JPH01165908A - 表面粗度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】 「産業上の利用分野コ 本発明は、鋼板等の表面性状や工業製品の仕」二げ面の
検査を行なう際に用いて好適の表面粗度測定方法および
装置に関するものである。

［従来の技術］ 従来、この種の装置としては第１２図に示すようなもの
かある（特開昭５２−１２９５４．５号公報）。第１２
図において、５１はレーザ光源、５２はレーザ光源５１
からの光ビームＬの径を決めるための絞り、５３は粗度
を預り定すべき被測定表面としての鋼板表面、５４は光
ビームＬの入射点○を中心とじて入射面内て回動可能な
反射強度分布測定用の受光素子で、鋼板表面５３により
乱反射された光ビームＬの散乱光Ｓを受けるものである
。

第１３図は、第１２図に示す従来装置により測定された
光強度分布の一例で、縦軸に受光素子５４の出力（ｍＡ
）である散乱光Ｓの光強度■をとり、横軸に正反射方向
を０とした受光素子５４の点○まわりの回転角０　（ｄ
ｅｇ）をとったグラフである。

ところで、一般に、鋼板表面５３（反射面）の粗度が低
くて平坦なほど反射は鏡面的になり、粗度が高いほど拡
散的になる。従って、粗度の高い部分における光強度分
布は、第１３図の曲ｍＣ１のようにピーク値工。１の低
い拡がったものとなり、粗度の低い部分における光強度
分布は、第１３図の曲線Ｃ２のようにピーク値工。２の
高いシャープなものとなる。

そこで、従来装置では、受光素子５４を点Ｏまわりに回
転駆動して、散乱角を変化させたときの光強度を受光素
子５４により検出し、第１３図に示すような光強度分布
を測定する。そして、その光強度分布から、正反射光強
度（ピーク値■。□。

■ｏ２）もしくは半値幅（ピーク値■。］、ｌＩ［１２
の半値■ｏ、、／２．　　■ｏ２／２における幅Ｈ１，
ｌ−Ｉ２；第１３図参照）を、光強度分布の代表値とし
て求め、鋼板表面５３の粗度に関する情報を得ている。

［発明が解決しようとする問題点］ しかしながら、上述のような従来の表面粗度測定装置で
は、測定に際し受光素子５４を機械的しこ駆動して走査
する必要があるため、測定時間が長くなるとともに、装
置自体が大型になって高価である。また、各散乱角ごと
に散乱光Ｓの強度値を必要とし、粗度に関する情報を得
るべく演算処理する際に、多点入力となって信号処理が
複列：になるなとの問題点がある。

本発明は、上述のような問題点を解消するためになされ
たもので、被測定表面の粗度を、複雑な信号処理を施す
ことなく速い応答性で精度良く測定できるようにした、
低価格でコンバク１へな表面粗度測定方法および装置を
得ることを目的とする。

［問題点を解決するための手段］ このため、本発明の表面粗度測定方法は、被測定表面に
光を照射して得られた散乱光を光入力として光電変換体
に入射させて、上記光入力の光強度と、光強度によって
重み伺けされた上記光電変換体の端部と上記光入力の入
射位置との距離の平均値と、光強度によって重み付けさ
れた上記光電変換体の端部と上記光入力の入射位置との
距離の２乗平均値とを上記光電変換体により検出し、検
出された上記の光強度および平均値に基づいて上記光電
変換体の端部と上記光人力の入射位置との距離の平均値
に比例する１次出力をとり出すとともに、検出された上
記の光強度および２乗平均値に基づいて上記光電変換体
の端部と−に配光入力の入射位置との距離の２乗平均値
に比例する２次出力をとり出した後、上記の１次出力お
よび２次出力に基づき上記光入力の分散を演算して検出
し、検出した上記光入力の分散に基づいて上記被測定表
面の粗度を評価することを特徴としている。

また、本発明の表面粗度測定装置は、被測定表面に光を
照射する光源と、上記被測定表面により乱反射された上
記光源からの光の散乱光を光入力として受ける光電変換
体とをそなえ、上記光電変換体が、前記１次出力を検出
すべく、上記光電変換体の端部からの距離に応じ同距離
位置において同距離に比例した幅方向位置で分離絶縁さ
れるとともに、前記２次出力を検出すべく、上記光電変
換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同距離
の２乗に比例した幅方向位置で分離絶縁されて構成され
、上記光電変換体からの出力に基づき上記光入力の分散
を算出しこの分散から上記被測定表面の粗度を評価・演
算する演算部をそなえたことを特徴としている。

［イ乍　　　用］ 」二連した本発明の表面粗度測定方法では、被測定表面
に光を照射して得られた散乱光が光入力として光電変換
体に入射され、この光電変換体により、同光電変換体の
端部と光入力の入射位置との距離の平均値に比例する１
次出力と一上記距離の２乗平均値に比例する２次出力と
を検出することで、複雑な信号処理回路などの高価なも
のを使用することなく、上記光電変換体からの上記の１
次出力および２次出力に基づいて、上記光入力の分散が
、ａＨ学上の簡単な式により求められる。そして、求め
られた上記光入力の分散から上記被測定表面の粗度が評
価される。

また、」二連した本発明の表面粗度測定装置は前記方法
を実施するに際し直接使用されるもので、前記装置では
、光源から照射された光が、被測定表面により乱反射さ
れて散乱光となり、光入力として光電変換体へ入射され
る。この光電変換体において、１次直線と２次曲線とに
囲まれて分離絶縁された上記光電変換体からの電流値と
、上記２次曲線の下側の上記光電変換体からの電流値と
の和により、光強度によって重み付けされた上記光電変
換体の端部と上記光入力の入射位置との距離の平均値が
得られる。また、上記２次曲線の下側の上記光電変換体
からの電流値により、光強度によって重み付けされた上
記光電変換体の端部と上記光入力の入射位置との距離の
２乗平均値が得られる。さらに、３つの部分に分離絶縁
された上記光電変換体からの電流値の総和により上記光
入力の強度が検出される。そして、上記の平均値および
２乗平均値をそれぞれ上記光強度により除算することで
、前記の１次出力および２次出力が求められ、これらの
１次出力および２次出力に基づき上記光入力の分散が算
出され、算出された分散から上記被測定表面の粗度が評
価・演算される。これらの演算は、演算部においてなさ
れる。

