(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の面積を有する被検査面に対して線状拡散光源から入射光を入射する投光手段と、前記被検査面からの反射光を受光するカメラと、前記投光手段及び前記カメラの前面にそれぞれ配置された高分子が一方向に伸延されてなる一対の偏光板と、前記投光手段の前面に配置された偏光板を通して偏光方向が入射面に対して平行でない偏光を前記被検査面に投光し、前記カメラで受光された反射光の偏光状態から前記被検査面の表面状態を検査する検査処理手段とを備えた表面検査装置において、
前記カメラに組込まれたレンズにて予め設定される前記線状拡散光源の長尺方向における所定画角を有した前記長尺方向の視野の中心における受光光量と視野の端における受光光量との差を減少させるように、
前記カメラから前記被検査面を見た場合の視野の端における前記投光手段及び前記カメラの前面に配置された各偏光板の繊維方向の傾きに基づき算出される実効偏光角が前記視野の中心における前記各偏光板の実効偏光角に近似する方向に、前記各偏光板の前記入射光及び反射光の各光路の光軸に対する垂直面からの前記長尺方向に直交する面内における傾きを示すあおり角がそれぞれ設定されるとともに、
前記あおり角の設定後に、前記カメラに組込まれたレンズにて、前記視野の中心の実効偏光角と前記視野の端の実効偏光角の変化量が許容値を超えた場合には、この許容値を超えないように視野の最大角となるように前記カメラの視野の画角が設定される
ことを特徴とする表面検査装置。
【請求項２】
前記投光手段及び前記受光手段の前面にそれぞれ配設された各偏光板の実効偏光角βL ，βCは、前記各偏光板の実際の偏光角ΘL ，ΘC 、前記各偏光板のあおり角αL ，αC、前記被検査面に対する光の入射角θ、及び前記視野の画角φを用いて(1),(2)式で示されることを特徴とする請求項１記載の表面検査装置。
cosβL＝[cosΘL・cosφ・sinθ＋sinΘL・sinφ・cos（θ＋αL )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαL）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2
…(1)
cosβC＝[cosΘC・cosφ・sinθ―sinΘC・sinφ・cos（αC―θ )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαC）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2
…(2)
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば薄鋼鈑表面等の被検査面に光を照射してこの被検査面の表面状態を検査する表面検査装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
薄鋼鈑表面等の被検査面に光を照射してこの被検査面からの反射光を解析することによって、被検査面の表面に存在する表面疵や表面汚れ等の表面状態を光学的に検査する表面検査は従来から種々の手法が提唱されかつ実施されている。
【０００３】
このなかで、偏光を利用した検査装置及び検査方法は、例えば特開昭６４−４１８４７号公報及び特開平３−１８１８０７号公報に提唱されている。
すなわち、特定の方向に偏光された光を所定の入射角で被検査面に入射させ、被検査面からの反射光を受光器で受光して解析する。これは、被検査面が光学的にフラットであれば入射された光は偏光状態を維持したままで反射され、被検査面に疵や汚れが存在するとその部分で偏光状態が乱れる光の特性を利用するものである。
【０００４】
そして、特開昭６４−４１８４７号公報においては、正常部での反射は偏光が保存されるが傷や凹凸に入射した場合は大きく偏光が揺らぐことを利用し、偏光角０度又は９Ｏ度に直線偏光したレーザ光を被検査体としてのメタリック製品の測定点に照射し、被検査体をＸＹテーブルにて走査しながら、特定の偏光成分を受光することにより、被検査面全面の表面欠点の検出を行う。
