JPH0153722B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明は表面粗さ検出方法の改良に係り、特
に、検査表面に投光して、該光の検査表面におけ
る反射率から表面粗さを検出するようにした表面
粗さ検出方法の改良に関する。

従来、表面粗さ検出方法の一つとして、触針式
表面粗さ検出方法があるが、これは、例えば、被
測定物表面が鏡面に近い状態の場合は、測定子が
被測定物表面に接触することによつて表面状態を
悪化させてしまい、且つ、正確な測定が困難とな
るという問題点があつた。

これに対して、物体表面を傷つけることなく光
学的に非接触で表面粗さを測定する方法が提案さ
れている。

かかる光学的手段による非接触の表面粗さ検出
方法は、一般に、例えば光フアイバ等からなる光
学系を介して、被測定物表面に投光し、その反射
光線を捉え、物体表面の反射率から表面粗さを検
出するものである。

かかる表面粗さ検出方法は、非接触で測定でき
るという利点があるが、被測定物表面における反
射光線の出力が微細となることがある等の理由に
よつて、光学系からの投光角度、光学系による受
光角度、光学系と測定面との距離および光学系の
光軸と測定面との角度が固定的とされていて、実
用化が困難であつた。

この発明は上記従来の問題点に鑑みてなされた
ものであつて、投光および受光角度、被測定面と
光学系との距離、被測定面と光学系の光軸との角
度等の変動があつても、感度よく表面粗さを検出
することができる表面粗さ検出方法を提供するこ
とを目的とする。

又この発明は、被測定物表面の材質、表面状態
等によつて生じる表面反射率の違いを補正して、
感度よく表面粗さを検出することができるように
した表面粗さ検出方法を提供することを目的とす
る。

この発明は、前記表面粗さ検出方法において、
前記第１光学系および第２光学系の一方を、その
光軸が前記検査面に対し垂直となるように配置す
ることにより上記目的を達成するものである。

又この発明は、光軸が相互に一定角度で交差す
る第１光学系および第２光学系の一方を、その光
軸が検査面に対し垂直となるように配置すると共
に、該第１光学系および第２光学系の少なくとも
一方から前記検査面に投光し、該検査面から前記
第１光学系に受光される反射光と、前記第２光学
系に受光される反射光と、をそれぞれ光電変換
し、変換されたそれぞれの電気信号量F₀とF〓の
比F_Dを求め、この比F_Dの逆対数値に基づき前記
検査面の中心線平均粗さRaを、前記検査面の材
質、加工条件等により決定される定数をＭ、Ｋと
して、Ra＝10（F_D−Ｍ／Ｋ）として求めるようにし て上記目的を達成するものである。

又この発明は、前記表面粗さ検出方法におい
て、前記第１光学系および第２光学系の一方を、
その光軸が前記検査面に対し垂直になるように配
置することにより上記目的を達成するものであ
る。

以下本発明を実施するための装置を示す図面を
参照して説明する。

この装置は、第１図に示されるように、光軸が
相互に30゜の角度で交差する第１光学系１１およ
び第２光学系１２と、前記第１光学系１１および
第２光学系１２を介して検査面１３に投光する光
源装置１４と、前記検査面１３からの反射光を前
記第１光学系１１を介して受光する第１受光器１
５と、前記検査面１３からの反射光を前記第２光
学系１２を介して受光する第２受光器１６と、前
記第１受光器１５および第２受光器１６の出力の
比を求める割算器１７と、この割算器１７による
割算器出力を逆対数演算するための演算装置１８
と、により表面粗さを検出するようにしたもので
ある。

前記第１光学系１１および第２光学系１２は、
それぞれ往路および復路を備えた光フアイバーか
ら構成されている。

これら第１光学系１１および第２光学系１２の
光フアイバは、共に内側に投光用の光フアイバを
円形に束ね、又その外側に同心リング状に受光用
の光フアイバを束ねたものであり、投光用および
受光用の光フアイバの面積比は１：１とされてい
る。

前記第１受光器１５および第２受光器１６は、
それぞれ、受光した反射光線を電気信号に光電変
換するフオトトランジスタとされ、その出力電気
信号をアンプ１９を介してそれぞれ前記割算器１
７に出力するようにされている。

前記演算装置１８は、前記第１受光器１５から
の出力F₀と第２受光器１６からの出力F〓の比F_D
＝F〓／F₀に基づき、中心線平均粗さRa＝10
（F_D−Ｍ／Ｋ）を演算する逆対数演算装置とされて いる。ここでＭ、Ｋは測定物の材質加工条件等に
よつて異なる定数である。

