出射光は、金属帯Ｓの表面の同一箇所に照射するのがよい。但し、複数の光源部２ａ～２ｃからの出射光の照射範囲が金属帯Ｓの表面で完全に一致している必要はない。各光源部による照射範囲の一部に重ならない領域があっても構わない。照射光が重なる領域では上記態様での表面欠陥検査が可能だからである。

〔光源部と撮像部の配置〕
光源部２ａ～２ｃと撮像部３の位置関係については、金属帯Ｓの表面で反射した光源部２ａ～２ｃからの光を撮像部３が受光できる位置にあれば、任意の配置を選択することができる。例えば撮像部３はいずれかの光源部から出射される光の正反射光を受光する位置に配置することができ、他の光源部からは乱反射光を受光する位置に配置してよい。金属帯表面の正反射光により表面の凹凸状欠陥の検出が容易になると共に、乱反射光により模様状欠陥の検出が容易になるからである。その場合、光源部から赤色の光が出射され、金属帯Ｓの正反射光として撮像部３が撮像した画像データからは、凹凸状欠陥の特定が容易になる。また、撮像部３が乱反射光を受光する位置関係にある光源部から青色の光が出射され、金属帯Ｓの乱反射光を受光した撮像部３が取得する画像データからは、錆模様等の模様状欠陥の検出が容易になる。本実施形態は、このような光源部２ａ～２ｃと撮像部３の位置関係に加えて、種々の光の波長による反射像が取得されるので、模様状欠陥として異なる色調の表面欠陥に対しても検出感度が向上する。

図１に示す３つの光源部２ａ～２ｃを備える場合の好ましい配置について説明する。撮像部３は光源部２ａ～２ｃから選択した１つの光源部（図１では光源部２ａ）から出射する光の正反射光を受光するように、入射角α＝θとなるように配置する。他の光源部として、光源部２ｂは正反射光の光源部２ａと同一象限の位置から光源部２ａとは異なる角度から出射し、撮像部３でその乱反射光を受光するように、β≠θとなるように配置する（前方散乱の配置）。そして、光源部２ｃは、撮像部３と同一象限に配置して乱反射光を受光する位置に配置する（後方散乱の配置）。このように、それぞれの光源部から異なる角度で出射される異なる波長の光についての反射光を撮像することにより、多種類の表面欠陥を検出することができる。

なお、光源部の一つを金属帯Ｓの表面に対して可能な限り垂直に配置し、撮像部３も金属帯Ｓの表面に対して可能な限り垂直な位置に配置してもよい。その場合、図４に示すように、金属帯Ｓの表面に対して垂直方向から光を出射する光源部２ａを設ける同軸落射照明方式を選択することができる。同軸落射照明方式は、ハーフミラー１０を介して出射光の方向と撮像方向とを一致させる方式であって、光沢面の検査に効果を発揮する。さらに、他の光源部２ｂ，２ｃを金属帯Ｓの垂直面に対して対称に配置して、それぞれから異なる波長の光を出射するようにしてもよい。以上のような表面検査装置の構成によれば、１台の撮像部３と金属帯Ｓの表面の同一位置に光を照射する複数の光源部２ａ～２ｃとを備える構成であって、複数の波長の光に対応した表面検査を可能にすることから、光源部と撮像部とを複数組配置する必要がなく、コンパクトな設備構成により多様な表面欠陥の検査が可能となる。

〔表面欠陥判別部〕
図１に戻る。図１に示すように、本実施形態の表面検査装置１は、上記のような複数の光源部と出射光の波長の組合せにより取得される複数の画像データから、金属帯Ｓの表面で検出された欠陥を判別する表面欠陥判別部５を備えている。表面欠陥判別部５は、例えばワークステーションやパソコン等の汎用コンピュータにより構成されている。表面欠陥判別部５は、制御部４から出射光サイクル信号を取得する出射光サイクル信号取得部５ａ、撮像部３が撮像した画像データを取得する画像データ取得部５ｂ、出射光サイクル毎に画像データ取得部５ｂが取得した画像データに基づいて金属帯Ｓの表面欠陥を判定する欠陥判定部５ｃ、及び格納部５ｄを備えている。欠陥判定部５ｃは、例えばＣＰＵ等であって、格納部５ｄに格納されているコンピュータプログラムやデータを用いて、表面欠陥の種別や等級（重度）を判定する機能を実現させるために所定の演算を実行する。

