WO2013179957A1

WO2013179957A1 - 表面形状測定方法および表面形状測定装置

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Publication number: WO2013179957A1
Application number: PCT/JP2013/064150
Authority: WO
Inventors: 嘉之梅垣; 学原園
Original assignee: Ｊｆｅスチール株式会社
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2013-05-22
Publication date: 2013-12-05
Also published as: US20150106056A1; JP2013246125A; KR101659675B1; JP5365727B2; CN104350358A; KR20140132407A; CN104350358B; US10466039B2

Abstract

　本発明の表面形状測定方法は、物体の表面を走査して取得した変位データを探索して物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）と、概略範囲に含まれる溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝始点と溝終点の中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、最深位置検出ステップで算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とを含むことを特徴とする。

Description

表面形状測定方法および表面形状測定装置

　本発明は、物体の表面に加工された溝(groove)の寸法を測定する表面形状測定方法および表面形状測定装置に関する。

　物体の表面に凹凸パターンの加工を施し、この凹凸パターンにより物体が持つ機能を向上させる技法が数多く存在する。例えば、電磁鋼板(electrical　steel　sheet)では、表面に微小な溝加工を行うことにより、その電磁鋼板の鉄損(iron　loss)を低減化する技法が知られている。このような物体が持つ機能を向上させるために行う物体の表面加工では、表面に加工される凹凸パターンの形状がその物体の品質に直接的に影響する。このため、表面に加工される凹凸パターンの形状を精度よく測定することは、製造工程の管理および製品品質の保証を行う際に非常に重要となっている。

　例えば特許文献１には、製造ライン上で物体表面の凹凸形状を連続的に測定する表面形状測定方法が記載されている。この表面形状測定方法は、物体に対して相対的に移動するように配置された変位計(displacement　meter)により、変位計と物体との間の変位量を測定して断面形状を取得し、このように取得した断面形状から凹凸の深さ（または高さ）および幅を算出するものである。

　また、特許文献２には、光学式変位計(optical　displacement　meter)（レーザ変位計）を用いる表面形状測定方法において、変位信号(signal　of　displacement)に加えて反射光強度信号(signal　of　reflection　intensity)に基いて溝の深さおよび幅の測定を行う技術が記載されている。特許文献２に記載の技術は、溝の傾斜部にて検出される変位信号の異常値を反射光強度信号に基いて排除し、溝の深さおよび幅の測定を行う技術である。

特開平１０－８９９３９号公報特開２０１１－９９７２９号公報

　しかしながら、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、光学式変位計から得る情報として変位信号の他に反射光強度信号をも必要とする。そのため、特許文献２に記載の表面形状測定方法は、反射光強度信号の出力がない光学式変位計や、照射光の強度や受光ゲイン(photodetector　gain)を調整して十分な反射光強度を得るようにした機能を持つタイプの光学式変位計には適用され得ない。

　また、微小な溝の形状を三角測距(triangulation)式の光学式変位計で測定する場合、溝の傾斜部では受光量が不足して測定値が不安定になりやすいという問題に加え、照射光や受光ゲインの調整を行うタイプの変位計では、受光量不足にはなり難い代わりに、溝の傾斜部への照射光が溝の内部で多重反射した２次的な反射光も受光することにより、溝傾斜部の形状が誤認識される現象が発生する。このような誤認識が発生した場合、実際の溝の深さよりも深い異常な変位が観測されることが多く、特許文献１に記載の表面形状測定方法では、直接的に溝の深さの誤測定となってしまう問題があった。

　また、鋼板の表面を光学式変位計で測定した場合、表面に加工された溝の寸法に対して比較的大きなノイズが生じることがある。その場合、特許文献１に記載の表面形状測定方法では、溝形状（凹形状）とは逆の凸方向に生じるノイズによって溝の位置の検出を誤りやすい問題がある。

　本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、その目的は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる表面形状測定方法および表面形状測定装置を提供することを目的とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定方法は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、前記最深位置検出ステップで算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むことを特徴とする。

　上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の表面形状測定装置は、物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出部と、前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出部と、前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出手段と、前記最深位置検出手段で算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出手段とを備えることを特徴とする。

　本発明にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置は、変位計で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、物体表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができるという効果を奏する。

図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置の構成例を示す概略図である。図２Ａは、鋼板上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光の反射の様子を表現した模式図である。図２Ｂは、鋼板上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光の反射の様子を表現した模式図である。図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置の内部処理を示す機能ブロック図である。図４は、溝概略範囲抽出部が抽出する溝概略範囲における変位データを示すグラフである。図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法を示すフローチャートである。図７Ａは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。図７Ｂは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。図７Ｃは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートである。図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の様子を示す概念図である。図１０は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートである。図１１Ａは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の様子を示す概念図である。図１１Ｂは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の様子を示す概念図である。

　以下に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置について図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に説明する実施形態により本発明が限定されるものではない。

