JPH0536728B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ≪発明の分野≫ この発明は、レーザによるコヒーレント光を被
測定体（粗面物体）の表面に照射し、その拡散反
射光により生ずるスペツクルパターンによつて表
面の粗さを計測する装置に関する。

≪発明の背景≫ この種の表面粗さ計測装置の測定原理は従来か
ら良く知られており、例えば特開昭51−124454号
公報に詳細に記述されている。

しかし、具体化された従来のこの種の表面粗さ
計測装置は、コヒーレント光の光源としてガスレ
ーザを用い、スペツクルパターンの強度分布（コ
ントラスト）を測定するための光電検出器として
光電子増倍管を用いている。この装置では、ガス
レーザを用いていることから非常に大型となり、
各種の表面加工現場で使用できるようなものとは
なつていない。また、光電子増倍管でスペツクル
パターンの強度分布を測定するには、どうしても
機械的な走査機構が必要であり、この点で装置が
大型化すること、機械的走査では高速の計測が行
なえない等の問題があつた。

≪発明の目的≫ この発明は上記課題に鑑みてなされたものであ
り、その目的は以下の技術的課題を克服できる表
面粗さ計測装置を提供することにある。

まず移動される被測定体表面の粗さを画的に計
測するに際し、被測定体表面を傷けないこと。

インプロセス的、準インプロセス的あるいはオ
ンライン的に粗さ計測でき、被測定体が高速に移
動しても測定が可能であり、特に計測のために加
工作業などを中断させないこと。

機械的な操作機構を持たず、小型かつ軽量で操
作性が良いこと。

計測が高感度、高精度かつ高速で行なわれ、極
めて高性能であること。

機械的、電気的な周囲条件あるいはその他の周
囲条件に対する耐環境性が高いこと。

長い寿命を有し、低価格であり、計測動作が安
定していること。

そして被測定体反射光の強度分布の低周波成分
が変化しても影響を受けずに高精度な測定が可能
であること。

≪発明の構成と効果≫ 上記目的を達成するために、この発明に係る表
面粗さ計測装置は、 計測用コヒーレント光を発生する半導体レーザ
と、 半導体レーザの温度条件を一定に制御するレー
ザ温度制御系と、 半導体レーザの発光強度を安定化させる発光強
度制御回路と、 移動される被測定体の表面へ半導体レーザのコ
ヒーレント光を照射する光学系と、 被測定体の表面における拡散反射で生ずるスペ
ツクルパターンの変化を電気信号に変換する自己
走査形固体撮像素子と、 自己走査形固体撮像素子の電気信号値を所定時
間保持するサンプルアンドホールド回路と、 サンプルアンドホールド回路において保持され
た電気信号値をデジタル値に変換するアナログ−
デジタル変換器と、 アナログ−デジタル変換器と中央処理装置との
インターフエースをとるＩ／Ｏポートと、 サンプルアンドホールド回路にタイミング信号
を与えるとともにＩ／Ｏポートを介して供給され
た電気信号値をランダムアクセスメモリへ格納す
るダイレクトメモリアクセスコントローラと、 ランダムアクセスメモリに格納された電気信号
値に基づいてスペツクルパターンのコントラスト
データを求めるコントラスト演算手段と、 コントラストデータと表面粗さデータとの対応
データが格納された対応データテーブルと、 コントラスト演算手段のコントラストデータお
よび対応データテーブルの対応データに基づき被
測定体表面の粗さを求める表面粗さ演算手段と、 を有することを特徴とする。

この発明によれば、以下の多くの効果が表面粗
さ計測装置において得ることが可能となる。

まず、レーザスペツクルが粗さ測定に利用され
ているので、次の効果が得られる。

一般の接針法では線に沿つた粗さ測定が行われ
るのに対し、面についての計測が可能となる。

粗さ測定のために被測定体表面に計測部材が接
しないので、被測定体表面を傷けることはない。

光の干渉現象を利用しているので、波長オーダ
ーで計測でき、このため高感度な計測が可能とな
る。

多量なデータの統計演算処理を行なうことによ
り高精度な計測が可能となる。

金属加工現場や塗装などの各種表面処理の現場
において、インプロセス計測、準インプロセス計
測、あるいはオンライン計測が可能となり、その
測定は被測定体が高速移動しても可能となる。