上記第１図に示される表面粗さ検出方法を実施
する装置によつて検査面１３の表面粗さを測定す
る場合は、同図に示されるように、第１光学系１
１を、その光軸が検査面１３と直交するように配
置するとともに、第２光学系１２を、その光軸が
検査面１３において前記第１光学系１１と交差角
度θをもつて交差するように配置する。

次に、上記装置によつて検査面１３の表面粗さ
を測定する原理およびその原理における理論計算
式ならびにこの理論計算式を実証する実験値につ
いて説明する。

実験は、第１光学系１１および第２光学系１２
共に、内側に直径0.8mmの投光用の光フアイバを、
又、その外側にリング状に外径が1.2mmの光フア
イバを各々300本束ねたものであつて、面積比は
１：１とした。又、第１光学系１１と第２光学系
１２の交差角度θ＝30゜とした。

光源装置１４としては、タングステンランプ
を、又第１光学系１１および第２光学系１２によ
り照射される検査面１３におけるスポツト経は約
1.5mm、第１光学系１１および第２光学系１２先
端と検査面１３とのギヤツプを約２乃至３mmとし
た。

一般に研削面の場合その断面曲線から得られる
表面傾斜角が正規分布となることが知られている
が、中心線平均粗さRaが0.2μｍおよび0.8μｍの表
面粗さ標準片を測定した実験の結果、その断面曲
線における表面傾斜角の分布は第２図ａおよびｂ
に示されるヒストグラムのようになつた。

第２図ａおよびｂのヒストグラムは正規分布を
示し、理論値と実験値が略一致していることがわ
かる。

従つて、表面傾斜角をθ_sとし、表面傾斜角分布
の標準偏差をσ〓_sとすると、分布関数ｆ（θ_s）は、 で表わされることになる。

従つて２系統の光学系１１および１２で受光さ
れる検査面１３からの反射光についても同様に正
規分布するものと考えられる。

ここで光フアイバは開口数N.Aによる固有の受
光角（光フアイバが受光可能な入射角）を有する
ため、検出有効範囲が限定される。実験に使用し
た第１光学系１１および第２光学系１２の垂直光
フアイバF₀および傾斜光フアイバF〓は共にN.A
≒0.26であり、有効受光角は約7゜となる。測定物
からの総反射光量をΦとすると、(1)式より Φ＝∫^∞ _-∞ｆ（θ_s）dθ_s ……(2) となる。又光フアイバが受光可能な反射光量をΦ
とすると、次式で表わすことができる。

φ＝∫^b _aｆ（θ_s）dθ_s ……(3) (3)式における定数ａ、ｂは光フアイバの有効受光
角で決定される。

ここで、光フアイバが受光できる反射光量を検
出確率Ｑと呼ぶことにすると Ｑ＝φ／Φ ……(4) となる。

第３図に示されるように、測定物の反射角θ_sの
表面で反射される光の反射角θ_rは θ_r＝2θ_s ……(5) となる。

よつて垂直フアイバF₀の検出確率Q₀は、第４
図に示されるように正規分布の中心に対して±
3.5゜、又θ＝30゜の傾斜フアイバF〓の検出確率Q〓
は、正規分布の中心から15゜ずれた位置を中心に
±3.5゜の範囲の積分値として求められる。

第５図に検出確率Q₀、Q〓の計算結果を示す。
Q₀、Q〓およびQ_D＝Q〓／Q₀について対数近似を最
小自乗法により求めると、 Q₀＝1.09−0.08logσ〓_s ……(6) Q〓＝−0.11＋0.19logσ〓_s ……(7) Q_D＝−1.67＋1.72logσ〓_s ……(8) （相関係数γ＝0.97） となる。

第６図に、表面粗さ標準片について測定した結
果を示す。ここでは、縦軸は光フアイバの出力値
である。この時の、F₀、F〓およびF_D＝F〓／F₀の
対数関数近似を最小自乗法により求めると、 F₀＝8.90−6.27logσ〓_s ……(9) F〓＝0.16＋1.22logσ〓_s ……(10) F_D＝−5.48＋11.59logσ〓_s ……(11) （相関係数γ＝0.95） となつた。

以上の通り、表面傾斜角分布θ_sの標準偏差σ〓_s
に対する２系統の光フアイバ出力の比F_Dとの相
関性は、第５図の検出確率の理論計算値と比較し
て明らかなように、定性的に一致性が高い。

表面傾斜角分布の標準偏差σ〓_sにより表面粗さ
を測定するのは実用的ではない。そこで、σ〓_s−
Raの関係式を実験的に求め、その結果を第７図
に示す。最小自乗法により対数近似を行い、 σ〓_s＝−11.03＋6.96logRa ……(12) （相関係数γ＝0.99） を得た。

