JP7131509B2 - 表面欠陥検出装置、表面欠陥検出方法、及び鋼材の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、鋼材の表面欠陥を光学的に検出する表面欠陥検出装置、表面欠陥検出方法、及び鋼材の製造方法に関する。

近年、鉄鋼製品の製造工程では、大量不適合防止による歩留まり向上の観点から、熱間又は冷間で鋼材の表面欠陥を検出することが求められている。ここで述べる鋼材とは、継目無鋼管、溶接鋼管、熱延鋼板、冷延鋼板、厚板等の鋼板や形鋼をはじめとする鉄鋼製品及びこれらの鉄鋼製品が製造される過程で生成されるスラブ等の半製品のことを意味する。このため、鋼材の表面欠陥を検出する方法として、継目無鋼管の製造工程におけるビレットに光を照射して反射光を受光し、反射光の光量によって表面欠陥の有無を判別する方法が提案されている（特許文献１参照）。また、熱間鋼材から放射される自発光と相互に影響を及ぼさず、互いに影響を及ぼしあうことのない複数の波長域の可視光を、熱間鋼材表面の法線に対し互いに対称な斜め方向から照射し、合成反射光による像及び個々の反射光による像を熱間鋼材表面の法線方向で得て、これらの像の組み合わせから熱間鋼材の表面欠陥を検出する方法も提案されている（特許文献２参照）。

特開平１１－３７９４９号公報 特開昭５９－５２７３５号公報 特許第６０７９９４８号公報

特許文献１記載の方法によれば、スケールや無害模様の反射率が地鉄部分の反射率とは異なることから、表面欠陥ではない健全なスケールや無害模様を表面欠陥と誤検出してしまう可能性がある。このため、特許文献１記載の方法では、ビレットの表面欠陥（表面疵）の形状が直線状であることを利用して、表面欠陥とスケールとを弁別している。しかしながら、鋼材の表面欠陥には、直線状のものに限らず、円形状等の様々な形状のものがある。このため、特許文献１記載の方法を鋼材の表面欠陥の検出処理に適用することは難しい。一方、特許文献２記載の方法では、表面欠陥、スケール、無害模様等の種類が膨大にあることから、単純に像を組み合わせるだけではスケールや無害模様と表面欠陥とを弁別することは困難である。また、膨大な像の組み合わせに対応した検出ロジックを構築することは現実的には困難である。

そこで、本発明の発明者らは、特許文献３に記載の発明により上記課題を解決した。しかしながら、本発明の発明者らは、特許文献３に記載の発明であっても、大きさが幅２～７ｍｍ程度、長さ５～２０ｍｍ程度、深さ０．１～０．２ｍｍ程度であって、断面がハの字型の表面疵（タマゴブロともいう）（図５，６参照）を精度よく検出できないことを知見した。

本発明は、上記課題に鑑みてなされたものであって、その目的は、表面疵を精度よく検出可能な表面欠陥検出装置及び表面欠陥検出方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、鋼材を歩留まりよく製造可能な鋼材の製造方法を提供することにある。

本発明に係る表面欠陥検出装置は、鋼材の表面のうち検査対象部位に対して傾斜する方向から、照明光を前記検査対象部位に照射する第１の照射手段と、前記第１の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第１の画像を撮像する第１の撮像手段と、前記第１の照射手段と弁別可能であり、前記検査対象部位に対して前記第１の照射手段とは反対側に傾斜する方向から、前記第１の照射手段と略同一の入射角度で照明光を前記検査対象部位に照射する第２の照射手段と、前記第２の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第２の画像を撮像する第２の撮像手段と、前記第１の画像と前記第２の画像との差分画像を生成し、前記差分画像の明部及び暗部の中から、前記第１又は第２の照射手段の照明光の照射方向に対応する前記差分画像の所定方向に沿った明部及び暗部の配列に基づいて前記検査対象部位における凸形状部の明部及び暗部の組み合わせを抽出し、抽出された明部及び暗部の位置に対応する前記第１の画像及び前記第２の画像の位置の信号強度に基づいて表面疵を検出する画像処理手段と、を備えることを特徴とする。

本発明に係る表面欠陥検出方法は、鋼材の表面のうち検査対象部位に対して傾斜する方向から、第１の照射手段によって照明光を前記検査対象部位に照射し、前記第１の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第１の画像を撮像する第１の撮像ステップと、前記第１の照射手段と弁別可能な第２の照射手段により、前記検査対象部位に対して前記第１の照射手段とは反対側に傾斜する方向から、前記第１の照射手段と略同一の入射角度で照明光を前記検査対象部位に照射し、前記第２の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第２の画像を撮像する第２の撮像ステップと、前記第１の画像と前記第２の画像との差分画像を生成する差分画像生成ステップと、前記差分画像の明部及び暗部の中から、前記第１又は第２の照射手段の照明光の照射方向に対応する前記差分画像の所定方向に沿った明部及び暗部の配列に基づいて前記検査対象部位における凸形状部の明部及び暗部の組み合わせを抽出し、抽出された明部及び暗部の位置に対応する前記第１の画像及び前記第２の画像の位置の信号強度に基づいて表面疵を検出する表面欠陥検出ステップと、を含むことを特徴とする。

