(57)【要約】【課題】点状の疵、被検査体の幅方向に長い疵、被検査体の長さ方向に長い疵のいずれをも検出できる装置を提供する。【解決手段】検出ヘッド３中には、光源４が設けられ、鋼板１の表面に、可視域の波長の平行光を入射角θが９０度近くの大きな角度で照射している。この平行光は、ミラー５で反射された後、前記の入射角で鋼板１の表面を照射する。鋼板１の表面で反射された光は、半透明のスクリーン６上に像を結ぶ。その像をスクリーン６の背面から２次元カメラ７で撮像し、信号処理装置８で画像処理を行うことにより凹凸性疵を検出する。平行光の入射角度は、鋼板１の長さ方向、幅方向の中間位置とされ、検出の対象となる前記微小凹凸疵の前記幅方向に沿った方向の形状、前記長手方向に沿った方向の形状、及び被検査体の形状から決定される【選択図】  図１
2004156932.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
被検査体の表面に、波長に対する入射角の余弦の比の値が前記被検査面の表面粗さから決定される所定の値以下となるような光を、被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向から照射する光源と、被検査体の表面により反射された光を検出する検出系とを有し、反射された光量の変化から微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向は、検出の対象となる前記微小凹凸疵の前記幅方向に沿った方向の形状、前記長手方向に沿った方向の形状、及び被検査体の形状から決定されることを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記被検査体の形状がフラットな形状のときに微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｃｏｓ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｓｉｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値が、ともに同一の所定の値より大きくなるようにφが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記被検査体の形状がフラットな形状のときに微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｃｏｓ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｓｉｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値とが、等しくなるようにφが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記被検査体が半径Ｒのロールに巻き付いた状態で微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にＲを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｔａｎ２φ・Ｒを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値が、ともに同一の所定の値より大きくなるようにφが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項５】
前記被検査体が半径Ｒのロールに巻き付いた状態で微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量の値にｔａｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値とが、等しくなるようににφが設定されていることを特徴とする請求項１に記載の表面検査装置。
【請求項６】
前記魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量として、凹凸形状の２階微分値を採用したことを特徴とする請求項２から５いずれかに記載の表面検査装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば薄鋼板等の微小凹凸性疵を光学的に検出する表面検査装置に関するものであり、さらに詳しくは、薄鋼板等の微小凹凸性欠陥を、その表面粗さに影響されることなく自動検出可能な表面検査装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
薄鋼板の製造プロセスにおいては、ロール疵またはチャタマークなどの凹凸性の疵が発生する場合がある。これらの疵の大きさは数ｍｍ〜数十ｍｍ程度であるが、凹凸は数μｍ程度と非常に小さいものである。この凹凸は鋼板の表面粗さと同じ程度であるため、そのままの状態で観察しても発見することができない。ところが、塗装され、表面粗さが塗料に埋められ表面が滑らかになると、明瞭に見えるようになり、外観上大きな問題となる。そのため、このような疵を出荷しないようにすることは、品質管理上重要な問題である。
【０００３】
疵の形態としては、前述のロール疵のような点状の疵、チャタマークのような鋼板の幅方向に続く線状の疵がある他、線状マーク、絞りマークのように鋼板の長手方向に続く疵もある。
