JP2007240242A - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡素、小型の装置構成でもって、被検査体の移動、振動等がある場合においても安定した計測が可能であり、検出光の微小な変化を正確に計測する事ができる表面粗さ測定装置を提供することを目的とする。
【解決手段】被検査体表面に対して光を照射する光源と、前記被検査体表面で反射した反射光の後方散乱成分を受光する受光手段と、該受光手段で受光した光量にもとづいて、前記被検査体の表面粗さを算出する信号処理装置とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、表面処理がされた鋼板や鋼材など金属体等の物体の表面粗さ計測を行う表面粗さ測定装置に関するものであり、特に、光学的な手法で物体等の表面粗さ（性状）を計測し、物体の品質管理、制御を行うための表面粗さ測定装置に関するものである。

被検査体の表面に対して、非接触で被検査体表面の粗さを計測する技術として、例えば図２に示すような表面粗さ測定装置が知られている。図中、１は光源、２は光学フィルタ、３は被検査体、４は光検出器、５は信号処理装置、および６は投光スポットをそれぞれ表す。

この表面粗さ測定装置は、光源から所定の入射角度で物体表面に光を照射し、反射角を光源の入射角度とほぼ同じ値となる正反射方向近辺にＣＣＤカメラなどの受光装置を設置し、その受光装置で受光する物体表面からの反射光強度や反射光分布、あるいは正反射角度から少しずれた角度となる前方散乱角度に受光装置を設置して、その前方散乱光の光強度を計測して、正反射、前方散乱反射の反射光強度やその分布、正反射と前方散乱光強度との差異や比率等の情報から物体表面の表面粗さを計測する技術が知られている（例えば、特許文献１や特許文献２）。

なお、「発明の開示」の項で参照する非特許文献１についても、以下に記すものとする。
特開平１−１３８４０４号公報 特開平９−１０５６１８号公報 Beckmann著、The scattering of electromagnetic waves from rough surface、Pergamon Press、1963

しかしながら、前述の特許文献１または特許文献２に記載の技術では、被検査体における正反射或いは乱反射光（前方散乱光）を検出し被検査体表面粗さを計測（推定）する為、投光部、光検出部を一定の間隔で適切に配置する必要があり、装置構成が複雑、大型化する問題があった。

また、前述の技術では、正反射、乱反射光を適切に計測する為には被検査体の表面に対して光源、光検出部を正確に配置する必要があるが、被検査体が搬送状態等にあり、被検査体表面が移動、振動するような場合には、光源、反射光検出器との位置関係が変化し、入射/出射角度の変動が発生するため正確な計測を行う事が出来ないという問題があった。

さらに、前述の技術では、正反射、乱反射（前方散乱光）とも検出される反射光強度が比較的強く、表面性状、粗さによる検出光の微小な変化を正確に計測する事が困難であるいう問題もあった。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、簡素、小型の装置構成でもって、被検査体の移動、振動等がある場合においても安定した計測が可能であり、検出光の微小な変化を正確に計測する事ができる表面粗さ測定装置を提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る発明は、被検査体表面に対して光を照射する光源と、前記被検査体表面で反射した反射光の後方散乱成分を受光する受光手段と、該受光手段で受光した光量にもとづいて、前記被検査体の表面粗さを算出する信号処理装置とを備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置である。

また、本発明の請求項２に係る発明は、請求項１に記載の表面粗さ測定装置において、前記受光手段の受光する光強度が所定値以下となる被検査体表面への光源からの入射角度θをもとめ、下記式にもとづいて、被検査体の表面粗さσを算出することを特徴とする表面粗さ測定装置である。
g = (4πσcosθ／λ)²
ただし、ｇ＝０．４、λは光源波長、およびσは表面粗さ
また、本発明の請求項３に係る発明は、請求項１に記載の表面粗さ測定装置において、前記受光手段が受光する強度および受光角度と、被検査体の表面粗さとの関係を予め求めておき、前記強度と受光角度から表面粗さを算出することを特徴とする表面粗さ測定装置である。