【０００５】
また，特開平３−１８１８０７号公報においては、正反射面を有する被検査体の検査を行うために、偏光した光を入射し、正反射面からの反射光が消光する向きに設置された偏光板を通してカメラで観察するようにしている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
このように、偏光を利用した表面検査装置はその検査目的に対応して様々なものが提案されているが、上述したこれらの従来技術にはまだ次のような課題があった。
【０００７】
すなわち，特開昭６４−４１８４７号公報に示されるようなレーザを測定点に照射し、被検査体をＸＹテーブルにて走査して全面検査を行う方法は、機械的に走査を実施する必要があるので、多大の測定時間が必要であった。
【０００８】
また、特開平３−１８１８０７号公報に示されるような偏光板を通した反射光をカメラで受光する方式は、一度に被検査体の全面の検査が行えるものの、受光器に組込まれたカメラが被検査体を見る場合の視野角が問題となる。
【０００９】
すなわち、視野中心では光軸と偏光板が直交するため想定した通りの偏光角として機能するが、カメラの視野の端では想定した偏光角の偏光板とは特性が異なってしまっていた。すなわち、カメラに対して正面前方から入射する光の偏光特性と、カメラに対して斜め前方から入射する光の偏光特性とは必ずしも同一とは限らない。
【００１０】
そのため、たとえ同一規模の疵であったとしても、カメラに対して正面前方に存在する疵とカメラに対して斜め前方に存在する疵とは、評価結果が異なる問題が生じる。また、その特性の違いが何のパラメータによりどのように影響されるのかが明確にされていなかった。したがって、その影響を小さくする方法も明確でなかつた。
【００１１】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、被検査面からの反射光を受光するカメラ等の受光手段に対して正面前方及び斜め前方における偏光素子の実効偏光角を検証することにより、カメラ等の受光手段の視野内の中心から端まで広範囲に亘って被検査面の表面状態をほぼ同一条件で測定でき、表面状態の高い検出精度を維持した状態で測定効率を大幅に向上できる表面検査装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、所定の面積を有する被検査面に対して線状拡散光源から入射光を入射する投光手段と、被検査面からの反射光を受光するカメラと、投光手段及びカメラの前面にそれぞれ配置された高分子が一方向に伸延されてなる一対の偏光板と、投光手段の前面に配置された偏光板を通して偏光方向が入射面に対して平行でない偏光を被検査面に投光し、カメラで受光された反射光の偏光状態から被検査面の表面状態を検査する検査処理手段とを備えた表面検査装置に適用される。
【００１３】
そして、上記課題を解消するために、本発明の表面検査装置においては、カメラに組込まれたレンズにて予め設定される線状拡散光源の長尺方向における所定画角を有した長尺方向の視野の中心における受光光量と視野の端における受光光量との差を減少させるように、
カメラから被検査面を見た場合の視野の端における投光手段及びカメラの前面に配置された各偏光板の繊維方向の傾きに基づき算出される実効偏光角が視野の中心における各偏光板の実効偏光角に近似する方向に、各偏光板の入射光及び反射光の各光路の光軸に対する垂直面からの長尺方向に直交する面内における傾きを示すあおり角がそれぞれ設定されるとともに、
あおり角の設定後に、カメラに組込まれたレンズにて、視野の中心の実効偏光角と視野の端の実効偏光角の変化量が許容値を超えた場合には、この許容値を超えないように視野の最大角となるようにカメラの視野の画角が設定される。
【００１４】
このように構成された表面検査装置において、受光手段から被検査面を見た場合の視野内における各位置の表面状態は、該当位置からの反射光の偏光状態に基づいて評価されされる。したがって、この偏光状態を検出するために投光手段から受光手段までの光路に介挿された偏光板の受光手段側から見た偏光角である実効偏光角が全視野に亘って均一であればよい。