【０００４】
これらの疵の発生原因を考えてみると、例えばロール疵は、ロールに付着した異物、あるいはその異物がロールに噛み込んだことによってロール自体に生じた凹凸であり、また、チャタマークは製造プロセスにおけるロールもしくは鋼板自体の振動によるものである。そのため、これらの疵が一旦発生すると、ロールを交換したりプロセスを改善したりするまで連続的に発生するため、早期に発見し対策を講じることは、歩留向上の点からも極めて重要である。
【０００５】
このような疵を見つけるために、製鉄プロセスの各検査ラインにおいては、全てのコイルについて、操業中に鋼板の走行を一度停止し、検査員が砥石がけを行った後に目視検査をしている。砥石がけを行うと、凹部に比べて凸部がより砥石にあたり、反射率が高くなるので、凹凸部の差が明確になり、目視で確認可能となる。
【０００６】
しかしながら、このような方法は、検査ラインを停止して行わなければならず、かつ、かなりの時間を要するので、作業能率を低下させるという問題があった。それに対する対策として、凹凸が数μｍ程度の微小凹凸性疵を自動検査する方法の開発が行われてきた。このような、自動表面検査装置の例としては、特開昭５８−８６４０８号公報（特許文献１）、特開平５−２５６６３０号公報（特許文献２）、特開平６−５８７４３号公報（特許文献３）、特開２０００−３１４７０７号公報（特許文献４）に開示された技術がある。
【０００７】
【特許文献１】特開昭５８−８６４０８号公報
【特許文献２】特開平５−２５６６３０号公報
【特許文献３】特開平６−５８７４３号公報
【特許文献４】特開２０００−３１４７０７号公報
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記特許文献１に開示されている技術は、鏡面を対象とした検査装置であり、表面粗さの大きい対象に適用しようとすると、疵の凹凸による収束光・発散光が、表面粗さによる拡散光に紛れてしまうため、疵を検出することができない。
【０００８】
前記特許文献２に開示されている技術は、鋼板を対象にしたものであるが、やはりステンレス鋼板等のように鏡面性の高い対象でなければ有効でない。また、照明光と垂直の向きの凹凸欠陥に対しては有効であるが、平行の向きの凹凸欠陥は十分な検出能が得られないという問題がある。
【０００９】
また、前記特許文献３に開示されている技術は、研磨する前の表面の粗いウエハを対象としているが、全体光量により疵の有無を判定しているため、疵による明確な信号は検出できない。よって、検出精度が低いという問題がある。
【００１０】
さらに、前記特許文献４に開示されている技術は、光の照射方向を被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向にすることにより、点状欠陥、被検査体の長手方向に長い欠陥、被検査体の幅方向に長い欠陥を検出するものである。またこの技術は、照明光の波長に対する入射角の余弦の値の比が、被検査面の表面粗さから決定される所定の値以下となるようにすることにより、表面粗さと同等の深さの微小凹凸性疵を検出するものである。しかしながら、被検査全体の形状（例えば、フラットな形状、半径Ｒのロールに巻き付いた形状）や、被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向をどのように選べば、所定の疵が検出できるようになるか、あるいは、検出能が向上するかについては、全く分かっていなかった。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、表面粗さの粗い被検査対象物においても、凹凸が数μｍ程度の微小凹凸性疵を、被検査体のパスライン変動や大きな凹凸の影響を除去しながら確実に検出でき、かつ、点状の疵、被検査体の幅方向に長い疵、被検査体の長さ方向に長い疵のいずれをも検出できる装置を提供することを課題とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための第１の手段は、被検査体の表面に、波長に対する入射角の余弦の比の値が前記被検査面の表面粗さから決定される所定の値以下となるような光を、被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向から照射する光源と、被検査体の表面により反射された光を検出する検出系とを有し、反射された光量の変化から微小凹凸疵を検出する表面検査装置であって、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向は、検出の対象となる前記微小凹凸疵の前記幅方向に沿った方向の形状、前記長手方向に沿った方向の形状、及び被検査体の形状から決定されることを特徴とする表面検査装置（請求項１）である。
【００１３】
本手段においては、光源からの光の照射方向が、被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向とされている。すなわち、平面的に見た場合、光の照射方向は、被検査体の長手方向に対しても幅方向に対しても斜め方向から被検査体を照射している。よって、点状欠陥、被検査体の長手方向に長い欠陥、被検査体の幅方向に長い欠陥のいずれをも、精度良く検出できる。
【００１４】
また、本手段においては、照射光の波長に対する照射光の入射角の余弦の値の比が、前記被検体の表面粗さから決定される所定の値以下となるように、前記波長または前記入射角の一方もしくは両方が選定されている。
