JPS5897608A - 表面性状測定方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 鮮明度光沢や表面粗さの測定方法および装置（こ関する
。

光沢および表面粗さは物体表面の性質をきめる重要な因
子であり、特に塗膜の仕上り状態の評価においては色と
並んで重要な特性である。光沢度測定法についてはＪＩ
Ｓ，Ｚ−８７４１に規定されており、物理的光沢度とし
て鏡面光沢、対比光沢が、また心理的光沢として鮮明度
光沢が規定されているが、鏡面光沢と対比光沢に比較し
て鮮明度光沢は計量化が最も遅れており、この評価は現
在でも目視による官能評価が生体である。ＪＩＳによれ
ば鮮明度光沢の定義は「裏面に他の物体の像のうつる程
度」であり、 この定義に基づいてい（つかの鮮明度光沢計が考案され
ている。それらのうちの代表的なものの一つはたとえば
実公昭４１−１９０３９号に開示された如（被測定体表
面にうつった種々の大きさの文字パターンの像がどこま
で読み取ることが可能であるかを数値化するものである
が、測定者の個人差により測定値が異なること、測定値
の分解能が悪いことなどの理由によりあまり使用されて
いない。

また、たとえば特開昭５０−１５３９７９に開示されて
いる例は、明暗境界を有するパターンを被測定体表面に
おける反射を介して、結像し、該結像パターンにおける
明暗境界部分の受光強度の変化率により、鮮明度光沢を
数値化するものであるが、この方法においては、被測定
面表面の反射率変動による受光強度変動に測定値が直接
的に影響されること、さらに被測定面の凹凸などの性状
により上記受光強度分布が単調減少とはならず、受光強
度の変化率から鮮明度光沢を数値化するための信号処理
が困難であることなどの問題点を有する。

さらにまた別の例としてたとえば特開昭５２−１３８９
６０に開示された鮮明度光沢計Ｉこつし）で第１図によ
り、その特徴を説明する。＄１図（こ示す光源１、スリ
ット２およびレンズ３からなる光学系により被測定体表
面４に平行光線を４５度または６０度の方向に入射する
。その反射光Ｃま被測定体表面の状態に応じて散乱され
たものとなる。

鮮明度光沢はスリット像の反射光がｉＱ−ン６上でどの
程度鮮明かを光学的に測定するもので、Ａターンの明部
における透過光の最大値をＭ、暗部における最小値をｍ
として次式によって定義される。

Ｃが大きければ鮮明度は高く、小さければ低くなる。し
かしながａこの装置におしＡでも周囲光の影響により測
定値が変化すること、被測定体表面のそり、まがりによ
りパターン投影像が受光器７の受光絞りの位置からずれ
て、測定値が変化または測定不能となることなどの欠点
を有する。

そこで、本発明は、矩形波パターンのエツジがどれだけ
シャープに被測定体表面に写るかによってその表面性状
たとえば鮮明度光沢が評価でき、かつ、矩形波パターン
が被測定体表面における反射を介して結像される結像面
上の光強度分布のシャープさと、被測定体表面に写され
る矩形波ノクターンのエツジのシャープさとが正の強い
相関性があり、しかも上記光強度分布がシャープであれ
ばあるほど、その光強度分布を空間周波数分析すれば高
周波成分が強くなるということに着目してな−したもの
で，矩形波パターンを、被測定体表面における反射を介
して、結像光学系により結像面上に投影結像し、該結像
面上の空間的光強度分布をフーリエ変換し特定空間周波
数における光ノクワー強度の大小によって、被測定体表
面の鮮明度光沢または表面粗さを定量化することにより
、測定者の個人差による影響をなくし、かつ分解能を向
上せしめ得るのみならず、既存の測定法の欠点であつた
被測定面価そり、まがりによる測定値への影響や、被測
定面の反射率の違いによる測定値への影響、さらに周囲
光のレベル変動の影響をきわめて少くして表面性状を正
確かつ簡単に定量化し得る表面性状測定方法を新規に提
供することを目的としている。