［表面形状測定装置］
　図１は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１の構成例を示す概略図である。本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、製造ライン上を搬送される鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を測定する装置である。図１に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定装置１は、変位計ヘッド２と、変位計コントローラ３と、信号処理装置４と、ロータリエンコーダ(rotary　encoder)５と、表示装置６とを備える。

　変位計ヘッド２は、内部にレーザ光源(laser　light　source)２１と、集光レンズ(condenser　lens)２２と、光ポジションセンサ(optical　position　sensor)２３と、結像レンズ(imaging　lens)２４とを備えた三角測距式の変位計である。レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５は、集光レンズ２２を介してスポット(spot)光もしくはスリット(line)光として鋼板Ｓの表面に照射され、鋼板Ｓからの反射光２６は、結像レンズ２４を介して光ポジションセンサ２３の受光面に結像される。

　図１に示されるように、変位計ヘッド２は、レーザ光源２１から射出されたレーザ光２５を鋼板Ｓに対して垂直に照射し、光ポジションセンサ２３にて反射光２６を一定の角度をなして検出する構成である。この構成の場合、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離が変化すると、光ポジションセンサ２３に結像される反射光２６の受光位置が変化する。すなわち、図１に示される表面形状測定装置１は、光ポジションセンサ２３における反射光２６の受光位置を読み取ることにより、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を測定する構成である。

　変位計コントローラ３は、変位計ヘッド２への電源供給とヘッド内部の構成部品への制御信号出力とを行いながら、光ポジションセンサ２３の出力信号を読み取り、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。その後、変位計コントローラ３は、算出された鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を変位信号Ｓ_１として信号処理装置４へ出力する。

　光ポジションセンサ２３には、例えばＰＳＤ（Ｐｏｓｉｔｉｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｅ　Ｄｅｔｅｃｔｏｒ）、ＣＣＤ、ＣＭＯＳなどの受光素子(photodetector)が用いられる。光ポジションセンサ２３としてＰＳＤを用いた場合、反射光２６を受光した受光素子の両端から２つの電流Ｉ_１およびＩ_２が出力される。変位計コントローラ３は、この２つの電流Ｉ_１およびＩ_２を用いて（Ｉ_１－Ｉ_２）／（Ｉ_１＋Ｉ_２）を算出し、この値から反射光２６を受光した重心位置を求める。また、光ポジションセンサ２３としてＣＣＤまたはＣＭＯＳを用いた場合、これらの受光素子は小さなフォトダイオードのアレイであるので、受光素子上の受光強度分布が得られる。その場合、変位計コントローラ３は、受光強度分布の重心位置またはピーク位置等により鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を算出する。

　信号処理装置４は、変位計コントローラ３から出力された変位信号Ｓ_１と、鋼板Ｓを搬送するローラに設けられたロータリエンコーダ５から出力されたパルス信号Ｓ_２とから、鋼板Ｓ全体における鋼板Ｓの変位データを復元し、この変位データから鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状を算出する装置である。ここで言う鋼板Ｓの変位データとは、鋼板Ｓの表面における垂直方向の変位量に関するデータである。つまり、鋼板Ｓの変位データは、鋼板Ｓの表面と変位計ヘッド２との間の距離を、ある基準となる距離からの差を算出することにより求められるデータである。

　なお、図１に示される表面形状測定装置１は、紙面の都合上、単一の変位計ヘッド２のみを備えるものとして図示されているが、複数の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に配列すれば、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。また、単一の変位計ヘッド２を鋼板Ｓの幅方向（図中Ｚ方向）に走査可能に構成することによっても、信号処理装置４は、鋼板Ｓ全体における変位データを復元することができる。

　表示装置６は、信号処理装置４が算出した鋼板Ｓの表面に加工された溝の形状（特に溝幅および溝深さ）を表示する装置である。例えば、表示装置６は、ＣＲＴ画面表示装置であり、オペレータが鋼板Ｓの上に加工された溝の形状が規定どおりであるか否かを判別するのに用いられる。

　ここで、図２を参照しながら、鋼板Ｓ上に加工された溝１１に照射されたレーザ光２５が反射する際の様子を説明する。

　図２Ａおよび図２Ｂは、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の反射の様子を表現した模式図である。図２Ａは、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５の多重反射による反射光２６の軌跡を表現した模式図であり、図２Ｂは、図２Ａの矢印Ｖの方向から見た図であり、多重反射による反射光２６が、光ポジションセンサ２３に溝の深さを誤認識させる仕組みを示した模式図である。

　図２Ａに示されるように、鋼板Ｓ上に加工された溝の傾斜部へ照射されたレーザ光２５は、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ_１）でのみ反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ａと、溝１１の傾斜部（図中位置Ｐ_１）で反射した後に底部（図中位置Ｐ_３）でさらに反射して光ポジションセンサ２３へ入射する反射光２６ｂとがある。そして、図２Ａに示されるように、傾斜部（図中位置Ｐ_１）で反射した反射光２６ａの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ_２）と、底部（図中位置Ｐ_３）で反射した反射光２６ｂの光ポジションセンサ２３における受光位置（図中位置Ｐ_４）とでは、光ポジションセンサ２３上の位置が異なっている。