【００１５】
本発明者らは、表面粗さの粗い鋼板に対しても、反射光のうち鏡面反射が支配的な条件を作り出すことができれば、魔鏡現象が成立し、疵を検出することが可能になると考えた。そこで、まず、表面粗さと反射特性について検討を行った。
Ｂｅｃｋｍａｎｎ著Ｔｈｅ  ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  ｗａｖｅｓ  ｆｒｏｍ  ｒｏｕｇｈ  ｓｕｒｆａｃｅ  （Ｐｅｒｇａｍｏｎ  Ｐｒｅｓｓ，  １９６３）によると、凹凸量の分布が正規分布となるモデルを仮定した場合、下記のパラメータｇが小さいほど鏡面性が高いといえる。また、σ、λ、θ１、θ２のそれぞれの値にかかわらず、ｇの値が等しければ鏡面性の程度は同等である。
ｇ  ＝  ｛２πσ（ｃｏｓθ１＋ｃｏｓθ２）／λ｝２    …（１）
ここで、σは凹凸量の正規分布の標準偏差、λは照射光の波長、θ１は入射角、θ２は出射角である。ここで、正反射光を受光することを考え、入射角θ１及び出射角θ２がともに等しく、その値をθとすると、
ｇ  ＝  ｛４πσｃｏｓθ／λ｝２    …（２）
となる。
【００１６】
上式によれば、σが大きな対象であっても、ｃｏｓθ／λを所定の値以下にすれば、鏡面性を確保できることがわかる。例えばσ＝０．５μｍの粗面を有する被検査体の鏡面性ｇを、σ＝０．０２５μｍ程度の鏡面が、可視光の波長０．５μｍ、入射角０度に対して有するのと同程度の鏡面性ｇと同じ程度にしようとした場合、その方法の例としては、波長はそのままで入射角を８７度程度に大きくするか、入射角はそのままで波長を１０μｍ程度に大きくすることが考えられる。
【００１７】
（１）、（２）式は、凹凸量が正規分布をなすことを仮定しているので、必ずしも全ての鋼板に対して適用できるとは限らないが、多くの場合、凹凸量は近似的に正規分布をなすと考えられるので、（１）、（２）式が適用できる。また、（１）、（２）式が適用できない場合であっても、（１）、（２）式に相当する関係式を実験的に求めることも可能である。
【００１８】
すなわち、本手段においては、光源の波長λに対する前記入射角θの余弦の値の比ｃｏｓθ／λが、前記被検体の表面粗さに対応して決定される所定の値以下となるように、前記波長と前記入射角の関係が選定されている。よって、鏡面性が上がって魔鏡現象が起こり、微小凹凸により反射された集束光・発散光が、表面粗さによる拡散光に紛れることがなくなるので、表面粗さと同等の深さの微小凹凸性疵を確実に検出することができる。
【００１９】
どの程度のｇ値とすべきかは、被検査体によっても異なるので、実験的に求めるようにする。
【００２０】
ここで、魔鏡光学系によって得られる明暗のパターンについて考察する。
【００２１】
図５に示すように、フラットであると仮定した被検査体上に座標軸ｘを、それと直交する方向にｈ軸をとり、被検査体の凹凸が一次元の分布ｈ（ｘ）をしているとする。このとき、入射角θで点（ｘ、ｈ（ｘ））に入射した光が、点（ｘ、ｈ（ｘ））における傾きφ（ｘ）の微小面素により正反射し、スクリーン上に入射するとする。ここで、
ｔａｎφ（ｘ）＝ｄｈ／ｄｘ
なる関係が成り立っている。
【００２２】
スクリーンはｘ軸に対し角度Θで設置されているとし、スクリーン上にｕ軸をとる。ｕ軸の原点は、ｘ軸の原点の正反射位置に対応させ、それぞれの軸の原点間の距離をＬとする。従って、ｕ軸の原点は、ｘ−ｈ座標では
（Ｌ・ｓｉｎθ，  Ｌ・ｃｏｓθ）である。同様に、ｕ軸上の任意の点は、ｘ−ｈ座標で
（Ｌ・ｓｉｎθ＋ｕ・ｃｏｓΘ，  Ｌ・ｃｏｓθ−ｕ・ｓｉｎΘ）と表される。
【００２３】
このとき、点（ｘ、ｈ（ｘ））からの反射光がスクリーン上に照射される点ｕを求める。点（ｘ、ｈ（ｘ））からの反射光は、ｈ軸に対し角度θ−２φ（ｘ）を有するから、
【００２４】
【数１】
（Ｌ・ｓｉｎθ＋ｕ・ｃｏｓΘ−ｘ）／（Ｌ・ｃｏｓθ−ｕ・ｓｉｎΘ−ｈ（ｘ））＝ｔａｎ（θ−２φ（ｘ））  …（３）
よって、
【００２５】
【数２】
2004156932.tif 000003
【００２６】
凹凸量が十分小さく、Ｌ・ｃｏｓθ≫ｈ（ｘ）とおける場合は、
【００２７】
【数３】
2004156932.tif 000004
【００２８】
ここで、スクリーンが光軸と垂直、すなわち、Θ＝θの場合、
【００２９】
【数４】
ｕ＝｛ｃｏｓθ＋ｓｉｎθｔａｎ（２φ（ｘ））｝ｘ−Ｌ・ｔａｎ（２φ（ｘ））  …（６）
と書ける。
【００３０】
さらに、入射光の傾きが被検査体上の凹凸の傾きよりも十分大きい、すなわち、１／ｔａｎθ≫ｔａｎ（２φ（ｘ））とすると、
【００３１】
【数５】
2004156932.tif 000005
となる。
【００３２】
ここで、スクリーン上の明点は、図６（ａ）のようにｘを増加させたときに各点からの反射光がｕ軸上で重なり合ったり、図６（ｂ）のように重なり合うことはなくても密になるということで説明できる。また、逆に暗点は各点からの反射光がｕ軸上で疎になる領域として理解することができる。特に、凹凸量が十分小さく、ｕ（ｘ）が一価関数となる場合には、スクリーン上の明暗は、微小区間ｄｘに照射された光量が微小区間ｄｕへ投影されると考えると、ｄｘ／ｄｕで計算できる。
【００３３】
すなわち、（７）式より、
ｄｕ／ｄｘ＝ｃｏｓθ（１−２Ｌ・ｄ２ｈ／ｄｘ２／ｃｏｓθ）
よって、
