KR20180009792A - 표면 결함 검출 장치, 표면 결함 검출 방법 및, 강재의 제조 방법 - Google Patents

표면 결함 검출 장치, 표면 결함 검출 방법 및, 강재의 제조 방법 Download PDF

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아키히로 오가와
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Abstract

본 발명에 따른 표면 결함 검출 장치는, 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 장치로서, 2개 이상의 변별 가능한 광원을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 조명광을 조사하는 조사 수단과, 각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 검출 수단을 구비하고, 광학계가 소정의 조건을 만족하고 있는 것을 특징으로 한다. 이에 따라, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별할 수 있다.

Description

표면 결함 검출 장치, 표면 결함 검출 방법 및, 강재의 제조 방법{SURFACE FLAW DETECTION DEVICE, SURFACE FLAW DETECTION METHOD, AND MANUFACTURING METHOD FOR STEEL MATERIAL}
본 발명은, 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 장치 및 표면 결함 검출 방법과, 이 표면 결함 검출 방법을 이용하여 강재의 표면 결함을 검출하고, 검출 결과에 기초하여 강재를 제조하는 강재의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 철강 제품의 제조 공정에서는, 대량 부적합 방지에 의한 수율 향상의 관점에서, 열간 또는 냉간에서 강재의 표면 결함을 검출하는 것이 요구되고 있다. 여기에서 말하는 강재란, 이음매 없는 강관(seamless steel pipe), 용접 강관, 열연 강판, 냉연 강판, 후판 등의 강판이나 형강을 비롯한 철강 제품 및, 이들 철강 제품이 제조되는 과정에서 생성되는 슬래브 등의 반제품을 의미한다. 이 때문에, 강재의 표면 결함을 검출하는 방법으로서, 이음매 없는 강관의 제조 공정에 있어서의 빌릿(billet)에 빛을 조사하여 반사광을 수광하고, 반사광의 광량에 따라 표면 결함의 유무를 판별하는 방법이 제안되어 있다(특허문헌 1 참조). 또한, 열간 강재로부터 방사되는 자발광과 상호 영향을 미치지 않고, 서로 영향을 미치지 않는 복수의 파장역의 가시광을, 열간 강재 표면의 법선에 대하여 서로 대칭인 경사 방향으로부터 조사하여, 합성 반사광에 의한 상(image) 및 개개의 반사광에 의한 상을 열간 강재 표면의 법선 방향에서 얻고, 이들 상의 조합으로부터 열간 강재의 표면 결함을 검출하는 방법도 제안되어 있다(특허문헌 2 참조).
일본공개특허공보 평11-37949호 일본공개특허공보 소59-52735호
특허문헌 1에 기재된 방법에 의하면, 무해 모양이나 스케일의 반사율이 지철 부분의 반사율과는 상이한 점에서, 건전한 무해 모양이나 스케일을 표면 결함으로 오검출해 버릴 가능성이 있다. 이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 방법에서는, 빌릿의 형상이 직선 형상인 것을 이용하여 빌릿과 스케일을 변별하고 있다. 그러나, 강재의 표면 결함은 직선 형상뿐만 아니라 원 형상 등의 여러가지의 형상을 갖고 있다. 이 때문에, 특허문헌 1에 기재된 방법을 강재의 표면 결함의 검출 처리에 적용하는 것은 어렵다. 한편, 특허문헌 2에 기재된 방법에서는, 표면 결함, 스케일, 무해 모양 등의 종류가 방대하게 있는 점에서, 단순히 상을 조합하는 것만으로는 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 변별하는 것은 곤란하다. 또한, 방대한 상의 조합에 대응한 검출 로직을 구축하는 것은 현실적으로는 곤란하다.
본 발명은, 상기 과제를 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적은, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별 가능한 표면 결함 검출 장치 및 표면 결함 검출 방법을 제공하는 것에 있다. 또한, 본 발명의 다른 목적은, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별하고, 변별 결과에 기초하여 강재를 제조 가능한 강재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 장치는, 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 장치로서, 2개 이상의 변별 가능한 광원을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 조명광을 조사하는 조사 수단과, 각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 상기 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 검출 수단을 구비하고, 2개의 광원 중 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사한 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a1, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b1, 2개의 광원 중 다른 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a2, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 다른 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b2로 했을 때, 상기 검사 대상 부위에 있어서 벡터 a1, 벡터 b1, 벡터 a2 및, 벡터 b2가 이하에 나타내는 수식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure pct00001
여기에서, 〈〉는 내적을 나타내고, ∥∥는 노름(norm)을 나타낸다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 장치는, 상기 발명에 있어서, 2개의 광원에 의해 조사되는 조명광 중 1개의 조명광의 조사 방향이 강재의 길이 방향에 평행인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법은, 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 방법으로서, 2개 이상의 변별 가능한 광원을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 조명광을 조사하는 조사 스텝과, 각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 상기 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 검출 스텝을 포함하고, 2개의 광원 중 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a1, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b1, 2개의 광원 중 다른 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a2, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 다른 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b2로 했을 때, 상기 검사 대상 부위에 있어서 벡터 a1, 벡터 b1, 벡터 a2 및, 벡터 b2가 이하에 나타내는 수식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 한다.
Figure pct00002
여기에서, 〈〉는 내적을 나타내고, ∥∥는 노름을 나타낸다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법은, 상기 발명에 있어서, 2개의 광원에 의해 조사되는 조명광 중 1개의 조명광의 조사 방향이 강재의 길이 방향에 평행인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 조사 스텝은, 2개 이상의 플래시 광원을 서로의 발광 타이밍이 겹치지 않도록 반복하여 발광시킴으로써 조명광을 조사하는 스텝, 및/또는, 2개 이상의 서로 파장 영역이 겹치지 않는 광원의 조명광을 동시에 조사하는 스텝을 포함하고, 2개 이상의 서로 파장 영역이 겹치지 않는 광원의 조명광을 동시에 조사하는 경우, 상기 검출 스텝은, 서로 섞인 각 조명광의 반사광을 조명광의 파장과 동일한 파장을 갖는 빛을 투과하는 필터를 이용하여 분리함으로써 각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법은, 상기 발명에 있어서, 상기 검출 스텝은, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 얻어진 화상의 명부(bright portion) 및 암부(dark portion)를 추출하고, 추출된 명부 및 암부의 위치 관계와 상기 조명광의 조사 방향으로부터 요철성의 표면 결함의 유무를 판정하는 제1 판정 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 강재의 제조 방법은, 본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법을 이용하여 강재의 표면 결함을 검출하고, 검출 결과에 기초하여 강재를 제조하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 표면 결함 검출 장치 및 표면 결함 검출 방법에 의하면, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 강재의 제조 방법에 의하면, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별하고, 변별 결과에 기초하여 강재를 제조할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 2는 도 1에 나타내는 에어리어 센서의 변형예의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 3은 도 1에 나타내는 광원과 에어리어 센서의 구동 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다.
도 4는 표면 결함과 스케일 및 무해 모양을 촬영한 2개의 2차원 화상 및 그의 차분 화상의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 조명광의 입사각과 건전부(지철 부분)의 반사율의 관계를 조사하는 실험에 이용한 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 6은 레이저의 입사각과 파워미터의 수광량의 관계를 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 처리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 본 발명의 제3 실시 형태인 표면 결함 검출 처리를 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 실시예에서 이용한 장치의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 10은 실시예의 표면 결함 검출 처리 결과를 나타내는 도면이다.
도 11은 스케일이 발생한 강관 부분에 대한 표면 결함 검출 처리 결과를 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 13은 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 다른 변형예의 구성을 나타내는 개략도이다.
도 14는 검사 대상 부위의 표면 형상이 오목 형상 및 볼록 형상인 경우에 있어서의 한쪽으로부터 조명광을 조사했을 때의 음영을 나타내는 도면이다.
도 15는 오목 형상의 표면 결함의 차분 화상의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 16은 팽창 처리를 이용한 명부 및 암부의 위치 관계 산출 방법의 흐름을 나타내는 플로우차트이다.
도 17은 차분 화상 및 명암 패턴의 1차원 프로파일의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 18은 필터의 2차원 화상 및 1차원 프로파일의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 19는 도 18에 나타내는 필터를 이용한 필터 처리가 실시된 차분 화상 및 1차원 프로파일의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 20은 광원의 배치 위치의 변형예를 나타내는 개략도이다.
도 21은 도 20에 나타내는 광원의 배치 위치에 의해 얻어지는 명암 패턴을 나타내는 개략도이다.
도 22는 실시예의 표면 결함 검출 처리 결과를 나타내는 도면이다.
도 23은 움푹 들어간 흠집(dent flaw)의 차분 화상을 나타내는 도면이다.
도 24는 후강판의 폭 방향 및 길이 방향으로부터 조명광을 조사했을 때의 롤 흠집(roll mark)의 차분 화상을 나타내는 도면이다.
도 25는 후강판의 폭 방향 및 길이 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 표면 결함의 기울기를 나타내는 도면이다.
도 26은 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 건전부의 기울기를 나타내는 도면이다.
도 27은 광학계의 2차원 모델의 구성을 나타내는 도면이다.
도 28은 이론 곡선에 대한 화상 프로파일의 대조 결과를 나타내는 도면이다.
도 29는 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 30은 조명광의 입사각이 45°, 60°, 75°일 때의 표면 결함의 경사면 각도의 변화에 대한 신호 강도의 변화를 나타내는 도면이다.
도 31은 건전부 표면 및 확산성이 높은 표면에 있어서의 조명광의 반사 모델을 나타내는 도면이다.
도 32는 표면 결함부의 차분 화상을 나타내는 도면이다.
도 33은 요철이 없는 표면에 확산성이 높은 스케일이 부착되어 있는 후강판에 대하여 우측 방향 및 좌측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상을 나타내는 도면이다.
도 34는 우측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상과 좌측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상의 차분 화상을 나타내는 도면이다.
도 35는 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 36은 조명광의 입사각의 변화에 대한 차분 화상의 변화를 나타내는 도면이다.
도 37은 이동 평균 필터 처리 적용 전의 길이 방향 위치에 있어서의 노이즈 신호 강도의 표준 편차를 나타내는 도면이다.
도 38은 이동 평균 필터 처리 적용 후의 길이 방향 위치에 있어서의 노이즈 신호 강도의 표준 편차를 나타내는 도면이다.
도 39는 조명광의 입사각과 앞쪽(near side) 및 먼쪽(far side)의 투수광(light emission/reception) 차이의 관계를 나타내는 도면이다.
도 40은 조명광의 입사각과 앞쪽에 있어서의 투수광 차이와 안쪽에 있어서의 투수광 차이의 차의 절대값의 관계를 나타내는 도면이다.
도 41은 광학계의 구성을 나타내는 도면이다.
