(57)【要約】【課題】被測定面からの反射光の強度に基づいて同被測定表面の成分を少ない演算量でありながら高い精度で検出できるようにする表面分析方法、及び表面分析装置を提供する。【解決手段】表面分析装置は、被測定面ＳＰからの反射光Ｌｒの強度に基づいて同被測定面ＳＰを構成する成分としての母材Ｍ１と添加材Ｍ２の構成を制御装置２０にて分析する。詳しくは、予め定められた異なる２つの波長の光に対する反射光Ｌｒ、すなわちフィルタ装置１４にて各波長について選択された各選択光Ｌ１，Ｌ２についての強度の比を示す反射強度比を被測定面ＳＰについて取得する。そして被測定面ＳＰを構成する母材Ｍ１と添加材Ｍ２のそれぞれについて予め求められた複数の反射強度比と上記被測定面ＳＰの反射強度比とを比較することにより被測定面ＳＰの成分を判別する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
被測定面からの反射光の強度に基づいて同被測定面の成分を分析する表面分析方法であって、
予め定められた異なる２つの波長の光に対する反射光についての強度の比を示す反射強度比を前記被測定面について取得し、前記被測定面を構成する成分ごとに予め求められた複数の前記反射強度比と前記被測定面における前記反射強度比とを比較することにより前記被測定面の成分を判別する表面分析方法。
【請求項２】
前記被測定面が第１成分と第２成分とから構成されており、
前記第１成分と前記第２成分の各々について予め求められた反射強度比を用いて、前記被測定面に占められる前記第１成分の割合を、前記被測定面の反射強度比に占められる前記第１成分の反射強度比の割合として算出する
請求項１に記載の表面分析方法。
【請求項３】
前記第１成分の反射強度比と前記第２成分の反射強度比との差により、前記被測定面の反射強度比と前記第２成分の反射強度比との差を除する演算により前記被測定面における前記第１成分の比率を算出する
請求項２に記載の表面分析方法。
【請求項４】
前記２つの波長は、紫外可視域の波長である
請求項１〜３のいずれか一項に記載の表面分析方法。
【請求項５】
前記第１成分はアルミニウム合金であり、
前記第２成分はシリコンである
請求項２〜４のいずれか一項に記載の表面分析方法。
【請求項６】
前記被測定面はシリンダライナである
請求項１〜５のいずれか一項に記載の表面分析方法。
【請求項７】
被測定面に異なる２つの波長の照射光を照射する光源装置と、
前記被測定面にて反射される反射光を受光して前記２つの波長のそれぞれに対する強度を出力する受光装置と、
前記受光装置から受けた前記２つの波長のそれぞれに対する強度の比を示す反射強度比を前記被測定面について算出し、前記被測定面を構成する成分ごとに予め求められた複数の前記反射強度比と前記被測定面における前記反射強度比とを比較することにより前記被測定面の成分を判別する制御装置と
を備えることを特徴とする表面分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、被測定物質の表面における成分を光学的な方法により分析する表面分析方法、及び表面分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関に採用されているアルミニウム合金から形成されるシリンダブロックでは、そのシリンダの表面がピストンの往復動に対して高い耐摩耗性を有するべく、上記アルミニウム合金の一つであるシリコン含有アルミニウム合金がシリンダの表面に採用されることが多い。このシリコン含有アルミニウム合金においては、その耐摩耗性がその表面におけるシリコンの分布状態に依存することが知られており、それゆえ同表面の観測にて求められる同分布状態に基づいて耐摩耗性の評価が可能となっている。こうした評価の場合、アルミニウム合金の表面においてシリコンが一定の粒径で偏析なく均一に分布しているものほど、耐摩耗性が高いものであると評価され、一方、シリコンが偏析しているものほど、耐摩耗性が低いものであると評価される。
【０００３】
そこで従来から、アルミニウム合金の表面のシリコン分布状態の観測結果から同表面の耐摩耗性の評価を行う装置がいくつか提案されている。例えば、そのような装置の一つである特許文献１に記載の表面分析装置は、ＹＡＧレーザからの一本のレーザビームを回折格子により複数本のレーザビームに分岐させてそれらを被測定面に照射し、各レーザビームの反射光を受光する受光素子からの出力を演算・記憶部に処理させる。この演算・記憶部では、受光素子の出力に基づいて被測定面の三次元形状が演算されるとともに、同三次元形状に対応した輝度（グレースケール）が演算されて、演算された輝度と予め定められているシリコンの輝度範囲の値との比較によりその被測定面のシリコンの割合が判断されるようになっている。このようにして被測定面のシリコンの分布状態が検出されて、同分布状態に基づくシリコン含有アルミニウム合金の表面の耐摩耗性が評価される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−５１５５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ところで一般的に、受光素子により観測される被測定面の反射光の強度は、被測定面を構成する材料の構成比率により変化するが、それだけではなく測定装置における光学系の特性変化や被測定面の形状変化などによっても変化する。このため、測定装置における光学系の特性変化や被測定面の形状変化に基づく強度の変化などが好適に取り除かれないような反射光の強度からは、被測定面を構成する材料の判別を適切におこなうことは難しい。そこで上述の特許文献１に記載の表面分析装置では、求められた被測定面の三次元形状に基づいて同三次元形状に対応した輝度を演算することにより、観測された反射光からそこに含まれている被測定面の形状に基づく変化を取り除くようにしている。しかしながら、三次元形状の演算や同形状に対応した輝度の算出には多くの演算が必要とされ、同演算のための処理時間の増加は検査に要する時間を長くするおそれがある。他方、検査時間の増加を抑えるために処理能力の高い演算装置を採用するような場合にはそのコストの増加も無視できない。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みてなされたものであり、その目的は、被測定面からの反射光の強度に基づいて同被測定表面の成分を少ない演算量でありながら高い精度で検出