本発明に係る鋼材の製造方法は、本発明に係る表面欠陥検出方法を用いて表面疵を検出しながら鋼材を製造するステップを含むことを特徴とする。

本発明に係る表面欠陥検出装置及び表面欠陥検出方法によれば、表面疵を精度よく検出することができる。本発明に係る鋼材の製造方法によれば、鋼材を歩留まりよく製造することができる。

図１は、本発明の一実施形態である表面欠陥検出装置の構成を示す図である。 図２は、検査対象部位の差分画像の一例を示す図である。 図３は、凹形状部画像の明暗パターンを説明するための図である。 図４は、凸形状部画像の明暗パターンを説明するための図である。 図５は、楕円形の表面疵を説明するための図である。 図６は、楕円形の表面疵を説明するための図である。 図７は、楕円形の表面疵が形成されている領域における差分画像、左投光画像、及び右投光画像の一例を示す図である。 図８は、楕円形の表面疵が形成されている領域の信号強度範囲の一例を示す図である。 図９は、本発明の一実施形態である表面欠陥検出処理の流れを示すフローチャートである。 図１０は、残存率に基づく表面欠陥検出処理の一例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明の一実施形態である表面欠陥検出装置及び表面欠陥検出方法について説明する。

〔構成〕
まず、本発明の一実施形態である表面欠陥検出装置の構成について説明する。図１は、本発明の一実施形態である表面欠陥検出装置の構成を示す図である。図１に示すように、本発明の一実施形態である表面欠陥検出装置１は、円筒形状の鋼管１０の表面に存在する表面欠陥を検出する装置であり、照射部２ａ，２ｂ、撮像部３ａ，３ｂ、ファンクションジェネレータ４、画像処理装置５、及びモニター６を主な構成要素として備えている。なお、鋼管１０は、表面欠陥検出装置１によって表面欠陥の有無を検査される鋼材の一例であり、図１中の矢印によって示される搬送方向に搬送される。

照射部２ａは、所定の波長帯域の照明光１２ａを発光する光源等を用いて構成され、鋼管１０の表面（詳細には検査対象部位１１）の法線ベクトルに対して照明光１２ａの照射方向ベクトルが傾斜するように配置されている。照射部２ａは、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号によって指示されるタイミングにおいて、鋼管１０の表面のうち検査対象部位１１に対して傾斜する方向から、照明光１２ａを検査対象部位１１に照射する。これにより、照射部２ａは、このタイミングから所定の期間、上述の傾斜する方向から検査対象部位１１を照明する。

照射部２ｂは、上述した照射部２ａの照明光１２ａと弁別可能な波長帯域の照明光１２ｂを発光する光源等を用いて構成され、照明光１２ｂの照射方向ベクトルが鋼管１０の検査対象部位１１の法線ベクトルに対して照射部２ａとは反対側に傾斜するように配置されている。照射部２ｂは、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号によって指示されるタイミングにおいて、鋼管１０の検査対象部位１１に対して照射部２ａとは反対側に傾斜する方向から、照射部２ａと略同一の入射角度で照明光１２ｂを検査対象部位１１に照射する。これにより、照射部２ｂは、このタイミングから所定の期間、上述の傾斜する方向から、照射部２ａと同一の検査対象部位１１を照明する。

なお、照射部２ａ，２ｂは、鋼管１０の検査対象部位１１に対して対称に配置されていることが望ましい。この際、照射部２ａ，２ｂは、検査対象部位１１の法線ベクトルに対して同一の入射角だけずらし、照明光１２ａ，１２ｂの各照射方向ベクトルと検査対象部位１１の法線ベクトルとが同一平面上となるように配置される。

ここで、検査対象部位１１に対する照明光１２ａ，１２ｂの入射角を同一にする目的は、異なる入射方向の光源を弁別した時に光学条件をできるだけ等しくし、検査対象部位１１のうち、無害模様等を含む健全部の信号を後述する差分処理によって大きく低減できるようにすることにある。しかしながら、健全部の信号は検査対象部位１１の表面性状に大きく依存し、一概に健全部の信号の同一性を同一の入射角で保証することは困難である。従って、２５～５５°の範囲内であれば、多少入射角が異なっていても健全部の信号を後述する差分処理によって低減できている限り同一の入射角と表現する。

また、本実施形態において、照射部２ａと照射部２ｂとは弁別可能である。すなわち、これら照射部２ａ，２ｂの各光源は、互いに弁別可能である。ここで述べる弁別可能な光源とは、検査対象部位１１から得られる反射光について各々の光源別に反射光量を求めることが可能な光源を意味する。