　その結果、図２Ｂに示されるように、従来の表面形状測定装置では、鋼板Ｓ上に加工された溝１１の深さを誤認識することがある。図２Ｂに示されるように、三角測距法では、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ_２である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_１であると認識し、光ポジションセンサ２３における受光位置が図中位置Ｐ_４である場合、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_５であると認識される。その結果、三角測距法では、多重反射が発生してしまうと、本来の鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_１であるにも拘らず、鋼板Ｓの高さ（または深さ）の位置が図中位置Ｐ_５であると誤認識してしまうのである。

　そこで、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置では、信号処理装置４における信号処理方法に工夫をすることにより、多重反射による誤認識を排除する。

［信号処理装置］
　図３は、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４の内部処理を示す機能ブロック図である。図３に示されるように、本発明の実施形態にかかる信号処理装置４は、変位データ取得部４１と、第１フィルタ処理(filtering)部４２と、溝概略範囲検出部４３と、溝概略範囲抽出部４４と、第２フィルタ処理部４５と、溝幅算出部４６と、溝深さ算出部４７とを備える。

　変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から変位信号Ｓ_１を受信してＡ／Ｄ変換(analog-to-digital　conversion)などを行うと同時に、ロータリエンコーダ５からは鋼板Ｓが一定距離進む毎に発生するパルス信号Ｓ_２を受信して鋼板Ｓの走行速度あるいは走行位置を解析する。その結果、変位データ取得部４１は、変位計コントローラ３から受信した変位信号Ｓ_１から鋼板Ｓ上の変位データＹ_０（Ｘ）を復元する。ここで、Ｘは鋼板Ｓ上の搬送方向の位置座標を意味し、Ｙは鋼板Ｓの高さ方向の位置座標を意味する（図１参照）。なお、鋼板Ｓには、幅方向の位置座標Ｚも存在するが、以下の説明では、幅方向の位置座標Ｚを一点に固定して説明を行う。

　変位データＹ_０（Ｘ）における鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸは、Ａ／Ｄ変換の一定の時間間隔とロータリエンコーダ５が発生するパルス信号Ｓ_２の時間間隔とにより定まる。ロータリエンコーダ５が発生するパルス信号Ｓ_２の間隔は、その時間間隔中に鋼板Ｓが進む距離を意味し、Ａ／Ｄ変換の時間間隔は、変位データＹ_０（Ｘ）のサンプル点が生成される間隔を意味する。よって、Ａ／Ｄ変換の時間間隔の間に含まれるパルス信号Ｓ_２の頻度により、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸが定まる。なお、ロータリエンコーダ５からのパルス信号Ｓ_２の時間間隔が十分に短い間隔であれば、変位データ取得部４１は、このパルス信号Ｓ_２に同期してＡ／Ｄ変換を行うことにより、鋼板Ｓ上のサンプル点間隔ΔＸを定めることもできる。

　第１フィルタ処理部４２は、変位データ取得部４１で取得した変位データＹ_０（Ｘ）に対して、必要に応じてフィルタ処理を行って第１フィルタ後の変位データＹ_１（Ｘ）を生成する。変位データＹ_０（Ｘ）には、鋼板Ｓ表面の粗さ等に起因する測定ノイズが含まれるので、こういったノイズ除去の目的で、移動平均(moving　average)フィルタなどの線形ローパスフィルタ(low-pass　filter)、あるいはメディアン(median)フィルタを適用する。さらには、複数のフィルタを組み合わせても良い。

　また、変位データ取得部４１で取得した変位データＹ_０（Ｘ）は、溝断面形状に比べて比較的長周期の振動成分も含むことが多い。この比較的長周期の振動成分は、鋼板Ｓのパスライン変動(fluctuation　of　the　path　line)や測定系の機械振動により発生する。この比較的長周期の振動成分を除去するため、第１フィルタ処理部４２にハイパスフィルタ(high-pass　filter)をさらに組み合わせることも可能である。なお、フィルタ次数(filter　oder)（移動平均フィルタでは平均値を計算する範囲のサイズ、メディアンフィルタでは中央値を計算する範囲のサイズ）は、鋼板Ｓ上での影響範囲が一定となるように決定される（つまり、サンプリング間隔ΔＸに反比例させる）。このようにフィルタ次数を決定することにより、サンプリング間隔ΔＸが異なる場合でもフィルタの効果を同じに保つことが可能となる。

　溝概略範囲検出部４３は、第１フィルタ処理部４２にてフィルタ処理した変位データＹ_１（Ｘ）より溝の概略範囲を検出する手段である。溝の概略範囲とは、溝の凹形状の立下り始める位置（立下り点：Ｘ_ｄ）から立上りが完了する位置（立上り点：Ｘ_ｕ）までの区間であり、同区間中には単一の溝断面形状が含まれる。溝概略範囲検出部４３が行う溝の概略範囲を検出する方法は、第１フィルタ処理部４２にてフィルタ処理した変位Ｙ_１（Ｘ）の局所的変化量を分析することにより実行される。この変位Ｙ_１（Ｘ）の局所的変化量を分析する方法は、図６および図７Ａ～Ｃを参照しながら、後に詳述するものとする。

