JPH0621774B2

JPH0621774B2 - 非静止物体の表面粗さ測定装置

Info

Publication number: JPH0621774B2
Application number: JP63154924A
Authority: JP
Inventors: 洋之内田; 彰虎尾; 文彦市川
Original assignee: Kawasaki Steel Corp
Current assignee: JFE Steel Corp
Priority date: 1987-08-04
Filing date: 1988-06-24
Publication date: 1994-03-23
Anticipated expiration: 2009-03-23
Also published as: JPH01131409A

Description

【発明の詳細な説明】＜産業上の利用分野＞本発明は、非静止物体の表面粗さ測定装置に係り、特に
走行中あるいは振動状態の非静止物体の表面粗さを精度
よく測定する装置に関する。

＜従来の技術＞各種物体の表面特性値を測定する方法の一つに光学的手
法がある。特に、製造ラインの移動物体を測定対称とす
る場合には、非接触測定が可能であるため、非常に有効
な方法である。中でも、乱反射光の最大強度は測定が比
較的容易であることや得られる情報も多いために、広い
分野で利用されている。

その一つの例として、物体の表面粗さ測定に適用したも
のがある。

たとえば、既に本出願人が特開昭60−201204号公報にて
開示した表面性状測定装置がある。この装置は、同一波
長の光束を異なる二方向の入射角で被測定面に投射し、
その正反射強度を検出することにより、測定対象面の振
幅情報を得るものであり、正反射強度を測定するため
に、検出器を正反射方向を中心に円弧上を移動させるも
のである。

また、特開昭57-91403号公報に開示されている。装置で
は、アレイセンサを用いて被測定面の垂直方向から投射
した光束の反射光を受光し、反射光分布，強度から被測
定面の粗さを求めている。

＜発明が解決しようとする課題＞しかしながら、走行中の物体の表面粗さを光学的に非接
触で測定する際には、測定される物体の振動による誤差
が大きく精度の高い安定した測定が困難である。前者の
特開昭60−201204号公報に記載された装置では、正反射
方向を中心として検出器を移動させる必要があるため、
この間の被測定物体の振動による誤差は全く補正できな
い。さらに、検出部のモータやモータドライバ等が必要
となるから、装置の大型化を招かざるを得ない。

一方、後者の特開昭57-91403号公報の装置では、垂直方
向から平行光線を投射するために、光路中はハーフミラ
ーや球面レンズを配する必要があり、光学系が複雑にな
る傾向がある。

また、光沢度測定においても、走行中の物体の正反射強
度を精度よく検出することは非常に難しく、最大乱反射
強度＝正反射強度として測定を行わなければならない
が、正反射方向に一つの検出器を配した装置では、的確
な測定を行うことはできない。

本発明は、上記のような問題点を解消すべくなされたも
のであって、走行中あるいは振動状態の非静止物体の表
面粗さを精度よくかつ安定に測定する装置を提供するこ
とを目的とする。

＜課題を解決するための手段＞本発明は、非静止物体の被測定面に光束を照射する投光
部と、被測定面上で反射した反射光を受光する複数個の
光素子を互いに隣接して一次元状に配置して反射光の強
度分布を検出する光検出器と、この光検出器と信号を増
幅する増幅器と、これら一連の増幅器を順次選択走査し
て当該光素子の強度を送信する走査回路と、この選択走
査する走査回路からのアナログ信号をデジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換器と、検出した反射光強度分布の中か
ら最大反射強度値を判別して、予め与えられた正反射強
度と被測定面の表面粗さの関係から表面粗さを演算する
演算装置と、前記選択走査する走査回路を制御するタイ
ミングコントローラと、前記表面粗さを出力する出力装
置とからなることを特徴とする非静止物体の表面粗さ測
定装置である。

＜作用＞本発明によれば、走行中あるいは振動状態の非静止物体
の被測定面に投射される光束の正反射方向を中心に複数
個の光素子を互いに隣接し一次元状に配するようにした
光検出器を用いて、検出される反射光分布の中から最大
反射強度値を見出すようにしたので、瞬時に物体の被測
定面の表面粗さを測定することができる。