撮像部３ａ，３ｂは、エリアセンサ及び光学系等を用いて構成され、鋼管１０の検査対象部位１１を含む撮像視野を確保した状態で可能な限り検査対象部位１１の法線ベクトル上に配置されている。本実施形態において、撮像部３ａは、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号によって指示されるタイミングにおいて、照明光１２ａの検査対象部位１１からの反射光を受光する。この結果、撮像部３ａは、照射部２ａの照明光１２ａによって照明された検査対象部位１１の２次元画像を撮像する。一方、撮像部３ｂは、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号によって指示されるタイミングにおいて、照明光１２ｂの検査対象部位１１からの反射光を受光する。この結果、撮像部３ｂは、照射部２ｂの照明光１２ｂによって照明された検査対象部位１１の２次元画像を撮像する。撮像部３ａ，３ｂは、上述した検査対象部位１１の２次元画像を撮像する都度、撮像した２次元画像のデータを画像処理装置５に順次入力する。

ファンクションジェネレータ４は、照射部２ａ，２ｂ及び撮像部３ａ，３ｂの各動作タイミングを制御するものである。具体的には、ファンクションジェネレータ４は、照射部２ａ，２ｂに対するトリガー信号の入力により、照射部２ａ，２ｂの照明光１２ａ，１２ｂの各照射タイミングをそれぞれ制御する。一方、ファンクションジェネレータ４は、撮像部３ａに対するトリガー信号の入力により、照明光１２ａの検査対象部位１１からの反射光を撮像部３ａが受光するタイミングを制御する。これにより、ファンクションジェネレータ４は、照明光１２ａによって照明された検査対象部位１１の２次元画像を撮像部３ａが撮像するタイミングを制御する。また、ファンクションジェネレータ４は、撮像部３ｂに対するトリガー信号の入力により、照明光１２ｂの検査対象部位１１からの反射光を撮像部３ｂが受光するタイミングを制御する。これにより、ファンクションジェネレータ４は、照明光１２ｂによって照明された検査対象部位１１の２次元画像を撮像部３ｂが撮像するタイミングを制御する。

画像処理装置５は、撮像部３ａ，３ｂから入力された２つの２次元画像間で後述する差分処理等を行うことにより、鋼管１０の検査対象部位１１における表面欠陥を検出する装置である。

具体的には、画像処理装置５は、撮像部３ａ，３ｂから入力された２つの２次元画像に対し、予め導出しておいたカメラパラメータを用いてキャリブレーション、シェーディング補正、及びノイズ除去等の画像処理を施す。また、画像処理装置５は、図１に示すように、差分器５ａを有する。画像処理装置５は、上述の画像処理を施した後の２つの２次元画像間で差分器５ａにより差分処理を行う。これにより、画像処理装置５は、撮像部３ａによる２次元画像と撮像部３ｂによる２次元画像との差分画像、すなわち、検査対象部位１１の差分画像を生成する。画像処理装置５は、この差分処理により、検査対象部位１１における健全部としての無害模様の画像を除去する。さらに、画像処理装置５は、生成した差分画像から、検査対象部位１１における健全部としてのスケールの画像を除去する。画像処理装置５は、このように無害模様及びスケールの各画像を除去した後の差分画像から、検査対象部位１１に存在する表面欠陥を検出する。

モニター６は、鋼管１０に対する表面欠陥の検出結果を表示する表示手段として機能する。具体的には、モニター６は、検査対象部位１１に対する表面欠陥の検出結果を画像処理装置５から入力され、その都度、入力された検出結果を表示する。このようなモニター６に表示される表面欠陥の検出結果として、例えば、検査対象部位１１に対する表面欠陥の有無の判定結果を示す情報、検出された検査対象部位１１の表面欠陥を表す差分画像、撮像部３ａ，３ｂによって撮像された検査対象部位１１の各２次元画像等、鋼管１０の表面欠陥の検出に関する情報が挙げられる。

なお、本実施形態において、スケールや無害模様は、地鉄部分とは光学特性の異なる表面皮膜や表面性状を有する厚さ数～数十μｍ程度の部分のことを意味する。このようなスケールや無害模様は、検査対象部位１１に対する表面欠陥の検出処理においてノイズ要因となる部分である。

〔差分画像〕
次に、鋼管１０の検査対象部位１１の差分画像について説明する。図２は、検査対象部位の差分画像の一例を示す図である。図２において、２次元画像Ｉａは、照射部２ａが鋼管１０の表面に対して傾斜する方向から検査対象部位１１を照明した際に撮像部３ａが撮像した検査対象部位１１の２次元画像である。２次元画像Ｉｂは、照射部２ｂが鋼管１０の表面に対して照射部２ａとは反対側に傾斜する方向から検査対象部位１１を照明した際に撮像部３ｂが撮像した検査対象部位１１の２次元画像である。これら２つの２次元画像Ｉａ，Ｉｂには、検査対象部位１１の同じ凹形状部１５が、深さのある疵等の表面欠陥として描画され、且つ、表面欠陥ではない無害模様が、健全部の一部分として描画されている。