　溝概略範囲検出部４３にて溝概略範囲（すなわち立下り点Ｘ_ｄから立上り点Ｘ_ｕまでの範囲）が検出された後、溝概略範囲抽出部４４が、溝概略範囲を含む所定の範囲を変位データＹ_０（Ｘ）から抽出する。具体的には、溝概略範囲抽出部４４は、溝概略範囲の始点を概略始点Ｘｓおよび終点を概略終点Ｘ_ｅとした場合、Ｘ_ｓ＝Ｘ_ｄ－Ｄ_ｓｕｒｆからＸ_ｅ＝Ｘ_ｕ＋Ｄ_ｓｕｒｆまでの範囲を抽出する。ただし、Ｄ_ｓｕｒｆ（＞０）は所定の値である。図４は、溝概略範囲抽出部４４が抽出する溝概略範囲内の位置Ｘにおける変位データＹ_０（Ｘ）を示すグラフである。図４に示されるように、変位データＹ_０（Ｘ）における概略始点Ｘ_ｓから立下り点Ｘ_ｄおよび立上り点Ｘ_ｕから概略終点Ｘ_ｅの範囲は、溝（立下り点Ｘ_ｄから立上り点Ｘ_ｕ）前後における、本来の鋼板Ｓの表面の高さを示している。

　溝概略範囲抽出部４４により溝概略範囲が抽出された変位データＹ_０（Ｘ）は、（必要に応じて）第２フィルタ処理部４５により第２のフィルタ処理が施され、第２フィルタ後の変位データＹ_２（Ｘ）が生成される。

　溝概略範囲が抽出された変位データＹ_０（Ｘ）に施されるフィルタは、以降の処理において検出した溝の溝幅および溝深さを算出するためのノイズ除去を目的とするものである。したがって、第２フィルタ処理部４５には、溝のエッジ部において形状が保存されやすい（形状の鈍りが少ない）メディアンフィルタが最も好適である。レーザ変位計の特性によっては、第２フィルタ処理部４５に移動平均フィルタ等の線形のローパスフィルタなどを用いることも好適である。

　次に、第２フィルタ処理部４５においてノイズ除去された変位データＹ_２（Ｘ）は溝幅算出部４６へ送られて、溝幅算出部４６が溝の概略範囲に含まれる溝の溝幅を算出する。溝幅算出部４６が溝の溝幅を算出する方法は、後に図８および図９を参照しながら説明する。

　一方、第２フィルタ処理部４５においてノイズ除去された変位データＹ_２（Ｘ）は溝深さ算出部４７へ送られて、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出する。この際、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出するために、概略範囲に含まれる溝の始点Ｘ_ｍｓおよび終点Ｘ_ｍｅの情報が必要となる。そこで、溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した溝の始点Ｘ_ｍｓおよび終点Ｘ_ｍｅの情報を取得する。

　さらに、溝深さ算出部４７が溝の概略範囲に含まれる溝の深さを算出するために、鋼板Ｓの表面の高さＹ_ｓｕｒｆの情報も必要となる。溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した鋼板Ｓの表面の高さＹ_ｓｕｒｆの情報を取得することもできるし、変位データＹ_２（Ｘ）から直接算出することもできる。なお、溝深さ算出部４７は、溝幅算出部４６が算出した溝の始点Ｘ_ｍｓおよび終点Ｘ_ｍｅの情報を取得するのではなく、溝概略範囲検出部４３が検出した溝概略範囲の始点Ｘ_ｄおよび終点Ｘ_ｕの情報を取得することでも同様の機能を果たすことができる。溝深さ算出部４７が溝の深さを算出する方法は、後に図１０から図１１Ｂを参照しながら説明する。

　溝幅算出部４６および溝深さ算出部４７によって鋼板Ｓの溝の溝幅Ｗおよび溝深さＤが算出された後、この溝幅Ｗおよび溝深さＤは、表示装置６によって表示される。

［表面形状測定方法］
　次に、図５から図１１Ｂを参照しながら、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。

　図５は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法の全体の流れを示すフローチャートである。図５に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法は、大きく分けて、変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）と、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とを有する。変位データ取得ステップ（ステップＳＴＰ１）は表面形状測定方法の前提となる通常の処理であるので、以下では、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）と、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）と、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）とに分けて、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法について説明する。

　図６は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法を示すフローチャートであり、図７Ａ～Ｃは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の様子を示す概念図である。図８は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法を示すフローチャートであり、図９は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の様子を示す概念図である。図１０は、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法を示すフローチャートであり、図１１Ａおよび図１１Ｂは、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の様子を示す概念図である。

