JP7207443B2 - 表面欠陥検出装置、表面欠陥検出方法、鋼板の製造方法、鋼板の品質管理方法、及び、鋼板の製造設備 - Google Patents

Description

本発明は、表面欠陥検出装置、表面欠陥検出方法、鋼板の製造方法、鋼板の品質管理方法、及び、鋼板の製造設備に関する。

近年、素材製造プロセスにおいては、素材表面の外観の美麗さに対する評価が厳しくなっている。例えば、乗用車や配電盤などに使用される平板状物体である鋼板は、強度や靱性などの機能面に加えて、表面に微小な凹凸や疵がないことが要求される。これは、外観の良し悪しに着目した評価基準である。したがって、機能的には全く問題がなくても、外観が悪いだけで製品としては不適合品と判定されることも少なくない。

外観上の問題となる欠陥の中には、縞状の凹凸欠陥がある。縞状の凹凸欠陥は、表面に生じるうねり状の凹凸欠陥であって、ある特定の方向に凹凸の変動が生じるものを意味する。例えば、鋼板製造プロセスにおける熱延後の鋼板の酸洗処理工程において、鋼板表面に「腰折れ」と呼ばれる微小な縞状の凹凸欠陥が生じることがある。腰折れは、高さで約１０［μｍ］オーダー、ピッチで約１０［ｍｍ］オーダーの微小な凹凸を有するうねり状欠陥であり、鋼板の搬送方向に沿って発生する。この腰折れは、塗装や鍍金により鏡面性が向上すると顕在化し、外観上の問題となることが多い。

従来、縞状の凹凸欠陥を検出する技術としては、光の照射や反射を利用したものが知られている。例えば、特許文献１には、移動する鋼板などの表面に線状のレーザー光を照射し、被測定位置をエリアイメージングセンサで撮像して、撮像された線状光の形状から表面の凹凸情報を取得する方法が開示されている。また、特許文献２には、平行光を被測定対象に照射して反射光をスクリーンに投影し、その明暗パターンに対して演算を行うことで、被測定対象の縞状の凹凸欠陥を検出する方法が開示されている。また、特許文献３には、鋼板表面に波長１０．６［μｍ］以上の光を照射し、微小の凹凸欠陥の各点から鏡面反射された光の集束及び発散によって得られる明点及び暗点に基づいて、凹欠陥及び凸欠陥をそれぞれ検出する方法が開示されている。また、特許文献４には、鏡面または半鏡面の測定対象に映り込んだ複数のパターンを撮影し、映り込んだパターンのゆがみから表面の凹凸を計測する方法が開示されている。

特開２０１０－７９８４１号公報 特開平０５－２５６６３０号公報 特開２０１１－１７４９４２号公報 特開２００８－２２４３４１号公報

しかしながら、特許文献１～４に開示されたいずれの方法であっても、上述した腰折れによる縞状の凹凸欠陥の検出が困難である。すなわち、例えば、酸洗後の鋼板は、表面が粗く拡散反射が支配的であり、計測したい反射光の強度は入射光に対して大きく低下する。特許文献１～４に開示された方法のように、反射光の位置変動や光量分布パターンに基づいて計測を行う場合には、反射光を投影するためのスクリーンを設置することがあるが、センサが反射光を検出できるだけの光量を確保することが困難であると考えられる。また、スクリーンを撮像素子に置き換えると、撮像素子と同程度のサイズまで反射光を十分に集光できないなどの理由によって、反射光の計測ができなくなる場合がある。

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、物体の表面の凹凸欠陥を精度良く検出することができる表面欠陥検出装置、及び、表面欠陥検出方法を提供することである。また、本発明の他の目的は、物体の表面の凹凸欠陥を精度よく検出して鋼材の製造歩留まりを向上可能な鋼板の製造方法、及び、鋼板の製造設備を提供することである。さらに、本発明の他の目的は、物体の表面の凹凸欠陥を精度よく検出して高品質の鋼板を提供することができる鋼板の品質管理方法を提供することである。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る表面欠陥検出装置は、物体の表面に光を照射する光源と、前記物体の表面で反射した反射光が投影されるスクリーンと、前記スクリーンに前記物体からの前記反射光が投影された投影位置から、前記物体の表面の傾きに関する情報を検出する傾き検出手段と、前記傾き検出手段によって検出された前記傾きに関する情報から、前記物体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥検出手段と、を備えた表面欠陥検出装置であって、前記スクリーンは、投影された前記反射光を透過させる透過性と、透過した透過光を所定の角度の範囲内に拡散させる透過特性とを有しており、前記傾き検出手段は、前記所定の角度の範囲内に拡散された前記透過光を受光して、前記投影位置を計測する投影位置検出手段を備えることを特徴とするものである。

また、本発明に係る表面欠陥検出装置は、上記の発明において、前記傾き検出手段は、前記スクリーンに投影された反射光の位置を計測する撮像装置を有し、前記撮像装置は、前記スクリーンの透過特性と、前記物体からの前記反射光の強度と、前記投影位置が前記スクリーン上で変動する範囲と、前記スクリーンにおける背景輝度と、から算出される位置に配置されることを特徴とするものである。

また、本発明に係る表面欠陥検出方法は、物体の表面に光を照射する照射ステップと、前記物体の表面で反射した反射光がスクリーンに投影された投影位置から、前記物体の表面の傾きに関する情報を検出する傾き検出ステップと、前記傾き検出ステップによって検出された前記傾きに関する情報から、前記物体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥検出ステップと、を有する表面欠陥検出方法であって、前記スクリーンは、投影された前記反射光を透過させる透過性と、透過した透過光を所定の角度の範囲内に拡散させる透過特性とを有しており、前記傾き検出ステップでは、前記所定の角度の範囲内に拡散された前記透過光を受光して、前記投影位置を計測することを特徴とするものである。

また、本発明に係る表面欠陥検出方法は、上記の発明において、前記スクリーンに投影された反射光の位置を計測する撮像装置を、前記スクリーンの透過特性と、前記物体からの前記反射光の強度と、前記投影位置が前記スクリーン上で変動する範囲と、前記スクリーンにおける背景輝度と、から算出される位置に配置することを特徴とするものである。

また、本発明に係る鋼板の製造方法は、鋼板の製造ステップと、上記の発明の表面欠陥検出方法によって、前記製造ステップにおいて製造された鋼板の表面を検査する検査ステップと、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明に係る鋼板の品質管理方法は、上記の発明の表面欠陥検出方法によって、鋼板の表面を検査する検査ステップと、前記検査ステップにより得られた検査結果から、前記鋼板の品質管理を行う品質管理ステップと、を含むことを特徴とするものである。

また、本発明に係る鋼板の製造設備は、鋼板を製造するための製造設備と、前記製造設備により製造された鋼板の表面を検査する上記の発明の表面欠陥検出装置と、を備えることを特徴とするものである。

本発明に係る表面欠陥検出装置、及び、表面欠陥検出方法は、平板状物体の表面の凹凸欠陥を精度良く検出することができるという効果を奏する。さらに、鋼板の製造方法、及び、鋼板の製造設備は、鋼板を歩留まりよく製造することができる。さらに、鋼板の品質管理方法は、高品質の鋼板を提供することができる。