図２に示すように、差分器５ａは、撮像部３ａ，３ｂによる２つの２次元画像Ｉａ，Ｉｂ間で差分処理を行い、これにより、検査対象部位１１の差分画像Ｉｄを生成する。具体的には、撮像部３ａによる２次元画像Ｉａを構成する各画素の輝度値はＩａ（ｘ，ｙ）とし、撮像部３ｂによる２次元画像Ｉｂを構成する各画素の輝度値はＩｂ（ｘ，ｙ）とする。但し、２次元画像Ｉａ，Ｉｂは画素数Ｘ×Ｙの画像とする。また、２次元画像Ｉａ，Ｉｂのそれぞれに設定した直交２軸のｘｙ座標系において、ｘ座標は１≦ｘ≦Ｘとし、ｙ座標は１≦ｙ≦Ｙとする。このような定義のもと、差分器５ａは、撮像部３ａによる２次元画像Ｉａを加算画像とし、撮像部３ｂによる２次元画像Ｉｂを減算画像として、加算画像から減算画像を減じる差分処理を行い、これにより、検査対象部位１１の差分画像Ｉｄを生成する。

このような差分処理によって得られる差分画像Ｉｄの各画素の輝度値Ｉｄ（ｘ，ｙ）は、加算画像としての２次元画像Ｉａの各画素の輝度値Ｉａ（ｘ，ｙ）と、減算画像としての２次元画像Ｉｂの各画素の輝度値Ｉｂ（ｘ，ｙ）とを用い、以下に示す数式（１）によって表される。但し、２次元画像Ｉａを減算画像、２次元画像Ｉｂを加算画像としてもよい。
Ｉｄ（ｘ，ｙ）＝Ｉａ（ｘ，ｙ）－Ｉｂ（ｘ，ｙ） ・・・（１）

ここで、検査対象部位１１のうちの健全部では、無害模様の有無に関わらず、鋼材表面の法線ベクトルと一方の照射部２ａの照射方向ベクトルとのなす角度と、鋼材表面の法線ベクトルと他方の照射部２ｂの照射方向ベクトルとのなす角度とが等しい。このため、２次元画像Ｉａ，Ｉｂのうちの健全部の画像間では、無害模様の有無に関わらず、輝度値Ｉａ（ｘ，ｙ）＝輝度値Ｉｂ（ｘ，ｙ）となる。すなわち、差分画像Ｉｄのうちの健全部の画像において、輝度値Ｉｄ（ｘ，ｙ）＝０となる。この結果、差分画像Ｉｄは、図２に示すように、２次元画像Ｉａ，Ｉｂに描画されていた無害模様が除去された状態の画像となる。従って、差分器５ａは、これら２つの２次元画像Ｉａ，Ｉｂの差分画像Ｉｄを生成することにより、表面欠陥ではない健全な無害模様の画像を除去することができる。

一方、検査対象部位１１のうちの表面欠陥部分は、図２に示す凹形状部１５に例示されるように、鋼管１０の表面から深さをもって凹む形状や起伏を有する。それ故、このような表面欠陥部分では、鋼材表面の法線ベクトルと一方の照射部２ａの照射方向ベクトルとのなす角度と、鋼材表面の法線ベクトルと他方の照射部２ｂの照射方向ベクトルとのなす角度とが等しくない箇所が必ず存在する。このため、２次元画像Ｉａ，Ｉｂのうちの表面欠陥部分の画像間では、輝度値Ｉａ（ｘ，ｙ）≠輝度値Ｉｂ（ｘ，ｙ）となる。すなわち、差分画像Ｉｄのうちの表面欠陥部分の画像において、輝度値Ｉｄ（ｘ，ｙ）≠０となる。この結果、表面欠陥部分の画像は、上述したように輝度値Ｉｄ（ｘ，ｙ）＝０となって除去される無害模様の画像とは異なり、図２に示すように、光学的に検出可能な状態で差分画像Ｉｄに残る。

〔凹形状部画像の明暗パターン〕
次に、鋼管１０の検査対象部位１１の差分画像Ｉｄに含まれる凹形状部画像の明暗パターンについて説明する。図３は、凹形状部画像の明暗パターンを説明するための図である。図３に示すように、鋼管１０の検査対象部位１１に凹形状部１５が存在する場合、この検査対象部位１１の差分画像Ｉｄには、この凹形状部１５を表す差分画像である凹形状部画像１６が含まれる。

