JPS60170708A - 表面粗さ計測装置 - 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】 （発明の分野） この発明は、レーザによるコヒーレント光を被測定体く
粗面物体）の表面に照則し、その拡散反則光により生ず
るスペックル・パターンにＪ、って表面の粗さを８１測
する装置に関する。

（光明の背銀） この種の表面第１］さ副側装置の１ｌｌ１１定原理は従
来から良く知られてＪ３す、例えば特Ｕ０昭５１−１２
４４５４号公報に詳細に記述されている。

しかし、具体化された従来のこの種の表面粗さ打１測装
置は、コヒーレント光の光源としてガスレーデを用い、
スペックル・パターンの強度分布（コントラスト）を測
定づるための光電検出器として光電子増信管を用いてい
る。この装置では、ガスレー量アを用いていることかＩ
う非常に大型となり、各種の表面加工現場で使用できる
ようなものとはなっていない。また、光電子増倍管でス
ペックル・パターンの強度分布を測定するには、どうし
ても機械的な走査機構が必要であり、この点で装置が大
型化すること、機械的走査では高速の計測が行なえない
などの問題があった。

そこぐ、本出願人は、この問題を解決した表面粗ざ４測
装置を先に出願した（特願昭５８−７１８５４号、未公
開）。この表面粗さ計測装置は、コヒーレント光の光源
として半導体レーザを用い、スペックルパターンの強度
分布を測定づるための光電変換器としてＣＯＤ、ＢＢＤ
等からなる自己走査型撮像素子を用いたもので、機械的
走査機構を持たず小形化でき、しかも高感度、高精度で
低価格な装置としたものである。

ところが、本出願人に係るこの表面粗さ計測装置にあっ
ては、被測定体表面からの拡散反射光を光学系を介して
自己走査型固体撮像素子に導くようにしているので、次
のような問題が知見された。

まり゛、第１には被測定体表面と自己走査型固体撮像素
子間には一定の空間距離が必要であるが、この空間距離
が長い場合には、固体搬像素子の中央部分と両端部分と
では受光強電に差異を生じ、これが固体ＲＩｇＩ　Ｎ子
の出力中に低周波ノイズどしてあら４つれ、測定誤５差
を生ずる原因となる。

第２に、被測定体の周囲環境によっては本装置の使用が
できなくなるということである。例えば、被測定体の周
囲スペースが狭い場合、また被測定１本が水や潤）け油
等の液中にある場合、あるいは被測定体がシリングの内
面等である場合、目測が回動ないしは不可能になる。

第３に、自己走査型固体撮像素子の駆動回路が複雑であ
ること、Ｊ３よび光学系を右づることが小形化の目的に
そぐわないということである。

（発明の目的） この発明は、装置の一層の小形化を図るとともに、被測
定体が遠方にある場合でも高１ｉ度な露１測を可能どし
、かつ被測定体の周囲スペースが狭い場合、また被測定
体が水や潤滑油等の液中にある場合、あるいは被測定体
がシリンダの内面等である場合でも、容易に表面粗さを
計測づることができるＪζうにづることを目的とづる。

（発明の（笥１戊と効果） 上記目的をａ成づるために、この発明の表面粗さｈ１測
装置は、光源となる半導体レーザ素子と、その入射端部
が前記半導体レーザ素子に光結合され、かつその出口・
ｊ端部が被検出面に近接してこれど対向配置された投光
用光ファイバど、その入射端部が前記投光用光ファイバ
の出射端部近傍に、かつ被検出向と近接して対向配置さ
れた１または２以上の受光用光ファイバと、前記受光用
光ファイバの出用端部に設（）られた受光素子と、前記
被検出面が１１３位距Ｎ１移動するたびに前記受光素子
の光電変Ｊ条出力伯をディジタル信号に変換づるΔ／Ｄ
変換手段と、１）ｕ記Δ／Ｄ変換手段の出ツノを受けて
、前記被検出面の単位面積からの拡散反射光により生り
”るスペックルパターンのコントラストをめる演算手段
と、スペックルパターンのコン１−ラストデータと表面
粗さデータの対応関係が記憶されたア゛−タデ−プルと
、前記デ゛−タブーノ゛ルの内容に基づき、前記演算手
段でめられたコン１−ラストデータから前記被検出面の
相ざをめる手段とを備え！、：ことを特徴と覆る。

この構成によれば、半導体レーザおまひ受光素子はとも
に極めて小形で安価であり、かつ受光素子は複層１な駆
動回路を要しないのＣ１本出願人が先に提案した表面粗
さ６１測装置よりも、さらに小形化を図ることができる
。