できるようにする表面分析方法、及び表面分析装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
以下、上記課題を解決するための手段及びその作用効果について記載する。
上記課題を解決するため、請求項１に記載の発明は、被測定面からの反射光の強度に基づいて同被測定面の成分を分析する表面分析方法であって、予め定められた異なる２つの波長の光に対する反射光についての強度の比を示す反射強度比を前記被測定面について取得し、前記被測定面を構成する成分ごとに予め求められた複数の前記反射強度比と前記被測定面における前記反射強度比とを比較することにより前記被測定面の成分を判別することをその要旨とする。
【０００８】
このような方法によれば、異なる２つの波長の光に対する反射光についての強度の比である反射強度比を被測定面について取得し、予め求められた成分ごとの反射強度比と被測定面の反射強度比との比較によりその被測定面の成分を判別するようにした。反射光の強度の比である反射強度比によれば、成分ごとの反射強度比が求められたときと、被測定面の反射強度比が測定されたときとの間で、表面の分析に用いられる装置等の特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、表面分析に用いられる装置にて照射光の強度や光学回路を構成するミラーやレンズ等の光学的性能、反射光の強度に対応した値を出力するカメラなどのそれぞれの特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。同様に、反射光の強度の比である反射強度比によれば、成分ごとの反射強度比が求められたときと、被測定面の反射強度が測定されたときとの間で、測定対象物の表面に関わる汚れやその形状に差異がある場合であれ、それらの影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、光学回路や反射光に含まれる外乱要素の影響が低減される比の値を用いることにより、被測定面を構成する成分が高い精度にて判別されるようになる。
【０００９】
しかもこのような方法によれば、被測定面を構成する成分が、その被測定面についての反射強度比を取得するための演算や、成分ごとの反射強度比とその演算結果とを比較する演算といった簡単かつ少ない演算回数によって判別されるようになる。これにより被測定面の分析の際、演算に要する時間の増加が抑制されるようになり分析に要する時間の増加も抑制される。それゆえ演算装置の高速化の要求も小さくなり既存の装置への適用可能性も高くなる。
【００１０】
請求項２に記載の発明は、前記被測定面が第１成分と第２成分とから構成されており、前記第１成分と前記第２成分の各々について予め求められた反射強度比を用いて、前記被測定面に占められる前記第１成分の割合を、前記被測定面の反射強度比に占められる前記第１成分の反射強度比の割合として算出することをその要旨とする。
【００１１】
このような方法によれば、被測定面に占める第１成分の割合が、高い精度の下で、かつ少ない演算回数によって求められるようになる。
請求項３に記載の発明は、前記第１成分の反射強度比と前記第２成分の反射強度比との差により、前記被測定面の反射強度比と前記第２成分の反射強度比との差を除する演算により前記被測定面における前記第１成分の比率を算出することをその要旨とする。
【００１２】
このような方法によれば、被測定面の反射強度比を求める除算と、同比と前記第１成分の反射強度比との差を求める減算と、同求められた減算値を前記第１成分の反射強度比と前記第２成分の反射強度比との差により除する除算とにのみにより、被測定面における第１成分の割合が算出されるようになる。すなわち、第１成分の強度比と第２成分の強度比の差は事前に算出することができることから、第１成分の割合が、２回の除算と１回の減算のみにより求められる。これにより、このような表面分析方法に要する時間が短縮化さ
れ、例えば、表面分析の行われるシリンダブロックであればその生産性が向上されるようになる。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、前記２つの波長は、紫外可視域の波長であることをその要旨とする。
このような方法によれば、光学回路を構成する光源装置、レンズやミラー、カメラなどの機器の特性が限定されることとなり光学回路の構成が容易になる。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、前記第１成分はアルミニウム合金であり、前記第２成分はシリコンであることをその要旨とする。
この方法によるように、被測定面のアルミニウム合金のシリコンの分布状態が求められるようになれば、同シリコンの分布状態からアルミニウム合金における被測定面の耐摩耗性能が評価されるようにもなる。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、前記被測定面はシリンダライナであることをその要旨とする。
この方法によるように、ピストンが摺動するシリンダライナの表面においてその成分が求められるようになり、こうした分析の結果からシリンダライナ表面の耐摩耗性能が評価できるようにもなる。
【００１６】
また上記課題を解決するため、請求項７に記載の発明は、被測定面に異なる２つの波長の照射光を照射する光源装置と、前記被測定面にて反射される反射光を受光して前記２つの波長のそれぞれに対する強度を出力する受光装置と、前記受光装置から受けた前記２つの波長のそれぞれに対する強度の比を示す反射強度比を前記被測定面について算出し、前記被測定面を構成する成分ごとに予め求められた複数の前記反射強度比と前記被測定面における前記反射強度比とを比較することにより前記被測定面の成分を判別する制御装置とを備えることをその要旨とする。