図１は、実施形態に係る表面欠陥検出装置の概略構成を示す模式図である。 図２（ａ）は、平板状物体の表面のそれぞれに対する、光源からの入射光と平板状物体とがなす角及び反射光の反射方向の変動量の関係を示した図である。図２（ｂ）は、平板状物体の表面上の検査位置で反射した反射光のスクリーン上における投影位置の変動量の関係を示した図である。図２（ｃ）は、反射光ＲＬ１に対する反射光ＲＬ２の変位をずれ量を用いて示した図である。 図３は、スクリーンにおける透過光の挙動の詳細を示した図である。 図４は、スクリーンの透過特性ｆ（Φ，θ）の例を示した図である。 図５は、振動による反射光ＲＬの強度変動の原理を説明した図である。 図６は、計測対象の表面傾き変化に伴う各物理量の変化の一例を示した図である。 図７は、板厚変動に伴う各物理量の変化の一例を示した図である。 図８は、本発明の別の一実施形態である表面欠陥検出装置の構成を示す模式図である。 図９は、２つの撮像装置のそれぞれで計測が可能な範囲を示した図である。 図１０は、実施例で使用した実験装置の配置図である。 図１１は、実施例で使用した実験装置の配置詳細図である。 図１２は、実施例で使用した拡散板の透過特性ｆ（Φ、θ）を示す図である。 図１３は、本発明の実施例１にかかる実験結果を示した図である。 図１４は、本発明の実施例２にかかる実験結果の一例目を示した図である。 図１５は、本発明の実施例２にかかる実験結果の二例目を示した図である。

以下に、本発明に係る表面欠陥検出装置、表面欠陥検出方法、鋼板の製造方法、鋼板の品質管理方法、及び、鋼板の製造設備の実施形態について説明する。なお、本実施形態により本発明が限定されるものではない。

図１は、実施形態に係る表面欠陥検出装置１の概略構成を示す模式図である。本実施形態においては、表面欠陥検出装置１によって表面欠陥を検出する検出対象である物体を平板状物体３として説明する。平板状物体３としては、帯状物体、紙製品、樹脂シート、金属板等があげられる。ここで金属板とは、例えば、鉄板、鋼板、アルミニウム板、アルミニウム合金板、チタン板及びチタン合金板等が挙げられる。また、本実施形態において前記物体としては、平板状物体３に限定されるものではなく、例えば、管状物体やコイル状物体などの平板状とは異なる形状の物体であってもよい。

実施形態に係る表面欠陥検出装置１は、光源４、スクリーン５、撮像装置６、コンピュータ７、及び、表示装置８などを主な構成要素として備えている。実施形態に係る表面欠陥検出装置１は、搬送ロール２によって図１中の矢印Ａ方向に搬送される平板状物体３の表面における凹凸欠陥を検出するものである。具体的には、表面欠陥検出装置１において、光源４から出射され、平板状物体３に入射する入射光ＩＬは、平板状物体３上の検査位置ＩＰにおいて反射し、反射光ＲＬとしてスクリーン５に投影される。スクリーン５は、投影された反射光ＲＬを透過させる透過性を有している。さらに、スクリーン５は、反射光ＲＬを透過光ＴＬとして透過させるだけではなく、透過した透過光ＴＬを所定の角度の範囲内に拡散させる透過特性を有している。つまり、スクリーン５は、投影された反射光ＲＬの一部を透過させて透過光ＴＬを所定の角度の範囲内で拡散させる材質によって構成されている。この透過特性については、後程、詳細に説明する。さて、スクリーン５を透過して拡散された透過光ＴＬは、撮像装置６の受光位置ＳＰで受光される。コンピュータ７は、受光した透過光ＴＬに応じて撮像装置６から伝送される像に基づき、スクリーン５上に投影された反射光ＲＬの位置である投影位置を計測し、その投影位置から平板状物体３の基準面に対する傾きに関する情報を検出する。そして、検出された傾きに関する情報に基づき平板状物体３の表面における凹凸欠陥を検出する。例えば、前記傾きに関する情報から、基準面に対して傾いているとされた平板状物体３の表面上の検査位置ＩＰに、凹凸欠陥があると検出することができる。そして、このような検査を、搬送ロール２によって搬送される平板状物体３の表面に対して搬送方向（図１中の矢印Ａ方向）に沿って連続的に行うことにより、平板状物体３の表面の縞状の凹凸欠陥を検出することができる。また、前記縞状の凹凸欠陥の検出結果を、表示装置８に例えば画像として表示させることにより、前記縞状の凹凸欠陥を作業者が容易に把握することができる。

なお、平板状物体３上の検査位置ＩＰにおける、光源４からの入射光ＩＬの入射角は、８０［°］以上であることが好ましい。８６［°］以上であれば、より好ましい。なお、光源４からの入射光ＩＬの入射角は、検査位置ＩＰにおける平板状物体３の法線と光源４からの入射光ＩＬとのなす角度と定義する。この入射角度が好ましい理由は、入射角を大きくすることで、表面粗さがある程度ある表面においても鏡面反射率が高くなり、十分な反射光量を確保できるためである。ここで、粗さがある程度ある表面の例としては、算術平均表面粗さＲａが数［μｍ］から十数［μｍ］のもので、特に、金属板の表面があげられる。より具体的には、鉄板、鋼板、アルミニウム板、アルミニウム合金板、チタン板及びチタン合金板の表面等、があげられる。

なお、実施形態に係る表面欠陥検出装置１では、撮像装置６が、スクリーン５によって所定の角度の範囲内に拡散された透過光ＴＬを受光して、スクリーン５に反射光ＲＬが投影された投影位置ＰＰを計測する投影位置検出手段として機能している。また、実施形態に係る表面欠陥検出装置１では、投影位置ＰＰから、予め設定された基準面に対する平板状物体３の表面の傾きに関する情報を検出する傾き検出手段が、撮像装置６及びコンピュータ７によって構成されている。また、実施形態に係る表面欠陥検出装置１では、コンピュータ７が、前記傾き検出手段によって検出された前記傾きに関する情報に基づいて、平板状物体３の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥検出手段としても機能している。

ここで、本発明による平板状物体３の表面の傾き情報検出方法について説明する。図２（ａ）は、平板状物体３の表面３ａ，３ｂのそれぞれに対する、光源４からの入射光ＩＬと平板状物体３とがなす角及び反射光ＲＬ１，ＲＬ２の反射方向γの変動量の関係を示した図である。なお、図２（ａ）を含めて、以下の説明では、図面を見やすくするために、平板状物体３の表面３ａ，３ｂだけを線で描き、平板状物体３の厚み方向のその他の部分の図示は省略する。図２（ｂ）は、平板状物体３の表面３ａ，３ｂ上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬ１，ＲＬ２のスクリーン５上における投影位置ＰＰ１，ＰＰ２の変動量の関係を示した図である。図２（ｃ）は、反射光ＲＬ１に対する反射光ＲＬ２の変位をずれ量Δを用いて示した図である。

図２（ａ）に示した平板状物体３の表面３ａは、傾きを持たない状態のものである。一方、平板状物体３の表面３ｂは、検査位置ＩＰにおいて平板状物体３の表面３ａに対し、スクリーン５側が光源４側よりも上に位置するように傾いた、微小な傾きの角度αを有した状態となったものである。そして、図２（ａ）に示すように、平板状物体３の表面３ａ上の検査位置ＩＰに光源４から入射した入射光ＩＬと、平板状物体３の表面３ａと、がなす角度をβとする。一方、平板状物体３の表面３ｂ上の検査位置ＩＰに入射した入射光ＩＬと、平板状物体３の表面３ｂとがなす角は（β＋α）となる。つまり、平板状物体３の表面３ｂ上で反射した反射光ＲＬ２と、平板状物体３の表面３ｂとがなす角も（β＋α）となる。また、平板状物体３の表面３ａを基準面とした場合、平板状物体３の表面３ｂが表面３ａに対して角度αだけ傾いていることから、検査位置ＩＰにおいて、平板状物体３の表面３ａと反射光ＲＬ２とのなす角度γは（β＋２α）となる。この角度γを、反射光ＲＬの反射方向とする。

