DE3020044A1 - Geraet und verfahren zur beruehrungslosen pruefung der oberflaechenguete und zur messung der oberflaechenrauheit - Google Patents

Description

• GERAD UND VERFAHREN ZUR BERÜHUNGSLOSEN PRÜFUNG DER OBERFLÄCHENGÜTE UND ZUR MES-SUNG DER OBERFLÄCHENRAUHEIT Stand der Technik Die heute bekannten Meßverfahren zur Erfassung der Oberflächenrauheit sind an das Meßlabor gebunden und erfüllen nicht die Forderungen eines rationellen Fertigungsablaufes, nämlich Messung im Fertigungsablauf, Rückschlüsse auf den Zustand des Werkzeuges, Aussortieren von Ausschußteilen, Möglichkeit schneller Rückgriffe in die Fertigung und M-iglichkeit einer Meßregelung zur Automatisierung. Dazu müssen folgende Forderungen an das Meßverfahren gestellt werden: 1. berührungsloses, zerstörungsfreies Messen, 2. Messen an bewegten Prüflinge in der Fertigungslinie, 3. kurze Meßzeiten, 4. Eindeutiger Zusammenhang zwischen Oberflächenmerkmalen und Meßwerten, 5. einfacher störunempfindlicher -und justierunempfindlicher Aufbau mit wirtschaftlich vertretbaren Gerätekosten.
• Mechanische Tastschnittgeräte, die bisher die Rauheitsmessung beherrschen, erfüllen die Forderungen 1 bis 3 nicht.
• Optische Meßverfahren erfüllen prinzipiell die Forderungen 1 bis 3, jedoch ist bisher noch kein Verfahren bekannt geworden, das für die Fertigung technischer Oberflächen praktische Bedeutung erlangt hätte. Dies liegt vor allem an der Forderung Nr. 4. Im folgenden wird ein Gerät beschrieben, das sämtliche Forderungen erfüllt und nach dem heutigen Stand der Technik leicht und preisgünstig hergestellt werden kann.
• BESCHREIBUNG Von einer teilkohärenten Lichtquelle oder einer weiter unten beschriebenen Anordnung mehrerer Lichtquellen, vorzugsweise von einer Glühlampe ((1), Bild 1), fällt Licht über den Beleuchtungsstrahlengang und dem Strahlenteiler 7 auf den Prüfling 8.. Das Licht wird an der rauhen Oberfläche reflektiert und erzeugt über den Strahlenteiler 7 und dem Abbildungsobjektiv 11 ein Bild der Oberfläche in der Bildebene 16. Im Raum hinter der Abbildungsapertur 12 entsteht eine Hell-Dunkelverteilung, die in einer Abtastebene 14 durch mindestens eine Abtastöffnung 13 und mindestens einem Photoempfänger in seiner Helligkeit abgetastet wird. Die in der Erfindung ausgewertete Hell-Dunkelverteilung ist durch die rauhe Oberfläche (Phasenobjekt) bedingt und läßt sich im Prinzip auf die Phasenkontrastierung durch Defokussierung zurückführen, die in der Mikroskopie früher üblich war. Sie geht erst mit zunehmendem Kohärenzgrad des Lichtes und kleiner werdenden Abbildungsaperturen in die bekannte Speckle-Struktur über. Diese kontrastarme Hell-Dunkelverteilung bewegt sich über die Abtastöffnung 13 in der Abtastebene 14 , wenn sich der Prüfling in seiner Oberfläche bewegt. Die Erfindung hebt sich von den bekannten Rauheitsmessungen im Specklemuster (Specklekontrastverfahren) Lit. 1 bis 4 noch zusätzlich dadurch ab, daß große Abbildungsaperturen und gleichzeitig relativ große Abtastöffnungen verwendet werden, so daß die sehr feine Specklestruktur durch die große Abtastöffnung ausgemittelt (integriert) wird und im wesentlichen nur die oben beschriebene Phasenkontrastierung durch Defokussierung zur Auswertung gelangt.
• Diesem Muster wird eine gleichförmige Helligkeit, die durch geometrische oder physikalische Strahlenteilung gewonnen wird, überlagert. Da der Gleichlichtanteil stets unvermindert durch die Aperturblende 12 hindurchgeht, das an der rauhen Prüflingsoberfläche diffus reflektierte Licht durch die Aperturblende jedoch umso stärker beschnitten wird, je rauher die Oberfläche ist, führt dies zu einer weiteren Kontrastabnahme des Hell-Dunkelmusters, die jedoch für Prüflingsoberflächen mit großer Oberflächenrauheit stärker ist, als für Prüflingsoberflächen mit kleiner Rauheit. Dadurch wird der Meßbereich beträchtlich erhöht und die Steilheit der Meßkurve (Bild 3) ebenfalls erhöht.
• Der örtliche Intensitätsverlauf wird durch eine Relativbewegung von Hell-Dunkelmuster und Photodetektor in zeitlich veränderliche elektrische Signale umgesetzt. Der Durchmesser bzw. die linearen Dimensionen der Abtastblende können wesentlich größer als der Speckledurchmesser bei den bekannten Specklekontrastverfahren sein (Lit. 1 bis 4). Da außerdem die Beleuchtungs- und Abbildungsaperturen groß sind, wird schon mit einfachen Lichtquellen (vorzugsweise Glühlampen, Leuchtdioden oder Halbleiterlaser aus der optischen Nachrichtenübertragungstechnik) ein genügend großer Lichtstrom an den Photodetektoren erreicht und die Notwendigkeit von teuren Lasern (Lit. 2/3/4) oder die Notwendigkeit zeitlich unstabiler nichtlinearer Photodetektoren (Lit. 1) entfällt.