【００１７】
このような構成によれば、異なる２つの波長の光に対する反射光についての強度の比である反射強度比を被測定面について取得し、予め求められた成分ごとの反射強度比と被測定面の反射強度比とが比較されることによりその被測定面の成分が判別されるようになる。反射光の強度の比である反射強度比によれば、成分ごとの反射強度比が求められたときと、被測定面の反射強度比が測定されたときとの間で、表面の分析に用いられる装置の特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、表面の分析に用いられる装置にて照射光の強度や光学回路を構成するミラーやレンズ等の光学的性能、反射光の強度に対応した値を出力するカメラなどのそれぞれの特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。同様に、反射光の強度の比である反射強度比によれば、成分ごとの反射強度比が求められたときと、被測定面の反射強度が測定されたときとの間で、測定対象物の表面に関わる汚れやその形状に差異がある場合であれ、それらの影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、光学回路や反射光に含まれる外乱要素の影響が低減される比の値を用いることにより、被測定面を構成する成分が高い精度にて判別されるようになる。
【００１８】
しかもこのような構成によれば、被測定面を構成する成分が、その被測定面についての反射強度比を取得するための演算や、成分ごとの反射強度比とその演算結果とを比較する演算といった簡単かつ少ない演算回数によって判別されるようになる。これにより被測定面の分析の際、演算に要する時間の増加が抑制されるようになり分析に要する時間の増加も抑制される。それゆえ演算装置の高速化の要求も小さくなり既存の装置への適用可能性も高くなる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係る表面分析装置の一実施形態についてその構成を示す構成図。
【図２】同実施形態における被測定面と各受光素子の対応領域との関係を示す模式図。
【図３】同実施形態における受光素子の測定する光の強度を示すグラフであり、（ａ）は波長λ１の光の強度を示すグラフ、（ｂ）は波長λ２の光の強度を示すグラフ。
【図４】同実施形態にて受光素子の受光する異なる２波長の光の強度の比を示すグラフ。
【図５】波長と反射率との関係を２つの材料について示すグラフ。
【図６】被測定面の形状を模式的に示す模式図であって、（ａ）は表面が平坦である場合を示す図、（ｂ）は表面が平坦ではない場合を示す図。
【図７】同実施形態における受光素子の測定する光の強度が減衰されている場合を示すグラフであり、（ａ）は波長λ１の光の強度を示すグラフ、（ｂ）は波長λ２の光の強度を示すグラフ。
【図８】同実施形態における表面分析装置をシリンダの表面分析に適用した場合のその一態様を示す構成図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明の表面分析方法に用いられる表面分析装置の一実施形態を図１〜図８に従って説明する。図１は、表面分析装置の構成を示す構成図である。
図１に示すように、表面分析装置は、測定対象物Ｔが反射する光の強度を測定する光学装置１０と、同光学装置１０の測定結果を受けて行う演算により測定対象物Ｔの成分の判別や構成比率を算出する制御装置２０とから構成されている。なお、本実施形態では、測定対象物Ｔはシリンダブロックのシリンダに設けられているシリコン含有アルミニウム合金からなるシリンダライナであり、同測定対象物Ｔの表面である被測定面ＳＰはアルミニウム合金からなる母材Ｍ１とシリコンからなる添加材Ｍ２とが混在するかたちに構成されている。
【００２１】
光学装置１０は、紫外可視域の光を出射する光源装置１１と、スプリッター１２と、対物レンズ１３と、反射光から特定の波長の光を選択するフィルタ装置１４と、前記フィルタ装置１４により選択された波長の光を受光してそれらの強度に応じた信号を出力する撮像装置１５とを備えている。なお、光学装置１０の光学回路には、その他にも図示しない複数のレンズなどが用いられているが、本実施形態では、説明の便宜上、それらの説明を省略している。
【００２２】
光源装置１１は、その光源として紫外可視域の光を出射するランプを用いており、紫外可視域の略全体に連続したエネルギーを有する照射光Ｌｏが所定の強度で出力されるようになっている。なお、本実施形態では、紫外可視域の波長から選択された２つの異なる波長をそれぞれ波長λ１と波長λ２としており、一つの光が波長λ１の光であり、もう一つの光が波長λ２の光である。すなわち、光源装置１１からの照射光Ｌｏには、少なくとも波長λ１の光と、波長λ２の光とが含まれている。
【００２３】
照射光Ｌｏは、スプリッター１２に透過されてから対物レンズ１３に入射し、同対物レンズ１３を通じて測定対象物Ｔの被測定面ＳＰに照射される。被測定面ＳＰは、照射される照射光Ｌｏに対してその物性値や形状に応じた固有の反射率を有しており、その反射率に基づいて照射光Ｌｏに対する所定の割合の強度の反射光Ｌｒを反射する。被測定面ＳＰにより反射された反射光Ｌｒは、対物レンズ１３を照射光Ｌｏとは逆の方向に透過してからスプリッター１２により光源装置１１の方向とは異なる方向であるフィルタ装置１４の方向に屈折されて同フィルタ装置１４に入射する。
【００２４】