ｄｘ／ｄｕ≒（１＋２Ｌ・ｄ２ｈ／ｄｘ２／ｃｏｓθ）／ｃｏｓθ    …（７’）
となる。ただし、凹凸変化は非常に小さいとし、
２Ｌ・ｄ２ｈ／ｄｘ２／ｃｏｓθ≪１と仮定している。
【００３４】
（７）式は次のように理解できる。すなわち括弧の前のｃｏｓθは、スクリーン上に投影される像の大きさを表す倍率である。入射角が大きくなるほど、像の大きさは小さくなる。また、ｄｈ／ｄｘの前に係数１／ｃｏｓθがかかっており、図７に示すように、入射角θが大きいほど明暗のパターンが現れやすくなる。
【００３５】
従って、ｃｏｓθ／λを所定の値以下とし鏡面性を高めるためにθを大きく（すなわちｃｏｓθを小さく）することは、１／ｃｏｓθだけ感度を向上することにもつながっている。
【００３６】
また、スクリーンの角度をｘ軸と平行に設置した場合、（７）式に対応して、
ｕ＝ｘ−２Ｌ・ｔａｎ２θ・ｄｈ／ｄｘ  …（８）
が得られる。この場合、投影された像の倍率は入射角θによらず一定であるが、入射角が大きいほど感度が高いのは同様である。
【００３７】
これらの考察によれば、被検査面に凹凸があるとき、その部分からの反射光がスクリーン上で正常部より明るくなったり、暗くなったりするので、スクリーン上の明暗点を検出することにより被検査面に発生する凹凸疵を検出することができ、その検出感度は、照射光の入射角が大きいほど高いことが分かる。
【００３８】
ただし、図５で疵の形状変化がｘ軸方向にはなく、ｘ軸と垂直方向（ｙ軸とする）にのみ形状変化があるような場合がある。例えば、鋼板の長手方向に沿った方向に光を入射した場合における、長手方向に長い線状マーク、絞りマークなどが例としてあげられる。その場合、ｙ軸方向（被検査体の幅方向）にｈ（ｙ）なる形状が、ｘ軸方向（被検査体の長さ方向）に無限に続いているとすると、（７）式において、ｄｈ／ｄｘ＝０であるため、疵を検出することができない。
【００３９】
そこで、ｘ軸に沿った方向ではなく、ｙ軸に沿った方向、もしくはｘ軸とｙ軸の中間の方向から光を入射することが考えられる。ところが、鋼板には、長手方向に沿った前述の欠陥とともに、幅方向に長いチャタマークなども発生することが想定されるため、両方を検出するためには、図８に示すように、ｘ軸とｙ軸の中間の方向から光を入射することが必要である。この光の方向をｓ軸にとる。
【００４０】
このときの定式化は、先に導いた式（７）において、
ｘ→ｓ
と置いたものに等しいから、例えば（７）式は、
ｕ≒ｃｏｓθ（ｓ−２Ｌ・ｄｈ／ｄｓ／ｃｏｓθ）
とかける。従って、
ｄｕ／ｄｓ≒ｃｏｓθ（１−２Ｌ・ｄ２ｈ／ｄｓ２／ｃｏｓθ）
である。ここで、ｓ方向とｘ軸（被検査体の長手方向）のなす角をφとすると、
ｓ＝ｙ／ｓｉｎφであるから、
【００４１】
【数６】
ｄｕ／ｄｓ  ≒ｃｏｓθ（１−２Ｌ・ｓｉｎ２φ・ｄ２ｈ（ｓｉｎφ）／ｄｙ２／ｃｏｓθ）
よって、
【００４２】
【数７】
ｄｓ／ｄｕ≒（１＋２Ｌ・ｓｉｎ２φ・ｄ２ｈ（ｓｉｎφ）／ｄｙ２／ｃｏｓθ）／ｃｏｓθ    …（７’’）
となる。この式は、疵の明暗のコントラストは、魔鏡現象に寄与するｙ方向の疵形状変化と光学条件に依存する係数２Ｌ・ｓｉｎφ／ｃｏｓθにより決定されることを意味する。ここで、魔鏡現象に寄与するｙ方向の疵形状変化とは、（７’）または（７’’）式の導出過程における近似が成り立つ場合にはｄ２ｈ／ｄｙ２で簡単に表現できるが、その場合に限られるものではない。
【００４３】
また、上述の入射方向に対して、幅方向（ｙ軸方向）に沿った欠陥に対しての定式化は、先の導出過程と同様に、
【００４４】
【数８】
ｄｓ／ｄｕ≒（１＋２Ｌ・ｃｏｓ２φ・ｄ２ｈ／ｄｘ２／ｃｏｓθ）／ｃｏｓθ    …（７’’’）
となる．この場合も，疵がｘ軸方向（被検査体の長さ方向）についてｈ（ｘ）の形状をもち，それがｙ軸方向（幅方向）に同一形状のまま連続していると仮定した。
【００４５】
以上の説明においては、議論を分かりやすくするために、幅方向及び長手方向に無限に連続する線状の疵について説明したが、ｘ軸方向、ｙ軸方向に有限のサイズを持つ疵については、疵形状のｘ方向の形状変化及びｙ方向の形状変化を考えればよい。
【００４６】
よって、光を照射すべき方向を、検出の対象となる微小凹凸疵の幅方向に沿った方向の形状、長手方向に沿った方向の形状及び被検査体の形状に応じて決定することにより、微小凹凸疵を検出力良く検出することができる。
【００４７】
前記課題を解決するための第２の手段は、前記第１の手段であって、前記被検査体の形状がフラットな形状のときに微小凹凸疵を検出するものであり、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｃｏｓ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｓｉｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値が、ともに同一の所定の値より大きくなるようにφが設定されていることを特徴とする前記被検査体の形状はフラットな形状であり、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記微小凹凸疵の長手方向に沿った方向の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｃｏｓ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、幅方向に沿った方向の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｓｉｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値が、ともに同一の所定の値より大きくなるようにφが設定されていることを特徴とするもの（請求項２）である。