［発明の実施例］ まず、本発明による表面粗度測定方法およびその原理に
ついて簡単に説明する。

前述したように、一般に、被測定表面の粗度が低くて平
坦なほど反射は鏡面的になり、粗度が高いほど拡散的に
なるので、粗度の高い部分における光強度分布は拡がっ
たものとなり、その分散は大きくなる一方（第４図の曲
線Ｃ３，分散０１９強度■、。参照）、粗度の低い部分
における光強度分布はシャープなものとなり、その分散
は小さくなる（第４図の曲線Ｃ４２分散σ２１強度■２
゜参照）。

従って、光電変換体により被測定表面で乱反射された散
乱光の分散σ２を検出すれば、被測定表面の粗度を評価
・測定することが可能となる。

光入力の分散σ２を検出するためには、統計学的に、光
入力の平均位置（重心位置）又と２乗平均位置７とが得
られれば、７−Ｘ２として分散σ２が演算・検出される
ことになる。

＝８− そこで、本発明の方法では、光入力を受けるとその強度
に応じ光電変換による所定の電流を出力する光電変換体
を用いて、まず、光強度／　Ｐ（ｘ）ｄｘ（ここで、ρ
は光入力の強度分布）と、光強度によって重み付けされ
た光入力の位置Ｘの平均値ｆｘ・ρ（ｘ）ｄｘと、同じ
く光強度によって重み付けされた光入力の位置Ｘの２乗
平均値ｆｘ２・ρ（ｘ）ｄｘとを電流値として検出する
。

そして、検出された電流値から、光電変換体の端部と光
入力の位置との距離の平均値（重心位置）マに比例する
１次出力として、Ｋ１ａ’ｆｘ・ρ（ｘ）ｄｘ／ｆρ（
ｘ）ｄｘを得るとともに、光電変換体の端部と光入力の
位置との距離の２乗平均値Ｐに比例する２次出力として
、Ｋ２ｏ−／　ｘ２ｆ（ｘ）ｄｘ／　ｆ　／’（ｘ）ｄ
ｘを得てから（ここで、Ｋｌｏ、に２ｏは定数）、これ
らの出力に基づき、光入力の位置（重心位置）Ｘを、ｘ
＝ｆ　ｘ・ρ（ｘ）ｄｘ／ｆρ（ｘ）ｄｘ　　　＝ｉｌ
）として検出するとともに、光入力の分散σ２を、ａ　
２＝　ｆ　ｘ２・Ｐ（ｘ）ｄｘ／　Ｉ　Ｐ（ｘ）ｄｘ−
［ｆ　ｘ−Ｐ（ｘ）ｄｘ／　ｆ　Ｐ（ｘ）ｄｘ］２コ−
２ ＝ｘ　　−ｘ　　　　　　　　　　　　　　　・・・（
２）にて検出するようにしている。

このようにして、検出された分散σ２に基づいて、被測
定表面の粗度が評価・測定される。

以下、図面により、本発明の方法に適用される表面粗度
測定装置の具体的な実施例を説明する。

第１〜４図は本発明の一実施例としての表面粗度測定装
置を示すもので、第１図（ａ）はその全体構成図、第１
図（ｂ）はその光電変換体としてのＤＩＰセンサ（Ｄ　
：ｄｉｖｉａｔｉｏｎ　（分散）、　　Ｉ　：１ｎｔｅ
ｎｓｉｔｙ（強度）、　Ｐ　：　ｐｏｓｊｔｉｏｎ（位
置）〕の平面図、第１９図（Ｃ）は上記ＤＩＰセンサの
側面図、第２図は上記ＤＩＰセンサに入射される光入力
の強度分布の一例を示すグラフ、第３図（ａ）、（ｂ）
はいずれも上記ＤＩＰセンサにより得られる検出電流値
と上記ＤＩＰセンサ上の位置との関係を示すグラフ、第
４図は本装置による測定例を示すグラフである。

第１１図（ａ）において、コは被測定表面３に光ビーム
Ｌを照射するレーザ光源、２はレーザ光源１からの光ビ
ームＬを適当な径に集光するための集光レンズ、５はレ
ンズ４を通じて被測定表面３により乱反射された光ビー
ムＬの散乱光Ｓを光入力として受ける光電変換体として
のＤＩＰセンサ、６はＤＩＰセンサ５からの検出信号（
１１１５２Ｔ　５．３）を増幅するアンプ、７はアンプ
６により増幅されたアナログ信号をディジタル信号に変
換するＡ／Ｄ変換器、８は演算部で、ＤＩＰセンサＳか
らの検出電流値ｉ１＋ｌｚ＋１３に基づき散乱光Ｓの分
散σ２を算出し、この分散σ２から被測定表面３の粗度
を評価・演算するものである。

また、本実施例のＤＩＰセンサ５は、第１図（ｂ）、（
ｃ）に示すように、２層５−１．、ｉ層５−２およびｎ
層５−３からなるフォトダイオードとして構成され、光
入力（散乱光Ｓ）を受けるとその強度に応じ光電変換に
よる所定の電流を出力するものである。そして、２層５
−１は、ｙ＝（ｗ／Ｑ）・Ｘなる１次直線と、ｙ二（ｗ
／ｆｌ”）・Ｘ２なる放物線とにより３つの光電変換面
５ａ、５ｂ、５ｃに分離絶縁されており、各光電変換面
５ａ、５ｂ。

５ｃからそれぞれ電流値１＋−＋　１ｚ＋　１３が検出
されるようになっている。

なお、第１図（ｂ）において、２層５−１の第１図（ｂ
）中の左下隅を原点として右方向にｙ軸、上方向にｙ軸
をとっている。また、第１図（ｂ）中のｆｌ、ｗは、そ
れぞれＤＩＰセンサ５の外形寸法、つまり長さ２幅を示
している。