도 42는 표면 결함의 검출 결과를 나타내는 도면이다.
도 43은 버 눌려짐 흠집(burr-pressed mark)의 검출 결과를 나타내는 도면이다.
도 44는 후강판의 길이 방향만 시야를 억제하여 표면 결함을 검사한 결과를 나타내는 도면이다.
(발명을 실시하기 위한 형태)
이하, 도면을 참조하여, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 구성 및 그 동작에 대해서 설명한다.
(제1 실시 형태)
처음에, 도 1 내지 도 13을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 구성 및 그 동작에 대해서 설명한다.
[표면 결함 검출 장치의 구성]
도 1은, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 1에 나타내는 바와 같이, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치(1)는, 도시하는 화살표 방향으로 반송되는 원통 형상의 강관(P)의 표면 결함을 검출하는 장치이고, 광원(2a, 2b), 함수 발생기(function generator)(3), 에어리어 센서(4a, 4b), 화상 처리 장치(5) 및, 모니터(6)를 주요 구성 요소로서 구비하고 있다.
광원(2a, 2b)은, 함수 발생기(3)로부터의 트리거 신호에 따라서 강관(P)의 표면상의 동일한 검사 대상 부위에 변별 가능한 조명광(L)을 조사한다. 광원(2a, 2b)은, 검사 대상 부위에 대하여 대칭으로 배치되는 것이 바람직하다. 따라서, 광원(2a, 2b)은, 강관(P) 표면의 법선 벡터에 대하여 동일한 각도만큼 어긋나고, 조명광(L)의 조사 방향 벡터와 강관(P) 표면의 법선 벡터가 동일 평면 형상이 되도록 배치되어 있다. 여기에서 말하는 입사각의 동일성이란, 상이한 방향의 광원을 변별했을 때에 광학 조건을 가능한 한 동일하게 하여, 스케일이나 무해 모양을 포함하는 건전부의 신호를 차분 처리에 의해 크게 저감하는 것을 목적으로 한다. 또한, 건전부의 신호는 대상의 표면 성상에 크게 의존하고, 동일성을 일률적으로 일정 각도로 보증하는 것은 곤란하다. 따라서, 검사 가능한 조건이면, 다소 각도가 상이해도 건전부의 신호를 차분 처리에 의해 저감할 수 있는 한 동일각으로 표현한다. 여기에서 말하는 검사 가능한 조건이란, 정반사 성분을 충분히 배제할 수 있고 또한 광량이 충분한 조건이고, 광량이 충분하면 입사각을 가능한 한 크게 해도 좋은 것으로 한다. 또한, 본 실시 형태에서는, 광원의 수를 2개로 했지만, 변별 가능하면 광원의 수를 3개 이상으로 해도 좋다. 여기에서 말하는 변별 가능한 광원이란, 대상으로부터 얻어지는 반사광에 대해서 각각의 광원별로 반사광량을 구하는 것이 가능해지는 광원을 나타낸다.
에어리어 센서(4a, 4b)는, 함수 발생기(3)로부터의 트리거 신호에 따라서 광원(2a, 2b)으로부터 조사된 조명광(L)의 반사광에 의한 2차원 화상을 촬영한다. 에어리어 센서(4a, 4b)는, 촬영한 2차원 화상의 데이터를 화상 처리 장치(5)에 입력한다. 에어리어 센서(4a, 4b)는, 각각의 촬상 시야를 확보한 상태에서 가능한 한 검사 대상 부위의 법선 벡터상에 설치하는 것이 바람직하다.
또한, 위치 맞춤의 문제를 해결하기 위해, 에어리어 센서(4a, 4b)를 가능한 한 근접시켜, 각각의 광축을 가능한 한 서로 평행하게 하는 것이 바람직하다. 또한, 도 2에 나타내는 바와 같이, 하프 미러(10), 빔 스플릿터 및, 프리즘 중 어느 것을 이용하여 에어리어 센서(4a, 4b)의 광축이 동축이 되도록 조정해도 좋다. 이에 따라, 후술하는 차분 화상을 정밀도 좋게 취득할 수 있다.
화상 처리 장치(5)는, 에어리어 센서(4a, 4b)로부터 입력된 2개의 2차원 화상간에서 후술하는 차분 처리를 행함으로써 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 장치이다. 화상 처리 장치(5)는, 에어리어 센서(4a, 4b)로부터 입력된 2차원 화상이나 표면 결함의 검출 결과에 관한 정보를 모니터(6)에 출력한다.
이러한 구성을 갖는 표면 결함 검출 장치(1)는, 이하에 나타내는 표면 결함 검출 처리를 실행함으로써, 검사 대상 부위에 있어서의 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 변별한다. 여기에서 말하는 표면 결함이란 요철성의 결함으로 한다. 또한, 스케일이나 무해 모양이란, 두께 수 ㎛∼수십 ㎛ 정도의 지철 부분과는 광학 특성이 상이한 표면 피막이나 표면 성상을 갖는 부분을 의미하고, 표면 결함 검출 처리에 있어서 노이즈 요인이 되는 부분이다. 이하, 본 발명의 제1 내지 제3 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에 대해서 설명한다.
[제1 실시 형태]
처음에, 도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에 대해서 설명한다.
도 3은, 광원(2a, 2b)과 에어리어 센서(4a, 4b)의 구동 타이밍을 나타내는 타이밍 차트이다. 도면 중, d는 광원(2a, 2b)의 발광 시간, T는 에어리어 센서(4a, 4b)에 의한 2차원 화상의 촬영 주기를 나타낸다. 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에서는, 광원(2a, 2b)을 플래시 광원으로서 플래시 광원을 서로의 발광 타이밍이 겹치지 않도록 반복하여 발광시킴으로써 광원(2a, 2b)을 변별한다.
즉, 도 3에 나타내는 바와 같이, 본 실시 형태에서는, 처음에, 함수 발생기(3)가 광원(2a) 및 에어리어 센서(4a)에 트리거 신호를 송신하고, 광원(2a)이 조명광(L)을 조사하고, 시간(d) 이내에 에어리어 센서(4a)가 2차원 화상의 촬영을 완료한다. 그리고, 에어리어 센서(4a)에 의한 2차원 화상의 촬영 완료 후에 함수 발생기(3)가 광원(2b)과 에어리어 센서(4b)에 트리거 신호를 송신하고, 동일하게 2차원 화상을 촬영한다. 본 실시 형태에 의하면, 시간차(d)로 광량 저하를 발생하는 일 없이 각 광원으로부터 조사된 조명광(L)에 대한 개개의 반사광에 의한 2차원 화상을 촬영할 수 있다.
또한, 강관(P)의 반송 속도가 빠른 경우에는, 플래시 광원은 발광 시간(d)이 짧은 것이 바람직하다. 이는, 발광 시간(d)이 짧으면 짧을수록, 에어리어 센서(4a, 4b)에 의해 얻어지는 2개의 2차원 화상간의 셔터 지연이 작아져, 셔터 지연에 의한 2차원 화상의 위치 어긋남을 작게 할 수 있기 때문이다. 또한, 개개의 반사광에 의한 2차원 화상의 차분 화상을 이용하여 표면 결함을 검출하는 것을 목적으로 했을 때, 플래시 광원의 발광 시간(d)은 이하의 수식(2)에 나타내는 조건을 만족할 필요가 있다.
발광 시간 d(sec)≤
최소 분해능(㎜/화소)×허용되는 위치 어긋남(화소)/라인 반송 속도(㎜/sec)
… (2)
검출 목표의 표면 결함의 크기를 예를 들면 20㎜로 하면, 경험상, 표면 결함을 검출하기 위해서는 최소 5각(角) 화소의 신호가 필요해지기 때문에, 4㎜/화소의 분해능이 있으면 좋다. 또한, 이 경우, 허용되는 조명광(L)의 조사 타이밍에 의한 위치 어긋남은, 경험상, 0.2화소 이내로 할 필요가 있기 때문에, 강관(P)의 반송 속도가 1, 3, 5m/sec인 경우, 광원(2a, 2b)의 발광 시간은 각각, 800, 270, 160μsec 이하가 아니면 안된다. 또한, 강관(P)의 반송 속도나 반송 방향이 일정한 경우에는, 이 위치 어긋남은 2차원 화상의 촬영 후에 보정할 수 있다.
본 실시 형태에서, 화상 처리 장치(5)는, 에어리어 센서(4a, 4b)로부터 입력된 2차원 화상에 대하여 미리 도출해 둔 카메라 파라미터를 이용하여 캘리브레이션, 셰이딩 보정이나 노이즈 제거 등의 화상 처리를 실시한 후, 2차원 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출한다.
구체적으로는, 광원(2a)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상(Ia)을 구성하는 각 화소의 휘도값을 Ia(x, y)(단, 화소수 X×Y로 하고, x 좌표를 1≤x≤X, y 좌표를 1≤y≤Y로 함), 광원(2b)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상(Ib)을 구성하는 각 화소의 휘도값을 Ib(x, y)로 했을 때, 그 차분 화상 I＿diff의 각 화소의 휘도값 I＿diff(x, y)는 이하에 나타내는 수식(3)으로 나타난다.
Figure pct00003
여기에서, 표면 결함과 결함이 아닌 스케일 및 무해 모양을 촬상한 2차원 화상(Ia, Ib) 및 그 차분 화상 I＿diff의 예를 각각 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c)에 나타낸다. 도 4(a), 도 4(b), 도 4(c)에 나타내는 바와 같이, 건전부에서는, 스케일이나 무해 모양에 상관없이 법선 벡터와 광원(2a)이 이루는 각과 법선 벡터와 광원(2b)이 이루는 각이 동일하기 때문에, 휘도값 Ia(x, y)＝휘도값 Ib(x, y), 즉 휘도값 I＿diff(x, y)＝0이 된다. 그러나, 표면 결함 부분에서는, 표면이 요철 형상을 갖기 때문에, 법선 벡터와 광원(2a)이 이루는 각과 법선 벡터와 광원(2b)이 이루는 각이 동일하지 않은 개소가 반드시 존재하고, 휘도값 Ia(x, y)≠휘도값 Ib(x, y), 즉 휘도값 I＿diff(x, y)≠0이 된다.
따라서, 차분기(11)에 의해 2개의 2차원 화상의 차분 화상을 생성함으로써 결함이 아닌 스케일이나 무해 모양이 제거되어, 표면 결함만을 검출할 수 있다. 그리고, 이와 같이 하여 표면 결함만을 검출하여, 여러가지의 특징량에 의해 표면 결함이 유해한지 여부의 최종적인 평가를 행하고, 모니터(6)에 평가 결과를 표시한다.
