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JP6447728B2 - 被検査体撮像装置、被検査体撮像方法、表面検査装置及び表面検査方法 - Google Patents
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被検査体撮像装置、被検査体撮像方法、表面検査装置及び表面検査方法 Download PDF

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Description

本発明は、被検査体撮像装置、被検査体撮像方法、表面検査装置及び表面検査方法に関する。
例えば冷延鋼板のような金属板を製造するにあたって、熱延鋼板などの中間製品を圧延する処理が行われる。このような圧延処理では、圧延ロールを用いて最終製品が所望の厚みとなるように引き延ばすことが行われるが、圧延ロールに異物が付着している場合には、かかる異物に起因して金属板表面に凹凸疵が生じる場合がある。また、圧延ロールが微小振動している場合には、かかる振動によって金属板表面に微細な横縞（チャタマーク）が形成されることもある。更には、製造ライン等の汚れに起因して、金属板表面に無害な汚れが付着する場合もある。
この凹凸疵の凹凸量は、１μｍ程度からその１０倍程度である。一方、塗装前の製造プロセスにおける帯鋼板の表面は、可視光と同程度の０．５μｍ〜１μｍ程度の粗度を有するため、可視光による目視検査では拡散反射成分が大きく、凹凸欠陥を発見するのは困難である。このような凹凸欠陥を検出するために、従来では、検査員が金属板に対して砥石がけを行った後に目視検査を行うことが行われてきた。金属板に対して砥石がけを行うと、凹部に比べて凸部がより一層研磨されることにより凸部が鏡面に近づくのに対し、凹部は元の粗面のままで残存するため、凹凸発生部が明瞭となり、目視により確認することが可能となる。しかしながら、製造した金属板の凹凸疵の有無の確認を目視により実施するには、時間と労力とを有するという問題がある。
かかる問題を解決するために、赤外波長帯域に属する光（赤外光）を利用することで、鋼板の表面に存在する微小欠陥を目視によらず検出する方法についての検討が行われてきている。例えば、以下の特許文献１では、赤外光を被検査対象物に照射し、被検査対象物からの反射光をスクリーン投影して明暗をカメラにより観察することで、被検査対象物の表面に存在する微小凹凸性疵を検出する方法が開示されている。また、以下の特許文献２では、赤外レーザ光を発散光にしたうえで被検査体に照射し、被検査体からの反射光を凹面鏡で集光したうえでカメラにより撮像する方法について開示されている。
特開２０１０−１３３９６７号公報 特開２００９− ８００３３号公報
Ｐ．Ｂｅｃｋｍａｎｎ，"Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ ｂｙ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｒｏｕｇｈ ｓｕｒｆａｃｅｓ"，Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ｔｈｅ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．５３，Ｉｓｓｕｅ８（１９６５），１０１２−１０１５．
しかしながら、上記特許文献１の方法に関し、カメラの明暗パターンと疵の凹凸とは必ずしも一致しないため、汚れと凹凸疵との区別が難しいという問題があった。また、照明にレーザを用いた場合には、反射光を拡散面であるスクリーンに投影するとスペックルノイズが出現し、正確な検査ができないという問題があった。更に、本方法では、スクリーンで散乱する光の一部しかカメラに入射しないため、明暗を良好に観察するためには光源のパワーが必要になるという問題があった。
また、上記特許文献２の方法に関し、凹面鏡では光軸の角度を１８０度から大きく変更することが困難であり、その結果、光路が重なる領域が存在することとなって、装置の小型化が困難であるという問題があった。また、検査範囲よりも凹面鏡の大きさが必ず大きくなり、かかる点でも装置の小型化が困難であるという問題があった。
そこで、本発明は、上記問題に鑑みてなされたものであり、本発明の目的とするところは、可視光の波長程度の表面粗度を有する被検査体の表面に生じた、表面粗度の数倍程度の凹凸欠陥等を高感度に検出するとともに、被検査体の表面に存在する汚れと凹凸疵との区別を正確に行うことが可能であり、更に、装置の小型化を図ることが可能な、被検査体撮像装置、被検査体撮像方法、表面検査装置及び表面検査方法を提供することにある。
上記課題を解決するために、本発明のある観点によれば、赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源と、前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、を備え、前記撮像部は、少なくとも１つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を２つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第１の撮像素子及び第２の撮像素子と、を有しており、前記第１の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられており、前記第２の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する被検査体撮像装置が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の別の観点によれば、赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも１つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられている第１の撮像素子により、当該第１の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第２の撮像素子により、当該第２の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、を有し、前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する被検査体撮像方法が提供される。
前記撮像光学系は、前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、を更に有していてもよい。
前記光源で発生する前記光束は、平行光であってもよい。
前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有していてもよい。
前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられていてもよい。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、被検査体の表面に対して所定の投射角で赤外波長帯域に属する光束を投射して、前記被検査体の表面からの反射光を撮像する被検査体撮像装置と、前記被検査体撮像装置により撮像された前記反射光の撮像画像に対して画像処理を行い、前記被検査体の表面に存在する表面欠陥を検出する演算処理装置と、を備え、前記被検査体撮像装置は、赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源と、前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、を備え、前記撮像部は、少なくとも１つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を２つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第１の撮像素子及び第２の撮像素子と、を有しており、前記第１の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられており、前記第２の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足し、前記演算処理装置は、前記第１の撮像素子により撮像された第１の撮像画像、及び、前記第２の撮像素子により撮像された第２の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第１の撮像画像と前記第２の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出する表面検査装置が提供される。
また、上記課題を解決するために、本発明の更に別の観点によれば、赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも１つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられている第１の撮像素子により、当該第１の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第２の撮像素子により、当該第２の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、前記第１の撮像素子により撮像された第１の撮像画像及び前記第２の撮像素子により撮像された第２の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第１の撮像画像と前記第２の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出するステップと、を有し、前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する表面検査方法が提供される。
前記撮像光学系は、前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、を更に有していてもよい。
前記光源で発生する前記光束は、平行光であってもよい。
前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有していてもよい。
前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられていてもよい。
以上説明したように本発明によれば、被検査体の表面からの反射光を少なくとも１つの凸レンズを有する光学素子で集光するとともに、被検査体の表面と共役な位置からずらして配設された２つの撮像素子で反射光を撮像することで、装置の小型化を図るとともに、可視光の波長程度の表面粗度を有する被検査体の表面に生じた、表面粗度の数倍程度の凹凸欠陥等を高感度に検出することが可能となる。また、２つの撮像素子で生成された撮像画像を利用することにより、金属板の表面に存在する汚れと凹凸疵との区別を正確に行うことが可能となる。
