(57)【要約】【課題】本発明は、高速で移動する広い幅の被検査物の表面の欠陥を光ファイバ束を用いた照明装置によって、幅方向に均一な精度で、且つ高精度で検出できる表面検査装置を提供する。【解決手段】光ファイバ束１の光入射端面部２に高輝度ランプからの強い光束を入射させ、その光出射端面取り付け部１２は、取り付け板１２２で光ファイバ束１を個々に直線状に所定の間隔で一列に固定設定配置し、この光ファイバからの光出射端面部１２１に光ファイバの開口数以下のビーム角となる様に光束を制御する光ガイド筒７３を設けて、被測定物５の表面に入射させる光束の平行度と強度分布を所定の範囲内に収めたことを特徴とする表面検査装置。【選択図】　図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
高速で移動する被検査物の表面に光源からの光束を光ファイバを介して線状に照射し、前記被検査物からの反射光を検出して被検査物の表面を検査する表面検査装置において、
前記光源からの光束を、光ファイバ束の光入射端面部から光ファイバ束を介して、光ファイバ束の光出射端面取り付け部に導き、
この光出射端面取り付け部で前記光ファイバ束を所定の間隔をもって個々の光ファイバに分割して直線状に配置し、
前記個々の光ファイバから出射する光束を光ガイド制御手段により、前記光ファイバの開口数で定められる出射光束の出射角度範囲以下に制御し、
この制御された出射光束を前記被検査物に照射し、被検査物の反射光を検出する様にした
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記光ガイド制御手段が、前記個々の光ファイバを配置した前記光ファイバの光出射端面取り付け部の、個々の光ファイバに対応して設けた光ガイド筒であることを特長とする請求項１記載の表面検査装置。
【請求項３】
前記光ガイド制御手段を、前記光ファイバ束の光出射端面取り付け部と前記被検査物との間に配置した前記個々の光ファイバに対応して設けたレンズと、
このレンズと前記被検査物との間に配置され、且つ前記直線状に配置した光ファイバの全長に亘り配置した光導棒により構成したことを特長とする請求項１記載の表面検査装置。
【請求項４】
前記光ガイド制御手段を、前記光ファイバ束の光出射端面取り付け部と前記被検査物との間に配置した前記個々の光ファイバに対応して設けたレンズと、
このレンズと前記被検査物との間に配置され、且つ前記直線状に配置した光ファイバの全長に亘り配置した光導棒と、この光導棒と前記被検査物との間に配置した光束調整板により構成したことを特長とする請求項１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、例えば鋼板等の被検査物の表面に光を照射し、その表面からの反射光を受光して、表面の欠陥や状態を検出する表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、金属、紙、フイルムなどの製造ラインにおいて、高速で移動するシート状の表面に存在する欠陥を検出する方式には、種々の方法が開発されている。最近では、蛍光灯などの棒状光源を照明装置として、高速走査が可能なＣＣＤラインスキャンカメラを使用した検査装置が使用されている。
【０００３】
これらのＣＣＤラインスキャンカメラの照明装置として、最近では、蛍光灯等の棒状光源に変わり、光ファイバ束をライトガイドにした線状の照明光源が使用されるようになり、例えば、特公平６−２６８３９号公報に記載されている表面検査装置がある。
【０００４】
この従来技術について図４で説明する。まず、図４でその構成を説明する。光ファイバ束１の光入射端面部２には、ハロゲンランプ等の高輝度な光源６からの光が反射鏡で集光される。この集光された光は、光ファイバ束１の内部を伝播し、その光出射端面部１１より集光された光が被測定物５の表面に照射される。照射された光の反射光は、ＣＣＤラインスキャンカメラ３で受光され、ＣＣＤラインスキャンカメラ３の走査信号出力を画像処理装置４に送信し、ここで欠陥の有無を判別、処理している。
【０００５】
図５は、この様に構成された光ファイバ束１の光出射端面部１１から被検査物５の表面に出射される光束の照射特性について、光ファイバ束１の幅方向の端部から照射される部分の光束の照射特性を解析し、図示したものである。
【０００６】