本発明の一実施例による表面粗度測定装置は上述のごと
く構成されているので、被測定表面３の粗度を測定する
際には、まず、鋼板表面や工業製品の仕」二げ面などの
被測定表面３に向けて、レーザ光源１から光ビームＬを
照射する。光ビームＬは、集光レンズ２により適当な径
に集光された後、被測定表面３に照射される。

そして、光ビームＬは、被測定表面３により乱反射され
て散乱光Ｓ（通常、第２図あるいは第４図に示すような
光強度分布を有している）となり、光入力としてＤＩＰ
センサ５へ入射される。ＤＩＰセンサ５からの検出信号
ｌｖ、＋　１２１１３は、増幅・ディジタル変換された
後、演算部８へ入力される。

一１２＝ ＤＩＰセンサ５および演算部８により、次のようにして
、散乱光Ｓの強度（光エネルギＨ，平均位置（重心位置
）マ２分散（拡がり）σ２が検出され、さらには、分散
σ２から被測定表面３の粗度が評価・測定される。

今、第２図に示すような１次元ガウス分布形の強度分布
ρ（Ｘ）をもった散乱光Ｓが、ＤＩＰセンサ５に入射し
たとする。ここで、上記力ウス分布の平均位置１Ｌ分散
をσ２、最大強度をＩ　ｍａｘ、総強度（第２図に斜線
で示す部分の面積）をＩｔとする。なお、第１図（ｂ）
のｙ方向には、光強度分布は一定であるとする。

このとき、位置Ｘと、検出電流値ｌ、とｉ２との和との
間には第３図（ａ）に示すような関係があるとともに、
位置Ｘと検出電流値１□との間には第３図（ｂ）に示す
ような関係がある。そこで、ＤＩＰセンサ５であるフォ
トダイオ−１への光電変換効率をＫとし、簡単のため、
ａ工＝Ｗ／Ｑ、ａ２＝Ｗ／　Ｑ２とすると、検出電流値
ｊ□ｌ　ｊ２１　ｊ３は、１１、＝　Ｋ−ｆ′ｐ　（ｘ
ｌ　ａｚ　ｘ”ｄｘ　　　　　−（３）］、＝に−ｆ；
ρ（ｘ）（ａｌｘ−ａ２ｘ２）ｄｘ　−４４）ｊ　３＝
に４ｐ　（ｘ）・ａ□（Ｑ−ｘ）ｄｘ　　　−（５）と
なり、これらの（３）〜（５）式より、３、＋３２＋１
．＝に−ｆ、’ρ（ｘ）・ａ、・Ｄｄｘ＝に−Ｗ−がρ
（ｘ）ｄｘ ＝に−Ｗ・Ｉｔ　　　　　・・・（６）ｉ１＋５２＝に
一、ｒ、’ρ（ｘｌａｌｘｄｘ　　　・（７）が得られ
る。ここて、（６）式っまりｉ、＋］２＋ｉ３によって
、散乱光Ｓの総強度Ｉｔに関する量が検出され、（７）
弐っまりｊ１＋ｉ２によって、散乱光Ｓの強度によって
重み付けされた座標Ｘの平均値に関する量が検出され、
（３）式っまりｊ工によって、散乱光Ｓの強度によって
重み付けされた座標Ｘの２乗平均値が検出されることに
なる。

従って、（］、）、　（６）　、　（７）式より、が得
られ、この（１□＋１２）／（ｌ□＋ｉ２＋ｉ３）によ
って、ＤＩＰセンサ５の端部と散乱光Ｓの位置との距離
Ｘの平均値マに比例する］−吹出カがとり出される。

さらに、（６）、（３）式より、 ＝□　　　　　・・・（９） が得られ、このｉよ／（ｉ□＋ｉ２＋ｉ３）によって、
ＤＩＰセンサ５の端部と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの２
乗平均値２に比例する２次出力がとり出される。

以上の結果から、本実施例では、（６）式により散乱光
Ｓの総強度Ｉｔが、 Ｉｔ＝（ｊ□＋ｉ２＋ｉ３）／（Ｋ−ｗ）　　−＝（１
ｏ）として検出され、（８）式により散乱光Ｓの平均位
置五が、 マ＝Ｑ・（ｉ□＋ｉ２）／（ｉ□＋ｉ２＋ｉ３）　　・
・（１１）として検出され、さらに、（２）　、　（８
）　、　（９）式に基づき、下式（１２）により分散σ
２が得られる。

−］５− ・・・（１２） ＤＩＰセンサ５により検出された電流値１１．１ｉｚ＋
　１３に基づき、演算部８において、上述した（１０）
〜（１２）式による演算が行なわれ、散乱光Ｓの分散σ
２が算出される。そして、第４図に示すように、粗度の
高い部分における光強度分布は拡がったものとなり、そ
の分散σ、′は大きくなる一方、粗度の低い部分におけ
る光強度分布はシャープなものとなり、その分散σ２は
小さくなるという強い相関関係がある。従って、被測定
表面３で乱反射された散乱光Ｓの分散σ２により、被測
定表面３の粗度に関する情報が得られ、この分散σ２が
ら、被測定表面３の粗度が評価・測定される。

このように、本実施例の装置によれば、複雑な信号処理
を施すことなく、極めて簡素な構造の装置を用い、ＤＩ
Ｐセンサ５からの検出電流値ｊ工。

ｊ２１　：Ｕ３をもとに演算を行なうだけで、散乱光Ｓ
についての１次出力および２次出力が得られ、これ、ら
の出力から分散σ２が算出される。そして、このように
して得られた分散σ２に基づいて、被測定表面３の粗度
を、速い応答性で精度良く測定でき、装置の小型化およ
び低価格化を実現できる。

また、従来装置と異なり、正反射方向のみの光強度を検
出すればよく、複雑な演算処理が不要となるほか、分散
σ２の値は、ＤＩＰセンサ５上の散乱光Ｓの入射位置に
は依存しないので、ピーク位置がずれても影響なく粗度
を測定できる。