さらに、本発明の請求項４に係る発明は、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の表面粗さ測定装置において、前記光源から光を照射する光軸と前記受光手段が受光する光軸とを同軸構造とするハーフミラーまたはプリズムを備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置である。

本発明によれば、簡素、小型の光学系により鋼板等の被検査体の表面粗さを計測する事が可能となるとともに、被検査体の移動、振動等がある場合においても計測条件の変動が発生しにくく、安定した計測が可能となる。

また、被検査体表面での後方散乱光を検出することから、検出光のベースレベル（平均的な反射光量）が低く、被検査体の表面性状による微小な散乱光の変化を検出することが可能となる。

本発明を実施するための最良の形態について、以下に図および式を参照して説明を行う。図１は、本発明に係る表面検査装置の構成例を示す図である。図中、符号は図２と同じである。

検出ヘッド（図示せず）には、レーザ光源や白色光などの光源１および光学フィルタ２ならびにＣＣＤカメラ等の受光手段である光検出器４が設けられ、被検査体３の表面に、光源１からの出射光を光学フィルタ２を透過させて所定の単一波長とし、その光を入射角θで照射している。

光は、被検査体３の表面で、光源１とは反対側に反射される。光検出器４は光源付近に配置されて、出射光と同一波長の光を受光するように光学フィルター（図示せず）を透して、後方散乱光を受光する。なお、光検出器４は後方散乱光を受光可能とする位置に配置されればよいが、受光光軸を光源の出射光軸と同一軸にすると、後述するように検出精度が向上し、さらには、検出ヘッドをコンパクトにできるので、より望ましい。同軸構造とするには、プリズムやハーフミラーを使用する公知の構成で実現可能である。光検出器４で検出された光量にもとづいて、信号処理装置５にて被検査体の表面粗さを算出する。

ここで、本発明の原理について以下に説明する。非特許文献１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（１）式のパラメータ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。

そして、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、（１）式は（２）式のようになる。

g = {4πσcosθ/λ}²…（２）
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の粗面を有する鋼板の鏡面性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には、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程度に大きくすればよい。

（１）または（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。しかしながら、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）または（２）式が適用できる。また、（１）または（２）式が適用できない場合であっても、（１）または（２）式に相当する関係式を実験的に別途求めることも可能である。

そして、可視光の波長0.5μmで、入射角０度の条件のとき、鋼板表面が鏡面とみなせるのは、凹凸量の正規分布の標準偏差σ=0.025μm程度以下であるので、ｇ＜０．４の条件すなわち以下の（３）式を満たすものであれば、鋼板表面は鏡面とみなせることになる。

{4πσcosθ/λ}²＜０．４…（３）
図３は、鋼板の表面粗さが大きい場合と、小さい場合（鏡面となる条件の場合）とを比較した図である。上述のような鏡面となる条件の場合（図３（ａ））、光源からの出射した光は、ほとんどが正反射方向に反射されるので、光検出器で受光される反射光強度（後方散乱光強度）は、ほとんど無くなる（ゼロに近くなる）ことになる。

つまり、既知の波長の光源からある角度θで対象物表面に投光を行い、ｇ＜０．４の条件が満たされる場合には対象物表面は鏡面とみなせるので、表面での反射光は正反射光のみとなり後方散乱光は殆ど発生しないが、前記条件から外れる、粗さが大の場合には、表面は鏡面とはみなせなくなるので、後方散乱光が発生する（図３（ｂ））。

したがって、光源の被検査対象表面に対する角度を連続的に変化させる機構を検出ヘッド側にもたせ、対象物表面後方散乱光強度がなくなる入射角度（鋼板表面法線方向に対する光軸角度）、すなわち、鏡面条件が成立する角度を求め、上述の式（３）のθに代入することによって、既知の投光波長から、凹凸量の正規分布の標準偏差σを算出できる。そして、このσを表面粗さの指標とすれば、被測定対象の表面粗さを測定できることとなる。