この光出射端面部１１から出射する光（以後この光線束を光束と呼ぶ）の幅方向のビーム角θｗと移動方向のビーム角θｌは、いずれも光ファイバ固有材質で決まる開口数（Ｎｕｍｅｒｉｃａｌ　Ａｐｅｒｔｕｒｅ：ｓｉｎθｍ）の２倍で、この例の場合は、θｍ／２＝θｗ＝θｌである。
【０００７】
この時の被検査物５の移動方向及び幅方向の光束の軌跡を図５（ａ）と（ｂ）に、また夫々の光束の強度分布を図５（ｃ）と（ｄ）に示す。一本の光ファイバから出射される光束は、ガウス分布形状の強度分布を持ち、強度分布が均一となる部分は、幅方向には光ファイバの端部からＬ×ｔａｎ（θｗ／２）×２の位置からとなる。また、移動方向にも同様の広がりとなる。
【０００８】
ここで、個々の光ファイバの光出射端面１１から出射された光束が被検査物５の表面に対してなす広がり角の範囲をビーム角と称し、以後ビーム角と呼ぶ。従ってこのビーム角の値が小さいほど光束の平行度が良く、狭い範囲で揃っていることを示す。
【０００９】
この欠陥の検出方式の特徴は、光ファイバ束１からの入射光の入射角度とＣＣＤラインスキャンカメラ３で受光する反射光の受光角度が等しい正反射光学系として設定され、入射光を、極力平行光に近い光束とすることによって、表面の欠陥により散乱される光束変化を高感度で捉えようとするものである。
【００１０】
そのため、光ファイバ束１を用いた光学系の光束の平行度及び強度分布は、光ファイバの持つ開口数で決まるため、開口数の小さい光ファイバを使用し、且つ検査幅範囲は光束の強度分布が均一となる狭い範囲を使用する様に設定している。
【００１１】
従って、例えば、被検査物５の測定幅３００ｍｍに対して、６００ｍｍ幅の光ファイバ束を使用し、光出射端面部１１から被測定物５の表面までの距離Ｌを２００ｍｍ以上離して設定している。
【００１２】
また、入射光を平行光束に近いものとし、魔境の原理を用いた凹凸欠陥が検出可能となるとしているが、前述した様に、この光ファイバからの光束は幅方向にも、移動方向にも平行度の悪い広いビーム角の範囲で拡散する光束で照射されているので、凹凸欠陥の検出精度の向上には限度がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
前述した従来の光ファイバ束を用いた光学系の問題点を図５（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で説明する。その一つは、光束の平行度の問題である。即ち、光ファイバ束１として、例えば、石英ガラスファイバを用い、その開口数が０．５（ｓｉｎ３０）の場合、光出射端面部１１から出射された各々のファイバからの光束のビーム角θｗ、θｌは、６０度と広い範囲の角度成分を持つ光束となる。
【００１４】
そのため、被検査物５と光出射端面部１１との距離をＬとすると、被検査物５の位置では、その広がりの範囲は（Ｌ×ｔａｎ３０）×２となる。この幅方向の光束の状態を図５（ａ）に、移動方向の状態を（ｂ）に示す。各々のファイバからの光束の方向成分は６０度の範囲の広がりを含むものとなるため、幅方向にも、又移動方向においても、望ましい平行光の光束からはかなり離れた設定条件となる。
【００１５】
そのため凹凸欠陥表面からの反射光の変化を鋭く高感度で捉えることが出来ず十分な欠陥の検出精度の向上が図れなかった。
【００１６】
他の一つは、被検査物５の表面での光強度分布の問題である。強度分布は、幅方向については図５（ｃ）に又移動方向については図５（ｂ）に示す様になる。移動方向の強度分布については、ＣＣＤスキャンカメラの移動方向の分解能寸法以上を確保すれば良いので、ビーム角の中心位置から必要な範囲を比較的容易に選択使用することできる。
【００１７】
ところが、幅方向に対してはその強度分布が同一の条件で照射される位置は、光ファイバ束１の端部位置から（Ｌ×ｔａｎ３０）×２の位置となり、被検査物５の幅に対して同一の強度分布を確保するためには、２倍以上の幅の光ファイバ束が必要になる。そのため、被測定物の検査幅が、例えば、２０００ｍｍの場合は光ファイバ束が４０００ｍｍ以上必用になり、設置スペースの点からも使用することが困難であった。
【００１８】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたもので、高速で移動する広い幅の被検査物の表面の欠陥を幅方向に均一な感度で、且つ高精度で検出できる表面検査装置を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