なお、場合によっては、被測定表面３の反射率。

傾き等が、分散σ２の値に影響を及ぼすことも考えられ
るので、演算部８において、平均位置えおよび総強度Ｉ
ｔによる補正を行なうようにしてもよい。

ところで、本実施例で使用されるＤＩＰセンサ５は、第
１５図（ｂ）、（ｃ）に示すようなフォトダイオードに
よるものとしているが、本発明の方法を実施するための
表面粗度測定装置における光電変換体としては、第１図
（ｂ）、（ｃ）に示すＤＩＰセンサ５以外にも、様々な
ものを用いることができる。以下に、本発明の方法を実
施するために用いることのできる光電変換体（ＤＩＰセ
ンサ）の例を項目■〜■に挙げて説明する。

■第１変形例 第５図（ａ）、（ｂ）はＤＩＰセンサの第１変形例を示
すもので、第５図（ａ）はその側面図、第５図（ｂ）は
その平面図である。

第１変形例のＤＩＰセンサ５Ａでは、第５図（ａ）、（
ｂ）に示すように、光入力（散乱光Ｓ）を受けるＰ型半
導体から成る第１抵抗Ｊｆｌｌと、この第１抵抗層１１
に空乏層１３を介して接続されたＮ型半導体から成る第
２抵抗Ｍ１２とがそなえられ、第１抵抗層１１は全面一
様な抵抗値（抵抗線密度Ｐ。）を有するように形成され
ている。

また、電極ｉ４．．ｘｓが、間隔αをあけてそれぞれ第
１抵抗層１１の両端部に取り付けられるとともに、第２
抵抗層１２の両端しこも、電極１６゜１７が、それぞれ
上記電極１４．１５に対向するように取り付けられてい
る。なお、ここでは、電極１４．．１６の位置を原点と
し、これらの電極１４、．１６から電極１５．１７へ向
かう方向へＸ軸をとる。

さらに、第２抵抗層１２は、その端部における電極１６
の位置からの距離に依存する抵抗値を有するように形成
されており、 ｒ＝（ｒｏ／Ｑ、）・ｘ　　　−（１３）なる抵抗線密
度ｒをもっている。

なお、ＤＩＰセンサ５Ａにおいて光電流が生じた場合、
電極１４，１５，１６．１７を流れる電流値が、それぞ
れｉ□。＋　１．２［＋１　ｊｘ＋　＋２として検出さ
れるようになっている。

また、第５図（ａＬ　（ｂ）中のＱ、１．ｗ、ｈは、そ
れぞれＤＩＰセンサ５Ａの外形寸法、つまり長さ２幅、
高さに示す。

このようなりＩＰセンサ５Ａでは、第１抵抗層１１に入
射する散乱光Ｓの総強度■ｔ、平均位置又および分散σ
２は次のようにして得られる。

今、第２図と同様の強度分布ρ（ｘ）をもった散乱光Ｓ
が、第５図（ａ）に矢印Ａで示すように入射したとする
と、散乱光Ｓのうちの［ｘ、ｘ＋ｄｘ１間のビーム素は
、光電変換によりｄｉの正孔とｄｊの電子とを生成する
。即ち、 ｄｉ＝Ｋ・　ρ（ｘ）ｄ　ｘ　＝　−ｄ　ｊ　　　　・
・（１４）ここで、Ｋは光電変換効率である。

そして、正孔ｄｉは、第１抵抗層１１に沿って移動し、
電子ｄｊ（＝−ｄｉ）は、空乏層１３から第２抵抗層１
２へ到達しこの第２抵抗層１２に沿って移動する。第１
抵抗層１１は全面一様な抵抗線密度ｒ。をもっているた
め、正孔ｄｉは、０からＸまでの全抵抗と、ＸからＱま
での全抵抗とに反比例分配され、各々、ｄｉ、。＋　ｄ
１２０として電極１４゜１５から取り出される。従って
、 ｄ　ｉ　＝ｄｊ１ｏ十ｄｉ。。　　　　　　　　　　　
＝（１５）ｒｏ−Ｑ　　　　　　　Ｑ となる。

また、電極１４．１５からそれぞれ取り出される電流値
１□。、］２ｏは、 ｊ】、ａ　＝　ｆｄ−１，１０・（１８）ｊ２ｏ＝　ｆ
　ｄｊ２ｏ−（１９） であり、実際に測定されるのは、これらの電流値ｉ□。

＋　１２［１である。ｉｚａは、（１９）　、　（１７
）　、　（１４）式より、１ｚｏ＝　　／ｄｊ、２ｏ　
＝（１／　　Ｑ）　・　ｆ　　ｘｄｉ＝（Ｋ／Ｑ）・ｆ
’ｘ・ρ（ｘ）ｄｘ　　・−（２０）となり、散乱光Ｓ
の強度によって重み付けされた座標Ｘの平均値が、電流
値１２［１により検出されることになる。

しかし、電流値１２０は散乱光Ｓの強度にも依存してい
る。そこで、全電流値（１１０＋１２０）を（１８）。

（１９）　、　（１，６）　、　（１７）　、　（１４
）式を用いて求めると、１１０　＋１２０　＝　ｆ　（
ｄｘｌ。十ｄ１２０）＝　ｆ　ｄ　ｉ＝に−Ｊ、’ρ（
ｘ）ｄｘ＝Ｋ・Ｉｔ−（２１）となり、散乱光Ｓの総強
度Ｉｔに関する量が得られ、さらに（２０）　、　（２
１）、　（６）式より、が得られる。結局、１２　ｏ／
　（１１ｏ＋　１２０　）によって、電極１４の位置（
光電変換体の端部）と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの平均
値マに比例する１次出力がとり出され、（１□。＋１ｚ
ｏ）によって、散乱光Ｓの強度情報としてＫ・Ｉｔを求
めることができる。