本発明の実施形態に係る表面検査装置について示した説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置について示した説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部の一例を示した説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部の一例を示した説明図である。 共役位置での結像の様子について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。 共役位置からのズレ量の決定方法の一例を説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置の光束投射部及び撮像光学系の一例について説明するための説明図である。 同実施形態に係る演算処理装置の画像処理部の構成を示したブロック図である。 同実施形態に係る演算処理装置のハードウェア構成を示したブロック図である。 同実施形態に係る撮像部のシミュレーション結果について示したグラフ図である。 同実施形態に係る撮像部のシミュレーション結果について示したグラフ図である。 同実施形態に係る撮像部のシミュレーション結果について示したグラフ図である。 同実施形態に係る撮像部のシミュレーション結果について示したグラフ図である。 同実施形態に係る撮像部のシミュレーション結果について示したグラフ図である。 同実施形態に係る被検査体撮像装置による金属表面の撮像結果を示した説明図である。
以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施の形態について詳細に説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の機能構成を有する構成要素については、同一の符号を付することにより重複説明を省略する。
＜表面検査装置の構成について＞
まず、図１を参照しながら、本発明の実施形態に係る表面検査装置の構成について説明する。図１は、本実施形態に係る表面検査装置１０の構成を示した説明図である。
本実施形態に係る表面検査装置１０は、図１に例示したように、被検査体撮像装置１００と、演算処理装置２００と、を主に備える。
被検査体撮像装置１００は、被検査体Ｓに対して、以下で詳述するような所定の広がり半角を有する、赤外波長帯域に属する光束を投射するとともに、被検査体Ｓの表面からの光束の反射光を撮像して、被検査体Ｓの表面を撮像した撮像画像を生成する。被検査体撮像装置１００により生成された被検査体Ｓの表面の撮像画像は、演算処理装置２００に出力される。
演算処理装置２００は、被検査体撮像装置１００により生成された撮像画像に対して画像処理を実施して、被検査体Ｓの表面に存在する表面欠陥（特に、凹凸疵）を検出する。
なお、上記被検査体撮像装置１００及び演算処理装置２００については、以下で改めて詳細に説明する。
また、本実施形態に係る被検査体Ｓは、被検査体撮像装置１００から投射された赤外波長帯域に属する光束を反射可能な金属板であればよい。かかる被検査体Ｓについては、特に限定されるものではないが、例えば、合金を含む各種鋼板や、いわゆる非鉄金属板等を挙げることができる。
＜被検査体撮像装置の構成について＞
続いて、図２〜図１３を参照しながら、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００の構成について、詳細に説明する。
図２は、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００の全体構成を模式的に示した説明図である。図３〜図５Ｃは、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。図６は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光源について説明するための説明図である。図７及び図８は、実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部の一例を示した説明図である。図９は、共役位置での結像の様子について説明するための説明図である。図１０は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。図１１は、共役位置からのズレ量の決定方法の一例を説明するための説明図である。図１２は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の撮像部について説明するための説明図である。図１３は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の光束投射部について説明するための説明図である。
本実施形態に係る被検査体撮像装置１００は、図２に示したように、光束投射部１０１と、撮像部１０３と、を備える。
［光束投射部について］
光束投射部１０１は、被検査体Ｓの表面に対して、所定の投射角θで赤外波長帯域の光束を投射するための光学系である。この光束投射部１０１は、図２に示したように、赤外波長帯域に属する光束（以下、単に「赤外光」とも称する。）を出射する光源１０５と、光源１０５から出射された赤外光を被検査体Ｓへと導光する投射光学系１０７と、を備える。ここで、上記投射角θは、図２に模式的に示したように、光源１０５の光軸と、被検査体Ｓの表面法線方向と、のなす角を意味する。
光源１０５は、被検査体Ｓの表面に対して照射される赤外光（例えば、波長８〜１２μｍ程度の赤外光）を出射するものである。かかる光源は、出射する赤外光の光束の広がり半角が、所定の値以下となっている光源である。ここで、光束の広がり半角φとは、図３に模式的に示したように、光源１０５から出射される赤外波長帯域に属する光束の外縁を表す直線と、光源１０５の光軸と、のなす角を意味する。
以下で詳述するように、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００では、被検査体の表面に存在している傾きを、撮像画像における輝度値の明暗として可視化する。また、本実施形態に係る表面検査装置１０は、かかる撮像画像における輝度値の明暗に基づいて、被検査体の表面に存在している傾きを検出する。そのため、本実施形態に係る光源１０５は、被検査体の表面に存在している傾きを精度よく反映可能なものであることが重要である。
ここで、光源１０５から出射される光束の広がり半角が、被検査体の表面に存在する傾きよりも十分に小さい場合について着目する。
この際、図４Ａの左図に模式的に示したように、被検査体の表面が平坦である場合には、かかる表面で反射した光束の明るさは、光束が互いに同一の反射角で反射するために、均一となる。一方で、図４Ａの右図に模式的に示したように、被検査体の表面に傾きが存在した場合には、平坦部分と傾き部分との反射角が相違する結果、反射光の光束が互いに重畳して、明るくなる部分が生じるようになる。
続いて、光源１０５から出射される光束の広がり半角が、被検査体の表面に存在する傾きよりも大きい場合について着目する。
この際、図４Ｂの左図に模式的に示したように、被検査体の表面が平坦であったとしても、光束が互いに重畳するようになる。そのため、図４Ｂの右図に模式的に示したように、被検査体の表面に傾きが存在したとしても、平坦であるときから光束が互いに重畳しているために、明るさの変化は少なく、傾きを精度よく検出することが困難となる。
以上のような知見に基づき、本実施形態に係る光源１０５として、被検査体の表面における光束の広がり半角φが、撮像すべき表面の最小傾き（換言すれば、求める傾きの検出分解能）の２０倍以下である光源を利用する。ここで、光束の広がり半角φが、撮像すべき表面の最小傾きの２０倍を超える場合には、被検査体の表面に存在している傾きを反映することが困難となるため、好ましくない。なお、光束の広がり半角φは、小さければ小さいほど良く、光束の広がり半角φは０度であってもよい。広がり半角φが０度であるということは、光源から出射する光束が完全な平行光となっていることを意味する。
このような広がり半角を持つ光源１０５は、例えば、図５Ａ〜図５Ｃに模式的に示したように、赤熱物体のような表面から全方向に光を放射する赤外光発光体（以下、単に「発光体」という。）と凸レンズとを組み合わせることで、実現することができる。
まず、図５Ａに示したように、発光体が、凸レンズの焦点に位置する場合について着目する。この場合、発光体から出射した赤外光束は、凸レンズを透過することで平行光となる。ここで、広がり半角は、発光体の大きさの半分の値に対応する発光体の高さをｈとし、凸レンズの焦点距離をｆとした場合に、ｈ／ｆ（単位：ｒａｄ）で表わされる値となる。従って、凸レンズの焦点距離ｆが一定であるとすると、光源の高さｈが小さければ小さいほど（換言すれば、発光体が点光源に近づけば近づくほど）、広がり半角は小さな値となることがわかる。
次に、図５Ｂに示したように、発光体を、凸レンズの焦点よりも後ろに位置するように（換言すれば、発光体と凸レンズの主面との間の離隔距離が、焦点距離ｆよりも大きくなるように）配設する場合について着目する。この場合、発光体から出射した赤外光束は、凸レンズを透過することで、集束光となる。
また、図５Ｃに示したように、発光体を、凸レンズの焦点よりも手前に位置するように（換言すれば、発光体と凸レンズの主面との間の離隔距離が、焦点距離ｆよりも小さくなるように）配設する場合について着目する。この場合、発光体から出射した赤外光束は、凸レンズを透過することで、発散光となる。
図５Ｂ及び図５Ｃに示した場合においても同様に、広がり半角は、発光体の高さｈと、出射面と凸レンズの主軸との間の離隔距離とを用いて表わされ、かかる離隔距離が同一である場合には、光源の高さｈが小さければ小さいほど、広がり半角は小さな値となる。
このように、発光体と凸レンズとの位置関係を制御することで、光束として、平行光を選択したり、集束光を選択したり、発散光を選択したりすることが可能となる。本実施形態に係る被検査体撮像装置１００では、光源１０５から出射される光束として、図５Ａに示したような平行光、図５Ｂに示したような集束光、図５Ｃに示したような発散光の何れをも用いることが可能である。ここで、光源１０５から出射される光束として、平行光を利用することで、光源１０５全体の配設位置の制約が無くなるため、被検査体撮像装置１００の光学系の設計がより容易となる。従って、光源１０５から出射される光束としては、図５Ａのような平行光を利用することが好ましい。
また、図５Ａ〜図５Ｃに示したような凸レンズは、後述する投射光学系１０７を兼ねることができる。また、図５Ａ〜図５Ｃに示したような凸レンズは、後述する投射光学系１０７とは独立したものであっても良い。
また、上記のような発光体と凸レンズとの組み合わせでなく、ＣＯ２レーザのようなレーザ素子と光学系との組み合わせを光源１０５として用いることも可能である。この場合には、レーザから出射した光のビーム半径と広がり半角との積であるビームパラメータプロダクト（Ｂｅａｍ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｐｒｏｄｕｃｔ：ＢＰＰ）が素子固有の定数であり、またビーム伝播中の不変量であることから、前述のように発光体の高さｈを用いる代わりに、ＢＰＰを光源１０５から出射する光束の半径で割ることで、広がり半角が求められる。
光源１０５としてレーザ素子と光学系との組み合わせを用いる場合、本実施形態では、このような光源１０５として、量子カスケードレーザ（より詳細には、外部共振器を有していない量子カスケードレーザ）を利用することが好ましい。外部共振器を有していない量子カスケードレーザは、波長が約１０μｍであり、かつ、スペクトル幅が４００ｎｍ程度となる赤外光を出射可能なレーザ光源である。光源１０５として、上記のような量子カスケードレーザを用いることで、他の赤外光源を利用する場合と比べて、被検査体の表面でのスペックルノイズの発生をより効果的に抑制することが可能となる。光源１０５として量子カスケードレーザを用いる場合についても、その広がり半角は、素子固有の定数であるＢＰＰを光源１０５から出射する光束の半径で割ることで求められる。
