JP2007078517A - 表面平滑性測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】物体表面に特定パターンの照射光を照射し、物体表面からの反射光の受光強度分布に基づいて物体表面の平滑度を算出することにより、各種の物体表面の平滑性を安定的に、正確に、迅速に、かつ、容易に測定することができるようにする。
【解決手段】物体表面に光を照射する光源１１ａと、前記物体と光源１１ａとの間に設けられ、該光源１１ａから物体に照射される照射光を所定方向の明暗から成る特定パターンを形成するように遮光する遮光手段と、前記物体表面から反射する反射光を受光する受光手段と、該受光手段が受光した光に基づき、所定方向の位置毎の受光強度分布を検出する受光強度分布検出手段と、該受光強度分布検出手段が検出した受光強度分布に基づき、前記物体表面の平滑度を算出する平滑度算出手段とを有し、該平滑度算出手段は、前記受光強度分布から求められる極大値と極小値とに基づいて所定方向の平滑度を算出する。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面平滑性測定装置に関するものである。

従来、プラスチックフィルム等の物体の表面粗さ、すなわち、表面平滑性を計測する場合、物体の表面に接触する接触子を摺（しゅう）動させて測定を行う装置が使用されていた。しかし、このような装置では、測定の対象となる物体の表面に接触子が接触するため、物体の表面に損傷を与えてしまうことがあった。

そこで、光学的な測定計を用いて、非接触で物体の表面平滑性を測定する装置が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。この場合、物体の表面に測定光を照射し、その反射光を利用して物体の表面平滑性を非接触で測定するようになっている。
特開平５−３４０７４７号公報

しかしながら、前記従来の表面平滑性測定装置においては、測定光が照射範囲の狭いスポットビームであるため、物体の表面全体の表面平滑性を測定する場合には、時間と手間がかかってしまう。

本発明は、前記従来の表面平滑性測定装置の問題点を解決して、物体表面に特定パターンの照射光を照射し、物体表面からの反射光の受光強度分布に基づいて物体表面の平滑度を算出することにより、各種の物体表面の平滑性を安定的に、正確に、迅速に、かつ、容易に測定することができる表面平滑性測定装置を提供することを目的とする。

そのために、本発明の表面平滑性測定装置においては、物体表面に光を照射する光源と、前記物体と光源との間に設けられ、該光源から物体に照射される照射光を所定方向の明暗から成る特定パターンを形成するように遮光する遮光手段と、前記物体表面から反射する反射光を受光する受光手段と、該受光手段が受光した光に基づき、所定方向の位置毎の受光強度分布を検出する受光強度分布検出手段と、該受光強度分布検出手段が検出した受光強度分布に基づき、前記物体表面の平滑度を算出する平滑度算出手段とを有し、該平滑度算出手段は、前記受光強度分布から求められる極大値と極小値とに基づいて所定方向の平滑度を算出する。

本発明によれば、表面平滑性測定装置は、物体表面に特定パターンの照射光を照射し、物体表面からの反射光の受光強度分布に基づいて物体表面の平滑度を算出するようになっている。そのため、各種の物体表面の平滑性を安定的に、正確に、迅速に、かつ、容易に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は本発明の第１の実施の形態における表面平滑性測定装置の概略図、図２は本発明の第１の実施の形態におけるパターン投影板を示す図、図３は本発明の第１の実施の形態における信号処理装置の構成を示すブロック図である。

本実施の形態における表面平滑性測定装置は、各種の材質から成る物体の表面平滑性を測定するための装置であり、図１に示されるように、パターン投影装置１１、受光手段としての光電変換素子１２、並びに、受光強度分布検出手段及び平滑度算出手段としての信号処理装置１３を有する。そして、被測定物である物体は、例えば、プラスチックフィルムであるが、金属板であってもよいし、いかなる種類のいかなる形状のものであってもよい。

ここで、前記パターン投影装置１１は、光源１１ａ及び遮光手段としてのパターン投影板１１ｂを備える。そして、前記光源１１ａは、例えば、タングステン電球、ハロゲン電球等の白熱電球や、白色蛍光ランプなどであるが、物体の表面に光を照射するものであればいかなる種類のものであってもよい。また、パターン投影板１１ｂは、照射光を線状パターンを形成するように遮蔽（へい）するものであり、図２に示されるように、例えば、厚さが０．５〔ｍｍ〕のステンレス板であり、表面には光源１１ａからの照射光を反射しないようにつや消しの塗装が施された遮蔽部と、複数の光透過部としての開口部３１を備える。図２に示される例において、開口部３１の数は８個であり、各開口部３１は、幅が１〔ｍｍ〕のスリット形状を備え、隣同士の間隔が１〔ｍｍ〕となるように配設されている。さらに、前記パターン投影装置１１は、物体表面としての被測定物表面１４に対して所定の角度θで光を照射するように保持されている。なお、θの値は被測定物の種類や測定方法によって任意に変えることができるが、本実施の形態においてはθ＝４５度としている。