【００４８】
前述のように、スクリーンに投影される反射光の明暗の度合いを決定する数値であるｄｓ／ｄｕは、ｙ軸方向（幅方向）についてｈ（ｙ）の形状をもつ欠陥に対しては（７’’）式で、ｘ軸方向（長さ方向）についてｈ（ｘ）の形状をもつ欠陥に対しては（７’’’）式で決定される。一つの光源についてはθは一定であるから、結局、ｄｓ／ｄｕは、ｘ軸方向についてｈ（ｘ）の形状をもつ欠陥に対しては、ｃｏｓ２φ・ｄ２ｈ／ｄｘ２、ｙ軸方向についてｈ（ｙ）の形状をもつ欠陥に対しては、ｓｉｎ２φ・ｄ２ｈ／ｄｙ２で決定されることになる。
【００４９】
今、図８においてｘ軸方向を非検査体の長さ方向とすると、ｄ２ｈ／ｄｘ２は、被検査体の長手方向に沿った方向の微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量である。また、ｄ２ｈ／ｄｙ２は、被検査体の幅方向に沿った方向の微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量である。よって、これらにそれぞれｃｏｓ２φ、ｓｉｎ２φをかけた値のうち検出すべき疵の中での最小値、すなわち、ｄ２ｈ／ｄｘ２の検出すべき疵の中での最小値を（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎとし、ｄ２ｈ／ｄｙ２の検出すべき疵の中での最小値を（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎとするとｃｏｓ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎ、ｓｉｎ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎが共に同一の所定の値より大きくなるようにφを設定しておけば、ｘ軸方向、ｙ軸方向のいずれの方向を向いた微小欠陥も検出できる。また、種々の方向を向いた微小欠陥は、ｘ軸方向、ｙ軸方向にそれぞれ所定形状を有する欠陥の重ね合わせとして表されるので、どちらの方向を向いた微小欠陥でも、検出することができる。
【００５０】
前記課題を解決するための第３の手段は、前記第１の手段であって、前記被検査体の形状がフラットな形状のときに微小凹凸疵を検出するものであり、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｃｏｓ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｓｉｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値とが、等しくなるようにφが設定されていることを特徴とする（請求項３）である。
【００５１】
前記第２の手段の説明で考察したように、微小凹凸疵の、被検査体の長手方向に沿った方向については、その魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量ｄ２ｈ／ｄｘ２にｃｏｓ２φを乗じた値が、スクリーンに投影される反射光の明暗の度合いを決定する。同様、被検査体の長手方向に沿った方向については、その魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量ｄ２ｈ／ｄｙ２にｓｉｎ２φを乗じた値が、スクリーンに投影される反射光の明暗の度合いを決定する。
【００５２】
よって、長手方向（ｘ方向）について、魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量ｄ２ｈ／ｄｘ２のうち、検出すべき微小欠陥について最小となるものを（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎ、魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量ｄ２ｈ／ｄｙ２のうち、検出すべき微小欠陥について最小となるものを（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎとするとき、
ｃｏｓ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎ＝ｓｉｎ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎ
となるように、すなわち、
φ＝ｔａｎ−１｛（（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎ／（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎ）１／２｝
とすれば、いずれの疵も同じ感度で検出できるようになる。
【００５３】