また、投光用光ファイバの出用端部Ｊ５よび受光用光フ
ァイバの入用端部を被検出面に近接して対向配置するよ
うにしたので、被検出面にはスボッｌ〜状のレーザ光が
照射され、拡散反０・１光は光学系を介さり゛に直ちに
受光用光ファイバに入用する。

従って、受光素子では、拡散反則光の中心ど外周部とで
光路差による受光強度の差は極めて少なくなる。

また、光ファイバを用いて投射光・反射光をガイドづる
ようにしｌｃので、本装置は、検出面と受光素子間の空
間距離に無関係に高精度な計測が可能となり、設置場所
は任意に設定でき、被検出面が遠方にある場合あるいは
計測スペースが狭い場合などでし簡単に所定のｈ１測が
できるものである。

また、被検出面が水や潤滑油等の液中にある場合でも、
あるいは被検出面がシリンダの内面等である場合でし、
容易に表面粗さをｇ１測（ることがでさる。

さらに、移動づる被測定体表面を計測の対象どしたので
、金属加工現場や塗装なとの各種表面処理の現場に３３
いて、インプロレスｄ１・測あるいはオンライン８１測
を行４にうことが可能となる。

（実施例の説１！ｌ」＞ 第１図はこの発明の一実施例に係る表面組さｔ１測装置
の全体的な構成を示している。この装置では、コヒーレ
ント光の光源としてレーザダイオード１が用いられる。

レーザダイオード１は、温度条件を一定にして安定なレ
ーザ発振を行なわせるための記瓜制御ブロック２に実装
されている。

温度制御ブロック２には温度調節回路３によって吸発熱
が制御されるペルヂＪ［素子が段【）られてＪ３す、温
度レンサ４で検出されるレーザダイオード１の周囲温度
を一定に保つように制ｔｉ１１が加えられる。また、レ
ーザタイオード１の発光強度を安定化さけるために、自
動パワー制御ａｌＩ（△ＰＣ）回路５が設（プられてい
る。これらにより、レーザクイオード１からは安定した
波長、強度のレーリ゛光が発生づる。

光ファイバ６は、その入射端部がレーリ゛ダイＡ−ｌ”
ｌに光結合づるようになされ、その出射端部が被測定体
７の表面に近接し−にれと対向配置されている。また、
光ファイバ８は、その入射端部か前記光ファイバ６の出
射端部近傍ｃ′、かつ被１１１１ｊ定休７の表面と近接
して対向配置され、その出０＝１端部は受光索子１１の
受光面に対向配置されている。モして、光フフイバ６の
出射端部と光）Ｉ・イバ８の入射端部とは適宜な手段に
よって固定されてａ５す、これに対して被測定休７が例
えば紙面に垂直な方向に移動するようになっている。

これらにより、レーザダイオード１からのコヒーレント
光は、光ファイバ６を介して被測定体７の表面にスポッ
ト状に原則される。被測定体７の表面か−ら生じた拡散
反射光はスペックルパターンを形成し、その一部が光フ
ァイバ８を介して受光索子１１の受光面に入射される。

被測定体７は移動体であるから、受光素子１１に入射さ
れるスペックルパターンは時々刻々変化したものになる
。

この受光素子は、例えばビンフＡトダイＡ−ドやノ７バ
ランシ」ノΔ］−ダイオード等からなる。

受光素７−１１の出力アナログ信号はナンブルホールド
回路（Ｓ／ト１）１２に入力される。このＳ、／　ｌ−
１１２は、ＣＰＵ１４によって単位時間間隔で定期的に
起動されるサンプルパルス発生回路１６から９一定１１
．５間毎のリンプルパルスを受【ノで、受光索子１１の
出ツノアナログ信号を標本化し、各標本値出力をΔ／１
〕変操器（ＡＤＣ）１３に入ツノする。つまり、Ｓ／ｌ
−１１２の各標本値出ツノは、受光索子１１が受光した
スペックルパターンの各画素の受光強度に対応したもの
であり、各標本値はＡＤ　Ｃ１３において例えば８ビツ
トあるいは１４ビツトのディジタル信号に変換される。