また、本発明は後方よりスリットを照明する照明光学系
と、スリットの像を被測定体表面における反射を介して
結像面上に投影結像する結像光学系と、該結像面上の空
間的光強度分布を電気信号に変換する光電素子と、該光
電素子からの空間的光強度分布信号をフーリエ変換し、
特定空間周波数における光パワー強度を計算するデータ
処理系とで構成して、特定空間周波数における光パワー
強度の大小により、被測定体表面の鮮明度光沢または表
面粗さを定量化することにより、表面性状を正確かつ簡
単に定量化し得る装置を新規に提供することを目的とし
ている。

以下、本発明を図示の実施例により詳細に説明する。

第２図に本装置の光学系の一実泥例の構成を示す。光学
台１０上に回転軸コネクタ１１を支点として回動自在に
光学レール１２，１３、微動ステージ１４を配置し、光
学レール１２上にはスリットの長さ方向が紙面と平行と
なるような方向でスリット中が０．１〜２聰の範囲で可
変できるスリット１６と、該スリット１６を照明する光
源“１５を配置し、光学レール１３上には投影結像レン
ズ１９と、−次元固体イメージセンサ２０（たとえば２
８ＩＩｍかんか（で１列に配列した５１２個のフォトダ
イオードからなるフォートダイオードアレイ）を受光部
が紙面と垂直な方向に配列するような方向に配置する。

光学レール１２・１３は測長目盛を備えており、該光学
レール１２．１３上に進退目在に配置される光源１５、
スリット１′６、投影結像レンズ１９、−次元固体イメ
ージセンサ２０の位置が読み取り可能な構造となってい
る。

また光学レール１２．１３は回転軸コネクタ１１に連結
されており、微動ステージ１４の矢印■で示す移動方向
と光学レール１２とのなす角〆、および微動ステージ１
４の移動方向と光学レール１３のなす角はそれぞれ２０
〜８０度の範囲で設定’Ｔ　ｋ　ｆｉ槽構造あり、設定
された角度は回転軸コネクタに目盛られた角度目盛によ
り読み取り可能である。微動ステージ１４には試料ホル
ダ１７が装着されており、該試料ホルダ１７には被測定
体１８がその表面方向が微動ステージ１４の移動方向と
略直角な方向になるよう取り付けることができる。

スリット１６における空間的光強度分布は理想的な矩形
波と考えてよいが、この理想的な矩形波パターンを被測
定体１８の表面における反射を介して投影結像レンズ１
９により投影結像した場合、被測定体１８の表面状態に
応じた拡散または散乱し、理想的な矩形波の波形がくず
れたものとなるか、被測定体として塗膜を用いた場合の
実例を第３図に示す。第３図の横軸は一次元固体イメー
ジセンサ２０が配置されている投影結像面の紙面に垂直
な方向の空間的距離を示し、たて軸は光強度を示してい
る。

この投影結像パターンを数値化する手法として、投影結
像パターンの明部と暗部の境界部分が鋭く変化している
パターンはど空間的高周波数成分強度が強くなるという
フーリエ級数展開の理論を応用することにを目し、空間
的光強度分布をフーリエ変換し、直流成分強度で規準化
したパワースペクトルを計算し、該パワースペクトルの
特定周波数におけるパワー強度を鮮明度光沢値として用
いている。第４図に第３図に示した空間的光強度分布デ
ータ例より計算されたパワースペクトルデータ例を示す
。第４図の横軸は、空間周波数を示し、たて軸は直流成
分強度を１としたパワー強度を示しており、また第４図
に示すＡ　、Ｂ　、Ｃのデータは第３図に示すＡ、Ｂ、
Ｃのデータに対応している。これにより、第４図に示す
如く、適宜な空間数 周＠、、ｆ　ｘにおける光パワー強度の大小によって鮮
明度光沢を定量化することができる。

また、第５・６・７図は結像パターンか単一スリットの
場合で夫々スリット中を０．１ｍ　＋　０．２ｍ。

０．４朋とし、結像倍率を１，８倍、被測定体表面にと 対する投光角および受光角を４５度した場合のデ△ −夕例である。このデータ例により、鮮明度光沢の検出
性のよい空間周波数は理想的鏡面において、結像面上に
結像されるべきスリット像の巾の２倍に示すスリット巾
を１綱とし、投光角および受光角が７０度であって、結
像倍率が１．３倍の場合のデータ例においては、検出性
のよい周波数は上記〜９図中の各曲線は夫々各被測定体
の表面性状を表わす。