フィルタ装置１４は、波長λ１の光を選択的に透過させる第１のフィルタと、波長λ２の光を選択的に透過させる第２のフィルタとを有し、それら第１及び第２のフィルタが同装置内の光路中にあってフィルタ切替え機１４Ｆにより択一的に選択される。すなわち、フィルタ装置１４は、内蔵された第１と第２のフィルタとが切替えられることにより、反射光Ｌｒから波長λ１の光としての選択光Ｌ１、もしくは波長λ２の光としての選択光Ｌ２のいずれかの光のみを選択的に透過させる。なおフィルタ切替え機１４Ｆは、公知のフィルタ切替え装置であって、例えば、回転板に設けられた複数のスリットに第１及び第２のフィルタが交互に設けられており、光路中に配置される同回転板が周回運動されることより光路中に配置されるスリットが順次切り替えられる。そして、こうしたスリットの切り替えに伴い光路中のフィルタも交互に切替えられるようになっている。なお、フィルタ装置１４は、制御装置２０に電気的に接続されており、同制御装置２０からの指示に基づいてフィルタ切替え機１４Ｆを回転駆動させるとともに、フィルタ切替え機１４Ｆが同装置内の光路中に配置させているフィルタの種類を制御装置２０に対して逐次出力するようになっている。
【００２５】
撮像装置１５は、紫外可視域の光を受光可能なＣＣＤカメラである。撮像装置１５には、画像を撮像するための受光素子アレイ１５Ｃが備えられており、その受光素子アレイ１５Ｃには紫外可視域の光を受光可能な複数の受光素子がマトリックス状に配列されている。すなわち受光素子アレイ１５Ｃにおいては、各受光素子が解像度の最小単位となり、マトリックス状に配置された各受光素子が測定対象の対応する部分の光をそれぞれ受光することにより、それら受光素子の集まりである受光素子アレイ１５Ｃが測定対象を画像として撮像することができるようになる。また撮像装置１５は、制御装置２０に電気的に接続されており、撮像された画像が制御装置２０に出力されるようになっている。なお本実施形態では、フィルタ装置１４により分光された反射光Ｌｒの成分である選択光Ｌ１又は選択光Ｌ２が受光素子アレイ１５Ｃに照射されることから、撮像装置１５により撮像される画像は、波長λ１又は波長λ２の下で観測される被測定面ＳＰの画像となる。このことから、撮像装置１５から制御装置２０に出力される画像は、選択光Ｌ１又は選択光Ｌ２のいずれか単波長の光に対する強度に基づく被測定面ＳＰの画像となる。
【００２６】
次に、受光素子アレイ１５Ｃによる被測定面ＳＰの撮像態様について詳述する。図２は、被測定面ＳＰと、それを撮像する受光素子アレイ１５Ｃの撮像領域３０との対応を示す模式図である。なお図２においては、説明の便宜上、受光素子の数などを減らしている。
【００２７】
図２に示すように、撮像領域３０は、受光素子アレイ１５Ｃの各受光素子に対応するマトリックス状に区分されており、同区分に対応した仮想的な複数のセルにより区画される。すなわち、被測定面ＳＰの各セルの反射光が同セルに対応する受光素子によりそれぞれ受光される。なお、説明の便宜上、被測定面ＳＰに仮想的に区画されたセル群には、セルの横列には上から下に向かってそれぞれＡ〜Ｄの符号を付し、セルの縦列には左から右に向かってそれぞれ１〜４の符号を付し、一のセルは同セルの横列に付された符号と、縦列に付された符号とによって特定されるようにする。例えば、左上隅のセルは、横列に付された符号がＡであり、縦列に付された符号が１であることからセルＡ１と表し、また例えば、右下隅のセルは、横列に付された符号がＤであり、縦列に付された符号が４であることからセルＤ４と表すものとする。
【００２８】
すなわち撮像装置１５は、被測定面ＳＰの撮像領域３０における各セルをその各セルに対応する受光素子によって撮像する。例えば、図２に示されるように、母材Ｍ１及び添加材Ｍ２が撮像領域３０において混在する場合、その表面が母材Ｍ１のみからなる各セルＡ１，Ａ２，Ｂ２，Ｃ３，Ｃ４，Ｄ２，Ｄ４については、これらのセルに対応する受光素子が母材Ｍ１に応じた反射光を受光する。また、その表面が添加材Ｍ２のみからなる各セルＣ１，Ａ４については、これらのセルに対応する受光素子が添加材Ｍ２に応じた反射光を
受光する。さらに、その表面において母材Ｍ１と添加材Ｍ２とが混在する各セルＡ３，Ｂ１，Ｂ３，Ｂ４，Ｃ２，Ｄ１，Ｄ３については、これらのセルに対応する受光素子が母材Ｍ１の反射光と添加材Ｍ２の反射光とを含む反射光を受光する。
【００２９】
なお、撮像装置１５には、波長λ１の選択光Ｌ１及び波長λ２の選択光Ｌ２が選択的に入力されるようになっていることから、撮像領域３０を形成する各受光素子は、それらが対応する被測定面ＳＰの各セルから、波長λ１の選択光Ｌ１及び波長λ２の選択光Ｌ２の反射光を選択的に受光する。例えば、撮像装置１５は、選択光Ｌ１が入射されるときには、各セルが反射する波長λ１の光を受光して同光に対する強度を出力する。例えば、波長λ１の光に対する強度としては、図３（ａ）に示されるように、母材Ｍ１からなるセルＡ２に対応する受光素子からは強度値ｒ１１が出力され、添加材Ｍ２からなるセルＣ１に対応する受光素子からは強度値ｒ１２が出力される。また、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とが混在するセルＣ２やセルＡ３からは、それぞれ各セルにおける母材Ｍ１と添加材Ｍ２との割合に応じて、セルＣ２に対応する受光素子からは強度値ｒ１３が出力され、セルＡ３に対応する受光素子からは強度値ｒ１４が出力される。
【００３０】
また例えば、撮像装置１５は、選択光Ｌ２が入射されるときには、各セルの反射する波長λ２の光を受光して同光に対する強度を出力する。例えば、波長λ２の光に対する強度としては、図３（ｂ）に示されるように、母材Ｍ１からなるセルＡ２に対応する受光素子からは強度値ｒ２１が出力され、添加材Ｍ２からなるセルＣ１に対応する受光素子からは強度値ｒ２２が出力される。また、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とが混在するセルＣ２やセルＡ３からは、それぞれ各セルにおける母材Ｍ１と添加材Ｍ２との割合に応じてセルＣ２に対応する受光素子からは強度値ｒ２３が出力され、セルＡ３に対応する受光素子からは強度値ｒ２４が出力される。
【００３１】