【００１５】
図６に示すように、偏光素子の偏光方向が、投光手段から被検査面に対する入射光の光軸と被検査面から受光手段への反射光の光軸とで形成される面、すなわち、入射面に平行であれば、偏光板の偏光方向と実効偏光角とは等しいので、全視野に亘って実効偏光角がほぼ均一となる。
【００１６】
しかし、一般に偏光板の偏光方向が入射面に対して平行でないので、実効偏光角は視野角（画角φ）によって変化する。この実効偏光角は、視野角の他に入射面に平行する方向への傾斜角（光路の光軸に対するあおり角）にも影響されることが理論的に明らかになった。
【００１７】
したがって、このあおり角を最適値に設定することによって、実効偏光角の視野角に対する依存度を低下させることができる。その結果、カメラ等の受光手段の視野内の中心から端まで広範囲に亘って被検査面の表面状態をほぼ同一条件で測定できる。
【００１９】
なお、たとえ、あおり角を調整したとしても視野角が大きくなると実効偏光角の変化が大きくなるので、その変化量が許容値を超えないように、視野の最大角を示す画角を設定することによって、より一層被検査面の表面状態をほぼ同一条件で測定できる。
【００２２】
また、別の発明は、上述した発明の表面検査装置において、投光手段及び受光手段の前面にそれぞれ配設された各偏光板の実効偏光角βL ，βCは、各偏光板の実際の偏光角ΘL ，ΘC 、各偏光板のあおり角αL ，αC、被検査面に対する光の入射角θ、及び視野の画角φを用いて(1),(2)式で示される。
【００２３】
cosβL＝[cosΘL・cosφ・sinθ＋sinΘL・sinφ・cos（θ＋αL )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαL）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2…(1)
cosβC＝[cosΘC・cosφ・sinθ―sinΘC・sinφ・cos（αC―θ )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαC）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2…(2)
このように構成された表面検査装置においては、(1)(2)式に示すように、各偏光板の実効偏光角βL ，βCと各偏光板の実際の偏光角ΘL ，ΘC との関係が定量的に示される。したがって、この(1)(2)式を用いることによって、各偏光板における最良のあおり角αL ，αC 、及び視野の画角φをより定量的に設定することが可能である。
【００２８】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施形態を図面を用いて説明する。
図１（ａ）は実施形態に係る表面検査装置の側面図であり、図１（ｂ）は同表面検査装置の上面図である。
【００２９】
この実施形態の表面査装置は製鉄工場における合金化亜鉛メッキ鋼板の品質検査ラインに設置されている。図中矢印方向に搬送状態の鋼板１の搬送路の上方位置に、この帯状の鋼板１の幅方向に線状拡散光源２が配設されている。この線状拡散光源２は、ー部に拡散反射塗料を塗布した透明導光棒の両端から内部ヘメタルハライド光源の光を投光することによって、鋼板１の幅方向に一様の出射光を得る。
【００３０】
投光手段としての線状拡散光源２の各位置から出射された鋼板１に対する入射光３は、シリンドリカルレンズ４と偏光板５を介して走行状態の鋼板１に対して入射角θで照射される。偏光板５の基準方向に対する偏光角はΘLであり、この偏光板５の入射光３の光軸に対してあおり角αLが設定されている。
【００３１】
なお、偏光板５の偏光角ΘLは、この偏光板５の偏光方向がｐ偏光状態、すなわち、カメラの画角中心における入射面と平行な方向を０度（基準方向）とし、光に対面して見たときの反時計方向を正方向としている。また、垂直方向のあおり角αLは、光軸に対して垂直方向を０度（基準方向）とし、図１（ａ）のように、側面から見たとき、この垂直方向から反時計方向を正方向としている。
