JP4768579B2 - 写像性の評価方法 - Google Patents

Description

この発明は写像性の評価方法に関し、特に目視外観検査法によって評価されていたワーク表面の綺麗さや質といった表面性状を定量的に評価できるようにした方法に関する。

例えば、研磨鋼板の表面、塗装面、セラミック製品の表面など、ワーク表面の性状をどのように評価するかは製品開発や商品性上、非常に重要である。

ワーク表面の性状は例えば表面粗さが小さくても形状に歪みがあったり傷があったりすると悪いと判断できることから、像が正確に写されているか、つまり写像性によって正しく評価することができる。従来は目視外観検査法によって写像性を評価することが行われていたが、目視という人間の官能に頼って判別するため、判別の基準があいまいであること、個人差による判定のばらつきがあること、検査結果が周囲環境からの影響を受けやすく、又単純な検査であっても高速連続といった作業には耐え難く、疲労しやすいことから、写像性を定量化できる方法の開発が強く望まれていた。

他方、表面の微小な形状については面粗度や光沢度などを測定し、これらの測定値から表面の微小な形状を評価する方法が知られているが、これら面粗度や光沢度は表面性状の一部にすぎず、表面性状を正しく反映したものではない。

また、スリットを形成したパターン板を背後から光源の光によって照明し、ワーク表面にスリットパターンを投影し、このパターンを撮像して得られた画像のスリットの明度変化を検出し、検出信号の振幅の平均値や分散値からワーク表面の仕上がり度を段階的に評価する方法が提案されている（特許文献１）。

また、本件出願人は、基準パターンを光源の光によって照明し、その反射像をワーク表面に写し、基準パターンの輝度分布における輝度の振幅の標準偏差を求め、同種の表面について予め求めた振幅の標準偏差と中心線平均粗さＲａとの間の相関関係を用い、測定すべき表面の中心線平均粗さＲａを得る方法を開発し出願するに至った（特許文献２）。

特開昭６１−７５２３６号公報 特開２００１−９９６３２号公報

しかし、特許文献１記載の方法ではスリットを通過した光を用いているので、光の回折に起因してワーク表面に投影したパターンの輪郭が劣化し及び／又は明度が変化してしまい、中心線平均粗さＲａが０．１μｍ以上の表面には適用できない（稲荷隆彦「投影された光学的パターン像による表面粗さの測定」計測自動制御学会論文集ｖｏｌ．１４ Ｎｏ．１１ １９９８（平成１０年１１月）社団法人計測自動制御学会 参照）。

他方、特許文献２記載の方法では基準パターンを照明してその反射像を測定すべき表面に写しているので、光の回折に起因する投影パターンの劣化は起こらず、０．１μ以上の中心線平均粗さＲａも測定できるものの、ワーク表面の中心線平均粗さの平均値を得るという簡易な測定であるので、表面性状を的確に評価したい場合には不向きである。

本発明はかかる問題点に鑑み、表面性状を的確に評価できるようにした写像性の評価方法を提供することを課題とする。

そこで、本発明に係る写像性の評価方法は、ワーク表面の写像性を評価するにあたり、先端が開放された筒状ケース内に撮像素子を内蔵しかつ撮像素子の対物レンズを中心としてリングパターンを配置してなる基準パターンが筒状ケースの上下方向の中間に設けられたプローブを用い、プローブの先端をワーク表面に当ててワーク表面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明してワーク表面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像し、得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、得られた標準偏差と、基準鏡面について予め求めておいた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差との相対値を鏡面度とし、複数の線についての鏡面度からワーク表面の写像性を評価するようにしたことを特徴とする。

本発明の特徴の１つはリング状の基準パターンに照明を当ててその反射像をワーク表面に写し、この反射像を撮像して画像の中心から径方向に延びる複数の線上の画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、基準鏡面の標準偏差との相対値を鏡面度とし、複数の線についての鏡面度から写像性を評価するようにした点にある。

これにより、例えば複数の線についての鏡面度が十分に大きな値であり、しかも相互に等しい場合には表面粗さが小さく、しかも形状の歪みが小さいあるいは傷が少ないなど、表面粗さに異方性がないと判断でき、ワーク表面には像が正確にしかも綺麗に写り、写像性が高いと評価することができる。

また、複数の線についての鏡面度が相互に等しいが、小さな値である場合には表面粗さの異方性はないが、表面粗さが大きいと判断でき、ワーク表面には像の形状は正確に写るが、綺麗ではなく、写像性は低いと評価することができる。

また、複数の線についての鏡面度は十分に大きな値であるが、ばらつきがある場合には表面粗さは小さいけれども、表面粗さに異方性があると判断でき、ワーク表面には像は綺麗であるけれども歪んで写り、この場合も写像性が低いと評価することができる。

