JP2019168353A - 表面粗さ測定装置および表面粗さ測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】光学的手法により作業現場で瞬時に表面粗さパラメータの数値を出して、下地処理評価の大幅な短時間化と高精度化を実現すること。【解決手段】直線状光１２を被測定面１１上に入射角θで照射する投光部２と、直線状光１２の被測定面１１からの乱反射光１３を結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより被測定面１１の画像を得る撮像部３と、投光部２および撮像部３を保持し、被測定面１１に当接させて被測定面１１から撮像素子に入射する乱反射光１３の光路上の距離を一定に保持する保持部６と、撮像部３により得られた被測定面１１の画像から直線状光の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出する演算処理部４と、演算処理部４により算出された表面粗さパラメータを出力する出力部５とを含む表面粗さ測定装置１である。【選択図】図１

Description

本発明は、光学的に被測定面の表面粗さを測定する表面粗さ測定装置および表面粗さ測定方法に関する。

溶射や塗装などを行う際、表面処理剤の乗りを良くして密着力を十分にするためにブラストなどの下地処理を行う。下地処理の程度は、例えば鋼道路橋防食便覧（日本道路協会発行）では、金属溶射のブラスト粗さは、算術平均粗さＲａ８μｍ以上・最大高さ粗さＲｚ５０μｍ以上と規定されている。算術平均粗さＲａおよび最大高さ粗さＲｚは、国際標準化機構ＩＳＯ ４２８７（日本工業規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２０１３）に規定されている表面粗さのパラメータである。

作業現場において、この規定にしたがって下地処理を行った被測定表面を目視で評価する場合には、国際標準化機構ＩＳＯ ８５０３（日本工業規格ＪＩＳ Ｚ ０３１３：２００４）に規定される「表面粗さ比較板」を用い、粗さ程度を４分割のセグメント（Ｓ）に照らし合わせて評価することが推奨されている。この比較板は、Ｓの呼び粗さ「Ｓ１（Ｒｚ＝２５μｍ）」「Ｓ２（Ｒｚ＝６０μｍ）」「Ｓ３（Ｒｚ＝１００μｍ）」「Ｓ４（Ｒｚ＝１５０μｍ）」を基準として評価の対象としている。例えば、前述の金属溶射の下地処理は「Ｓ２を超え、Ｓ３以内が適正範囲」となる。

なお、下地処理の程度を数値的に判断するための測定法としては、従来一般的には触針式表面粗さ測定器が用いられている（例えば、特許文献１参照。）。また、光学的手法により表面粗さを測定する光学的粗さ測定法も多数の方法が提案され、実用化されているものもある（例えば非特許文献１参照。）。

特許第５３４９３６４号公報

深津拡也，光学式輪郭測定技術を用いた工業表面のトポグラフィ測定，精密工学会誌，公益社団法人精密工学会，２０１０年，７６巻，９号，ページｐ．９９５−９９８

上述のように、従来作業現場において被測定表面を目視で評価する場合には各セグメントとの比較になるため、算術平均粗さＲａや最大高さ粗さＲｚなどの表面粗さパラメータの数値を出すことができない。

一方、触針式表面粗さ測定器では、表面粗さパラメータの数値を出すことができるが、粗さのある表面に沿って針先を移動させてその上下移動量を計測するものであるため、平面上でのデータ取得には長時間と経験を要する。

また、上記従来の光学的粗さ測定法では、装置が大掛かりであり、研究室や工場内では測定できるものの、作業現場において手軽に、かつ瞬時に表面粗さパラメータの数値を得られるようなものではない。

そこで、本発明においては、光学的手法により作業現場で瞬時に表面粗さパラメータの数値を出して、下地処理評価の大幅な短時間化と高精度化を実現することが可能な表面粗さ測定装置および表面粗さ測定方法を提供することを目的とする。

本発明の表面粗さ測定装置は、測定対象物の被測定面内にＸ軸およびこのＸ軸に直交するＹ軸を配置し、Ｘ軸の方向に直線状に延びる光（以下、「直線状光」と称す。）を被測定面上に入射角θで照射する投光部と、直線状光の被測定面からの乱反射光を、被測定面に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより被測定面の画像を得る撮像部と、投光部および撮像部を保持する保持部であり、被測定面に当接させて被測定面から撮像素子に入射する乱反射光の光路上の距離を一定に保持する保持部と、撮像部により得られた被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出する演算処理部と、演算処理部により算出された表面粗さパラメータを出力する出力部とを含むものである。