また、前記光電変換素子１２は、多数の受光素子を直線状（１次元）に配列したＣＣＤ（Ｃｈａｒｇｅ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｄｅｖｉｃｅ：電荷結合素子）アレイを備える。なお、該ＣＣＤアレイとしては、受光素子であるＣＣＤを２次元に配列したものを使用することもできるが、本実施の形態における前記光電変換素子１２は、受光素子を１次元に配列したＣＣＤアレイを使用する。そのため、被測定物表面１４に投影されたパターンの反射像は、それぞれの受光素子によって電気信号に変換され、受光素子の各位置における出力値に基づき、反射光分布波形が表示される。

そして、前記光電変換素子１２は、パターン投影装置１１から被測定物表面１４への入射光が前記被測定物表面１４に投影される投影面からの反射光が検出可能である位置に配設される。なお、パターン投影装置１１からの入射光の光軸と被測定物表面１４とのなす角度がθであるとき、パターン投影装置１１から投影面への光軸と投影面から光電変換素子１２へ結ぶ軸とによってなす角度が（１８０−２θ）となる位置に光電変換素子１２が配設される。

さらに、光電変換素子１２の出力は信号処理装置１３に接続されている。図３に示されるように、該信号処理装置１３は、光電変換素子１２からの電気信号を受信する受信部２１、前記電気信号をＡ／Ｄ変換するＡ／Ｄ変換部２２、該Ａ／Ｄ変換部２２で変換されたデジタル信号を波形処理し、極大値（Ｍａｘ）と極小値（Ｍｉｎ）とを選択し、平滑度を算出する平滑度算出手段としてのデータ解析部２３、及び、反射光分布波形と平滑度（Ｓ）とを表示する表示部２４を有する。ここで、前記極大値及び極小値は、Ａ／Ｄ変換部２２において得られたデータよりデータ解析部２３が選択する。

なお、極大値及び極小値の選択は、データ解析部２３ではなく、ユーザが行うようにしてもよい。この場合、信号波形を表示し、ユーザに対して前記信号波形から極大値及び極小値の選択を要求するメッセージを表示部２４に表示させる。そして、信号処理装置１３が備える図示されない入力部をユーザが操作することによって、極大値及び極小値が入力されて選択される。ここで、ユーザによって極大値及び極小値の選択が行われるのは、例えば、信号波形が、きれいな曲線から成るｓｉｎカーブではなく、ぎざぎざの波形である場合のように、本来、極大値及び極小値でない値がデータ解析部２３によって選択されてしまう可能性がある場合である。

次に、前記構成の表面平滑性測定装置の動作について説明する。

図４は本発明の第１の実施の形態における被測定物表面の表面平滑性と光電変換素子の出力との関係を示す図、図５は本発明の第１の実施の形態におけるＡ／Ｄ変換されたデータ並びに信号波形の極大値又は極小値の平均及び平滑度の値を算出する数式を示す図である。

まず、前記光源１１ａからパターン投影板１１ｂに平行光線を照射し、被測定物表面１４に光の明暗パターンを投影する。そして、被測定物表面１４に投影されたパターンの反射像を光電変換素子１２によって撮像し、アナログ信号である電気信号に変換する。

ここで、被測定物表面１４の物理的な表面平滑性と光電変換素子１２の出力との関係について説明する。まず、被測定物表面１４に、図４（ａ）に示されるような強度分布を持つ投影パターンを投影する。そして、被測定物表面１４が、図４（ｂ）−（１）に示されるように、凹凸のない理想的な平滑な平面である場合、投影パターンは忠実に反射され、光電変換素子１２の出力は、図４（ｃ）−（１）に示されるように、図４（ａ）の投影パターンと同じ受光強度分布波形になる。

ところが、被測定物表面１４が、図４（ｂ）−（２）に示されるように、平滑性は高いが凹凸を備える面である場合、投影された光は被測定物表面１４で散乱してしまうので、光電変換素子１２の出力は、図４（ｃ）−（２）に示されるような受光強度分布波形になる。