또한, 2개의 2차원 화상간에 위치 어긋남이 있고, 차분 화상에 영향을 주는 경우에는, 2차원 로우패스 필터를 사용하여, 2차원 화상간의 위치 어긋남의 영향을 경감시키는 것이 바람직하다. 이 경우, 2차원 로우패스 필터를 H로 하면, 차분 화상의 휘도값 I＇＿diff(x, y)는 이하에 나타내는 수식(4)로 나타난다.
Figure pct00004
또한, 광원(2a, 2b)은 동일한 것을 이용하고, 각 광원은 가능한 한 균일한 평행광이 되도록 조사하고, 검사 대상 부위는 평면에 가까운 쪽이 좋다. 그러나, 표면이 다소 균일하지 않은 경우나 강관(P)과 같이 완만한 곡면에 대한 적용에 있어서도, 일반적인 셰이딩 보정에 의해 표면 결함을 검출할 수 있다.
또한, 조명광(L)의 입사각에 관해서는, 건전부의 반사광에 경면 반사 성분이 들어가지 않고, 또한, 충분한 광량을 확보할 수 있는 범위로 하는 것이 바람직하다. 본 발명의 발명자들은, 조명광(L)의 입사각과 건전부(지철 부분)의 반사율의 관계를 조사하는 실험을 행했다. 실험에 이용한 장치의 구성을 도 5에 나타낸다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 본 실험에서는, 파워 미터(12)를 주조편 샘플(14)의 표면상의 대상 위치에 대한 법선 벡터(l) 상의 위치에 고정한다. 그리고, 이 법선 벡터(l)에 대한 레이저(13)의 입사각(θ)을, 0°에서 90°까지 변화시켰을 때의 파워 미터(12)의 수광량을 계측했다. 실험 결과를 도 6에 나타낸다. 도 6에 나타내는 바와 같이, 입사각(θ)이 0° 내지 20°의 범위 내에서는, 경면 반사 성분이 포함되어 있기 때문에 파워 미터(12)의 수광량은 크지만, 입사각(θ)이 60°이상이 되면 파워 미터(12)의 수광량은 크게 저하한다. 따라서, 조명광(L)의 입사각은, 검출능에 문제가 없는 한은 작게 취하는 쪽이 수광량을 크게 할 수 있다.
검사 대상 부위의 깊이 방향의 분해능은, 결함의 경사각 및 에어리어 센서(4a, 4b)의 분해능에 의존한다. 여기에서, 결함의 경사각이란, 「결함부의 법선 벡터」를 「검사 대상 부위의 건전부 표면의 법선 벡터와 광원 방향 벡터가 이루는 평면」에 정사영하고, 정사영된 벡터와 건전부 표면의 법선 벡터가 이루는 각을 취한 것이다. 검사 대상 부위의 표면 성상에도 의존하지만, 예를 들면 입사각 45°로 입사광을 조사했을 때, 결함의 경사각이 광원 방향에 대하여 약 10° 이상이면, 차분 처리에 의해 결함 신호를 검출할 수 있는 것이 확인되어 있다. 따라서, 1화소의 분해능을 0.5㎜로 가정하면, 이론상 0.5×tan10°＝0.09㎜ 정도의 깊이 방향의 분해능을 갖게 된다.
[제2 실시 형태]
다음에, 도 7을 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에 대해서 설명한다.
본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에서는, 광원(2a, 2b)을 서로 파장 영역이 겹치지 않는 광원으로 함으로써 광원(2a, 2b)을 변별한다. 구체적으로는, 도 7에 나타내는 바와 같이, 광원(2a, 2b)에 파장 영역이 겹치지 않는 2종류의 파장 선택 필터(20a, 20b)를 설치하여, 조명광(L)의 파장 영역을 선택한다. 또한, 동일한 파장 선택 특성을 갖는 파장 선택 필터(21a, 21b)를 에어리어 센서(4a, 4b)에 설치한다.
이러한 구성에 의하면, 광원(2a)으로부터의 조명광(L)의 반사광은 파장 선택 필터(20a, 21a)에 의해 에어리어 센서(4a)에서만 수광되고, 광원(2b)으로부터의 조명광(L)의 반사광은 파장 선택 필터(20b, 21b)에 의해 에어리어 센서(4b)에서만 수광된다. 따라서, 에어리어 센서(4a, 4b)의 촬영 타이밍을 일치시킴으로써, 위치 어긋남 없이 광원(2a, 2b)으로부터의 조명광(L)의 반사광에 의한 2차원 화상을 촬영할 수 있다. 2차원 화상을 촬영한 후의 처리는 제1 실시 형태와 동일하다.
또한, 검사 대상 부위의 이동 속도가 큰 경우에는, 검사 대상 부위의 이동에 의한 위치 어긋남을 방지하기 위해서 광원(2a, 2b)을 플래시 광원으로 하고, 광원(2a, 2b)의 조사 타이밍을 변화시키지 않고 2차원 화상의 촬영 시간을 단축시켜도 좋다. 또한, 파장 선택 필터(20a)를 청색 투과 필터, 파장 선택 필터(20b)를 녹색 투과 필터로 하고, 1대의 컬러 카메라를 이용하여 2차원 화상을 촬영함으로써, 청색 채널에는 광원(2a)으로부터의 조명광(L)의 반사광만이 수광되고, 녹색 채널에는 광원(2b)으로부터의 조명광(L)의 반사광만이 수광되는 것과 같이 구성해도 좋다.
[제3 실시 형태]
다음으로, 도 8을 참조하여, 본 발명의 제3 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에 대해서 설명한다.
본 발명의 제3 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에서는, 광원(2a, 2b)을 서로 직교하는 직선 편광 특성을 갖는 광원으로 함으로써 광원(2a, 2b)을 변별한다. 구체적으로는, 도 8에 나타내는 바와 같이, 광원(2a, 2b)에 직선 편광판(30a, 30b)을 γ° 및 (γ＋90)°(γ는 임의의 각도)로 설치하고, 각각 서로 직교하는 편광 성분의 빛만 투과시킨다. 여기에서, 직선 편광판이란, 입사광에 대하여 일정 방향의 직선 편광 성분만 투과시키는 필터를 의미한다. 또한, 직선 편광판(30a, 30b)과 동일한 직선 편광 특성을 갖는 직선 편광판(31a, 31b)을 γ° 및 (γ＋90)°로 에어리어 센서(4a, 4b)에 설치한다.
이러한 구성에 의하면, 광원(2a)으로부터의 조명광(L)의 반사광은 에어리어 센서(4a)에서만 수광되고, 광원(2b)으로부터의 조명광(L)의 반사광은 에어리어 센서(4b)에서만 수광된다. 따라서, 에어리어 센서(4a, 4b)의 촬영 타이밍을 일치시킴으로써, 위치 어긋남 없이 각 광원으로부터의 조명광의 반사광에 의한 2차원 화상을 촬영할 수 있다.
또한, 검사 대상 부위의 이동 속도가 큰 경우에는, 광원(2a, 2b)을 플래시 광원으로 하고, 광원(2a, 2b)의 조사 타이밍을 변화시키지 않고 2차원 화상의 촬영 시간을 단축시켜도 좋다. 이하, 위치 맞춤 및 2차원 화상 촬영 후의 처리는 제1 및 제2 실시 형태와 동일하다.
[실시예]
본 실시예에서는, 도 9에 나타내는 바와 같이, 광원(2a, 2b)으로서 플래시 광원을 이용하여, 광원(2a, 2b)의 발광 타이밍을 변화시키는 방법을 이용하여 강관(P)의 표면 결함을 검출했다. 에어리어 센서(4a, 4b)는 병렬시켜 2차원 화상을 촬영하고, 화상 처리에 의해 위치 맞춤을 행했다. 도 10에 표면 결함의 검출 처리 결과를 나타낸다. 도 10(a)가 광원(2a)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상, 도 10(b)가 광원(2b)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상, 도 10(c)가 도 10(a)에 나타내는 2차원 화상과 도 10(b)에 나타내는 2차원 화상의 차분 화상이다. 도 10(a)∼도 10(c)에 나타내는 화상의 SN비는 순서대로 3.5, 3.5, 6.0이고, 단순히 한 방향으로부터 조명광(L)을 조사한 경우보다도 차분 화상의 SN비가 향상했다.
도 11은, 스케일이 발생한 강관 부분에 대한 표면 결함 검출 처리 결과를 나타내는 도면이다. 도 11(a)가 광원(2a)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상, 도 11(b)가 광원(2b)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상, 도 11(c)가 도 11(a)에 나타내는 2차원 화상과 도 11(b)에 나타내는 2차원 화상의 차분 화상이다. 도 11(a), 도 11(b)에 나타내는 2차원 화상 전체에 퍼져 있는 흑색 반점이 노이즈가 되는 스케일이다. 스케일의 형상은 평평하기 때문에, 차분 화상을 취득함으로써 스케일의 화상은 제거되었다. 또한, 차분 화상에서는, 단순히 한 방향으로부터 조명광(L)을 조사한 경우와 비교하여, 노이즈가 되는 스케일의 신호가 1/4 정도로 저감되었다.
[변형예 1]
도 12는, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 변형예의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 12에 나타내는 바와 같이, 본 변형예는, 1개의 광원(2a)으로부터 조사된 조명광을 복수의 미러(40a, 40b, 40c, 40d)에 의해 분할하고, 최종적으로 2방향으로부터 강관(P1)의 검사 대상 부위에 조명광을 조사한다. 이 경우, 조명광의 각 광로에 파장 선택 필터(20a, 20b)나 직선 편광판(30a, 30b)을 설치함으로써, 제2 및 제3 실시 형태와 동일한 효과를 얻을 수 있다. 또한, 본 변형예는 조명광을 2방향으로부터 조사하는 것이지만, 3방향 이상으로부터 조명광을 조사하는 경우도 동일하다.
[변형예 2]
도 13은, 본 발명의 제1 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 다른 변형예의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 13에 나타내는 바와 같이, 본 변형예는, 도 7에 나타내는 표면 결함 검출 장치에 있어서, 파장 선택 필터(20a, 20b)에 의해 광원의 파장을 한정하는 것이 아니라, 펄스 레이저(51a, 51b)와 확산판(50a, 50b)을 이용하여 광원의 파장을 한정하는 것이다. 본 변형예에서는, 서로 파장 영역이 상이한 2개의 펄스 레이저(51a, 51b)로부터의 레이저광을 검사 대상 부위의 좌우 방향으로부터 조사하여 광원을 변별한다. 이 때, 펄스 레이저(51a, 51b)로부터 조사된 레이저광을 검사 대상 부위 전역에 조사하기 위해서 레이저광의 광로에 확산판(50a, 50b)을 삽입한다. 또한, 본 변형예는 2방향으로부터 조명광을 조사하는 것이지만, 3방향 이상으로부터 조명광을 조사하는 경우도 동일하다.