探傷センサとしても使用することが可能であ
り、従つてその応用分野が極めて広い。

また移動される被測定体表面が測定の対象とさ
れたので、次の効果を得ることが可能である。

例えばホーニング加工の現場において、その加
工作業を中断することなく測定を行なうことが可
能となる。

CCDなどの自己走査形固体撮像素子を使用で
きるので、機械的な走査機構は全く不要で完全静
止型とすることが可能となる。このため機械的可
動部の故障がなく、さらに小型軽量化により現場
における操作性を向上でき、そして高速なデータ
取込みが可能となるとともに装置の低価格化を図
ることが可能となる。

さらに半導体レーザが使用されるので、次の効
果を得ることが可能である。

装置の小型軽量化を図ることにより操作性を高
めることが可能となり、また装置の低価格化を図
ることも可能となる。

その温度、出力が制御されるので、機械的、電
気的その他の周囲条件に対する耐環境性が高く、
このため出力および波長の安定化が可能となり、
従つて安定した計測が可能となる。

また、それらが使用されるので、装置の長寿命
化を図ることも可能となる。

そして拡散光を一点で検出することが可能とな
るので、次の効果を得ることが可能となる。

入力部の信号処理回路を簡略化でき、このため
高速なＡ／Ｄ変換処理が可能となる。

被測定体の反射光強度分布の低周波成分が変化
しても、その影響を受けずに高精度な測定が可能
となる。

またDMA方式が採用されているので、高速な
データ取り込みが可能となるという効果が得られ
る。

さらにマイクロプロセツサシステムを使用でき
るので、次の効果を得ることが可能となる。

高速なデータ処理が可能であり、またソフトウ
エアの変更、追加により新たな機能を付加するこ
とが容易である。

計測時の操作が簡単化され、このため装置の操
作性を向上させることが可能となる。

出力形態をデジタル、アナログ、シリアル、パ
ラレル、GB−IBなどから自由に選択でき、外部
トリガとの同期も容易となる。

また測定結果をアナログなどの信号形式として
加工を機械にフイードバツクすることによりその
高精度な制御が可能となる。

ホストコンピユータとの接続によりフアクトリ
ーオートメーシヨンシステム化を図ることが可能
である。

そして本装置はインテリジエントセンサとして
も利用することが可能である。

≪実施例の説明≫ 第１図はこの考案に係る表面粗さ計測装置の全
体的な構成を示している。この装置では、コヒー
レント光の光源としてレーザダイオード１が用い
られる。レーザダイオード１は、温度条件を一定
にして安定なレーザ発振を行なわせるための温度
制御ブロツク２に実装されている。温度制御ブロ
ツク２には温度調節回路３によつて吸排熱が制御
されるペルチエ素子が設けられており、温度セン
サ４で検出されるレーザダイオード１の周囲温度
を一定に保つように制御が加えられる。また、レ
ーザダイオード１の発光強度を安定化させるため
に、自動パワー制御（APC）回路５が設けられ
ている。これらにより、レーザダイオード１から
は安定した波長、強度のレーザ光が発生する。

レーザダイオード１からのコヒーレント光はコ
リメートレンズ６を介して被測定体７の表面に照
射される。その被測定体７の表面から生じた拡散
反射光はスペツクルパターンを形成し、その一部
は光電変換素子１１によつて受光される。

この光電変換素子１１は一次元のラインセンサ
あるいは二次元のエリアセンサと称されるCCD
やBBDなどの自己走査形固体撮像素子で構成さ
れている。そしてこの光電変換素子１１は図示さ
れていない駆動回路により駆動制御されており、
その撮像面に結像されたスペツクルパターンの強
度分布に対応した電気信号を出力する。

さらに光電変換素子１１の電気信号はサンプル
アンドホールド回路１２に供給されており、被測
定体７が移動されると、光電変換素子１１からは
スペツクルパターンの強度変化に対応した一連の
電圧信号が得られる。

サンプルアンドホールド回路１２に保持された
アナログ信号（電圧信号）はＡ／Ｄ変換器１３に
入力され、デジタル信号に変換される。つまり、
ある時刻においてサンプルアンドホールド回路１
２でサンプリングされた受光強度が所定ビツト数
（例えば８ビツトないし14ビツト）のデジタル信
号へＡ／Ｄ変換器１３で変換され、所定時間毎に
その時間内のサンプル数に応じたデータ数（例え
ば2Kバイト）の一連のデジタル信号列がＡ／Ｄ
変換器１３の出力側で得られる。

DMA１６はサンプルアンドホールド回路１２
にタイミング信号を与えるとともにＩ／Ｏポート
１５を介して入力されたデータ（Ａ／Ｄ変換器１
３からのスペツクルパターンを含んだ画像デー
タ）をRAM１８へ高速に格納する。