更に、被測定物表面１４が、図４（ｂ）−（３）に示されるように、平滑性が低く、大きな凹凸を備える面である場合、投影された光は被測定物表面１４で散乱してしまう度合いが大きくなるので、光電変換素子１２の出力は、図４（ｃ）−（３）に示されるように、山が低く、谷が高い受光強度分布波形にとなる。本実施の形態は、このような光電変換素子１２の出力波形、すなわち、受光強度分布波形の差異を利用して、被測定物表面１４の平滑性を定量化するものである。

続いて、前記光電変換素子１２の出力は信号処理装置１３に入力される。該信号処理装置１３に入力された強度信号は、Ａ／Ｄ変換部２２によってＡ／Ｄ変換され、変換されたデジタル信号に基づいて波形処理がなされる。このとき、Ａ／Ｄ変換されて波形処理されたデータは、図５（ａ）に示されるような受光強度分布波形として、表示部２４に表示される。

続いて、図５（ａ）に示されるような受光強度分布波形の中の極大値の平均値である平均Ｍａｘ（Ａｖｅ）、及び、前記受光強度分布波形の中の極小値の平均値である平均Ｍｉｎ（Ａｖｅ）を求める。この場合、Ｍａｘ（Ａｖｅ）及びＭｉｎ（Ａｖｅ）は、図５（ｂ）に示される式（１）及び（２）に従って求めることができる。さらに、求められたＭａｘ（Ａｖｅ）とＭｉｎ（Ａｖｅ）に基づき、図５（ｂ）に示される式（３）に従って、平滑度（Ｓ）が算出され、算出結果が表示部２４に表示される。

本実施の形態においては、図５（ａ）に示されるような受光強度分布波形の中の極大値及び極小値からそれぞれの平均値を式（１）及び式（２）（図５（ｂ））により求め、式（３）（図５（ｂ））に従って平滑度（Ｓ）を求めたが、図５（ａ）に示されるような受光強度分布波形の中から各組の極大値及び極小値から次の式（４）より平滑度（ｓ）を求め、その平滑度の平均値から次の式（５）により平滑度（Ｓ）を求めても構わない。
ｓ（ｎ）＝（Ｍａｘ（ｎ）−Ｍｉｎ（ｎ））／（Ｍａｘ（ｎ）＋Ｍｉｎ（ｎ）） ・・・式（４）
平滑度（Ｓ）＝（Σｓ（ｎ））／ｎ ・・・式（５）
次に、前記受光強度分布波形に示される極大値及び極小値に基づく表面平滑性の評価について説明する。

図６は本発明の第１の実施の形態における反射率の異なる２つの被測定物表面についての受光強度分布波形を示す図である。

ここでは、表面粗さ、すなわち、表面平滑性が同一であるが、反射率が相違する２つの物体を被測定物とし、各々の被測定物表面１４からの反射光を光電変換素子１２によって受光した出力を、信号処理装置１３が波形処理することによって得られた受光強度分布波形について説明する。図６（ａ）は被測定物表面１４の反射率が高い場合における受光強度分布波形を示し、図６（ｂ）は被測定物表面１４の反射率が低い場合における受光強度分布波形を示している。

ところで、被測定物表面１４の表面平滑性を評価するために受光強度分布波形における極大値と極小値との標準偏差を用いると、図６（ａ）に示される受光強度分布波形の場合、標準偏差の値が２．２となる。また、図６（ｂ）に示される受光強度分布波形の場合、標準偏差の値が１．１となる。このように、反射率が相違すると、表面平滑性が同一であっても、標準偏差の値が相違するので、受光強度分布波形における極大値と極小値との標準偏差によっては、被測定物表面１４の表面平滑性を適切に評価することができないことが分かる。

これに対し、前述のようにして平滑度（Ｓ）を算出すると、図６（ａ）に示される受光強度分布波形の場合、平滑度（Ｓ）の値が０．３３となり、同様に、図６（ｂ）に示される受光強度分布波形の場合にも、平滑度（Ｓ）の値が０．３３となる。このことから、反射率が相違する場合であっても、式（３）（図５（ｂ））により絶対的な表面平滑性が求められるため、表面平滑性が同一であれば、平滑度（Ｓ）の値が同一になることが分かる。すなわち、平滑度（Ｓ）を被測定物表面１４の表面平滑性の指標とすることによって、被測定物表面１４の表面平滑性を適切に評価することができる。