ところで、単一の波長に対する母材Ｍ１の反射率と添加材Ｍ２の反射率とが予め分かっている場合には、その単一の波長に対する被測定面ＳＰの反射率（照射光の強度と反射光の強度との比）から、その母材Ｍ１と添加材Ｍ２との各々が被測定面ＳＰに占める割合である構成比率を算出する方法がある。ところが、単一の波長の反射光の強度は、光源の光の強度や、光学回路のミラーやレンズなどの性能、反射光に対応した強度を出力するカメラの性能などのそれぞれの特性に変化があった場合には、こうした変化に応じてその強度値を変動させるおそれが高い。同様に、単一の波長の反射光の強度は、被測定面に多少の汚れや形状変形があるような場合にも、こうした変化に応じてその強度値を変動させるおそれが高い。これらのことから、単一の波長に対する被測定面ＳＰの反射率そのものの精度があまり高くなく、そのような反射率に基づいて求められる被測定面ＳＰの母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率の精度も高くない。例えば、母材Ｍ１よりも添加材Ｍ２の反射率が低い場合、母材Ｍ１のみからなる被測定面であっても、同被測定面の表面の汚れなどによりその反射率が低く算出されれば、その反射率からは同被測定面に添加材Ｍ２が含有されているように判定されてしまう。
【００３２】
そこで、本実施形態では、波長λ１と波長λ２との光に対するそれぞれの反射光の強度の比に基づいて被測定面ＳＰの母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率を算出するようにしている。すなわち、同じ被測定面に対して同じ光学回路を用いて検出された２つの反射光の強度であれば、その比を求めることにより、両方の測定結果に等しく含まれる光学回路による影響や被測定面ＳＰの状態による影響などのノイズが相殺されることとなり、母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率に基づく反射光の強度の比のみが求められるようになる。
【００３３】
例えば、母材Ｍ１の各波長λ１，λ２に対する基準となる反射光の強度をそれぞれＲ（母材Ｍ１、波長λ１），Ｒ（母材Ｍ１、波長λ２）と表し、それらに影響を与えるノイズの影響をＲ（ノイズ）と表すとする。このときの各波長λ１，λ２に対する反射光の強度
がそれぞれＲ（母材Ｍ１、波長λ１）×Ｒ（ノイズ），Ｒ（母材Ｍ１、波長λ２）×Ｒ（ノイズ）として表されるとすると、これら強度の比はＲ（母材Ｍ１、波長λ１）／Ｒ（母材Ｍ１、波長λ２）と表されノイズの影響が取り除かれるようになる。上記の母材Ｍ１が、添加材Ｍ２や、母材Ｍ１と添加材Ｍ２との混在する材料とされた場合であっても同様にノイズの影響が取り除かれるようになる。
【００３４】
また、構成元素が異なる母材Ｍ１と添加材Ｍ２とは、それぞれの物性値が異なり、その一つである反射率の波長依存性も異なることが一般的である。それゆえ異なる２つの波長の光を用いて得た反射強度の比である反射強度比についても、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とは異なることとなる。このことから、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とが混在する被測定面ＳＰであれ、それ固有の構成比率（面積比率）が、２つの波長に対する反射光の強度の比から求められるようになる。すなわち、被測定面ＳＰに対する波長λ１の光の反射光の強度と波長λ２の光の反射光の強度との比から、被測定面ＳＰを構成する母材Ｍ１もしくは添加材Ｍ２の割合を算出することができるようになる。
【００３５】
つまり撮像装置１５により波長λ１及び波長λ２において測定される強度をそれぞれ強度Ｓ１と強度Ｓ２とするとともに、母材Ｍ１の波長λ１における反射光と波長λ２における反射光の強度比をＲＡ、添加材Ｍ２の波長λ１における反射光と波長λ２における反射光の強度比をＲＢとし、被測定面ＳＰのセルにおける母材Ｍ１の割合をαとする。このとき、強度Ｓ１と強度Ｓ２の比は式（１）のように表され、同式（１）より母材Ｍ１の割合αが式（２）のように求められる。
【００３６】
Ｓ１／Ｓ２＝ＲＡ×α＋ＲＢ×（１−α）  ・・・（１）
α＝（Ｓ１／Ｓ２−ＲＢ）／（ＲＡ−ＲＢ）・・・（２）
なお、母材Ｍ１の強度比ＲＡや添加材Ｍ２の強度比ＲＢは、これらも反射光の強度の比であるから、光学回路や被測定面の状態の影響などが相殺されるようになりそれら影響を受けがたくなる。また、これら強度比ＲＡ，ＲＢは、本実施形態の表面分析装置を用いて母材Ｍ１や添加材Ｍ２の各波長λ１，λ２の反射光の強度を測定することで予め求めることができる。
【００３７】
被測定面ＳＰにおける反射光の強度比は、例えば図４に示されるように、セルＡ２では波長λ１の光の強度値ｒ１１と波長λ２の光の強度値ｒ２１とから約「１」として求められ、セルＣ１では波長λ１の光の強度値ｒ１２と波長λ２の光の強度値ｒ２２とから約「２．５」として求められる。また、セルＣ２では波長λ１の光の強度値ｒ１３と波長λ２の光の強度値ｒ２３とから約「１．３」として求められ、セルＡ３では波長λ１の光の強度値ｒ１４と波長λ２の光の強度値ｒ２４とから約「１．７５」として求められる。
【００３８】
図５は、紫外可視域における反射率の波長依存性を母材Ｍ１と添加材Ｍ２とについて示したグラフである。図５に示されるように、波長に対する各材料の反射率は、母材Ｍ１（アルミニウム合金）の場合は紫外可視域の全体においてその変化が小さく、添加材Ｍ２（シリコン）の場合は波長が長くなるにつれて反射率が大きく減少するように変化する。例えば、図５に示されるように、２つの波長として波長λ１（約２００ナノメートル）と波長λ２（約６００ナノメートル）とが選択されたとき、それら各波長λ１，λ２に対する反射率の比は母材Ｍ１では約「１」となり、添加材Ｍ２では約「２．５」となる。なお、本実施形態においては、母材Ｍ１の反射率と添加材Ｍ２の反射率との差が紫外可視域において大きく変化するため、波長λ１と波長λ２として紫外可視域を採用するようにしている。こうした構成によれば上述した反射光の強度比が母材Ｍ１と添加材Ｍ２との間で大きく異なることから、母材Ｍ１あるいは添加材Ｍ２の割合が容易かつ高精度に得られるようにもなる。仮に母材Ｍ１の反射率と添加材Ｍ２の反射率との差の変化が小さいところで波長λ１及び波長λ２を採用した場合には、母材Ｍ１や添加材Ｍ２の反射率の比がいずれも