以上から、平板状物体３の表面上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬの反射方向γは、下記数式（１）のように表すことができる。

したがって、上記数式（１）からわかるように、平板状物体３の表面が角度αで傾いていることにより、反射光ＲＬの反射方向γは、平板状物体３の表面の傾きがない場合に対して角度２αだけ変動する。すなわち、図２（ｂ）に示すように、平板状物体３の表面３ｂ上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬ２の進行方向は、平板状物体３の表面３ａ上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬ１の進行方向に対して角度２αだけ変動する。そのため、検査位置ＩＰからスクリーン５までの反射光ＲＬ１の光路長をＤとしたとき、検査位置ＩＰから光路長Ｄの位置では、反射光ＲＬ１に対して反射光ＲＬ２が、反射光ＲＬ２に直交する方向にＤｓｉｎ２αだけ変位する。

一方で、反射光ＲＬ１とスクリーン５とのなす角度をΨ_０とし、スクリーン５上での反射光ＲＬ１の投影位置ＰＰ１を基準として、投影位置ＰＰ１に対する反射光ＲＬ２の投影位置ＰＰ２のずれ量をΔとする。そして、前記Ｄｓｉｎ２αの変位は、ずれ量Δを用いて、図２（ｃ）に示すように、Δｃｏｓ（９０［°］＋２α－Ψ_０）と表すことができ、下記数式（２）のように書き換えることができる。

上記数式（２）においては、｜α｜＜＜１であることから、ｓｉｎ２α≒２α、及び、ｃｏｓ２α≒１と近似される。したがって、上記数式（２）は下記数式（３）のように書き換えることができる。

上記数式（３）において、特にΨ_０≒９０［°］の場合には、上記数式（３）を下記数式（４）のように書き換えることができる。

そして、上記数式（４）に基づいて下記数式（５）により、スクリーン５上の投影位置ＰＰ１に対する投影位置Ｐ２のずれ量Δから、検査位置ＩＰにおける平板状物体３の表面３ｂの傾きの角度αを算出することができる。

このように、基準面に対する平板状物体３の表面の傾き情報として、角度αを検出することができる。以上が、本発明における傾き検出の原理である。

続いて、本実施形態における撮像装置６の配置方法の例について説明する。スクリーン５における透過光ＴＬの透過率は、あらゆる条件で必ずしも一様ではなく、各機材の配置によって変動する。例えば、反射光ＲＬとスクリーンのなす角や、反射光ＲＬの投影位置ＰＰに対する撮像装置６の配置によって変動する。反射光ＲＬの強度が必ずしも十分ではない条件下では、撮像装置６の配置を最適化することは、耐ノイズ性が高く確実な計測を行う上でより好ましい。

図３は、スクリーン５における透過光ＴＬの挙動の詳細を示した図である。反射光ＲＬは、スクリーン５に対し入射角Φをもって入射する。なお、入射角Φは、スクリーン５上の投影位置ＰＰにおいて、投影位置ＰＰでの法線Ｎと反射光ＲＬとのなす角度と定義する。反射光ＲＬは、スクリーン５上の投影位置ＰＰに投影され、スクリーン５の裏側、すなわち撮像装置６側に向かって透過する。スクリーン５を透過した透過光は、スクリーン５の裏側において、投影位置ＰＰを中心に拡散される。

ここで、図３に示すように、スクリーン５で拡散された透過光のうち、投影位置ＰＰから撮像装置６の受光位置ＳＰに向かう透過光ＴＬの方向角をθとする。この方向角θは、スクリーン５の撮像装置６側における、スクリーン５上の投影位置ＰＰでの法線Ｎと透過光ＴＬとのなす角度と定義する。また、ここでは、説明の簡便化のために、反射光ＲＬ及び透過光ＴＬは、全て紙面内に含まれており、紙面奥行き方向の傾きはないものとする。

スクリーン５が等方性を持つと仮定すると、撮像装置６で受光される透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔは、反射光ＲＬの入射角Φと透過光ＴＬの方向角θとによって決まる関数ｆ（Φ，θ）、及び、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒを用いて、下記数式（６）のように決定される。

関数ｆ（Φ，θ）は、入射角Φ及び方向角θに対する、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒと透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔとの比であり、その関数形はスクリーン５の材質や表面性状によって決まる。反射光ＲＬの一部が透過した透過光ＴＬが、所定の角度（すなわち、透過光ＴＬの方向角θ）の範囲内で拡散する状態は、この関数ｆ（Φ，θ）で示される。以下、ｆ（Φ，θ）をスクリーン５の透過特性と呼ぶ。

次に、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の例と、それぞれの場合の特徴について説明する。図４（ａ）及び図４（ｂ）は、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の例を示した図である。以下、説明の簡便化のために、入射角Φを０［°］と仮定する。図４（ａ）では、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が、方向角θによって変化しない。したがって、方向角θによらず透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔは均一となる。一方、図４（ｂ）では、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が、方向角θによって変化し、θ＝０［°］に近いほど、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が高く、θ＝０［°］から遠ざかるにしたがって、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が低下する。これは、反射光ＲＬの延長線上ほど透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔが高くなり、反射光ＲＬの延長線上から離れるにしたがって透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔが低くなることを意味する。スクリーン５上の投影位置ＰＰにおいて、透過拡散する光のエネルギーが等しいとき、エネルギー保存を考慮すると、図４（ａ）のように、あらゆる方向角θに対して均一な光量比を持つ場合に比べ、図４（ｂ）のように、特定の方向のみに光量比が高い場合のほうが、ピーク付近における光量比が増大する。

図４（ａ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーンを使用した場合は、全方向に透過光を拡散させるため、撮像装置６の配置に対する制約が緩和される。一方で、入射光ＩＬのエネルギーを撮像装置６以外の方向へも拡散することから、撮像装置６が得られる光量の向上という点では、図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）よりも不利になりやすい。

一方、図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を使用した場合は、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が高くなる方向角θに撮像装置６を配置することで、撮像装置６に入射する透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔを高くすることができる。また、図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を用いた場合、透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔが高くなる方向が限定されることになる。この場合、計測中に反射光ＲＬの反射方向が変動し、スクリーン５上の投影位置ＰＰが変動すると、透過光ＴＬの強度変動が、図４（ａ）の場合と比べて顕著になる傾向にある。図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）のスクリーン５を使用した場合に、透過光ＴＬの強度変動への対応について、以下に詳しく説明する。

図５（ａ）は、図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を使用した場合に、反射光ＲＬの反射方向の変動による透過光ＴＬの強度変動の原理を示した図である。図５（ａ）において、反射光ＲＬ１は、図２（ａ）に示した平板状物体３の表面３ａと同様に、平板状物体３の表面に傾きがない場合での反射光を表している。また、反射光ＲＬ２は、図２（ｂ）に示した図２（ｂ）に示した平板状物体３の表面３ｂと同様に、平板状物体３の表面に傾きがある場合での反射光を表している。すなわち、図５（ａ）では、計測中に平板状物体３の表面が、表面３ａの状態から表面３ｂの状態に変化し、反射光ＲＬ１から反射光ＲＬ２に反射方向γが変動した場合についての透過光ＴＬの強度変動について説明する。