このように、本実施の形態においては、平滑度を算出し、該平滑度によって被測定物表面１４の平滑性を測定する。そのため、被測定物表面１４の反射率の相違、光源１１ａの発光強度の変動、光電変換素子１２の感度の変動、反射光の受光強度分布の平均レベルの変動等があっても、厳密な校正や、環境温度の変動、光源１１ａの経時変化等に対する補正を行う必要がなく、同じ表面形状を持つ被測定物に対して、常に、安定して同じ測定値を得ることができる。

そして、１回の測定で、パターン投影板１１ｂで形成される被測定物表面１４から反射パターンを検知する直線方向（１次元方向）の表面粗さが測定可能となる。

また、反射率の異なる物質、例えば、プラスチックと金属の表面平滑度を直接比較することができ、表面平滑性測定装置の利用範囲が拡大することを期待することができる。

次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。なお、第１の実施の形態と同じ構成を有するものについては、同じ符号を付与することによって、その説明を省略する。また、前記第１の実施の形態と同じ動作及び同じ効果についても、その説明を省略する。

図７は本発明の第２の実施の形態におけるパターン投影板を示す図である。

本実施の形態における表面平滑性測定装置は、前記第１の実施の形態におけるパターン投影板１１ｂに代えて、図７に示されるようなパターンを備える遮光手段としてのパターン投影板４１を使用する。該パターン投影板４１は、照射光を同心円状の縞（しま）状パターンを形成するように遮蔽するものであり、図７に示されるように、例えば、厚さが１〔ｍｍ〕の透明ガラス板であり、表面には光源１１ａからの照射光を透過しないように遮蔽部として遮光性の塗装が施され、塗装が施されない部分を光透過部とした同心円状のパターンを備える。図７に示される例において、光透過部は、幅が１〔ｍｍ〕の同心円状のスリット形状を備え、隣同士の間隔が１〔ｍｍ〕となるように配設されている。これにより、パターン投影装置１１は、被測定物表面１４に、同心円状の明暗パターンを投影することができる。

また、本実施の形態における光電変換素子１２は、受光素子を２次元に配列したＣＣＤアレイを使用する。なお、図７における軸ａ〜ｄは、光電変換素子１２の後述される画素列１〜４に対応する。その他の点の構成については、前記第１の実施の形態と同じであるので、その説明を省略する。

次に、本実施の形態における表面平滑性測定装置の動作について説明する。

図８は本発明の第２の実施の形態における光電変換素子の受光素子の配列を模式的に示す図である。

まず、同心円状のパターン投影板４１を使用して被測定物表面１４に光を照射すると、光電変換素子１２の受像面にも同様に同心円状の光の像が入射する。本実施の形態において、光電変換素子１２は受光素子を２次元に配列したＣＣＤアレイを使用するので、受像面には受光素子としての画素が複数個２次元に配列されている。なお、図８は、説明のために光電変換素子１２の受像面における画素の配列を２５画素×２５画素で表しているが、実際には、光電変換素子１２の受像面には、ｌ０００画素×１０００画素程度の画素が配列されている。

そして、図８に示される例において、図面における横方向の座標軸をｘ軸とし、縦方向の座標軸をｙ軸とし、中心を原点（ｘ＝０、ｙ＝０）とする。また、ｙ軸上、すなわち、ｘ＝０の直線上に存在する画素の列を画素列１とし、ｘ軸上、すなわち、ｙ＝０の直線上に存在する画素の列を画素列２とし、ｙ＝ｘの直線上に存在する画素の列を画素列３とし、ｙ＝−ｘの直線上に存在する画素の列を画素列４とする。なお、画素列１〜画素列４の隣接するもの同士間の角度は４５度である。そして、本実施の形態においては、前記画素列１〜画素列４の４組の画素列について、それぞれの画素列毎に、受光強度分布に基づいて、前記第１の実施の形態において説明した平滑度（Ｓ）を前記式（３）に従って求めるようになっている。

ここで、被測定物表面１４の形状の異方性と光の反射について説明する。

図９は本発明の第２の実施の形態における被測定物表面による光の反射を示す図、図１０は本発明の第２の実施の形態における各画素列についての受光強度分布波形を示す図である。なお、図９において、説明のため便宜上、図面横方向をＸ、縦方向をＺ、及び、法線方向をＹとする。

被測定物表面１４は、図９に示される形状を備えるが、該形状はＹの値によらず同一とする。これは、被測定物表面１４が、金属表面の研削跡等のように、一定方向に筋上の凹凸がある表面であることを想定している。このような表面形状の場合、反射光の散乱は、図９の平面内（Ｘ−Ｚ平面内）で強く発生し、紙面の法線方向（Ｙ方向）にはほとんど散乱しないか、又は、あっても極めて弱いと考えることができる。