高速で移動する被検査物の表面に光源からの光束を光ファイバを介して線状に照射し、前記被検査物からの反射光を検出して被検査物の表面を検査する表面検査装置において、前記光源からの光束を、光ファイバ束の光入射端面部から光ファイバ束を介して、光ファイバ束の光出射端面取り付け部に導き、この光出射端面取り付け部で前記光ファイバ束を所定の間隔をもって個々の光ファイバに分割して直線状に配置し、前記個々の光ファイバから出射する光束を光ガイド制御手段により、前記光ファイバの開口数で定められる出射光束の出射角度範囲以下に制御し、この制御された出射光束を前記被検査物に照射し、被検査物の反射光を検出する様にしたことを特徴としている。
【００２０】
本発明によれば、高速で移動する幅の広い被検査物の表面の欠陥を幅方向及び移動方向に対して均一な感度で、且つ高精度で検出する表面検査装置の提供が可能となる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
（第１の実施の形態）
以下、本発明による実施の形態について図１乃至図２を参照して説明する。図１は本発明の表面検査装置に係る第１の発明の実施の形態を示す構成図である。
【００２２】
図１において、光ファイバ束１の光入射端面部２に高輝度ランプを内蔵する光源６から強い強度の光束を照射し、光ファイバ束１でこの光束を伝播させて、詳細を後述する光ファイバ束１の光出射端面取り付け部１２と、この光出射端面取り付け部１２を介して、光ガイド制御部７に導く。光束のビーム角を制御する光ガイド制御部７からの出射光束は、被検査物５表面に入射角θｉで照射し，被検査物５の表面で反射し、２台のＣＣＤラインスキャンカメラ３で所定の受光角θｒで幅方向に分割して受光される。
【００２３】
前述した様に、表面検査装置では、凹凸欠陥を高精度で検出するためには、平行光を照射し反射光を正反射受光する正反射光学系が適しているので、通常、前記入射角θｉと受光角θｒは等しい値を選択する。
【００２４】
前記ＣＣＤラインスキャンカメラ３からの走査信号出力は、画像処理装置４に送信され、ここで欠陥の抽出と判定処理が行われる様に構成されている。
【００２５】
次に、光出射端面取り付け部１２と光ガイド制御部７の構成を図２（ａ）、（ｂ）を用いて詳細に説明する。光出射端面取り付け部１２と光ガイド制御部７は、以下のように構成されている。即ち、光ファイバ束１を個々の光ファイバに分離して、その個々の光ファイバ先端部を、光ファイバ束１の光出射端面取り付け部１２において、の取り付け板１２１に所定間隔で直線状に設けた複数の開口部にその開口部の一方から挿通固定する。
【００２６】
そして、この取り付け板１２１の他方面における夫々の開口部の周囲には光ガイド制御部７の光ガイド筒７３を配置した構成である。
【００２７】
前記光出射端面取り付け部１２の個々の光ファイバから出射した光束は、前記光ガイド筒７３よって、被検査物５の表面で所定の光束の形状と指向性及び強度分布となる様なビーム角を設定する。
【００２８】
即ち、被検査物５の幅方向の寸法（ｗ）×移動方向の寸法（δ）と、ビーム角θｗ、θｌで決まる光束の平行度と、この光束の強度分布とが所定の値の範囲に収まる様に、光ガイド筒７３の径ｄと長さｌとを光ファイバの開口数とから、予め許容範囲内に設定しておく。また、この様に設定された光ガイド制御部７と光出射端面取り付け部１２を被検査物５に対して所定の入射角θｉに設定配置する。
【００２９】
次にこの様に構成された各部の詳細設定について、同じく図１と図２で説明する。例えば、被検査物５を鉄鋼の圧延ラインの一つである連続焼鈍ラインのシート状のコイル場合で説明する。被検査物５の最大幅は２０００ｍｍ、シートの移動速度は最大６００ｍ／分で、ここで要求される凹凸欠陥のサイズが０．５ｍｍΦ程度の場合について説明する。
【００３０】
この場合、検出対象とする欠陥のサイズが０．５ｍｍΦであることから、２０００ＢｉｔのＣＣＤラインスキャンカメラ３として幅方向に２台を設定し、０．５ｍｍ／Ｂｉｔの分解能を確保しておく。
【００３１】
ＣＣＤラインスキャンカメラ３の走査速度は、被測定物５の移動速度以上で検査する必要があるので、０．５ｍｍの分解能の場合は走査速度を２０ｋＨｚ／回以上とすることが必要で、その走査時間は５０μ秒／回となる。
【００３２】
また、ＣＣＤラインスキャンカメラ３では、この走査時間で必要な受光エネルギーが捉えられる様に、光ガイド制御部７から照射する光束の強度を決定する。