ところで、旋削やフライスなどの切削仕上面、ラッピング仕上面、バフ仕上面など、仕上面粗さに異方性を有する面は一般的に多数あるが、このような面の粗さを計測する場合、一方向にのみ計測できる測定器では測定方向と粗さの方向とを厳密に整合させて計測する、例えば触針式粗さ計などでは粗さの筋目に直角な方向に計測しないと、測定値に誤差が生ずる。ユーザが粗さの筋目あるいはその直角方向を常に正確に認識してセッティングを行うことは必ずしも容易ではなく、このセッティング誤差が測定値のばらつきの原因とする。

これに対し、本発明ではリングパターンを採用し、リングパターンの中心から径方向に延びる複数の線について粗さを測定するようにしているので、ユーザは粗さの方向を意識することなく測定を行うことができる。

また、表面粗さの異方性は表面の機能や機械的特性、例えば面の美しさ、接合面の濡れ特性、接触部合成などに影響すると考えられ、表面粗さの異方性の定量的把握も計測における重要なポイントになる。例えば、表面粗さの異方性を把握する場合、触針式粗さ計では方向をかえて測定を繰り返す必要があり、非常に時間がかかるのに対し、本発明では表面粗さの異方性を瞬時にして定量的に測定できる。

基準鏡面は専用のミラーを準備してもよいが、失うおそれがある。筒状のプローブは内部に塵が入らないようにキャップで先端開口を塞ぐのが望ましいことから、このキャップの内面を基準鏡面とすることができる。

即ち、内面が基準鏡面となったキャップをプローブの先端に嵌着して基準鏡面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明して基準鏡面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像し、得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求めるようにするのがよい。

輝度分布の振幅の標準偏差は画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線について求めればよく、角度間隔は特に限定されないが、表面粗さの異方性が写像性の評価の１つのパラメータであることを考慮すると、等しい角度間隔をあけて延びる複数の線について求めるのがよい。

即ち、得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びかつ相互に等しい角度間隔をあけてなる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求めるようにするのがよい。

基準パターンはリングパターンであればよく、リングの幅は特に限定されない。また、リングパターンは１つでもよく、複数でもよい。特に、撮像素子の対物レンズを中心として複数のリングパターンを同心に配置してなる基準パターンを用いると、ワーク表面の広い範囲にわたって写像性を評価できる。

また、本発明に係る写像性の評価装置は、ワーク表面の写像性を評価する装置であって、先端が開放された筒状ケース内に撮像素子を内蔵しかつ撮像素子の対物レンズを中心としてリングパターンを配置してなる基準パターンを筒状ケースの上下方向の中間に設けて構成され、先端を基準鏡面又はワーク表面に当てて基準鏡面又はワーク表面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明して基準鏡面又はワーク表面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像するプローブと、該プローブの先端に嵌着可能に設けられ、内面が基準鏡面となったキャップと、上記プローブの信号を入力とし、得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、得られた標準偏差と、基準鏡面について予め求めておいた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差との相対値を鏡面度として演算する演算処理装置と、を備えたことを特徴とする。

鏡面度はプリントアウトしあるいはディスプレイに表示した数値でもって評価してもよいが、数値を比較する必要があって直感的に評価し難い。そこで、演算処理装置で演算された複数の線についての鏡面度を中心から径方向に延びる鏡面度に対応した長さの線分として表示装置（ディスプレイ）に表示するようにすると、視覚によって写像性を評価できる。

プローブは先端が開放された筒状ケース内に撮像素子を内蔵し、撮像素子の対物レンズを中心としてリングパターンを配置してなる基準パターンを筒状ケースの上下方向の中間に設けて構成すればよく、材質や大きさは特に限定されない。

基準パターンは例えばフィルム、シートあるいはプレートにリングパターンを印刷し、あるいは刻印するなどして製作することができる。また、基準パターンはその反射像が基準鏡面やワーク表面に写され、鏡面度を求める基準となることから、平坦であることが重要である。

基準鏡面は鏡面度を求める基準となることから、平坦面であることが重要である。しかし、ワーク表面は必ずしも平坦面である必要はない。例えば、円筒面や球面であっても複数の線についての鏡面度あるいはその線分の長さの比較から、正確な円筒面や球面か否かを識別することができるからである。

演算処理装置は例えばコンピュータを用いることができる。また、表示装置はＣＲＴ、液晶表示装置等の各種ディスプレイを用いることができる。

以下、本発明を図面に示す具体例に基づいて詳細に説明する。図１ないし図６は本発明に係る写像性の評価装置の好ましい実施形態を示す。本例の評価装置はプローブ１０、コンピュータ（演算処理装置）２０、ディスプレイ（表示装置）３０及びプリンタ４０から構成され、コンピュータ２０はインターフェース５０を介してプローブ１０に接続されている。