中央処理ユニツト（CPU）１４はマイクロプ
ロセツサなどからなり、ROM１５のプログラム
に規定された制御アルゴリズムおよび演算処理ア
ルゴリズムに従つて動作し、Ａ／Ｄ変換器１３か
ら取込まれたデータに基づいて被測定体７の表面
粗さを算出し、表示器１７に表示するともに、プ
ロツタ１８で記録する。

つまり、Ａ／Ｄ変換器１３からのスペツクルパ
ターンを含んだ画像データに基づいて、まずその
コントラスト（強度分布）が算出される。また、
RAM１６には、スペツクルパターンのコントラ
ストデータと表面粗さデータの対応関係を示すデ
ータテーブルが予め作成されている。このデータ
テーブルに基づいて、算出されたコントラストデ
ータから表面粗さデータが求まる。これが表示器
１７で表示され、プロツタ１８で記録される。

第２図はCPU１４による表面粗さの演算処理
の内容を詳細に示している。以下、この図に従つ
て表面粗さの演算過程を順番に説明する。

CPU１４は、まず固体撮像素子１１の１走査
分の画像データをＡ／Ｄ変換器１３からDMA１
６を用いて取込む（ステツプ100）。次に、上記１
走査分の画像データをRAM１６にヒストグラム
の形で一時記憶する（ステツプ101）。さらに、
RAM１６に記憶した画像データに基づいて、各
画素の受光強度Ｉのアンサンブル平均値（統計的
な集合平均）〈Ｉ〉を計算する（ステツプ102）。
そして、上記強度Ｉの二乗平均値〈I²〉を計算す
る（ステツプ103）。また、上記〈Ｉ〉および
〈I²〉に基づいて、強度Ｉの標準偏差σを計算す
る（ステツプ104）。さらに、上記〈Ｉ〉と標準偏
差σに基づいて、コントラストＣ＝σ／〈Ｉ〉を
計算する（ステツプ105）。

上記のようにして、撮像素子１１の１走査分の
画像データについてコントラストＣを計算する。
その後、ステツプ106で示しているように、固体
撮像素子１１の予め設定した複数回ｎについて上
記と同じ処理、計算を行ない、そのｎ回の走査で
得られたコントラストＣの平均値を求める。そし
て、ｎ回分の平均コントラストＣが計算されたな
らばそのＣに基づいてRAM１６に設定されてい
る上記データテーブルを引き、そのＣに対応する
表面粗さデータＲを求める（ステツプ107） 第３図Ａ，Ｂ，Ｃは、被測定体７の表面にコヒ
ーレント光を照射する光学系の他の例を示してい
る。

第３図Ａでは、レーザダイオード１から発生し
コリメートレンズ６を経た楕円ビームを、プリズ
ムやシリンドリカルレンズを用いた真円光学系６
１によつて真円ビームに変換し、被測定体７の表
面に照射するようにしている。このように照射ビ
ームを真円化することにより、パワー効率が良
く、ビームの強度分布がガウス分布あるいはそれ
に近似したものとなり、面粗さの計測精度が向上
する。

第３図Ｂでは、レーザダイオード１からの光を
ビームスプリツタ６２を通し、一定方向の偏光ビ
ームを被測定体７の表面に照射するようにしてい
る。このように偏光ビームを被測定体７の表面に
照射することにより、スペツクルパターンのコン
トラストが高くなり、測定精度が向上する。

第３図Ｃでは、上述の真円光学系６１と偏光ビ
ームスプリツタ６２の双方用いたもので、上述の
効果がともに得られる。

第４図Ａ，Ｂ，Ｃは、被測定体７の表面に異な
る波長の２色のコヒーレント光を重ねて照射する
ようした実施例における照射光学系を示してい
る。同図Ａがその基本構成を示している。この例
では、発光波長の異なる２種のレーザダイオード
１ａ，１ｂを用い、両者からのコヒーレント光を
それぞれコリメートレンズ６ａ，６ｂを通し、ミ
ラー６３およびハーフミラー６４によつて両ビー
ムを重ね、被測定体７の表面に照射している。な
お、この場合の結像系および固体撮像素子側の構
成は第１図と同様で良い。

このように、被測定体の表面に異なる波長の２
色のコヒーレント光を照射することで、単一色の
コヒーレント光を照射する場合に比べて、表面粗
さの測定範囲を拡張することができる。