[변형예 3]
본 변형예는, 도 7에 나타내는 표면 결함 검출 장치에 있어서, 에어리어 센서(4a, 4b)에 설치하는 파장 선택 필터(21a, 21b) 대신에 다이크로익 미러를 이용하는 것이다. 다이크로익 미러란, 특정의 파장 성분의 빛을 반사하고, 그 외의 파장 성분의 빛을 투과하는 미러이다. 다이크로익 미러를 이용함으로써 파장 선택 필터가 불필요해진다. 또한, 본 변형예는 2방향으로부터 조명광을 조사하는 것이지만, 3방향 이상으로부터 조명광을 조사하는 경우도 동일하다.
(제2 실시 형태)
다음으로, 도 14 내지 도 22를 참조하여, 본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 장치의 구성 및 그 동작에 대해서 설명한다. 또한, 본 실시 형태의 표면 결함 검출 장치의 구성은 상기 제1 실시 형태의 표면 결함 검출 장치의 구성과 동일하기 때문에, 이하에서는 그 구성의 설명을 생략하고, 표면 결함 검출 장치의 동작에 대해서만 설명한다.
본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 장치(1)는, 이하에 나타내는 표면 결함 검출 처리를 실행함으로써, 검사 대상 부위에 있어서의 스케일이나 무해 모양과 요철성의 표면 결함을 변별한다. 또한, 스케일이나 무해 모양이란, 두께 수 ㎛∼수십 ㎛ 정도의 지철 부분과는 광학 특성이 상이한 표면 피막이나 표면 성상을 갖는 부분을 의미하고, 표면 결함 검출 처리에 있어서 노이즈 요인이 되는 부분이다.
[표면 결함 검출 처리]
본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 처리에서는, 화상 처리 장치(5)가, 에어리어 센서(4a, 4b)로부터 입력된 2개의 2차원 화상에 대하여 미리 도출해 둔 카메라 파라미터를 이용하여 캘리브레이션, 셰이딩 보정 및, 노이즈 제거 등의 화상 처리를 실시한 후, 2차원 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 차분 화상을 생성하고, 생성된 차분 화상으로부터 검사 대상 부위에 있어서의 요철성의 표면 결함을 검출한다.
구체적으로는, 광원(2a)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상(Ia)을 구성하는 각 화소의 휘도값을 Ia(x, y)(단, 화소수 X×Y로 하고, x 좌표를 1≤x≤X, y 좌표를 1≤y≤Y로 함), 광원(2b)으로부터 조명광(L)을 조사했을 때에 얻어진 2차원 화상(Ib)을 구성하는 각 화소의 휘도값을 Ib(x, y)로 했을 때, 차분 처리에 의해 얻어지는 차분 화상 I＿diff의 각 화소의 휘도값 I＿diff(x, y)은 이미 서술한 수식(3)으로 나타난다.
여기에서, 도 4에 나타낸 바와 같이, 건전부에서는, 스케일이나 무해 모양의 유무에 상관없이 표면의 법선 벡터와 광원(2a)이 이루는 각과 표면의 법선 벡터와 광원(2b)이 이루는 각이 동일하기 때문에, 휘도값 Ia(x, y)＝휘도값 Ib(x, y), 즉 휘도값 I＿diff(x, y)＝0이 된다. 그러나, 요철성의 표면 결함 부분에서는, 표면이 요철 형상을 갖기 때문에, 표면의 법선 벡터와 광원(2a)이 이루는 각과 표면의 법선 벡터와 광원(2b)이 이루는 각이 동일하지 않은 개소가 반드시 존재하고, 휘도값 Ia(x, y)≠휘도값 Ib(x, y), 즉 휘도값 I＿diff(x, y)≠0이 된다. 따라서, 차분기(11)에 의해 2개의 2차원 화상의 차분 화상 I＿diff를 생성함으로써 표면 결함이 아닌 건전한 스케일이나 무해 모양의 화상을 제거할 수 있다.
다음으로, 차분 화상 I＿diff로부터 요철성의 표면 결함을 검출하는 로직에 대해서 설명한다. 도 14(a), 도 14(b)는 각각, 검사 대상 부위의 표면 형상이 오목 형상 및 볼록 형상인 경우에 있어서의 한쪽의 광원으로부터 검사 대상 부위에 조명광을 조사했을 때의 음영을 나타내는 도면이다. 도 14(a)에 나타내는 바와 같이, 검사 대상 부위의 표면 형상이 오목 형상인 경우, 광원의 앞쪽이 단위 면적당 조사광의 광량 저하에 의해 어두워지고, 광원의 먼쪽이 정반사 방향에 가까워지기 때문에 밝아진다. 이에 대하여, 도 14(b)에 나타내는 바와 같이, 검사 대상 부위의 표면 형상이 볼록 형상인 경우에는, 광원의 앞쪽이 정반사 방향에 가까워지기 때문에 밝아지고, 광원의 먼쪽이 볼록 형상의 그림자가 되어 어두워진다.
즉, 검사 대상 부위의 표면 형상이 오목 형상인 경우와 볼록 형상인 경우에서 조명광의 반사광의 명암 패턴이 상이하다. 따라서, 반사광의 명암 패턴을 인식함으로써 요철성의 표면 결함의 유무를 검출할 수 있다. 여기에서, 이하에서는, 반사광의 명암 패턴을 인식함으로써 요철성의 표면 결함을 검출하는 방법에 대해서 서술한다. 또한, 이하에서는, 요철성의 표면 결함 중, 오목 형상의 표면 결함을 검출하는 것으로 하지만, 볼록 형상의 표면 결함도 동일한 로직으로 검출할 수 있다. 또한, 이하에서 서술하는 명부란, 차분 화상 I＿diff에 있어서 휘도가 소정 문턱값 이상인 화소에 대하여 연결 처리를 행함으로써 얻어지는 소정값 이상의 면적을 갖는 블롭(blob)을 의미한다. 또한, 이하에서 서술하는 암부란, 차분 화상 I＿diff에 있어서 휘도가 소정 문턱값 이하인 화소에 대하여 연결 처리를 행함으로써 얻어지는 소정값 이상의 면적을 갖는 블롭을 가리킨다. 블롭이란 라벨링된 화소의 집합을 의미한다.
본 실시 형태에서는, 문턱값 처리를 행함으로써 명부와 암부를 추출함으로써 명암 패턴을 인식한다. 구체적으로는, 본 실시 형태의 표면 결함 검출 장치(1)에서는, 광원(2a, 2b)은 검사 대상 부위의 법선 벡터에 대하여 좌우 대칭으로 배치되어 있기 때문에, 표면의 요철 형상에 기인하는 반사광의 명암 패턴은 좌우 방향으로 발생한다. 명암의 좌우는 차분 처리의 순서에 따라 반대가 되기 때문에, 여기에서는 우측이 명, 좌측이 암인 경우를 오목 형상, 우측이 암, 좌측이 명인 경우를 볼록 형상으로 한다. 따라서, 오목 형상의 표면 결함의 차분 화상 I＿diff는 도 15에 나타내게 된다. 여기에서, 명부와 암부의 화상을 각각 휘도 문턱값 The, －The에 의해 2치화하면, 명부 및 암부의 2치화 화상 I＿blight, I＿dark는 각각 이하에 나타내는 수식(5)와 같이 나타난다.
Figure pct00005
그리고, 이와 같이 하여 명부 및 암부의 화상을 2치화하고, 필요에 따라서 연결·고립점 제거를 행한 후, 명부 및 암부의 위치 관계를 산출함으로써 요철성의 표면 결함의 유무를 검출한다. 또한, 명부 및 암부의 위치 관계의 산출 방법에는 여러가지의 방법이 있고, 이하에서는 대표적인 3개의 산출 방법을 서술하지만, 그 외의 산출 방법이라도 명부와 암부의 위치 관계를 산출할 수 있으면 좋다.
제1 위치 관계 산출 방법은, 명부 및 암부에 대하여 특정 방향의 팽창 처리를 실시함으로써 명부 및 암부의 위치 관계를 산출하는 방법이다. 본 산출 방법의 플로우차트를 도 16에 나타낸다. 본 실시 형태에서는, 오목 형상의 표면 결함을 검출하기 때문에, 우측이 명, 좌측이 암인 명암의 패턴을 인식하는 경우에 대해서 설명한다. 우측이 명, 좌측이 암이라고 하는 것은 명부의 좌측에는 반드시 암부가 있고, 암부의 우측에는 반드시 명부가 있다는 것이다. 그래서, 본 산출 방법에서는, 처음에, 화상 처리 장치(5)가, 암부에 대하여 우측 방향으로 팽창 처리를 실시하고, 명부에 대해서는 좌측 방향으로 팽창 처리를 실시한다(스텝 S1a, S1b). 여기에서, 팽창 처리가 실시된 명부 및 암부의 화상을 각각 I_blight_extend, I_dark_extend로 하고, 팽창하는 길이를 W로 하면 팽창 처리는 이하에 나타내는 수식(6)과 같이 나타난다. 단, 2차원 화상의 좌측 상부를 원점으로 하여 하방향을 y축 정방향, 우방향을 x축 정방향으로 한다.
Figure pct00006
또한, 본 실시 형태에서는, 명부와 암부를 동일한 길이(W)만큼 팽창시키고 있지만, 팽창되는 길이(W)는 반드시 동일할 필요는 없고, 극단적으로 서술하면 명부 및 암부의 한쪽만에 대하여 팽창 처리를 실시해도 좋다. 또한, 팽창되는 길이(W)는 검출하고 싶은 표면 결함의 크기에도 의존한다.
다음으로, 화상 처리 장치(5)는, 이하에 나타내는 수식(7)과 같이 팽창 처리가 실시된 명부 및 암부의 화상 I_blight_extend, I_dark_extend에 대하여 and 처리를 행함으로써, 팽창 처리가 실시된 명부 및 암부의 화상 I_blight_extend, I_dark_extend의 겹침 부분을 결함 후보부 화상 I_defect로서 추출한다(스텝 S2a, S2b).
Figure pct00007
다음으로, 화상 처리 장치(5)는, 얻어진 각 결함 후보부 화상 I_defect에 대하여, 필요에 따라서 연결·고립점 제거처리를 행한 후, 라벨링 처리를 행함으로써, 결함 후보 블롭 I_defect_blob을 생성한다(스텝 S3). 그리고, 화상 처리 장치(5)는, 각 결함 후보 블롭 I_defect_blob의 특징량을 추출하고, 추출 결과에 기초하여 각 결함 후보 블롭 I_defect_blob이 오목 형상의 표면 결함인지 아닌지를 판별한다(스텝 S4a, S4b). 또한, 결함 후보 블롭 I_defect_blob의 특징량을 조사하기 위해서는, 명부 및 암부의 정보가 필요해지기 때문에, 결함 후보 블롭 I_defect_blob으로부터 명부와 암부를 복원한다.
