JPH01138404A - 表面粗さおよび表面うねりの同時測定方法 - 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、物体の表面粗さおよび表面うねりを光学的に
非接触で同時に測定する方法に関する。

〈従来の技術〉 −Ｃに、各種物体の表面粗さおよび表面うねりの測定は
、触針式の表面粗さ針を用いて被測定面のプロフィルを
求め、このプロフィルから高域フィルタを用いて波長の
短い成分を取り出したものを粗さのプロフィル、また低
域フィルタを用いて波長の長い成分を取り出したものを
うねりのプロフィルとみなして、それぞれのプロフィル
の解析を行うことによって行われている。また、特開昭
６０−１６１５０８号公報には、曲率半径の大きな第１
の触針の中に曲率半径の小さな第２の触針を挿入して、
同一記録紙上にうねりと粗さの曲線を措く装置が開示さ
れている。

一方、近年、光学的手法を用いた非接触型の表面粗さの
測定方法や装置が盛んに開発されている。

例えば、本出願人が既に特開昭６０−２０１２０４号公
報にて開示した表面性状測定装置では、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、測定対象面の粗さを測定
しようとするものである。

〈発明が解決しようとする問題点〉 しかしながら、前者の触針式粗さ計を用いる方法あるい
は装置は、被測定面に直接接触して測定する方式である
から、被測定物が移動する場合や軟質材の測定を行う場
合に通用することがきわめて困難である。また、後者の
特開昭６０−２０１２０４号の装置では、表面性状を一
つのプロフィルを持つ面として扱うために、粗さに関す
る測定値とうねりに関する測定値とを分けることができ
ず、したがっｔ、うねりを測定することができない。

本発明は、上記のような問題点を解決すべくなされたも
のであって、非接触、かつ粗さとうねりの両方の測定を
同時に行うことの可能な表面粗さおよび表面うねりの同
時測定方法を提供することを目的とする。

〈問題点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の
強度分布から、前記被測定面の表面粗さおよび表面うね
りを測定する方法であって、前記反射光の正反射方向付
近の狭い領域における強度分布から前記被測定面の表面
うねりの測定値を求め、正反射方向を中心として前記う
ねりの測定時よりも広い領域における前記反射光の強度
分布から前記被測定面の表面粗さの測定値を求めること
を特徴とする表面粗さおよび表面うねりの同時測定方法
である。

〈作　　　用〉 本発明者らが、表面粗さと表面うねりの測定について種
々研究を重ねた結果、次のような知見を得た。すなわち
、０表面の波形の中で波長の短い成分、すなわち粗さの
プロフィルは、−ｉに反射光を比較的広い角度にわたっ
て散乱させる傾向があること。■一方、波長の長い成分
、すなわちうねりのプロフィルは、正反射方向付近の強
度に影響を与える傾向があること。■さらに、例えば冷
延鋼板のような表面では、正反射方向の強度は、粗さと
うねりの双方に関する情報を含んでいること。の３点で
ある。

したがって、このような反射光の強度分布の特性を利用
することによって、粗さとうねりの情報を同時に評価す
ることができる。

以下に本発明の測定原理について、第１図のブロック図
に従って詳しく説明する。

まず、被測定面に所定の角度で光束を投射し、その正反
射方向の強度を検出する。この時、被測定面の粗さとう
ねりについておおよその測定値が得られる。

ついで、この検出信号の中から正反射方向付近の狭い領
域における強度分布に着目して、その解析を行い、うね
りを測定する。この正反射方向付近の狭い領域における
反射角では、うねりのプロフィルによって強度分布の受
ける影響が最も顕著に現れるのであるが、正反射方向か
ら大きく離れた反射角では、うねりによる強度分布の変
化が小さく、うねりの大小を的確に評価することが難し
い。したがって、正反射方向付近の狭い領域における強
度分布のみを解析するのが望ましい。もしこの領域での
強度分布のふくらみが小さければ、反射強度が正反射方
向に集中する度合いが大きいことを示すものであり、う
ねりが小さいことが分かる。逆に、強度分布のふくらみ
が大きければ、うねりが大きいことが分かる。このよう
にして、表面うねりの値を決定するのである。

一方、粗さを測定するためには、前記検出信号の中から
、うねり測定の場合よりも正反射方向を中心として広い
領域における反射光の強度分布に着目する。粗さのプロ
フィルによって強度分布の受ける影響は、正反射方向か
ら離れた角度の方が顕著だが、あまりに離れると強度そ
のものの値が低下するため、実際には精度よく測定する
ことができない。したがって、例えば少なくとも正反射
方向から±１５度の範囲内の強度分布を調べるのが望ま
しい、正反射方向付近の反射強度と正反射方向から離れ
た散乱角での反射強度との間の差が小さい時、すなわち
広い角度にわたって反射光が散乱している時は粗さが大
きく、逆に、両者の間の差が大きい時は粗さが小さい。

