DE2100304A1

DE2100304A1 - Verfahren und Vorrichtung zum zer störungsfreien Messen von Oberflachen zuständen

Info

Publication number: DE2100304A1
Application number: DE19712100304
Authority: DE
Inventors: Pierre Grenoble; Guicherd Roger Saint-Egreve; Denis (Frankreich). P
Original assignee: Commissariat a lEnergie Atomique CEA; Heurtey SA
Current assignee: Heurtey SA; Commissariat a lEnergie Atomique et aux Energies Alternatives CEA
Priority date: 1970-01-06
Filing date: 1971-01-05
Publication date: 1971-07-15
Also published as: LU62368A1; BE761139A; FR2076193A5; GB1330101A; DE2100304B2; US3663107A; ES387036A1

Description

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Patentanwälte Dlpl.-ln^. F. Ώ2ΕΤΖ sen.
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8 München 12, Steinsdorfstr. » , „ , ^

410-16.459Ρ(ΐ6.46θΗ) 5.1.1971

Commissariat a 1'Energie Atomique, Paris (Frankreich)

und
SOCIETE ANONYME HEURTEY, Paris (Frankreich) f

Verfahren und Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung von solchen Verfahren. M

Zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen sind bereits Taster mit geeichten Stiften bekannt, die auf der zu untersuchenden Oberfläche bei deren zylindrischer Ausbildung längs einer Erzeugenden und bei deren ebener Ausbildung senkrecht zur Bearbeitungsrichtung verschoben werden.

Zwar können die mit Hilfe solcher Taster erzielbaren Meßergebnisse hinreichend genau sein, jedoch entsteht dabei der Nachteil, daß der Oberflächenzustand nur entlang einer Linie festgestellt werden kann, was zwar für den Fall eines bearbeitenden Werkstücks, dessen Fehler konstant ist oder sich

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wiederholt, angängig sein kann, dagegen dann unzulässig wird, wenn es sich um mittels Walzen oder Ziehen hergestellte Bleche handelt, bei denen die Bearbeitungsfehler willkürlich verteilt sind und für ihre Peststellung die Untersuchung einer kleinen Fläche und nicht einer einfachen Linie verlangen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Möglichkeit zu einer einfachen und dennoch hinreichend genauen Messung des Oberflächenzustandes zweidimensionaler Flächen zu schaffen.

Zur Lösung dieser Aufgabe betrifft die Erfindung zum einen ein Verfahren zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen, das sich dadurch kennzeichnet, daß in einer ersten Stufe ein Bündel paralleler Lichtstrahlen mit stabilisierter Intensität durch ein zur Bündelachse senkrechtes erstes oder objektseitiges optisches Gitter hindurch auf einen im wesentlichen ebenen und einen angenähert vollkommenen Spiegel darstellenden Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche gerichtet wird, das Bündel der an diesem Spiegel reflektierten parallelen Lichtstrahlen mittels eines zur BUndelachse senkrechten, zentrierten optischen Systems auf einen in dessen bildseitigem Brennpunkt angeordneten Lummersehen Teilerwürfel konzentriert und mit dessen Hilfe in ein in Verlängerung der Bündelachse hindurchgehendes erstes und ein um 90° dagegen umgelenktes zweites Teillichtbündel von untereinander gleicher Intensität zerlegt wird, das erste Teillichtbündel durch ein zu seiner Achse senkrechtes zweites oder bildseitiges optisches Gitter, das dem objektseitigen Gitter gleich ausgebildet, wie dieses in einer Antihauptebene des optischen Systems angeordnet und innerhalb seiner Ebene verschiebbar ist, geschickt wird, das bildseitige Gitter

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in eine Lage verschoben wird, in der es alles vom objektseitigen Gitter ausgehende Licht durchläßt, das Licht des ersten unddes zweiten Teillichtbündels in je einer eigenen Fotozelle erfaßt wird, und die beiden Fotozellen im Sinne einer Angleichung der von ihnen abgegebenen elektrischen Ströme bei Zuführung gleicher Lichtströme über den Lummerschen Teilerwürfel justiert werden und daß in einer zweiten Stufe das bildseitige optische Gitter in seiner Ebene in eine Lage verschoben wird, in der es alles vom objektseitigen d Gitter ausgehende Licht zurückhält, der einen Spiegel darstellende Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche durch einen in seinem Oberflächenzustand zu bestimmenden Abschnitt dieser Oberfläche ersetzt wird und der Quotient aus den Anzeigen der beiden Fotozellen als Maß für den Oberflächenzustand des interessierenden Oberflächenabschnitts undjdie Anzeige der dem durch den Lummerschen Teilerwürfel umgelenkten zweiten Teillichtbündel zugeordneten zweiten Fotozelle als Maß für das Lichtreflexionsvermogen der untersuchten Oberfläche bei dem jeweiligen Oberflächenzustand und einer gegebenen Farbe ermittelt werden.