前記課題を解決するための第４の手段は、前記第１の手段であって、前記被検査体が半径Ｒのロールに巻き付いた状態で微小凹凸疵を検出するものであり、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にＲを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量にｔａｎ２φ・Ｒを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値が、ともに同一の所定の値より大きくなるようにφが設定されていることを特徴とするもの（請求項４）である。
【００５４】
被検査体の形状が半径Ｒのロールに巻き付いた形状である場合を考える。この場合は、被検査体のばたつきや被検査体自体の大きな凹凸形状を抑制することができる。よって、照射光の入射角を大きくしても、受光位置が大きく変動することがなく、安定した検出が可能となる。
【００５５】
前記第１の手段の説明のうち、魔鏡光学系に得られる明暗のパターンの考察において述べたように、１次元の凹凸分布ｈ（ｔ）を持つ被検査体が、図９のように半径Ｒのロールに巻き付いているとする。このとき、Ｒを付けても凹凸量は変化せず、すなわち、凹凸分布はロールの中心Ｏを原点とした図のような極座標系で、（Ｒ＋ｈ（Ｒ・ｔ），ｔ）と表されるものとする。
【００５６】
ここで、Ｒ≫ｈであり、ｔが小さいことを考慮すると
ｘ＝｛Ｒ＋ｈ（Ｒ・ｔ）｝・ｓｉｎｔ≒Ｒ・ｔ
ｚ＝｛Ｒ＋ｈ（Ｒ・ｔ）｝・ｃｏｓｔ−Ｒ≒ｈ（Ｒ・ｔ）−Ｒ・ｔ２／２
すなわち、
ｚ＝ｈ（ｘ）−ｘ２／（２Ｒ）
とおける。よって、前記第１の手段の説明のうち、魔鏡光学系に得られる明暗のパターンの考察において述べた考察においてｈ（ｘ）をｈ（ｘ）−ｘ２／（２Ｒ）に置き換えれば、全く同様に定式化できる。すなわち、（６）式に対応して、
【００５７】
【数９】
ｕ＝｛ｃｏｓθ＋２ｓｉｎθ・（ｄｈ（ｘ）／ｄｘ−ｘ／Ｒ）・ｘ−２Ｌ・｛ｄｈ（ｘ）／ｄｘ−ｘ／Ｒ｝  …（９）
が得られる。
【００５８】
ここでＬ≫ｘ・ｓｉｎθとすると、
ｕ＝ｘ・ｃｏｓθ−２Ｌ・｛ｄｈ（ｘ）／ｄｘ−ｘ／Ｒ｝  …（１０）
となり、これはＲ〜∞のときの（７）式に相当する。
【００５９】
さらに、２Ｌ／Ｒ≫ｃｏｓθのときには
ｕ＝２Ｌ・｛ｘ／Ｒ−ｄｈ（ｘ）／ｄｘ｝  …（１１）
となり、検出感度は、検出距離Ｌや入射角θにはあまり依存せず、ロール半径Ｒに大きく依存する。
【００６０】
先に対象が平面の場合に考察したように、被検査体の長手方向に沿った欠陥と幅方向に沿った欠陥両方を検出するために、図１０のようにｘ軸とｙ軸の中間の方向から光を入射する場合を考えると、幅方向（ｙ軸方向）の疵に対するこのときの定式化は、先に導いた各式において、
ｘ→ｓ
Ｒ→Ｒ／ｃｏｓ２φ  （楕円となるため）
と置いたものに等しいから、例えば（１１）式は、
ｕ≒２Ｌ・（ｓ・ｃｏｓ２φ／Ｒ−ｄｈ／ｄｓ）となる。
よって、
ｄｕ／ｄｓ≒２Ｌ・ｃｏｓ２φ・（１−Ｒ・ｔａｎ２φ・ｄ２ｈ／ｄｙ２）／Ｒ
ｄｓ／ｄｕ≒Ｒ（１＋Ｒ・ｔａｎ２φ・ｄ２ｈ／ｄｙ２）／（２Ｌｃｏｓ２φ）
となる。ただし、
Ｒ・ｔａｎ２φ・ｄ２ｈ（ｙ）／ｄｙ２≪１と仮定した。また、この場合も、疵がｙ軸方向（幅方向）についてｈ（ｙ）の形状をもち、それがｘ軸方向（長さ方向方向）に同一形状のまま連続していると仮定した。
【００６１】
従って、この場合には、感度はＲ・ｔａｎ２φ・ｄ２ｈ／ｄｙ２で決定される。感度に対するφ依存性を図１１に示した。図１１において、横軸はφ、縦軸は疵検出の相対感度を示している。鋼板長手方向の疵に対する入射方向が大きくなるにつれて検出感度が向上するのがわかる。
【００６２】
また、上述の入射方向に対して、長さ方向（ｘ軸方向）に沿った欠陥に対しての定式化は、先の導出過程と同様に、
ｕ≒２Ｌ・｛ｓ・ｃｏｓ２φ／Ｒ−ｃｏｓφ・ｄｈ（ｓ・ｃｏｓφ）／ｄｓ｝
＝２Ｌ・ｃｏｓφ・｛ｙ−Ｒ・ｄｈ（ｙ）／ｄｘ｝／Ｒ  となるので、
ｄｘ／ｄｕ≒Ｒ・（１＋Ｒ・ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２）／（２Ｌｃｏｓφ）
となる。この場合も、疵がｘ軸方向についてｈ（ｘ）の形状をもち、それがｙ軸方向に同一形状のまま連続していると仮定した。
【００６３】
この場合は、感度はＲ・ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２で決定される。感度に対するφの影響を図１２に示した。図１２において、横軸はφ、縦軸は疵検出の相対感度を示している。鋼板長手方向の疵に対する入射方向が大きくなるにつれて検出感度が向上するのがわかる。
【００６４】
従って、対象がフラットな形状である場合と同様に、長手方向（ｘ軸方向）についての形状変化の値ｄ２ｈ／ｄｘ２のうち、検出すべき疵の中で最小となるものを（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎとし、同様に幅方向（ｙ軸方向）について、形状変化の値ｄ２ｈ／ｄｙ２のうち、検出すべき疵の中で最小となるものを（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎとすると、Ｒ・（ｄ２ｈ／ｄｘ２）ｍｉｎ、及びＲ・ｔａｎ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎが所定の値以上になっていれば、これらのいずれの方向の欠陥の検出も可能であり、任意の方向を向いた欠陥はこれらの欠陥の重ね合わせで表されるので、結局、任意の方向を向いた欠陥の検出が可能となる。
【００６５】