本発明の表面粗さ測定装置によれば、保持部を被測定面に当接させて、投光部から被測定面上に入射角θでＸ軸方向に延びる直線状光を照射し、この直線状光の被測定面からの乱反射光をＺ軸方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより被測定面の画像を得て、この得られた被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから表面粗さパラメータが算出される。このとき、得られる被測定面の画像は被測定面から撮像素子に入射する乱反射光の光路上の距離が一定であるため、結像光学系の光学倍率を考慮することで、この乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元寸法に基づいて表面粗さパラメータが算出される。

ここで、撮像部は、結像光学系の光学倍率を変更する光学倍率変更手段を有するものであり、演算処理部は、光学倍率変更手段により変更された光学倍率に応じた被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて直線状光の乱反射パターンから表面粗さパラメータを算出するものであることが望ましい。これにより、光学倍率変更手段により結像光学系の光学倍率を変更すると、その変更した光学倍率に応じて直線状光の乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータが算出される。

また、撮像部は、デジタルズーム機能を有するものであり、演算処理部は、デジタルズーム機能により変更されたズーム倍率に応じた被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて前記直線状光の乱反射パターンから表面粗さパラメータを算出するものである構成とすることができる。これにより、撮像部のデジタルズーム機能によりズーム倍率を変更すると、その変更したズーム倍率に応じて直線状光の乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータが算出される。

また、演算処理部は、被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンの上端と下端の位置を取得し、直線状光の乱反射パターンの上端と下端を補完し、直線状光の乱反射パターンの中央の位置と直線状光の乱反射パターンの幅の平均を取得し、直線状光の乱反射パターンの中央の位置の近似直線を算出することにより乱反射パターンを特定する構成とすることができる。これにより、被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンを特定して、この乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元寸法に基づいて表面粗さパラメータが算出される。

本発明の表面粗さ測定方法は、測定対象物の被測定面内にＸ軸およびこのＸ軸に直交するＹ軸を配置し、Ｘ軸の方向に直線状に延びる光（直線状光）を被測定面上に入射角θで照射して、直線状光の被測定面からの乱反射光を、被測定面に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより得られた被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンの上端と下端の位置を取得すること、直線状光の乱反射パターンの上端と下端を補完すること、直線状光の乱反射パターンの中央の位置と直線状光の乱反射パターンの幅の平均を取得すること、直線状光の乱反射パターンの中央の位置の近似直線を算出することにより乱反射パターンを特定すること、この特定された乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出することを含むことを特徴とする。

本発明の表面粗さ測定方法によれば、測定対象物の被測定面内に直線状光を被測定面上に入射角θで照射して、直線状光の被測定面からの乱反射光を、被測定面に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより得られた被測定面の画像から直線状光の乱反射パターンを特定して、この乱反射パターンから被測定面の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元寸法に基づいて表面粗さパラメータが算出される。

本発明によれば、光学的手法により作業現場で瞬時に表面粗さパラメータの数値を出して、下地処理評価の大幅な短時間化と高精度化を実現することが可能となる。

本発明の実施の形態における表面粗さ測定装置の概略構成図である。 図１の表面粗さ測定装置の光学系の詳細を示す説明図である。 表面粗さパラメータの算出手順を示すフロー図である。 画像上にｙｃ（ｘ）、Ｌｕ（ｘ）、Ｌｄ（ｘ）、ｃ₀（ｘ）を表示した例を示す図である。 物体表面に凸部がある場合に入射角θで照射される直線状光と被測定面からの乱反射光の状態を示す斜視図である。 （ａ）は図５の正面図、（ｂ）は測定対象物を平面視した図である。 被測定面の粗さプロファイルを表示した例を示す図である。

図１は本発明の実施の形態における表面粗さ測定装置の概略構成図、図２は図１の表面粗さ測定装置の光学系の詳細を示す説明図である。

図１に示すように、本発明の実施の形態における表面粗さ測定装置１は、測定対象物１０の被測定面１１上に直線状光１２を照射する投光部２と、直線状光１２の被測定面１１からの乱反射光１３を撮像する撮像部３と、撮像部３により撮像した画像から表面粗さパラメータを算出する演算処理部４と、演算処理部４による処理結果を出力する出力部５とを有する。

投光部２により照射される直線状光１２は、図２に示すように、測定対象物１０の被測定面１１内にＸ軸およびこのＸ軸に直交するＹ軸を配置したとき、Ｘ軸方向に直線状に延びる光である。直線状光１２は、被測定面１１上に入射角θ（図１参照。）で照射される。投光部２は、例えば、図２に示すように、光源２０、ビームエキスパンダー２１、減光フィルター２２、スリット２３およびシリンドリカルレンズ２４により構成可能である。光源２０としては、例えばヘリウムネオンレーザーやＬＥＤ等を使用できる。