次に　第２抵抗層１２は（１３）式に示すような抵抗線
密度ｒをもっているのて、電子ｄＪは、０がらＸまでの
全抵抗Ｒユ（×）と、ＸがらＱまでの全抵抗Ｒ２（Ｘ）
とに反比例配分され、各々、ｄｊ□、ｄｊ。

として電極１６，１．７から取り出される。従って、Ｒ
，（ｘ）−ｆ：ｒｄｘ　＝　ｒｏ−ｘ２／　（２Ｑ　）
　・＝（２３）Ｒ２Ｃｘ）＝　ｆ　ｒｄｘ ＝ｒｏ・（”２−Ｘ２）／（２ｆｌ）　　、、・（２４
）となり、全抵抗Ｒについては、 Ｒ＝　ｆ’ｒｄｘ＝　ｒｏｉｔ／２　　　−（２５）と
なるから、 ｄＪ＝ｄＪ□＋ｄ、　２　　　　　　　　　　　・・（
２６）となる。

また、電極１６．１７からそれぞれ取り出される電流値
Ｊ１＋　Ｊ２は、 ｊ工＝、／’ｄｊ□　　　　　（２９）Ｊ　２　＝　ｆ
　ｄ　Ｊ　２　　　　　・・・（３０）であり、実際に
測定されるのは、これらの電流値Ｊｌｌ　Ｊ２である。

ｊ２は、（３０）　、　（２８）　、　（９）式より、
Ｊ２＝　ｆｄｊｚ＝（１／Ｑ２）・ｆｘ２ｄｊ＝−（Ｋ
／Ｑ、”）・ｆｆｊＸ２・ρ（ｘ）ｄ　ｘ　　−（３１
）となり、散乱光Ｓの強度によって重み付けされた座標
Ｘの２乗平均値が、電流値Ｊ２により検出されることに
なる。

しかし、電流値ｊ２は散乱光Ｓの強度にも依存している
。そこで、全電流値（Ｊ□＋Ｊ２）を（２９）　、　（
３０）　。

（２７）　、　（２８）　、　（１４）式を用いて求め
ると、ｊ□＋ｊ２−ｆ（ｄｊ□＋ｄｊ２）＝ｆｄｊ＝−
に−ｆ、’ｐ　（ｘ）ｄｘ＝−Ｋ・Ｔｔ　＝４３２）と
なり、散乱光Ｓの総強度Ｉｔに関する量が得られ、さら
に（３１）、（３２）式より、が得られる。結局、Ｊ　
２／　（Ｊ　１　＋　Ｊ　２）によって、電極１６の位
置（光電変換体の端部）と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの
２乗平均値７に比例する２次出カフ／Ｑ２をとり出すこ
とができる。

従って、散乱光Ｓの分散（拡がり）σ２は（２２）。

（３３）、（２）式より、 によって求めることができる。

以上の結果から、このＤＩＰセンサ５Ａを演算部８に接
続することで、検出電流値ｊ工。＋ｌｚｏ＋Ｊ□。

Ｊ２から、（２＋、）［もしくは（３２））　、　（２
２）　、　（３４）式に基づいて、それぞれ、散乱光Ｓ
の総強度Ｉｔ、平均位置マおよび分散σ２を得ることが
でき、第５図に示すＤＩＰセンサ５Ａによっても上記実
施例と同様の作用効果が得られる。

なお、距離に比例した抵抗線密度をもつ第２抵抗層１２
は、不純物のドーピング量の変化によって実現させるこ
とができるほか、距離に反比例した膜厚を第２抵抗層１
２にもたせることによっても実現できる（抵抗線密度ｏ
：１／膜厚α距離）。

■第２変形例 第６図はＤＩＰセンサの第２変形例を示す斜視図であり
、第２変形例のＤＩＰセンサ５Ｂでは、第６図に示すよ
うに、第１変形例とほぼ同様の構成において、光入力を
受けるＰ型半導体から成る第１抵抗層１１ａと、この第
１抵抗層１１ａに空乏Ｊ１１３を介して接続されたＮ型
半導体から成る第２抵抗層１２ａとがそなえられ、第２
抵抗層１２ａはバイアス電極１８に接続される。また、
第１抵抗層１１ａは、複数の帯状（たんざく状）抵抗層
部分１１ｂ、ｌｌｃに分割されている。

そして、帯状抵抗層部分１１ｂ、ｌｌｃは交互に配置さ
れ、奇数番目（所定番目毎）に位置する帯状抵抗層部分
１１ｂは、全面−様な抵抗値を有するように形成される
とともに、偶数番目（上記所定番目毎以外）に位置する
帯状抵抗層部分１１ｃは、Ｘ軸方向に線形増加する（１
３）式と同様の抵抗線密度ｒを有するように形成されて
いる。

また、各帯状抵抗層部分］、　１　ｂの両端部には、電
極１４ａ、１５ａが取り付けられるとともに、各帯状抵
抗層部分１１ｃの両端部には、電極１６ａ、１７ａが取
り付けられており、これらの電極１４．　ａ　、　１５
　ａ　、　１６　ａ　、　１．７　ａから検出される電
流値１：ＬＯ＋１□。、ｊ□＋　Ｊ２より、上記の第１
変形例（Ｄ　Ｉ　Ｐセンサ５Ａ）と同様にして、１次出
力および２次出力が得られて、散乱光Ｓの平均位置マ。

総強度Ｉｔおよび分散σ２の検出が行なわれる。従って
、このＤＩＰセンサ５Ｂを演算部８に接続することで、
このＤＩＰセンサ５Ｂによっても上記実施例と同様の作
用効果が得られる。

廣」」変形例 第７，８図はＤＩＰセンサの第３変形例を示すもので、
第７図はその側面図、第８図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ
第１および第２の遮光マスクの形状を示す平面図である
。