　以下、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）についての説明を行う。図６に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法では、溝概略範囲検出部４３が立下り点の探索を行い（ステップＳ１）、さらに立上がり点の探索を行う（ステップＳ２）。ステップＳ１およびステップＳ２にて、溝概略範囲を示す形状の立下り点および立上り点は変位データＹ_１（Ｘ）の局所的変化量により、以下のように決定される。

　すなわち、図７Ａに示されるように、溝概略範囲検出部４３は、変位データＹ_１（Ｘ）の一方（例えば鋼板Ｓの搬送方向）より立下り点の探索を行う場合（図中区間Ｓ_Ｄ）、現在の探索位置（Ｘ）と一定距離（Ｄ_ｄｉｆｆ（ただしＤ_ｄｉｆｆ＞０））だけ進んだ位置の変位データＹ_１の差が所定値（－Ｙ_ｄｉｆｆ（ただしＹ_ｄｉｆｆ＞０））以下となる位置を立下り点Ｘ_ｄと定める（図中位置Ｐ_６）。

　上記立下り点Ｘ_ｄを数式で表現した場合、下記（数式１）を満たす初めての点Ｘが立下り点Ｘ_ｄである。なお、（数式１）の左辺は変位の局所的変化量を示している。
　　Ｙ_１（Ｘ＋Ｄ_ｄｉｆｆ）－Ｙ_１（Ｘ）≦－Ｙ_ｄｉｆｆ　（数式１）

　さらに、図７Ａに示されるように、溝概略範囲検出部４３は、立下り点を検出した位置から立上り点の探索を開始する（図中区間Ｓ_Ｕ）。溝概略範囲検出部４３は、一定距離Ｄ_ｄｉｆｆだけ離れた２点を比較しながら探索し、下記（数式２）を満たすＸ（図中位置Ｐ_７）を経過した後、下記（数式３）を満たすＸ（図中位置Ｐ_７）を検出し、そして位置Ｘ_ｕ＝Ｘ＋Ｄ_ｄｉｆｆを立上り点と定める（図中位置Ｐ_９）。
　　Ｙ_１（Ｘ＋Ｄ_ｄｉｆｆ）－Ｙ_１（Ｘ）≧Ｙ_ｄｉｆｆ　（数式２）
　　Ｙ_１（Ｘ＋Ｄ_ｄｉｆｆ）－Ｙ_１（Ｘ）＜Ｙ_ｄｉｆｆ　（数式３）

　次に、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝概略範囲検出の方法では、溝概略範囲検出部４３が、上述のように探索された立下り点Ｘ_ｄおよび立上り点Ｘ_ｕが単一の溝の両側を示すか否かを２段階の判定条件により判定する。

　まず第１判定として、溝概略範囲検出部４３は、立下り点Ｘ_ｄと立上り点Ｘ_ｕが所定距離以内にあるかを判定する（ステップＳ３）。すなわち、溝概略範囲検出部４３は、所定距離をＤ_ｗとした場合、下記（数式４）が成立することを判定する。
　　Ｘ_ｕ－Ｘ_ｄ≦Ｄ_ｗ　（数式４）

　上記（数式４）の条件を満たさない場合（ステップＳ３：Ｎｏ）、溝概略範囲検出部４３は、探索位置を立上り点Ｘ_ｕより所定距離Ｄ_Ｗだけ戻し（すなわち、探索位置をＸ_ｕ－Ｄ_ｗとする）、再度ステップＳ１の立下り点の探索からやり直す（ステップＳ４）。

　図７Ｂは、第１判定によって立下り点の検出位置が修正される例である。図７Ｂに示されるように変位データＹ_１（Ｘ）において凸形状が観測される場合がある。凸形状の発生原因としては、鋼板Ｓの表面に微小なゴミや溝以外の凹凸が存在する場合や、レーザ変位計の変位信号へのノイズ混入等が考えられる。このような凸形状が変位データＹ_１（Ｘ）に存在すると、図中位置Ｐ_１０のように凸形状部において立下り点が検出されてしまう（図中区間Ｓ_Ｄ）。その後、溝概略範囲検出部４３が立上り点を探索した場合（図中区間Ｓ_Ｕ）、図中位置Ｐ_１０に対応する立ち上がり点として、図中位置Ｐ_１１を検出することになってしまう。

　そこで第１判定では、図７Ｂに示されるように変位データＹ_１（Ｘ）が凸形状を有する場合の誤判定を排除するために、以下の処理が行われる。すなわち、第１判定では、検出された立下り点Ｘ_ｄと立上り点Ｘ_ｕとの間の距離が所定値Ｄ_ｗより小さいか否かを判定する。なお、この所定値Ｄ_ｗは、鋼板Ｓに加工された溝の幅から設定される設定値である。

