JPH0739948B2 - 表面粗さ測定装置 - Google Patents

表面粗さ測定装置

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JPH0739948B2
JPH0739948B2 JP63328364A JP32836488A JPH0739948B2 JP H0739948 B2 JPH0739948 B2 JP H0739948B2 JP 63328364 A JP63328364 A JP 63328364A JP 32836488 A JP32836488 A JP 32836488A JP H0739948 B2 JPH0739948 B2 JP H0739948B2
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洋之 内田
彰 虎尾
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川崎製鉄株式会社
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Description

【発明の詳細な説明】 【産業上の利用分野】
本発明は、物体の表面粗さを非接触で光学的に測定する
表面粗さ測定装置に関するものである。
【従来の技術】
一般に、各種物体の表面粗さは、触針式の表面粗さ計を
用いて、その表面プロフイルを解析する方法が用いられ
ている。しかしながら、この方法は、被測定物が静止し
た状態を前提としており、移動する物体を測定すること
は難しく、又、被測定面が傷付くという問題もある。 一方、光学的手法を用いた表面粗さ計は、非接触測定が
可能であるため、従来の触針法では測定できなかった物
体や、オンラインでの粗さ測定に適用された例も少なく
ない。 例えば、出願人が先に提案した特公平4−34682号公報
では、同一波長の光束をなる二つの入射角で被測定面に
投射して、正反射方向の反射光強度(以下、正反射強度
と称する)と全反射量及び入射光強度から、被測定面の
表面プロフイルの振幅情報と周波数情報を求めるように
した金属表面性状測定装置が開示されている。 この公報では、被測定面に投射される光束の波長をλ、
入射角をθ、被測定面の表面プロフイルの高さ分布の標
準偏差をσとして、 (4πσ/λ・cosθ)≦4 を満足するように光束の波長λと入射角θを設定するこ
とにより、被測定面の表面プロフイルの高さ分布の標準
偏差σが、正反射強度から高精度に求められることが示
されている。
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、単一波長の光束を用いて実際に装置化を
行う場合には、反射光を受光する受光器の検出レンジや
分解能の制限により、表面粗さを求めるに十分な感度で
反射光の強度を測定できないという問題がある。 第4図は、単一波長の光束を、冷延鋼板の表面に入射角
75゜で投射したときの、正反射強度と表面の平均粗さRa
の関係を示したものである。第4図より明らかなよう
に、被測定面の表面粗さが小さいときは(第4図では、
Ra=0.4μm以下)、反射光がほとんど散乱せずに正反
射方向に集中するので、正反射強度は表面粗さによら
ず、ほぼ飽和状態を示している。一方、被測定面の表面
粗さが大きいときは(第4図では、Ra=1.4μm以
上)、反射光がほとんど散乱するため、正反射強度の検
出ができなくなる。従つて、表面粗さを精度良く測定で
きる範囲に制限が生じることになる(第4図では、Ra=
0.4〜1.4μm)。 即ち、表面粗さの大きい範囲を測定しようとする場合
は、反射光の受光器は反射光の大きな変化を検出するに
十分な検出レンジを有する必要があるが、この場合に
は、反射光の受光器には、表面粗さの小さい範囲を測定
するために必要となる反射光の微小な変化を検出できる
ような感度が確保されていない。 以上述べた理由により、単一波長の光束を用いた場合に
は、表面粗さの測定範囲に限界が生じることになる。 本発明は、上述のような問題点を解消するべくなされた
ものであつて、物体の表面粗さを広い範囲に渡つて精度
良く測定することが可能な表面粗さ測定装置を提供する
ことを課題とする。
【課題を解決するための手段】
本発明は、被測定面に光束を投射して得られる反射光強
度から前記被測定面の表面プロフイルの振幅情報を求め
る装置において、測定範囲に応じて選択された、互いに
異なる波長を有する、少なくとも2つの光束を被測定面
に投射する投光手段、及び、被測定面の微細形状によ
る、前記各々の光束の回折散乱光を受光する受光手段を
含む光学系と、該受光手段の出力信号に基づいて各入射
光束に対応する回折散乱光の正反射強度を求め、各入射