図６は、光源１０５として、ＣＯ２レーザ光源、又は、外部共振器を有していない量子カスケードレーザ光源を利用し、鋼板の表面に存在する凸部を撮像した撮像画像を示したものである。ここで、用いたＣＯ２レーザ光源は、中心波長が１０．６μｍであり、スペクトル幅が１ｎｍである光束を出射する光源であり、用いた量子カスケードレーザ光源は、中心波長が１０μｍであり、スペクトル幅が４００ｎｍである光束を出射する光源である。なお、図６に示した各撮像画像を取得する際には、各光源から出射した光束を平行光とした上で、鋼板の表面に対して照射している。図６に示した両者の撮像画像を比較すると明らかなように、光源１０５としてＣＯ２レーザを用いた場合には、撮像画像の全体にわたってスペックルノイズが発生しており、画像の略中心に存在している凸部（黒く写っている部分）が不鮮明となっている。一方で、光源１０５として量子カスケードレーザを用いた場合には、スペックルノイズの発生が抑制されて、画像の略中心に存在している凸部（黒く写っている部分）が鮮明に映し出されている。
ここで、光源１０５は、ＣＷ（Ｃｏｎｔｉｎｕｏｕｓ Ｗａｖｅ）光を出射可能なＣＷレーザ光源であってもよいし、パルス光を出射可能なパルスレーザ光源であってもよい。ここで、被検査体Ｓが例えば製造ライン上などを移動している場合に、後述する撮像部１０３に設けられた赤外カメラ中の撮像素子の１フレーム時間内に、被検査体Ｓの移動する量が無視できる場合には、光源１０５としてＣＷレーザ光源を用いた場合であっても、移動している被検査体Ｓを静止した状態で撮像することが可能となる。また、光源１０５としてパルスレーザ光源を用いる場合には、移動している被検査体Ｓを静止した状態で撮像することが可能となる。
なお、以下では、便宜的に、光源１０５から平行赤外光が出射される場合を例に挙げて、説明を行うものとするが、光源１０５から集束赤外光や発散赤外光が出射される場合であっても、平行赤外光の場合と同様の効果を享受することが可能である。
投射光学系１０７は、光源１０５から出射された赤外光を、被検査体Ｓの表面に対して所定の投射角θで投射されるように導光する。投射光学系１０７は、光源１０５から出た光束の広がり半角が変わらないように光束の大きさを変えず、光束の向きだけを変えるものであることが好ましい。
また、本実施形態に係る光束投射部１０１には、投射光学系１０７として、赤外光の伝播方向を変えるための各種反射ミラーが設けられていてもよい。
なお、本実施形態に係る投射光学系１０７の材質については、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等の赤外光に対しても利用可能な材質の中から、利用する赤外光の波長に応じて適宜選択すればよい。
本実施形態に係る光束投射部１０１は、光源１０５の設置位置及び設置方向を調整したり、投射光学系１０７として設置される反射ミラー等を適宜組み合わせたりすることにより、所定の広がり半角を有する赤外光を被検査体Ｓの表面に対して投射角θで投射する。
ここで、光束投射部１０１から出射される赤外光の投射角θは、被検査体Ｓの表面を鏡面とみなすことができる程度となるように設定される。以下、赤外光の投射角θの設定方法について、簡単に説明する。
本実施形態に係る被検査体撮像装置１００では、投射角θを決定する際に、上記非特許文献１に記載されている鏡面性パラメータｇの式（式１０１）を利用する。以下の式１０１で表される鏡面性パラメータｇは、物体表面の鏡面性の度合いを示すものであり、パラメータｇの値が小さいほど、着目している物体表面は鏡面であると考えることができる。また、以下の式１０１において、パラメータσは、着目している物体表面の凹凸量（すなわち、表面粗度）の標準偏差であり、パラメータλは、利用する光の波長である。また、パラメータθ１は、着目している物体表面への光の入射角であり、パラメータθ２は、着目している物体表面からの光の出射角である。ここで、入射角＝出射角＝θとすると、下記式１０１は、式１０１ａのように変形することが可能である。
ここで、本実施形態において、上記式１０１及び式１０１ａにおけるパラメータλは、光源１０５として用いる赤外光源に応じて決まる値である。また、パラメータσは、着目している被検査体Ｓの製造実績に関する操業データ等から得られる知見により決定可能な値である。
式１０１又は式１０１ａで表される鏡面性パラメータｇの値が１以上となると、着目している物体表面において拡散反射成分が増大し、鏡面反射成分が急激に減少する。従って、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００では、設計パラメータとして決定されるパラメータλ及びパラメータσの値に応じて、上記式１０１又は式１０１ａで表される鏡面性パラメータｇの値が１以下となるように、角度θ（すなわち、赤外光の投射角θ）を決定する。
例えば、パラメータλ（波長）＝１０．６μｍであり、パラメータσ＝１μｍである場合には、角度θを３２度以上とすることで、鏡面性パラメータｇを１以下とすることができる。
［撮像部について］
続いて、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００が備える撮像部１０３について、詳細に説明する。
本実施形態に係る撮像部１０３は、図２に示したように、撮像光学系１０９と、２つの赤外カメラ１１１，１１３と、を備える。
撮像光学系１０９は、被検査体表面からの平行赤外光の反射光を、後述する赤外カメラ１１１，１１３の撮像素子へと導光するものである。かかる撮像光学系１０９として、被検査体Ｓの表面からの反射光を集光するための集光光学素子や、集光光学素子を透過した反射光を、後述する赤外カメラ１１１，１１３のそれぞれへ分岐するための分岐光学素子等が設けられる。
ここで、集光光学素子は、前述のように被検査体Ｓの表面からの反射光を集光し、赤外カメラ１１１，１１３へと結像させるものであり、少なくとも１つの凸レンズを備えている。また、本実施形態に係る撮像部１０３は、撮像光学系１０９の集光光学素子として、１つの凸レンズのみを備えていてもよく、複数の凸レンズが組み合わされたレンズ群を備えていてもよく、各種の凹レンズや非球面レンズ等が凸レンズと組み合わされたレンズ群を備えていてもよい。
本実施形態に係る撮像部１０３は、集光光学素子として少なくとも１つの凸レンズを備えることにより、光路の取り回しに関する制約が減り、その結果、光学系の設計の自由度を向上させることができる。これにより、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００では、装置の小型化や設置スペースの縮小を図ることができる。
分岐光学素子は、前述のように、集光光学素子を透過した反射光を２つの光路に分岐するためのものであり、例えばビームスプリッターを挙げることができる。かかる分岐光学素子により反射光が分岐されて、赤外カメラ１１１が有する撮像素子、及び、赤外カメラ１１３が有する撮像素子のそれぞれへと導光されることとなる。
また、本実施形態に係る撮像部１０３は、上記分岐光学素子と各赤外カメラの撮像素子との間に、分岐光学素子を透過した反射光を撮像素子へと集光するための集光光学系の一例である集光光学素子を有していてもよい。かかる集光光学素子は、撮像光学系１０９の一種として撮像部１０３内に設置されていてもよく、後述する赤外カメラのレンズとして、撮像部１０３内に設置されていてもよい。かかる集光光学素子を設けることで、後述するように撮像部１０３の設計の自由度を向上させることが可能となる。
また、本実施形態に係る撮像部１０３には、撮像光学系１０９として、反射光の伝播方向を変えるための各種反射ミラーが設けられていてもよい。
なお、本実施形態に係る撮像光学系１０９の材質については、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、セレン化亜鉛（ＺｎＳｅ）等の赤外光に対しても利用可能な材質の中から、利用する赤外光の波長に応じて適宜選択すればよい。
赤外カメラ１１１，１１３は、被検査体Ｓの表面で反射した赤外光（例えば、平行赤外光）を、当該カメラ内に設けられた撮像素子で撮像して、反射光を撮像した撮像画像を生成する。赤外カメラ１１１，１１３内に設けられた撮像素子は、赤外光の撮像に対応したものであれば、例えばＨｇＣｄＴｅやＩｎＳｂなどの半導体アレイ、あるいは、マイクロボロメータなどの熱的センサアレイ等を利用することが可能である。また、これらのセンサ以外にも、赤外光の撮像に適したイメージセンサであれば、任意のものを利用可能である。
ここで、本実施形態に係る撮像部１０３が備える赤外カメラ１１１，１１３の撮像素子は、後述するように、光路上で被検査体Ｓの表面と共役となる位置からずれた場所に設置されている。ここで、共役とは、被検査体Ｓの表面上の１点から発散した光が撮像光学系１０９により像上の１点に収束する状態（すなわち、結像状態にある物体と像との関係）を指すものであり、物体と像を入れ替えた場合には光線を逆にたどれば結像関係がやはり成り立つことは明らかである。すなわち、本実施形態では、被検査体Ｓ上の１点から出た光が、その向きによって各赤外カメラの撮像素子面上の異なった位置に入射する。つまり本実施形態では、結像関係を満足しない状態となるように、各赤外カメラ１１１，１１３の撮像素子が設置されている。
ここで、図７及び図８を参照しながら、本実施形態に係る撮像部１０３の構成について、具体例を挙げながら詳細に説明する。
○撮像部の具体例−１
まず、図７を参照しながら、撮像部の一例について具体的に説明する。
図７に示した例では、撮像部１０３が備える撮像光学系１０９として、集光光学素子の一例である凸レンズ１２１が設けられており、反射光の光軸上には、分岐光学素子として、凸レンズ１２１を透過した反射光を２つの光路に分岐するビームスプリッターＢＳが設けられている。ビームスプリッターＢＳにより２つに分岐された反射光は、赤外カメラ１１１が有する撮像素子１２３のセンサ面と、赤外カメラ１１３が有する撮像素子１２５のセンサ面とにそれぞれ結像する。
ここで、図７における被検査体の表面と凸レンズ１２１との間の離隔距離Ｌ１は、実際の検査現場におけるワークディスタンス等に応じて、適宜設定すればよい。また、凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１は、利用する凸レンズの種類に応じて決まる値である。かかる場合において、凸レンズ１２１と各赤外カメラの撮像素子との間の離隔距離をＬ２とすると、図７に示した撮像部１０３の結像公式は以下の式１１１で表される式となる。
ここで、上記式１１１を満足する離隔距離Ｌ２の位置が、被検査体表面と共役な位置（以下、単に共役位置ともいう。）に対応する。そこで、図７に示した撮像部１０３の一例では、赤外カメラ１１１が有する撮像素子１２３のセンサ面は、凸レンズ１２１からの光軸上での離隔距離が（Ｌ２＋Δ）となるように、共役位置からずらして設置される。同様に、赤外カメラ１１３が有する撮像素子１２５のセンサ面は、凸レンズ１２１からの光軸上での離隔距離が（Ｌ２−Δ）となるように、共役位置からずらして設置される。
○撮像部の具体例−２
続いて、図８を参照しながら、撮像部の別の一例について具体的に説明する。