第３変形例のＤＩＰセンサ５Ｃては、第７図に示すよう
に、透光性を有する光電変換体としての３組のフォトダ
イオード１９−１〜１９−３がそなえられており、各フ
ォトダイオード］９−１〜１９−３は、１層１９ａ、ｉ
層１９ｂおよびｎ層］、　９　ｃから構成され、光入力
を受けるとその強度に応し光電変換による所定の電流を
出力するものである。そして、各フ第１−ダイオード］
９−１〜１９−３の上下面には、透明導電膜２０が貼付
され、同透明導電膜２０を介して各フカ１〜ダイオード
１９−１〜１９−３からの検出電流値■。、■□。

■２が得られるようになっている。さらに、上下面に透
明導電膜２０を貼付された各フカ１〜ダイオード１９−
１〜１９−３は、ガラス基板２１上に載置されている。

そして、フォトダイオード１９−２の光入力側表面は、
透光性を有する絶縁保護膜２３を介して、第８図（ａ）
に示す形状をもつ第１の遮光マスク２２ａによって蔽わ
れるとともに、フ第１−ダイオード１９−３の光入力側
表面は、透光性を有する絶縁保護膜２３を介して、第８
図（ｂ）に示す形状をもつ第２の遮光マスク２２ｂによ
って蔽われている。

つまり、第１の遮光マスク２２ａによる遮光部とフ第１
−ダイオード］９−２の受光部との境界線は、ｙ＝（ｗ
／Ｑ、）・Ｘなる１次直線となり、フオトダイオード１
９−２は、遮光マスク２２ａにより、位置Ｘにおいて同
Ｘに比例した幅（ｗ／Ｒ）・Ｘだけ露出されるようにな
っている。同様に、第２の遮光マスク２２ｂによる遮光
部とフォトダイオード１９−３の受光部との境界線は、
ｙ＝（ｗ／Ｑ２）・Ｘ２なる放物線となり、フォトダイ
オード１９−３は、遮光マスク２２ｂにより、距離Ｘに
おいて同Ｘの２乗に比例した幅（ｗ／Ｒ２）・ｘ２だけ
露出されるようになっている。なお、ｘ−ｙ座標系は、
第１図（ｂ）に示すものと同様である。

上述のように遮光マスク２２ａ、２２ｂにより」二面を
蔽われたフォトダイオード１９−２．１９−３と、フカ
１〜ダイオード１９−１とは、上から１９−１．１９−
２．１９−３の順で透光性のある接着層２４を介して積
み重ねられている。

このようなりＩＰセンサ５Ｃでは、第２図に示したもの
と同じ強度分布ρ（ｘ）をもった散乱光Ｓが、第７図に
矢印Ａで示すように入射した場合、第１図（ｂ）、（ｃ
）に示したＤＩＰセンサ５と同様にして、散乱光Ｓの総
強度Ｉｔ、平均位置又および分散σ２が得られる。

つまり、このＤＩＰセンサ５Ｃでも、位置Ｘと検出電流
値Ｉ　１（”　１１＋　１２　）との間には第３図（ａ
）に示すような関係があるとともに、位置Ｘと検出電流
値ｌ２（−ｉ□）との間には第３図（ｂ）に示すような
関係がある。

従って、受光面が一切蔽われていないフォトダイオード
１９−１により検出される電流値工。は、Ｉｏ＝Ｋａ’
／′ρ（ｘ）ｄｘ＝Ｋｏ・Ｉｔ　　−（３５）となり、
この電流値■。から散乱光Ｓの総強度Ｉｔに関する量が
得られる。また、遮光マスク２２ａに蔽われたフ第１・
ダイオード１９−２により検出される電流値■１は、 ■□＝に工・ａｌ・ｆ：ｘ・ρ（Ｘ）ｄＸ・（３６）と
なって、散乱光Ｓの強度によって重み付けされた座標Ｘ
の平均値が、電流値■、により検出されることになる。

同様に、遮光マスク２２ｂに蔽われたフォトダイオード
１９−３により検出される電流値■２は、 Ｉ２＝に、、・ａ２・、／′ｘ２・、ｏ（ｘ）ｄｘ　’
　−（３７）となって、散乱光Ｓの強度によって重み付
けされた座標Ｘの２乗平均値が、電流値工、により検出
されることになる。ここで、Ｋｏ、　Ｋ１．　Ｋ２はそ
れぞれフォトダイオード１９−１〜１９−３の光電変換
効率である。

従って、（３５）　、　（３６）より、１、／工。＝（
Ｋ、／に、）・ａ、・ｘ　　　−（３８）が得られ、こ
のＴ□／Ｉｏによって、フォトダイオード１９−２の端
部と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの平均値マに比例する１
次出力がとり出される。

また１、　（３５）　、　（３８）より、Ｉ　２／　Ｉ
　ｎ　＝　（Ｋ２／　Ｋ１１）’　ａ　ｚ’　Ｘ”　　
・・・（３９）が得られ、この■、／Ｉｏによって、フ
ォトダイオ−＋：　１９−３の端部と散乱光Ｓの位置と
の距離Ｘの２乗平均値７に比例する２次出力がとり出さ
れる。

なお、実際には、散乱光Ｓがフォトダイオード１９−１
〜１９−３を順次透過するに従い、その光量は徐々に吸
収されて減衰するため、上記（３６）〜（３９）式によ
る演算にあたってはその減衰率を予め求めて考慮する必
要があるが、ここでは、簡単のため散乱光Ｓの減衰は生
じないものとして、説明している。

以上の結果から、ＤＩＰセンサ５Ｃでは、（３５）式に
より散乱光Ｓの総強度Ｉｔが、（３８）式により散乱光
Ｓの平均位置Ｙが得られ、さらに、（３８）。

（３９）式に基づき、下式（４０）により分散σ２が得
られる。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｃを演算部８に接続するこ
とで、このＤＩＰセンセンＣによっても上記実施例と一
同様の作用効果が得られる。