撮像部３は、図２に示すように、直線状光１２の被測定面１１からの乱反射光１３を、被測定面１１に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系３０を通じて撮像素子３１に結像させることにより被測定面１１の画像を得るものである。結像光学系３０は、例えば、対物レンズ３２、ズームレンズ３３およびフォーカスレンズ３４により構成される。撮像素子３１としては、例えばＣＭＯＳイメージセンサを使用できる。また、ズームレンズ３３は、結像光学系３０の光学倍率を変更する光学倍率変更手段としての調整ダイヤル３５（図１参照。）を備えている。本実施形態においては、調整ダイヤル３５によって光学倍率を１０〜２５０倍の間で変更可能となっている。

投光部２および撮像部３は、図１に示すように、被測定面１１の被測定部分を覆うヘルメット状の保持部６に保持されている。保持部６は、その開口面６０を被測定面１１に当接させた際に、被測定面１１から撮像素子３１に入射する乱反射光１３の光路上の距離を一定に保持するものである。また、投光部２についても、保持部６に保持されることで、保持部６の開口面６０を被測定面１１に当接させた際に、被測定面１１に対して一定の入射角θで直線状光１２が照射されるようになっている。

演算処理部４は、撮像部３により得られた被測定面１１の画像から直線状光１２の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面１１の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出するものである。演算処理部４には、初期値として被測定面１１の画像サイズが設定されている。画像サイズは、画像の横方向（Ｘ軸方向）および縦方向（Ｙ軸方向）のそれぞれの二次元実寸法およびピクセル数によって指定する。この画像サイズの指定によって、被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面１１の二次元実寸法（Ｘ_pix，Ｙ_pix）が自動的に算出される。

ここで、演算処理部４による直線状光１２の乱反射パターンの特定から表面粗さパラメータの算出までの処理について詳細に説明する。図３は表面粗さパラメータの算出手順を示すフロー図である。

＜ステップＳ１＞画像から直線状光１２の乱反射パターンの上端と下端の位置を取得する処理
ステップＳ１では、撮像部３により得られた被測定面１１の画像のＸ軸方向の全ての列（ピクセル単位）において、ｘ列での直線状光１２の乱反射パターンの上端のｙ座標Ｌｕ（ｘ）と直線状光の下端のｙ座標Ｌｄ（ｘ）を見つける。

＜ステップＳ２＞直線状光１２の乱反射パターンの上端と下端を補完する処理
ステップＳ２では、直線状光１２の乱反射パターンの内側においてＬｕ（ｘ）およびＬｄ（ｘ）の中身が入っていない部分を補完する。なお、直線状光１２の乱反射パターンの始点より前と終点より後については何も入れない。

＜ステップＳ３＞直線状光１２の乱反射パターンの中央の位置と直線状光１２の乱反射パターンの幅の平均を取得する処理
ステップＳ３では、Ｌｕ（ｘ）およびＬｄ（ｘ）において値が存在する直線状光１２の乱反射パターンの始点から終点までのｘの範囲で照射の中心点ｙｃ（ｘ）と照射幅Ｌｗを求める。

＜ステップＳ４＞直線状光１２の乱反射パターンの中央の位置の近似直線を算出する処理
ステップＳ４では、直線状光１２の乱反射パターンの中央の位置の近似直線ｃ₀（ｘ）を決定する。図４は画像上にｙｃ（ｘ）、Ｌｕ（ｘ）、Ｌｄ（ｘ）、ｃ₀（ｘ）を表示した例を示している。

＜ステップＳ５＞最大高さ粗さＲｚを算出する処理
ステップＳ５では、物体表面の高さを算出し、その最大値と最小値から最大高さ粗さＲｚを算出する。図５は物体表面に凸部がある場合に入射角θで照射される直線状光と被測定面からの乱反射光の状態を示す斜視図、図６（ａ）は図５の正面図、図６（ｂ）は測定対象物１０を平面視した図である。なお、図５においては、投光部２および撮像部３の構成について一部図示を省略している。図５および図６に示すように、入射角θで照射される直線状光１２の乱反射光１３は、測定対象物１０の表面の凸部１０Ａによって折れ曲がるため、測定対象物１０の表面の凸部１０Ａの高さｄは、ｄ＝ｘ／ｔａｎθにより算出される。