図５（ａ）では、反射光ＲＬ１がスクリーン５上の投影位置ＰＰ１に投影され、透過反射光ＴＬ１として撮像装置６に入射される。なお、投影位置ＰＰ１は、平板状物体３の表面に傾きがない場合に反射光ＲＬ１が投影される位置であることから、以下、投影位置ＰＰ１を基準点とも言う。また、図５（ａ）では、反射光ＲＬ２がスクリーン５上の投影位置ＰＰ２に投影され、透過光ＴＬ２として撮像装置６に入射される。

ここで、図５（ａ）中に示すように、スクリーン５に沿って座標軸としてＹ軸をとり、スクリーン５上における投影位置ＰＰ１を原点としたとき、スクリーン５上における投影位置ＰＰ２の位置をＹ＝Δとする。

図５（ｂ）は、反射光ＲＬ１，ＲＬ２のそれぞれにおけるスクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）を示したグラフである。反射光ＲＬ１，ＲＬ２のそれぞれにおいて、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）は、図５（ｂ）に示すグラフのように与えられるとする。また、図５（ａ）からわかるように、透過光ＴＬ１の方向角θは０［°］であり、透過光ＴＬ２の方向角θはθ_０［°］（０＜θ_０＜９０）である。そのため、図５（ｂ）に示すように、透過光ＴＬ１が撮像装置６に入射する場合に比べて、透過光ＴＬ２が撮像装置６に入射する場合のほうが、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）の値が半分になるため、透過光ＴＬ２の強度Ｉ_ｔが透過光ＴＬ１の強度Ｉ_ｔの半分に低下することがわかる。

透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔが小さすぎると、撮像装置６によって透過光ＴＬが検出できず、投影位置ＰＰの計測ができなくなる。以上のことから、図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）のスクリーン５を使用し、平板状物体３の表面欠陥を検出するには、投影位置ＰＰの変動する範囲に対し、撮像装置６が特定の位置に配置されることが好ましい。

なお、スクリーン５を除去し、反射光ＲＬを撮像装置６の受光素子に直接入光させて、反射光ＲＬの変動を直接検出することで、同様の計測を行うことも原理的には可能である。しかし、この場合は、反射光ＲＬの反射光の太さと撮像素子のサイズの関係が問題となる。一般に、平板状物体３の表面は表面粗さを持ち、反射光ＲＬの線の太さは検査位置ＩＰにおける線の太さよりも増大する。撮像装置６の配置から、検査位置ＩＰにおける線の太さの下限は０．１［ｍｍ］程度である。しかし、反射光ＲＬの線の太さは、平板状物体３の表面粗さに応じて最大数［ｍｍ］程度に拡大される。そのため、撮像素子のサイズと同程度となり、計測が困難となる。このような場合には、撮像装置６の前にレンズ（図示せず）を配置して、反射光ＲＬの線の太さを絞ることが考えられる。この場合は、反射光ＲＬをレンズに直接照射する必要がある。しかし、本発明による傾き計測では、反射光ＲＬの投影位置ＰＰは光学系の設計によっては５０［ｍｍ］以上変動する可能性があるため、それと同程度の径を持つレンズを使用しなければならず、そのようなレンズの入手や作成が困難である。また、撮像装置６を平板状物体３に近接させて配置すれば反射光ＲＬの線を細くすることはできるが、撮像装置６と平板状物体３とが接触する可能性があるため、好ましくない。

一方で、透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を配置した場合には、撮像装置６の光学系を変更する、すなわち、レンズを変更することで、撮像素子のサイズによらず、上記検出が可能となる。この場合は、反射光ＲＬをレンズに直接照射する必要がないため、レンズ自体の径について特段の注意を払う必要がなくなる。

以上の説明を踏まえ、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）、平板状物体３からの反射光ＲＬの強度と、スクリーン５における背景の輝度である背景輝度Ｉ_ｂと、投影位置ＰＰの変動する範囲とから、撮像装置６によって透過光ＴＬの検出が可能となるような、撮像装置６の配置の条件、すなわち、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌを算出する方法について説明する。

背景輝度Ｉ_ｂは、撮像装置６によって撮影されたスクリーン５の画像のうち、投影位置ＰＰに投影された反射光ＲＬを除く部分の輝度である。背景輝度Ｉ_ｂは、撮像装置６の暗電流、すなわち、受光素子信号の増幅回路で発生するノイズや撮像装置６の周辺から入り込む環境光等に起因する。撮像装置６でスクリーン５を撮影したとき、スクリーン５に投影された反射光ＲＬの像の位置における輝度が、背景輝度Ｉ_ｂに比べて同程度、または、小さい場合は、撮像装置６により投影位置ＰＰを特定することが難しくなることがある。その結果、表面欠陥検出装置１による欠陥を検査することが難しくなることがある。したがって、スクリーン５に投影された反射光ＲＬの像の輝度が、背景輝度Ｉ_ｂに比べて十分に大きくなるような表面欠陥検出装置または表面欠陥検出方法としておくことが非常に好ましい。

まず、（Ａ）スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）を導出する。具体的な導出方法としては、実験的に行ったり、理論的に推定したり、製品データを利用したりするなどの手法がある。

次に、（Ｂ）撮像装置６によってスクリーン５上の投影位置ＰＰの計測ができるように、背景輝度Ｉ_ｂを導出する。背景輝度Ｉ_ｂは、実験的または理論的に決定される。背景輝度Ｉ_ｂの測定方法の例の一つとしては、光源４から光が出射されない状態にして、撮像装置６によりスクリーン５の表面を撮影し、得られた画像の輝度値を背景輝度Ｉ_ｂとすればよい。また、背景輝度Ｉ_ｂの測定方法の別の例としては、撮像装置６の受光部を遮蔽して完全に光が入らないようにして撮影し、得られた画像の輝度値を背景輝度Ｉ_ｂとしてもよい。

続いて、（Ｃ）計測中での反射光ＲＬの反射方向の変動に伴う、反射光ＲＬの強度変化、入射角Φ、方向角θ、スクリーン５上の投影位置ＰＰの位置Δ、及び、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌとの間に成り立つ関係を整理する。これらの関係は、光学系の設計に依存するため、方法論を一概に述べることはできないが、多くの場合でスクリーン５上の投影位置ＰＰの位置がＹ＝Δであるときの、入射光ＩＬに対する反射光ＲＬの強度変化、及び、入射角Φ、方向角θの各量と投影位置座標Δ、及び、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌとの関係式を導出すればよい。

最後に、（Ｄ）上記（Ｃ）で導出した関係式から、透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔが上記（Ｂ）で決定した背景輝度Ｉ_ｂ以上となるようなスクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの条件を求める。すなわち、反射光ＲＬの強度変化率ｋ（Δ）と入射角Φ（Δ）と方向角θ（Δ，Ｌ）との関係式を用いて、下記数式（７）の不等式を満たすスクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲を求める。ただし、Ｉ_０は入射光ＩＬの光量である。

ここで、強度変化率ｋとは、入射光ＩＬの強度に対する反射光ＲＬの強度の比であり、下記数式（８）の関係が成立する。

なお、強度変化率ｋは、入射光ＩＬの入射角に依存するため、平板状物体３の表面の傾きの角度αの関数であるが、上記数式（５）により角度αは位置Δで表すことができるため、強度変化率ｋも位置Δの関数として記述することができる。

また、このとき撮影位置座標Δは計測対象の表面傾きによって変化し得るが、その場合は、とり得る全ての撮影位置座標Δに対して上記数式（７）が満たされるようにスクリーン５と撮像装置６との距離Ｌを設定する。

図６に示した例と図４（ａ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を用いて、具体的に上記数式（７）の適用方法を示す。図６は、計測対象の表面傾き変化に伴う各物理量の変化の一例を示した図である。

