JPH0526818A - 表面特性評価方法及び装置 - Google Patents
表面特性評価方法及び装置Info
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- JPH0526818A JPH0526818A JP17699591A JP17699591A JPH0526818A JP H0526818 A JPH0526818 A JP H0526818A JP 17699591 A JP17699591 A JP 17699591A JP 17699591 A JP17699591 A JP 17699591A JP H0526818 A JPH0526818 A JP H0526818A
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- light
- focusing
- aperture
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- Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)
Abstract
(57)【要約】
【構成】 表面特性評価装置は、光源1と、この光を平
行度の高い照明光とするレンズ3と、照明光を被測定面
に線分状に集束し、反射光を再び通過させて近似平行光
にするシリンドリカルレンズ4と、入射照明光と分けて
取り出すビームスプリッター2と、分離した光を垂直な
線分状に集束するシリンドリカルレンズ6と、集束位置
に置かれた集束線分と斜めに交わる辺を有するアパチャ
ーのマスク7と、アパチャーの透過光を投影可視化する
ビデオカメラ9とを有する。 【効果】 塗装面や樹脂成型物などの反射性表面のうね
りを、直接外観に影響する斜度の情報として簡便にグラ
フ化することが可能になり、得られた斜度の情報を積分
(和分)することによって、表面の形状を求めることも
可能である。
行度の高い照明光とするレンズ3と、照明光を被測定面
に線分状に集束し、反射光を再び通過させて近似平行光
にするシリンドリカルレンズ4と、入射照明光と分けて
取り出すビームスプリッター2と、分離した光を垂直な
線分状に集束するシリンドリカルレンズ6と、集束位置
に置かれた集束線分と斜めに交わる辺を有するアパチャ
ーのマスク7と、アパチャーの透過光を投影可視化する
ビデオカメラ9とを有する。 【効果】 塗装面や樹脂成型物などの反射性表面のうね
りを、直接外観に影響する斜度の情報として簡便にグラ
フ化することが可能になり、得られた斜度の情報を積分
(和分)することによって、表面の形状を求めることも
可能である。
Description
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、塗装面やプラスチック
成型物の表面の鏡面特性を評価する方法および装置に関
する。
成型物の表面の鏡面特性を評価する方法および装置に関
する。
【0002】
【従来の技術】塗装面やプラスチック成型品の美しさ、
艶感、光沢などは、これらの表面に存在するわずかなう
ねり、微小なへこみや凸部、しわなどによって大きく左
右されている。
艶感、光沢などは、これらの表面に存在するわずかなう
ねり、微小なへこみや凸部、しわなどによって大きく左
右されている。
【0003】これら表面の非平滑によって表れる表面の
特性を評価することは、より美しい塗装や成型品を開発
する上で重要であり、実際に数々の評価法が従来より使
われている。
特性を評価することは、より美しい塗装や成型品を開発
する上で重要であり、実際に数々の評価法が従来より使
われている。
【0004】例えば表面の外観を評価するものとしては
光沢計や写像性測定機などがある。
光沢計や写像性測定機などがある。
【0005】一方直接表面形状を測定するものとしては
接触・非接触表面荒さ計やレーザー干渉計を使った平面
度検査器などがある。
接触・非接触表面荒さ計やレーザー干渉計を使った平面
度検査器などがある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】上記外観評価装置は反
射光の角度分布やスリットや格子の像を写したときの鮮
明さを測定するものであるが、これらの外観評価手法で
は表面の形状に関する直接的な情報が得られないため、
良否の判断はできてもその理由の解析にはあまり役立た
ないという欠点がある。
射光の角度分布やスリットや格子の像を写したときの鮮
明さを測定するものであるが、これらの外観評価手法で
は表面の形状に関する直接的な情報が得られないため、
良否の判断はできてもその理由の解析にはあまり役立た
ないという欠点がある。
【0007】また上記表面形状測定装置によって表面の
形状はかなりの精度で知ることができるが、実際にこれ
らの情報を外観特性に定量的に結び付けるのは意外に簡
単でない。これはこれらの測定器が面の高さを測定して
いるのに対し、外観は面の傾斜(高さの微分)によって
反射光の角度が変わることに起因しているためであると
考えられる。
形状はかなりの精度で知ることができるが、実際にこれ
らの情報を外観特性に定量的に結び付けるのは意外に簡
単でない。これはこれらの測定器が面の高さを測定して
いるのに対し、外観は面の傾斜(高さの微分)によって
反射光の角度が変わることに起因しているためであると
考えられる。
【0008】塗装面を例にとって言えば、一般に面上に
はいくつかの異なる原因による異質な凹凸が存在し、数
ミリの波長の緩やかなうねりから、直径0.1ミリ以下
の小さなくぼみ、さらに小さなサイズの凹凸が共存して
いる。これらの凹凸の外観に与える影響度は、凹凸の大
きさではなく傾斜の大きさに依存するため、波長の短い
成分は僅かな振幅でも外観に影響を与え、波長0.1ミリ