図７に示した撮像部では、被検査体表面と凸レンズとの間の離隔距離Ｌ１、及び、凸レンズの焦点距離ｆ１を決定すると、凸レンズと撮像素子との間の離隔距離Ｌ２が決まってしまい、その結果、撮像倍率（Ｌ１／Ｌ２）も決まってしまう。このため、図７に示した撮像部の一例は、光学系の設計の自由度が少ないものであるといえる。
そこで、図８に示した撮像部の一例では、集光光学素子の一例である凸レンズ１２１と、撮像素子１２３，１２５との間（より詳細には、分岐光学素子の一例であるビームスプリッターＢＳと撮像素子１２３，１２５との間）に、集光光学素子としてレンズ１２７，１２９がそれぞれ設置される。これにより、図８に示した撮像部では、以下で説明するように、光学系の設計の自由度を向上させることが可能となる。
まず、図８に示した光学系では、用いる凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１に応じてワークディスタンスを設定し、焦点距離ｆ１を被検査体表面と凸レンズとの間の離隔距離とする。その後、被検査体の視野の大きさＤと、用いる撮像素子の大きさｄとに応じて、集光光学素子として設置されるレンズ１２７，１２９の焦点距離ｆ２を、以下の式１２１に基づいて決定する。この際、撮像光学系の撮像倍率は、（ｆ２／ｆ１）で表される値となる。
この際、集光光学素子であるレンズ１２７，１２９と撮像素子のセンサ面との間の離隔距離を焦点距離ｆ２と等しく設定してしまうと、かかるセンサ面の設置位置は、被検査体表面と共役な位置となってしまう。そこで、図８に示した撮像部１０３の一例では、赤外カメラ１１１が有する撮像素子１２３のセンサ面は、レンズ１２７からの光軸上での離隔距離が（ｆ２＋Δ）となるように、共役位置からずらして設置される。同様に、赤外カメラ１１３が有する撮像素子１２５のセンサ面は、レンズ１２９からの光軸上での離隔距離が（ｆ２−Δ）となるように、共役位置からずらして設置される。
ここで、図８に示したように、集光光学素子の一例である凸レンズ１２１と、レンズ１２７，１２９との間の離隔距離を（ｆ１＋ｆ２）とすることで、撮像部１０３をテレセントリック光学系とすることができる。撮像部１０３をテレセントリック光学系とすることで、共役位置からのズレ量Δの大きさが赤外カメラ１１１と赤外カメラ１１３とで異なる場合であっても、各カメラの撮像素子で結像する像の大きさを互いに同一とすることが可能となる。
しかしながら、本実施形態に係る撮像部１０３では、光学系をテレセントリック光学系とすることは必須ではなく、被検査体の表面と、撮像素子のセンサ面とが共役配置から上記ズレ量Δの配置になっていればよい。なお、撮像部１０３をテレセントリック光学系としない場合には、赤外カメラ１１１と赤外カメラ１１３とで、撮像される像の大きさが互いに異なるものとなる。
以上、図７及び図８を参照しながら、本実施形態に係る撮像部１０３を具体的に説明した。
なお、図７及び図８に示した具体例では、レンズ１２１，１２７，１２９が１枚の凸レンズである場合について図示しているが、本実施形態に係る光学素子の個数が図中に示したものに限定されるわけではなく、図中に示した各レンズは、複数のレンズからなるレンズ群であってもよい。
○撮像素子の設置位置について
次に、図９及び図１０を参照しながら、赤外カメラに搭載された撮像素子を、被検査体の表面と共役な位置からずらした場所に設置する理由について説明する。
図９に示したように、被検査体の表面に凹凸が存在しているものとする。この場合、凹凸部分に照射された赤外光（例えば、平行赤外光）は凹凸により光の向きが変わり、凹凸が存在しない場合の光の進行方向（図中の実線で示した方向）とは異なる進行方向（図中の点線で示した方向）に伝播する。その結果、被検査体表面の凹凸部分で反射した赤外光は、凹凸が存在しない場合に凸レンズに入射する光の位置とは異なる位置から、凸レンズに入射する。その結果、凹凸部分で反射した赤外光は、凹凸が存在しない場合の反射光の伝播方向とは異なる方向に伝播していく。
しかしながら、「共役」という用語の技術的な意味から明らかなように、被検査体の表面に共役な位置では、図中に示したように、被検査体表面に凹凸が存在した場合であっても、同一の点で反射した赤外光は同じ位置に結像する。従って、被検査体表面の共役位置では、光束の密度の変化（すなわち、明るさの変化）が生じないため、凹凸の様子を可視化することができない。
図１０は、共役位置付近の光束の様子を模式的に示した拡大図である。図１０において、各矢印は被検査体の表面（すなわち、検査対象面）の個々の点からの反射光に対応しているものとする。検査対象面に凹凸が存在しない場合には、各点で反射した赤外光（例えば、平行赤外光）は、互いに光の向きが変わらずに伝播していくため、共役位置であるか否かに関わらず光束の密度に粗密は生じない。
他方、表面に凹凸が存在する場合、共役位置では、光が結像する点は凹凸が存在しない場合の結像点と一致しているため、光束の密度に変化は生じない。しかし、共役位置よりもΔだけ物側の場所、及び、共役位置よりもΔだけ像側の場所では、光の伝播方向の違いにより光束の密度に変化が生じ、光束の密度が疎な部分と密な部分とが生じる。その結果、共役位置以外の場所では、周囲に比べて暗い場所（光束が疎な部分）が生じたり、周囲に比べて明るい場所（光束が密な部分）が生じたりする。
本実施形態に係る撮像部１０３では、２つの赤外カメラに設けられた２つの撮像素子の一方を、共役位置よりも手前側（物側）に配置し、他方を共役位置よりも更に前方（像側）に配置する。その結果、以上説明したような現象により、一方の撮像素子で得られた撮像画像では、凹凸部分に対応する箇所が、周囲に比べて暗く写し出され、もう一方の撮像素子で得られた撮像画像では、凹凸部分に対応する箇所が、周囲に比べて明るく写し出される。
検査対象面に凸部が存在しているか凹部が存在しているかによって、共役位置よりも物側が暗くなるのか明るくなるのかが変化する。従って、凹凸の状態が既知のサンプルを用いて事前に検証を行うことで、凹部が存在する場合の明暗の組み合わせと、凸部が存在する場合の明暗の組み合わせとを把握することができる。後述する演算処理装置２００では、このような知見を利用して、被検査体の表面に存在する凹凸を検出することができる。
他方、検査対象面に汚れが存在している場合には、以上説明したような共役位置の前後における明暗の反転は生じない。従って、各撮像素子から得られた撮像画像を比較して明暗の反転がない場合には、該当する部分は、凹凸が存在するのではなく、汚れの有無や粗度の違いにより反射率の異なる部分が生じていると判断することができる。
続いて、図１１を参照しながら、共役位置からのズレ量Δの決定方法について、その一例を説明する。
図１１に示したように、凹凸の存在しない正常部と、表面が凹凸により傾斜している傾斜部とが隣接する試料を考える。その表面近傍に反射光を受光する仮想的なスクリーンを設置したとすると、光束の重なりによって矩形状の明部が仮想的なスクリーンに現れる。この矩形状の明部にカメラのピントを合わせて観察した際のセンサ上での明部のサイズが、１画素以上あればよい。カメラのピントを合わせるためには、センサを移動させることが必要であり、この移動量が必要なズレ量Δの最小値に等しい。
図１１に示したように、仮想的なスクリーンが試料からＤｏ［ｍｍ］だけ離れた位置に存在するものとし、かかる仮想的なスクリーンに映し出される矩形状の明部の大きさをＰｏ［ｍｍ］とする。かかる場合において、撮像光学系１０９の横倍率をβとすると、明部は、センサ上でＰｏ×β［ｍｍ］の大きさの像となる。従って、１画素の大きさ（画素のピッチ）をｐ［ｍｍ］とすると、明部をセンサ上で１画素より大きく検出するためには、以下の式１３１で表される条件が必要となる。
ここで、物体側で光軸方向にＤｏ［ｍｍ］移動したときの像側での共役位置の移動量は縦倍率で表され、その移動量は、横倍率βの２乗（β２）となる。従って、仮想的なスクリーンにピントを合わせるために必要な共役位置からのズレ量Δ［ｍｍ］は、以下の式１３２で表される値のようになる。
また、傾斜部の傾きをＴと表すこととすると、その大きさは、仮想的なスクリーンと試料との離隔距離Ｄｏと、矩形状の明部の大きさＰｏとを利用して、以下の式１３３のように表すことができる。
従って、上記式１３１〜式１３３からＰｏ及びＤｏを消去することで、以下の式１３４に示したようにズレ量Δの最小値が与えられることとなる。
上記式１３４に示したように、共役位置からのズレ量Δの最小値は、撮像したい（換言すれば、検出したい）疵（凹凸疵）の傾きと、撮像素子の画素サイズ（画素のピッチ）と、撮像光学系の横倍率と、に基づいて算出することが可能である。ここで、光学系の横倍率βは、撮像部１０３の設計パラメータから算出可能な値である。また、撮像したい疵（検出したい疵）の傾きは、検査対象である金属板の製造に関する過去の実績データから得られる知見を利用することで、決定可能である。
例えば、図８に示した撮像部１０３において、焦点距離ｆ１＝５００ｍｍ、焦点距離ｆ２＝３５ｍｍであったとする。この場合、撮像部１０３の横倍率は、（ｆ２／ｆ１）より３５／５００＝０．０７となる。また、撮像素子の画素のピッチｐ＝３８μｍであるとすると、傾きＴ＝（１／１０００）の疵を撮像（検出）するためのズレ量Δは、上記式１３４より、３８×１０−３×０．０７×１０００≒２．６ｍｍとなる。
なお、以上のようにして算出した値を利用して設定される共役位置からのズレ量Δは、共役位置よりも被検査体側に設置する撮像素子と、共役位置よりも更に赤外光の進行方向側に設置する撮像素子とで、互いに異なる値としてもよく、同一の値としてもよい。
○撮像素子の設置方法について
続いて、図１２を参照しながら、本実施形態に係る撮像光学系での撮像素子の設置方法について説明する。
一般的に、反射光を撮像するための撮像素子は、そのセンサ面（以下、撮像素子面ともいう。）が光軸に対して垂直となるように設置することが多い。一方、被検査体表面と共役な平面は、図１２に示したように、光軸に対して傾斜している状態となる。従って、撮像素子面を光軸に対して垂直となるように設置する場合には、撮像素子の視野端でも共役位置から外れるように撮像素子を設置し、ピントを決定する。
また、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００のように被検査体の表面に対して斜めに赤外光（例えば、平行赤外光）を入射させる際に、撮像素子面が光軸に対して垂直となっている場合、撮像素子面の場所によって、わずかながら共役位置からのズレ量Δが異なることとなり、反射光の見え方に違いが生じることとなる。そこで、図１２に示したように撮像素子面を光軸に対して傾斜させて、共役位置からのズレ量Δが視野中で変化しないようにしてもよい。このようにすることで、共役位置からのズレ量Δが視野中で一定となり、被検査体の凹凸に対する撮像素子上での明暗の感度を均一化することが可能となる。
また、撮像素子面が光軸に対して垂直となっている場合であっても、撮像素子の手前側（被検査体表面側）にいわゆるティルトレンズを設置して、アオリ撮影を行うようにしてもよい。撮像素子の手前側にティルトレンズを設置することで、撮像素子面は光学的に光軸に対して傾斜するようになり、共役位置からのズレ量Δを視野中でほぼ一定とすることができる。
以上、図３〜図１２を参照しながら、本実施形態に係る撮像部１０３について、詳細に説明した。
○湾曲した状態で存在する被検査体の撮像方法について