図６では、表面に傾きがない平板状物体３の表面３ａ上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬ１の光路と、角度αだけ傾きがある平板状物体３の表面３ｂ上の検査位置ＩＰで反射した反射光ＲＬ２の光路とを示している。反射光ＲＬ１に対する反射光ＲＬ２の反射方向の変動により、反射光ＲＬ１のスクリーン５上の投影位置ＰＰ１に対して反射光ＲＬ２のスクリーン５上の投影位置ＰＰ２が変動する。

平板状物体３の表面３ａと表面３ｂとでは、それぞれ異なる入射角及び反射角で反射を起こしている。平板状物体３の表面３ａに対して表面３ｂが角度αで傾いている場合、平板状物体３の表面３ｂ上の検査位置ＩＰにおける入射光ＩＬの入射角及び反射光ＲＬ２の反射角は、ともに、平板状物体３の表面３ａ上における検査位置ＩＰにおける入射光ＩＬの入射角及び反射光ＲＬ１の反射角に対して角度αだけ変化する。したがって、物理モデルに基づく反射光ＲＬの強度変化を、実験的または理論的に求める。図６の場合は、平板状物体３の表面３ｂの傾きの角度αは、数ミリ［ｒａｄ］程度であることから、ｋ（Δ）は一定値をとると考えられる。したがって、Δによらず、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒは一定値をとる。

次に、図６に示した、スクリーン５に対する反射光ＲＬ２の入射角Φは、反射光ＲＬ２の反射方向の変動に伴い変化する。ここで、図２（ａ）を用いて説明したように、平板状物体３の表面３ａに対して表面３ｂが角度αで傾いている場合には、反射光ＲＬ２の反射方向は、反射光ＲＬ１の反射方向に対して角度２αだけ変動する。そのため、反射光ＲＬ２の入射角Φは、Φ＝２αとなる。角度αが極めて小さいことから、スクリーン５上の位置Δにかかわらず、Φ＝０［°］と近似して透過特性ｆ（Φ，θ）は変化しないと近似する。

次に、透過光ＴＬの方向角θは、スクリーン５上の位置Δにより変化し、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌを用いて、θ＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）の関係がある。

以上をまとめると、図６の場合は、ｋ（Δ）は一定、Φ（Δ）≒０、θ（Δ，Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）である。スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）が、Φ＝０［°］において、図４（ａ）の透過特性ｆ（Φ，θ）のように方向角θに依存しない一様な分布で表せるとすると、上記数式（７）は下記数式（９）のように書き換えることができる。ただし、下記数式（９）中、Ｃは一様分布のとる値（定数値）を示す。

上記数式（９）はΔに依存しないことから、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒ、及び、一様分布の定数値Ｃが上記数式（９）を満たせば、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌによらず反射光量をとらえることができる。ただし、前提条件として、表面３ｂの傾きの角度αは、数ミリ［ｒａｄ］程度である点に注意する。

以上から、図４（ａ）に示すスクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒ、スクリーン５上における投影位置ＰＰの位置Δの範囲、及び、スクリーン５における背景輝度Ｉ_ｂから、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲を決定することができる。

次に、図６に示した例と図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５とを用いて、具体的に上記数式（７）の適用方法を示す。

まず、反射光ＲＬの強度について考察する。上記の段落［００６０］に記載したのと同様に、ｋ（Δ）＝１であり、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒの変動はほぼないと考えられる。

次に、透過特性ｆ（Φ，θ）について考察する。上記の段落［００６１］に記載したのと同様に、スクリーン５上の位置Δにかかわらず、透過特性ｆ（Φ，θ）は、Φ＝０［°］の場合の透過特性ｆ（０［°］，θ）で近似できる。

次に、透過光ＴＬの方向角θについて考察する。上記の段落［００６２］に記載したのと同様に、θ＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）の関係がある。

以上をまとめると、図６の場合は、ｋ（Δ）は一定、Φ（Δ）≒０、θ（Δ，Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）である。スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）が、Φ＝０［°］において、方向角θのガウス分布で表せるとすると、上記数式（７）は下記数式（１０）のように書き換えることができる。ただし、下記数式（１０）中、Ａ及びσは、透過特性を表現するガウス分布のパラメータである。

上記数式（１０）をＬについて解くと、下記数式（１１）のようになる。

以上から、図４（ｂ）に示すスクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒ、スクリーン５上における投影位置ＰＰの位置Δの範囲、及び、スクリーン５における背景輝度Ｉ_ｂから、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲を決定することができる。

また、同様の検討を平板状物体３の板厚変動に適用することも可能である。

図７では、平板状物体３の板厚が変動する場合を示しており、通常の板厚の平板状物体３の表面３ａ上の検査位置ＩＰ１で反射した反射光ＲＬ１の光路と、板厚がΔｈだけ厚くなった平板状物体３の表面３ｂ上の検査位置ＩＰ２で反射した反射光ＲＬ２の光路を示している。

図４（ａ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を用いた場合、図７に示した板厚変動に伴う各物理量の変化の一例について説明する。

平板状物体３の板厚がΔｈだけ厚くなることにより、同じ光路の入射光ＩＬでは、平板状物体３の表面３ａ上における検査位置ＩＰ１よりも、平板状物体３の表面３ｂ上における検査位置ＩＰ２が、光源４側に距離ｘだけ変位する。そのため、反射光ＲＬ１のスクリーン５上の投影位置ＰＰ１に対して、反射光ＲＬ２のスクリーン５上の投影位置ＰＰ２が変動する。ここで、図７中に示すように、スクリーン５に沿って座標軸としてＹ軸をとり、反射光ＲＬ１のスクリーン５上の投影位置ＰＰ１を原点としたとき、反射光ＲＬ２のスクリーン５上の投影位置ＰＰ２の位置をＹ＝Δとする。

このとき、反射光ＲＬ２の強度変化率ｋ（Δ）、入射角Φ（Δ）、方向角θ（Δ，Ｌ）について考察すると、以下のようになる。

まず、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒは、入射角及び反射角が変化しないため一定である。すなわち、ｋ（Δ）は一定である。

次に、反射光ＲＬのスクリーン５に対する入射角Φは、板厚変化にかかわらず一定である。したがって、スクリーン５上の位置Δにかかわらず、Φ＝０［°］と近似して、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）は変化しないと近似する。

次に、方向角θは、スクリーン５上の位置Δにより変化し、θ＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）の関係がある。

以上をまとめると、図７の場合は、ｋ（Δ）は一定、Φ（Δ）＝０、θ（Δ，Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）である。これは、図６の場合と同一の条件であることから、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲は、上記数式（９）で得ることができる。

図４（ｂ）の透過特性ｆ（Φ，θ）を有するスクリーン５を用いた場合、上記の段落［００７９］から段落［００８４］に記載したのと同様に、図６の場合と同じ条件、すなわち、ｋ（Δ）は一定、Φ（Δ）＝０、θ（Δ，Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）が得られることから、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲は、上記数式（１１）で得ることができる。

なお、理論的な解析が困難な場合は、コンピュータ等によって上記数式（７）を用いたシミュレーションを実施し、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌの範囲を求めてもよい。

また、説明の簡便化を図るために、上述した議論は、２次元平面内に全ての光路が含まれる前提で行ったが、３次元空間内に光路が含まれるように拡張して適用することも可能である。

以上の考察は、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌを決定するためだけではなく、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌ、及び、投影位置ＰＰの座標Δの範囲が得られたとき、透過光ＴＬを捉えるのに必要な撮像装置６の台数を見積もるのに利用することもできる。