Außerdem ist zu diesem Zwecke Gegenstand der Erfindung eine % Vorrichtung zur Durchführung eines solchen Verfahrens, die sich kennzeichnet durch eine feststehende, intensitätsstabilisierte Lichtquelle, einen Kollimator, der aus dem von der Lichtquelle exmittierten Licht ein Bündel paralleler Lichtstrahlen gewinnt, einen Träger für die Anordnung eines im wesentlichen ebenen Abschnitts der zu untersuchenden Oberfläche schräg zur Achse des vom Kollimator ausgehenden Lichtbündels, ein zur Linse des Kollimators parallel und dahinter in den Weg des aus dem Kollimator austretenden Lichtbündels eingefügtes erstes oder objektseitiges optisches Gitter, ein dahinter angeordnetes zentriertes optisches System, ein im bildseitigen Brennpunkt

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des optischen Systems angeordnetes und in seiner Ebene verschiebbares zweites oder bildseitiges optisches Gitter, das wie das objektivseitige Gitter in einer der beiden Antihauptebenen des optischen Systems liegt, zwei in den Weg des den Lummerschen Teilerwürfel unabgelenkt durchsetzenden direkten Teillichtbündels bzw. in den Weg des darin um 90° umgelenkten Teillichtbündels eingefügte Fotozellen und zwei vor den Fotozellen im Strahlengang jeweils eines der Teillichtbündel liegende optische Blenden. *

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; dabei zeigt die einzige Figur der Zeichnung eine schematische Darstellung für den Aufbau einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen, wobei die Zeichenebene durch die Bündelachsen für die aus dem Kollimator der Vorrichtung austretenden parallelen Lichtstrahlen einerseits und für die an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Lichtstrahlen andererseits festgelegt ist.

Die dargestellte Vorrichtung besitzt eine in ihrer Lichtstärke stabilisierte und feststehende Lichtquelle 1, einen aus einer Linse 2 und einem einstellbaren Spalt 3 bestehenden Kollimator, ein erstes oder objektseitiges optisches Gitter 4, einen feststehenden Träger 5 für die Aufnahme einer zu untersuchenden Oberfläche 6, die zur Vereinfachung der Erläuterung der Arbeitsweise der dargestellten Vorrichtung bei dem gewählten Ausführungsbeispiel eben angenommen ist, wobei sie einen ersten, einen angenähert vollkommenen Spiegel darstellenden Abschnitt und mindestens einen zweiten in seinem Oberflächenzustand zu bestimmenden Abschnitt aufweist, ein zentriertes optisches System 7, einen Lummerschen Teilerwürfel 8, ein dem ersten objektseitigen Gitter 4 gleiches zweites

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oder bildseitiges optisches Gitter 9» zwei Fotozellen 10 und 11, zwei zum Abgleichen der Fotozellen 10 und 11 dienende und einstellbare Blenden 12 und Ij5 und zwei Konvergenzlinsen 14 und 15 zum Fokussieren von Lichtbündeln auf die beiden Fotozellen 10 und 11.

Jeder der beiden Fotozellen 10 und 11 ist an ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Galvanometer oder einen Rechner angeschlossen. ä

Die beiden optischen Gitter 4 und 9 sind in den Antihauptebenen des optischen Systems 7 angeordnet, welche per Definition zu beiden Seiten dieses Systems 7 und in Abständen liegen, die gleich der doppelten gegenstandsseitigen Brennweite bzw. gleich der doppelten bildseitigen Bre^weite des optischen Systems 7 sind.

Der Lummersche Teilerwürfel 8 ist im bildseitigen Brennpunkt F des optischen Systems 7 angeordnet.

Die Oberflächenzustandsmessungen mit Hilfe der dargestellten Vorrichtung vollziehen sich nach einem zweistufigen Verfahren: ™

In der ersten Verfahrensstufe bildet der von der Lichtquelle beleuchtete Abschnitt der Oberfläche 6 einen angenähert vollkommenen Spiegel. Die von der Lichtquelle 1 abgegebenen Lichtstrahlen mit stabilisierter Intensität durchqueren zunächst den Spalt 3 des Kollimators und durchsetzen anschließend an dessen Linse 2 parallel zueinander das objektseitige optische Gitter 4.

Anschließend erfahren sie an der ebenen Oberfläche 6 eine Reflexion, und es entsteht ein Bündel 17 paralleler Lißht-

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strahlen, aus dem das zentrierte optische System 7 ein konver-Igierendes Lichtbündel 18 macht, das seinen Konzentrationspunkt im bildseitigen Brennpunkt P des optischen Systems 7 hat und jenseits dieses Brennpunktes F ein Bild des objektseitigen Gitters 4 erzeugt.