各種金属板は、その製造ライン上において、ロール巻き付き部のような湾曲部を通過して搬送されたり、ロール巻き付き部に巻きつけられたりすることがある。本実施形態に係る被検査体撮像装置１００は、光束投射部１０１及び撮像部１０３が以下で説明するような光学素子を備えることで、平面上に載置された金属板等の被検査体だけでなく、湾曲した状態で存在する被検査体についても、撮像することが可能となる。
以下、図１３を参照しながら、湾曲した状態で存在する被検査体の撮像方法の一例を説明する。図１３は、本実施形態に係る被検査体撮像装置の投射光学系１０７及び撮像光学系１０９の一例について説明するための説明図である。
湾曲した状態で存在する被検査体を撮像するためには、投射光学系１０７の一部として、平行赤外光を集光して被検査体へ導光する図１３に示したような凸シリンドリカルレンズを更に設ければよい。このような凸シリンドリカルレンズは、図１３上段に示したように、入射した平行光をロールの回転中心軸に向かって集光するように焦点距離と設置位置とを設計してあり、ロール巻き付き部の軸方向から見ると、ロール面法線方向に対して平行に湾曲部へ平行赤外光が入射する。また、図１３下段に示したように、上方から見た場合には、平行赤外光は、湾曲した状態で存在する被検査体に対して、斜め方向から入射する。この上方から見た斜め方向の入射角は、上記式１０１ａに示したパラメータｇが１以下となるように決定する。
被検査体表面で反射した光は発散光となるが、撮像光学系１０９の一部でもある図１３に示したような凸シリンドリカルレンズに入り平行光に戻り、残りの撮像光学系を経由して赤外カメラにて撮像される。
この際、凸シリンドリカルレンズの焦点距離は、ロール回転中心軸がその焦点となるよう、すなわちロール回転軸の位置から凸シリンドリカルレンズまでの距離となるように設定することが好ましい。
このようなシリンドリカルレンズを投射光学系１０７及び撮像光学系１０９に設けることで、湾曲した状態で存在する被検査体であっても、良好に反射光を撮像することが可能となる。
なお、図１３においては、１枚のシリンドリカルレンズを用いる場合について説明したが、投射光学系１０７のシリンドリカルレンズと撮像光学系１０９のシリンドリカルレンズを分割して、それぞれを異なった設置位置・焦点距離として設置しても良い。
以上、図３〜図１３を参照しながら、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００について詳細に説明した。
＜演算処理装置の構成について＞
［演算処理装置の全体構成］
続いて、図１及び図１４を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００の構成について、詳細に説明する。
以下では、まず、再び図１に戻って、本実施形態に係る演算処理装置２００の全体構成について、簡単に説明する。
図１に例示したように、本実施形態に係る演算処理装置２００は、撮像制御部２０１と、画像処理部２０３と、表示制御部２０５と、記憶部２０７と、を主に備える。
撮像制御部２０１は、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）、ＲＯＭ（Ｒｅａｄ Ｏｎｌｙ Ｍｅｍｏｒｙ）、ＲＡＭ（Ｒａｎｄｏｍ Ａｃｃｅｓｓ Ｍｅｍｏｒｙ）、通信装置等により実現される。撮像制御部２０１は、本実施形態に係る被検査体撮像装置１００による検査対象物の撮像制御を実施する。より詳細には、撮像制御部２０１は、被検査体Ｓの撮像を開始する場合に、被検査体撮像装置１００に対して赤外光の照射を開始させるための制御信号を送出する。
また、被検査体撮像装置１００が被検査体Ｓに対して赤外光を照射し始めると、撮像制御部２０１は、被検査体撮像装置１００が備える２つの赤外カメラ１１１，１１３に対して、反射光の撮像を開始するためのトリガ信号を送出する。
画像処理部２０３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、通信装置等により実現される。画像処理部２０３は、被検査体撮像装置１００（より詳細には、被検査体撮像装置１００の赤外カメラ１１１，１１３）から取得した撮像データを利用して以下で説明するような画像処理を行い、被検査体Ｓである金属板の表面に存在する可能性のある欠陥（汚れや凹凸疵）を検出するための表面検査処理を実施する。画像処理部２０３は、被検査体Ｓの表面の表面検査処理を終了すると、得られた検査結果に関する情報を、表示制御部２０５に伝送する。
なお、この画像処理部２０３については、以下で改めて詳細に説明する。
表示制御部２０５は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、出力装置等により実現される。表示制御部２０５は、画像処理部２０３から伝送された、検査対象物である被検査体Ｓの表面検査結果を、演算処理装置２００が備えるディスプレイ等の出力装置や演算処理装置２００の外部に設けられた出力装置等に表示する際の表示制御を行う。これにより、表面検査装置１０の利用者は、被検査体Ｓの表面に存在する各種の欠陥に関する検査結果を、その場で把握することが可能となる。
記憶部２０７は、演算処理装置２００が備える記憶装置の一例である。記憶部２０７には、本実施形態に係る演算処理装置２００が、何らかの処理を行う際に保存する必要が生じた様々なパラメータや処理の途中経過等、または、各種のデータベースやプログラム等が、適宜記録される。この記憶部２０７は、撮像制御部２０１、画像処理部２０３、表示制御部２０５等が、自由に読み書きを行うことが可能である。
［画像処理部の構成］
続いて、図１４を参照しながら、本実施形態に係る演算処理装置２００が備える画像処理部２０３の構成について説明する。図１４は、本実施形態に係る演算処理装置２００が備える画像処理部の構成を示したブロック図である。
図１１に示したように、本実施形態に係る画像処理部２０３は、Ａ／Ｄ変換部２１１と、欠陥検出部２１３と、を更に備える。
Ａ／Ｄ変換部２１１は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。Ａ／Ｄ変換部２１１は、被検査体撮像装置１００の赤外カメラ１１１，１１３から出力された撮像画像をそれぞれＡ／Ｄ変換し、デジタル多値画像データとする。その後、Ａ／Ｄ変換部２１１は、生成した各デジタル多値画像データを後述する欠陥検出部２１３に出力する。
また、Ａ／Ｄ変換部２１１は、生成したデジタル多値画像データを、当該データを生成した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２０７等に設けられた画像メモリに格納してもよい。
欠陥検出部２１３は、例えば、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ等により実現される。欠陥検出部２１３は、被検査体撮像装置１００の赤外カメラ１１１，１１３により撮像された画像に対応する２種類のデジタル多値画像データを利用して、被検査体Ｓの表面に存在する汚れや凹凸疵等の欠陥部位を検出する。
欠陥検出部２１３は、２種類のデジタル多値画像データを構成する各画素に対して、周辺画素の画素値よりも画素値が小さい画素（すなわち、周辺よりも暗い画素）と、周辺画素の画素値よりも画素値が大きな画素（すなわち、周辺よりも明るい画素）と、を特定する。このような箇所が、汚れ又は凹凸疵が発生している箇所に対応する。また、欠陥検出部２１３は、連続して発生している欠陥箇所を結合していくことで、一つ一つの欠陥部位を特定する。
その上で、欠陥検出部２１３は、各赤外カメラ１１１，１１３から得られた撮像画像を比較して、対応する各欠陥部位について、明暗の組み合わせがどのようになっているかを判断する。欠陥検出部２１３は、各赤外カメラ１１１，１１３から特定した各欠陥部位について、明−明の組み合わせ、又は、暗−暗の組み合わせとなっている場合には、かかる部位を、汚れなどで反射率が異なっている部位と判断する。また、明−暗の組み合わせ、又は、暗−明の組み合わせとなっている部位を、凹凸疵が生じている部位と判断する。また、欠陥検出部２１３は、明−暗の組み合わせ、又は、暗−明の組み合わせとなっている部位については、更に、凸部か凹部かを特定する。
欠陥検出部２１３は、以上のようにして被検査体Ｓの表面に存在する欠陥部位を特定すると、特定した欠陥部位に関する情報を、表示制御部２０５に出力する。
また、本実施形態に係る欠陥検出部２１３は、以上説明したような欠陥部位を特定する欠陥部位特定機能に加えて、特定した欠陥部位の形態及び画素値に関する特徴量を抽出する特徴量抽出機能と、抽出した特徴量に基づいて欠陥の種別や有害度等を判別する欠陥判別機能と、を有していてもよい。以下、これらの機能について、簡単に説明する。
○特徴量抽出機能
欠陥検出部２１３は、欠陥部位特定機能により撮像画像における欠陥部位（凹凸部位）を特定すると、特定した欠陥部位ごとに、欠陥部位の形態及び画素値に関する特徴量を抽出する。欠陥部位の形態に関する特徴量として、例えば、欠陥部位の幅、欠陥部位の長さ、欠陥部位の周囲長、欠陥部位の面積、欠陥部位の外接長方形の面積等を挙げることができる。また、欠陥部位の画素値に関する特徴量としては、欠陥部位の輝度の最大値、最小値、平均値等を挙げることができる。
○欠陥判別機能
欠陥検出部２１３は、特徴量抽出機能により各欠陥部位の特徴量を抽出すると、欠陥部位ごとに、抽出した特徴量に基づいて欠陥の種別や有害度等を判別する。特徴量に基づく欠陥の種別や有害度等の判別処理は、例えばロジックテーブルを利用して行われる。
ロジックテーブルの縦方向の項目としては、欠陥の種別が記載されており、ロジックテーブルの横方向の項目として、特徴量の種類が記載されている。また、欠陥の種別及び特徴量により規定されるテーブルの各セルには、対応する特徴量の大小による判別条件式が記述されている。このようなロジックテーブルの各行が一組となって、一つ一つの欠陥の種別の判別条件となる。判別処理は、最上位の行に記載された種別から順に行われ、何れか一つの行に記載された判別条件を全て満たした時点で終了する。
このようなロジックテーブルは、過去の操業データ及び当該操業データに基づく検定員による欠陥の種別及び有害度の特定結果を教師データとした学習処理により構築されたデータベースを利用して、公知の方法により生成することが可能である。
欠陥検出部２１３は、このようにして検出した欠陥部位ごとに欠陥の種別及び有害度を特定し、得られた特定結果を表示制御部２０５に出力してもよい。これにより、検査対象物である被検査体の表面に存在する欠陥に関する情報が、表示部（図示せず。）に出力されることとなる。また、欠陥検出部２１３は、得られた特定結果を、製造管理用プロコン等の外部の装置に出力してもよく、得られた特定結果を利用して、製品の欠陥帳票を作成してもよい。また、欠陥検出部２１３は、欠陥部位の特定結果に関する情報を、当該情報を算出した日時等に関する時刻情報と関連づけて、記憶部２０７等に履歴情報として格納してもよい。
なお、以上の説明では、ロジックテーブルを利用して欠陥の種別や有害度を判別する場合について説明したが、欠陥の種別や有害度を判別する方法は上記例に限定されるわけではない。例えば、過去の操業データ及び当該操業データに基づく検定員による欠陥の種別及び有害度の特定結果を教師データとした学習処理により、ニューラルネットやサポートベクターマシン（ＳＶＭ）等の判別器を生成し、かかる判別器を欠陥の種別や有害度の判別に利用してもよい。
以上、本実施形態に係る演算処理装置２００が有する画像処理部２０３の構成について説明した。
