JPH01131409A - 非静止物体の表面粗さ測定装置 - 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】 〈産業上の利用分野〉 本発明は、物体表面の最大乱反射強度測定装置に係り、
特に、高速で走行する物体表面の最大乱反射強度を精度
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、製造ライン中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１強度か
ら被測定面の粗さを求めている。

その他、物体表面の光沢度を求めるために、白色光束の
正反射強度を測定する鏡面光沢度による測定方法を用い
る例もある。

〈発明が解決しようとする課題〉 しかしながら、走行中の物体の最大乱反射強度を測定す
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、検出部に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、光路中にハ
ーフミラ−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、走行中の物体の最大乱反射強度を精度よく
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、被測定面に光束を投射する投光部と、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から構
成される光検出器と、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選択走査するスイッチ回
路と、この選択走査するスイッチ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
反射光の中から最大反射強度値を判別する演算装置と、
前記選択走査するスイッチ回路を制御するタイミングコ
ントローラと、前記最大反射強度値を出力する出力装置
とからなることを特徴とする最大乱反射強度測定装置で
ある。

〈作　用〉 本発明によれば、走行する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
物体の最大乱反射強度を測定することができる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例として、表面粗さ測定に適用し
た例について、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に対しである一定の角度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、
それぞれそ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、選択走査するスイッチ回路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、この演算装置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、
この値を正反耐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、前記した選択走査するスイッチ回路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であり、冷延鋼板の走行速
度は約１００１００Ｏであり、このときの測定に要する
時間はおよそ１０ｍ５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。この図かられかるよう
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。この図かられかるように、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
（することができる。

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１０
０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。

第　　１　表 上記の説明で明らかなように、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を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には、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、かつ節単に最大
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の強度分布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図山）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、最大乱反射強度
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うにあた
っては、連続した最大乱反射強度の測定ができない恐れ
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ｉｎ＋ａＸ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番口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、Ｔｚ／Ｔ＋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Ｔ　ｚ　
／　Ｔ　＋の値が小さくなる。そこで、ｒ　ｔ　／　Ｔ
　Ｉの値とある設定しきい値とを比較する。そして、Ｔ
　ｔ　／　Ｔ　＋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、Ｔｚ／Ｔ＋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
とみなし、この値から被測定面の粗さを求める。

次にＴ　ｔ　／　Ｔ　＋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１′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ｒ
　（ｉｍａｘ　−１）　、　　（ｉｍａｘ　−２）番目
では！（ｉｍａｘ　　２　）　、　−（Ｉｍａｘ−ｍ）
番目ではｒ（ｉｍａｘ−ｍ）、また（ｉｍａｘ＋１　）
番目ではＩ　（ｉｍａｘ＋　１　）　。

（ｉ＋２）番目ではＩ　（ｉ＋ｍａｘ＋　２　）　、　
・＝　（ｔｍａｘ＋ｍ）番目ではＩ　（ｉｍａｘ＋ｍ）
とする。

また、図示するように、反射光４のビークＩ’　（ｊｍ
ａｘ）を示す位置と最大値１　（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、α＝０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（＋−１）番目の相隣る２個の光素子５
ａ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。

ａ−０，５−（Ｔ（ｉｍａｘ）−１（ｉｍａｘ＋　１　
）　ｌ　／（（１（ｉｍａｘ）　−Ｉ（ｉｍａｘ−１）
　）　＋（１（ｉｍａｘ）−１０ｍａｘ＋　１　）　　
）　　ｌ　　−−−−・−（１）さて、第９図に示すよ
うにずれα（α≧Ｏ）が生じ、実際の反射光強度分布■
′に対して、光検出器５により反射光強度分布■が得ら
れたとする。