さらに、パワースペクトルにより鮮映度光沢を測定する
という本発明の方法は次のような多くの特長を有してお
り、実用上有利な方法である。即ち第３図において、投
影結像パターンの位置は、−次元固体イメージセンサ２
０の測定ウィンドウ内にあれば、その位置に関係なくパ
ワースペクトルは原理的には同一となること、また受光
強度が変化してもパワースペクトルは原理的には同一に
なるという性質があり、被測定体表面の反射率の違いに
よる反射装置の変化や、被測定体表面のそり、まがりな
どによる投影結像パターンの位置の移動などの影響をき
わめて少くして、投影結像パターンの形状のみの情報を
抽出するという特長を有しており、これらの特長は本発
明の方法による鮮明度光沢測定装置を具体的に構成する
場合に有利な点となる。

また、上記実厖例では単一スリットの光強度分布をフー
リエ展開して、特定空間周波数に対するパワ強度を求め
たが、複数スリットに対する光強度分布をフーリエ展開
して、特定空間周波数に対するパワ強度求め、このくり
返しデータにより光沢鮮明度を゛測定するようにしても
よい。

次に、投影結像パターンの空間的光強度分布を検出し、
演算処理をする為のデータ処理系について第１０図に示
す一実施例のブロック図を参照しながら詳細に説明する
。−次元固体イメージセンサ２０により光電変換された
空間的光強度分布信号は、−次元固体イメージセンサ２
０の駆動および信号読み出しと増巾の機能を持つ制御回
路２２をへて、空間的光強度分布のモニター装置２１へ
と送られ空間的光強度分布がモニターされると共ニマイ
クロコンピュータ２４のインターフェース２３へ送られ
る。マイクロコンピュータ２４よりの指令信号により、
インターフェース２３において、パルス状信号である空
間的光強度分布信号がサンプルホールドされ、さらにア
ナログ−ディジタル変換されて、インターフェース２３
内のバッファメモリに記憶される。次にマイクロコンピ
ュータ２４はインターフェース２３内のバッファメモリ
に記憶されている空間的光強度分布データを読み出し、
パワースペクトルの計算など必要な処理をして、その結
果を必要に応じて、プリンタ２５やグラフィックディス
プレイ装置２６、さらにグラフィックハードコピー装置
２７等へ出力することができる。

マイクロコンピュータ２４により鮮明度光沢値を計算す
る場合において、空間周波数全域におけるパワースペク
トルの計算は必すしも必要ではなく、測定されるべき鮮
明度光沢の範囲に応じて、特定範囲または特定空間周波
におけるパワー強度のみを計算してもよい。

またマイクロコンピュータ２４は一次元固体イメージセ
ンサ２０より得られた空間的光強度分布データより鮮明
度光沢値を計算するのみでなく、プログラムにより、投
影結像倍率を計算させることも可能であり、表示される
倍率により光学系の位置調整が可能であり、必要なら位
置調整を自動化することも可能である。さらにマイクロ
コンピュータ２４はプログラムにより焦点位置の検出を
することも可能で、表示される焦点位置情報により、投
影結像レンズ１９と一次元固体イメージセンサ２０より
なる結像光学系または被測定体１８が取り付けられた試
料ホルダー１７の位置調整が可能で、必要なら位置調整
を目動化することも可能である。

第１１図に、本発明の装置において特定空間周波数に対
するパワー強度に基すいて数値化して測定した塗膜面の
鮮明度光沢と目視評価の対応データの一例を示す。！１
１図において、横軸は目視評価値を示し、たて軸は本発
明装置による測定値を示している。これより、両者は相
関性が高いことが分かる。