구체적으로는, 결함 후보부의 우측에는 반드시 명부가 존재하고, 좌측에는 반드시 암부가 존재하기 때문에, 화상 처리 장치(5)는, 결함 후보 블롭 I_defect_blob의 중심을 기점으로 하여 암부 2치화 화상 I_dark를 좌측으로 탐색하고, 최초로 발견된 블롭을 암부 결함 후보 블롭 I_dark_blob으로 한다. 동일하게, 화상 처리 장치(5)는, 결함 후보 블롭 I_defect_blob의 중심을 기점으로 하여 명부 2치화 화상 I_blight를 우측으로 탐색하고, 최초로 발견된 블롭을 명부 결함 후보 블롭 I_blight_blob으로 한다. 그리고, 화상 처리 장치(5)는, 이와 같이 하여 복원된 명부 결함 후보 블롭 I_blight_blob 및 암부 결함 후보 블롭 I_dark_blob으로부터 특징량을 추출하고, 추출된 특징량에 기초하여 각 결함 후보 블롭 I_defect_blob이 오목 형상의 표면 결함인지 여부를 판별한다. 구체적인 특징량은 결함에 따라 상이하기 때문에, 여기에서는 서술하지 않고 후술하는 실시예로 일 예를 든다.
제2 위치 관계 산출 방법에서는, 전술의 문턱값 처리를 행하고, 필요에 따라서 연결·고립점 제거 처리를 행한 후, 명부 및 암부를 추출하여 라벨링을 실시하고, 명부 및 암부의 위치 관계를 인식함으로써 오목 형상의 표면 결함을 검출한다. 구체적으로는, 처음에, 화상 처리 장치(5)는, 라벨링에 의해 명부 및 암부를 개별적으로 인식하여, 명부 및 암부의 중심 정보를 얻는다. 다음으로, 화상 처리 장치(5)는, 명부 및 암부의 중심 정보로부터 각 명부의 우측의 소정 범위 내에 암부의 중심이 존재하는지 아닌지를 판정한다. 그리고, 암부의 중심이 존재하는 경우, 화상 처리 장치(5)는, 쌍이 되는 명부와 암부의 조합을 명암 패턴으로서 인식하고, 명암 패턴의 특징량 해석을 행함으로써, 오목 형상의 표면 결함인지 아닌지를 판별한다. 또한, 여기에서는 중심 정보를 이용하여 명암 패턴을 인식했지만, 명부 및 암부의 위치를 파악할 수 있는 정보(예를 들면 상단 위치나 하단 위치 등)이면, 명암 패턴의 인식에 이용하는 정보는 반드시 중심 정보가 아니어도 좋다.
제3 위치 관계 산출 방법에서는, 전술의 문턱값 처리를 행하지 않고, 필터를 이용하여 명암 패턴을 인식함으로써, 오목 형상의 표면 결함을 검출한다. 구체적으로는, 도 1에 나타내는 표면 결함 검출 장치(1)에서는, 광원(2a, 2b)이 검사 대상 부위의 법선에 대하여 좌우 대칭으로 배치되어 있기 때문에, 표면의 요철에 기인하는 명암 패턴은 좌우 방향으로 발생한다. 도 17(a), 도 17(b)는 각각, 차분 화상의 일 예 및 도 17(a)에 나타내는 선분(L4)에 있어서의 명암 패턴의 1차원 프로파일을 나타내는 도면이다.
도 17(a), 도 17(b)에 나타내는 바와 같이, 오목 형상의 표면 결함에서는 우측이 명, 좌측이 암이기 때문에, 명암 패턴의 1차원 프로파일은 우측이 산형, 좌측이 계곡형인 특징적인 1차원 프로파일이 된다. 그래서, 본 실시 형태에서는, 우측이 산형, 좌측이 계곡형이 되는 바와 같은 필터(H)를 미리 작성하고, 이하의 수식(8)에 나타내는 바와 같이 차분 화상 I_diff에 필터(H)를 사용함으로써, 고주파수의 노이즈가 저감되어, 명암 패턴만이 강조된 2차원 화상 I_cont를 생성한다.
Figure pct00008
도 18(a), 도 18(b)는 각각 미리 작성한 필터(H)의 2차원 화상 및 그 좌우 방향의 1차원 프로파일의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 19(a), 도 19(b)는 각각, 도 18(a), 도 18(b)에 나타내는 필터(H)를 이용한 필터 처리가 실시된 차분 화상 및 그 좌우 방향의 1차원 프로파일의 일 예를 나타내는 도면이다. 도 19(a), 도 19(b)에 나타내는 바와 같이, 고주파수의 노이즈가 저감되어, 명암 패턴만이 강조된 2차원 화상이 얻어지는 것을 알 수 있다.
또한, 필요에 따라서, 폭 방향으로 레인지가 상이한 필터를 수종류 준비해 둠으로써, 많은 표면 결함 사이즈에 대응할 수 있도록 해도 좋다. 화상 처리 장치(5)는, 이와 같이 하여 명암 패턴이 강조된 2차원 화상에 대하여, 필요에 따라서 연결·고립점 제거 처리를 실시한 후, 문턱값 처리를 행함으로써 결함 후보부 화상 I_defect를 추출한다. 그리고, 화상 처리 장치(5)는, 추출된 결함 후보부 화상 I_defect에 대하여 제1 위치 관계 산출 방법과 동일한 처리를 실시함으로써, 오목 형상의 표면 결함을 검출한다.
이상의 설명으로부터 명백한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시 형태인 표면 결함 검출 처리는, 2개의 변별 가능한 광원(2a, 2b)을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 대략 동일한 입사 각도로 조명광(L)을 조사하고, 각 조명광(L)의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 얻어진 화상의 명부 및 암부를 추출하고, 추출된 명부 및 암부의 위치 관계와 조명광(L)의 조사 방향으로부터 요철성의 표면 결함의 유무를 판정하기 때문에, 스케일이나 무해 모양과 요철성의 표면 결함을 정밀도 좋게 변별할 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는, 광원을 좌우 대칭으로 설치했기 때문에 좌우의 명암 패턴을 인식했지만, 광원의 설치 위치가 좌우가 아니라, 상하 대칭 또는 대칭이 아니었다고 해도 동일한 처리에 의해 요철성의 표면 결함을 검출할 수 있다. 구체적으로는, 광원이 상하 대칭으로 배치되어 있는 경우에는, 명암 패턴이 좌우 방향으로부터 상하 방향으로 바뀔뿐이기 때문에, 명암 패턴을 90°회전시키면 동일한 처리에 의해 요철성의 표면 결함을 검출할 수 있다.
또한, 도 20에 나타내는 바와 같이 조명광의 조사 방향이 90°상이하도록 광원(2a, 2b)을 설치한 경우에는, 표면 결함이 오목 형상이면 광원의 앞쪽이 어둡고 먼쪽이 밝아지고, 표면 결함이 볼록 형상이면 광원의 앞쪽이 밝고, 먼쪽이 어두워 진다. 구체적으로는, 표면 결함이 오목 형상인 경우, 광원(2a)으로부터의 조명광에 의해 얻어지는 2차원 화상은 도 21(a)에 나타내는 바와 같이 되고, 광원(2b)으로부터의 조명광에 의해 얻어지는 2차원 화상은 도 21(b)에 나타내는 바와 같이 된다. 이 때문에, 차분 화상은 도 21(c)에 나타내는 바와 같은 좌측 하부로부터 우측 상부에 걸쳐 콘트라스트가 있는 명암 패턴이 된다. 따라서, 명암 패턴을 45°회전시키면, 좌우 방향의 명암 패턴과 동일한 방법에 의해 오목 형상의 표면 결함을 검출할 수 있다. 추가로, 3개 이상의 광원을 이용함으로써, 각각 복수 패턴의 차분 화상을 얻을 수 있기 때문에, 표면 결함의 검출 정밀도를 보다 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시 형태에서는 검사 대상 부위의 법선에 대하여 대칭이 되는 방향으로부터 조명광을 조사한 경우에 대해서 요철성의 표면 결함을 검출했지만, 조명광의 조사 방향은 반드시 대칭일 필요는 없다. 또한, 본 실시 형태의 표면 결함 검출 처리는 열간, 냉간에 상관없이 강재의 제조 라인 전반에 적용할 수 있다.
[실시예]
본 실시예에서는, 피트 결함이 형성되어 있는 검사 대상 부위와 피트 결함이 형성되어 있지 않은 건전한 검사 대상 부위에 대하여 상기 제1 위치 관계 산출 방법을 이용한 표면 결함 검출 처리를 적용했다. 본 실시예에서는, 특징량으로서, 명부 및 암부의 휘도비, 면적비 및, 원형도를 산출했다. 원형도란, 명부 및 암부의 면적을 그 둘레의 길이의 제곱으로 나누어 정규화한 값이고, 명부 및 암부의 형상이 원 형상에 가까운지 아닌지를 판정할 때에 이용된다. 동일 기인의 표면 결함이면, 좌우의 신호에서 휘도나 면적이 현저하게 상이하다는 것은 생각하기 어렵고, 휘도비나 면적비를 이용하여 좌우의 밸런스를 평가함으로써 표면 결함의 검출 정밀도가 향상한다. 또한, 음영을 평가하기 때문에 명부 및 암부가 원 형상이 되는 경우는 거의 없고, 원 형상에 가까운 것은 별도 기인한다고 판단할 수 있기 때문에, 특징량에 원형도를 도입했다. 또한, 명부 및 암부의 면적을 산출하고, 면적이 소정값 이상인 표면 결함만을 검출할 수 있도록 했다. 검출 결과를 도 22에 나타낸다. 도 22에 나타내는 바와 같이, 본 실시예에 의하면, 피트 결함과 피트 결함이 형성되어 있지 않은 건전부를 정밀도 좋게 변별할 수 있는 것이 확인되었다.
[조명광의 입사각 및 표면 결함의 검출능]
다음으로, 본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법을 이용하여 후강판의 표면 결함을 검출하는 경우에 있어서의 조명광의 입사각 및 표면 결함의 검출능에 대해서 검토한다. 도 23은, 본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법을 이용하여 움푹 들어간 흠집으로 불리는 표면 결함을 검출한 결과를 나타내는 도면이다. 도 23에 나타내는 바와 같이, 명암 패턴에 의해 움푹 들어간 흠집을 확실하게 검출할 수 있는 것을 알 수 있다. 그러나, 롤 흠집으로 불리는 표면 결함에 대해서는, 후강판의 폭 방향으로 조명광을 조사했을 때는, 도 24(a)에 나타내는 바와 같이, 롤 흠집의 형상이 가늘고 길기 때문에 결함 신호를 거의 확인할 수 없지만, 후강판의 길이 방향으로 조명광을 조사했을 때에는, 도 24(b)에 나타내는 바와 같이, 결함 신호의 강도가 강해지는 것이 확인되었다.