の凹凸は波長1ミリの凹凸の1/10の振幅で同等の影響を
与える。このような事情で、形状測定の結果を外観に結
びつけるためには、測定にはかなり大きなダイナミック
レンジ(103〜104)が必要とされ、またある程度広
い範囲(数ミリ以上)での測定が必要とされるが、この
ような測定はいささか困難である。
はいくつかの異なる原因による異質な凹凸が存在し、数
ミリの波長の緩やかなうねりから、直径0.1ミリ以下
の小さなくぼみ、さらに小さなサイズの凹凸が共存して
いる。これらの凹凸の外観に与える影響度は、凹凸の大
きさではなく傾斜の大きさに依存するため、波長の短い
成分は僅かな振幅でも外観に影響を与え、波長0.1ミリ
の凹凸は波長1ミリの凹凸の1/10の振幅で同等の影響を
与える。このような事情で、形状測定の結果を外観に結
びつけるためには、測定にはかなり大きなダイナミック
レンジ(103〜104)が必要とされ、またある程度広
い範囲(数ミリ以上)での測定が必要とされるが、この
ような測定はいささか困難である。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の請求項1記載の
表面特性評価方法は、被測定面のうねりに起因する傾斜
を測定する方法であり、レーザー光や、白熱電球、クセ
ノンランプなどの点光源とレンズあるいは放物面鏡との
組み合わせによって作られる平行度の高い照明光を、シ
リンドリカルレンズや円筒凹面鏡などによって被測定面
に直線状に集束した後、被測定面からの反射光をレン
ズ、曲面鏡(シリンドリカルレンズ及び円筒面鏡を含
む)のいずれかないしは組み合わせによる集束光学系に
よって該集束線分の長手方向に垂直な線分状に集束し、
更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交わる辺(本
明細書において、辺は曲線でも良い)を有するアパチャ
ーを通過した光を、撮像素子ないしは写真乾板(フィル
ムを含む)、スクリーン等の可視化手段に投影し、可視
化することによって、被測定面の平滑性を評価するもの
である。
表面特性評価方法は、被測定面のうねりに起因する傾斜
を測定する方法であり、レーザー光や、白熱電球、クセ
ノンランプなどの点光源とレンズあるいは放物面鏡との
組み合わせによって作られる平行度の高い照明光を、シ
リンドリカルレンズや円筒凹面鏡などによって被測定面
に直線状に集束した後、被測定面からの反射光をレン
ズ、曲面鏡(シリンドリカルレンズ及び円筒面鏡を含
む)のいずれかないしは組み合わせによる集束光学系に
よって該集束線分の長手方向に垂直な線分状に集束し、
更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交わる辺(本
明細書において、辺は曲線でも良い)を有するアパチャ
ーを通過した光を、撮像素子ないしは写真乾板(フィル
ムを含む)、スクリーン等の可視化手段に投影し、可視
化することによって、被測定面の平滑性を評価するもの
である。
【0010】なお該アパチャーと可視化手段の間に必要
に応じて設けられたシリンドリカルレンズないし円筒面
鏡を含む投影手段で投影することができる。
に応じて設けられたシリンドリカルレンズないし円筒面
鏡を含む投影手段で投影することができる。
【0011】また本発明請求項2から5記載の装置は、
請求項1の評価法を実現するためのものを示したもの
で、請求項2記載の表面特性評価装置は、レーザー光源
あるいは白熱電球、クセノンランプなどの点光源とレン
ズあるいは放物面鏡との組み合わせによる平行度の高い
照明光源と、該照明光を被測定面に線分状に集束するシ
リンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡と、被測定面か
らの反射光を該集束線分の長手方向に垂直な線分状に集
束する、レンズ、曲面鏡(シリンドリカルレンズ及び円
筒面鏡を含む)のいずれかないしは組み合わせによる集
束手段と、更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交
わる辺(曲線でも良い)を有するアパチャーと、該アパ
チャーの透過光を投影可視化する撮像素子ないしは写真
乾板(フィルム)、スクリーン等の可視化手段とを有す
るものである。
請求項1の評価法を実現するためのものを示したもの
で、請求項2記載の表面特性評価装置は、レーザー光源
あるいは白熱電球、クセノンランプなどの点光源とレン
ズあるいは放物面鏡との組み合わせによる平行度の高い
照明光源と、該照明光を被測定面に線分状に集束するシ
リンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡と、被測定面か
らの反射光を該集束線分の長手方向に垂直な線分状に集
束する、レンズ、曲面鏡(シリンドリカルレンズ及び円
筒面鏡を含む)のいずれかないしは組み合わせによる集
束手段と、更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交
わる辺(曲線でも良い)を有するアパチャーと、該アパ
チャーの透過光を投影可視化する撮像素子ないしは写真
乾板(フィルム)、スクリーン等の可視化手段とを有す
るものである。
【0012】次に請求項3記載の表面特性評価装置は、
レーザー光源あるいは白熱電球、クセノンランプなどの
点光源とレンズあるいは放物面鏡との組み合わせによる
平行度の高い照明光源と、該照明光を被測定面に線分状
に集束し、反射光を再び通過させて近似平行光にするシ
リンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡と、該近似平行
光の一部を入射照明光と分けて取り出すビームスプリッ
ターと、更に分離した光を該集束線分(ビームスプリッ
ターで偏向している場合は集束線分の鏡像)の長手方向