次に、本発明による表面粗さ測定について述べる。物体
表面の光沢と表面粗さとの間には密接な関連があること
が予測される為、本発明の鮮明度光沢測定装置による測
定値と表面粗さとの関連について検討した。ある塗膜を
被測定体としたー測定例を第１２図に示す。第１２図に
おいて、横軸は触針式粗度計による平均粗さ、たて軸は
本発明の装置による測定値であり、図中のＡ・Ｂはスリ
ット中の違いを示しているが、第１２図でも明らかなど
と（、平均粗さと測定値とは一定の関係があり、本発明
の装置は表面粗さ測定装置としても使用可能であること
を示しており、特に触針式粗度計では測定不可能である
軟質な物体表面などの粗さも、非接触で測定可能な特徴
を有している。

しかしながら、１ｉｌＺ図でも示唆されるごとく測定さ
れる表面粗さ域に応じて、スリット中を適切に設定する
ことが望ましい。すなわち、平均粗さが大きい場合には
、スリット中を第１２図中曲線Ｂに示す如く大きく、平
均粗さが小さい場合には、スリット中を第１２図中曲線
Ａに示す如く小さく設定するのが望ましい。これらの知
見をもとに、本発明の装置の特性について、種々の実験
的検討を加えた結果、鮮明度光沢、表面粗さいずれの測
定においても、被測定体表面の鮮明度光沢１４表面粗さ
の検出域を設定し、その検出域に応じた適切な光学系の
構成、即ちスリット中の設定、投光角、受光角の設定、
および投影結像倍率の設定が望ましいことが明らかとな
り特許請求の範囲第＋３１　＋４１＋５１項に記載した
軸回を備えていれば実用上充分であることが明らかとな
った。

さらに本発明の特徴の一つである非接触測定が可能なこ
とに看目し、本発明による鮮明度光沢測定装置および表
面粗さ測定装置の有用性をさらに増加せしめる装置につ
いて以下第１３図に示す一実雁例にもとづき詳細に説明
する。第１３図において被測定体１８が取り付けられた
試料ホルダー１７を収納することの可能なチャンバー３
０を設け、被測定体１８と試料ホルダー１７を外気より
分離可能とする。該チャンバー３０には光学ガラスより
なる測定用窓３１．３２と図示しないが被測定体１８を
チャンバー３０より出し入れする為の扉を有している。

チャンバー３０はフィルター３３、ダクト３４、送風機
３５をへて恒温恒湿器３６と接続されており、第１３図
には明示しないがダクト３４とチャンバー３０との接続
はチャンバー３０内において空気流が紙面と垂直の方向
に流れるような構造になっており、試料ホルダー１７に
よって空気流が阻害されることが少ない構造となってい
る。また該チャンバー３０内には風速、風温、湿度を検
出する為の風速センサー４１、風温センサー４２、湿度
センサー４３が設けられており、該各センサーからの出
力は信号変換器４４へ送られ、所定の電気信号に変換さ
れた後、記録計４５へ送られて記録されると共に、送風
機回転数制御装置４６、温湿度制御装置４７へ送られる
。

温湿度制御装置４７は図示しないが加熱器、冷却機、加
湿機を操作して、恒温恒温器３６内の空気を所定の温湿
度状態に制御する一方、送風機回転数制御装置４６は、
チャンバー３０内の空気流速が所定の流速になるよう送
風機３５の回転数を制御する。

上述のような構成により、チャンバー３０内に所定の温
湿度の空気を所定の流速で流通させることが可能となる
。この装置を用いることにより、鮮明度光沢や表面粗さ
が環境条件により影響を受け、かつ非接触測定が必要な
場合の測定、典型的な例としては、被塗物に塗付された
塗料層表面の乾燥による鮮明度光沢または表面粗さの時
間的変化の追跡が可能となり、塗膜の仕上り表面性状に
大きな影響を与える塗膜の乾燥挙動の解析や塗装作業条
件の影響把握などに非常に有効で争ある。

以上の説明で明らかとなったごと（、本発明による鮮明
度光沢および表面粗さの表面性状の測定の方法および装
置は、人間が目視評価を実施する場合の最も一般的な方
法であり、またＪＩＳ−Ｚ−８７４１にも定義されてい
る「表面に他の物体の像のうつる程度」に忠実に定量的
評価をするものであると共に、従来の方法の欠点である
被測定体表面の反射率による影響や、被測定体表面のそ
り、まがりによる影響をきわめて少くすることが可能な
優れた特長を有する。また結像面に設置された一次元固
抹イメージセンサにより検出された光強度分布信号を演
算処理することにより投影結像倍率の調整、焦点位置の
調整の操作を正確かつじん速に実施することが可能であ
るという特長もあわせ持つものであり、これらの総合的
効果として優れた測定再現精度を得ることが可能である
。