前記課題を解決するための第５の手段は、前記第１の手段であって、前記被検査体が半径Ｒのロールに巻き付いた状態で微小凹凸疵を検出するものであり、前記被検査体の幅方向に沿った方向と長手方向に沿った方向の中間の方向が長手方向となす角度をφとした場合に、前記被検査体の長手方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量のうち検出すべき疵の中での最小値と、前記被検体の幅方向に沿った方向の、前記微小凹凸疵の魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量の値にｔａｎ２φを乗じた値のうち検出すべき疵の中での最小値とが、等しくなるようににφが設定されていることを特徴とするもの（請求項５）である。
【００６６】
前記第４の手段で説明したように、長さ方向に凹凸を有する疵に関する明暗の感度は、Ｒ・ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２で決定され、幅方向に凹凸を有する疵に関する明暗の感度は、Ｒ・ｔａｎ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｙ２）で決定される。
【００６７】
よって、Ｒ・（ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２）ｍｉｎ＝Ｒ・ｔａｎ２φ・（ｄ２ｈ／ｄｙ２）ｍｉｎ
すなわち、（ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２）ｍｉｎ＝ｔａｎ２φ・（ｄ２ｈ（ｙ）／ｄｙ２）ｍｉｎ
となるようにφを選べば、任意の方向の疵を同じ感度で検出することができる。
【００６８】
前記課題を解決するための第６の手段は、前記第２の手段から第５の手段のいずれかであって、前記魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量として、凹凸形状の２階微分値を採用したことを特徴とするもの（請求項６）である。
【００６９】
既に、前記第２の手段から第５の手段の説明において説明したように、魔鏡現象に寄与する凹凸形状変化量として、凹凸形状の２階微分値を用いることが理論的にも最も好ましい。
【００７０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態の例を、図を用いて説明する。図１は本発明の第１の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。図１において１は鋼板、２はロール、３は検出ヘッド、４は光源、５はミラー、６はスクリーン、７は２次元カメラ、８は信号処理装置、９は出力装置である。なお、以下の図においては、同じ構成要素には同じ符号を付して重複した説明を省略する。
【００７１】
鋼板１は、２つのロール２によって張力をかけられ、平面に張られて走行している。鋼板１の表面に近接して検出ヘッド３が設置されている。検出ヘッド３中には、光源４が設けられ、鋼板１の表面に、可視域の波長の平行光を入射角θが９０度近くの大きな角度、例えば８７度で照射している。平行光は、ランプからの光を一旦集光し、ピンホールを透過させた後、レンズまたは放物面鏡を用いて形成している。この平行光は、ミラー５で反射された後、前記の入射角で鋼板１の表面を照射する。
【００７２】
鋼板１の表面で反射された光は、半透明のスクリーン６上に像を結ぶ。その像をスクリーン６の背面から２次元カメラ（ＣＣＤカメラ等）７で撮像し、信号処理装置８で画像処理を行うことにより凹凸性疵を検出する。鋼板表面からの反射光は鏡面反射光となるが、凹凸性疵があると、その部分が、明るい又は暗いパターンとしてスクリーン６に写るので、疵の存在を検出することができる。画像処理の方法としては、２値化処理等、周知の手法を使用することができる。鋼板１の移動速度が高速の場合、撮影した像のぶれを防ぐために、ストロボ光源を使用して照明時間を短くすることが必要である。
【００７３】
図２は、鋼板１の上方から見た鋼板１の長さ方向と光源からの光の照射方向の関係を示す図である。この実施の形態は、検出すべき対象の疵に対して、３（ｄ２ｈｘ／ｄｘ２）ｍｉｎ＝（ｄ２ｈｙ／ｄｙ２）ｍｉｎなる関係があるような場合の実施の形態である。すなわち、
φ＝ｔａｎ−１｛（（ｄ２ｈｘ／ｄｘ２）ｍｉｎ／（ｄ２ｈｙ／ｄｙ２）ｍｉｎ）１／２｝＝３０°
に設定されている。φは、前述のように、照射光の入射方向とｙ軸とがなす角である。これにより、チャタマークのように鋼板の幅方向に発生する疵（ｘ軸方向、すなわち鋼板の長さ方向に凹凸変化が現れる疵）と、線状マーク、絞りマークのように鋼板長手方向に発生する疵（ｙ軸方向、すなわち鋼板の幅方向に凹凸変化が現れる疵）のいずれもが検出可能になる。上記の関係式では、チャタマークのように鋼板の幅方向に発生する疵に対する検出感度を、鋼板長手方向に発生する疵に対して３倍高めている。これは、前者の方が、凹凸が小さくても有害な欠陥とされるからである。
【００７４】
欠陥の性質により、（ｄ２ｈｘ／ｄｘ２）ｍｉｎと（ｄ２ｈｙ／ｄｙ２）ｍｉｎとの間に別の関係がある場合は、その関係に応じてφを決定すればよい。
【００７５】