「１」に近い値となってしまい、母材Ｍ１と添加材Ｍ２との判別が難しくかつ精度が低くなるおそれがある。
【００３９】
ところで、セルの反射光の強度は、同セルの反射率に依存するものであるから、反射光の強度の比と反射率の比とは同一の値として求められる。このことから、例えば、母材Ｍ１のみの反射率の比が約「１」であれば、そのときの反射光の強度の比は同じく約「１」と求められる。また、例えば、添加材Ｍ２のみの反射光の比が約「２．５」であれば、そのときの反射光の強度の比は同じく約「２．５」と求められる。このようなことにより、セルが母材Ｍ１もしくは添加材Ｍ２のいずれより構成されているかどうかは反射光の強度の比からも検出することができる。
【００４０】
また、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とが混在するセルにおいては、各波長λ１，λ２に対するその反射率は、いずれも「（母材Ｍ１の反射率×母材Ｍ１の割合）＋（添加材Ｍ２の反射率×添加材Ｍ２の割合）」として求められる。このようにして求められる２つの反射率の比の値は、反射光の強度と反射率とが相関関係にあるから、これも２つの反射光の強度の比と同じ値となる。このことから、２つの反射光の強度の比から母材Ｍ１の割合や添加材Ｍ２の割合が求められる。
【００４１】
図６及び図７を参照して、被測定面ＳＰの表面の形状などにより反射光の強度が変化する場合について説明する。例えば、図６（ａ）のように被測定面ＳＰが平坦面の一部であれば、これと同様の平坦面を有した母材Ｍ１や添加材Ｍ２を基準試料として予め準備することが可能であり、照射光Ｌ１ｏに対する反射光Ｌ１ｒの強度は、こうした基準試料から予め得られる反射率などに基づき容易に求められる値となる。一方、図６（ｂ）のように被測定面ＳＰが凹凸面の一部である場合には、照射光Ｌ２ｏに対する反射光Ｌ２ｒの強度は、同被測定面ＳＰの反射率がその形状に応じて変化する未知の値となることから、上述したような既知の反射率から求めることが容易ではない値となる。
【００４２】
だが、このようにして被測定面ＳＰが凹凸面の一部である場合あっても、上述したような測定方法であれば、被測定面ＳＰの形状による影響が軽減されることとなり、母材Ｍ１の割合や添加材Ｍ２の割合は、被測定面ＳＰが平坦面であるときと同じ精度で求められることとなる。例えば被測定面ＳＰの表面の母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率については図２に示す構成と同様であるとし、被測定面ＳＰの反射率は平坦面よりも低い値ではあるものの正確には分からないものとするとき、現に測定される各セルの波長λ１，λ２に対する反射光の強度は、例えば、それぞれ図７（ａ），（ｂ）に示されるようになる。このとき、各セルＡ２，Ｃ１，Ｃ２，Ａ３のそれぞれの反射光の強度は、図３（ａ），（ｂ）に示される値よりも小さい値として求められるものの、各セルの各波長λ１，λ２に対する反射光の強度の比は、図４に示されるように求められる。すなわち、被測定面ＳＰの表面の形状による影響が低減されて、平坦面である場合と同様にその母材Ｍ１の割合や添加材Ｍ２の割合が求められる。
【００４３】
上述の光学装置１０には、上述のように制御装置２０が接続されている。制御装置２０は、ＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭなどを有するマイクロコンピュータを中心に構成されており、メモリに格納されている各種データ及び各種制御プログラムに基づき、光学装置１０などを制御するとともに、同光学装置１０から得られる画像に基づいて被測定面ＳＰにおける成分の判別や構成比率の算出などを行う。
【００４４】
制御装置２０には、フィルタ装置１４に駆動指令を与えるとともに同フィルタ装置１４にて選択されているフィルタの種類を取得する駆動部２１と、撮像装置１５から入力される撮像画像を記憶する記憶部２２とが備えられている。また、制御装置２０には、画像処理の演算などを行う演算部２３と、演算部２３などの演算結果に基づいて被測定面ＳＰに
おける成分の判別や構成比率の算出を行う判定部２４とが備えられている。
【００４５】
駆動部２１は、フィルタ装置１４にフィルタ切替え機１４Ｆを駆動させる駆動指令を与えることによりフィルタ装置１４にて光路中に配置されるフィルタが第１又は第２のフィルタとの間で切替えられる。またフィルタ装置１４から、現に光路中に配置されているフィルタが第１又は第２フィルタのどちらかであるのかを判断することのできる情報が入力される。例えば、フィルタ切替え機１４Ｆにより複数のフィルタが回転板の回転により切り替えられるような場合、その回転板の回転角度が取得され、同回転角度が予め設定されている回転角度とフィルタの種類との関係を示すマップと対比されて、現に光路上に配置されているフィルタの種類が判断される。
【００４６】
記憶部２２には、撮像装置１５からの撮像画像が、各受光素子による受光強度と同受光素子の対応するセル位置の情報などの集合体として記憶される。なお本実施形態では、被測定面ＳＰ（撮像領域３０）について、撮像装置１５により撮像された波長λ１の選択光Ｌ１と波長λ２の選択光Ｌ２との撮像画像がそれぞれ記憶される。すなわち記憶部２２は、駆動部２１との協働により、フィルタ装置１４にて第１のフィルタが選択されているときには撮像領域３０の撮像を波長λ１の撮像画像として記憶するとともに、第２のフィルタが選択されているときには撮像領域３０の撮像を波長λ２の撮像画像として個別に記憶する。また記憶部２２には、母材Ｍ１と添加材Ｍ２とのそれぞれの波長λ１に対する反射光の強度と波長λ２に対する反射光の強度との各強度比ＲＡ，ＲＢがそれぞれ本実施形態の表面分析装置により求められて予め設定されている。
【００４７】
演算部２３は、記憶部２２に記憶されている各セルの各波長λ１，λ２に対する強度に基づいて、各セルにおける波長λ１の光の強度と波長λ２の光の強度との強度比を算出する。そして、算出されるセル毎の強度比を、記憶部２２の所定領域に保存させる。すなわち、各セルの強度比はそれぞれ、演算部２３においてセル毎に一回の除算が行われるだけで算出される。