に垂直な線分状に集束する、レンズ、曲面鏡(シリンド
リカルレンズ及び円筒面鏡を含む)のいずれかないしは
組み合わせによる集束手段と、更に集束位置に置かれた
集束線分と斜めに交わる辺(曲線でも良い)を有するア
パチャーと、該アパチャーの透過光を投影可視化する撮
像素子ないしは写真乾板(フィルム)、スクリーン等の
可視化手段とを有するものである。
レーザー光源あるいは白熱電球、クセノンランプなどの
点光源とレンズあるいは放物面鏡との組み合わせによる
平行度の高い照明光源と、該照明光を被測定面に線分状
に集束し、反射光を再び通過させて近似平行光にするシ
リンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡と、該近似平行
光の一部を入射照明光と分けて取り出すビームスプリッ
ターと、更に分離した光を該集束線分(ビームスプリッ
ターで偏向している場合は集束線分の鏡像)の長手方向
に垂直な線分状に集束する、レンズ、曲面鏡(シリンド
リカルレンズ及び円筒面鏡を含む)のいずれかないしは
組み合わせによる集束手段と、更に集束位置に置かれた
集束線分と斜めに交わる辺(曲線でも良い)を有するア
パチャーと、該アパチャーの透過光を投影可視化する撮
像素子ないしは写真乾板(フィルム)、スクリーン等の
可視化手段とを有するものである。
【0013】さらに請求項4記載の表面特性評価装置
は、白熱電球、クセノンランプなどの点光源と、この光
を平行度の高い照明光とするレンズあるいは放物面鏡
と、該照明光を被測定面に線分状に集束し、反射光を再
び通過させて近似平行光にするシリンドリカルレンズあ
るいは円筒凹面鏡と、該近似平行光が先のレンズあるい
は放物面鏡を通った後、一部を入射照明光と分けて取り
出すビームスプリッターと、更に分離した光を該集束線
分(ビームスプリッターで偏向している場合は集束線分
の鏡像)の長手方向に垂直な線分状に集束するため、母
線が該線分に平行ないしは垂直になるように置かれたシ
リンドリカルレンズないしは円筒面鏡、更に集束位置に
置かれた集束線分と斜めに交わる辺(曲線でも良い)を
有するアパチャーと、該アパチャーの透過光を投影可視
化する撮像素子ないしは写真乾板(フィルム)、スクリ
ーン等の可視化手段とを有するものである。
は、白熱電球、クセノンランプなどの点光源と、この光
を平行度の高い照明光とするレンズあるいは放物面鏡
と、該照明光を被測定面に線分状に集束し、反射光を再
び通過させて近似平行光にするシリンドリカルレンズあ
るいは円筒凹面鏡と、該近似平行光が先のレンズあるい
は放物面鏡を通った後、一部を入射照明光と分けて取り
出すビームスプリッターと、更に分離した光を該集束線
分(ビームスプリッターで偏向している場合は集束線分
の鏡像)の長手方向に垂直な線分状に集束するため、母
線が該線分に平行ないしは垂直になるように置かれたシ
リンドリカルレンズないしは円筒面鏡、更に集束位置に
置かれた集束線分と斜めに交わる辺(曲線でも良い)を
有するアパチャーと、該アパチャーの透過光を投影可視
化する撮像素子ないしは写真乾板(フィルム)、スクリ
ーン等の可視化手段とを有するものである。
【0014】なおこの発明の表面特性評価装置におい
て、アパチャーと可視化手段の間には、必要に応じてシ
リンドリカルレンズないし円筒面鏡を含む投影手段が設
けられる。
て、アパチャーと可視化手段の間には、必要に応じてシ
リンドリカルレンズないし円筒面鏡を含む投影手段が設
けられる。
【0015】加えて請求項5の表面特性評価装置は、請
求項2から4に使われるアパチャーの好ましい形態を与
えるもので、集束線分と斜めに交わる辺を有する図形に
加えて、集束線分と垂直に交わるスリットを少なくとも
一つ有するアパチャーを使ったものである。
求項2から4に使われるアパチャーの好ましい形態を与
えるもので、集束線分と斜めに交わる辺を有する図形に
加えて、集束線分と垂直に交わるスリットを少なくとも
一つ有するアパチャーを使ったものである。
【0016】
【作用】図21,22,23を使って本発明請求項2の
作用を説明する。同図は本発明請求項2による表面特性
評価装置の実施例であり、図21は斜視図、図22,2
3は平面図である。
作用を説明する。同図は本発明請求項2による表面特性
評価装置の実施例であり、図21は斜視図、図22,2
3は平面図である。
【0017】電球1の光は凸レンズ22によって平行光
に近い光線に変えられ、さらにシリンドリカルレンズ2
3で試料5の表面に線分状に集束される。表面からの反
射光はシリンドリカルレンズ24で受けられアパチャー
を有するマスク7上でz方向に所定の幅を持つように伝
えられる。シリンドリカルレンズ24とマスク7の間に
はシリンドリカルレンズ25があるが、図22に示すよ
うに25はz方向にレンズ作用を持たないから、24の
作用のみによってこの幅は決まる。一方xy面内ではシ
リンドリカルレンズ23,24はレンズ作用を持たず、
近似平行光のまま25に達し、25のレンズ作用でマス
ク7上に集束される。
に近い光線に変えられ、さらにシリンドリカルレンズ2
3で試料5の表面に線分状に集束される。表面からの反
射光はシリンドリカルレンズ24で受けられアパチャー
を有するマスク7上でz方向に所定の幅を持つように伝
えられる。シリンドリカルレンズ24とマスク7の間に
はシリンドリカルレンズ25があるが、図22に示すよ
うに25はz方向にレンズ作用を持たないから、24の
作用のみによってこの幅は決まる。一方xy面内ではシ
リンドリカルレンズ23,24はレンズ作用を持たず、
近似平行光のまま25に達し、25のレンズ作用でマス
ク7上に集束される。
【0018】図10(a)(b)(c)はアパチャー18を持つ
マスク7の例である。試料からの反射光は17のように
線分状に集束される。試料面が十分平滑であれば17の