この場合、撮像部３は各スキャンタイミングで取得した複数の画像データを表面欠陥判別部５に出力する。制御部４は、表面欠陥判別部５に対して、出射光サイクルが完了する毎に出射光サイクルが完了した情報である出射光サイクル信号を出力する。欠陥判定部５ｃは、それぞれの出射光サイクル内で取得された画像データを分析し、複数の画像データから得られる欠陥候補に関する情報を集約し、表面欠陥を判定する。この場合、１回の出射光サイクルにつき、光源部の数（光源部の位置）×出射光の波長の数に対応した画像データが取得される。ここでは、１回の出射光サイクルで取得される複数の画像データを検査データと呼ぶ。例えば、図２（ａ）～（ｃ）に示すＳｃａｎ１からＳｃａｎ３までの１回の出射光サイクルが完了すると、光源部の数３×出射光の波長の数３＝９種類の画像データが取得され、これが欠陥判定部５ｃにおける検査データとなる。

欠陥判定部５ｃは、具体的には図５に示す欠陥情報処理により表面欠陥を判定する。図５は、本実施形態の欠陥情報処理の一例として、検査データに含まれる任意の画像データに対する処理を示すものである。また、図５に示す例は、光源部にライン光源を使用して、ラインスキャンカメラによって金属帯Ｓの表面を幅方向にスキャンして撮像した例である。撮像部３がラインスキャンカメラの場合の画像データは、図５に示すような受光強度情報となる。受光強度情報とは、撮像部３により取得した特定の光源部からの特定の波長帯の光強度の情報であって、検査対象である金属帯Ｓの幅方向位置との対応関係が特定されている情報をいう。図５は、金属帯の幅方向位置と受光強度との関係をチャート画像として表したものである。

なお、受光強度情報が、光学系の構成に伴う不可避的な幅方向分布を有する場合（金属帯Ｓに表面欠陥がない状態であっても受光強度情報が幅方向に一定の分布を有する場合）、欠陥判定部５ｃは、前処理として受光信号にシェーディング補正をかけることにより、光学系の特性に起因して撮像部３で生じる受光信号の誤差を低減したものを受光強度情報としてもよい。図５に示す欠陥情報処理では、欠陥判定部５ｃは、金属帯Ｓの幅に対応する測定範囲内において、受光強度の分布を予め設定される上下限の閾値（許容範囲）と比較する。そして、欠陥判定部５ｃは、受光強度に許容範囲外となる部分が生じた場合、その部分（図５中の破線部分）に関する情報を欠陥候補に関する情報として格納部５ｄに記憶される。ここでは、このようにして生成された欠陥候補に関する情報を欠陥候補情報と呼ぶ。欠陥候補情報は、受光強度情報が上下限の閾値を超えた金属帯Ｓの幅方向位置と、その位置での受光強度の大きさ（例えば閾値との偏差等）とが対応付けられた情報である。そして、欠陥判定部５ｃは、同様の処理を検査データに含まれる他の画像データに対しても実行する。これにより、検査データに含まれる画像データ毎に欠陥候補情報が格納部５ｄに記憶される。なお、上記処理における上下限の閾値は、光源部の配置や選択した光の波長に応じて異なる値に設定してもよく、同一の値であってもよい。過去の表面検査の実績に応じて経験的に設定してもよい。