同様に、F_D−Ra関係式を求めると、 F_D＝−6.07＋4.22logRa ……（13） （相関係数γ＝0.99） を得た（第８図参照）。

以上の結果から、光フアイバによる研削加工面
の中心線平均粗さRaの測定の場合、次の一般式
で表わすことができる。

F_D＝Ｍ＋KlogRa ……（14） 故に、 Ra＝10（F_D−Ｍ／Ｋ）……（15） となる。ただし、Ｍ、Ｋは測定物の材質、加工条
件等により異なる定数である。

よつて、光フアイバ出力F_DとRaの関係を直線
化させるには、逆対数演算による変換を行えばよ
いことになる。

従つて、上記装置においては、演算装置１８に
おける計算条件として、前記（14）式および
（15）式における定数ＭおよびＫを測定物の材質、
加工条件等に応じて予め設定しておけば、第１光
学系１１および第２光学系１２を介して第１受光
器および第２受光器に受光された２系統の反射光
出力の比に基づき、表面粗さRaを検出すること
ができる。

前記実験条件で、上記装置によつて表面粗さ標
準片を測定した結果は第９図に示されるようにな
つた。

この第９図からも明らかなように、実験結果
は、実際の表面粗さと略一致している。

尚上記装置は、第１光学系１１および第２光学
系１２の両方から検査面１３に光源装置１４を介
して投光するようにしているが、これはどちらか
一方の光学系のみから投光するようにしてもよ
い。

又、上記実施例は、第１光学系１１の光軸が検
査面１３に対して垂直となり、且つ、第２光学系
１２の光軸が第１光学系１１の光軸に対して30゜
の角度で交差するように配置しているが、本発明
はこれに限定されるものでなく、両光学系１１お
よび１２の交差角度θは検査面１３の状態に応じ
て０＜θ＜90゜の範囲で任意である（θ≧90゜とな
ると反射光を受光できない）。

又、前記第１光学系および第２光学系１１，１
２は、共に往路および復路を備えた光フアイバつ
り構成されているが、本発明はこれに限定される
ものでなく、例えば、第１光学系は往路と復路、
第２光学系は復路のみとしてもよく、更に、光フ
アイバ以外によつて光学系を構成するようにして
もよい。

本発明は上記のように構成したので、二つの光
学系からの出力の比によつて表面粗さを検出する
ことができ、従つて、光学系の投光および受光角
度、光学系と検査面との距離、検査面との角度等
の変動があつて、二つの光学系からの出力信号が
微細となつても、感度よく表面粗さを検出するこ
とができ、又、前記条件の変化に対する適用範囲
を拡大することができるという優れた効果を有す
る。

又この発明は、単に表面粗さに関連する抽象的
な出力を得るようにされた従来の表面粗さ検出方
法に対して、具体的な中心線平均粗さを検出する
ことができるという優れた効果を有する。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る表面粗さ検出方法を実施
するための装置を示すブロツク図、第２図は研削
面における断面曲線の表面傾斜角分布を示すヒス
トグラム、第３図は測定面の断面曲線における表
面傾斜角と該傾斜表面における光の反射角との関
係を示す光学図、第４図は測定面の断面曲線にお
ける表面傾斜角の分布を示す線図、第５図は２系
統の光フアイバにおける検出確率およびこれらの
検出確率の比の理論計算値を示す線図、第６図は
２系統の光フアイバの出力値およびこれらの比の
実測値を示す線図、第７図は不特定面の表面傾斜
角分布の標準偏差と該表面の中心線平均粗さとの
関係を実験的に求めた結果を示す線図、第８図は
２系統の光フアイバ出力の比と中心線平均粗さと
の関係を実験的に求めた結果を示す線図、第９図
は本発明に係る表面粗さ検出方法による測定結果
と実際の表面粗さとの関係を示す線図である。 １１……第１光学系、１２……第２光学系、１
３……検査面、１４……光源装置、１５……第１
受光器、１６……第２受光器、１７……割算器、
１８……演算装置、θ……交差角度。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 光軸が相互に一定角度で交差する第１光学系
   および第２光学系の一方を、その光軸が検査面に
   対し垂直となるように配置すると共に、該第１光
   学系および第２光学系の少なくとも一方から前記
   検査面に投光し、該検査面から前記第１光学系に
   受光される反射光と、前記第２光学系に受光され
   る反射光と、をそれぞれ光電変換し、変換された
   それぞれの電気信号量F₀とF〓の比F_Dを求め、こ
   の比F_Dの逆対数値に基づき、前記検査面の中心
   線平均粗さRaを、前記検査面の材質、加工条件
   等により決定される定数をＭ、Ｋとして、Ra＝
   10（F_D−Ｍ／Ｋ）として求めることを特徴とする表 面粗さ検出方法。