＜実施例＞以下に、本発明の実施例について、図面を用いて詳しく
説明する。

第１図は、本発明の一実施例を模式的に示す説明図であ
る。

図において、投光部１は例えばレーザなどの光束２を投
射するもので、被測定面３に対してある一定の角度θで
光束２を投射する。

光検出器５は、複数個の例えばフォトダイオードアレイ
などの光素子５ａが互いに隣接して一次元状に配されて
構成され、光束２の投射角度θと対称的な位置すなわち
被測定面３上で反射する反射光４の正反射方向を中心に
して配置される。

この光検出器５の光素子５ａで受光された反射光４は、
それぞれの強度に比例した電気信号に変換されて増幅器
６によって一定倍率で増幅され、選択走査するスイッチ
などの走査回路７によって順次選択されてＡ／Ｄ変換器
８に送られる。このＡ／Ｄ変換器８は、増幅器６からの
アナログ信号をデジタル化して、そのデジタル信号を演
算装置９へ送信する。一方、走査回路７は、タイミング
コントローラ10からのパルス信号を受信し、その受信回
数に応じて増幅器６を走査する。

このようにして、演算装置９は光検出器５を構成する一
次元状に配した光素子５ａの信号を全て読み取ることに
より、電気的に瞬時にして反射光４の強度分布４ａを検
出することができる。さらに、その演算装置９において
反射光４の強度分布４ａの中から最大強度値を判別し、
この値を正反射強度として被測定面３の表面粗さを求
め、出力装置11に出力する。

なお、前記した走査回路７としては、例えばマルチプレ
クサとカウンタとの組み合わせを使用することができ
る。また、選択走査するタイミングの制御は、タイミン
グコントローラ10のパルスを外部トリガとして演算装置
９が受信する方式で行うか、逆に、演算装置９の指令に
よってタイミングコントローラ10がパルスを発生する方
式で行ってもよい。

このように構成された本発明装置による測定例を、走行
する冷延鋼板に適用した場合について、以下に具体的に
説明する。

第２図は、本発明装置を用いて走行する冷延鋼板の強度
分布を測定した結果の一例を示した図である。ここで用
いた光検出器５としては、32個のフォトダイオードアレ
イを直線状に配置したものあり、冷延鋼板の走行速度は
約1000mpm であり、このときの測定に要する時間はおよ
そ10msである。図において、正反射強度の位置で最大強
度を示していることがわかる。

また、このようにして測定された正反射強度と平均粗さ
との対応関係を第３図に示した。この図からわかるよう
に、正反射強度と平均粗さは一本の曲線Ａの付近に分布
しているから、この曲線Ａを検量線として、平均粗さを
計算すれば、測定上の誤差を非常に小さくすることがで
きる。

また、走行中に振動を伴う冷延鋼板の反射光分布を測定
した例を第４図に示した。この図からわかるように、１
個の検出器を正反射方向に配して走行する被測定面の反
射光を受光すると、振動による位置，角度のずれによっ
て測定値が大きく変動するが、本発明による装置を用い
て最大反射強度を検出すれば、測定値のばらつきを小さ
くすことができる。

例えば、走行する冷延鋼板の反射光を、１個の検出器を
正反射方向に配した比較例と本発明例とでそれぞれ100
回ずつ測定した時の測定値の変動を調べた結果を第１表
に示した。

上記の説明で明らかないように、本発明の装置によれ
ば、被測定面が走行していても比較的ばらつきの小さい
安定した測定値を得ることができ、しかも高速に測定で
きる。

なお、第１図の実施例において、投光部１の強度変動に
よる誤差要因を除去するためには、第５図に示すような
ビームスプリッタ12を光路中に配して、入射光の一部を
第２の光検出器13によって検出し、この検出した値と反
射光強度との比を用いて演算するようにしてもよい。