第４図Ｂは同図Ａに加えて、照射ビームを真円
化するための真円光学系６１ａ，６１ｂを設けた
ものである。また、同図ＣはＢの構成に加えて照
射ビームを偏向するための偏向ビームスプリツタ
６２を設けたものである。これらのものの効果に
ついては先に述べた通りである。

第５図は、被測定体７の表面からの拡散反射光
を受光する光学系の他の例を示している。

反射光はレンズ８，９と絞り１０からなる結像
光学系によつて受光され、スペツクルパターンを
含んだ被測定体７の表面像が結像される。

この結像面に光電変換素子１１が設けられてお
り、これにより反射光の検出が行なわれている。

この例によれば、絞り１０の開口の大きさを調
整することにより、スペツクルの平均的大きさを
自由に変更でき、このためスペツクル変化が装置
の処理能力に比べて速過ぎたり遅過ぎたりしたと
きにこの絞り１０の調整によつて、常に装置の能
力に見合つた処理速度とすることが可能となる。

なお、被測定体７は平面的に移動している場合
に限られることはなく、例えば第６図に示すよう
に回転体の表面であつても良い。

また測定対象となる物体の材質としては鉄、軟
質金属を含む非鉄金属、プラスチツクス、セラミ
ツクス、ゴム、紙などを挙げることが可能であ
る。具体的には、ビデオ用ヘツドなどのVTR関
連部品、ビデオテープ、レーザプリントに使用さ
れるポリコンミラーなどを計測対象にでき、特に
これらについての計測では極めて良好な計測結果
が得られる。

さらに、本装置は探傷センサとしても使用で
き、被測定体７の表面に傷がある場合にこの傷が
コヒーレント光の照射領域に入ると、スペツクル
パターンは通常より高いコントラストを示し、他
の部分の平均的な粗さによるコントラストと顕著
な差が表れるので、この傷を確実に検出すること
が可能となる。

そしてこの装置はフイルムシート、糸、電線、
フアイバなどの線状体の粗さ計測や探傷も可能で
あり、さらに塗装面の探傷やインテリア、墓石、
芸術品などを対象として広い範囲において計測に
利用できる。

【図面の簡単な説明】

第１図はこの発明に係る装置の全体構成説明
図、第２図は第１図におけるCPU１４によつて
行なわれる表面粗さを求めるための演算処理の手
順を示すフローチヤート、第３図、第４図は被測
定体７の表面にコヒーレント光を照射する光学系
の他の例を示す構成説明図、第５図は被測定体７
表面からの拡散反射光を受光する光学系の他の例
を示す構成説明図、第６図は被測定体７の他の例
を示す構成説明図である。 １……レーザダイオード、２……温度制御ブロ
ツク、３……温度調節回路、４……温度センサ、
５……自動パワー制御回路、６……コリメートレ
ンズ、７……被測定体、１１……光電変換素子、
１２……サンプルアンドホールド回路、１３……
Ａ／Ｄ変換器、１４……中央処理装置、１５……
Ｉ／Ｏポート、１７……DMA、１８……RAM。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 計測用コヒーレント光を発生する半導体レー
   ザと、 半導体レーザの温度条件を一定に制御するレー
   ザ温度制御系と、 半導体レーザの発光強度を安定化させる発光強
   度制御回路と、 移動される被測定体の表面へ半導体レーザのコ
   ヒーレント光を照射する光学系と、 被測定体の表面における拡散反射で生ずるスペ
   ツクルパターンの変化を電気信号に変換する自己
   走査形固体撮像素子と、 自己走査形固体撮像素子の電気信号値を所定時
   間保持するサンプルアンドホールド回路と、 サンプルアンドホールド回路において保持され
   た電気信号値をデジタル値に変換するアナログ−
   デジタル変換器と、 アナログ−デジタル変換器と中央処理装置との
   インターフエースをとるＩ／Ｏポートと、 サンプルアンドホールド回路にタイミング信号
   を与えるとともにＩ／Ｏポートを介して供給され
   た電気信号値をランダムアクセスメモリへ格納す
   るダイレクトメモリアクセスコントローラと、 ランダムアクセスメモリに格納された電気信号
   値に基づいてスペツクルパターンのコントラスト
   データを求めるコントラスト演算手段と、 コントラストデータと表面粗さデータとの対応
   データが格納された対応データテーブルと、 コントラスト演算手段のコントラストデータお
   よび対応データテーブルの対応データに基づき被
   測定体表面の粗さを求める表面粗さ演算手段と、 を有することを特徴とする表面粗さ計測装置。