図８は、実施形態に係る表面欠陥検出装置１Ａの他例の概略構成を示した模式図である。図８に示した表面欠陥検出装置１Ａは、図１に示した表面欠陥検出装置１に対して、２つの撮像装置６ａ，６ｂ、及び、演算部９を備えている。演算部９は、後述するように、２つの撮像装置６ａ，６ｂがそれぞれ計測した投影位置ＰＰを統合して、前記傾きに関する情報を算出する演算手段である。演算部９で算出された前記傾きに関する情報は、コンピュータ７に送信される。撮像装置６ａは、スクリーン５を透過して拡散された透過光ＴＬａを受光し、撮像装置６ｂは、スクリーン５を透過して拡散された透過光ＴＬｂを受光する。

本発明の構成によれば、計測中に投影位置ＰＰの座標Δの変動する範囲は、計測対象の表面の傾きの角度αによって変動する。これは、上記数式（３）を変形して得られる下記数式（１２）に基づき説明することができる。

上記数式（１２）によれば、計測中の投影位置ＰＰの座標Δは、平板状物体３の表面における微小な傾きの角度α、検査位置ＩＰからスクリーン５までの反射光ＲＬ１の光路長Ｄ、反射光ＲＬ１とスクリーン５とのなす角度Ψ_０によって決定される。計測中に変化する量は微小な傾きの角度αのみであり、光路長Ｄ及び角度Ψ_０は設計時に決定される。したがって、平板状物体３の表面における微小な傾きの角度αのα１≦α≦α２の変動に伴って投影位置ＰＰの座標Δが変動し、その範囲がΔ１’≦Δ≦Δ２’であるとする。

一方で、各撮像装置６で計測可能な範囲は、上記数式（７）をＬではなくΔについて解くことで、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒ、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌ、及び、背景輝度Ｉ_ｂが与えられたときに、計測可能な投影位置ＰＰの座標Δの範囲Δ１≦Δ≦Δ２を算出することができる。

例えば、上記数式（１０）をΔについて解くと、下記数式（１３）のようになる。

上記数式（１３）は、図４（ｂ）に示すスクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）、反射光ＲＬの強度Ｉ_ｒ、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌ、及び、背景輝度Ｉ_ｂから、撮像装置６で計測が実現できるようなスクリーン５上における投影位置ＰＰの位置Δの範囲が決定できることを示している。

一方で、図９は、２つの撮像装置６ａ，６ｂのそれぞれでスクリーン５上の投影位置ＰＰを計測可能な範囲を示した図である。表面欠陥検出装置１Ａが備える２つの撮像装置６ａ，６ｂのうち、下側に位置する撮像装置６ａで計測可能なスクリーン５上の投影位置ＰＰの領域Ｆ１は、スクリーン５に沿ったＹ軸方向で、下端位置をΔ１１とし、上端位置をΔ１２とすると、Δ１１≦Ｙ≦Δ１２の範囲内である。また、撮像装置６ａの上方に位置する撮像装置６ｂで計測可能なスクリーン５上の投影位置ＰＰの領域Ｆ２は、前記Ｙ軸方向で、下端位置をΔ２１とし、上端位置をΔ２２とすると、Δ２１≦Ｙ≦Δ２２の範囲内である。

このとき、図９に示すように、Δ２１＜Δ１２であれば、撮像装置６ａの領域Ｆ１と撮像装置６ｂの領域Ｆ２とは、互いに重複する重複領域Ｆ３を持つ。このとき、計測中のスクリーン５上の投影位置ＰＰの座標Δの変動の範囲Δ１’≦Δ≦Δ２’が、Δ１１≦Ｙ≦Δ２２の範囲内に含まれる場合は、計測中を通じて２つの撮像装置６ａ，６ｂのうち、少なくとも一方によって投影位置ＰＰの計測が可能となる。

具体的には、撮像装置６ａ，６ｂよる計測可否情報と、計測された投影位置ＰＰの位置情報とを、撮像装置６ａ，６ｂから演算部９に送信する。そして、撮像装置６ａまたは撮像装置６ｂの一方のみで投影位置ＰＰの計測が可能だった場合には、その計測値に基づいて平板状物体３の表面の傾きを算出する処理を演算部９が行う。また、両方の撮像装置６ａ，６ｂによって投影位置ＰＰの計測が可能だった場合には、撮像装置６ａ，６ｂの両方の計測値の位置合わせを行って、投影位置ＰＰの位置を決定し、その決定した計測値に基づいて平板状物体３の表面の傾きを算出する処理を演算部９が行う。また、いずれの撮像装置６ａ，６ｂでも投影位置ＰＰを計測できない場合には、投影位置ＰＰの計測不可とする処理を演算部９が行う。

なお、計測中のスクリーン５上の投影位置ＰＰの座標Δの変動の範囲Δ１’≦Δ≦Δ２’が、Δ１１≦Ｙ≦Δ２２の範囲内に含まれない場合は、３つ以上の撮像装置６を設置することで投影位置ＰＰの計測範囲を拡大すればよい。すなわち、図８では、表面欠陥検出装置１Ａが２つの撮像装置６ａ，６ｂを備えた場合について説明したが、３つの以上の撮像装置６を備えた場合も同様に、前記Ｙ軸方向で、互いの計測可能な領域を重なるように各撮像装置６の配置を行うことによって、投影位置ＰＰの計測範囲を拡大することができる。

［実施例１］
本実施例では、本発明を用いることによって、スクリーン５上の投影位置ＰＰの変動に対して、撮像装置６の受光位置ＳＰの許容範囲を決定する例を示す。なお、以下の実験では、平板状物体３の板厚変動に対する透過光ＴＬの強度変動を算出した。

図１０は、本実施例で使用した実験装置の概略構成を示した模式図である。図１１は、実験装置におけるスクリーン５から撮像装置６までの配置の詳細を示した図である。本実施例では、平板状物体３として、厚さ５［ｍｍ］以下、一辺３００［ｍｍ］程度のサイズに切り出した鋼板片を使用した。そして、平板状物体３をリニアステージ１０上に載せて、図１０中の矢印Ｂ方向に平板状物体３を移動させた。そして、平板状物体３を矢印Ｂ方向に移動させながら、光源４からの入射光ＩＬを平板状物体３の表面上の検査位置ＩＰで反射させ、反射光ＲＬがスクリーン５を透過して拡散された透過光ＴＬを、撮像装置６で受光した。スクリーン５としては、図４（ｂ）に示した透過特性ｆ（Φ，θ）を持つ拡散板を使用した。また、撮像装置６には、モノクロエリアカメラを使用した。また、反射光ＲＬは、スクリーン５に対して垂直に入射させ、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌは、Ｌ＝３００［ｍｍ］とし、スクリーン５と撮像装置６とが正対するように配置した。また、透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔは、撮像装置６でスクリーン５を撮影して得られた像の輝度値Ｉ_ｃを用いて評価した。

本実施例では、鋼板の厚み変動を模擬して、平板状物体３の入射光ＩＬが入射される表面である上面の高さを２水準で変えて、スクリーン５上の２つの投影位置ＰＰ１，ＰＰ２を、スクリーン５に沿ったＹ軸方向で上下に変化させた。なお、図１１中に示したように、スクリーン５に沿って座標軸としてＹ軸をとり、反射光ＲＬ１のスクリーン５上の投影位置ＰＰ１を原点としたとき、反射光ＲＬ２のスクリーン５上の投影位置ＰＰ２の位置をＹ＝Δとする。その上で、撮像装置６を用いてスクリーン５を撮影し、スクリーン５に投影された像を撮影した。最後に、撮像装置６で撮影した像の輝度値Ｉ_ｃ（透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔに相当する）が、平板状物体３の上面の高さに対してどのように変化するかを調べた。