y方向の幅wは以下の式で表される。 w=S(f25/f22) ・・・ なおここでSは電球1のフィラメントサイズ、f25,f
22はそれぞれレンズ25,22の焦点距離を示す。
マスク7の例である。試料からの反射光は17のように
線分状に集束される。試料面が十分平滑であれば17の
y方向の幅wは以下の式で表される。 w=S(f25/f22) ・・・ なおここでSは電球1のフィラメントサイズ、f25,f
22はそれぞれレンズ25,22の焦点距離を示す。
【0019】図24は試料5の表面で光線が反射する様
子を示している。試料面にうねりがあるとき、(b)に示
すように試料面の垂線とy(y’)軸を含む面内で基準
平面(試料面の凹凸を均した平面)より角度θだけ傾い
た場所で反射した光は同面内で2θだけ反射方向を変
え、xy面内でx軸より2θcosφ(これは、θが0と
近似でき、本発明はθが10-2以下の僅かなうねりを測
定対象としているから)だけ傾いてシリンドリカルレン
ズ25に向かうことになり、従ってこの反射光によるマ
スク7上の線分像17はy方向に2θf25cosφだけ基
準平面のものからずれることになる。線分像17とアパ
チャー18が重なった部分の光がビデオカメラ9の撮像
素子上に投影されるが、18は斜辺を有するため17の
y方向の移動がz方向の光線位置の変化を与えることに
なる。さらに図24の点線で示したように、試料上のy
座標はシリンドリカルレンズ25によって撮像素子上に
結像投影されるため、撮像素子上にはy座標が試料上の
y座標に対応し、各y座標位置の傾斜によってz方向に
明部の位置や幅が異なる映像すなわち傾度の位置変化を
示すグラフが得られる。
子を示している。試料面にうねりがあるとき、(b)に示
すように試料面の垂線とy(y’)軸を含む面内で基準
平面(試料面の凹凸を均した平面)より角度θだけ傾い
た場所で反射した光は同面内で2θだけ反射方向を変
え、xy面内でx軸より2θcosφ(これは、θが0と
近似でき、本発明はθが10-2以下の僅かなうねりを測
定対象としているから)だけ傾いてシリンドリカルレン
ズ25に向かうことになり、従ってこの反射光によるマ
スク7上の線分像17はy方向に2θf25cosφだけ基
準平面のものからずれることになる。線分像17とアパ
チャー18が重なった部分の光がビデオカメラ9の撮像
素子上に投影されるが、18は斜辺を有するため17の
y方向の移動がz方向の光線位置の変化を与えることに
なる。さらに図24の点線で示したように、試料上のy
座標はシリンドリカルレンズ25によって撮像素子上に
結像投影されるため、撮像素子上にはy座標が試料上の
y座標に対応し、各y座標位置の傾斜によってz方向に
明部の位置や幅が異なる映像すなわち傾度の位置変化を
示すグラフが得られる。
【0020】例えば図10(a)(b)(c)の各アパチャーに
よって得られる斜度グラフは図18(a)(b)(c)のように
なる。ただしアパチャー上に得られる線分像17の幅w
が十分小さくない場合に、(c)のアパチャーでは得られ
るグラフは図19(a)のようになり分かりずらい。あら
かじめwの大きさが予測できる場合は図11のように二
つの三角窓18の間にwだけ隙間を開ければ図18(c)
のグラフが得られる。更に好ましくは二つの三角窓を別
々の板に形成し、その間隔を調整できるようにすれば良
い。また二つの三角窓に異なる色を付ける(色フィルタ
ーとする)ことによって、図19(b)のように正の部分
と負の部分を色分けしたグラフを得ることもできる。
よって得られる斜度グラフは図18(a)(b)(c)のように
なる。ただしアパチャー上に得られる線分像17の幅w
が十分小さくない場合に、(c)のアパチャーでは得られ
るグラフは図19(a)のようになり分かりずらい。あら
かじめwの大きさが予測できる場合は図11のように二
つの三角窓18の間にwだけ隙間を開ければ図18(c)
のグラフが得られる。更に好ましくは二つの三角窓を別
々の板に形成し、その間隔を調整できるようにすれば良
い。また二つの三角窓に異なる色を付ける(色フィルタ
ーとする)ことによって、図19(b)のように正の部分
と負の部分を色分けしたグラフを得ることもできる。
【0021】本実施例では図22に示すようにシリンド
リカルレンズ8によってアパチャーのz座標の像が撮像
素子上に結ばれるため明部と暗部の境が明瞭な像が得ら
れる。8が無い場合にはシリンドリカルレンズ24によ
って規制された光線によるアパチャーの影として像が得
られるが、点光源1の大きさに起因するぼけを生じるた
め、像の明部と暗部の境はやや曖昧になる。ただ図22
の電球1とレンズ22による光源部を、レーザー光源と
ビームエクスパンダーによる極めて平行度の高い光源に
置き変えれば、シリンドリカルレンズ8が無くても明瞭
さの差がほとんどない像を得ることができる。
リカルレンズ8によってアパチャーのz座標の像が撮像
素子上に結ばれるため明部と暗部の境が明瞭な像が得ら
れる。8が無い場合にはシリンドリカルレンズ24によ
って規制された光線によるアパチャーの影として像が得
られるが、点光源1の大きさに起因するぼけを生じるた
め、像の明部と暗部の境はやや曖昧になる。ただ図22
の電球1とレンズ22による光源部を、レーザー光源と
ビームエクスパンダーによる極めて平行度の高い光源に
置き変えれば、シリンドリカルレンズ8が無くても明瞭
さの差がほとんどない像を得ることができる。
【0022】次に図4,5,6の実施例を使って請求項
3の作用を説明する。
3の作用を説明する。
【0023】本実施例ではガスレーザー12とビームエ
クスパンダー10を光源部に使っている。ここではビー
ムスプリッター2を導入したことにより、図22の装置
中のシリンドリカルレンズ23,24を一つのシリンド
リカルレンズ4で兼ねることができ、さらに図20に示
すように、図24(C)におけるφをゼロにすることがで