これにより、具体的には、以下の（１）〜（５）により最大高さＲｚを算出する。
（１）照射物の高さｈ（ｘ）を以下の式から求める。
ｈ（ｘ）＝Ｈ_min×（ｙｃ（ｘ）−ｃ₀（ｘ））
（２）ｙｃ（ｘ）、ｃ₀（ｘ）は求められているので、以下の式からＨ_minを求める。
Ｈ_min＝Ｙ_pix／ｔａｎθ
Ｙ_pix：画像の１ピクセル当たりの被測定面１１のＹ軸方向の二次元実寸法
（３）ｈ（ｘ）を求める際にｈ_max（Ｒｐ）、ｈ_min（Ｒｖ）を求める。
まず、初期値０である変数Ｒｐ，Ｒｖを作る。
ｘ座標の１列ごとに（１）からｈ（ｘ）を求め、その値に応じて次の操作を行う。
Ｒｐ＜ｈ（ｘ）の場合、最大値が更新されたため、Ｒｐに現在のｈ（ｘ）を代入
Ｒｖ＜−ｈ（ｘ）の場合、最小値が更新されたため、Ｒｖに現在の−ｈ（ｘ）を代入
（４）（３）をすべてのｘ列で行い、Ｒｐ，Ｒｖ，ｈ（ｘ）を算出する。
（５）以下の式から最大高さ粗さＲｚを求める。
Ｒｚ＝Ｒｐ＋Ｒｖ

＜ステップＳ６＞算術平均粗さＲａを算出する処理
（１）Ｒａは以下の式から算出される。
Ｒａ＝１／Ｌ∫｜ｈ（ｘ）｜ｄｘ Ｌ：画像のＸ軸方向の実寸法
これは、ｈ（ｘ）の面積を求めて、画像のＸ軸方向の実寸法で割ることを意味する。
（２）Ｌを以下の式から求める。
Ｌ＝Ｘ_pix×ｎ
ｎ：画像のＸ軸方向のピクセル数
Ｘ_pix：画像の１ピクセル当たりの被測定面１１のＸ軸方向の二次元実寸法
（３）ｈ（ｘ）の面積Ｓａを求める。
ここで、１列（ピクセル単位）に対してｈ（ｘ）を求めているため、１列でのｈ（ｘ）の面積Ｓ（ｘ）は以下の式で表される。
Ｓ（ｘ）＝Ｘ_pix×ｈ（ｘ）
Ｓａは、ｈ（ｘ）が負の場合を考慮して、以下の処理をすべてのｘ（列）で行うことで求まる。
ｈ（ｘ）が負の場合、Ｓａに−Ｓ（ｘ）を足す
ｈ（ｘ）が正の場合、ＳａにＳ（ｘ）を足す
（４）（２）（３）を基に、Ｒａを以下の式から求める。
Ｒａ＝Ｓａ／Ｌ

＜ステップＳ７＞粗さプロファイルを表示する処理
図７は被測定面１１の粗さプロファイルを表示した例を示している。図７に示すように、粗さプロファイルには、ｈ（ｘ）のグラフとＲａ，Ｒｐ，Ｒｖの計算結果が表示される。なお、この粗さプロファイルでは、ｈ（ｘ）については、面積が分かるようにＸ軸と囲まれた部分に色を付けて表示する。また、Ｒａは直線で表示し、ＲｐおよびＲｖはそれぞれ色を変えて×印で表示する。

＜ステップＳ８＞結果を出力する処理
演算処理部４により算出された表面粗さパラメータＲａ，Ｒｚ、粗さプロファイル、画像等を出力部５により表示装置（モニタ）や記録媒体等に出力する。

上記構成の表面粗さ測定装置１では、図１に示すように、保持部６を測定対象物１０の被測定面１１に当接させて、投光部２から被測定面１１上に入射角θでＸ軸方向に延びる直線状光１２を照射し、この直線状光１２の被測定面１１からの乱反射光１３を撮像部３により撮像、すなわちＺ軸方向に配置される結像光学系３０を通じて撮像素子３１に結像させることにより、被測定面１１の画像を得て、この得られた被測定面１１の画像から直線状光の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから表面粗さパラメータが算出される。

このとき、得られる被測定面１１の画像は被測定面１１から撮像素子３１に入射する乱反射光１３の光路上の距離が一定であるため、結像光学系３０の光学倍率を考慮することで、この乱反射パターンから被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面の二次元寸法に基づいて表面粗さパラメータＲａ，Ｒｚが算出される。すなわち、この表面粗さ測定装置１では、光学的手法により作業現場で瞬時に表面粗さパラメータの数値を出して、下地処理評価の大幅な短時間化と高精度化を実現することが可能である。