　例えば、図７Ｂに示される変位データＹ_１（Ｘ）では、立下り点Ｘ_ｄ（図中位置Ｐ_１０）と立上り点Ｘ_ｕ（図中位置Ｐ_１１）との間の距離は、所定値Ｄ_ｗよりも大きい。したがって、図中位置Ｐ_１０が誤検出であると判定され、溝概略範囲検出部４３は、立上り点Ｘ_ｕ（図中位置Ｐ_１１）より所定値Ｄ_ｗだけ戻った図中位置Ｐ_１２より、立下り点を再探索する（図中区間Ｓ’_Ｄ）。すると、立上り点Ｘ_ｕ（図中位置Ｐ_１１）と対をなす本来検出されるべき図中位置Ｐ_１３が立ち下り点として検出される（図中区間Ｓ’_Ｕ）。

　一方、上述（数式４）の条件を満たす場合（ステップＳ３：Ｙｅｓ）、溝概略範囲検出部４３は、第２判定として、立下り点Ｘ_ｄと立上り点Ｘ_ｕでの変位量の差が所定値以内にあるかを判定する（ステップＳ５）。すなわち、溝概略範囲検出部４３は、許容される変位差をＹ_ａとして、下記（数式５）の条件を満たすか否かを判定する。
　　｜Ｙ_１（Ｘ_ｕ）－Ｙ_１（Ｘ_ｄ）｜＜Ｙ_ａ　（数式５）

　上記（数式５）の条件を満たさない場合（ステップＳ５：Ｎｏ）、溝概略範囲検出部４３は、立上り点を検出した位置Ｘ（＝Ｘ_ｕ－Ｄ_ｄｉｆｆ）の次の位置より、再度ステップＳ２の立上り点の探索をやり直す。

　図７Ｃは第２判定によって立上り点の検出位置が修正される例である。図７Ｃでは図２に示したような溝の傾斜面でのレーザ光２５の２次的な反射現象によって、溝の底部よりも深い異常形状が変位データＹ_１（Ｘ）に観測されている。このような変位データＹ_１（Ｘ）においては、立下り点が図中位置Ｐ_１４で検出されたのち（図中区間Ｓ_Ｄ）、異常形状のために立上り点が異常形状部直後の図中位置Ｐ_１５で誤検出される（図中区間Ｓ_Ｕ）。

　そこで、溝概略範囲検出部４３は、第２判定により、立下り点と立上り点での変位データＹ_１（Ｘ）の値の差と許容値Ｙ_ａとを比較し、立上り点が誤検出であるか否かを判定する。すると、図７Ｃの例では、立下り点と立上り点での変位データＹ_１（Ｘ）の値の差は、図中Ｄ_１であるので、立上り点であると検出された図中位置Ｐ_１５が誤検出であることが判定される。よって、溝概略範囲検出部４３は、図中位置Ｐ_１６（Ｘ_ｕ－Ｄ_ｄｉｆｆ）より再度立上り点の探索を再開し、立下り点である図中位置Ｐ_１４と対応する立上り点として図中位置Ｐ_１７を検出することができる（図中区間Ｓ’_Ｕ）。

　一方、上記（数式５）の条件を満たす場合（ステップＳ５：Ｙｅｓ）、溝概略範囲検出部４３は、溝の概略範囲として、立下り点Ｘ_ｄと立上り点Ｘ_ｕを溝概略範囲抽出部４４へ出力する（ステップＳ６）。

　以上のように、溝概略範囲検出ステップ（ステップＳＴＰ２）は、２段階の判定条件によって、立上り点と立下り点が単一の溝の概略存在範囲を正しく示すことを保証することが可能である。

　以下、溝幅算出ステップ（ステップＳＴＰ３）についての説明を行う。図８に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝幅算出の方法では、初めに溝幅算出部４６が、溝近傍の表面高さＹ_ｓｕｒｆを算出する（ステップＳ７）。ここで言う溝近傍とは、概略始点Ｘ_ｓから立下り点Ｘ_ｄおよび立上り点Ｘ_ｕから概略終点Ｘ_ｅの範囲のことであり、溝幅算出部４６は、第２フィルタ後変位データＹ_２（Ｘ）についてこれらの範囲の平均値を算出して鋼板Ｓの表面高さＹ_ｓｕｒｆを求める。

　次に、溝幅算出部４６は、鋼板Ｓの表面高さＹ_ｓｕｒｆを基準にして溝のエッジを検出するためのエッジ検出用閾値Ｙ_ｔｈｒを算出する（ステップＳ８）。すなわち、溝幅算出部４６は、表面高さＹ_ｓｕｒｆから深さが所定量になった位置を溝始点および溝終点として判定するためのエッジ検出用閾値Ｙ_ｔｈｒを算出する。エッジ検出用閾値Ｙ_ｔｈｒは、表面高さＹ_ｓｕｒｆより所定値Ｌ_ｔｈｒ（≧０）だけ低い値、すなわち、Ｙ_ｔｈｒ＝Ｙ_ｓｕｒｆ－Ｌ_ｔｈｒにより算出される。