【００３３】
例えば、光源６としてメタルハライドランプを使用し、反射鏡で光ファイバ束１の光入射端面部２に集束する。使用する光ファイバ束１としては光エネルギー伝送用の径と開口数を持つ、例えば石英ガラスをコアとする口径１ｍｍΦ、開口数０．５とし、個々の光ファイバの光出射端面取り付け部１２の光出射端面部１２２で高速走査が可能な光強度の光束を確保する。強度が不足する場合は、光入射端面部２に入射する光源６の輝度調整やランプの台数を調整する。
【００３４】
この実施の形態においては、個々の光ファイバの光出射端面部１２２の周囲に光ガイド筒７３を取り付けて、光ファイバの開口数で決まる光出射端面部１２２からのビーム角を、光ガイド筒７３の径ｄと長さｌで所定の特性に収まる様に設定しているが、光ガイド筒７３の径ｄを小さく、長さｌを長くすることでビーム角を小さくすることが出来る。
【００３５】
この光ガイド筒７３で設定される光束のビーム角は、例えば、光ガイド筒７３の径ｄを５ｍｍΦ程度とし、個々の光ファイバ間の間隔を１０ｍｍとし、幅方向に２００本を光ファイバの取り付け板１２１に設定配置し、光ガイド筒７３を出射するビーム角が３０度以下になる様に光ガイド筒７３の長さｌを設定する。
【００３６】
このビーム角は、前述した様に小さいほど検出精度上は好ましいが、被検査物５の表面で必要となる光束の形状（δ×ｗ）と強度分布を考慮して設定する必要がある。図２（ｃ）及び（ｄ）に、夫々、幅方向と移動方向の強度分布の例を実線で示す。
【００３７】
この被検査物５の表面での光束の幅方向の形状ｗは、個々の光ファイバからの光束が重なる部分が各所において同一条件となっている範囲を有効ビームとして設定している。光ガイド筒７３でビーム角θｗを小さな値に制御しているので、幅方向形状ｗにおいてもその両端部（２×Ｌ×ｔａｎ（θｗ／２））を除く大部分の範囲を均一とすることが出来る。
【００３８】
又、移動方向δの形状は、ビーム角θｌの中心からの強度が、ＣＣＤラインスキャンカメラ３の移動方向の分解能寸法以上で、光束の強度分布が所定の強度範囲内に収まる様に設定する。
【００３９】
この光ガイド筒７３から出射される光束の平行度と強度分布は、光ガイド筒７３の形状と、その内面の光の拡散特性を変えることによって調整することが出来る。例えば、ビーム角θｗとθｌは、光ガイド筒７３を矩形の筒とすることによって変えることが可能である。また、その内面を鏡面仕上げ、又はダル仕上げに加工することによっても強度分布を調整することが出来る。
【００４０】
この様な強度分布の調整の事例として、内面を拡散面としたときの作用を図２（ｃ）、（ｄ）の破線として示す。この様にして、望ましい光束の特性を調整設定することが出来る。
【００４１】
一方、被検査物５からの反射光を受光するＣＣＤラインスキャンカメ３は前述の光学条件で２台として説明したが、幅方向に均一な光学条件で受光するためには、図１に示すＣＣＤラインスキャンカメラ３の受光画角θｄが小さくなる様に、カメラ台数を増やしたり、被検査物５との距離Ｌを長く設定したりすることによって最適な受光画角θｄに調整しておく。
【００４２】
次に、この様に設定された光学条件での検出精度の事例について説明する。被検査物５の表面の欠陥の検出精度は、良品面と欠陥部の光束の反射特性の差で決まるので、前述した様に入射する光束の特性が一様であれば理想とする微小な欠陥まで検出可能である。本実施の態様での事例では、金属表面の微小な凹凸欠陥、凹凸±０．０１ｍｍ、形状、０．５ｍｍΦの欠陥が幅方向に一様な検出精度で検出することが可能であった。
【００４３】
以上述べた様に、この実施の形態によれば、被検査物５の表面に全幅に対して一様な強度分布と平行度を持つ光束を照射できるので、従来困難であった高速で走行する被検査物５の表面の微小欠陥を、幅方向にも均一な精度で検出することが出来る。
【００４４】
また、光ガイド筒７３で光束のビーム角、強度分布を制御し、表面検査装置の幅方向の寸法を小型化出来るので、幅の広い被検査物５に対しても設置が可能とる。
【００４５】
（第２の実施の形態）
図３は、本発明の第２の実施の形態における光ファイバ束１の光出射端取り付け部１２と光ガイド制御部７との構成と作用を説明する図である。以下、図３で説明する。
【００４６】