以上、本実施形態に係る演算処理装置２００の機能の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材や回路を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。また、各構成要素の機能を、ＣＰＵ等が全て行ってもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用する構成を変更することが可能である。
なお、上述のような本実施形態に係る演算処理装置の各機能を実現するためのコンピュータプログラムを作製し、パーソナルコンピュータ等に実装することが可能である。また、このようなコンピュータプログラムが格納された、コンピュータで読み取り可能な記録媒体も提供することができる。記録媒体は、例えば、磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、フラッシュメモリなどである。また、上記のコンピュータプログラムは、記録媒体を用いずに、例えばネットワークを介して配信してもよい。
＜ハードウェア構成について＞
次に、図１５を参照しながら、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００のハードウェア構成について、詳細に説明する。図１５は、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００のハードウェア構成を説明するためのブロック図である。
演算処理装置２００は、主に、ＣＰＵ９０１と、ＲＯＭ９０３と、ＲＡＭ９０５と、を備える。また、演算処理装置２００は、更に、バス９０７と、入力装置９０９と、出力装置９１１と、ストレージ装置９１３と、ドライブ９１５と、接続ポート９１７と、通信装置９１９とを備える。
ＣＰＵ９０１は、中心的な処理装置及び制御装置として機能し、ＲＯＭ９０３、ＲＡＭ９０５、ストレージ装置９１３、又は、リムーバブル記録媒体９２１に記録された各種プログラムに従って、演算処理装置２００内の動作全般又はその一部を制御する。ＲＯＭ９０３は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや演算パラメータ等を記憶する。ＲＡＭ９０５は、ＣＰＵ９０１が使用するプログラムや、プログラムの実行において適宜変化するパラメータ等を一次記憶する。これらはＣＰＵバス等の内部バスにより構成されるバス９０７により相互に接続されている。
バス９０７は、ブリッジを介して、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ／Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）バスなどの外部バスに接続されている。
入力装置９０９は、例えば、マウス、キーボード、タッチパネル、ボタン、スイッチ及びレバーなどユーザが操作する操作手段である。また、入力装置９０９は、例えば、赤外線やその他の電波を利用したリモートコントロール手段（いわゆる、リモコン）であってもよいし、演算処理装置２００の操作に対応したＰＤＡ等の外部接続機器９２３であってもよい。更に、入力装置９０９は、例えば、上記の操作手段を用いてユーザにより入力された情報に基づいて入力信号を生成し、ＣＰＵ９０１に出力する入力制御回路などから構成されている。ユーザは、この入力装置９０９を操作することにより、演算処理装置２００に対して各種のデータを入力したり処理動作を指示したりすることができる。
出力装置９１１は、取得した情報をユーザに対して視覚的又は聴覚的に通知することが可能な装置で構成される。このような装置として、ＣＲＴディスプレイ装置、液晶ディスプレイ装置、プラズマディスプレイ装置、ＥＬディスプレイ装置及びランプなどの表示装置や、スピーカ及びヘッドホンなどの音声出力装置や、プリンタ装置、携帯電話、ファクシミリなどがある。出力装置９１１は、例えば、演算処理装置２００が行った各種処理により得られた結果を出力する。具体的には、表示装置は、演算処理装置２００が行った各種処理により得られた結果を、テキスト又はイメージで表示する。他方、音声出力装置は、再生された音声データや音響データ等からなるオーディオ信号をアナログ信号に変換して出力する。
ストレージ装置９１３は、演算処理装置２００の記憶部の一例として構成されたデータ格納用の装置である。ストレージ装置９１３は、例えば、ＨＤＤ（Ｈａｒｄ Ｄｉｓｋ Ｄｒｉｖｅ）等の磁気記憶デバイス、半導体記憶デバイス、光記憶デバイス、又は、光磁気記憶デバイス等により構成される。このストレージ装置９１３は、ＣＰＵ９０１が実行するプログラムや各種データ、及び、外部から取得した各種のデータなどを格納する。
ドライブ９１５は、記録媒体用リーダライタであり、演算処理装置２００に内蔵、あるいは外付けされる。ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録されている情報を読み出して、ＲＡＭ９０５に出力する。また、ドライブ９１５は、装着されている磁気ディスク、光ディスク、光磁気ディスク、又は、半導体メモリ等のリムーバブル記録媒体９２１に記録を書き込むことも可能である。リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、ＣＤメディア、ＤＶＤメディア、Ｂｌｕ−ｒａｙ（登録商標）メディア等である。また、リムーバブル記録媒体９２１は、コンパクトフラッシュ（登録商標）（ＣｏｍｐａｃｔＦｌａｓｈ：ＣＦ）、フラッシュメモリ、又は、ＳＤメモリカード（Ｓｅｃｕｒｅ Ｄｉｇｉｔａｌ ｍｅｍｏｒｙ ｃａｒｄ）等であってもよい。また、リムーバブル記録媒体９２１は、例えば、非接触型ＩＣチップを搭載したＩＣカード（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ ｃａｒｄ）又は電子機器等であってもよい。
接続ポート９１７は、機器を演算処理装置２００に直接接続するためのポートである。接続ポート９１７の一例として、ＵＳＢ（Ｕｎｉｖｅｒｓａｌ Ｓｅｒｉａｌ Ｂｕｓ）ポート、ＩＥＥＥ１３９４ポート、ＳＣＳＩ（Ｓｍａｌｌ Ｃｏｍｐｕｔｅｒ Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）ポート、ＲＳ−２３２Ｃポート等がある。この接続ポート９１７に外部接続機器９２３を接続することで、演算処理装置２００は、外部接続機器９２３から直接各種のデータを取得したり、外部接続機器９２３に各種のデータを提供したりする。
通信装置９１９は、例えば、通信網９２５に接続するための通信デバイス等で構成された通信インターフェースである。通信装置９１９は、例えば、有線もしくは無線ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、又は、ＷＵＳＢ（Ｗｉｒｅｌｅｓｓ ＵＳＢ）用の通信カード等である。また、通信装置９１９は、光通信用のルータ、ＡＤＳＬ（Ａｓｙｍｍｅｔｒｉｃ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｓｕｂｓｃｒｉｂｅｒ Ｌｉｎｅ）用のルータ、又は、各種通信用のモデム等であってもよい。この通信装置９１９は、例えば、インターネットや他の通信機器との間で、例えばＴＣＰ／ＩＰ等の所定のプロトコルに則して信号等を送受信することができる。また、通信装置９１９に接続される通信網９２５は、有線又は無線によって接続されたネットワーク等により構成され、例えば、インターネット、家庭内ＬＡＮ、赤外線通信、ラジオ波通信または衛星通信等であってもよい。
以上、本発明の実施形態に係る演算処理装置２００の機能を実現可能なハードウェア構成の一例を示した。上記の各構成要素は、汎用的な部材を用いて構成されていてもよいし、各構成要素の機能に特化したハードウェアにより構成されていてもよい。従って、本実施形態を実施する時々の技術レベルに応じて、適宜、利用するハードウェア構成を変更することが可能である。
＜実施例１：被検査体撮像装置のシミュレーション結果＞
まず、図１６〜図１７を参照しながら、光源１０５の広がり半角に関するシミュレーション結果について、具体的に説明する。
本実施例では、図８に示した撮像部において、凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１＝１００ｍｍ、凸レンズ１２７，１２９の焦点距離ｆ２＝５０ｍｍと設定し、共役位置からのズレ量Δ＝＋２０ｍｍ，−２０ｍｍの２つの場合について、光線追跡を実施した。
なお、光線追跡シミュレーションでは、入射光の広がり半角を０度〜３度まで変化させ、平面である被検査体表面の中央部に直径６ｍｍ、高さ５．１μｍの球面状の凹部が存在するものとして演算を行った。この際、焦点距離５００ｍｍで直径６ｍｍの凹面鏡が、平面中央部に埋め込まれているものとしてモデルを作成した。ここで、凹部に対応する傾きの大きさを直線近似により算出すると、（５．１／３）×１０−３ラジアン＝０．１度である。
ここで、上記シミュレーションは、０．７５ｃｍ角のセルを２０×２０＝４００個考慮し、かかる矩形内に等間隔に１０００×１０００本の光線を配置して各光線の追跡を行い、（ｆ２＋Δ）の位置に存在する撮像素子のセンサ面でのパワー密度を計測することを行った。
得られたシミュレーション結果を、図１６〜図１７に示す。図１６は、共役位置からのズレ量Δ＝−２０ｍｍの場合の結果であり、図１７は、共役位置からのズレ量Δ＝＋２０ｍｍの場合の結果である。
図１６〜図１７は、撮像素子のセンサ面の中央で切断した場合におけるパワー密度の分布を示したものである。なお、撮像素子のセンサ面を、光軸に沿って図８の紙面奥行き方向に切断した場合と、光軸に沿って図８の紙面と平行な方向に切断した場合では、得られた結果は同じであった。また、セルの個数は２０×２０個と偶数個であるが、中央に位置する２つのセルでは、同様なパワー密度の分布が得られている。
なお、図１６〜図１７の縦軸は、光線の合計のエネルギーを１Ｗとした場合のパワー密度を示しており、横軸は、セル番号（すなわち、２０個のセルの位置）を示している。
図１６〜図１７を参照すると、まず、Δ＝−２０ｍｍ，＋２０ｍｍの双方において、パワー密度は、セル番号４〜セル番号１７まで分布していることがわかる。これは、図８に示した撮像部は、テレセントリック光学系となっているために、共役位置からのズレ量Δが変化した場合であっても、２種類の撮像素子の位置においてセンサ面上の像の大きさが同一となり、画素の撮像分解能が変わらないようにできることを表している。
また、Δ＝−２０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも大きくなっており、Δ＝＋２０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも小さくなっていることがわかる。これは、Δ＝−２０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも明るくなっており、Δ＝＋２０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも暗くなっていることを表している。
ここで、広がり半角の大きさを０度から大きくしていくと、図１６の結果において、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が徐々に低下していくとともに、図１７の結果において、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が徐々に増加していくことがわかる。