【００３２】
鋼板１で反射された反射光６は鋼板１の正反射方向に配置された受光手段としての受光部７に入射する。この受光部７の前面には、基準方向に対して偏光角がΘCに設定された偏光板８が配設されている。さらに、この偏光板８は、この偏板８の反射光６の光軸に対して、垂直方向から反時計方向にあおり角αCが設定されている。
【００３３】
ここで、受光部７に組込まれたレンズは線状拡散光源２の各位置から出射され、鋼板１で反射された反射光６のうちの広い範囲の光を受光するが、予めレンズに設定された視野の画角φ内の光を受光する。なお、この明細書においては、画角φを反射光６の中心からの角度としている。
【００３４】
そして、鋼板１上における入射光３の中心位置９を３次元座標の原点とし、鋼板１の幅方向をｘ軸とし、鋼板１に垂直する方向をｙ軸とし、鋼板１の進行方向をｚ軸とする。
【００３５】
このように構成された表面検査装置において、線状拡散光源２から出力された入射光３は偏光板５で偏光されたのち鋼板１上の中心位置９で反射されて反射光６として偏光板８を介して受光部７に入射される。受光部７は偏光板８を介して入射された反射光６を電気信号ａに変換して信号処理部１０へ送信する。検査処理手段としての信号処理部１０は、この電気信号ａから反射光６の偏光状態を検出して鋼板１の表面状態を測定する。
【００３６】
このような状態において、受光部７から鋼板１を見た場合において、視野の位置が鋼板１の中心位置９からずれた場合に、鋼板１上の視野の中心位置９を通過する入射光３と反射光６とを含む平面を示す入射面に対して、線状拡散光源２側の偏光板５と受光部７側の偏光板８との偏光方向（偏光軸）がどのように変化するかを計算する。
【００３７】
一般に、各偏光板５，８は図２（ａ）（ｂ）に示すように、高分子を一方向に伸延して製造される。そして、偏光板５，８に光が入射すると、その高分子の繊維方向と平行に振動する電場のエネルギは繊維中の自由電子を振動させるのに消費され、結果として繊維方向と直交する向きの電場のみが透過すると考えられる。
【００３８】
したがって、偏光板５，８の偏光方向（偏光軸）を表すベクトルがどのように傾いて見えると直接的に考えるのではなく、偏光板５，８の繊維方向が受光部７から見てどのように傾いて見えるかを検討し、光の入射方向と対面して見たときに、それと直交する向きが結果として偏光方向（偏光軸）となると考える必要がある。
【００３９】
図３は、実施形態の表面検査装置における中心位置９（座標原点）を通る入射光３と反射光６と、視野の端（視野角φ）を通る入射光３ａと反射光６ａとの関係を示す図である。
【００４０】
図３中、Ｃは受光部（カメラ）７の位置であり、Ｃ′は鋼板１に対する受光部（カメラ）７の鏡像位置である。ここで、受光部（カメラ）７から視野角φで鋼板１を見たときの単位方向ベクトルをｉとし、この単位方向ベクトルｉで鋼
板１を見たとき、鋼板１の存在により正反射が発生している場合における線状拡散光源２の方向を示す単位方向ベクトルをｒとする。
【００４１】
さらに、単位方向ベクトルｉと単位方向ベクトルｒとを含む平面（入射面）の法線ベクトルをｓとする。なお、この法線ベクトルｓは、この入射面に対するｓ偏光方向を示すベクトルである。さらに、図４に示すように、線状拡散光源２側の偏光板５の繊維方向を示すベクトルをｐLとする。
【００４２】
このように、各ベクトルｉ、ｒ、ｓ、ｐLを定義すると、各ベクトルｉ、ｒ、ｓ、ｐLは、簡単な幾何学的考察に基づいて、中心位置９の入射角θ、視野角φ、偏光板５の偏光角ΘL を用いて、(3)(4)(5)(6)式で示されることが理解できる。
【００４３】
【数１】
0003783469.tif 000002
【００４４】
ここで、線状拡散光源２側の偏光板５上の繊維方向ベクトルｐLが見かけ上どのように作用するかは、図４、図５に示すように、前述した単位方向ベクトルｒを法線ベクトルとする平面上へ繊維方向ベクトルｐLを射影したときのベクトルｐL'で表されると考えた。したがって、この見かけ上の繊維方向ベクトルｐL’は定数ｋを用いて(7)式で示すことが可能である。