図３は、本発明の第２の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。図３において、図１に示された構成要素と同じ構成要素には、同じ符号を付し、説明を省略すると共に、図１と同じ機能についても説明を省略する。この実施の形態においては、光源４としてレーザ光源を用い、平行光を照射している。そして、スクリーン上に投影されたパターンを、ＣＣＤカメラを用いて撮影する代わりに、リニアアレイカメラ１１の撮像素子上に明暗パターンを投影するようにしている。
【００７６】
その際、幅方向広のレーザ反射光を小さな撮像素子上に投影するために、シリンドリカルレンズ１２、１３を介して、反射光の幅方向を狭くしてからリニアアレイカメラ１１の撮像素子上に投影している。光源からの照射光は、図２に示すように鋼板の長さ方向に対して３０°傾いて照射され、その結果チャタマークのように鋼板の幅方向に発生する疵（ｘ軸方向、すなわち鋼板の長さ方向に凹凸変化が現れる疵）と、線状マーク、絞りマークのように鋼板長手方向に発生する疵（ｙ軸方向、すなわち鋼板の幅方向に凹凸変化が現れる疵）のいずれもが検出可能になることは、図１に示した実施の形態と同じである。
【００７７】
図４は、本発明の第３の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。図４において、（ａ）は側面図、（ｂ）は平面図である。鋼板２１は、ロール２２に接触して、その進行方向を変えられるように走行している。この実施の形態においては、鋼板２１がロール２２に巻き付いている位置で測定を行っている。これにより、鋼板２１のばたつきによるパスラインの変動が無く、かつ、鋼板２１自体にうねりがあるような場合であっても、張力によりロール２２に巻き付いているので、鋼板２１がうねりのない理想的なＲ形状の状態で検査を行うことができる。
【００７８】
光源２３からは、鋼板２１の幅方向に広いレーザスリット光２４が鋼板２１面に照射され、反射光は図２に示した実施の形態と同じように、リニアアレイカメラ２５の撮像素子上に投影されるが、その際、図３に示した実施の形態と同じように、シリンドリカルレンズ２６、２７により、反射光の幅方向を狭くしてからリニアアレイカメラ１１の撮像素子上に投影している。
【００７９】
（ｂ）において示される、鋼板２１の走行方向（ｘ軸方向）とレーザスリット光の投光方向とのなす角φは、
（ｄ２ｈ（ｘ）／ｄｘ２）ｍｉｎ＝ｔａｎ２φ・（ｄ２ｈ（ｙ）／ｄｙ２）ｍｉｎ
が成り立つように設定されている。よって、鋼板２１の長さ方向に凹凸がある疵（チャタマーク等）や、鋼板２１の幅方向に凹凸がある疵（線状マーク、絞りマーク等）の両方を等しく検出することができる。
【００８０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明においては、表面粗さの粗い被検査対象物においても、凹凸が数μｍ程度の微小凹凸性疵を、被検査体のパスライン変動や大きな凹凸の影響を除去しながら確実に検出でき、かつ、点状の疵、被検査体の幅方向に長い疵、被検査体の長さ方向に長い疵のいずれをも検出できる装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。
【図２】鋼板１の上方から見た鋼板１の長さ方向と光源からの光の照射方向の関係を示す図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態である表面検査装置の構成を示す概要図である。
【図５】魔鏡光学系によって得られる明暗のパターンの発生を説明するための図である。
【図６】魔鏡光学系によって得られる明点における光線の集束状況を示す図である。
【図７】入射角と明暗のパターンのピッチとの関係を示す図である。
【図８】ｙ軸方向に凹凸を有する疵に対して斜め方向から照射光を照射した場合の計算式を説明するための図である。
【図９】ロールに巻き付いた被検査体を示す図である。
【図１０】ロールに巻き付いた状態におけるｙ軸方向に凹凸を有する疵に対して斜め方向から照射光を照射した場合の計算式を説明するための図である。
【図１１】ロールに巻き付いた状態におけるｙ軸方向に凹凸を有する疵に対する、照射光の入射方向と、検出器で得られる明暗の強度とを示す図である。
【図１２】ロールに巻き付いた状態におけるｘ軸方向に凹凸を有する疵に対する、照射光の入射方向と、検出器で得られる明暗の強度とを示す図である。
【符号の説明】
１：鋼板、２：ロール、３：検出ヘッド、４：光源、５：ミラー、６：スクリーン、７：２次元カメラ、８：信号処理装置、９：出力装置、１１：リニアアレイカメラ、１２：シリンドリカルレンズ、１３：シリンドリカルレンズ、２１：鋼板、２２：ロール、２３：光源、２４：レーザスリット光、２５：リニアアレイカメラ、２６：シリンドリカルレンズ、２７：シリンドリカルレンズ、
【図１】
2004156932.tif 000006
【図２】
2004156932.tif 000007
【図３】
2004156932.tif 000008
【図４】
2004156932.tif 000009
【図５】
2004156932.tif 000010
【図６】
2004156932.tif 000011
【図７】
2004156932.tif 000012
【図８】
2004156932.tif 000013
【図９】
2004156932.tif 000014
【図１０】
2004156932.tif 000015
【図１１】
2004156932.tif 000016
【図１２】
2004156932.tif 000017