■′のピーク値を！’　（ｊｍａｘ）とし、光素子５ａ
１個分の角度おきに一、　　Ｉ’　（ｊｍａｘ−２）　
、　　ｒ’　（ｊｍａｘ　−１）　、　　ｒ’　（ｊｍ
ａｘ）　、　　Ｉ’　（Ｊ＋ｗａｘ＋１）　、　　Ｉ’
　（Ｊｍａｘ＋２）、・・・とその強度を定める６例え
ばｉ番目の光素子５ａが受光した反射強度ｊ（＋）は、
ずれαが生じているために１’（Ｊ）と１’（ｊ−・１
）の両方の影響を受けた値であり、αの値に応じて（２
）式のように近イ以することができる。

Ｉ（１）＝αＩ’（ｊ−１）＋ （１−α）Ｉ’（ｊ）　　　・・−・・−・・・−（２
）したがって、Ｉ　　（ｉｍａｘ−ｍ）　、・・・、Ｉ
（ｉｍａｘ−１）　、　　Ｉ　　（ｉｍａｘ）　、　　
Ｉ　　（ｉｍａｘ＋１）　、　　−、１（ｉｍａｘ十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、Ｔ
　ｔ　／　ｒ　＋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’　（
ｊｎ＋ａｘ　−ｍ　−１）の値は他と比べて非常に小と
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１　（ｉｍａ
ｘｍ）＋　”弓（ｉｍａｘ＋ｍ）に対して（２ｍ＋１）
個の未知数１’　（ｊｍａｘ−ｍ）　、　−Ｔ’　（ｊ
ｍａｘ＋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’　（ｊ＋ｗａｘ）に
対しては下記（５）式のように求められる。

Ｉ’　（ｊｍａｘ） ＝−１（ｉｍａｘ）　− １−α −Ｔ　　（ｉｍａｘ　−１）　＋ （ｌ−α）２ α２ −　Ｉ　　（ｉｍａｒ　−２）　　−＋（１−α）″ −・・・−・・・・　（５） 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
。

ｒ’　（ｊｍａｘ） ＝−１（ｉｍａｘ）　− １−β β ・−・−・・・・・・・−（６） 上記の手順で求めたＩ’　（ｊｎ＋ａｘ）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、最大乱反射強度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。この通用
例では、最大値を示した光素子を中心に５個の光素子が
検出した反射光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、鮮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
平均値又。は７．９３４　Ｖで、その標準偏差σ。

は±１．３０６　Ｖであったが、Ｏ印で示す補正後の８
０個の測定データの平均値！、は９．２８３Ｖ、また、
その標準偏差σ。は±０．７６４　Ｖであった。したが
って、補正前の正反射強度は６．６２８〜９．２４０　
Ｖにばらついていたのに対し、補正後は８．５１９〜１
０．０４７Ｖ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。

以上、この実施例は表面粗さ計を例として説明したが、
光沢針の場合でも本発明による装置を用いて、同様に最
大乱反射強度の測定を行うことにより、走行中の物体の
光沢度の測定を精度よく行うことができることはいうま
でもない。

〈発明の効果〉 本発明に係る最大乱反射強度測定装置によれば、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
することが可能である。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
前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−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、静止物体に対し
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、最
大乱反射強度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、最大乱反射
強度の測定のみならず、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。 ■・・・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・・・選択走査するスイッチ。 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・・・ビームスプリンタ。 １３・・・第２の光検出器。 １４・・・サンプルホールド回路。 特許出廟人　　　川崎製鉄株式会社 第　１　図 第２図 光素子の位置 第３図 第４図 第５図 第６図 第７図 （ａ）（ｂ） 第８図 ニ 第９図 第１０図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 被測定面に光束を投射する投光部と、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から構成される光
   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選択走査するスイッチ回路と、この
   選択走査するスイッチ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、検出した反射光の中
   から最大反射強度値を判別する演算装置と、前記選択走
   査するスイッチ回路を制御するタイミングコントローラ
   と、前記最大反射強度値を出力する出力装置とからなる
   ことを特徴とする最大乱反射強度測定装置。