次に、欠陥判定部５ｃは、検査データに対して欠陥情報処理を実行し得られた欠陥候補情報を格納部５ｄから取得し、検査データに含まれる画像データの中で欠陥候補情報が含まれる光源部の位置と光の波長の組合せと、欠陥候補情報が含まれていない光源部の位置と光の波長の組合せとを区分する。但し、金属帯Ｓの幅方向で複数の欠陥候補情報が検出されている場合には、欠陥判定部５ｃは、欠陥候補情報の位置情報に基づいて、同一の幅方向位置で検出された欠陥候補情報同士で欠陥候補情報を集約する。例えば以下に示す表２，３は、集約された欠陥候補情報の例として、３つの光源部と３つの波長（ＲＧＢ）により構成された表面検査装置を用いて取得される９つの画像データに基づいて欠陥候補情報を集約した例である。

表中の「〇」は欠陥候補情報が検出されなかったことを表し、「×」は欠陥候補情報が検出されたことを表す。但し、これらは金属帯Ｓの幅方向における同一の位置における評価結果を集約したものである。表２は、撮像部３が正反射光を受光するように配置された光源部２ａから赤色Ｒの光を出射した場合にのみ欠陥候補情報が検出された例である。また、表３は、撮像部３に対して後方散乱の位置に配置された光源部２ｃから青色Ｂの光が出射された場合にのみ欠陥候補情報が検出された例である。

この場合、表２に示す例では、正反射光の画像データに対して欠陥候補情報が検出されていることから、検出した表面欠陥は表面の凹凸に起因して光が強く散乱したものと推測される。さらに、赤色光に対して欠陥候補情報が取得されていることから、凹凸がある程度大きい欠陥と判定できる。但し、前方散乱及び後方散乱の配置では欠陥候補情報が検出されていないことから、その凹凸状欠陥には模様状欠陥に特有の色調の変化はみられないことがわかる。一方、表３に示す例では、後方散乱の配置に対して、赤色に比べて波長の短い青色の光により欠陥候補が検出されていることから、凹凸状欠陥ではなく、錆色のような模様状欠陥に分類されるものと判断できる。但し、前方散乱の配置では欠陥候補情報が取得されていないことから、金属帯Ｓの表面の平滑性が高く、極薄の酸化被膜が形成された錆状の表面欠陥であると判定できる。

以上のようにして、複数の光源部の配置及び出射する光の波長の組合せに基づく欠陥候補情報の判定に基づき、検出した表面欠陥が凹凸状欠陥であるか模様状欠陥であるかを判別することができる。また、光の波長によって欠陥候補情報として検出されるものとそうでないものとを区分できるので、検出した表面欠陥の色調も判定でき、模様状欠陥の分類の中でさらに詳細な区分で表面欠陥を判定できる。なお、欠陥の重度について判定する場合には、例えば図５に示す欠陥情報処理において、受光強度情報の許容範囲からの逸脱度により欠陥の重度（等級）を判定してもよい。

さらに、欠陥判定部５ｃは、出射光サイクル毎に集約された検査データから複数の画像データを重ね合わせた新たな画像データを生成し、この画像データに対して上記欠陥情報処理を行ってもよい。例えば欠陥判定部５ｃは、同一の光源部から出射された異なる波長の光による画像データに対して欠陥情報処理を行ってもよい。金属帯の表面欠陥として光源部の光の波長帯に対して中間色を呈する模様状欠陥の判定が容易になるからである。また、図４に示すように光源部２ｂと光源部２ｃとを金属帯Ｓの表面垂直方向に対して左右対称に配置した場合、欠陥判定部５ｃは、光源部２ｂからの光と光源部２ｃからの光が同一の波長である場合の２つの画像データからそれらの差分を算出し、差分情報により構成される画像データに対して欠陥情報処理を行ってもよい。これにより、凹凸状の表面欠陥の形状が強調され凹凸状欠陥の判定が容易になる。

予め検査員が判定した表面欠陥のサンプルに対して上記の表面検査装置１を用いたオフラインの検査を実行し、それぞれの欠陥に対する欠陥候補情報の集約表（表２，３に示す一覧表）を取得しておき、欠陥判定情報として格納部５ｄに記憶しておくのが好ましい。例えば凹凸状欠陥として、デンツ、ダルハゲ、及び圧着疵の分類に対して、その検査データに基づき欠陥候補情報の集約表を作成しておく。また、模様状欠陥についても同様に、錆模様、スケール模様、褐色模様、テンパーカラー、汚れ等に対してオフラインの表面検査を実行し、その検査データに基づき欠陥候補情報の集約表を作成しておく。これらは、オフラインで同定された表面欠陥の特徴量を表す指標であり、欠陥判定情報として格納部５ｄに保存しておく。