プローブ１０では図２に示されるように、ケース１１は先端が開口した円筒状をなし、ケース１１内にはＣＣＤカメラ１２が対物レンズをケース１１の先端開口に向けて内蔵されるとともに、ケース１１の上部にはＣＣＤカメラ１２の信号を処理する処理ユニット１２Ａが設けられている。

また、プローブ１０のケース１１内には円筒状のベース１３が圧入され、ベース１３の下端面には基準パターン１４が設けられている。この基準パターン１４は例えばリング状のフィルムに図３に示されるような４本のリングパターンを形成して構成され、４本のリングパターンは対物レンズの中心を中心として同心にレイアウトされている。

さらに、プローブ１０のケース１１の先端縁内側には断面ほぼ三角形状のリング部材１１Ａが嵌め込んで固定されて嵌込み凹所が形成され、この嵌込み凹所には複数のＬＥＤ（光源）１６が基準パターン１４を指向してかつ相互に間隔をあけて嵌め込まれ、その上方には光拡散リング１５が嵌め込まれている。

この光拡散リング１５は例えば透明又は半透明のプラスチック製リングの外面に微小凹凸を形成しあるいは内部に光反射性の細粒や細片を分散して製作され、ＬＥＤ１６の光を分散して基準パターン１４を照明するようになっている。

また、プローブ１０のケース１１の先端にはキャップ１８が着脱可能に嵌着され、キャップ１８の内面は平坦な基準鏡面１８Ａとなっている。

コンピュータ２０はプローブ１０からの画像データを入力とし、ワークＷの表面について得られた画像のリングパターンの中心から径方向に等しい角度間隔で延びる例えば図４に示されるように６４本の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、基準鏡面１８Ａについて予め求めておいた標準偏差との相対値を鏡面度として演算し、オペレータの指示に応じて複数の鏡面度を複数の各線毎にディスプレイ３０上に表示し、又複数の線の鏡面度を中心から径方向に延びる鏡面度に対応した長さの線分として表示するようになっている。

ワークＷの表面の写像性を評価する場合、プローブ１０のケース１１にキャップ１８を被せたまま、プローブ１０を起動させる。すると、ＬＥＤ１６からの光で光拡散リング１５によって拡散されて基準パターン１４を均等に照明し、その反射像がキャップ１８の基準鏡面に結像され、その反射像はＣＣＤカメラ１２で撮像され、コンピュータ２０に送られる。

コンピュータ２０では得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる６４本の線上においてリングパターンの所定の範囲Ａ（図５の(a) 参照）の画像データを例えば８０画素のデータとして抽出し、その輝度分布を演算し、さらに輝度分布における振幅の平均値ａを求め、リングパターンの部分Ｌ（図６の(a) 参照）と隣接するリングパターンの間の部分Ｈ（図６の(a) 参照）における振幅と平均値ａとから標準偏差を演算し、６４本の各線について求めた輝度分布における振幅の標準偏差を基準鏡面の標準偏差として記憶する。

次に、キャップ１８を外し、プローブ１０の先端開口を図１に示されるようにワークＷの表面に当て、プローブ１０を起動してワークＷの表面に写った基準パターン１４の反射像を撮像し、その画像データは基準鏡面の画像データと同様にしてコンピュータ２０で演算処理される。

ワークＷの表面の場合、基準パターン１４の反射像はワークＷの表面の表面粗さや形状の異方性に応じてぼやけ又は変形したものとなるので、得られた画像データの輝度分布は例えば図６の(b) に示されるように立ち上がり及び立ち下がりが基準鏡面１８Ａの矩形状に比して形状が崩れ、又振幅は小さくなる。

そこで、ワークＷの表面について得られた６４本の各線の標準偏差と基準鏡面１８Ａについて得られた６４本の対応する線の標準偏差との相対値を
（ワーク表面の標準偏差／基準鏡面の標準偏差）×基準値（例えば、１０００）
の式を用いて演算してこれを鏡面度とする。

こうして得られた鏡面度を６４本の各線毎に記憶し、オペレータがキー操作又はマウス操作によってコンピュータ２０に指示を与えると、ディスプレイ３０上には６４本の各線毎の鏡面度が数値で表示され、又オペレータの指示があると、その数値がプリントアウトされる。