　続けて、溝幅算出部４６は、Ｙ_２（Ｘ）における立下り点Ｘ_ｄと立上り点Ｘ_ｕの間で最深位置（最小値）を探索した後（ステップＳ９）、その最深位置より両側に溝始点Ｘ_ｍｓおよび終点Ｘ_ｍｅを探索する（ステップＳ１０）。すなわち、溝幅算出部４６は、最深位置から立下り点方向へ探索して初めて閾値Ｙ_ｔｈｒを超える位置として溝始点Ｘ_ｍｓを検出する（図９参照）。同様に、溝幅算出部４６は、最深位置から立上り点方向へ探索して初めて閾値Ｙ_ｔｈｒを超える位置として溝終点Ｘ_ｍｅを検出する（図９参照）。

　最後に、溝幅算出部４６は、溝始点Ｘ_ｍｓと溝終点Ｘ_ｍｅとの間隔を溝幅Ｗとして算出する（ステップＳ１１）。すなわち、溝幅算出部４６は、Ｗ＝Ｘ_ｍｅ－Ｘ_ｍｓを計算する。

　以下、溝深さ算出ステップ（ステップＳＴＰ４）についての説明を行う。図１０に示されるように、本発明の実施形態にかかる表面形状測定方法における溝深さ算出の方法では、溝深さ算出部４７が、溝始点Ｘ_ｍｓと溝終点Ｘ_ｍｅとから溝の中央部Ｗ_Ｒを算出する（ステップＳ１２）。具体的には、溝深さ算出部４７は、溝始点Ｘ_ｍｓと溝終点Ｘ_ｍｅとの中央位置を算出し、この中央位置から溝幅Ｗに対する所定割合Ｒの幅の範囲（つまりＷ×Ｒ）を溝の中央部Ｗ_Ｒとして算出する。

　その後、溝深さ算出部４７は、第２フィルタ後変位データＹ_２（Ｘ）を上述の溝の中央部Ｗ_Ｒの範囲に限定する（ステップＳ１３）。そして、溝深さ算出部４７は、この限定された範囲内における第２フィルタ後変位データＹ_２（Ｘ）の最小値を算出する（ステップＳ１４）。

　一方、溝深さ算出部４７は、溝近傍の表面高さＹ_ｓｕｒｆを算出する（ステップＳ１５）。しかし、溝幅算出部４６がすでに溝近傍の表面高さＹ_ｓｕｒｆを算出しているので、溝深さ算出部４７は、この溝近傍の表面高さＹ_ｓｕｒｆを流用することができる。

　最終的に、溝深さ算出部４７は、溝近傍の表面高さＹ_ｓｕｒｆから、ステップＳ１４で算出した限定された範囲内における第２フィルタ後変位データＹ_２（Ｘ）の最小値までの距離を算出することにより、溝の深さＤを算出する（ステップＳ１６）。

　上述のように、溝深さ算出部４７が溝の深さＤを算出することにより、図１１Ａのように変位データに異常がない場合に限らず、図１１Ｂのような溝の傾斜部において異常値が発生している場合においても、その影響を受けず溝深さを正確に測定することが可能となっている。なお、探索区間幅の溝幅Ｗに対する割合は、溝傾斜部での異常値を回避可能な大きさに設定すればよい。例えば、溝幅Ｗに対し、３０％から１０％程度とすることが好ましい。

　電磁鋼鈑に溝加工をするような例では、一定間隔で溝が連続的に加工されるので、変位データには通常複数の溝断面形状が含まれる。このような例に本発明の実施形態に係る表面形状測定方法を適用する場合、検出した溝の立上り点Ｘ_ｕあるいは溝終点Ｘ_ｍｓなどから、さらに次の溝形状部を検出・測定する一連のステップを繰り返し適用することで、変位データ中に含まれる多数の溝形状を連続的に測定することが可能である。

　以上より、本発明の実施形態に係る表面形状測定方法は、鋼板Ｓに光線を照射して三角測距を行う変位計ヘッド２により鋼板Ｓの表面を走査して、変位計ヘッド２に対する鋼板Ｓの表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、変位データを探索して前記鋼板Ｓの表面に加工された溝を含む鋼板Ｓの表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、概略範囲に含まれる溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、溝始点と溝終点の中央位置から溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、最深位置検出ステップで算出された変位データの最小値と物体表面の高さとの差を物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップとを含むので、変位計ヘッド２で測定した物体表面の変位データのみを用いて、この変位データ中の外乱を排除し、鋼板Ｓの表面に加工された溝の寸法を精度良く測定することができる。

　以上のように、本発明にかかる表面形状測定方法および表面形状測定装置は、物体の表面に加工された溝の寸法を測定するのに有用である。

　１　表面形状測定装置
　２　変位計ヘッド
　３　変位計コントローラ
　４　信号処理装置
　５　ロータリエンコーダ
　６　表示装置
　１１　溝
　２１　レーザ光源
　２２　集光レンズ
　２３　光ポジションセンサ
　２４　結像レンズ
　２５　レーザ光
　２６　反射光
　４１　変位データ取得部
　４２　第１フィルタ処理部
　４３　溝概略範囲検出部
　４４　溝概略範囲抽出部
　４５　第２フィルタ処理部
　４６　溝幅算出部
　４７　溝深さ算出部