Mit Rücksicht auf die üblichen Eigenschaften zentrierter optischer Systeme entsteht das Bild des in der objektseitigen Antihauptebene des Systems 7 liegenden objektseitigen Gitters in der zweiten Antihauptebene des optischen Systems 7, und dieses Bild ist von gleicher Größe und umgekehrt.

Im dargestellten Falle entsteht also das Bild des objektseitigen optischen Gitters 4 in der Ebene des bildseitigen optischen Gitters 9·

Da der beleuchtete Abschnitt der Oberfläche 6 in der ersten Verfahrensstufe sich wie ein annähernd vollkommender Spiegel verhält, erscheint das entstehende Bild des objektseitigen optischen Gitters 4 als dessen genaue Kopie.

Das bildseitige optische Gitter 9 wird so eingestellt, daß seine lichtdurchlässigen Teile sich genau auf dem Wege der verschiedenen vom objektseitigen optischen Gitter 4 ausgehenden Lichtstrahlen am Ort des bildseitigen optischen Gitters 9 befinden, und die Fotozelle 10 empfängt das gesamte von dem bildseitigen optischen Gitter 9 ausgehende Licht.

Der Lummersche Teilerwürfel 8 lenkt die halbe Intensität des Liffhtbündels 18 zu der Fotozelle 11 um.

Damit die beiden Fotozellen 10 und 11 für gleiche Be-

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leuchtungen genau gleiche elektrische Ströme abgeben, werden sie mit Hilfe der Blenden 12 und Ij5 ins Gleichgewicht gebracht.

Anschließend wird das bildseitige optische Gitter 9 innerhalb seiner Ebene so verschoben, daß dann seine lichtundurchlässigen Stellen auf dem Wege der vom bildseitigen optischen Gitter 4 ausgehenden Lichtstrahlen liegen. Auf diese Weise gelangt dann keinerlei Licht zu der Fotozelle 10.

In der zweiten Verfahrensstufe wird derals vollkommener Spiegel wirkende Abschnitt der Oberfläche β durch einen zu untersuchenden Abschnitt dieser Oberfläche ersetzt; durch Diffusionserscheinungen infolge der Unebenheit dieses Oberflächenabschnittes geht dann eine gewisse Lichtmenge durch das bildseitige optische Gitter 9 hindurch, wobei diese Lichtmenge eine Funktion der Oberflächenrauhigkeit darstellt, und die Fotozelle 10 wird wieder erregt. In der Praxis ist die Intensität des das bildseitige optische Gitter durchsetzenden Lichtes eine Funktion nicht nur der Rauhigkeit der untersuchten Oberfläche, sondern auch eine Funktion von deren Farbe, während die Intensität des durch den Lummerschen Teilerwürfel 8 zur Fotozelle 11 umgelenkten Lichtes nicht von der Farbe der beleuchteten Oberfläche abhängt,

Bezeichnet man daher mit I die Intensität des an dem beleuchteten Abschnitt der Oberfläche 6 reflektierten Lichtes, mit a einen von der Farbe dieses Oberflächenabschnittes abhängigen Koeffizienten und mit b einen von der Rauhigkeit didser Oberfläche abhängigen Koeffizienten, so ergibt sich, daß für das zu der Fotozelle 10 gelangende Licht die Beziehung gilt -—- . a . b, während die Menge des auf die Fotozelle 11 auftreffenden Lichtes der Beziehung -£- . a gehorcht.

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Als Quotient für diese beiden Intensitätswerte ergibt sich daher der Koeffizient b, der nur noch von der Rauhigkeit des beleuchteten Abschnittes der Oberfläche 6 abhängt.

Da die von den Fotozellen 10 und 11 abgegebenen elektrischen Ströme den von diesen Fotozellen aufgefangenenen Lichtintensitäten proportional sind, ergibt sich, daß der Quotient aus den an den Fotozellen 10 und 11 ablesbaren Stromwerten nur mehr eine Funktion der Rauhigkeit der beleuchteten Oberfläche 6 ist, nicht dagegen von deren Farbe abhängt,

Was die Fotozelle 11 allein anbetrifft, so liefert sie für einen Abschnitt der Oberfläche 6 von vorgegebener Farbe einen Strom, der dem Wert I und damit dem Ausdruck γ proportional ist, wobei mit I die auf die Oberfläche 6 _aUftreffende Lichtintensität bezeichnet ist.

Mit anderen Worten gibt also die Fotozelle 11 das Reflexionsvermögen der Oberfläche 6 für eine gegebene Farbe an.