詳細には、図３に示すように、鋼管１０の検査対象部位１１に存在する凹形状部１５に対し、照射部２ａ（図１参照）からの照明光１２ａが照射された場合、凹形状部１５のうち照射部２ａの手前側は、単位面積当たりの照明光１２ａの光量低下によって暗くなる。また、この凹形状部１５のうち照射部２ａの奥側は、照明光１２ａの正反射方向に近づくため、明るくなる。

一方、照射部２ａの反対側に傾斜する照射部２ｂ（図１参照）からの照明光１２ｂが凹形状部１５に照射された場合、図３に示すように、凹形状部１５のうち照射部２ｂの手前側は、単位面積当たりの照明光１２ｂの光量低下によって暗くなる。また、この凹形状部１５のうち照射部２ｂの奥側は、照明光１２ｂの正反射方向に近づくため、明るくなる。

すなわち、検査対象部位１１に対して斜め上方（図３の紙面右斜め上方）から凹形状部１５に照明光１２ａが照射された場合と、照明光１２ａとは反対側の斜め上方（図３の紙面左斜め上方）から凹形状部１５に照明光１２ｂが照射された場合とでは、凹形状部１５の明暗の部分が逆になる。このため、図３に示すように、照明光１２ａが照射された場合の凹形状部１５からの反射光に基づく画像信号Ｓａのピークと、照明光１２ｂが照射された場合の凹形状部１５からの反射光に基づく画像信号Ｓｂのピークとは、明暗の部分が逆になる分、互いにずれる。このような画像信号Ｓａ（撮像部３ａによる凹形状部１５の画像信号）から画像信号Ｓｂ（撮像部３ｂによる凹形状部１５の画像信号）を減算することにより、図３に示すように、凹形状部画像１６の画像信号Ｓ１が生成される。

凹形状部画像１６は、差分画像Ｉｄのうち凹形状部１５を表す画像であり、図３に示すように、明部１６ａと暗部１６ｂとの組み合わせによって構成される。この凹形状部画像１６における明部１６ａ及び暗部１６ｂの配列は、画像信号Ｓ１の正負のピークに対応する。具体的には、図３に示すように、凹形状部画像１６を構成する明部１６ａ及び暗部１６ｂは、所定の検出方向Ｆに沿って明暗の順に配列される。

ここで、検出方向Ｆは、図１に示した照射部２ａ，２ｂのいずれかの照射方向に対応する差分画像Ｉｄの所定方向である。具体的には、本実施形態において、検出方向Ｆは、減算画像としての２次元画像Ｉｂの撮像に用いる照射部２ｂの照射方向ベクトルを検査対象部位１１に正射影したベクトルの方向と同じである。

なお、凹形状部１５は、鋼管１０の検査対象部位１１において凹む形状をなす部分である。本実施形態において、凹形状部１５は、表面疵等の検査対象部位１１における表面欠陥とする。このような凹形状部１５には、図３に示す鋭角断面や湾曲断面（図示せず）をなす凹形状の部分は勿論、図２に示すように凹み内に起伏（凹凸）を有する凹形状の部分が含まれる。また、凹形状部１５には、直線状や円形状あるいは多角形状等の様々な外形のものがある。

〔凸形状部画像の明暗パターン〕
次に、鋼管１０の検査対象部位１１の差分画像Ｉｄに含まれる凸形状部画像の明暗パターンについて説明する。図４は、凸形状部画像の明暗パターンを説明するための図である。本実施形態では、図４に示すように、鋼管１０の検査対象部位１１に凸形状部１７が存在する場合、この検査対象部位１１の差分画像Ｉｄには、この凸形状部１７を表す差分画像である凸形状部画像１８が含まれる。

詳細には、図４に示すように、鋼管１０の検査対象部位１１に存在する凸形状部１７に対し、照射部２ａ（図１参照）からの照明光１２ａが照射された場合、凸形状部１７のうち照射部２ａの手前側は、照明光１２ａの正反射方向に近づくため、明るくなる。また、この凸形状部１７のうち照射部２ａの奥側は、凸形状部１７の影となるため、暗くなる。

一方、照射部２ａの反対側に傾斜する照射部２ｂ（図１参照）からの照明光１２ｂが凸形状部１７に照射された場合、図４に示すように、凸形状部１７のうち照射部２ｂの手前側は、照明光１２ｂの正反射方向に近づくため、明るくなる。また、この凸形状部１７のうち照射部２ｂの奥側は、凸形状部１７の影となるため、暗くなる。

すなわち、検査対象部位１１に対して斜め上方（図４の紙面右斜め上方）から凸形状部１７に照明光１２ａが照射された場合と、照明光１２ａとは反対側の斜め上方（図４の紙面左斜め上方）から凸形状部１７に照明光１２ｂが照射された場合とでは、凸形状部１７の明暗の部分が逆になる。このため、図４に示すように、照明光１２ａが照射された場合の凸形状部１７からの反射光に基づく画像信号Ｓａのピークと、照明光１２ｂが照射された場合の凸形状部１７からの反射光に基づく画像信号Ｓｂのピークとは、明暗の部分が逆になる分、互いにずれる。このような画像信号Ｓａ（撮像部３ａによる凸形状部１７の画像信号）から画像信号Ｓｂ（撮像部３ｂによる凸形状部１７の画像信号）を減算することにより、図４に示すように、凸形状部画像１８の画像信号Ｓ２が生成される。