欠陥判定部５ｃは、オンラインで随時取得される検査データに対して欠陥情報処理を実行し、上記のようにして欠陥候補情報の集約表を生成する。そして、欠陥判定部５ｃは、予め格納部５ｄに記憶された欠陥判定情報と比較することにより、検出した表面欠陥の種別を特定する。欠陥判定部５ｃが特定した表面欠陥の情報は、表面検査装置１の出力部に出力することにより、検査対象である金属帯の処理工程等を適切に選択することができる。例えば金属帯の表面検査工程に対して処置工程を追加して、検出した表面欠陥を除去するようにしてもよい。これにより表面欠陥が少ない金属帯を製造することができる。

なお、上記の欠陥情報処理は、撮像部として２次元カメラを用いる場合や、ラインスキャンカメラを用いて出射光サイクル毎に得られる画像を金属帯の進行方向に結合させて２次元画像を生成した場合にも適用できる。この場合、図５に示す受光強度情報が金属帯の幅方向位置と長手方向位置の２次元の座標により特定されることになるが、上下限の閾値を設定することにより欠陥候補情報を取得でき、その位置情報も特定できるからである。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、本実施形態による本発明の開示の一部をなす記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、本実施形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例、及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれる。

１ 表面検査装置
２ａ～２ｃ 光源部
３ 撮像部
４ 制御部
５ 表面欠陥判別部
５ａ 出射光サイクル信号取得部
５ｂ 画像データ取得部
５ｃ 欠陥判定部
５ｄ 格納部
１０ ハーフミラー
Ｓ 金属帯

Claims (7)

1. 金属帯の表面に２以上の波長の光を選択的に出射する２以上の光源部と、
   前記光源部からの出射光による前記金属帯の反射光を撮像する撮像部と、
   前記光源部及び前記撮像部の動作を制御する制御部と、を備え、
   前記制御部は、前記撮像部の撮像タイミングを制御するスキャン信号に同期させて、前記光源部が出射する光の波長が互いに異なるように前記光源部を制御する出射光制御信号を出力する、金属帯の表面検査装置。
2. 前記撮像部は、前記光源部から出射される前記２以上の波長の光を識別可能なセンサ部を備える、請求項１に記載の金属帯の表面検査装置。
3. 前記光源部はそれぞれＲＧＢに対応する波長の光を出射する３つの光源部を備える、請求項１又は２に記載の金属帯の表面検査装置。
4. 前記光源部は、いずれもライン状光源を出射するライン光源であって、前記光源部からの出射光はいずれも前記金属帯の表面の同一箇所に照射される、請求項１～３のうち、いずれか１項に記載の金属帯の表面検査装置。
5. 前記金属帯の表面欠陥を判別する表面欠陥判別部を備え、
   前記表面欠陥判別部は、
   前記撮像部が撮像した画像データを取得する画像データ取得部と、
   前記光源部が出射する光の波長を一巡させる出射光サイクル毎に前記制御部が出力する信号を取得する出射光サイクル信号取得部と、
   前記出射光サイクル信号取得部が取得した信号に従って、前記出射光サイクル毎に前記画像データ取得部が取得した画像データに基づいて前記金属帯の表面欠陥を判定する欠陥判定部と、
   を備える、請求項１～４のうち、いずれか１項に記載の金属帯の表面検査装置。
6. 請求項５に記載の金属帯の表面検査装置を用いて、金属帯の表面欠陥を判別するステップを含む、金属帯の表面検査方法。
7. 請求項６に記載の金属帯の表面検査方法を用いて金属帯の表面欠陥の判別を行いながら金属帯を製造するステップを含む、金属帯の製造方法。

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