【００４８】
判定部２４は、演算部２３にて算出された各セルの強度比の値から、各セルにおける母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率を、式（２）の数式に基づいて演算する。すなわち、判定部２４は、演算部２３にて算出された各セルの強度比（Ｓ１／Ｓ２）と添加材Ｍ２の強度比ＲＢとの差を減算により求め、それを分子として、分母としての母材Ｍ１の強度比ＲＡと添加材Ｍ２の強度比ＲＢとの差により除算することにより、各セル領域における母材Ｍ１の構成比率を算出する。これにより、母材Ｍ１の構成比率が、わずかに二回の除算と一回の減算から算出されるようになる。例えば、セルが添加材Ｍ２のみから構成されていた場合、分子が「０（零）」となり構成比率は０（０％）となる。逆に、セルが母材Ｍ１のみから構成されていた場合、分子と分母が同じ値となり構成比率は１（１００％）となる。また、セルが母材Ｍ１と添加材Ｍ２を半分ずつ構成されていた場合、分子が分母の半分の値となり構成比率は０．５（５０％）となる。
【００４９】
なお各セルの構成成分が母材Ｍ１であるか否か、あるいは添加材Ｍ２であるか否かといった判別が必要とされる分析にあっては、演算部２３にて算出された各セルの反射強度比が、母材Ｍ１の強度比ＲＡであるか否か、あるいは添加材Ｍ２の強度比ＲＢであるか否かといったことが判定部２４により判別されるだけの構成であってもよい。例えば対象となるセルの反射強度比と母材Ｍ１の強度比ＲＡとの比較が減算によりなされ、その減算結果が「０（零）」である場合には、当該セルの構成成分が母材Ｍ１である旨の判別が判定部２４によりなされる構成であってもよい。同じく対象となるセルの反射強度比と添加材Ｍ２の強度比ＲＢとの比較が減算によりなされ、その減算結果が「０（零）」である場合には、当該セルの構成成分が添加材Ｍ２である旨の判別が判定部２４によりなされる構成であってもよい。こうした構成であれば、セルの構成成分が母材Ｍ１であるか否か、あるい
は添加材Ｍ２であるか否かといった判別が必要とされる分析において、上記の減算結果が分子となる上述の除算が割愛可能となる。
【００５０】
図８は、このような表面分析装置により内燃機関のシリンダの成分を検出する態様を示す模式図である。この表面分析装置は、光学装置１０を有する検査装置４３と、光学装置１０を制御する制御装置２０を有するパーソナルコンピュータ４４とを備えている。そして、シリンダブロック４１のシリンダ４２の内面の各波長λ１，λ２における画像をパーソナルコンピュータ４４にて制御された検査装置４３を通じて撮像することにより、同表面の母材Ｍ１と添加材Ｍ２との構成比率を検出して、例えば同表面の耐摩耗性についての判定を行うようにしている。
【００５１】
以上説明したように、本実施形態の表面分析方法及び表面分析装置によれば、以下に列記するような効果が得られるようになる。
（１）異なる２つの波長λ１，λ２の光に対する反射光についての各強度Ｓ１，Ｓ２の比である反射強度比を被測定面ＳＰについて取得し、予め求められた成分としての母材Ｍ１や添加材Ｍ２ごとの反射光の強度比ＲＡ，ＲＢと被測定面ＳＰの反射強度比との比較によりその被測定面ＳＰの成分を判別するようにした。反射光の強度の比である反射強度比によれば、母材Ｍ１や添加材Ｍ２ごとの反射光の強度比ＲＡ，ＲＢが求められたときと、被測定面ＳＰの反射強度比が測定されたときとの間で、光学装置１０の特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、光学装置１０にて照射光Ｌｏの強度や光学回路を構成するスプリッター１２や対物レンズ１３等の光学的性能、反射光Ｌｒの強度に対応した値を出力するカメラとしての撮像装置１５などのそれぞれの特性に変化があった場合であれ、それらの変化の影響が軽減された値が取得されるようになる。同様に、反射光Ｌｒの強度の比である反射強度比によれば、母材Ｍ１や添加材Ｍ２ごとの反射光の強度比ＲＡ，ＲＢが求められたときと、被測定面ＳＰの反射強度が測定されたときとの間で、測定対象物Ｔの表面に関わる汚れやその形状に差異がある場合であれ、それらの影響が軽減された値が取得されるようになる。すなわち、光学装置１０や被測定面ＳＰの影響により反射光Ｌｒに含まれる外乱要素の影響が低減される比の値を用いることにより、被測定面ＳＰを構成する成分が高い精度にて判別されるようになる。
【００５２】
（２）しかも被測定面ＳＰを構成する成分が、その被測定面ＳＰについての反射強度比を取得するための演算や、母材Ｍ１や添加材Ｍ２ごとの反射強度比とその演算結果とを比較する演算といった簡単かつ少ない演算回数によって判別される。これにより被測定面ＳＰの分析の際、演算に要する時間の増加が抑制されるようになり分析に要する時間の増加も抑制される。それゆえ演算装置としての制御装置２０の演算部２３の高速化の要求も小さくなり既存の装置への適用可能性も高くなる。
【００５３】
（３）被測定面ＳＰの反射強度比を求める除算と、同比と母材Ｍ１の反射強度比との差を求める減算と、同求められた減算値を母材Ｍ１の反射強度比と添加材Ｍ２の反射強度比との差により除する除算とにのみにより、被測定面ＳＰにおける母材Ｍ１の割合を算出した。すなわち、母材Ｍ１の強度比と添加材Ｍ２の強度比の差は事前に算出することができることから、母材Ｍ１の割合が、２回の除算と１回の減算のみにより求められる。これにより、このような表面分析方法に要する時間が短縮化され、例えば、表面分析の行われるシリンダブロックであればその生産性が向上されるようになる。
【００５４】
（４）２つの波長λ１，λ２を、紫外可視域の波長とした。これにより光学装置１０を構成する光源装置１１、スプリッター１２や対物レンズ１３、フィルタ装置１４、撮像装置１５などの機器の特性が限定されることとなり光学装置１０の光学系の構成が容易になる。
【００５５】