さらにスリット巾、投光角、受光角および投影結像倍率
を可変できることにより広い範囲の鮮明度光沢および表
面粗さの測定が可能であること、さらにまた本発明の実
施は高価な光学素子を必要とせず安価な光学素子を用い
て構成可能であることなど数々の利点を有するものであ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は公知の鮮明度光沢測定装置の原理的構成を示す
図、第２図、第１３図は本発明の装置の実施例を示す図
、ｊｌＢ図は結像面の空間的光強度分布をあられす図、
第４図は第３図の空間的光強度分布のパワースペクトル
をあられす図、第５．６゜７、８．９．図は夫々他の測
定例のパワースペクトルをあられす図、第１０図は本発
明の一実施例のデータ処理装置のブロック図、第１１図
は本発明の装置による測定値と鮮明度光沢の目視評価値
との対応関係を示す図、第１２図は本発明の装置による
測定値と触針式粗度計による平均粗さとの対応関係を示
す図である。 １０・・・光学台、１２．１３・・・光学レール、１５
・・・光源、１６・・・スリット、１８・・・被測定体
、２０・・・１次元固定イメージセンサ。 特　許　出　願　人　日本ペイント株式会社代理人弁理
士青山　葆はが２名 第６図 宇関用ＡＩ！；Ｌ（〆昂去） 第７図 ０２４６８１０１２１４１６旧２０２２２４２６７−’
ｔつ字間＠安に（Ｘ烏合：・ 第８図 ’２’ｌ［麦狡（Ｘ冊り吾） 第９図 ｐｉ濠板（Ｘ諧眉−去）

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. （１）矩形波パターンを、被測定体表面における反射を
   介して、結像光学系により結像面上に投影結像し、該結
   像面上の空間的光強度分布をフーリエ変換し特定空間周
   波数における光パワー強度の大小により、被測定体表面
   の鮮廚度光沢または表面粗さを定量化するようにしたこ
   とを特徴とする表面性状測定方法。
2. （２）後方よりスリットを照明する照明光学系と、スリ
   ットの像を被測定体表面における反射を介して結像面上
   に投影結像する結像光学系と、該結像面上の空間的光強
   度分布を電気信号に変換する光電素子と、該光電素子か
   らの空間的光強度分布信号をフーリエ変換し、特定空間
   周波数における光パワー強度を計算するデータ処理系よ
   り構成される鮮明度光沢または表面粗さを測定する装置
   。
3. （３）上記特許請求の範囲第２項に記載の装置において
   、スリットの巾を０．１〜２ｒｍの範囲で可変できる機
   構を備えることを特徴とする装置。
4. （４）上記特許請求の範囲第２項に記載の装置において
   、被測定体表面に略垂直で、スリットを照明する照明系
   とスリットを含む光学系の光軸と、スリット像を投影結
   像する結像光学系の光軸とを含む平面において、被測定
   体表面の垂線と照明系とスリットを含む光学系の光軸と
   のなす投光角および被測定体表面の垂線と結像光学系の
   光軸とのなす受光角をそれぞれ２０〜８０度の範囲で可
   変できる機構を備えることを特徴とする装置。
5. （５）　　上記特許請求の範囲第２項に記載の装置にお
   いて、スリットの像を被測定体表面における反射を介し
   て投影結像する場合の投影結像倍率を０５〜２０倍の範
   囲で可変できる機構を備えることを特徴とする装置。
6. （６）　　上記特許請求の範囲第２項に記載の装置にお
   いて、結像面におけるスリット像の空間的光強度分布信
   号により焦点検出し、目動的に被測定体または、結像光
   学系および光電変換素子を合焦点位置に移動させる機構
   を備えることを特徴とする装置。
7. （７）上記特許請求の範囲第２項に記載の装置において
   、被測定体のおかれる空間の温度、湿度、′風速を制御
   できる機構を備えることを特徴とする装置。