光束の波長毎に、予め定めた正反射強度と表面粗さの関
係から、前記被測定面の表面粗さをそれぞれ算出し、予
め定めた表面粗さの範囲に応じて最適な値を選択する信
号処理装置と、該選択結果を出力する出力装置とを備え
ることにより、前記課題を達成したものである。
【作用】
被測定面の粗さと正反射強度の関係については、ベック
マン(Beckmann)の理論(注;P.Beckmann他、「The sca
ttering of Electromagnetic Waves from Rough Surfaa
ce」Pergamon Press、1963年発行)や、特公平4−3468
2号公報に述べられている。 前記文献に従つて、被測定面に投射される光束の波長を
λ、入射角をθ、被測定面の表面プロフイルの高さ分布
の標準偏差をσとして、パラメータgを g=(4πσ/λ・cosθ) …(1) と定義する。前記特公平4−34682号公報では、正反射
強度の測定値により誤差±3%以下で標準偏差σの値を
求める条件として、 g≦4 …(2) を与えている。故に、(1)式のパラメータgの定義よ
り明らかなように、被測定面の表面プロフイルの高さ分
布の標準偏差σの値に応じて、光束の波長λ、入射角θ
を設定することにより、(2)式の条件を満たすことが
できる。 又、例えば冷延鋼板の表面のように、被測定面の表面プ
ロフイルの高さ分布が、ほぼ正規分布に従う場合では、 σ=1.25Ra …(3) が成り立つために、標準偏差σの値から表面の平均粗さ
Raを求めることができる。 従つて、被測定面に光束を投射して得られる反射光強度
から、前記被測定面の表面プロフイルの振幅情報を求め
ることが可能となる。 ここで、測定しようとしている表面粗さの範囲が大きい
場合、(2)式の条件に従つて光束の波長λ、入射角θ
を設定しても、反射光を受光する受光器の検出レンジや
分解能の制限によつて、表面粗さの小さい範囲では精度
の高い測定が行えないことは、第4図を用いて説明した
通りである。このため、被測定面の表面粗さの範囲に応
じて、最も精度良く表面粗さが測定できるように、光学
条件を設定しなければならない。装置設計上、設定でき
る光学条件は光束の波長λと入射角θであるが、入射角
θは0〜90deg.以外の値は取り得ないのであるから(θ
を90deg.に近付けることは現実には不可能)、光束の波
長λを測定範囲に応じて選択すればよい。 本発明の装置では、測定範囲に応じて選択された、互い
に異なる波長を有する、少なくとも2つの光束を被測定
面に投射する投光手段を設けることにより、広い範囲の
表面粗さの測定を可能にしている。又、被測定面の微細
形状による、前記各々の光束の回折散乱光を受光する受
光手段としては、例えば、前記各々の光束に対して各1
個の光検出器を用いた構成、投光手段の光束の波長領域
を検出できるような光検出器を走査する構成、複数個の
光検出器を配列したアレイ方式のセンサ用いた構成等が
考えられるが、前記各々の光束の回折散乱光の正反射強
度を的確に測定できるものあれば、どのような構成のも
のでもよい。 信号処理装置は、測定した正反射強度から、表面粗さ算
出に必要な各種演算を行う。例えば、前記受光手段が反
射光の強度分布を測定する構成であれば、強度分布の中
から最大値を選び、この値を正反射強度とするか、正反
射方向の強度のみを選び、正反射強度とする等の演算を
行えばよい。 表面粗さの算出は、理論計算によつて求めることが可能
であり、あるいは、予め実験によつて得られた検量線を
用いて求めることもできる。 更に、光源強度の変動、被測定面の全反射率の変動によ
る測定誤差を補正するために、正反射強度を、対応する
入射光強度信号、あるいは全反射量信号によつて修正演
算することもできる。 各々の光束に対応する表面粗さを求めた後、予め定めた
表面粗さの範囲に応じて、最適な表面粗さを代表として
決定すれば、この値が最も精度の良い測定値となる。こ
のようにして得られた測定値は、出力装置を通じて外部
に表示、伝達される。
【実施例】
以下、図面を参照して本発明の実施例を詳細に説明す
る。 第1図は、波長の異なる2つの光束3A、3Bを用いた本発
明の実施例を模式的に示す説明図である。 この実施例においては、互いに独立した2つの投光部2
A、2Bを用いて、被測定面1の異なる位置に、2つの光
束3A、3Bを投射する。投光2A、2Bとしては、例えば波長
の相異なるレーザ光源を用いることができる。 光束3A、3Bは被測定面1で反射して、それぞれ反射光強
度分布4A、4Bを生じる。 受光手段である、互いに独立した2つの光検出器5A、5B
は、被測定面1の各反射点を中心とした円弧上を走査す
ることにより、反射光強度分布4A、4Bを検出することが
できる。 更に、試料台6は、2つの光束3A、3Bと垂直方向に移動