さらに、被測定面３の反射率の変動に対する補正方法と
しては、複数個の光素子５ａ一次元状に配した光検出器
５が受光した強度を加算した値を用いて補正してもよ
い。

また、ある瞬間での反射光分布を調べるために、第６図
に示すように、サンプルホールド回路14を利用すれば、
タイミングコントローラ10のサンプルパスを受信した瞬
間の反射光を調べることができる。

次に、被測定面３の表面粗さが小さく、光検出器５の角
度分解能が不足した場合でも精度よく、かつ簡単に最大
強度値を検出する方法について説明する。

被測定面の粗さが適度な場合は、第７図(a)に示すよう
に、複数個の光素子５ａを一次元状に配した光検出器５
の全てにわたる反射光４と強度分布４ａがほぼ正規分布
で得られることは既に説明した通りであるが、粗さが非
常に小さい場合は第７図(b)に示すように、反射光４が
正反射方向に集中するため、光検出器５のある一部のみ
で反射光強度分布４ａを検出することになり、明らかに
角度分解能が不足する。このような状況では、同じ粗さ
を有する被測定面３に対して、第８図に示すように、最
大反射強度値がばらつき、その結果、表面粗さの測定精
度の劣化を招かざるを得ない。

このような場合には、例えばスプライン関数を利用し
て、反射光強度の分布曲線を近似，補間することが考え
られる。しかし、計算方法が複雑になれば、それだけデ
ータ処理に時間を要し、特にオンライン測定を行なうに
あたっては、連続した被測定面の粗さ管理ができない恐
れがある。

このような問題を解決するために、本発明においては以
下のような方法をとる。その手順を以下に説明する。

まず、光検出器５によって反射光強度分布４ａを測定す
る。ここで、光素子５ａの数をＮとし、配列順に１〜Ｎ
までの番号を与えておく。この中で最大反射強度値を得
た光素子の番号imaxを記録しておく。全ての光素子が測
定した反射光強度の和、すなわち全反射光強度値T₁を求
める。光素子番号imaxを中心にimax−ｍからimax＋ｍ番
目の光素子が測定した強度の和、すなわち局部反射光強
度値T₂を求める。反射光強度分布４ａが、正反射方向に
集中した第７図(b)に示すような強度分布ならば、T₂／T
₁の値が大きくなり、逆に、第７図(a)に示すような強度
分布ならばT₂／T₁の値が小さくなる。そこで、T₂／T₁の
値とある設定しきい値とを比較する。そして、T₂／T₁の
値が設定しきい値よりも大ならば、光検出器５の角度分
解能が不十分と判断し、最大反射強度に補正を行う。一
方、T₂／T₁の値が小ならば角度分解能に問題なしと判断
し、最大反射強度を正反射強度をみなし、この値から被
測定面の粗さを求める。

次にT₂／T₁の値が、設定しきい値よりも大であって、角
度分解能不十分と判断した場合の最大反射強度の補正方
法について説明する。

いま、光検出器５が、例えば第９図に示すように、Ｉ′
(jmax)なるピーク値を含む強度分布Ｉ′を有する反射光
４を検出したとする。このとき、imax番目の光素子５ａ
で検出される強度が最大値であって、これをＩ（imax）
とし、（imax−１）番目では、Ｉ（imax−１），（imax
−２）番目ではＩ（imax−２），…（imax−ｍ）番目で
はＩ（imax−ｍ）、また（imax＋１）番目ではＩ（imax
＋１），（ｉ＋２）番目ではＩ（imax＋２），…（imax
＋ｍ）番目ではＩ（imax＋ｍ）とする。