凸形状部画像１８は、差分画像Ｉｄのうち凸形状部１７を表す画像であり、図４に示すように、明部１８ａと暗部１８ｂとの組み合わせによって構成される。この凸形状部画像１８における明部１８ａ及び暗部１８ｂの配列は、画像信号Ｓ２の正負のピークに対応する。具体的には、図４に示すように、凸形状部画像１８を構成する明部１８ａ及び暗部１８ｂは、所定の検出方向Ｆに沿って暗明の順に配列される。

なお、凸形状部１７は、鋼管１０の検査対象部位１１において凸の形状をなす部分である。具体的には、本実施形態において、凸形状部１７は、表面欠陥ではない健全なスケールである。このような凸形状部１７の外形は、図４に示す態様のものに限定されない。すなわち、凸形状部１７には、直線状や円形状あるいは多角形状等の様々な外形のものがある。

〔楕円形の表面疵〕
ところで、図５（ａ）～（ｃ）に示すように、表層にトラップされた気泡によって形成された３～５ｍｍ程度の大きさのブローホール２１を有する鋼材２０を圧延することにより、鋼材２０の表面に断面形状がハの字型の楕円形の表面疵（タマゴブロともいう）２２が形成されることが知られている。この楕円形の表面疵は、図６に示すように、大きさが幅２～７ｍｍ程度、長さ５～２０ｍｍ程度、深さ０．１～０．２ｍｍ程度である。本発明の発明者らは、このような楕円形の表面疵が形成されている場合、差分画像には、凸形状部が形成されている場合の明暗パターンと同様の明暗パターンが形成されることを知見した。また、凸形状部が形成されている場合、２次元画像Ｉａ，Ｉｂの凸形状部に対応する位置には明暗パターンが形成されるのに対して、楕円形の表面疵が形成されている場合には、図７に示すように、２次元画像Ｉａ，Ｉｂの表面疵がある位置に強い明部と弱い明部からなるパターンが形成されることを知見した。なお、図７において、左投光とは、図１に示す照射部２ｂから照明光１２ｂを照射した場合を示し、右投光とは、図１に示す照射部２ａから照明光１２ａを照射した場合を示している。また、図７に示す例では、左投光により得られた２次元画像Ｉｂを加算画像、右投光により得られた２次元画像Ｉａを減算画像として差分画像を算出した。このため、図７に示す差分画像における明部及び暗部の配列順は図４に示す明部及び暗部の配列順の逆になっている。

そこで、本発明の発明者らは、凸形状部画像１８の明暗パターンを検出し、検出された明暗パターンの位置に対応する２次元画像Ｉａ，Ｉｂの位置の信号強度に基づいて楕円形の表面疵を検出することを想到した。具体的には、図８に示すように、右投光によって得られた２次元画像Ｉａでは、明部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある弱い明部があり、暗部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある強い明部があり、且つ、左投光によって得られた２次元画像Ｉｂでは、明部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある強い明部があり、暗部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある弱い明部がある場合、楕円形の表面疵が存在すると判定することとした。以下、このような考えに基づき想倒された本発明の一実施形態である表面欠陥検出処理について説明する。

〔表面欠陥検出処理〕
図９は、本発明の一実施形態である表面欠陥検出処理の流れを示すフローチャートである。図９に示すフローチャートは、表面欠陥検出装置１に対して表面欠陥検出処理の実行指令が入力されたタイミングで開始となり、表面欠陥検出処理はステップＳ１０１の処理に進む。

ステップＳ１０１の処理では、照射部２ａが、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号に従い、鋼管１０の表面のうち検査対象部位１１に対して傾斜する方向から、照明光１２ａを検査対象部位１１に照射する。照射部２ａは、この照明光１２ａによって検査対象部位１１を照明する。そして、撮像部３ａが、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号に従い、上述の照射部２ａの照明光１２ａによって照明された検査対象部位１１の２次元画像Ｉａを撮像する。この２次元画像Ｉａは、後述するステップＳ１０３の差分処理における加算画像である。撮像部３ａは、撮像した検査対象部位１１の２次元画像Ｉａのデータ（検査対象部位１１からの照明光１２ａの反射光に基づく画像信号）を画像処理装置５に送信する。これにより、ステップＳ１０１の処理は完了し、表面欠陥検出処理はステップＳ１０２の処理に進む。