次いで、中火処理装置（ＣＰＵ）１４は、単位時間毎に
、その時間内の前記各リンプルパルスに同期して、ＡＤ
　Ｃ１３の化ツノをＩ１０ポー１〜１５をグトシて取込
み、こねをＲＡＭ１８の例えば２にバイ１−の所定］−
リアに格納覆る。つまり、ＲＡＭ１８には、被測定体７
表面のｌｌｉ位面積からの拡散反制先により生じたスペ
ックルパターンを含ｌυだ光強瓜分４ｉが、８ヒツトあ
るいは１４ピツ１〜で構成される画素中位に格納された
ことになる。このＲＡ　Ｍ　１８には、スペックルパタ
ーンの＝ｌン１〜ラストデータ（強度分布データ）と表
面粗さの対応を示づデータチーフルが予め作成されてい
る。

このＣＰＵ１４は、マイクロプロレゾ１ノからなり、Ｒ
ＯＭ１７のプログラムに規定された制御アルゴリズムお
にび演算処理アルゴリズムに従って動作し、まず△ＤＣ
１３から単位時間内相取込みＲＡＭ１８に格納した光強
度データに基づいてその＝１ントラスト（強度分布）を
算出し、次いでこの算出したコントラストデータと前記
データテーブルに基づいて表面粗さデータをめる。これ
が表示器１９に表示され、またプロッター２０に記録さ
れる。

第２図はＣ’ＰＵ１４による表面粗さの演算処理の内容
を詳州に示している。以下、同図に従って表面粗さの演
算過程を順番に説明する。

ＣＩ）ｌＪ１４は、単位時間内の各サンプルタイミング
に同ＪＩＩＪ　して、△ＤＣ１３の出力データをＩ１０
ボー１−１５を介して取込み（ステップ１００）、ＲＡ
Ｍ１８にヒストグラムの形で一時記憶する（ステップ１
０１）。

次に、ＲＡＭ１８に記憶したデータに基づいて、各丈ン
ブルタイミング毎の受光強度■のアンリンプル平均値＜
　ｌ　＞を計算する。このアンリンプル平均値′：Ｉ〉
は統８１的な集合平均である（ステップ１０２）。

次に、Ｊ−記強度Ｉの二乗平均値〈Ｉ２〉を訓練づる（
ステップ１０３）。次に、上記くＩ〉および〈１２〉に
基づいて、強度Ｉの標準偏差σをＳ１ｎづる（ステップ
１０４〉。次に、］−記＜１＞ど標準偏差σに鎮づいて
、コントラス１へＣ〜σ７／＜Ｉ＞を計算する（ステッ
プ１０５〉。

上記のようにして、中位時間分の受光強度データについ
て＝１ントラストＣ＠　ｉｔ　粋する。その１１２、ス
テップ１０６で示しているように、予め設定した複数回
ｎについて上記と同じ処理・ｉｔ　ｎを行ない、その結
果得られたコントラストＣの平均１４ｔＩをめる。そし
て、１：回分の平均二１ントラストＣが計詐されたなら
ば、そのＣに基づい−ｒＲΔＭ１８に設定されている上
記データデープルを引さ、−ｔのＣに対応する表面粗さ
ア゛−タＲをめる（ステップ１０７）。

なお、上記実施例Ｃは、被測定休７として平面的な移動
体を用いたが、例えば第３図に示づように、回転体であ
っても良いことは言うまでもない。

また、上記実施例では、投光用ａ５よび受光用を一本の
光ファイバでそれぞれ構成したが、例えば第４図および
第５図に示すように構成づ−ることらできる。第４図は
、いわゆるバンドルファイバ４１を用い、このバンドル
ファイバ４１の中央の１木の光フシ・イバ６を投光用に
、その外周にある複数の光フッ・イハ８ａ　、８ｂ　、
８ｃ・・・を受光用に使用しｌこ例を示している。受光
用光ファイバ８ａ。

ε３ｂ、ε３（ン・・・を伝搬してきた光は、それぞれ
の受光素子１１ａ、’Ｉｌｂ、１１ｃ・・・によって光
電変換され、ンルブブレクザ３１を介しでＳ／ｌ−１１
２に選択出力される。

また、第５図Ｃは複数の光ファイバを線状に配設した光
ファイバ束５１を用い、その中央にある１本の光フッ・
イバを投光用に、両側にある複数の光ファイバを是光用
に使った場合を示している。

そして、以後の回路構成は第４図の瘍白とＩｉ’ｉ１様
に構成する。

このような４Ｍ成どした場合、次のＪ、うな新たな効果
が＋ｑられる。まず、受光面積か大きいので、単位ｎ６
間当りの計測面積が大きくなる。第２に、スペックルパ
ターンの強度分布を知るのに、被検出体７の移動速度に
同期づる必要がないの（、より高速なＩ１測ができる。