また、図１６では、広がり半角の大きさが２度を超える（すなわち、広がり半角の大きさが、傾き０．１度の２０倍を超える）と、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセルのパワー密度とほぼ同じ値となってしまうことがわかる。同様に、図１７では、広がり半角の大きさが０度から２度の範囲では、セル番号９〜セル番号１２の付近が谷となり、この谷の両側に２つの山が存在する形状となっているが、広がり半角の大きさが２度を超えると、２つの山が存在しないようになり、広がり半角の大きさが０度から２度の範囲の形状とは異なる様相を呈するようになることがわかる。これらの結果は、広がり半角の大きさが、傾きの大きさの２０倍を超えると、凹部に起因する明暗が不明瞭となることを示している。
＜実施例２：被検査体撮像装置のシミュレーション結果＞
次に、図１８Ａ及び図１８Ｂを参照しながら、図７に示した１枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置のシミュレーション結果について、具体的に説明する。
本実施例では、図７に示した撮像部において、離隔距離Ｌ１＝２００ｍｍ、離隔距離Ｌ２＝２００ｍｍ、凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１＝１００ｍｍと設定し、共役位置からのズレ量Δ＝＋３０ｍｍ，０ｍｍ，−３０ｍｍの３つの場合について、光線追跡を実施した。
なお、光線追跡シミュレーションでは、入射光を広がり半角がゼロの平行光とし、平面である被検査体表面の中央部にそれぞれ、（ｉ）直径６ｍｍ、深さ４．５μｍの球面状の凹部が存在する場合、（ｉｉ）直径６ｍｍ、高さ４．５μｍの球面状の凸部が存在する場合、の２つの場合について、演算を行った。この際、それぞれ焦点距離５００ｍｍで直径６ｍｍの凹面鏡、あるいは凸面鏡が、平面中央部に埋め込まれているものとしてモデルを作成した。
ここで、各シミュレーションは、１．５ｃｍ角のセルを２０×２０＝４００個考慮し、かかる矩形内に等間隔に１０００×１０００本の光線を配置して各光線の追跡を行い、（Ｌ２＋Δ）の位置に存在する撮像素子のセンサ面でのパワー密度を計測することを行った。
凹部が存在する場合におけるシミュレーションの結果を図１８Ａに示し、凸部が存在する場合におけるシミュレーションの結果を図１８Ｂに示す。ここで、図１８Ａ及び図１８Ｂは、撮像素子のセンサ面の中央で切断した場合におけるパワー密度の分布を示したものである。なお、撮像素子のセンサ面を、光軸に沿って図７の紙面奥行き方向に切断した場合と、光軸に沿って図７の紙面と平行な方向に切断した場合では、得られた結果は同じであった。また、セルの個数は２０×２０個と偶数個であるが、中央に位置する２つのセルでは、同様なパワー密度の分布が得られている。
なお、図１８Ａ及び図１８Ｂの縦軸は、光線の合計のエネルギーを１Ｗとした場合のパワー密度を示しており、図１８Ａ及び図１８Ｂの横軸は、セル番号（すなわち、２０個のセルの位置）を示している。
まず、図１８Ａ及び図１８Ｂに共通している現象として、Δ＝−３０ｍｍでは、パワー密度はセル番号５〜セル番号１６まで分布しているのに対し、Δ＝０ｍｍ（すなわち、共役位置）ではセル番号３〜セル番号１８まで、Δ＝＋３０ｍｍではセル番号１〜セル番号２０まで分布していることが挙げられる。これは、撮像光学系として、１つの凸レンズのみが存在している場合を考慮しているため、３種類の撮像素子の位置においてセンサ面上の像の大きさが異なることを表している。
また、Δ＝０ｍｍにおけるパワー密度の分布をみると、図１８Ａ及び図１８Ｂの双方でパワー密度が一定となっていることがわかる。これは、共役位置では、被検査体表面に仮定した凹部又は凸部が明暗の差として可視化されていないことを示している。
また、凹部が存在する場合の結果を示した図１８Ａを参照すると、Δ＝−３０ｍｍでは、セル番号１０〜１１におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも小さくなっており、Δ＝＋３０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも大きくなっていることがわかる。これは、Δ＝−３０ｍｍにおけるセル番号１０〜１１に対応する位置が、周囲よりも暗くなっており、Δ＝＋３０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも明るくなっていることを表している。
このように、被検査体の表面に凹部が存在する場合には、Δ＝−３０ｍｍでは凹部に対応する部分が暗部として観測され、Δ＝＋３０ｍｍでは凹部に対応する部分が明部として観測される。
他方、凸部が存在する場合の結果を示した図１８Ｂを参照すると、Δ＝−３０ｍｍでは、セル番号１０〜セル番号１１におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも大きくなっており、Δ＝＋３０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも小さくなっていることがわかる。これは、Δ＝−３０ｍｍにおけるセル番号１０〜セル番号１１に対応する位置が、周囲よりも明るくなっており、Δ＝＋３０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも暗くなっていることを表している。
このように、被検査体の表面に凸部が存在する場合には、Δ＝−３０ｍｍでは凸部に対応する部分が明部として観測され、Δ＝＋３０ｍｍでは凸部に対応する部分が暗部として観測される。
＜実施例３：被検査体撮像装置のシミュレーション結果＞
次に、図１９を参照しながら、図８に示した２枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置のシミュレーション結果について、具体的に説明する。
本実施例では、図８に示した撮像部において、凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１＝１００ｍｍ、凸レンズ１２７，１２９の焦点距離ｆ２＝５０ｍｍと設定し、共役位置からのズレ量Δ＝＋３０ｍｍ，０ｍｍ，−２０ｍｍの３つの場合について、光線追跡を実施した。
なお、光線追跡シミュレーションでは、入射光を広がり半角がゼロの平行光とし、平面である被検査体表面の中央部に直径６ｍｍ、高さ４．５μｍの球面状の凸部が存在するものとして演算を行った。この際、焦点距離５００ｍｍで直径６ｍｍの凸面鏡が、平面中央部に埋め込まれているものとしてモデルを作成した。
ここで、上記シミュレーションは、０．７５ｃｍ角のセルを２０×２０＝４００個考慮し、かかる矩形内に等間隔に１０００×１０００本の光線を配置して各光線の追跡を行い、（ｆ２＋Δ）の位置に存在する撮像素子のセンサ面でのパワー密度を計測することを行った。
得られたシミュレーション結果を、図１９に示す。図１９は、撮像素子のセンサ面の中央で切断した場合におけるパワー密度の分布を示したものである。なお、撮像素子のセンサ面を、光軸に沿って図８の紙面奥行き方向に切断した場合と、光軸に沿って図８の紙面と平行な方向に切断した場合では、得られた結果は同じであった。また、セルの個数は２０×２０個と偶数個であるが、中央に位置する２つのセルでは、同様な光線の本数密度の分布が得られている。
なお、図１９の縦軸は、光線の合計のエネルギーを１Ｗとしたときのパワー密度を示しており、横軸は、セル番号（すなわち、２０個のセルの位置）を示している。
図１９を参照すると、まず、Δ＝−２０ｍｍ，０ｍｍ，＋３０ｍｍの全てにおいて、パワー密度は、セル番号３〜セル番号１８まで分布していることがわかる。これは、図８に示した撮像部は、テレセントリック光学系となっているために、共役位置からのズレ量Δが変化した場合であっても、３種類の撮像素子の位置においてセンサ面上の像の大きさが同一となり、画素の撮像分解能が変わらないようにできることを表している。
また、Δ＝０ｍｍにおけるパワー密度の分布をみると、セルの位置に関わらずパワー密度が一定となっていることがわかる。これは、共役位置では、被検査体表面に仮定した凸部が明暗の差として可視化されていないことを示している。
また、Δ＝−２０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも大きくなっており、Δ＝＋３０ｍｍでは、セル番号９〜セル番号１２におけるパワー密度が、周囲のセル番号でのパワー密度よりも小さくなっていることがわかる。これは、Δ＝−２０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも明るくなっており、Δ＝＋３０ｍｍにおけるセル番号９〜セル番号１２に対応する位置が、周囲よりも暗くなっていることを表している。また、共役位置よりも被検査体側（すなわち、Δの値が負である側）に撮像素子を配置した場合には明部が生じ、共役位置よりも更に進行方向側（すなわち、Δの値が正である側）に撮像素子を配置した場合には暗部が生じるという挙動は、図１８Ｂに示したシミュレーション結果と同様であることがわかる。
＜実施例４：鋼板の撮像結果＞
次に、図８に示した２枚の凸レンズを持つ撮像部を有する被検査体撮像装置を利用して、実際の鋼板を撮像した場合の撮像画像について説明する。
本実施例では、中心波長１０μｍ、スペクトル幅４００ｎｍ、広がり半角０．１ミリラジアンである、外部共振器を有しない量子カスケードレーザ光源を光源１０５として用い、光源から出射した赤外光を平行赤外光とした。なお、かかる広がり半角の大きさは、検出分解能として定めた表面の最小傾きの２０倍以下となっている。図８に示した撮像部において、凸レンズ１２１の焦点距離ｆ１＝５００ｍｍ、凸レンズ１２７，１２９の焦点距離ｆ２＝３５ｍｍと設定したテレセントリック光学系を用い、共役位置からのズレ量がΔ＝＋３ｍｍ及びΔ＝−３ｍｍの２つの位置に撮像素子を設置して、実際の鋼板の撮像を実施した。なお、上記のズレ量Δ＝±３ｍｍは、上記式（１３４）で表される関係を満たしたものとなっている。
なお、撮像対象とした鋼板の中央には、直径４ｍｍ、高さ３μｍの凸疵が存在している。
得られた結果を図２０に示す。
図２０から明らかなように、Δ＝−３ｍｍ及びΔ＝＋３ｍｍの双方において、中央部分に存在する凸疵は、Δ＝−３ｍｍの場合では白く写し出されており、Δ＝＋３ｍｍの場合では黒く写し出されている。図２０に示した撮像画像において、白く写し出される部分は、輝度が明るい部分に対応しており、黒く写し出される部分は、輝度が暗い部分に対応している。
図１９に示したシミュレーション結果と対比すると明らかなように、共役位置よりも被検査体側（すなわち、Δの値が負である側）に撮像素子を配置した場合には明部が生じ、共役位置よりも更に進行方向側（すなわち、Δの値が正である側）に撮像素子を配置した場合には暗部が生じるという挙動は、被検査体の表面に凸部が存在する場合の挙動である。従って、図２０に示した撮像画像を利用することで、明暗の組み合わせにより、凹凸疵が実際には凸疵であることが判別可能となる。
以上、添付図面を参照しながら本発明の好適な実施形態について詳細に説明したが、本発明はかかる例に限定されない。本発明の属する技術の分野における通常の知識を有する者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において、各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、これらについても、当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