ステップＳ１０２の処理では、照射部２ｂが、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号に従い、同じ検査対象部位１１に照明光１２ｂを照射する。この際、照射部２ｂは、検査対象部位１１に対して照射部２ａとは反対側に傾斜する方向から、照射部２ａと略同一の入射角度で照明光１２ｂを検査対象部位１１に照射する。照射部２ｂは、この照明光１２ｂによって検査対象部位１１を照明する。そして、撮像部３ａ，３ｂのうち他方の撮像部３ｂは、ファンクションジェネレータ４からのトリガー信号に従い、照射部２ｂの照明光１２ｂにより照明された検査対象部位１１の２次元画像Ｉｂを撮像する。この２次元画像Ｉｂは、後述するステップＳ１０３の差分処理における減算画像である。撮像部３ｂは、撮像した検査対象部位１１の２次元画像Ｉｂのデータ（検査対象部位１１からの照明光１２ｂの反射光に基づく画像信号）を画像処理装置５に送信する。これにより、ステップＳ１０２の処理は完了し、表面欠陥検出処理はステップＳ１０３の処理に進む。

ステップＳ１０３の処理では、画像処理装置５が、ステップＳ１０１の処理において撮像した検査対象部位１１の２次元画像ＩａとステップＳ１０２の処理において撮像した検査対象部位１１の２次元画像Ｉｂとの差分画像Ｉｄを生成する。具体的には、画像処理装置５は、撮像部３ａから取得した検査対象部位１１の２次元画像Ｉａと撮像部３ｂから取得した検査対象部位１１の２次元画像Ｉｂとの間での差分処理を行う。この差分処理において、差分器５ａは、加算画像としての２次元画像Ｉａから減算画像としての２次元画像Ｉｂを減じることにより、これら２つの２次元画像Ｉａ，Ｉｂの差分画像Ｉｄを生成する。この際、差分器５ａは、上述した式（１）に基づいて、差分画像Ｉｄの各画素の輝度値Ｉｄ（ｘ，ｙ）を算出する。これにより、ステップＳ１０３の処理は完了し、表面欠陥検出処理はステップＳ１０４の処理に進む。

ステップＳ１０４の処理では、画像処理装置５が、ステップＳ１０３によって生成した差分画像Ｉｄから検査対象部位１１の凸形状部１７の画像を抽出する。具体的には、画像処理装置５は、差分画像Ｉｄの明部及び暗部を抽出し、差分画像Ｉｄに設定される所定の検出方向Ｆに沿って、これらの抽出した明部及び暗部の配列を認識する。ここで、検出方向Ｆは、上述したように、照射部２ａ又は照射部２ｂの照明光の照射方向に対応する差分画像Ｉｄの所定方向である。本実施形態において、検出方向Ｆは、減算画像としての２次元画像Ｉｂの撮像に用いる照射部２ｂの照射方向ベクトルを検査対象部位１１に正射影したベクトルの方向と同じである。画像処理装置５は、差分画像Ｉｄの明部及び暗部の中から、検出方向Ｆに沿った明部及び暗部の配列に基づいて、検査対象部位１１における凸形状部１７の明部及び暗部の組み合わせを抽出する。これにより、画像処理装置５は、これら明部及び暗部の組み合わせによって構成される凸形状部１７の画像を差分画像Ｉｄから抽出する。これにより、ステップＳ１０４の処理は完了し、表面欠陥検出処理はステップＳ１０５の処理に進む。

ステップＳ１０５の処理では、画像処理装置５が、ステップＳ１０４の処理において抽出された凸形状部１７の明部及び暗部の位置に対応する２次元画像Ｉａ，Ｉｂの位置の信号強度に基づいて楕円形の表面疵を表面欠陥として検出する。具体的には、画像処理装置５は、右投光によって得られた２次元画像Ｉａについては、明部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある弱い明部があり、暗部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある強い明部があり、且つ、左投光によって得られた２次元画像Ｉｂでは、明部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある強い明部があり、暗部に対応する位置に信号強度が所定範囲内にある弱い明部がある場合、楕円形の表面疵が存在すると判定する。これにより、ステップＳ１０５の処理は完了し、表面欠陥検出処理はステップＳ１０６の処理に進む。

ステップＳ１０６の処理では、表面欠陥検出装置１が、ステップＳ１０５の処理結果を表示する。具体的には、モニター６は、鋼管１０における現在の検査対象部位１１の表面欠陥の検出結果を画像処理装置５から取得し、取得した表面欠陥の検出結果を表示する。この際、モニター６は、表面欠陥の有無の判定結果、検出した表面欠陥を表す差分画像Ｉｄ等、鋼管１０に表面欠陥が存在するか否かを視認可能な情報を表示する。これにより、ステップＳ１０６の処理は完了し、一連の表面欠陥検出処理は終了する。