第３に、各受光用光ファイバ３ａ、８１＋、８ｃ、・・
・に入用するスペックルパターン相１７め相関がないの
で、複数点での光強瓜を同時に測定することができ、測
定１１．’１間内に１１１られるデータがθ富どなり、
より＾精度な４測ができることになる。

次に、′ｉ：Ａ６図は、第４図Ｊ３よび第５図に示した
ように、ハンドルファイバ／１１Ａ′″Ｊ光〕７フイバ
束５′１を用い！、：場合の他の実施例を示Ｊ０この実
施例では、各受光素子１１ａ、１１１＋、１１ｃ・・・
石にＳ／ＩＩ　１２ａ　、　１２１＋　、　１２ｃ　、
　−・・を設りるどとち　に　、　各　Ｓ／ｌ−１１２
ａ　、　１　２１＋　、　１　２ｃ　−１ｆ１ｌ、：　
△１つ　Ｃ１３ａ　、　１３ｂ　、　１３ｃ　、　・−
・　を　ＥＱｃ）　、各　△　１〕０毎の０何の軽減を
図り、より高速化を図るＪζうにしたもの（ある。

なお、上記各実施例にＩ５いて、第１実施例（・は投光
用光ツノ・イハ６の田川端部と受光用光ファイバ８の入
Ｑ」端部を接触さげて略一体となるようにし、また第２
．第３実施例（はバンドルファイバ４１や光ファイバ束
５１として投光用光ファイバと受光用光）戸イバとが一
体どなるような場合を示したが、この発明はこれに限定
されるものではすく、投光用光フフフイバと受光用光フ
ァイバとを適宜距離離間させるようにしても良い。つま
り、被測定体面に斜めに投光し、斜めｈ向から受光する
のである。また、投光用光ファイバの出り’Ｉ　ｅＮ部
にレルフＡツクレンズ等を設り被測定体への照射光を調
節し、受光用光ファイバの入用端部に廿ルノＡツクレン
ズ等を段【ノて受光状態を調節するようにしても良いこ
とは勿論である。

４、　図面のＩ！！Ｉ　’ｌＩ′／、Ｔ説明第１図はこ
の発明の一実施例に係る表面粗さ計測１．、）全体４ｉ
４成４イ０、第、□ｕｉ１［ｋＬ：イ。

番）るＣ１）Ｕ１／Ｉによって行なわれる表面粗さをめ
るための演粋処理の手順を示すフローチャー１−１第３
図は移動体からなる被測定体７の他の例を示す概略斜視
図、第４図はこの発明の第２実施例の要部を示づ概略図
、第５図はこの発明の第３実施例の要部を示ず概略図、
第６図は上記第２．第３実施例に対づる他の実施態様を
示す゛概略回路図である。

１・・・レーザダイオード ２・・・温度ルリ御ブロック ６・・・投光用光ファイバ ７・・・被測定体 ８　（８ａ　、　８ｂ　、　８ｃ　、　）−受光用光フ
ァイバ１１・・・受光素子 １２・・・リンプルホールド回路 １／ｌ・・・中央処理装置 １Ｇ・・・リンプルパルス発生回路 １ε３・・・データーノー−ゾルを含／υだＲＡ　Ｍ１
！１６′１出願人 立石電機株式会社 第１図 第 １２　３ 回路 一″　寸′ 日ヌ行 第３図 第５図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）光源どなる半導体レーザ素子と；その人０１　り
   Ｍ１部が前記半導体レーザ素子に光結合され、かつその
   出射端部が被検出面に近接してこれと対向配置された投
   光用光ファイバと；その入射端部が前記投光用光ファイ
   バの出射端部近傍に、かつ被検出面と近接して対向配置
   された１または２以上の受光用光ファイバと：前記受光
   用光ファイバの出射端部に設（ジられた受光素子と； 前記被検出面が単位距離移動するたびに、前記受光素子
   の光電変換出力値をディジタル信号に変換する△／１〕
   変換手段と； 前記Ａ／Ｄ変換手段の出力を受けて、前記被検出面の１
   １１位面積からの拡散反射光により生ずるスペックルパ
   ータンのコントラストをめる演算手段と； スペックルパターンのコントラストデータと表面粗さデ
   ータの対応関係が記憶されたデータテーブルと； 前記テ゛−タデ−プルの内容に基づき、前記演算手段で
   められたコントラストデータから前記被検出面の租きを
   める手段とを備えてなる表面粗さ計測装置。