また、角度を変化させる機構を設ける代わりに、光検出器に１次元ＣＣＤカメラや２次元カメラなどを用い、反射角度方向に受光素子配列を一致させて、反射光の輝度分布を測定するようにしてもよい。また、このようにしたほうが、移動機構を設けなくて良く、装置もコンパクトになるメリットもあり、好ましい。

さらに、投光角度と受光角度が同じ場合（同軸光軸）には、鏡面状態になった時の拡散反射成分をより受光しない角度となり、受光強度変化が顕著になるので、鏡面状態になったことを検知しやすくなるので、そのような同軸配置が好ましい。

例えば、光源に波長５００ｎｍのスポット光源を用い、投光角度８５度の条件で、同軸光軸とすると、g = (4πσcosθ／λ)²＜0.4を満たす表面粗さσは、下式に示すようになる。

σ＜ （500ｎｍ×SQRT(0.4)）/｛４×π×cos(85°)｝〜0.288μｍ
ＣＣＤカメラを光検出器に用いる場合を考えると、ｇ＞０．４の条件では、鋼板表面の画像を撮像するように設置したＣＣＤカメラには、投光スポット６（図１）が映し出されるが、角度を変化させていき、ｇ＜０．４の条件では、ＣＣＤカメラで撮像した画像上では投光スポット６が観察されなくなる。

そこで、投光スポットが観察されている状態から観察されなくなった状態に変化した時点がｇ＝０．４となるので、その時点の角度、光源波長から、下式によって、σを求めることができる。

σ＝ （500ｎｍ×SQRT(0.4)）/（４×π×cosθ）
図４は、光源波長を５００ｎｍ時の、投光角度θおよび表面粗さσと、ｇとの値の関係を示す特性曲線である。この特性曲線を予め求めておき、その曲線から算出してもよい。

また、図５は、投光角度を変化させる代わりに、投光角度およびｇに対する表面粗さσの変化を示したものである。そして、横軸のｇの値は、受光光量に相当する値と考えられるので、予め所定の角度表面粗さを変化させたときの、受光光量のデータを採取しておき、実際の測定時に測定した受光光量にもとづいて、この特性データを参照すれば、表面粗さσを算出することが可能である。

上述のように、本発明により、後方散乱光の強度が低下する角度およびその特性を測定することによって、表面粗さの指標となるσを求め、被測定対象の表面粗さを測定することができる。

本発明に係る表面検査装置の構成例を示す図である。 従来の表面検査装置の構成例を示す図である。 鋼板の表面粗さが大きい場合と、小さい場合とを比較した図である。 光源波長を５００ｎｍ時の投光角度θおよび表面粗さσと、ｇとの値の関係を示す特性曲線である。 投光角度を変化させる代わりに、投光角度およびｇに対する表面粗さσの変化を示す図である。

符号の説明

１ 光源
２ 光学フィルタ
３ 被検査体
４ 光検出器
５ 信号処理装置
６ 投光スポット

Claims (4)

1. 被検査体表面に対して光を照射する光源と、
   前記被検査体表面で反射した反射光の後方散乱成分を受光する受光手段と、
   該受光手段で受光した光量にもとづいて、前記被検査体の表面粗さを算出する信号処理装置とを備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置。
2. 請求項１に記載の表面粗さ測定装置において、
   前記受光手段の受光する光強度が所定値以下となる被検査体表面への光源からの入射角度θをもとめ、下記式にもとづいて、被検査体の表面粗さσを算出する
   ことを特徴とする表面粗さ測定装置。
   g = (4πσcosθ／λ)²
   ただし、ｇ＝０．４、λは光源波長、およびσは表面粗さ
3. 請求項１に記載の表面粗さ測定装置において、
   前記受光手段が受光する強度および受光角度と、被検査体の表面粗さとの関係を予め求めておき、前記強度と受光角度から表面粗さを算出することを特徴とする表面粗さ測定装置。
4. 請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の表面粗さ測定装置において、
   前記光源から光を照射する光軸と前記受光手段が受光する光軸とを同軸構造とするハーフミラーまたはプリズムを備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置。