以上の説明から明らかなように、本発明の一実施形態である表面欠陥検出処理では、画像処理装置５が、差分画像Ｉｄの明部及び暗部の中から凸形状部１７の明部及び暗部の組み合わせを抽出し、抽出された明部及び暗部の組み合わせの位置に対応する２次元画像Ｉａ，Ｉｂの位置の信号強度に基づいて楕円形の表面疵を検出するので、楕円形の表面疵を精度よく検出することができる。また、このようにして表面疵を検出しながら鋼管１０を製造することにより、鋼管１０を歩留まりよく製造することができる。

９９個の評価対象について、処理Ａとして、差分処理後の明部及び暗部から凸形状部の画像（信号強度閾値＝２０）を抽出したところ、５５個の凸形状部が検出された。さらに、検出された５５個の凸形状部について、処理Ｂとして、差分処理前の信号強度情報から図７に示す条件を満たす対象を抽出したところ、３７個が検出された。一方、無害部については、処理Ａ後は平均３５９個／鋼板の割合、処理Ｂ後でも平均８個／鋼板の割合で検出されたため、表面欠陥部と無害部の比率に応じて鋼材単位でタマゴブロ発生有無を切り分ける手法を検討した。具体的には、鋼板単位で、処理Ａ後の表面欠陥の検出個数（疵候補個数）をＮ、処理Ｂ後の表面欠陥の検出個数をＭとして残存率Ｎ/Ｍを定義し、残存率Ｎ／Ｍが閾値（３．７＋０．０２２Ｎ）／Ｎを超えた鋼板のみ、タマゴブロが検出されたと判定した。この結果、図１０に示すように、タマゴブロ発生鋼板の検出率は１００％であり、またタマゴブロがない鋼板が誤検出される率は１．１％であった。これにより、本発明によれば、タマゴブロを精度よく検出できることが確認された。

１ 表面欠陥検出装置
２ａ，２ｂ 照射部
３ａ，３ｂ 撮像部
４ ファンクションジェネレータ
５ 画像処理装置
５ａ 差分器
６ モニター
１０ 鋼管
１１ 検査対象部位
１２ａ，１２ｂ 照明光
１５ 凹形状部
１６ 凹形状部画像
１６ａ，１８ａ 明部
１６ｂ，１８ｂ 暗部
１７ 凸形状部
１８ 凸形状部画像
２０ 鋼材
２１ ブローホール
２２ 表面疵
Ｆ 検出方向
Ｉａ，Ｉｂ ２次元画像
Ｉｄ 差分画像
Ｓａ，Ｓｂ，Ｓ１，Ｓ２ 画像信号

Claims (3)

1. 鋼材の表面のうち検査対象部位に対して傾斜する方向から、照明光を前記検査対象部位に照射する第１の照射手段と、
   前記第１の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第１の画像を撮像する第１の撮像手段と、
   前記第１の照射手段と弁別可能であり、前記検査対象部位に対して前記第１の照射手段とは反対側に傾斜する方向から、前記第１の照射手段と略同一の入射角度で照明光を前記検査対象部位に照射する第２の照射手段と、
   前記第２の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第２の画像を撮像する第２の撮像手段と、
   前記第１の画像と前記第２の画像との差分画像を生成し、前記差分画像の明部及び暗部の中から、前記第１又は第２の照射手段の照明光の照射方向に対応する前記差分画像の所定方向に沿った明部及び暗部の配列に基づいて前記検査対象部位における凸形状部の明部及び暗部の組み合わせを抽出し、抽出された明部及び暗部の位置に対応する前記第１の画像及び前記第２の画像の位置の信号強度に基づいて表面疵を検出する画像処理手段と、
   を備えることを特徴とする表面欠陥検出装置。
2. 鋼材の表面のうち検査対象部位に対して傾斜する方向から、第１の照射手段によって照明光を前記検査対象部位に照射し、前記第１の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第１の画像を撮像する第１の撮像ステップと、
   前記第１の照射手段と弁別可能な第２の照射手段により、前記検査対象部位に対して前記第１の照射手段とは反対側に傾斜する方向から、前記第１の照射手段と略同一の入射角度で照明光を前記検査対象部位に照射し、前記第２の照射手段の照明光によって照明された前記検査対象部位の第２の画像を撮像する第２の撮像ステップと、
   前記第１の画像と前記第２の画像との差分画像を生成する差分画像生成ステップと、
   前記差分画像の明部及び暗部の中から、前記第１又は第２の照射手段の照明光の照射方向に対応する前記差分画像の所定方向に沿った明部及び暗部の配列に基づいて前記検査対象部位における凸形状部の明部及び暗部の組み合わせを抽出し、抽出された明部及び暗部の位置に対応する前記第１の画像及び前記第２の画像の位置の信号強度に基づいて表面疵を検出する表面欠陥検出ステップと、
   を含むことを特徴とする表面欠陥検出方法。
3. 請求項２に記載の表面欠陥検出方法を用いて表面疵を検出しながら鋼材を製造するステップを含むことを特徴とする鋼材の製造方法。

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