続いて、上記数式（７）に基づいて透過光ＴＬの強度変化を計算する。図１２は、本実施例の実験で使用したスクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）を示した図である。ただし、Φ＝０［°］とした。

図１２に使用したスクリーン５の透過特性ｆ（Φ＝０［°］，θ）を示す。スクリーン５の透過特性ｆ（Φ＝０［°］，θ）は、下記数式（１４）で表され、方向角θが０［°］を中心とし、半値全幅が３０［°］である正規分布をなす。ただし、Ａ＝１、σ＝１８．０５であった。

次に、上述した実施形態に記載の方法に従って、平板状物体３の表面の高さと投影位置ＰＰの位置Δとの関係を導出する。

平板状物体３の厚みが変動しても、反射光ＲＬ１及び反射光ＲＬ２のそれぞれのスクリーン５への入射角Φは変動しないことから、スクリーン５上の投影位置ＰＰ１，ＰＰ２にかかわらず、反射光ＲＬ１，ＲＬ２の強度は変わらないと考えられる。なお、検査位置ＩＰが、図１０中で平板状物体３の移動方向の下流側及び上流側に変位することに伴う、反射光ＲＬ１，ＲＬ２の光量変動の影響は無視した。また、反射光ＲＬ１，ＲＬ２のスクリーン５への入射角Φは、常に変動せず、Φ＝０［°］である。また、方向角θは、スクリーン５上の投影位置ＰＰの位置Δと、撮像装置６との位置関係によって計算される。図１１から、θ（Δ，Ｌ）＝ａｒｃｔａｎ（Δ／Ｌ）である。

以上から、本実施例での実験条件は、上述した実施形態の記載の条件と一致することがわかるため、スクリーン５上の投影位置ＰＰの位置Δに対して、透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔは上記数式（１０）の左辺に一致する。

次に、平板状物体３の高さを変化させながら、反射光ＲＬの投影位置Δと撮像装置６で計測された輝度値Ｉ_ｃを計測し、両者の関係を調査した。平板状物体３の高さを変化させたとき、最も輝度値Ｉ_ｃが大きくなるのは、Δ＝０［ｍｍ］のときで、その値はＩ_ｃ０＝１６であった。以後、輝度値の評価は、計測された輝度値Ｉ_ｃを前記Ｉ_ｃ０で割った相対値で評価する。また、本実験において、反射光ＲＬを検出するために必要な輝度値の下限Ｉ_ｃＬは１２であった。このときの透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔは、背景輝度Ｉ_ｂに等しい。

輝度値Ｉ_ｃと、透過光ＴＬの強度Ｉ_ｔとは、比例すると考えられることから、下記数式（１５）が成立する。

上記数式（１５）を変形することにより、下記数式（１６）、及び、下記数式（１７）が得られる。

上記数式（１６）より、輝度の相対値Ｉ_ｃ／Ｉ_ｃ０は、スクリーン５の透過特性ｆ（Φ，θ）に一致することがわかる。

また、上記数式（１７）を上記数式（１３）に代入することで、計測可能なΔの満たす下記数式（１８）の条件式を輝度値の値をもとに算出することができる。

図１３は、本発明の実施例１にかかる実験結果を示した図である。図１３に、投影位置ＰＰの位置と輝度値の相対値Ｉ_ｃ／Ｉ_ｃ０との関係を表した実験結果を示す。図１３では、上記数式（１１）を用いて算出した投影位置Δに対する輝度値の相対値Ｉ_ｃ／Ｉ_ｃ０の変化を実線で示し、実験により得られた投影位置Δに対する輝度値の相対値Ｉ_ｃ／Ｉ_ｃ０のプロットを符号黒丸（●）で示す。図１３より両者は同一の傾向を持ち、上記数式（１４）の正当性が確認できた。

また、上記数式（１８）に基づき、計測可能な投影位置ＰＰ２の座標Δの範囲を求めると、｜Δ｜＜５１．２［ｍｍ］であった。このことから投影位置ＰＰ２は、カメラの正面から５１．２［ｍｍ］以上ずれると計測ができなくなることが計算される。図１３に点線でその範囲を示す。実際、図１３に示した計測点Ａは、Δ＝－８５［ｍｍ］であり、このときの輝度値は６であった。

以上、実施形態に係る表面欠陥検出装置１では、上記数式（１０）に基づく解析により、表面傾きが計測可能であるためのΔの範囲を計算することが可能である。

［実施例２］
次に、実施例１で得られた許容される角度範囲内で測定した場合と、そうでない場合とで、得られる像を比較した。

図１０は、本実施例で使用した実験装置の概略構成を示した模式図である。図１１は、実験装置におけるスクリーン５から撮像装置６までの配置の詳細を示した図である。本実施例では、平板状物体３として、厚さ５［ｍｍ］以下、一辺３００［ｍｍ］程度のサイズに切り出した鋼板片を使用した。鋼板片として表面に腰折れが生じたものを使用した。そして、平板状物体３をリニアステージ１０上に載せて、図１０中の矢印Ｂ方向に平板状物体３を移動させた。そして、平板状物体３を矢印Ｂ方向に移動させながら、光源４からの入射光ＩＬを平板状物体３の表面上の検査位置ＩＰで反射させ、反射光ＲＬがスクリーン５を透過して拡散された透過光ＴＬを、撮像装置６で受光した。スクリーン５としては、図４（ｂ）に示した透過特性ｆ（Φ，θ）を持つ拡散板を使用した。また、撮像装置６には、モノクロエリアカメラを使用した。また、反射光ＲＬは、スクリーン５に対して垂直に入射させ、スクリーン５と撮像装置６との距離Ｌは、Ｌ＝３００［ｍｍ］とし、スクリーン５と撮像装置６とが正対するように配置した。

本実施例では、鋼板の厚み変動を模擬して、平板状物体３の入射光ＩＬが入射される表面である上面の高さを複数変化させ、スクリーン５上の投影位置ＰＰ２を、スクリーン５に沿ったＹ軸方向で上下に変化させた。なお、図１１中に示したように、スクリーン５に沿って座標軸としてＹ軸をとり、反射光ＲＬ１のスクリーン５上の投影位置ＰＰ１を原点としたとき、反射光ＲＬ２のスクリーン５上の投影位置ＰＰ２の位置をＹ＝Δとする。その上で、撮像装置６を用いてスクリーン５を撮影し、スクリーン５に投影された像を撮影した。最後に、上記数式（５）に基づいて平板状物体３の角度αを算出し、投影位置ＰＰ２の位置Ｙ＝Δの変化とともに、角度αの算出結果がどのように変化するかを調べた。

図１４は、本発明の実施例２にかかる実験結果の一例目を示した図である。図１４に、本実施例の実験結果である、表面傾き計測の結果を示す。図１４には、３種類のΔの値に対する結果を示している。濃淡は計測された表面傾きを表しており、図中上下方向が、リニアステージの移動方向Ｂに対応する。また、黒は反射光を計測できないことに起因するデータ抜けを意味する。図１４からわかるように、図１４（ａ）及び図１４（ｂ）の場合には、上記数式（１４）により得られた条件｜Δ｜＜５１．２［ｍｍ］を満たしており、データ抜けは見られず表面傾きが計測されているのがわかる。一方で、図１４（ｃ）の場合は、上記数式（１４）による条件の境界に近い値、すなわち、｜Δ｜≒５１．２［ｍｍ］をとっており、多くの領域でデータ抜けを起こしていることがわかる。