きるため、試料の位置合わせが楽になる。この意味で実
用性が高いがビームスプリーターによる照明光のロスが
大きいため、光源の明るさに余裕がなければならない。
クスパンダー10を光源部に使っている。ここではビー
ムスプリッター2を導入したことにより、図22の装置
中のシリンドリカルレンズ23,24を一つのシリンド
リカルレンズ4で兼ねることができ、さらに図20に示
すように、図24(C)におけるφをゼロにすることがで
きるため、試料の位置合わせが楽になる。この意味で実
用性が高いがビームスプリーターによる照明光のロスが
大きいため、光源の明るさに余裕がなければならない。
【0024】本実施例ではレーザーを光源としたためシ
リンドリカルレンズ13は無くても像の質の面では問題
ないが、13の焦点距離と位置を工夫して拡大・縮小の
効果を持たせることができ、これによって斜度の測定感
度を変えることができるため、この意味で13を導入す
る事は有効である。
リンドリカルレンズ13は無くても像の質の面では問題
ないが、13の焦点距離と位置を工夫して拡大・縮小の
効果を持たせることができ、これによって斜度の測定感
度を変えることができるため、この意味で13を導入す
る事は有効である。
【0025】さらに図1,2,3の実施例を使って請求
項4の作用を説明する。
項4の作用を説明する。
【0026】本実施例では、ビームスプリッター2がレ
ンズ3と電球1の間に置かれ、レンズ3の集束作用をア
パチャー上への集束に部分的に利用している。シリンド
リカルレンズ6によってz方向とx方向の集束位置をず
らし、アパチャー上で線分状に集束するようにしてある
が、図3に示すようにz方向にもレンズ3の集束作用が
利いているため図4のようにz方向の集束をしないもの
に比べ像の明るさを増す効果がある。同様の機能を請求
項3に従ってビームスプリッターの位置をシリンドリカ
ルレンズ4とレンズ3の間に置く構成では、レンズある
いはシリンドリカルレンズを一枚余計に使わなければな
らない。すなわち請求項4は部品数を増やさずに明るさ
を増す光学系を構成することを可能にするものである。
ンズ3と電球1の間に置かれ、レンズ3の集束作用をア
パチャー上への集束に部分的に利用している。シリンド
リカルレンズ6によってz方向とx方向の集束位置をず
らし、アパチャー上で線分状に集束するようにしてある
が、図3に示すようにz方向にもレンズ3の集束作用が
利いているため図4のようにz方向の集束をしないもの
に比べ像の明るさを増す効果がある。同様の機能を請求
項3に従ってビームスプリッターの位置をシリンドリカ
ルレンズ4とレンズ3の間に置く構成では、レンズある
いはシリンドリカルレンズを一枚余計に使わなければな
らない。すなわち請求項4は部品数を増やさずに明るさ
を増す光学系を構成することを可能にするものである。
【0027】すでに述べたように本発明ではアパチャー
の形状を変えることによって様々な表現を持つグラフを
得ることができる。請求項5は得られるグラフに目盛り
線を入れることによって見やすくするものである。実際
には図12のように集束線分17に垂直なスリット19
を設ければよく、これによって図19(c)のようにグ
ラフ上に目盛り線21が得られる。スリット19をアパ
チャー18と異なる色にすれば、シグナルと区別しやす
くなる。
の形状を変えることによって様々な表現を持つグラフを
得ることができる。請求項5は得られるグラフに目盛り
線を入れることによって見やすくするものである。実際
には図12のように集束線分17に垂直なスリット19
を設ければよく、これによって図19(c)のようにグ
ラフ上に目盛り線21が得られる。スリット19をアパ
チャー18と異なる色にすれば、シグナルと区別しやす
くなる。
【0028】本評価装置の測定感度は、光学系の構成と
撮像素子のサイズ(写真の場合は引き延ばし倍率)によ
って決まる。例えば図21〜23の装置では、先に述べ
たとうり基準平面からθだけ傾いた面の反射光によるマ
スク7上の線分像17はy方向に2θf25cosφだけ基
準平面のそれからずれる。このときアパチャー18の斜
辺と線分像17の交わるz座標は2θf25cosφtanαだ
け基準平面のそれと異なり、シリンドリカルレンズ8に
よって投影される倍率をMとすれば、最終的に撮像素子
上のz座標のずれは2Mθf25cosφtanαとなる。
撮像素子のサイズ(写真の場合は引き延ばし倍率)によ
って決まる。例えば図21〜23の装置では、先に述べ
たとうり基準平面からθだけ傾いた面の反射光によるマ
スク7上の線分像17はy方向に2θf25cosφだけ基
準平面のそれからずれる。このときアパチャー18の斜
辺と線分像17の交わるz座標は2θf25cosφtanαだ
け基準平面のそれと異なり、シリンドリカルレンズ8に
よって投影される倍率をMとすれば、最終的に撮像素子
上のz座標のずれは2Mθf25cosφtanαとなる。
【0029】これらの要素の中で光学系の再調整を必要
とせずに、容易に変更できる部分はアパチャーの斜辺の
傾斜角αである。従ってαの異なるアパチャーを数種類
用意して、これらを交換しつつ感度調節をすれば良い。
とせずに、容易に変更できる部分はアパチャーの斜辺の
傾斜角αである。従ってαの異なるアパチャーを数種類
用意して、これらを交換しつつ感度調節をすれば良い。
【0030】以上のように本評価装置の測定感度は計算
によって容易に求められるが、実際に曲律半径が知れて
いる球面レンズやシリンドリカルレンズ面などによって
測定の確度、精度を確認しておくと良い。
によって容易に求められるが、実際に曲律半径が知れて
いる球面レンズやシリンドリカルレンズ面などによって
測定の確度、精度を確認しておくと良い。
【0031】
【実施例】すでに上げた通り図21,22,23は本発
明請求項2の実施例、図4,5,6は請求項3の実施
例、図1,2,3は請求項4の実施例であり、全て請求