することにより、被測定面1上の同一点をそれぞれの光
束3A、3Bが順次照射することを可能としている。 なお、この実施例では、受光手段を走査する構成として
いるが、被測定面1が安定していれば、光検出器5A、5B
を正反射方向に固定してもよい。又、被測定面1が振動
するために不安定な状態であれば、光検出器5A、5Bを、
複数個の光検出器を正反射方向を中心として並べたアレ
イ形式のものとして、瞬時に反射光強度分布4A、4Bを測
定するような構成にしてもよい。 第2図は、本実施例の信号処理系統を示すものである。
第2図において、光検出器5A、5Bから発生する信号は、
増幅器7A、7Bにより、A/D変換器8に充分な感度で入力
可能な電気信号にまで増幅される。A/D変換器8は、光
検出器5A、5Bからの信号をデジタル化し、信号処理装置
9に送信する。信号処理部装置9は、これらの信号値か
ら正反射強度値を決定し、被測定面1の表面粗さRaを求
め、その値を出力装置10に送る。 一方、光検出器5A、5Bの走査は、信号処理装置9からの
指示をインターフエイス11を介して、例えばパルスモー
タドライバ12A、12Bに伝達し、光検出器走査の動力とな
る、例えばパルスモータ13A、13Bを駆動することによつ
て行う。 又、試料台6の移動も、同様にして、信号処理装置9か
らの指示をインターフエイス11を介して、例えばパルス
モータライバ14に伝達し、試料台移動の動力となる、例
えばパルスモータ15を駆動することによつて行う。な
お、冷延鋼板の製造工程のように、被測定面1の方が移
動する場合には、試料台6を用いて被測定面1を移動す
る必要がないことは当然である。 次に、前記実施例により実際に表面粗さを測定した例を
示す。この測定例では、投光部2A、2Bとして赤外He−Ne
レーザ(波長λ=3.39μm)と半導体レーザ(波長λ=
0.78μm)を用いて、それぞれ同じ入射角θ=75゜で冷
延鋼板の被測定面1に投射した。 本発明による測定値と、触針式粗さ計によつて得た測定
値を比較した結果を第3図に示す。又、第3図には、従
来の単一波長(λ=0.78μmのみとλ=3.39μmのみ)
を用いた装置によつて得られた結果をも合わせて示す。
特にλ=3.39μmのみによる結果は、従来技術である特
公平4−34682号公報に記載された光学条件を満たす測
定結果である。 第3図より明らかなように、本発明による装置では、測
定範囲が広いにも拘らず精度の良い結果が得られてい
る。触針式粗さ計による測定値からのばらつきの標準偏
差σは、 本発明による結果 σ=0.06μm λ=0.78μmのみによる結果 σ=0.16μm λ=3.39μmのみによる結果 σ=0.14μm となり、数値的にも本発明による効果を確認することが
できた。
【発明の効果】
以上説明した通り、本発明に係る表面粗さ測定装置によ
れば、被測定面の表面粗さが広い範囲に及んでいても、
測定範囲を容易に拡張することができるので、測定範囲
の制限がなくなる。なお且つ、測定精度の劣化を招くこ
とはない等の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測定装置の実施例を模
式的に示す斜視図、 第2図は、前記実施例の信号処理系統を示すブロツク線
図、 第3図は、前記実施例によつて得られる測定値の精度を
示す線図、 第4図は、従来の単一光束を用いた装置によつて得られ
る正反射強度と表面粗さとの関係を示す線図である。 1……被測定面、 2A、2B……投光部、 3A、3B……光束、 4A、4B……反射光強度分布、 5A、5B……光検出器、 9……信号処理装置、 10……出力装置。

Claims (1)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】被測定面に光束を投射して得られる反射光
    強度から前記被測定面の表面プロフイルの振幅情報を求
    める装置であって、 測定範囲に応じて選択された、互いに異なる波長を有す
    る、少なくとも2つの光束を被測定面に投射する投光手
    段、及び、被測定面の微細形状による、前記各々の光束
    の回折散乱光を受光する受光手段を含む光学系と、 該受光手段の出力信号に基づいて各入射光束に対応する
    回折散乱光の正反射強度を求め、各入射光束の波長毎
    に、予め定めた正反射強度と表面粗さの関係から、前記
    被測定面の表面粗さをそれぞれ算出し、予め定めた表面
    粗さの範囲に応じて最適な値を選択する信号処理装置
    と、 該選択結果を出力する出力装置と、 を備えたことを特徴とする表面粗さ測定装置。
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