また、本実施形態における表面粗さ測定装置１では、調整ダイヤル３５によって光学倍率を１０〜２５０倍の間で変更可能となっており、変更した光学倍率に応じて直線状光１２の乱反射パターンから被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面１１の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータＲａ，Ｒｚが算出される。

なお、表面粗さ測定装置１は、撮像部３にデジタルズーム機能を有する構成とすることも可能である。この場合、撮像部３のデジタルズーム機能により変更されたズーム倍率に応じた被測定面１１の画像の１ピクセル当たりの被測定面１１の二次元実寸法に基づいて、直線状光の乱反射パターンから表面粗さパラメータＲａ，Ｒｚを算出することも可能である。

本発明の表面粗さ測定装置および表面粗さ測定方法は、作業現場において溶射や塗装などを行う際の下地処理を行った際の下地処理評価を行うための装置および方法として有用である。

１ 表面粗さ測定装置
２ 投光部
３ 撮像部
４ 演算処理部
５ 出力部
６ 保持部
１１ 被測定面
１２ 直線状光
１３ 乱反射光
２０ 光源
２１ ビームエキスパンダー
２２ 減光フィルター
２３ スリット
２４ シリンドリカルレンズ
３０ 結像光学系
３１ 撮像素子
３２ 対物レンズ
３３ ズームレンズ
３４ フォーカスレンズ
３５ 調整ダイヤル

Claims (5)

1. 測定対象物の被測定面内にＸ軸およびこのＸ軸に直交するＹ軸を配置し、前記Ｘ軸の方向に直線状に延びる光（以下、「直線状光」と称す。）を前記被測定面上に入射角θで照射する投光部と、
   前記直線状光の前記被測定面からの乱反射光を、前記被測定面に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより前記被測定面の画像を得る撮像部と、
   前記投光部および前記撮像部を保持する保持部であり、前記被測定面に当接させて前記被測定面から前記撮像素子に入射する前記乱反射光の光路上の距離を一定に保持する保持部と、
   前記撮像部により得られた前記被測定面の画像から前記直線状光の乱反射パターンを特定し、この乱反射パターンから前記被測定面の画像の１ピクセル当たりの前記被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出する演算処理部と、
   前記演算処理部により算出された表面粗さパラメータを出力する出力部と
   を含む表面粗さ測定装置。
2. 前記撮像部は、前記結像光学系の光学倍率を変更する光学倍率変更手段を有するものであり、
   前記演算処理部は、前記光学倍率変更手段により変更された光学倍率に応じた前記被測定面の画像の１ピクセル当たりの前記被測定面の二次元実寸法に基づいて前記直線状光の乱反射パターンから表面粗さパラメータを算出するものである
   請求項１記載の表面粗さ測定装置。
3. 前記撮像部は、デジタルズーム機能を有するものであり、
   前記演算処理部は、前記デジタルズーム機能により変更されたズーム倍率に応じた前記被測定面の画像の１ピクセル当たりの前記被測定面の二次元実寸法に基づいて前記直線状光の乱反射パターンから表面粗さパラメータを算出するものである
   請求項１または２に記載の表面粗さ測定装置。
4. 前記演算処理部は、前記被測定面の画像から前記直線状光の乱反射パターンの上端と下端の位置を取得し、前記直線状光の乱反射パターンの上端と下端を補完し、前記直線状光の乱反射パターンの中央の位置と前記直線状光の乱反射パターンの幅の平均を取得し、前記直線状光の乱反射パターンの中央の位置の近似直線を算出することにより前記乱反射パターンを特定するものである請求項１から３のいずれか１項に記載の表面粗さ測定装置。
5. 測定対象物の被測定面内にＸ軸およびこのＸ軸に直交するＹ軸を配置し、前記Ｘ軸の方向に直線状に延びる光（以下、「直線状光」と称す。）を前記被測定面上に入射角θで照射して、前記直線状光の前記被測定面からの乱反射光を、前記被測定面に直交するＺ軸の方向に配置される結像光学系を通じて撮像素子に結像させることにより得られた前記被測定面の画像から前記直線状光の乱反射パターンの上端と下端の位置を取得すること、
   前記直線状光の乱反射パターンの上端と下端を補完すること、
   前記直線状光の乱反射パターンの中央の位置と前記直線状光の乱反射パターンの幅の平均を取得すること、
   前記直線状光の乱反射パターンの中央の位置の近似直線を算出することにより前記乱反射パターンを特定すること、
   この特定された乱反射パターンから前記被測定面の画像の１ピクセル当たりの前記被測定面の二次元実寸法に基づいて表面粗さパラメータを算出すること
   を含む表面粗さ測定方法。