また、図示するように、反射光４のピークＩ′（jmax）
を示す位置と最大値Ｉ(imax）を示したｉ番目の光素子
５ａの中心位置との間にずれαが生じたとする。１個の
光素子５ａが受光する角度範囲との相対値としてαを定
義すると、このαは−0.5≦α≦0.5の範囲で、α０の
ときは第８図(a)に示したように、反射光４のピーク値
と光検出器５が示した最大値がほぼ等しいと考えられる
が、α−0.5，0.5のときは第８図(c)に示したように
反射光４のピーク値を例えばｉ番目と（ｉ−１）番目の
相隣る２個の光素子５ａで受光するようになり、光検出
器５が示す最大値は反射光４のピーク値よりも著しく小
さくなる。

そこで、第10図に示すように、比例配分方法を利用し
て、ずれαを下記(1)式より計算する。

α＝0.5−｛I(imax)−I(imax−１)｝／｛I(imax)−I(imax−１)）＋（I(imax)−I(imax−１)）｝……(1) さて、第９図に示すようにずれα（α≧０）が生じ、実
際の反射光強度分布Ｉ′に対して、光検出器５により反
射光強度分布Ｉが得られたとする。Ｉ′のピーク値を
Ｉ′（jmax）とし、光素子５ａ１個分の角度おきに…
…，Ｉ′（jmax−２），Ｉ′（jmax−１），Ｉ′（jma
x），Ｉ′（jmax＋１），Ｉ′（jmax＋２），……とそ
の強度を定める。例えばｉ番目の光素子５ａが受光した
反射強度Ｉ（ｉ）は、ずれαが生じているためにＩ′
（ｊ）とＩ′（ｊ−１）の両方の影響を受けた値であ
り、αの値の応じて(2)式のように近似することができ
る。

Ｉ（ｉ）＝αＩ′（ｊ−１）＋（１−α）Ｉ′（ｊ）……(2) したがって、Ｉ（imax−ｍ），…，Ｉ（imax−１），Ｉ
（imax），Ｉ（imax＋１），…，Ｉ（imax＋ｍ）に対し
ても同様に(3)式のように近似できる。

ここで、反射光強度分布４ａが正反射方向に集中し、T₂
／T₁の値がある設定値よりも大の場合を前提としてお
り、したがって、上記(3)式のαＩ′（jmax−ｍ−１）
の値は他の比べて非常に小と考えられるので、この値を
零とすると上記(3)式を次の(4)式のように書くことがで
きる。

この(4)式は（２ｍ＋１）個の既知数Ｉ（imax−ｍ），
…Ｉ（imax＋ｍ）に対して（２ｍ＋１）個の未知数Ｉ′
（jmax−ｍ），…Ｉ′（jmax＋ｍ）を有する一次方程式
であるから、代数的に簡単に解くことができ、例えば
Ｉ′（jmax）に対しては下記(5)式のように求められ
る。

一方、α＜０の場合は、β＝−αとすれば全く同様にし
て、下記(6)式によりＩ′（jmax）が得られる。

上記の手順で求めたＩ′（jmax）を正反射強度とすれ
ば、反射光強度分布４ａが正反射方向に集中するような
場合でも精度よく正反射強度を求めることができる。し
たがって、表面粗さの測定精度が向上することになる。

なお、これらの手順を第11図にまとめて示した。

以下に、このような最大反射強度の補正方法を適用した
例として、移動している冷延鋼板の表面にレーザ光を投
射し、32個の光素子を一次元状に配した光検出器を用い
て反射光を測定した結果について説明する。この適用例
では、最大値を示した光素子を中心に５個の光素子が検
出した反射強度の和から角度分解能不足の判断を行っ
た。なお、判断に必要な設定しきい値は 0.8とした。

第12図は、解度分解能が不足と判断した80個のデータに
ついて、補正前と補正後の正反射強度を示したものであ
る。

図において、●印で示す補正前の80個の測定データの平
均値_ｏは7.934Ｖで、その標準偏差σ_ｏは±1.306 Ｖ
であったが、○印で示す補正後の80個の測定データの平
均値_ｃは 9.283Ｖ、また、その標準偏差σ_ｃは±0.76
4 Ｖであった。したがって、補正前の正反射強度は 6.6
28〜9.240 Ｖにばらついていたの対し、補正後は 8.519
〜10.047Ｖと小さいことがわかる。