ｐL’＝ｐL＋ｋｒ                            …(7)
よって、この(7)式を用いて見かけ上の繊維方向ベクトルｐL’を求めることが可能となる。ここで、ｋは(8)式で求まる。ここで「・」はベクトルの内積演算、|  |はベクトルの大きさを表す。
【００４５】
ｐL’・ｒ＝（ｐL＋ｋｒ）・ｒ＝０
ｋ＝―（ｐL・ｒ）／|ｒ|2 ＝ｐL・ｒ
∴  ｋ＝―（cosΘL・sinφ＋sinΘL・cosφ・sinαL）…(8)
そこで、図４、図５に示すように、この見かけ上の繊維方向ベクトルｐL’と入射面の法線ベクトルｓとのなす角をβLとすると、この角βLは(9)式で示すことが可能である。
cosβL＝（ｐL'・ｓ）／|ｐL’||ｓ|…(9)
【００４６】
【数２】
0003783469.tif 000003
【００４７】
|ｐL'|2 ＝|ｐL|2 ＋２ｋｐL・ｒ＋ｋ2|ｒ|2 ＝１―ｋ2 …(11)
であるから、入射面の法線ベクトルｓとのなす角βLは最終的に前述した(1)
式となる。
【００４８】
cosβL＝[cosΘL・cosφ・sinθ＋sinΘL・sinφ・cos（θ＋αL )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαL）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2…(1)
そして、前述したように、見かけ上の繊維方向ベクトルｐL’と直交する向きが偏光角であるから、ｐ偏光を基準とした場合の偏光角もβL となる。よって、この偏光角βLが線状拡散光源２側の偏光板５の実効偏光角βLとなる。
【００４９】
ここで、偏光板５の実効偏光角βL の符号について検証する、図４から（ｐL'×ｓ）が単位方向ベクトルｒと同じ向きの場合に正と決められる。ここで、―π／２＜φ、θ＜π／２が言えるから(4)(10)式におけるｘ軸方向の成分又はｚ軸方向の成分に着目すると、偏光板５の実効偏光角βL の符号は、［sin(αL＋θ)・sinφ］の符号と一致するように決められる。
【００５０】
上述した(3)〜(11)式と同様な計算手段を用いることによって、受光部７側の偏光板８の実効偏光角βCが最終的に(2)式で示すように求まる。
【００５１】
cosβC＝[cosΘC・cosφ・sinθ―sinΘC・sinφ・cos（αC―θ )]／
[１―（cosΘC・sinφ＋sinΘC・cosφ・sinαC）2 ]1/2
×［１−cos2θ・cos2φ］1/2…(2)
この受光部７側の偏光板８の実効偏光角βCの符合は、線状拡散光源２側の偏光板５と同様な手法にて、［sin(αC―θ)・sinφ］の符号と一致するように決められる。
【００５２】
ここで、(1)(2)式について検証すると、この(1)(2)式は、鋼板１に対する入射光３の入射角θ及び受光部７側から鋼板１を見た場合の画角φの条件下で、線状拡散光源２側の偏光板５の実際の偏光角ΘL及び受光部７側の偏光板８の実際の偏光角ΘCが実効的にはどのような角度となるかを示している。さらに、各偏光板５，８の各光軸に対するそれぞれのあおり角αL 、αC を変化させることにより、実効的な偏光角（実効偏光角）βL 、βC をある程度調整できることを示している。
【００５３】
この実効偏光角βL 、βC をある程度調整できる効果は、線状拡散光源２側の偏光板５の実際の偏光角ΘL及び受光部７側の偏光板８の実際の偏光角ΘCがπ／２（９０度）の場合に最も効果を発揮する。
すなわち、例えば(1)式において、偏光板５の偏光角ΘL ＝π／２とおくと、実効偏光角βLは(12)式となる。
cosβL＝[sinφ・cos（θ＋αL )]／
[１―cos2φ・sin2αL ]1/2×［１−cos2θ・cos2φ］1/2…(12)