Bei dem oben beschriebenen Experiment erfolgt die Untersuchung wegen der Darstellung sowohl des Gegenstandes als auch seines Bildes durch optische Gitter mit einer bevorzugten Achse, jedoch liegt es auf der Hand, daß man je nach der Natur der zu untersuchenden Oberfläche 6 die optischen Gitter 4 und 9 beispielsweise durch Netzte mit quadratischen Maschen oder durch andere optische Anordnungen mit Symmetrieachsen höherer Ordnung ersetzen kann. Außerdem kann die Oberfläche 6 statt vollständig eben auch nur im wesentlichen eben sein; so kann sie beispielsweise der Mantel eines Zylinders mit großem Krümmungsradius sein; schließlich braucht die Oberfläche 6 auch nicht festzustehen, sondern sie kann sich in einer kontinuierlichen Bewegung befinden.

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Claims

Patentansprüche

(lj. Verfahren zum zerstörungsfreien Messen von Oberflächenzuständen, dadurch gekennzeichnet, daß in einer ersten Stufe ein Bündel paralleler Lichtstrahlen mit stabilisierter Intensität durch ein zur Bündelachse senkrechtes erstes oder abjektseitiges optisches Gitter hindurch auf einen im wesentlichen ebenen und einen angenähert vollkommenen Spiegel darstellenden Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche gerichtet wird, das Bündel der an diesem Spiegel reflektierten parallelen Lichtstrahlen mittels eines zur Bündelachse senkrechten, zentrierten optischen Systems auf einen in dessen bildseitigem Brennpunkt angeordneten Lummerschen Teilerwürfel konzentriert und mit dessen Hilfe in ein in Verlängerung der Bündelachse hindurchgehendes erstes und ein um 90° dagegen umgelenktes zweites Teillichtbündel von untereinander gleicher Intensität zerlegt wird, das erste Teillichtbündel durch ein zu seiner Achse senkrechtes zweites oder bildseitiges optisches Gitter, das dem objektseitigen Gitter gleich ausgebildet, wie dieses in einer Antihauptebene des optischen Systems angeordnet und innerhalb seiner Ebene verschiebbar ist, geschickt wird, das M bildseitige Gitter in eine Lage verschoben wird, injäer es alles vom objektseitigen Gitter ausgehende Licht durchläßt, das Licht des ersten und des zweiten Teillichtbündels in je einer eigenen Fotozelle erfaßt wird, und die beiden Fotozellen im Sinne einer Angleichung der von ihnen abgegebenen elektrischen Ströme bei Zuführung gleicher Lichtströme über den Lummerschen Teilerwürfel justiert werden und daß in einer zweiten Stufe das bildseitige optische Gitter in seiner Ebene in eine Lage verschoben wird, in der es alles vom objektseitigen Gitter ausgehende Licht zurückhält, der einen Spiegel darstellende Abschnitt der zu untersuchenden Oberfläche durch einen in seinem Oberflächenzustand zu bestimmenden Abschnitt dieser

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Oberfläche ersetzt wird und der Quotient aus den Anzeigen der beiden Fotozellen als Maß für den Oberflächenzustand des interessierenden Oberflächenabschnitts und die Anzeige der dem durch den Lummerschen Teilerwürfel umgelenkten zweiten Teillichtbündel zugeordneten zweiten Fotozelle als Maß für .das Lichtreflexionsvermogen der untersuchten Oberfläche bei dem jeweiligen Oberflächenzustand und einer gegebenen Farbe ermittelt werden.
2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine feststehende, intensitätsstabilisierte Lichtquelle (1), einen Kollimator (2, J>), der aus dem von der Lichtquelle (1) emittierten Licht ein Bündel (16) paralleler Lichtstrahlen gewinnt, einen Träger (5) für die Anordnung eines im wesentlichen ebenen Abschnitts der zu untersuchenden Oberfläche (6) schräg zur Achse des vom Kollimator (2, J5) ausgehenden Lichtbündels (16), ein zur Linse (2) des Kollimators (2, 3) parallel und dahinter in den Weg des aus dem Kollimator (2, 3) austretenden Lichtbündels (16) eingefügtes erstes oder objektseitiges optisches Gitter (4), ein dahinter angeordnetes zentriertes optisches System (7), ein im bildseitigen Brennpunkt (F) des optischen Systems (7) angeordnetes und in seiner Ebene verschiebbares zweites oder bildseitiges optisches Gitter (9)j das wie das objekt^ivseitige Gitter (4) in einer der beiden Antihauptebenen des optischen Systems (7) liegt, zwei in den Weg des den Lummerschen Teilerwürfel (8) unabgelenkt durchsetzenden direkten Teillichtbündels bzw. in den Weg des darin um 90° umgelenkten Teillichtbündels eingefügte Fotozellen (10 bzw. 11) und zwei vor den Fotozellen (10 bzw. 11) im Strahlengang jeweils einel^rTeillichtbündel liegende optische . Blenden (12 bzw. 13).

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