１０ 表面検査装置
１００ 被検査体撮像装置
１０１ 光束投射部
１０３ 撮像部
１０５ 光源
１０７ 投射光学系
１０９ 撮像光学系
１１１，１１３ 赤外カメラ
１２１，１２７，１２９ 凸レンズ
１２３，１２５ 撮像素子
２００ 演算処理装置
２０１ 撮像制御部
２０３ 画像処理部
２０５ 表示制御部
２０７ 記憶部
２１１ Ａ／Ｄ変換部
２１３ 欠陥検出部
ＢＳ ビームスプリッター
Ｓ 被検査体

Claims (20)

  1. 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源と、
    前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、
    前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、
    を備え、
    前記撮像部は、
    少なくとも１つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を２つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、
    前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第１の撮像素子及び第２の撮像素子と、
    を有しており、
    前記第１の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられており、
    前記第２の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、
    前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する、被検査体撮像装置。
  2. 前記撮像光学系は、
    前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、
    前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、
    を更に有する、請求項１に記載の被検査体撮像装置。
  3. 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項１又は２に記載の被検査体撮像装置。
  4. 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
    前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項１〜３の何れか１項に記載の被検査体撮像装置。
  5. 前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項１〜４の何れか１項に記載の被検査体撮像装置。
  6. 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、
    前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも１つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、
    前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられている第１の撮像素子により、当該第１の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第２の撮像素子により、当該第２の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、
    を有し、
    前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する、被検査体撮像方法。
  7. 前記撮像光学系は、
    前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、
    前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、
    を更に有する、請求項６に記載の被検査体撮像方法。
  8. 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項６又は７に記載の被検査体撮像方法。
  9. 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
    前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項６〜８の何れか１項に記載の被検査体撮像方法。
  10. 前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項６〜９の何れか１項に記載の被検査体撮像方法。
  11. 被検査体の表面に対して所定の投射角で赤外波長帯域に属する光束を投射して、前記被検査体の表面からの反射光を撮像する被検査体撮像装置と、
    前記被検査体撮像装置により撮像された前記反射光の撮像画像に対して画像処理を行い、前記被検査体の表面に存在する表面欠陥を検出する演算処理装置と、
    を備え、
    前記被検査体撮像装置は、
    赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が、撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源と、
    前記被検査体の表面に対して前記光束を所定の投射角で投射する投射光学系と、
    前記被検査体の表面で反射した前記光束を撮像する撮像部と、
    を備え、
    前記撮像部は、
    少なくとも１つの凸レンズを有し、前記被検査体の表面からの反射光を集光するものであり、当該反射光を２つの異なった方向へ分岐する分岐光学素子を有する撮像光学系と、
    前記撮像光学系を透過したそれぞれの前記反射光を撮像する第１の撮像素子及び第２の撮像素子と、
    を有しており、
    前記第１の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられており、
    前記第２の撮像素子は、前記反射光の光軸に沿って、前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられており、
    前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足し、
    前記演算処理装置は、前記第１の撮像素子により撮像された第１の撮像画像、及び、前記第２の撮像素子により撮像された第２の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第１の撮像画像と前記第２の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出する、表面検査装置。
  12. 前記撮像光学系は、
    前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、
    前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、
    を更に有する、請求項１１に記載の表面検査装置。
  13. 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項１１又は１２に記載の表面検査装置。
  14. 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
    前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項１１〜１３の何れか１項に記載の表面検査装置。
  15. 前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項１１〜１４の何れか１項に記載の表面検査装置。
  16. 赤外波長帯域に属する光束を発生させるものであり、被検査体の表面における前記光束の広がり半角が撮像すべき表面の最小傾きの２０倍以下である光源から前記被検査体の表面に対して、投射光学系を介して前記光束を所定の投射角で投射するステップと、
    前記被検査体の表面で反射した前記光束である反射光を、少なくとも１つの凸レンズを有する撮像光学系で集光するとともに、当該撮像光学系が有する分岐光学素子により前記反射光を二つの異なった方向へ分岐するステップと、
    前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記被検査体の表面に共役な位置よりもズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記被検査体側に設けられている第１の撮像素子により、当該第１の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するとともに、前記反射光の光軸に沿って前記撮像光学系の前記共役な位置よりも前記ズレ量Δ［ｍｍ］だけ前記反射光の進行方向側に設けられている第２の撮像素子により、当該第２の撮像素子に結像した前記反射光を撮像するステップと、
    前記第１の撮像素子により撮像された第１の撮像画像及び前記第２の撮像素子により撮像された第２の撮像画像の明暗の分布に基づき、前記第１の撮像画像と前記第２の撮像画像との間で明暗が逆転している部分を、前記被検査体の表面に存在する凹凸として検出するステップと、
    を有し、
    前記ズレ量Δ［ｍｍ］は、前記撮像光学系の横倍率をβとし、それぞれの前記撮像素子における画素のピッチをｐ［ｍｍ］とし、前記表面において撮像したい傾きの最小値をＴとしたときに、以下の式（１）で表される条件を満足する、表面検査方法。
  17. 前記撮像光学系は、
    前記分岐光学素子と前記第１の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第１の撮像素子へと集光する第１の集光光学系と、
    前記分岐光学素子と前記第２の撮像素子との間に設けられ、前記反射光を前記第２の撮像素子へと集光する第２の集光光学系と、
    を更に有する、請求項１６に記載の表面検査方法。
  18. 前記光源で発生する前記光束は、平行光である、請求項１６又は１７に記載の表面検査方法。
  19. 前記被検査体は、所定の曲率を有するロールの表面上に位置しており、
    前記投射光学系及び前記撮像光学系は、前記ロールの回転中心軸に焦点が一致するシリンドリカルレンズを有する、請求項１６〜１８の何れか１項に記載の表面検査方法。
  20. 前記第１の撮像素子及び前記第２の撮像素子は、それぞれの撮像素子内の各画素位置における前記共役な位置からのズレ量が一定になるように光軸に対して傾斜して設けられる、請求項１６〜１９の何れか１項に記載の表面検査方法。
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