以上から、上記数式（１０）に基づく解析により得られたΔの条件内では、好ましい計測結果が得られたのに対し、Δの条件外では、データ抜けのある計測結果が得られることがわかった。

次に、スクリーン５として、図４（ａ）に示した透過特性ｆ（Φ，θ）を持つ拡散板を使用して同様の実験を行った。上記数式（９）によると、この場合は、投影位置Δによらず、スクリーンの透過特性の定数値Ｃによって、計測の可否が決定される。パワーメータを用いた光量比の調査により、実験に使用したスクリーンの透過特性の定数値はＣ＝０．３５であった。

図１５は、本発明の実施例２にかかる実験結果の二例目を示した図である。図１５に、本実施例の実験結果である、表面傾き計測の結果を示す。図１５（ａ）、図１５（ｂ）、及び、図１５（ｃ）には、２種類のΔにおける計測結果が示されている。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）では、入射光ＩＬの光量を標準の値に設定して実験を実施し、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）では、入射光ＩＬの光量を標準の値の２倍に設定して実験を実施した。濃淡は、計測された表面傾きを表しており、図中上下方向が、リニアステージの移動方向Ｂに対応する。また、黒は反射光を計測できないことに起因するデータ抜けを意味する。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）からわかるように、Δの値が変化してもデータ抜けの程度は変化しなかった。また、図１５（ｃ）及び図１５（ｄ）では、データ抜けの領域が減少し、Δの変化によらず受光光量が背景輝度Ｉ_ｂを下回っていることから、完全に抜けのないデータ取得はできていない。言い換えれば、入射光ＩＬの光量がデータ抜けを起こさない程度に十分ある場合は、Δの値に関わらず、安定した計測が可能となる。

以上、実施形態に係る表面欠陥検出装置１では、上記数式（７）に基づく解析により、表面傾きが計測可能であるためのΔの範囲を計算することが可能であることがわかる。

以上のように、実施形態に係る表面欠陥検出装置１，１Ａ及び表面欠陥検出方法では、反射光ＲＬのスクリーン５上の投影位置ＰＰを用いて、平板状物体３の入射光ＩＬの検査位置ＩＰにおける基準平面に対する傾き情報を検出し、平板状物体３の位置毎に傾き情報を取得する。平板状物体３からの反射光ＲＬは、透過性を持つ半透明のスクリーン５を介して撮像装置６に入射する。スクリーン５を透過した透過光ＴＬは、投影位置ＰＰを中心として限られた角度範囲に散逸しながら撮像装置６に入射する。したがって、反射光ＲＬのエネルギーを全方位に散逸させる不透明のスクリーンに比べ、前述の特徴を備えた半透明のスクリーン５を用いたほうが、透過光ＴＬのエネルギーを撮像装置６に集中させることができ、高効率な反射光ＲＬの検出が可能である。

また、本発明を鋼板の製造設備を構成する検査装置として適用してもよい。すなわち、本発明に係る表面欠陥検出装置１，１Ａによって、公知または既存の製造設備によって製造された鋼板の表面を検査するようにしてもよい。

また、本発明を鋼板の製造方法に含まれる検査ステップとして適用してもよい。すなわち、公知または既存の製造ステップにおいて製造された鋼板の表面を検査するようにしてもよい。このような鋼板の製造設備及び鋼板の製造方法によれば、鋼板を歩留りよく製造することができる。

さらに、本発明を鋼板の品質管理方法に適用し、鋼板の表面を検査することにより、鋼板の品質管理を行うようにしてもよい。具体的には、本発明で鋼板の表面欠陥の有無を検出ステップで判定し、検査ステップで得られた判定結果から、鋼板の品質管理を行うことができる。検査ステップでは、本発明を用いて鋼板の表面を検査し、鋼板の表面欠陥の有無についての結果を得る。次に続く品質管理ステップでは、検査ステップにより得られた、鋼板の表面欠陥の有無に関する結果に基づき、製造された鋼板が予め指定された基準を満たしているかどうかを判定し、鋼板の品質を管理する。このような鋼板の品質管理方法によれば、高品質の鋼板を提供することができる。

１，１Ａ 表面欠陥検出装置
２ 搬送ロール
３ 平板状物体
４ 光源
５ スクリーン
６，６ａ，６ｂ 撮像装置
７ コンピュータ
８ 表示装置
９ 演算部
１０ リニアステージ
ＩＬ 入射光
ＩＰ 検査位置
Ｎ 法線
ＲＬ，ＲＬ１，ＲＬ２ 反射光
ＳＰ 受光位置
ＴＬ，ＴＬ１，ＴＬ２ 透過光
ＰＰ，ＰＰ１，ＰＰ２ 投影位置

Claims (5)

1. 物体の表面に光を照射する光源と、
   前記物体の表面で反射した反射光が投影されるスクリーンと、
   前記スクリーンに前記物体からの前記反射光が投影された投影位置から、前記物体の表面の傾きに関する情報を検出する傾き検出手段と、
   前記傾き検出手段によって検出された前記傾きに関する情報から、前記物体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥検出手段と、
   を備えた表面欠陥検出装置であって、
   前記スクリーンは、投影された前記反射光を透過させる透過性と、透過した透過光を所定の角度の範囲内に拡散させる透過特性とを有しており、
   前記傾き検出手段は、前記所定の角度の範囲内に拡散された前記透過光を受光して、前記投影位置を計測する投影位置検出手段を備えており、
   前記傾き検出手段は、前記スクリーンに投影された反射光の位置を計測する撮像装置を有し、
   前記撮像装置は、
   前記スクリーンの透過特性と、前記物体からの前記反射光の強度と、前記投影位置が前記スクリーン上で変動する範囲と、前記スクリーンにおける背景輝度と、から算出される位置に配置されることを特徴とする表面欠陥検出装置。
2. 物体の表面に光を照射する照射ステップと、
   前記物体の表面で反射した反射光がスクリーンに投影された投影位置から、前記物体の表面の傾きに関する情報を検出する傾き検出ステップと、
   前記傾き検出ステップによって検出された前記傾きに関する情報から、前記物体の表面の凹凸欠陥を検出する欠陥検出ステップと、
   を有する表面欠陥検出方法であって、
   前記スクリーンは、投影された前記反射光を透過させる透過性と、透過した透過光を所定の角度の範囲内に拡散させる透過特性とを有しており、
   前記傾き検出ステップでは、前記所定の角度の範囲内に拡散された前記透過光を受光して、前記投影位置を計測し、
   前記スクリーンに投影された反射光の位置を計測する撮像装置を、前記スクリーンの透過特性と、前記物体からの前記反射光の強度と、前記投影位置が前記スクリーン上で変動する範囲と、前記スクリーンにおける背景輝度と、から算出される位置に配置することを特徴とする表面欠陥検出方法。
3. 鋼板の製造ステップと、
   請求項２に記載の表面欠陥検出方法によって、前記製造ステップにおいて製造された鋼板の表面を検査する検査ステップと、
   を含むことを特徴とする鋼板の製造方法。
4. 請求項２に記載の表面欠陥検出方法によって、鋼板の表面を検査する検査ステップと、
   前記検査ステップにより得られた検査結果から、前記鋼板の品質管理を行う品質管理ステップと、
   を含むことを特徴とする鋼板の品質管理方法。
5. 鋼板を製造するための製造設備と、
   前記製造設備により製造された鋼板の表面を検査する請求項１に記載の表面欠陥検出装置と、
   を備えることを特徴とする鋼板の製造設備。

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