그래서, 본 발명의 발명자들은, 표면 결함의 형상을 측정하고, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때와 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 표면 결함의 기울기를 계산했다. 또한, 여기에서 말하는 기울기란, 후강판의 각 표면의 법선 벡터와 후강판의 기준면의 법선 벡터를 각각 광원, 에어리어 센서 및, 검사 대상 위치가 이루는 평면에 정사영함으로써 얻어지는 2개의 벡터가 이루는 각도를 의미한다. 도 25에 산출 결과를 나타낸다. 도 25(a)에 나타내는 바와 같이, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 표면 결함의 기울기는 7° 이하인 것에 대하여, 도 25(b)에 나타내는 바와 같이, 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 표면 결함의 기울기는 20°내지 30°정도였다. 또한, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 줄무늬와 같이 보이는 모양은 무해한 스케일 벗겨짐이다. 또한, 동일하게 하여 건전부의 형상을 측정하고, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 건전부의 기울기를 평가한 결과, 도 26에 나타내는 바와 같이, 건전부의 기울기는, 3°내지 5°정도이고, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 있어서의 표면 결함의 기울기와 동일 정도였다. 따라서, 표면 결함의 기울기의 차가 표면 결함의 검출능에 영향을 준다고 생각된다.
이하, 표면 결함의 검출능에 관계된 물리 현상에 대해서 설명하지만, 이 물리 현상을 보다 상세하게 검토하기 위해서 이하에서는 광학계를 모델화한다. 여기에서는, 광학 시뮬레이션에 있어서 폭넓게 이용되고 있는 물리 현상에 입각한 반사 모델의 하나인 Torrance-Sparrow 모델을 간략화한 것을 이용한다(참고문헌(“물체의 음영에 기초하는 광원 환경의 추정”, 사토 등, 정보처리학회 논문지：컴퓨터 비전과 이미지 미디어, Vol.41, No.SIG 10, Dec.2000) 참조). 또한, 본래라면, 광학계를 3차원 모델로 취급해야 하지만, 간략화를 위해 이하에서는 2차원 모델을 이용하는 것으로 한다.
도 27은, 광학계의 2차원 모델의 구성을 나타내는 도면이다. 도 27에 나타내는 바와 같이, 강재 표면(S)(법선 벡터(l))에 대한 광원(2)으로부터의 조명광(L)의 대상 위치로의 입사각을 α, 에어리어 센서(4)에 입사하는 조명광(L)의 반사각을 β, 강재 표면(S)의 기준면의 기울기를 0으로 하여 검사 대상 부위를 마이크로로 파악했을 때의 기울기를 φ, 검사 대상 부위에 대한 광원(2)으로부터의 조명광(L)의 입사 광량을 I0, 검사 대상 부위의 표면 성상을 나타내는 파라미터(벡터량)를 k＝(K1, K2, σ)로 하면, 에어리어 센서(4)에 입사하는 조명광(L)의 광량(i)은 이하에 나타내는 수식(9)로 나타난다.
Figure pct00009
또한, 수식(9) 중의 R은, 조명광(L)의 반사 강도의 함수를 나타내고, 이하에 나타내는 수식(10)에 의해 산출된다.
Figure pct00010
여기에서, 수식(10)의 우변 제1항은 조명광(L)의 확산 반사의 강도를 나타내고, 제2항은 조명광(L)의 경면 반사의 강도를 나타내고, 조명광(L)의 반사 강도는 제1항과 제2항의 합으로 나타난다. 확산 반사에서는, 조명광(L)은, 검사 대상 부위에 입사한 후, 전방위로 확산된다. 한편, 경면 반사에서는, 조명광(L)은 검사 대상 부위의 법선 벡터에 대하여 대칭인 방향으로 가장 강하게 반사되고, 조명광(L)의 강도는 그 방향으로부터 떨어짐에 따라서 가우스 함수적으로 감쇠한다. 또한, k＝(K1, K2, σ)는 검사 대상 부위의 표면 성상에 기인하는 항이고, 경면 반사의 확산 정도나 경면 반사 및 확산 반사의 강도비를 결정한다. 단, 입사각 α 및 기울기 φ가 조건:π/2≤α＋φ 또는 α＋φ≤－π/2를 만족하는 경우에는, 검사 대상 부위 그 자체가 그림자가 되어 조명광(L)이 조사되지 않기 때문에, 조명광(L)의 반사 강도는 0이 된다.
이러한 2차원 모델을 이용하여 에어리어 센서(4)가 수광하는 화상 신호의 강도를 표현하고, 한쪽(좌측)의 광원으로부터 조명광을 조사했을 때 및 다른 한쪽(우측)의 광원으로부터 조명광을 조사했을 때의 검사 대상 부위의 화상상의 어느 점(이후 대상면으로 기재함)의 휘도(i1, i2)를 산출하면, 휘도(i1, i2)는 이하에 나타내는 수식(11), (12)에 의해 나타난다.
Figure pct00011
Figure pct00012
여기에서, 수식(11), (12) 중, I1, I2는 대상면으로의 조명광(L)의 입사 광량, α1, α2는 대상면의 대상 위치에 대한 각 광원으로부터의 조명광의 입사각, β는 에어리어 센서(4)에 입사하는 조명광(L)의 반사각, φ는 대상면의 기준면의 기울기를 0으로 하여 대상면을 마이크로로 파악했을 때의 기울기, k는 대상면의 표면 성상을 나타내는 파라미터이다.
휘도(i1, i2)를 산출하면, 다음으로, 광원(2)의 광량 편차나 광학 조건에 있어서의 편차를 제거하기 위해, 휘도(i1, i2)에 대하여 셰이딩 보정을 실시한다. 셰이딩 보정에는 여러가지의 방법이 있지만, 여기에서는 일반적으로 잘 사용되고 있는, 각 화소의 휘도를 종방향으로 더하여 평균을 취한 행 벡터(「종방향 평균 벡터」라고 불림)를 작성하고, 화상의 모든 행에 대해서 종방향 평균 벡터로 뺄셈·나눗셈을 행하고, 추가로 신호를 정수배하여 정규화하는 방법에 의해 행했다. 또한, 그 결과의 화상에 대하여, 추가로 횡방향도 동일한 처리를 행하여 셰이딩 보정으로 했다. 상세하게는, 대상면이 건전부인 경우의 신호를 i10, i20, 건전부의 표면 성상을 k0으로 나타내면, 이하에 나타내는 수식(13), (14)와 같이 나타난다.
Figure pct00013
Figure pct00014
따라서, 셰이딩 보정 후의 화상과 차분 화상상의 휘도값은 이하에 나타내는 수식(15)∼(17)과 같이 나타난다. 또한, 수식(15)는 셰이딩 보정 후의 휘도(i1)를 나타내고, 수식(16)은 셰이딩 보정 후의 휘도(i2)를 나타내고, 수식(17)은 차분 화상상의 휘도를 나타내고 있다.
Figure pct00015
본 검토에서는, 상기 모델을 이용하여 건전부 및 표면 결함부의 화상 신호의 강도로부터 조명광의 입사각의 최적의 범위를 도출했다. 도출에 있어서는, 최초에, 강재 표면의 표면 성상을 나타내는 파라미터를 실험적으로 구했다. 구체적으로는, 실제로 일반적인 표면 성상을 갖는 강재의 화상을 에어리어 센서로 촬영하고, 동일한 광학계를 시뮬레이션하여 구한 이론적인 화상 신호의 휘도 프로파일(이론 곡선)에 대하여 실제의 화상 신호의 휘도 프로파일(화상 프로파일)의 대조를 행했다. 대조의 결과를 도 28, 실험에 이용한 광학계의 구성을 도 29에 나타낸다. 그 결과, 강재 표면의 표면 성상을 나타내는 파라미터는 k＝(K1, K2, σ)＝(1000, 200, 0.21)로 구해졌다.
다음으로, 구해진 표면 성상을 나타내는 파라미터(k)를 이용하여, 조명광의 입사각 α가 45°, 60°, 75°일 때의 표면 결함의 경사면 각도(기울기)의 변화에 대한 신호 강도의 변화를 시뮬레이션했다. 여기에서, 간이화를 위해, 에어리어 센서의 촬영 방향은 기준면의 법선상, 즉 β＝0으로 하고, 좌우 대칭인 위치로부터 조명광을 조사하여, 표면 결함부 및 건전부에 있어서의 표면 성상을 나타내는 파라미터는 동일한 것으로 했다. 또한, 이 표면 결함 검출 처리에 있어서 기여하는 항은 강재 표면의 기울기이다. 도 30은, 조명광의 결함 위치로의 입사각 α가 45°, 60°, 75°일 때의 표면 결함의 경사면 각도의 변화에 대한 신호 강도의 변화를 나타내는 도면이다. 도 30에 나타내는 바와 같이, 표면 결함의 경사면 각도가 커지면 커질수록, 신호 강도가 커지고 있다. 즉, 후강판의 폭 방향, 즉 롤 흠집에 관하여 폭 방향으로부터 조명광을 조사한 경우, 표면 결함부의 기울기가 표면 성상과 동등한 기울기이기 때문에, 신호 강도는 표면 성상과 크게 바뀌지 않는다. 이에 대하여, 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사한 경우에는, 표면 결함부의 기울기가 건전부의 기울기와 비교하여 크기 때문에, 신호 강도가 커져, 표면 결함을 검출할 수 있다.
또한, 본 예는, 후강판의 폭 방향으로 긴 표면 결함의 예이지만, 후강판의 길이 방향으로 긴 표면 결함도 동일하게 존재한다. 따라서, 표면 결함을 놓치는 것을 억제하고, 모든 표면 결함을 검출하기 위해서는, 후강판의 폭 방향 및 길이 방향의 2방향으로부터 조명광을 조사할 필요가 있다. 또한, 경사 방향으로 긴 표면 결함도 존재하기 때문에, 단순히 경사 방향으로부터 조명광을 조사해도 놓치는 일이 발생한다. 이 때문에, 이 경우에 있어서도, 후강판의 폭 방향 및 길이 방향의 2방향으로부터 조명광을 조사할 필요가 있다.