このようにして、表面粗さの値を決定するのである。

以上述べた手順に従って被測定面の反射光の強度分布を
解析することにより、被測定面の表面粗さと表面うねり
の双方の測定・評価が可能となる。

ここで、反射光の強度分布の解析手法について具体的に
説明する。

表面を一つのプロフィルとみなした時の反射光の分布に
ついては、ベックマン（ＢｅｃｋＩｌａｎｎ　）の理論
　（Ｐ、Ｂｅｃｋｍａｎｎ　　ａｎｄ　　Ｒ，５ｐｉｚ
ｚｔｃｈｉｎｏ、　　　ｒＴｈｅ　　Ｓｃａ−ｔｔｅｒ
ｉｎｇ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　Ｗａ
ｖｅｓ　ｆｒｏｍ　ＲｏｕｇｈＳｕｒｆａｃｅｓＪＰｅ
ｒｇａｍｏｎ　Ｐｒｅｓｓ＋　１９６３年発行参照。）
を用いてその強度分布を解析することができる。

すなわち、表面プロフィルの振幅情報として高さ分布の
分散σ、周波数情報として自己相関関数が１　／　ｅに
減少する距離（以下これを自己相関距離と記す）Ｔを選
び、光束の波長をλ、照射長をＬとし、光束の入射角を
θ９、反射角をθ２とすると、反射光の強度分布Ｉは、
下記（１）式で与えられる。

１−　ｅ　−ｇ　（Ｉ　　ρｏ′＋ Ｓｉｎ　　ｖ、Ｌ ＩＬＬ そこで、本発明では、被測定面が粗さのプロフィルとう
ねりのプロフィルとの和で表すことができるとして、上
記ベックマンの理論を次のように拡張するのである。す
なわち、粗さのプロフィルの高さ分布の分散をσ８、自
己相関距離をＴ、とし、うねりのプロフィルの高さ分布
の分散をσ２、自己相関距離をＴ２とすると、反射光の
強度分布■′は、下記（２）式で表される。

Ｘｅ−４ｎ＋− Ｌ ω　　ω　　　　　　　ｇ７羽 ここで、 ここで、用いられる測定装置としては、第２図に示すよ
うに、被測定面３に対して例えばレーザのような光源２
から波長λの光束ｌを入射角θ１で照射し、反射角θ２
の位置に設けられた例えば固体素子カメラ等のイメージ
センサのような反射光検出器４によって反射光強度分布
Ｉ′を検出し、その検出信号を演算装置５に入力し前出
（２）式に従って強度分布を解析し、その結果を表示装
置６に表示する構成とする。なお被測定面３上の光反射
点７における照射長はＬとする。

そして、演算装置５に上記した波長λ、照射長Ｌ、入射
角θ１、反射角θ富を予め設定しておき、反射光強度分
布１′が入力されたら以下の手順で強度分布の解析を行
う。

ω　まず、正反射方向を中心としてθ１±Δθ８（ただ
しΔθ、≦８　ｄｏｇ、）の袂いｗ１囲における正反射
強度分布を求める。ついで、前出（２）弐によって、予
めいくつかの粗さとうねりのパターンについて計算して
おいた反射光の強度分布の中から比較的よく測定値と一
致するものを見つけ、さらに、上記範囲での分布曲線の
ふくらみ状態がほぼ一致するようにσ２゜Ｔ、を補正す
る。補正を行うには、＋ｉｌ出（２）式を用いて反射光
の強度分布の計算を繰り返せばよい、このようにして、
計′ｎ値と測定値が最もよく一致する値を見つけること
によって、うねりのプロフィルの高さ分布の分散σ、お
よび自己相関距離Ｔ２を求めることができる。

ＧＯつぎに、正反射方向を中心にθ、±Δθｇ（ただし
Δθ！：Ｉ５〜２０ｄｅｇ、　）の広い領域における正
反射強度分布を求める。ついで、前出（２）式によって
、予めいくつかの粗さとうねりのパターンについて計算
しておいた反射光の強度分布の中から比較的よく測定値
と一致するものを見つけ、さらに、上記範囲の特に１０
ｄｅｇ、≦Δθ２の範囲における反射光の散乱状態がほ
ぼ一致するようにσｌ　＋　Ｔ　Ｉ　を補正する。補正
を行うには、前出（２）式を用いて反射光の強度分布の
計算を繰り返せばよい。このようにして計算値と測定値
が最もよく一致する値を見つけることによって、粗さの
プロフィルの高さ分布の分散σ１および自己相関距離Ｔ
１を求めることができる。

〈実施例〉 以下に、本発明の実施例として、表面プロフィルの高さ
分布の分散σ６、σ２の一方をパラメータとしたときの
シミュレーシッン結果について説明する。

〔実施例１〕 第３図は、うねりの情報に関するものであり、第４図は
、粗さ情報に関するものである。

なお、ここで用いた各設定条件は、いずれも光束の波長
λ：３．３９μｍ、照射長Ｌ：５ｍｍ、入射角θ＋　：
　７０ｄｅｇ、とした。

第３図は、粗さのプロフィルの高さ分布の分散σ＋−０
，２μｍ＋　　自己相関距離Ｔ、−１５μｍ、またうね
りのプロフィルの自己相関距離をＴｚ”４０μｍとして
、うねりの高さ分布の分散をσｇ＝０．２＋０．３＋０
．４μｍと変化させた時の反射角θ２に対する反射光の
強度分布■′を表したものである。正反射方向を中心と
して反射角θ２が６３ｄｅｇ、から７７ｄｅｇ、内の正
反射方向付近での強度分布に着目すると、強度分布のふ
くらみが小さい時はうねりが小さく、ふくらみが大きい
時はうねりが大きい。このふくらみを評価する手段とし
ては、例えば、あらかじめ基準サンプルを用いて強度分
布を求めておき、この領域内で正反射方向±０．５ｄｅ
ｇ、を除いた範囲での強度分布の積分値、すなわち面積
値をパラメータとして、基準サンプルの値と比較するな
どの方法を用いればよい。