また、オペレータの指示があると、ディスプレイ３０上には６４本の各線毎の鏡面度が放射状に延びる６４本の鏡面度に応じた長さの線分として表示される。

基準パターン１４をＬＥＤ１６によって照明し、その反射像をワーク表面に結像させるようにしているので、スリットパターンを用いる場合に比して反射像が高い精度でもって結像される。従来のスリットパターンでは０．１μｍ以下の中心線平均粗さしか検知できなかったのに対し、本件発明者らの実験によれば、本例の方法では中心線平均粗さ０．０１μｍ〜１０μｍまでの表面粗さを検知することができる結果、写像性を高い精度でもって評価することができることが確認された。特に、基準パターン１４のリングパターンの数をさらに多くし、パターンの輪郭を高い精度、例えばμｍレベルの精度で形成すると、ワーク表面の写像性をさらに的確に評価できることが期待される。

図７ないし図１０は異なるワークにおける基準パターン１４の反射像、鏡面度の線分（絶対値及び相対値）を示す。図７は表面粗さが小さく、しかも形状の異方性が少ないワークの場合であり、鏡面度の線分は十分に長く、しかも相互にほぼ等しくなっており、写像性が高いと評価することができる。

図８は表面粗さはそれほど大きくはないが、形状の異方性があるワークの場合であり、鏡面度の線分はそれほど短くないが、線分の長さにばらつきがあり、写像性があまり高くないと評価することができる。

図９は表面粗さは大きく、しかも形状の異方性があるワークの場合であり、鏡面度の線分は短く、線分の長さにばらつきがあり、写像性が低いと評価することができる。

図１０は表面粗さは非常に大きく、しかも形状の異方性があるワークの場合であり、鏡面度の線分は極めて短く、線分の長さにばらつきがあり、写像性は相当に低いと評価することができる。

本発明に係る写像性の評価装置の好ましい実施形態における全体構成を示す図である。 上記実施形態におけるプローブの構造を示す図である。 上記実施形態における基準パターンの例を示す図である。 上記実施形態における画像データから輝度分布を抽出する方法を説明するための模式図である。 上記実施形態における画像データの例を示す図である。 上記実施形態における輝度分布の例を示す図である。 ワーク表面の反射像及び鏡面度の線分の例を示す図である。 他のワーク表面の反射像及び鏡面度の線分の例を示す図である。 更に他のワーク表面の反射像及び鏡面度の線分の例を示す図である。 更にまたワーク表面の反射像及び鏡面度の成分の例を示す図である。

符号の説明

１０ プローブ
１１ 円筒状ケース
１２ ＣＣＤカメラ
１４ 基準パターン
１５ ＬＥＤ（光源）
２０ コンピュータ（演算処理装置）
３０ ディスプレイ（表示装置）

Claims (6)

1. ワーク表面の写像性を評価するにあたり、
   先端が開放された筒状ケース内に撮像素子を内蔵しかつ撮像素子の対物レンズを中心としてリングパターンを配置してなる基準パターンが筒状ケースの上下方向の中間に設けられたプローブを用い、
   プローブの先端をワーク表面に当ててワーク表面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明してワーク表面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像し、
   得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、得られた標準偏差と、基準鏡面について予め求めておいた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差との相対値を鏡面度とし、複数の線についての鏡面度からワーク表面の写像性を評価するようにしたことを特徴とする写像性の評価方法。
2. 内面が基準鏡面となったキャップをプローブの先端に嵌着して基準鏡面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明して基準鏡面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像し、
   得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求めるようにした請求項１記載の写像性の評価方法。
3. 得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びかつ相互に等しい角度間隔をあけてなる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求めるようにした請求項１又は２記載の写像性の評価方法。
4. 撮像素子の対物レンズを中心として複数のリングパターンを同心に配置してなる基準パターンを用いるようにした請求項１又は２記載の写像性の評価方法。
5. ワーク表面の写像性を評価する装置であって、
   先端が開放された筒状ケース内に撮像素子を内蔵しかつ撮像素子の対物レンズを中心としてリングパターンを配置してなる基準パターンを筒状ケースの上下方向の中間に設けて構成されており、先端を基準鏡面又はワーク表面に当てて基準鏡面又はワーク表面と基準パターンとを相互に対面させ、光源の光によって基準パターンを照明して基準鏡面又はワーク表面に基準パターンの反射像を写し、その反射像を撮像素子によって撮像するプローブと、
   該プローブの先端に嵌着可能に設けられ、内面が基準鏡面となったキャップと、
   上記プローブの信号を入力とし、得られた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差を求め、得られた標準偏差と、基準鏡面について予め求めておいた画像のリングパターンの中心から径方向に延びる複数の線上における画像データの輝度分布の振幅の標準偏差との相対値を鏡面度として演算する演算処理装置と、
   を備えたことを特徴とする写像性の評価装置。
6. 上記演算処理装置で演算された複数の線についての鏡面度を中心から径方向に延びる鏡面度に対応した長さの線分として表示する表示装置を更に備えた請求項５記載の写像性の評価装置。

Images