[표면 결함의 검사 범위 및 노이즈 요인]
마지막으로, 표면 결함의 검사 범위 및 노이즈 요인에 대해서 검토한다. 본 발명은, 2개 이상의 상이한 방향으로부터 검사 대상 부위에 조명광을 조사하여 차분 화상을 취득하는 것을 특징으로 하고 있지만, 이하에서는 간이화를 위해 강재 표면의 법선 벡터에 관하여 서로 대칭인 경사 방향으로부터 조명광을 조사하는 경우를 예로 하여, 광학계의 조건에 대해서 검토한다. 이 경우, 한쪽의 광원으로부터 조명광을 조사했을 때(편의상, 우방향으로부터의 조사로 함)와 다른 한쪽의 광원으로부터 조명광을 조사했을 때(편의상, 좌방향으로부터의 조사로 한다)에 조명광의 입사 및 반사에 관한 조건은 동일한 것이 바람직하다.
여기에서 말하는 조건이 동일하다는 것은, 요철이 없는 평면상에 있어서, 조명광의 입사각 및 반사각이 동일한 것을 의미한다. 조건이 동일한 것이 바람직한 이유는, 좌방향 및 우방향에서 조명광의 입사각이나 반사각이 상이하면, 표면 자체가 갖는 경면성이나 확산성과 같은 표면 성상의 변화가 그대로 노이즈 요인이 되어, 표면 결함의 검출이 저해되기 때문이다. 본 발명을 후강판에 적용한 예를 도 31(a), 도 31(b)에 나타낸다. 도 31(a)는 건전부 표면에 있어서의 조명광의 반사 모델을 나타내고, 도 31(b)는 확산성이 높은 표면에 있어서의 조명광의 반사 모델을 나타내고 있다. 또한, 도 31(a), 도 31(b)에 있어서 선의 굵기가 조명광의 광량을 나타내고 있다.
도 31(a), 도 31(b)에 나타내는 바와 같이, 건전부와 비교하여 확산성이 높은 표면에 있어서 좌방향과 우방향에서의 조명광의 조사 밸런스가 붕괴된 경우, 우방향으로부터의 조명광(L2)에 대해서는, 경면 반사 조건에 가깝기 때문에, 건전부에 있어서의 반사광(RL2)의 강도와 비교하여 확산성이 높은 표면에 있어서의 반사광(RL2)의 강도가 낮아진다. 이에 대하여, 좌방향으로부터의 조명광(L1)에 대해서는, 확산 반사 조건에 가깝기 때문에, 건전부에 있어서의 반사광(RL1)의 강도와 비교하여 확산성이 높은 표면에 있어서의 반사광(RL1)의 강도가 높아진다. 이 때문에, 건전부의 표면 성상을 나타내는 신호를 이용하여 얻어진 화상 신호에 대하여 셰이딩 보정을 행한 경우, 확산성이 높은 표면에 있어서의 화상 신호는 건전부에 있어서의 신호 강도와는 상이하다. 또한, 전술의 경면 반사 조건이란, 건전부 표면의 법선 벡터에 대하여 광원과 에어리어 센서가 대칭인 위치에 존재하는 조건, 즉 조명광의 입사각과 반사각이 동일한 조건을 말한다.
따라서, 조명광을 우방향으로부터 조사했을 때에 얻어진 화상과 조명광을 좌방향으로부터 조사했을 때에 얻어진 화상의 차분 화상을 취하면, 표면 결함부의 화상 신호값은 건전부와 동일한 표면 부분과 비교하여 높아진다. 이러한 표면 성상 기인의 경면성 및 확산성의 변화는 광원이 에어리어 센서의 광축에 대하여 좌우 대칭이 되는 광학계, 즉 시야 중심에서는 발생하지 않기 때문에, 조명광의 좌우의 투수광각(projecting/receiving angles of the illumination light)의 밸런스의 붕괴가 본 수법의 노이즈 요인이라고 생각된다. 후강판으로부터 얻어진 차분 화상의 예를 도 32에 나타낸다. 도 32에 나타내는 예에서는, 시야의 위치에 따라 표면 결함의 보이는 방식이 상이하다. 차분 화상에 있어서 시야의 좌측(도 32(a))에서는 전체적으로 밝게 되어 있고, 우측(도 32(c))에서는 전체적으로 어둡게 되어 있다. 그 이유는 표면 결함부의 확산성이 높기 때문에, 경면 반사 조건으로부터 멀어지면 건전부와 비교하여 신호 강도가 높아지기 때문이다. 이 때문에, 시야 중앙(도 32(b))에서는 명암 패턴을 확실하게 확인할 수 있지만, 시야단(each end of the field of view)에서는 확산성에 의해 화상 휘도에 오프셋이 발생하여 명부 또는 암부만으로 되어 있다. 따라서, 본 발명에서는 명암 패턴을 이용하여 표면 결함을 검출하기 때문에, 시야단에서는 표면 결함을 검출하는 것이 곤란해진다.
도 33(a), 도 33(b)는 각각, 요철이 없는 표면에 확산성이 높은 스케일이 부착되어 있는 후강판에 대하여 우측 방향 및 좌측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상을 나타내는 도면이다. 도 34는, 우측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상과 좌측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상의 차분 화상을 나타내는 도면이다. 여기에서, 시야 중에서 좌측 방향으로부터 조사한 경우에 있어서의 화면 좌측을 「앞쪽」, 화면 우측을 「먼쪽」, 우측 방향으로부터 조사한 경우에 있어서의 화면 좌측을 「먼쪽」, 화면 우측을 「앞쪽」으로 표현한다.
도 34에 나타내는 바와 같이, 좌측 방향 및 우측 방향의 어느 방향으로부터의 조사라도, 앞쪽의 정반사에 가까운 조건에서는, 스케일과 건전부의 사이에 휘도의 차가 없고, 먼쪽의 스케일이 주위의 건전부와 비교하여 밝게 되어 있다. 따라서, 우측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상과 좌측 방향으로부터 조명광을 조사했을 때에 얻어진 화상의 차분 화상을 취하면, 각 스케일부에 있어서, 평탄부에도 불구하고 좌측 방향에서는 높고, 우측 방향에서는 낮은 신호가 되어 버려, 요철부를 검출할 수 없다.
그래서, 조명광의 좌우의 투수 광각의 밸런스를 정량적으로 평가하기 위해, 실제의 시료를 이용하여 시험을 행했다. 시료는 요철이 작고 스케일 벗겨짐에 의해 국소적으로 경면성 및 확산성이 크게 상이한 것을 선정하고, 트윈 투광 차분 방식을 적용한 경우에 있어서의 시료의 차분 화상에 있어서 노이즈 신호를 평가했다. 실험에 이용한 광학계를 도 35에 나타낸다. 도 35에 나타내는 바와 같이, 시료(S)의 중심(Sc)에 대한 법선 벡터(l)와 에어리어 센서(4)의 광축이 일치하도록, 에어리어 센서(4)를 설치했다. 추가로, 에어리어 센서(4)의 광축에 대하여 대칭이 되는 위치에 광원(2)을 2개 설치했다. 광원(2)과 시료(S)의 중심(Sc)과 에어리어 센서(4)가 이루는 각을, 광원(2)으로부터의 조명광의 입사각(θ)으로 하고, θ＝30°, 40°, 50°, 60°, 70°, 80°로 하여 조명광을 좌우 방향으로부터 조사했을 때의 화상을 얻었다. 그리고, 동일한 입사각(θ)에 대한 좌우 방향으로부터 조명광을 조사한 2매의 화상을 이용하여 차분 화상을 산출했다.
이하에 차분 화상의 평가 방법을 서술한다. 우선 각 차분 화상의 광량 불균일을 제거하기 위해 셰이딩 보정을 행한다. 셰이딩 보정 방법은, 전술의 수식(6), (7)에 상당하는 건전부를 1매의 화상으로부터 산출하는 것이 곤란했기 때문에, 우선 각 화소의 휘도를 종방향으로 더하여 평균을 취한 행 벡터(「종방향 평균 벡터」라고 불림)를 작성하고, 화상의 모든 행에 대해서 종방향 평균 벡터로 뺄셈·나눗셈을 행하고, 추가로 신호를 정수배하여 정규화함으로써 행했다. 또한, 그 결과의 화상에 대하여, 추가로 횡방향도 동일한 처리를 행하여 셰이딩 보정으로 했다. 이와 같이 하여 셰이딩 보정을 실시한 화상의 차분 화상을 취한 결과를 도 36에 나타낸다. 또한, 도 36에서는, 시야를 확보하기 위해 동일한 표면 성상의 시료를 2매 횡으로 배열하여 시험을 실시했기 때문에, 중앙부에 조인트가 발생하지만, 그 부분은 제외하고 주변의 화소로 보충하고 있다. 도 36에 나타내는 바와 같이, 조명광의 입사각(θ)이 커짐에 따라 노이즈 신호가 없는 범위가 넓어지고 있는 모습을 확인할 수 있었다. 또한, 입사각(θ)이 70°, 80°인 경우에는, 표면의 미세한 요철에 기인하는 신호가 강조되어 노이즈 요인이 되고 있어, 표면 성상 기인의 노이즈와 구별하는 것이 곤란하기 때문에 이후의 검토로부터 제외한다.
본 결과에 대해서, 폭 방향에 있어서의 노이즈 신호의 분포를 정량적으로 평가하기 위해서, 길이 방향에 관해서 노이즈 신호 강도의 표준 편차를 산출했다. 산출 결과를 도 37에 나타낸다. 도 37에 나타내는 바와 같이, 길이 방향 단부에 가까워질수록, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 증대하고 있다. 여기에서, 폭 방향의 위치에 따라 편차가 크기 때문에, 도 37에 나타내는 파형에 대하여 이동 평균 필터 처리를 실시하여 파형을 완만하게 했다. 그 결과, 도 38에 나타내는 바와 같이, 중심부에 있어서 가장 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 작아 2 정도이고, 단부를 향함에 따라서 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 증대했다. 검출하고자 하는 표면 결함의 신호 강도는 15 정도이기 때문에, 일반적으로 검출 가능하다고 되어 있는 SN비 3 이상을 확보하고자 하면, 노이즈 신호 강도의 표준 편차는 5 이하가 아니면 안된다.
그래서, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 되는 범위의 길이를 측정하고, 추가로 그 범위의 양단에 있어서의 조명광의 투수 광각의 조건 및 시료 중심부의 광학계로부터의 오차(투수광 차이) Δθ를 계산했다. 여기에서 말하는 투수광 차이 Δθ란, 검사 대상 부위에 있어서의 조명광의 결함 위치로의 입사각 α 및 반사각 β를 이용하여 이하에 나타내는 수식(18)로 나타나고, 조명광의 투수 광각이 시료 중심(Sc)에 조사한 경우와 비교하여 정반사 방향으로 어느 만큼 가까워졌는지 또는 멀어졌는지를 나타내는 값이다. 부호는, 정반사로부터 멀어지는 방향을 양으로 하고 있다. 산출 결과를 도 39, 도 40에 나타낸다. 도 39는, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 되는 범위의 단부에 있어서의, 조명광의 입사각의 변화에 대한 앞쪽 및 먼쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ의 변화를 나타내는 도면이다. 도 40은, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 되는 범위의 단부에 있어서의, 조명광의 입사각의 변화에 대한 앞쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ1과 먼쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ2의 차의 절대값의 변화를 나타내는 도면이다.