■第４変形例 第９図（ａ）、（ｂ）はＤＩＰセンサの第４変形例を示
すもので、第９図（ａ）はその平面図、第９図（ｂ）は
その側面図である。

第４変形例のＤＩＰセンサ５Ｄでは、第９図（ａ）、（
ｂ）に示すように、光電変換体としてのフォトダイオー
ド２７がガラス基板３０上に載置さ一３］− れてそなえられ、フォトダイオード２７の光入力側表面
は、第８図（ａ）に示すものと同形状の第１の遮光マス
ク２８と、第８図（ｂ）に示すものと同形状の第２の遮
光マスク２９とにより蔽われている。そして、これらの
遮光マスク２８．２９はいずれも液晶シャッタとして構
成されている。

つまり、遮光マスク２８．２９がいずれもオフ（開放）
状態である場合には、フォトダイオード２７には光入力
が全く遮光されないまま入射して、フォトダイオ−１〜
２７から（３５）式に対応する電流値■。が検出される
。また、遮光マスク２８が駆動電圧の印加によりオン（
閉鎖）状態となると、（３６）式に対応する電流値工□
が検出され、さらに、遮光マスク２９が駆動電圧の印加
によりオン状態となると、（３７）式に対応する電流値
■２が検出さ　　。

れることになる。これにより、所定のタイミングで、遮
光マスク２８．２９両方オフ、遮光マスク２８のみオン
、遮光マスク２９オンの操作を駆動電圧の印加制御によ
り繰り返し行ない、時間分解して電流値工。＋Ｌ＋Ｌを
検出し組み合わせることによって、（３５）式により散
乱光Ｓの総強度Ｉｔが、（３８）式により散乱光Ｓの平
均位置マが、（４０）式により分散σ２が得られる。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｄを演算部８に接続するこ
とで、このＤＩＰセンサ５Ｄによっても上記実施例と同
様の作用効果が得られる。

なお、シャッタとして液晶以外に、ＰＬＺＴ（ジルコン
酸チタン酸鉛ランタン）、ＫＤＰ（リン酸二水素カリウ
ム）などの電気光学結晶を用いてもよい。また、第２の
遮光マスク２９の形状を第８図（ｂ）に示すものと同形
状としているが、この第２の遮光マスク２９を、第９図
（ａ）における１次直線と２次曲線とて囲まれた部分だ
けとしてもよく、この場合、（４０）式に対応する電流
値工２を検出する際には、第１の遮光マスク２８および
第２の遮光マスク２９を両方ともオン（閉鎖）状態とす
ればよい。

四」５変隷 第１０．１１図はＤＩＰセンサの第５変形例を示すもの
で、第１０図はその側面図、第１１図（ａ）、（１））
はそれぞれ」−吹精性ＮＤフィルタおよび２吹精性ＮＤ
フィルタの光透過率の性質を示すグラフである。

第５変形例のＤＩＰセンサ５Ｅでは、第１０図に示すよ
うに、光電変換体として３組のフカ１〜マル３５〜３７
がそなえられ、それぞれ長さＱを有している。ここで、
フカ１〜マルとは、光電子増倍管のことで、光を受ける
と電子をねずみ質的に増加させて光強度に応じた出力を
得るもので、特に微弱光の光電変換に用いられる。

そして、フカ１−マル３６の光入力側表面は、１次特性
光学フィルタとしての１吹精性ＮＤフィルタ３８により
蔽われるとともに、フォトマル３７の光入力側表面は、
２次特性光学フィルタとしての２吹精性ＮＤフィルタ３
９により蔽われている。

ここで、１吹精性ＮＤフィルタ３８は、第１１図（ａ）
に示すように、フォトマル３６の端部からの距離Ｘに比
例した透過率ｂ１・Ｘを有する一方、２吹精性ＮＤフィ
ルタ３９は、第１１図（ｂ）に示すように、フカ１−マ
ル３７の端部からの距離Ｘの２乗に比例した透過率ｂ２
・Ｘ２を有している。なお、ＮＤフィルタとは、Ｎｅｕ
ｔｒａｌ　Ｄｅｎｓｊｔｙ　Ｆｊ］、ｔｅｒのことで、
波長（色）によらない、即ち、分光透過率がフラン１〜
なものである。また、入射してくる散乱光Ｓは、ハーフ
ミラ−４０，４−１により、それぞれフカ１〜マル３５
〜３７の受光面に直交して入射するように分割される。

このＤＩＰセンサ５Ｅでは、Ｘ方向に第２図と同様の光
強度分布ρ（Ｘ）をもつ散乱光Ｓが入射すると、フィル
タをもたず散乱光Ｓを直接入射されるフオＩ〜マル３５
により得られる出力■。は、Ｖｏ＝に−ｆ’ρ（ｘ）ｄ
ｘ ＝Ｋ・Ｉｔ　　　　　　　　　・・・（４１）となり、
この（４１）式により散乱光Ｓの総強度Ｉｔに関する量
が得られる。また、１吹精性ＮＤフィルタ３８により蔽
われたフォＩ・マル３６により得られる出力Ｖ１は、 ｖ１＝に−ｆ′ρ（Ｘ）・ｂ□・ＸｄＸ　・・・（４２
）となって、散乱光Ｓの強度によって重み付けされた座
標Ｘの平均値が、出力Ｖ、により得られるこ一３５＝ とになる。同様に、２吹精性ＮＤフィルタ３９により蔽
われたフォトマル３７により得られる出力ｖ２は、 ｖ２＝に−ｆρ（Ｘ）・ｂ２・Ｘ２ｄＸ　　・・・（４
３）となって、散乱光Ｓの強度によって重み付けされた
座標Ｘの２乗平均値が、出力■２により得られることに
なる。ここで、Ｋは光電変換効率である。

従って、（４１）、（４２）式より、 Ｖ１／Ｖｏ＝ｂ□・ｘ　　　　　　　　−（４４）が得
られ、このＶ□／　Ｖ　Ｏによって、フォトマル３６の
端部と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの平均値マに比例する
１次出力がとり出される。

また、（４１）、（４３）式より、 ■２／■ｏ−２ｂ２・Ｘ２　　　　　　・・・（４５）
が得られ、このＶ、／Ｖｏによって、フ第１〜マル３７
の端部と散乱光Ｓの位置との距離Ｘの２乗平均値７に比
例する２次出力がとり出される。ここで、（４５）式の
右辺に２が乗算されているのは、ハーフミーラ−４，０
，４１によって光量が２分割されるからである。