項1の評価方法を実現した実施例でもある。
明請求項2の実施例、図4,5,6は請求項3の実施
例、図1,2,3は請求項4の実施例であり、全て請求
項1の評価方法を実現した実施例でもある。
【0032】更に図7,8,9は本発明請求項4の他の
実施例である。ここでマスク7はレンズ3から焦点距離
だけ離れて置かれており、シリンドリカル凹レンズ14
でz方向の結像位置を変えて7上の線分像を得ている。
またレンズ3だけではx(y)方向の像が得られないた
め、レンズ16を加えて像を得ている。本構成では16
と3はタンデムで使われているためx(y)方向の像倍
率はf16/f3である。 一方z方向にはシリンドリカル
レンズ15とレンズ16の二枚のレンズによってアパチ
ャー位置の像が撮像素子上に得られる。
実施例である。ここでマスク7はレンズ3から焦点距離
だけ離れて置かれており、シリンドリカル凹レンズ14
でz方向の結像位置を変えて7上の線分像を得ている。
またレンズ3だけではx(y)方向の像が得られないた
め、レンズ16を加えて像を得ている。本構成では16
と3はタンデムで使われているためx(y)方向の像倍
率はf16/f3である。 一方z方向にはシリンドリカル
レンズ15とレンズ16の二枚のレンズによってアパチ
ャー位置の像が撮像素子上に得られる。
【0033】なお、ここでシリンドリカル凹レンズ14
の代わりに凸のシリンドリカルレンズを使用することも
可能であるが、その場合には15,16のz方向の幅が
十分広い(アパチャー幅の2〜3倍以上)ことが必要と
される。
の代わりに凸のシリンドリカルレンズを使用することも
可能であるが、その場合には15,16のz方向の幅が
十分広い(アパチャー幅の2〜3倍以上)ことが必要と
される。
【0034】次に本発明に使われるアパチャーの例を挙
げる。図13,図14は斜辺が曲線であるアパチャーの
例で請求項5のアパチャーである。図13のように上に
凸の曲線としては対数関数が有効であり、斜度の測定レ
ンジを広くとれる利点がある。一方図14のように下に
凸の曲線としては二次曲線が有効で、得られる斜度グラ
フの明部の面積が斜度の標準偏差を表すことになる。
げる。図13,図14は斜辺が曲線であるアパチャーの
例で請求項5のアパチャーである。図13のように上に
凸の曲線としては対数関数が有効であり、斜度の測定レ
ンジを広くとれる利点がある。一方図14のように下に
凸の曲線としては二次曲線が有効で、得られる斜度グラ
フの明部の面積が斜度の標準偏差を表すことになる。
【0035】また図15は図10(b)のアパチャーに目
盛り線用のスリットを入れた請求項5のアパチャーの例
である。
盛り線用のスリットを入れた請求項5のアパチャーの例
である。
【0036】加えて図16は図12と図13のアパチャ
ーによるグラフを同時に得ようとするものである。
ーによるグラフを同時に得ようとするものである。
【0037】さらに図17は図18(c)の明部と暗部が
反転したグラフを得るものである。
反転したグラフを得るものである。
【0038】以上の実施例では、レンズとシリンドリカ
ルレンズを光線の集束や投影に用いたものを挙げたが、
これらは同様の機能を有する曲面鏡に置き換えることが
可能である。
ルレンズを光線の集束や投影に用いたものを挙げたが、
これらは同様の機能を有する曲面鏡に置き換えることが
可能である。
【0039】図25は図1,図7のシリンドリカルレン
ズ4を円筒凹面鏡26に置き換えた部分斜視図である
が、色収差を持たない点でシリンドリカルレンズより有
利である。この円筒凹面鏡のカーブは試料5上に焦点を
持つ放物線であれば理想的である。
ズ4を円筒凹面鏡26に置き換えた部分斜視図である
が、色収差を持たない点でシリンドリカルレンズより有
利である。この円筒凹面鏡のカーブは試料5上に焦点を
持つ放物線であれば理想的である。
【0040】また図26は図23のレンズ22を放物面
鏡27で置き換えた部分平面図である。同様に色収差を
持たない特徴を持つ。
鏡27で置き換えた部分平面図である。同様に色収差を
持たない特徴を持つ。
【0041】本発明の表面特性評価装置では、試料表面
に集束される線分が有限の幅を持ち、この幅が本測定の
z方向の解像度を決める。図4の装置のようにレーザー
を光源に使う場合にはこの幅は数μm程度に狭くできる
が、光源に電球を使う場合にはフィラメントのサイズが
1mm程度であるためあまり狭くはできない。例えば図1
の装置では集束幅がS×f4/f3となるから、S=1m
m,f4=20mm,f3=200mmの場合線分幅は0.1m
mである。S,f4,f3を変えたり、図27のようにピ
ンホール29を使って絞った光を光源とすることによ
り、さらに線分幅を狭めることは可能であるが、現実的
には数十μmが限界である。
に集束される線分が有限の幅を持ち、この幅が本測定の
z方向の解像度を決める。図4の装置のようにレーザー
を光源に使う場合にはこの幅は数μm程度に狭くできる
が、光源に電球を使う場合にはフィラメントのサイズが
1mm程度であるためあまり狭くはできない。例えば図1
の装置では集束幅がS×f4/f3となるから、S=1m
m,f4=20mm,f3=200mmの場合線分幅は0.1m
mである。S,f4,f3を変えたり、図27のようにピ
ンホール29を使って絞った光を光源とすることによ
り、さらに線分幅を狭めることは可能であるが、現実的
には数十μmが限界である。
【0042】以上説明した実施例の装置では、一次元の
斜度情報しか得られないが、二次元の情報を得たい場合
には試料5を測定線分と垂直な方向に移動させる装置
と、画像情報を高速で取りこみ、解析、記憶する画像処
理装置を組み合わせれば良い。
斜度情報しか得られないが、二次元の情報を得たい場合
には試料5を測定線分と垂直な方向に移動させる装置
と、画像情報を高速で取りこみ、解析、記憶する画像処