도 39에 나타내는 바와 같이, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 되는 범위의 단부에 있어서, 앞쪽 및 먼쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ1, Δθ2는 조명광의 입사각에 따라서 변화하고 있다. 그리고, 도 40에 나타내는 바와 같이, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 되는 범위의 단부에서는, 조명광의 입사각에 관계없이 앞쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ1과 먼쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ2의 차의 절대값 ｜Δθ1－Δθ2｜이 22°보다 크게 되어 있다. 이로부터, 앞쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ1과 먼쪽에 있어서의 투수광 차이 Δθ2의 차의 절대값｜Δθ1－Δθ2｜이 22°이하이면, 노이즈 신호 강도의 표준 편차가 5 이하가 된다고 할 수 있다. 따라서, 시료 중심부의 광학계로부터 조사각 및 수광각이 상기 조건을 충족하도록 본 발명에 의한 표면 결함 검출 처리를 실행하면, 표면 성상에 기인하는 노이즈가 어느 정도 억제되는 것을 알 수 있다.
Figure pct00016
여기에서, 상기 검토는 2차원 모델을 이용하여 행했지만, 상기 검토를 3차원 모델로 확장한다. 이 경우, 2개의 광원 중 한쪽의 광원으로부터 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a1, 검사 대상 부위에 있어서의 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 에어리어 센서(4) 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b1, 2개의 광원 중 다른 한쪽의 광원으로부터 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a2, 검사 대상 부위에 있어서의 다른 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 에어리어 센서(4) 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b2로 나타내면, 벡터 a1, b1, a2, b2는 이하에 나타내는 수식(1)을 충족하면 좋다. 즉, 벡터 a1, b1을 이용하여 Δθ1을, 벡터 a2, b2를 이용하여 Δθ2를 표현하고 있다. 또한, 상기의 설명에서는, 강재는 후강판인 것으로 했지만, 본 발명은 박강판에 대해서도 동일하게 적용 가능하다.
Figure pct00017
여기에서, 〈〉는 내적을 나타내고, ∥∥는 노름을 나타낸다.
또한, 본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법을 이용하여 후강판의 표면 결함을 검출하는 경우에 있어서 전체폭 검사를 가정하면, 후강판의 판폭이 넓기 때문에, 에어리어 센서나 광원의 대수가 방대해져, 검사에 많은 비용이 필요시된다. 여기에서, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사하는 경우와 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사하는 경우의 2개의 경우를 생각한다. 상기 수식(18)에 나타내는 조건을 만족하는 광학계를 설계하는데 있어서, 후강판의 폭 방향에 있어서 조건을 만족하도록 광학계를 설계하고자 하면, 에어리어 센서 1대당의 폭 방향 시야를 제한하도록 광학계를 설계하지 않으면 안되어, 에어리어 센서의 대수를 늘릴 필요가 있다.
그러나, 에어리어 센서 1대당의 길이 방향 시야에 관해서는, 후강판의 이동 속도에 맞추어 캡처링 주기를 설계함으로써 임의로 설계할 수 있다. 그래서, 후강판의 폭 방향 및 길이 방향의 2방향 중, 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사하는 경우, 환언하면, 2개의 광원에 의해 조사되는 조명광 중 하나의 조명광의 조사 방향이 강재의 길이 방향에 평행인 경우만 수식(1)에 나타내는 조건을 만족하도록 광학계를 설계하고, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사하는 경우는 보조적으로 이용하도록 하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 비용을 억제하면서 최적의 광학계로 검사할 수 있다.
마지막으로, 수식(1)에 나타내는 조건을 충족시키는 광학계를 이용하여 후강판의 표면 결함을 검출한 실험 결과를 나타낸다. 도 41은, 실험에서 이용한 광학계의 구성을 나타내는 개략도이다. 도 35와 동일한 것에는, 동일한 부호를 붙였다. 에어리어 센서(4), 2개의 광원(2), 시료(후강판)(S) 및 시료 중심(Sc)의 위치 관계는, 도 35와 동일하다. 도 41에 나타내는 광학계에서는, 조명광의 입사각(θ)은 70°, 에어리어 센서의 해상도는 1.0㎜/pixel, 검사 범위는 350㎜×270㎜로 했다. 도 42는 표면 결함의 검출 결과를 나타낸다. 도 42(d)에 나타내는 바와 같이, 표면 결함부의 화상이 명암 패턴을 갖고, 표면 결함을 검출할 수 있는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 표면 결함의 검출 결과는 명부와 암부를 팽창시켜 겹친 부분을 나타내고 있고, 신호 강도의 문턱값은 15로 했다.
또한, 도 43은, 버 눌려짐 흠집으로 불리는 길이 방향으로 긴 표면 결함의 검출 결과를 나타내는 도면이다. 도 43(c)에 나타내는 바와 같이, 후강판의 길이 방향으로부터 조명광을 조사한 경우는 신호 강도가 매우 낮지만, 도 43(b)에 나타내는 바와 같이, 후강판의 폭 방향으로부터 조명광을 조사한 경우에는 명암 패턴을 확실하게 확인할 수 있었다. 또한, 도 44는, 후강판의 길이 방향만 시야를 억제하여 표면 결함을 검사한 결과를 나타내는 도면이다. 여기에서는, 검사 대상은 표면 성상이 나쁜 강판으로 했다. 도 44에 나타내는 바와 같이, 조명광의 투수 광각의 밸런스가 나쁜 위치는 노이즈 요인이 되고, 검사 범위를 한정함으로써 투수 광각의 밸런스가 좋은 조건에서 검사할 수 있는 것이 확인되었다.
이상, 본 발명자들에 의해 이루어진 발명을 적용한 실시의 형태에 대해서 설명했지만, 본 실시 형태에 의한 본 발명의 개시된 일부를 이루는 기술 및 도면에 의해 본 발명이 한정되는 일은 없다. 예를 들면, 본 발명에 따른 표면 결함 검출 방법을 이용하여 강재의 표면 결함을 검출하여, 검출 결과에 기초하여 강재를 제조하도록 해도 좋다. 이와 같이, 본 실시 형태에 기초하여 당업자 등에 의해 이루어지는 다른 실시의 형태, 실시예 및, 운용 기술 등은 모두 본 발명의 범주에 포함된다.
(산업상의 이용 가능성)
본 발명에 의하면, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별 가능한 표면 결함 검출 장치 및 표면 결함 검출 방법을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 의하면, 스케일이나 무해 모양과 표면 결함을 정밀도 좋게 변별하고, 변별 결과에 기초하여 강재를 제조 가능한 강재의 제조 방법을 제공할 수 있다.
1 : 표면 결함 검출 장치
2a, 2b : 광원
3 : 함수 발생기
4a, 4b : 에어리어 센서
5 : 화상 처리 장치
6 : 모니터
L : 조명광
P : 강관

Claims (7)

  1. 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 장치로서,
    2개 이상의 변별 가능한 광원을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 조명광을 조사하는 조사 수단과,
    각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 상기 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 검출 수단을 구비하고,
    2개의 광원 중 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a1, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b1, 2개의 광원 중 다른 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a2, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 다른 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b2로 했을 때, 상기 검사 대상 부위에 있어서 벡터 a1, 벡터 b1, 벡터 a2 및, 벡터 b2가 이하에 나타내는 수식 (1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 장치.
    Figure pct00018

    여기에서, 〈〉는 내적을 나타내고, ∥∥는 노름을 나타낸다.
  2. 제1항에 있어서,
    2개의 광원에 의해 조사되는 조명광 중 1개의 조명광의 조사 방향이 강재의 길이 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 장치.
  3. 강재의 표면 결함을 광학적으로 검출하는 표면 결함 검출 방법으로서,
    2개 이상의 변별 가능한 광원을 이용하여 동일한 검사 대상 부위에 상이한 방향으로부터 조명광을 조사하는 조사 스텝과,
    각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하고, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 상기 검사 대상 부위에 있어서의 표면 결함을 검출하는 검출 스텝을 포함하고,
    2개의 광원 중 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a1, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b1, 2개의 광원 중 다른 한쪽의 광원으로부터 상기 검사 대상 부위에 입사된 조명광의 정반사 방향을 나타내는 벡터를 a2, 상기 검사 대상 부위에 있어서의 상기 다른 한쪽의 광원으로부터 입사된 조명광의 상기 화상을 촬영하는 촬영 수단 방향으로의 반사 방향을 나타내는 벡터를 b2로 했을 때, 상기 검사 대상 부위에 있어서 벡터 a1, 벡터 b1, 벡터 a2 및, 벡터 b2가 이하에 나타내는 수식(1)을 만족하는 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 방법.
    Figure pct00019

    여기에서, 〈〉는 내적을 나타내고, ∥∥는 노름을 나타낸다.
  4. 제3항에 있어서,
    2개의 광원에 의해 조사되는 조명광 중 1개의 조명광의 조사 방향이 강재의 길이 방향에 평행인 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 방법.
  5. 제3항 또는 제4항에 있어서,
    상기 조사 스텝은, 2개 이상의 플래시 광원을 서로의 발광 타이밍이 겹치지 않도록 반복하여 발광시킴으로써 조명광을 조사하는 스텝, 및/또는, 2개 이상의 서로 파장 영역이 겹치지 않는 광원의 조명광을 동시에 조사하는 스텝을 포함하고,
    2개 이상의 서로 파장 영역이 겹치지 않는 광원의 조명광을 동시에 조사하는 경우, 상기 검출 스텝은, 서로 섞인 각 조명광의 반사광을 조명광의 파장과 동일한 파장을 갖는 빛을 투과하는 필터를 이용하여 분리함으로써 각 조명광의 반사광에 의한 화상을 취득하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 방법.
  6. 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 검출 스텝은, 취득한 화상간에서 차분 처리를 행함으로써 얻어진 화상의 명부 및 암부를 추출하고, 추출된 명부 및 암부의 위치 관계와 상기 조명광의 조사 방향으로부터 요철성의 표면 결함의 유무를 판정하는 제1 판정 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 표면 결함 검출 방법.
  7. 제3항 내지 제6항 중 어느 한 항에 기재된 표면 결함 검출 방법을 이용하여 강재의 표면 결함을 검출하고, 검출 결과에 기초하여 강재를 제조하는 스텝을 포함하는 것을 특징으로 하는 강재의 제조 방법.
KR1020177036964A 2015-06-25 2016-06-22 표면 결함 검출 장치, 표면 결함 검출 방법 및, 강재의 제조 방법 KR20180009792A (ko)

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