この(12)式によると、θ＋αL ＝π／２、すなわち、線状拡散光源２側の偏光板５を鋼板１と直交させる向きにおくことにより、(13)式に示すように、実効偏光角βLを画角φによらず常にπ／２にすることができる。
cosβL＝０…(13)
このことは、図６に示すように、偏光板５の繊維方向が画角φによらず常に入射面内に存在することにより視覚的に理解できる。
【００５４】
また、線状拡散光源２側の偏光板５の偏光角ΘL 及び受光部７側の偏光板８の偏光角ΘC が前述した特別角度以外の一般の角度の場合は、上述の繊維方向の基準と入射面のなす角度の他に、ある方位角の繊維を見る方向により方位角が異なって見える効果がある。前者は偏光板を被検査体と直交させる向きに置くことで解決されるが、後者は本質的な問題として残る。但し、(1)(2)式に従って、影響が最も小さくなるように各あおり角αL 、αC を適当に選ぶことは可能である。
【００５５】
影響が最も小さくなるようにというのは、偏光板５．８の使用目的により下記に示すように種々考えられる。
画角φの大小に起因する実効偏光角βL 、βC の変動を最小にする。
実効偏光角βL 、βC の相互間の差が所定の値からずれる量を最小にする。
受光部７のカメラで観察したときの画角φによる光量の差を最小にする。
【００５６】
このなかで、受光部７のカメラで観察したときの画角φによる光量は、次のように計算される。
まず、受光部７で受光される光の偏光電場ベクトルＥｄは、ジョーンズマトリクスを用いて(14)式で示される。
【００５７】
【数３】
0003783469.tif 000004
【００５８】
したがって、偏光電場ベクトルＥｄの絶対値の２乗値で示される受光光量|Ｅｄ|2は(15)式のように計算される。
|Ｅｄ|2＝ｒs 2［tan2Φ・cos2βL・cos2βC＋sin2βL・sin2βC
＋２tanΦ・cosΔ・cosβL・sinβL・cosβC・sinβC］…(15)
この(15)式に示すように、画角φによらず受光光量|Ｅｄ|2の差が小さくなるように各偏光板５、８のあおり角αL 、αS を決めればよいことが理解できる。但し、実際には、予め受光部７のレンズにおけるシェーディング等別の要因による受光光量の差を例えば補正値として評価しておく必要がある。
【００５９】
このように、視野中心の受光光量と視野の端における受光光量との差が小さくなるように各偏光板５、８のあおり角αL 、αS を設定することによって、視野内の広い範囲に亘って鋼板１の表面状態をほぼ均一に測定できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の表面検査装置においては、被検査面からの反射光を受光するカメラ等の受光手段に対して正面前方及び斜め前方における偏光板の実効偏光角の変化が最小になるように偏光板に光軸に対するあおり角及び視野の画角を設定している。
【００６１】
したがって、カメラ等の受光手段の視野内の中心から端まで広範囲に亘って被検査面の表面状態をほぼ同一条件で測定でき、表面状態の高い検出精度を維持した状態で測定効率を大幅に向上できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係わる表面検査装置の概略構成を示す側面図及び上面図
【図２】同表面検査装置に組込まれた偏光板を示す図
【図３】同表面検査装置における非検査面に対する各光路を示す図
【図４】同表面検査装置に組込まれた偏光板におけるあおり角と実効偏光角との関係を示す図
【図５】同表面検査装置に組込まれた偏光板における実効偏光角を示す図
【図６】偏光板の方向と入射面との関係を示す図
【符号の説明】
１…鋼板
２…線状拡散光源
３…入射光
４…シリンドリカルメンズ
５，８…偏光板
６…反射光
７…受光部
９…中心位置
１０…信号処理部
【図１】
0003783469.tif 000005
【図２】
0003783469.tif 000006
【図３】
0003783469.tif 000007
【図４】
0003783469.tif 000008
【図５】
0003783469.tif 000009
【図６】
0003783469.tif 000010