理装置を組み合わせれば良い。
【0043】
【発明の効果】以上説明した通り、本発明の表面特性評
価方法および装置によって、塗装面や樹脂成型物などの
反射性表面のうねりを、直接外観に影響する斜度の情報
として簡便にグラフ化することが可能になった。さらに
得られた斜度の情報を積分(和分)することによって、
表面の形状を求めることも可能である。
価方法および装置によって、塗装面や樹脂成型物などの
反射性表面のうねりを、直接外観に影響する斜度の情報
として簡便にグラフ化することが可能になった。さらに
得られた斜度の情報を積分(和分)することによって、
表面の形状を求めることも可能である。
【図1】本発明請求項4による表面特性評価装置の斜視
図である。
図である。
【図2】本発明請求項4による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。なお実際にはビ
ームスプリッター2の位置で光路は折れ曲がっている
が、分かりやすくするため直進しているように記した。
図3も同様である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。なお実際にはビ
ームスプリッター2の位置で光路は折れ曲がっている
が、分かりやすくするため直進しているように記した。
図3も同様である。
【図3】本発明請求項4による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。
【図4】本発明請求項3による表面特性評価装置の斜視
図である。
図である。
【図5】本発明請求項3による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。
【図6】本発明請求項3による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。
【図7】本発明請求項4による表面特性評価装置の斜視
図である。
図である。
【図8】本発明請求項4による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。なお実際にはビ
ームスプリッター2の位置で光路は折れ曲がっている
が、分かりやすくするため直進しているように記した。
図9も同様である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。なお実際にはビ
ームスプリッター2の位置で光路は折れ曲がっている
が、分かりやすくするため直進しているように記した。
図9も同様である。
【図9】本発明請求項4による表面特性評価装置のカメ
ラ側の光路を示した部分平面図である。
ラ側の光路を示した部分平面図である。
【図10】本発明による表面特性評価装置に使われるア
パチャー例の平面図である。
パチャー例の平面図である。
【図11】本発明による表面特性評価装置に使われるア
パチャーの例の平面図である。
パチャーの例の平面図である。
【図12】本発明請求項5による表面特性評価装置に使
われるアパチャーの例の平面図である。
われるアパチャーの例の平面図である。
【図13】本発明請求項5による表面特性評価装置に使
われるアパチャーの例の平面図である。
われるアパチャーの例の平面図である。
【図14】本発明請求項5による表面特性評価装置に使
われるアパチャーの例の平面図である。
われるアパチャーの例の平面図である。
【図15】本発明請求項5による表面特性評価装置に使
われるアパチャーの例の平面図である。
われるアパチャーの例の平面図である。
【図16】本発明請求項5による表面特性評価装置に使
われるアパチャーの例の平面図である。
われるアパチャーの例の平面図である。
【図17】本発明による表面特性評価装置に使われるア
パチャーの例の平面図である。
パチャーの例の平面図である。
【図18】本発明による表面特性評価装置で得られる一
例の斜度グラフである。
例の斜度グラフである。
【図19】本発明による表面特性評価装置で得られる一
例の斜度グラフである。
例の斜度グラフである。
【図20】本発明の斜度測定原理の説明図である。
【図21】本発明請求項2による表面特性評価装置の斜
視図である。
視図である。
【図22】本発明請求項2による表面特性評価装置の光
路を示した平面図である。
路を示した平面図である。
【図23】本発明請求項2による表面特性評価装置のカ
メラ側の光路を示した部分平面図である。
メラ側の光路を示した部分平面図である。
【図24】本発明の斜度測定原理の説明図である。
【図25】本発明請求項3,4による表面特性評価装置
の部分斜視図である。
の部分斜視図である。
【図26】本発明による表面特性評価装置の部分平面図
である。
である。
【図27】本発明の表面特性評価装置の光源部分の改良
例の斜視図である。
例の斜視図である。
1 光源(電球)
2 ビームスプリッター
3 凸レンズ
4 シリンドリカルレンズ
5 試料
6 シリンドリカルレンズ
7 マスク
8 シリンドリカルレンズ
9 ビデオカメラ
10 ビームエクスパンダー
11 シリンドリカルレンズ
12 レーザー
13 シリンドリカルレンズ
14 シリンドリカルレンズ(凹)
15 シリンドリカルレンズ
16 凸レンズ
17 線分像
18 アパチャー
19 スリット
20 シグナル(色付き)
21 目盛り線
22 凸レンズ
23 シリンドリカルレンズ
24 シリンドリカルレンズ
25 シリンドリカルレンズ
26 円筒凹面鏡
27 放物面鏡
28 凸レンズ
29 ピンホール
Claims (6)
- 【請求項1】 点光源とレンズあるいは放物面鏡との組
み合わせによって作られる平行度の高い照明光を、被測
定面に直線状に集束した後、被測定面からの反射光を集
束光学系によって該集束線分の長手方向に垂直な線分状