以上の結果から、（４１）式により散乱光Ｓの総強度Ｉ
ｔが、（４４）式により散乱光Ｓの平均位置マが得られ
、（４４）　、　（４５）式に基づき、下式（４６）に
より分散σ２が得られる。

従って、このＤＩＰセンサ５Ｅを演算部８に接続するこ
とで、このＤＩＰセンサ５Ｅによっても上記実施例と同
様の作用効果が得られる。

以上、ＤＩＰセンサの変形例について説明したが、第１
図（ａ）に示すＤＩＰセンサ５に代えて、いずれのセン
サ５Ａ〜５Ｅを用いても、本発明の方法を実施すること
ができ、上述の通り上記実施例と同様の効果が得られる
。

［発明の効果コ 以上詳述したように、本発明の表面粗度測定方法および
装置によれば、複雑な信号処理を施すことなく、光電変
換体からの検出電流値をもとに演算を行なうだけで、散
乱光についての１゜吹出力および２次出力が得られ散乱
光の分散が算出され、この分散に基づいて被測定表面の
粗度を速い応答性で精度良く測定でき、装置が小型化か
つ低価格化されるほか、正反射方向のみの光強度を検出
すればよく、複雑な演算処理が不要となるなどの効果か
ある。

【図面の簡単な説明】

第１〜４図は本発明の一実施例としての表面粗度測定装
置を示すもので、第１−図（ａ）はその全体構成図、第
１図（ｂ）はその光電変換体としてのＤＩＰセンサの平
面図、第１図（ｃ）は上記ＤＩＰセンサの側面図、第２
図は上＝ａｏｒｐセンサに入射される光入力の強度分布
の一例を示すグラフ、第３図（ａ）、　（ｂ’）はいず
れも」二δ己ＤＩＰセンサにより得られる検出電流値と
光電変換体」二の位置との関係を示すグラフ、第４図は
本装置による測定例を示すグラフであり、第５図（ａ）
、（ｂ）はＤＩＰセンサの第１変形例を示すもので、第
５図（ａ）はその側面図、第５図（ｂ）はその平面図で
あり、第６図はＤＩＰセンサの第２変形例を示す斜視図
であり、第７，８図はＤＩＰセンサの第３変形例を示す
もので、第７図はその側面図、第８図（ａ）。 （ｂ）はそれぞれ第１および第２の遮光マスクの形状を
示す平面図、第９図（ａＬ　（ｂ）はＤＩＰセンサの第
４変形例を示すもので、第９図（ａ）はその平面図、第
９図（ｂ）はその側面図であり、第１０゜１１図はＤＩ
Ｐセンサの第５変形例を示すもので、第１０図はその側
面図、第１−１図（ａ）、（ｂ）はそれぞれ１吹精性Ｎ
Ｄフィルタおよび２吹精性ＮＤフィルタの光透過率の性
質を示すグラフであり、第１２図は従来の表面粗度測定
装置を示す全体構成図、第１３図は従来装置よる測定例
を示すグラフである。 図において、１−レーザ光源、３・・・被測定表面、５
．５Ａ〜５Ｅ・・・光電変換体としてのＤＩＰセンサ、
８−演算部、１１．　、１．　］、　ａ−第１抵抗層、
１１ｂ、１１ｃ−帯状抵抗層部分、１２．１２ａ−第２
抵抗層、１３−・−空乏層、１９−１〜１９−３・・・
光電変換体としてのフォトダイオード、２２ａ−一第１
の遮光マスク、２２ｂ−・−第２の遮光マスク、２７−
光電変換体としてのフォトダイオード、２８・・・第１
の遮光マスク（液晶シャッタ）、２９−第２の遮光マス
ク（液晶シャッタ）、３５〜３７・−光電変換体として
フォトマル、３８・・・１次特性光学フィルタとしての
１吹精性ＮＤフィルタ、３９−・−２次特性光学フィル
タとしての２吹精性ＮＤフィルタ、Ｓ−・・散乱光。 特許出願人　株式会社　神戸製鋼所

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）被測定表面に光を照射して得られた散乱光を光入
   力として光電変換体に入射させて、上記光入力の光強度
   と、光強度によって重み付けされた上記光電変換体の端
   部と上記光入力の入射位置との距離の平均値と、光強度
   によって重み付けされた上記光電変換体の端部と上記光
   入力の入射位置との距離の２乗平均値とを上記光電変換
   体により検出し、検出された上記の光強度および平均値
   に基づいて上記光電変換体の端部と上記光入力の入射位
   置との距離の平均値に比例する１次出力をとり出すとと
   もに、検出された上記の光強度および２乗平均値に基づ
   いて上記光電変換体の端部と上記光入力の入射位置との
   距離の２乗平均値に比例する２次出力をとり出した後、
   上記の１次出力および２次出力に基づき上記光入力の分
   散を演算して検出し、検出した上記光入力の分散に基づ
   いて上記被測定表面の粗度を評価することを特徴とする
   表面粗度測定方法。
2. （２）被測定表面に光を照射する光源と、上記被測定表
   面により乱反射された上記光源からの光の散乱光を光入
   力として受ける光電変換体とをそなえ、上記光電変換体
   が、同光電変換体の端部と上記光入力の入射位置との距
   離の平均値に比例する１次出力を検出すべく、上記光電
   変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同距
   離に比例した幅方向位置で分離絶縁されるとともに、上
   記光電変換体の端部と上記光入力の入射位置との距離の
   ２乗平均値に比例する２次出力を検出すべく、上記光電
   変換体の端部からの距離に応じ同距離位置において同距
   離の２乗に比例した幅方向位置で分離絶縁されて構成さ
   れ、上記光電変換体からの出力に基づき上記光入力の分
   散を算出しこの分散から上記被測定表面の粗度を評価・
   演算する演算部がそなえられたことを特徴とする表面粗
   度測定装置。