Claims

　物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得ステップと、
　前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出ステップと、
　前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出ステップと、
　前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出ステップと、
　前記最深位置検出ステップで算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出ステップと、
　を含むことを特徴とする表面形状測定方法。
　前記溝幅算出ステップは、
　前記概略範囲の外側近傍における前記変位データから前記物体表面の高さを算出する表面高さ算出ステップと、
　前記物体表面の高さを基準にして前記物体表面に加工された溝の端部検出用閾値を設定する閾値設定ステップと、
　前記概略範囲における前記変位データの最小値となる位置から、前記走査方向の前側および後側に探索して、前記変位データの値が前記端部検出用閾値を初めて超える位置を前記溝の溝始点および溝終点として検出する端部検出ステップと、
　前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出ステップと、
　を含むことを特徴とする請求項１に記載の表面形状測定方法。
　前記溝概略範囲検出ステップは、
　前記変位データの走査方向より探索して前記変位データの局所的変化量が所定値を下回り始める位置を前記概略範囲の始点として検出する始点検出ステップと、
　前記概略範囲の始点より続けて探索して、前記変位データの局所的変化量が所定値を上回り終わる位置を前記概略範囲の終点として検出する終点検出ステップと、
　前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点との間の距離が所定距離以内にあるか否かを判定する第１判定ステップと、
　前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点における前記変位データの値の差が所定範囲内であるか否かを判定する第２判定ステップと、
　前記第１判定ステップと前記第２判定ステップとにおいて真判定となったときのみ前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点を真判定とする判別ステップと、
　を含むことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の表面形状測定方法。
　溝概略範囲検出ステップは、
　前記変位データに第１のフィルタ処理を施した後に、前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出することを特徴とする請求項１～３の何れか１項に記載の表面形状測定方法。
　前記第１のフィルタ処理は、線形フィルタ若しくはメディアンフィルタ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項４に記載の表面形状測定方法。
　前記溝幅算出ステップおよび前記溝深さ算出ステップは、
　前記変位データに第２のフィルタ処理を施した後に、前記溝の溝始点および溝終点の算出および前記溝の深さの算出を行うことを特徴とする請求項１～５の何れか１項に記載の表面形状測定方法。
　前記第２のフィルタ処理は、線形フィルタ若しくはメディアンフィルタ、またはそれらの組合せであることを特徴とする請求項６に記載の表面形状測定方法。
　物体表面に光線を照射して測定を行う光学式変位計により前記物体表面を走査して、前記光学式変位計に対する前記物体表面の変位データを取得する変位データ取得部と、
　前記変位データを探索して前記物体表面に加工された溝を含む物体表面の概略範囲を検出する溝概略範囲検出部と、
　前記概略範囲に含まれる前記溝の溝始点および溝終点を算出する溝幅算出部と、
　前記溝始点と前記溝終点の中央位置から前記溝幅の所定割合の幅の範囲に限定した前記変位データの最小値を算出する最深位置検出手段と、
　前記最深位置検出手段で算出された前記変位データの最小値と前記物体表面の高さとの差を前記物体表面に加工された溝の深さとして算出する溝深さ算出手段と、
　を備えることを特徴とする表面形状測定装置。
　前記溝幅算出部は、
　前記概略範囲の外側近傍における前記変位データから前記物体表面の高さを算出する表面高さ算出手段と、
　前記物体表面の高さを基準にして前記物体表面に加工された溝の端部検出用閾値を設定する閾値設定手段と、
　前記概略範囲における前記変位データの最小値となる位置から、前記走査方向の前側および後側に探索して、前記変位データの値が前記端部検出用閾値を初めて超える位置を前記溝の溝始点および溝終点として検出する端部検出手段と、
　前記溝の溝始点および溝終点の間の距離を前記物体表面に加工された溝の幅として算出する差算出手段と、
　を備えることを特徴とする請求項８に記載の表面形状測定装置。
　前記溝概略範囲検出部は、
　前記変位データの走査方向より探索して前記変位データの局所的変化量が所定値を下回り始める位置を前記概略範囲の始点として検出する始点検出手段と、
　前記概略範囲の始点より続けて探索して、前記変位データの局所的変化量が所定値を上回り終わる位置を前記概略範囲の終点として検出する終点検出手段と、
　前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点との間の距離が所定距離以内にあるか否かを判定する第１判定手段と、
　前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点における前記変位データの値の差が所定範囲内であるか否かを判定する第２判定手段と、
　前記第１判定手段と前記第２判定手段とにおいて真判定となったときのみ前記概略範囲の始点と前記概略範囲の終点を真判定とする判別手段と、
　を備えることを特徴とする請求項８または請求項９に記載の表面形状測定装置。