このような異方性を持つ被測定物表面１４を、本実施の形態における表面平滑性測定装置によって測定すると、図８に示される画素列１が図９のＸ−Ｚ平面上に配列している場合、互いに４５度の角度を持った４つの画素列１〜４の受光強度分布を測定しているため、図１０に示されるような強度分布波形が得られる。なお、図１０（ａ）は画素列１の強度分布波形を示し、図１０（ｂ）は画素列２の強度分布波形を示し、図１０（ｃ）は画素列３の強度分布波形を示し、図１０（ｄ）は画素列４の強度分布波形を示している。

図１０から、画素列１の平滑度は高く、画素列２の平滑度は低く、また、画素列３と画素列４は、その中間の平滑度を示していることがわかる。

このように、本実施の形態においては、同心円状のパターン投影板４１を用い、互いに４５度の角度を持った複数の画素列の強度分布波形に基づいて、それぞれの平滑度を求めるようになっている。そのため、前記第１の実施の形態の効果に加え、被測定物表面１４の表面形状の異方性を検出することが可能となり、被測定物表面１４の状態をより詳細に測定することができる。

なお、本発明は前記実施の形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々変形させることが可能であり、それらを本発明の範囲から排除するものではない。

本発明の第１の実施の形態における表面平滑性測定装置の概略図である。 本発明の第１の実施の形態におけるパターン投影板を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における信号処理装置の構成を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態における被測定物表面の表面平滑性と光電変換素子の出力との関係を示す図である。 本発明の第１の実施の形態におけるＡ／Ｄ変換されたデータ並びに信号波形の極大値又は極小値の平均及び平滑度の値を算出する数式を示す図である。 本発明の第１の実施の形態における反射率の異なる２つの被測定物表面についての受光強度分布波形を示す図である。 本発明の第２の実施の形態におけるパターン投影板を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における光電変換素子の受光素子の配列を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態における被測定物表面による光の反射を示す図である。 本発明の第２の実施の形態における各画素列についての受光強度分布波形を示す図である。

符号の説明

１１ａ 光源
１１ｂ、４１ パターン投影板
１２ 光電変換素子
１３ 信号処理装置
１４ 被測定物表面
２３ データ解析部
３１ 開口部

Claims (5)

1. （ａ）物体表面に光を照射する光源と、
   （ｂ）前記物体と光源との間に設けられ、該光源から物体に照射される照射光を所定方向の明暗から成る特定パターンを形成するように遮光する遮光手段と、
   （ｃ）前記物体表面から反射する反射光を受光する受光手段と、
   （ｄ）該受光手段が受光した光に基づき、所定方向の位置毎の受光強度分布を検出する受光強度分布検出手段と、
   （ｅ）該受光強度分布検出手段が検出した受光強度分布に基づき、前記物体表面の平滑度を算出する平滑度算出手段とを有し、
   （ｆ）該平滑度算出手段は、前記受光強度分布から求められる極大値と極小値とに基づいて所定方向の平滑度を算出することを特徴とする表面平滑性測定装置。
2. 前記平滑度算出手段は、前記極大値の平均値Ｍａｘ（Ａｖｅ）と前記極小値の平均値Ｍｉｎ（Ａｖｅ）とを算出し、下記の式により平滑度を算出する請求項１に記載の表面平滑性測定装置。
   平滑度＝（Ｍａｘ（Ａｖｅ）−Ｍｉｎ（Ａｖｅ））／（Ｍａｘ（Ａｖｅ）＋Ｍｉｎ（Ａｖｅ））
3. （ａ）前記遮光手段は、１方向に所定の間隔で交互に配列された光を遮蔽する遮蔽部と光を透過する光透過部とを備え、前記照射光を線状パターンを形成するように遮蔽し、
   （ｂ）前記平滑度算出手段は、１方向の受光強度分布に基づき、１方向の平滑度を算出する請求項１又は２に記載の表面平滑性測定装置。
4. （ａ）前記遮光手段は、同心円状に所定の間隔で交互に配列された光を遮蔽する遮蔽部と光を透過する光透過部とを備え、前記照射光を同心円状の縞状パターンを形成するように遮蔽し、
   （ｂ）前記平滑度算出手段は、複数方向の受光強度分布に基づき、複数方向の平滑度を算出する請求項１又は２に記載の表面平滑性測定装置。
5. 前記複数方向は４方向であり、隣接する方向同士のなす角度は４５度である請求項４に記載の表面平滑性測定装置。

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