第２の実施の形態が、第１の実施の形態と異なる点は、本発明の第１の実施の形態では、光ガイド筒７３によって個々の光ファイバの光出射端面部１２２から出射される光束の特性を制御したが、本第２の実施の形態では、レンズによって出射される光束の特性を制御する点が異なる。その他の構成は、本発明の第１の実施の形態で説明したものと同様であるのでその説明を省略する。
【００４７】
この光ガイド制御部７の構成は、以下のように構成される。即ち、個々の光ファイバの先端部を光ファイバの取り付け板１２１に所定の間隔で直線状に設けた複数の開口部に、その開口部の一方から挿通固定する。そして、光ファイバの取り付け板１２１の他方面における個々の光ファイバの光出射端面部１２２の近傍に移動方向のビーム角を制御する、例えば，シリンドリカルレンズ７４を設定配置する。
【００４８】
さらに、シリンドリカルレンズ７４の前方に幅方向のビーム角を制御する光導棒７５を、また、その前方に拡散板又は光学フィルタ等の光束調整板７６を設定配置している。
【００４９】
以下この作用を同じく図３で説明する。図３（ａ）の実線は光ファイバの開口角のみで決まるビーム角度で出射された時の光束の軌跡で、シリンドリカルレンズ７４が無い場合である。斜線で囲んだ範囲は、光ガイド制御部７の端部２本の個々の光ファイバからの光束が、シリンドリカルレンズ７４で被検査物５の表面にビーム角を狭められて集光されている状態を示す。このシリンドリカルレンズ７４は、幅方向に集光作用持つシリンドリカルレンズ７４で、個々の光ファイバに対して設定配置されている。
【００５０】
この時の被検査物５の表面での光束の強度分布を図３（ｃ）の実線ｎで、そしてシリンドリカルレンズ７４が無い場合の強度分布を破線ｍとして示している。
【００５１】
又、被検査物５の移動方向の光束にあっては、図３（ｂ）の斜線で示す様に、光ファイバの開口角で決まるビーム角で出射された光束を、光ファイバの幅方向全長をカバーする一本の光導棒７５で被検査物５表面に集光させる。この時の光束の強度分布を、図３（ｄ）の実線ｎで示す。尚、破線ｍは、この光導棒７５が無い場合を示す。
【００５２】
この様に、光ファイバの開口角で決まる光束をシリンドリカルレンズ７４と光導棒７５によって、幅方向と移動方向で夫々独立して、被検査物５の表面に集束する光束の形状を設定することが出来る。
【００５３】
また、光ファイバ束１の光出射端面取り付け部１２から被検査物５の表面の光路上に、例えば、図３（ａ）に示す様に、光ガイド制御部７の窓面の位置に拡散板又はフィルタ板の様な光束調整板７６を配置することにより、光束の形状と強度分布を更に平均化する効果がある。この様子を図３（ｅ）、（ｆ）の破線ｔとして示す。
【００５４】
以上説明した様に、本発明の第２の実施の形態によれば、レンズ、光導棒等によって光束を集光させることによって、第１の実施の形態で説明した光ガイド筒の光束よりもよりシャープな光束の形状とすることが可能となるので、さらに欠陥の検出精度の向上が図れる。
【００５５】
【発明の効果】
以上説明した様に、本発明によれば、光ファイバ束の光出射端面部に光ファイバの開口数以下のビーム角とする光ガイド制御部を設けたので、光束の強度分布と、指向性のある平行光に近い光束を設定することが出来るので、高速で移動する幅の広い被検査物の表面の微小な欠陥を高精度で検出する表面検査装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態を示す構成図。
【図２】本発明の第１の実施の形態の光ガイド部の説明図。
【図３】本発明の第２の実施の形態の光ガイド部の説明図。
【図４】従来の光ファイバを用いた表面検査装置。
【図５】従来の光ファイバを用いた光ガイド部の説明図。
【符号の説明】
１　光ファイバ束
２　光入射端面部
３　ＣＣＤラインスキャンカメラ
４　画像処理装置
５　被検査物
６　光源
７　光ガイド部
１１　光出射端面部
１２　光出射端面取り付け部
７３　光ガイド筒
７４　シリンドリカルレンズ
７５　光導棒
７６　光束調整板
１２１　取り付け板
１２２　光出射端面部
θｉ　入射角
θｒ　反射角
θｄ　ＣＣＤラインスキャンカメラの受光画角
θｗ　幅方向のビーム角
θｌ　移動方向のビーム角
ｗ　被検査物表面での有効な光束の幅
δ　被検査物表面での有効な光束の長さ
Ｌ　光出射端面部と被検査物の距離
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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