第４図は、うねりのプロフィルの高さ分布の分散σｚ　
−０、２μｍ、自己相関距離Ｔ重−４０μｍ、また粗さ
のプロフィルの自己相関距離をＴ＋−１５μｍとして、
粗さの高さ分布の分散をσ、　−０，２，０，３゜０８
４　μｍと変化させた時の反射角θ２に対する反射光の
強度分布ｒ′を表したものである。正反射方向から±１
５ｄｅｇ、の範囲での強度分布に着目すると、正反射方
向付近の反射強度と正反射方向から離れた散乱角での反
射強度との間の差が小さい時は粗さが大きく、逆に、両
者の間の差が大きい時は粗さが小さい、具体的な粗さの
評価方法上しては、例えば、うねりを評価する場合と同
様に基準サンプルを用いて、反射角θ、　−６９ｄｅｇ
、とθ２＝５５ｄｅｇ、における強度の差、比率、ある
いは、θ２ミロ９ｄｅｇ、からθｔ　−５５ｄｅｇ、ま
での積分値を評価パラメータとして比較するなどの方法
を用いればよい。

また、光束の波長λ、光束の入射角θ１を変えて測定す
ることにより、測定レンジを広げることができる。一般
に、うねり、粗さが大きい時は光束の入射角θ１と光束
の波長λを大きくした方が強度分布の変化が大きくなり
、測定感度が良くなる。

（実施例２〕 さらに、反射強度の値を用いれば、測定値の定量化がよ
り容易になる。例えば、反射強度の中で最も測定が容易
な正反射方向の強度（以後、正反射強度と呼ぶ）に着目
すると、この値が小さい時はうねり、粗さがともに大き
く、逆に大きい時はうねり、粗さがともに小さい。

第５図は、光束の波長λ：　３．３９μｍ、照射長し：
５ｆｆＩＩ１１５人射角θ＋　　：　７０ｄｅｇ、の条
件下で、粗さのプロフィルの高さ分布の分散σ、　　：
　　０．４μｍ、自己相関路ｆｌＴ、：１５μｍ、うね
りのプロフィルの高さ分布の分散σｚ：ｏ、２μｍ、自
己相関距離Ｔ２：４０μｍである被測定面３Ａと、粗さ
のプロフィルの高さ分布の分散σ、　　：　　０．５μ
ｍ、自己相関距離をＴ＋：１５μｍ、うねりのプロフィ
ルの高さ分布の分散σ、　　：　　０．３μｍ、自己相
関距離Ｔｚ：４０μｍである被測定面３Ｂにおける反射
光の強度分布を示すものである０両者を比較すると、分
布的綿はほぼ同じ形状を示しているが、正反射強度Ｉ。

は、被測定面３Ａの場合は０．７２６　、また被測定面
３Ｂの場合は０．５８０となり、正反射強度■、が小さ
い時は粗さ、うねりがともに大きく、　■、が大きい時
は粗さ、うねりがともに小さいことが分る。

〈発明の効果〉 以上の説明で明らかなように、本発明の方法によれば、
表面粗さと表面うねりの双方の測定を同時に行うことが
可能であり、また非接触で測定が行えるので、被測定物
が移動する場合や、軟質材の測定が可能である。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の測定原理を示すブロック図、第２図
は、測定装置の実施例を模式的に示す図、第３図は、被
測定面のうねりが変化した時の反射光の強度分布変化を
示す特性図、第４図は、被測定面の粗さが変化した時の
反射光の強度分布変化を示す特性図、第５図は正反射強
度と被測定面のネＨさ、うねりとの関係を示す特性図で
ある。 １・・・光束、　　　　２・・・光源。 ３・・・被測定面、　　４・・・反射光検出器。 ５・・・演算装置、　　６・・・表示装置。 ７・・・光反射点。 特許出願人　　　　川崎製鉄株式会社 第　　１　　図 第　　２　　図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　被測定面に光束を投射して得られる反射光の強度分布
   から、前記被測定面の表面粗さおよび表面うねりを同時
   に測定する方法であって、前記反射光の正反射方向付近
   の狭い領域における強度分布から前記被測定面の表面う
   ねりの測定値を求め、正反射方向を中心として前記うね
   りの測定時よりも広い領域における前記反射光の強度分
   布から前記被測定面の表面粗さの測定値を求めることを
   特徴とする表面粗さおよび表面うねりの同時測定方法。