したがって、この値からたとえば、被測定面の表面粗さ
を求めれば、測定値のばらつきが小さくなり、測定精度
が向上することは明らかである。

＜発明の効果＞本発明に係る表面粗さ測定装置によれば、以下のような
効果が得られる。

（ｉ）被測定面が振動を伴いながら走行していても、正
反射強度が精度よく安定に測定できるので、この値から
たとえば、表面粗さを求めても振動による影響を小さく
するとか可能である。すなわち、被測定面の位置，角度
のずれによって強度分布の中心が正反射方向から多少離
れても測定値の誤差は小さい。

（ii）検出器を正反射方向を中心にして走査する代わり
に、複数の光素子を一次元状に配した光検出器を用いて
電気信号によって反射光分布を測定できるので、測定が
殆ど瞬時に行うことが可能である。さらに、モータやモ
ータドライバなどが不要になるので、装置の小型化が可
能である。

（iii）斜め方向から光束を投射するので、ハーフミラ
ーやレンズなどがない比較的簡単な光学系にすることが
可能である。

（iv）走行している物体に限らず、静止物体を対しても
適用できる。

（ｖ）反射光が正反射方向に集中し、光検出器の角度分
解能が不足した場合でも、補正を加えることにより正反
射強度の測定値のばらつきが小さくなる。その結果、表
面粗さの測定精度が向上する。しかも、計算方法が簡単
であるので、データ処理を短時間に行うことができる。
したがって、オンライン測定のように高速応答を要求さ
れる場合に特に有効である。

なお、本発明で示した測定値の補正方法は、表面粗さの
測定のみならず、同様の問題を有する他の分野でも適用
可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明装置の一実施例を模式的に示す説明
図、第２図は、反射強度分布の測定例を示すグラフ，第
３図は、正反射強度と平均粗さとの関係を示すグラフ、
第４図は、走行中に振動を伴う冷延鋼板の反射光分布の
測定例を示すグラフ、第５図は、投光部の強度変動によ
る測定誤差を補正する実施例を模式的に示す説明図、第
６図は、サンプルホールド回路を組み込んだ実施例を模
式的に示す説明図、第７図は、反射光強度分布の他の測
定例を示すグラフ、第８図は、角度分解能が不足した場
合の反射光強度分布の測定例を示すグラフ、第９図は、
実際の反射光強度分布と光検出器による反射光強度分布
の対比を示す説明図、第10図は、ずれαの計算方法を示
す説明図、第11図は、最大反射強度の補正の手順を示す
流れ図、第12図は、最大反射強度の補正データの分布の
一例を示す特性図である。１……投光部，２……光束，３……被測定面，４……反射光，５……光検出器，６……増幅器，７……走査回路，８……Ａ／Ｄ変換器，９……演算装置， 10……タイミングコントローラ， 11……出力装置，12……ビームスプリッタ， 13……第２の光検出器， 14……サンプルホールド回路。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭55−124003（ＪＰ，Ａ) 特開昭57−1906（ＪＰ，Ａ)

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】非静止物体の被測定面に光束を照射する投
光部と、被測定面上で反射した反射光を受光する複数個
の光素子を互いに隣接して一次元状に配置して反射光の
強度分布を検出する光検出器と、この光検出器の信号を
増幅する増幅器と、これら一連の増幅器を順次選択走査
して当該光素子の強度を送信する走査回路と、この選択
走査する走査回路からのアナログ信号をデジタル信号に
変換するＡ／Ｄ変換器と、検出した反射光強度分布の中
から最大反射強度値を判別して、予め与えられた正反射
強度と被測定面の表面粗さの関係から表面粗さを演算す
る演算装置と、前記選択走査する走査回路を制御するタ
イミングコントローラと、前記表面粗さを出力する出力
装置とからなることを特徴とする非静止物体の表面粗さ
測定装置。