（５）母材Ｍ１はアルミニウム合金であり、添加材Ｍ２はシリコンであった。これにより、被測定面ＳＰのアルミニウム合金（母材Ｍ１）のシリコン（添加材Ｍ２）の分布状態が求められるようになれば、同シリコンの分布状態からアルミニウム合金における被測定面ＳＰの耐摩耗性能が評価されるようにもなる。
【００５６】
（６）被測定面ＳＰはシリンダライナの表面である。これにより、ピストンが摺動するシリンダライナの表面においてその成分（母材Ｍ１や添加材Ｍ２）が求められるようになり、こうした分析の結果からシリンダライナ表面の耐摩耗性能が評価できるようにもなる。
【００５７】
なお、上記実施形態は、例えば以下のような態様にて実施することもできる。
・上記実施形態では、フィルタ装置１４により選択光Ｌ１，Ｌ２が選択されたが、これに限らず、光源装置が２つの波長の光を選択的に被測定面に照射するようにしてもよい。この場合、制御装置は、光源装置との協働により各波長λ１，λ２に対する撮像画像を取得するようにすればよい。これにより、表面分析方法に採用される光学装置の自由度が高められ、表面分析方法の適用可能性が拡大される。
【００５８】
・また、ＣＣＤカメラの受光素子それぞれに波長を選択するフィルタを設け、一つのセルの反射光を異なる同フィルタの設けられた受光素子によりそれぞれ受光するようにしてもよい。
【００５９】
・上記実施形態では、測定対象物Ｔはシリンダライナであったが、これに限らず、測定対象物はシリンダボアや内燃機関のその他の部分、例えば軸受け部分などであってよい。これにより、内燃機関において耐摩耗性が必要とされる各部材の表面状態について、その耐摩耗性の評価が容易にできるようになる。
【００６０】
・また、測定対象物としては照射光を反射する材料であればよく、金属系材料、ガラス系材料、樹脂系材料など及びそれらの材料が混在されているような材料からなる表面であってもよい。
【００６１】
・上記実施形態では、被測定面ＳＰの耐摩耗性を検出したが、これに限らず、被測定面の母材と添加材の構成比率から判断することのできる性能であれば、検出される性能は、耐熱性や耐久性その他の性能でもよい。これにより、このように容易な表面分析方法の用途が広げられるようになる。
【００６２】
・上記実施形態では、母材Ｍ１をアルミニウム合金とし、添加材Ｍ２をシリコンとしたが、これに限らず、シリコンを母材と表し、アルミニウム合金を添加材と表してもよい。これにより、母材や添加材がどちらであるかによらずこのような表面分析方法を適用することができるようになる。
【００６３】
・上記実施形態では、母材Ｍ１はアルミニウム合金、添加材Ｍ２はシリコンであったが、これに限らず、母材や添加材はそれぞれ異なる材料からなってもよい。例えば、母材としては、鋳鉄やマグネシウム合金であってもよく、添加材としては、これも鋳鉄やマグネシウム合金であってもよい。これにより、このような表面分析方法の適用範囲が広げられる。
【００６４】
・上記実施形態では、光源装置１１にランプが用いられたが、これに限らず、光源装置には複数の波長を出力できる光源が採用されればよく、例えば、複数の波長のレーザ光が出射されるレーザ源が採用されていてもよい。これにより、このような表面分析方法に用
いられる光学装置の自由度が高められ表面分析方法の適用範囲が広げられるようになる。
【００６５】
・上記実施形態では、２つの波長λ１，λ２は、紫外可視域の波長であったが、これに限らず、受光素子が受光可能な波長の光であれば、２つの波長の少なくとも一つの波長が赤外線領域の波長などであってもよい。すなわち、光源として自然光や、白色光源、蛍光灯、白熱灯等を採用することも可能である。これにより、反射光の検出に用いる波長の光の選択自由度が広がることにより同波長を被測定対称面の物性に適合した波長とすることのできる可能性が高められ、このような表面分析方法の適用範囲が広げられるようになる。
【００６６】
・同様に撮像装置１５は、紫外可視域の光を受光可能なＣＣＤカメラに限られず、受光対象とされる波長の光が受光可能なカメラであればよい。
・上記実施形態では、母材Ｍ１や添加材Ｍ２の各強度比ＲＡ，ＲＢを本表面分析装置により求めたが、これに限らず、他の装置を用いて別途求められ値が各強度比ＲＡ，ＲＢとしてそれぞれ設定されていてもよい。もしくは、母材又は添加材の各波長λ１，λ２に対する各強度、又は各反射率が設定されてもよい。強度や反射率が設定されている場合であれ、強度比ＲＡ，ＲＢに対応する値がそれらから容易に算出されるようになる。
【００６７】
・上記実施形態では、強度比の算出に２つの波長λ１と波長λ２を用いたが、これに限らず、３つ以上の波長を用いてもよい。この場合、採用する波長数に伴い演算量は増加するものの構成比率を高い精度で求められるようにもなる。
【００６８】
・上記実施形態では、演算には反射光の強度を用いたが、これに限らず、演算には反射光の強度と相関関係を有する値である、いわゆる反射光の強度に基づく値を用いてもよい。反射光の強度に基づく値としては、例えば、反射率でもよい。例えば、反射率を採用する場合、各波長の照射光の強度に対する反射光の強度の比率を算出する除算を追加するようにすればよい。いずれにせよ、上記実施形態のような分析方法であれば演算量を少なく抑えることができるようになり、分析時間に要する時間や制御装置への負荷を抑制することができるようになる。
【符号の説明】
【００６９】
１０…光学装置、１１…光源装置、１２…スプリッター、１３…対物レンズ、１４…フィルタ装置、１４Ｆ…フィルタ切替え機、１５…受光装置としての撮像装置、１５Ｃ…受光素子アレイ、２０…制御装置、２１…駆動部、２２…記憶部、２３…演算部、２４…判定部、３０…撮像領域、４１…シリンダブロック、４２…シリンダ、４３…検査装置、４４…パーソナルコンピュータ、Ａ１〜Ａ４，Ｂ１〜Ｂ４，Ｃ１〜Ｃ４，Ｄ１〜Ｄ４…セル、Ｍ１…母材、Ｍ２…添加材、ＳＰ…被測定面、Ｔ…測定対象物。
【図１】
2010203802.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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