に集束し、更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交
わる辺を有するアパチャーを通過した光を、可視化手段
に投影し、可視化することによって、被測定面の平滑性
を評価する表面特性評価方法。 - 【請求項2】 点光源とレンズあるいは放物面鏡との組
み合わせによる平行度の高い照明光源と、該照明光を被
測定面に線分状に集束するシリンドリカルレンズあるい
は円筒凹面鏡と、被測定面からの反射光を該集束線分の
長手方向に垂直な線分状に集束する集束手段と、更に集
束位置に置かれた集束線分と斜めに交わる辺を有するア
パチャーと、該アパチャーの透過光を投影可視化する可
視化手段とを有する表面特性評価装置。 - 【請求項3】 点光源とレンズあるいは放物面鏡との組
み合わせによる平行度の高い照明光源と、該照明光を被
測定面に線分状に集束し、反射光を再び通過させて近似
平行光にするシリンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡
と、該近似平行光の一部を入射照明光と分けて取り出す
ビームスプリッターと、更に分離した光を該集束線分ま
たはビームスプリッターで偏向している場合の集束線分
の鏡像の長手方向に垂直な線分状に集束する集束手段
と、更に集束位置に置かれた集束線分と斜めに交わる辺
を有するアパチャーと、該アパチャーの透過光を投影可
視化する可視化手段とを有する表面特性評価装置。 - 【請求項4】 点光源と、この光を平行度の高い照明光
とするレンズあるいは放物面鏡と、該照明光を被測定面
に線分状に集束し、反射光を再び通過させて近似平行光
にするシリンドリカルレンズあるいは円筒凹面鏡と、該
近似平行光が先のレンズあるいは放物面鏡を通った後、
一部を入射照明光と分けて取り出すビームスプリッター
と、更に分離した光を該集束線分またはビームスプリッ
ターで偏向している場合の集束線分の鏡像の長手方向に
垂直な線分状に集束する、母線が該線分に平行ないしは
垂直になるように置かれたシリンドリカルレンズないし
は円筒面鏡と、集束位置に置かれた集束線分と斜めに交
わる辺を有するアパチャーと、該アパチャーの透過光を
投影可視化する可視化手段とを有する表面特性評価装
置。 - 【請求項5】 上記アパチャーが集束線分と斜めに交わ
る辺を有する図形に加えて、集束線分と垂直に交わるス
リットを少なくとも一つ有することを特徴とする、請求
項2〜4に記載の表面特性評価装置。 - 【請求項6】前記アパチャーと可視化手段の間には、必
要に応じてシリンドリカルレンズないし円筒面鏡を含む
投影手段を設けることを特徴とする、請求項2〜5に記
載の表面特性評価装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17699591A JPH0526818A (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 表面特性評価方法及び装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP17699591A JPH0526818A (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 表面特性評価方法及び装置 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH0526818A true JPH0526818A (ja) | 1993-02-02 |
Family
ID=16023344
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP17699591A Pending JPH0526818A (ja) | 1991-07-17 | 1991-07-17 | 表面特性評価方法及び装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JPH0526818A (ja) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003535319A (ja) * | 2000-05-30 | 2003-11-25 | カール ツァイス イエナ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 距離測定用および/または面傾斜度測定用の光センサ |
WO2021205650A1 (ja) * | 2020-04-10 | 2021-10-14 | 株式会社日立ハイテク | 照明光学系および基板検査装置 |
-
1991
- 1991-07-17 JP JP17699591A patent/JPH0526818A/ja active Pending
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2003535319A (ja) * | 2000-05-30 | 2003-11-25 | カール ツァイス イエナ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング | 距離測定用および/または面傾斜度測定用の光センサ |
WO2021205650A1 (ja) * | 2020-04-10 | 2021-10-14 | 株式会社日立ハイテク | 照明光学系および基板検査装置 |
US12085517B2 (en) | 2020-04-10 | 2024-09-10 | Hitachi High-Tech Corporation | Lighting optical system and substrate inspecting device |
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