• Durch die stark integrierende Wirkung der Abtastung bleibt die zeitliche Variation des Signals bei gegebener Abtastgeschwindigkeit wesentlich kleiner als beim Specklekontrastverfahren, so daß bei gegebener Verarbeitungsgeschwindigkeit wesentlich größere Abtastgeschwindigkeiten und damit kleinere Meßzeiten möglich sind, oder daß bei gegebener Meßzeit eine wesentlich größere Abtaststrecke auf der Oberfläche möglich wird. Mit Hilfe eines Minicomputers oder eines Mikroprozessors werden aus dem digitalisierten elektrischen Signal 1 die Kontraste Cq oder Ca berechnet: wobei I der Intensitätsmittelwert und Ii die augenblickliche Intensität ist. Kurve 1 in Bild 3 zeigt den eindeutigen Zusammenhang zwischen gemessenen Kontrast Cq und dem arithmetischen Mittenrauhwert Ra geschliffener Oberflächen. Durch den variablen -Lichtschwächer (10) kann die Intensität der überlagerten Helligkeit variiert werden. Die Kurve 1 gilt ohne überlagerung einer gleichmäßigen Helligkeit. Die Kurven 2 bis 4 gelten für zunehmend stärkere überlagerung. Der nutzbare Meßbereich für den avithmetrischen Mittenrauhwert beträgt 0,05 um bis ca. 10 çum.
• Bild 2 zeigt alternative Realisationsmöglichkeiten für die Überlagerung der inkohärenten gleichförmigen Intensität.
• Modifikationen des Gerätes Folgende Modifikationen-dienen der Vereinfachung und der Miniaturisierung des Gerätes bei -gleichem Funktionsprinzip und gleichem -Anwendungszweck In Bild 1a entfällt zur Vereinfachuncr der Strahlenteiler 7. Be- leuchtungsapertur und Abtastöffnung sind in kleinem räumlichen Abstand nebeneinander angeordnet, wobei ein Umlenkprisma oder ein Umlenkspiegel eine --günstige räumliche Anordnung erlaubt. Die inkohärente Lichtüberlagerung entsprechend dem Endspiegel und dem Drehpolarisatorpaar wird durch das teilverspiegelte Plättchen ersetzt, dessen Reflexionsgrad einen festen vorbestimmte Wert hat oder nach Art der variablen Strahlenteiler einen variablen Reflexionsgrad hat.
• In Bild 1b ist die Abtastöffnung durch eine Glasfaser ersetzt.
• Die inkohärente Lichtüberlagerung geschieht über die Streukammer.
• In Bild lc geschieht die inkohärente Lichtüberlagerung direkt von der Lichtquelle über ein (variables) Graufilter (oder Drehpolarisatorpaar) und einem Referenzphotoempfänger In Bild 1d- ist der Photoempfänger 15 zur Abtastung durch eine Photoempfängerzeile.und die Abtastöffnung 13 durch eine Abtastmaske mit Abtastspalten oder Abtastöffnungen ersetzt. Die Photoempfängerzeile liefert mehrere unabhängige Intensitätsverläufe, aus denen durch Mittelung eine geringere Streuung der Meßgröße erreicht werden kann.
• In Bild le geschieht die Mittelung durch eine Anordnung von mehreren Lichtleitfasern, die mehrere voneinander unabhängige Detektoren beleuchten. Zur Beleuchtung dienen eine oder mehrere Lichtleitfasern, die von einer oder mehreren unabhängigen Lichtquellen beleuchtet werden. Bei mehreren Lichtquellen, insbesondere bei Lasern, ist auf diese Art eine Beeinflussung der räumlichen und zeitlichen Kohärenz möqlich. Die inkohärente Lichtüberlagerung ist durch eine der Mögllcntelten aus iia s Bild 1a bis Bild 1d oder Bild 2 möglich. In Bild 1eist insbesondere die Überlagerung durch ein teilverspiegeltes Plättchen nach Bild 1a dargestellt.
• In Bild 1f ist eine weitergehende Vereinfachung durch Wegfall des Abbildungsobjektives 11 aus-Bild 1 dargestellt. Zur Beleuchtung, Abtastung und inkohärenter Lichtüberlagerung sind sämtliche Realisationen aus Bild 1, Bild 2 und Bild-1a bis 1f möglich.
• Weitere Modifikationen (ohne Bild): Zur weiteren Vereinfachung kann die inkohärente Lichtüberlagerung durch eine Überlagerung einer geeignet dimensionierten Gleichspannung zum elektrischen Signal der abgetasteten Lichtintensität ersetzt werden, wenn dafür gesorgt wird, daß Lampenlichtstromänderungen und Empfindlichkeitsänderungen der Photoempfänger ausgeschlossen sind.
• Wesenszüge der Erfindung Die Erfindung erlaubt die Herstellung von Geräten zur optischen Oberflächenmessung. Dies wird durch Reflexion von Licht an der rauhen Oberfläche erreicht. Im Gegensatz zu mechanischen Abtastverfahren wie z.B. den bekannten Tastschnittgeräten arbeitet die Erfindung berührungslos und zerstörungsfrei. Sie eignet sich für schnelle Messungen an bewegten Oberflächen während des Fertigungsablaufes, so daß eine Regelung des Fertigungsablaufes mit Rückschlüssen auf den Werkzeugzustand und Sortieren der Werkstücke möglich wird. Dabei bleibt im Gegensatz zu mechanischen Tastern zur Gewinnung eines Regelkriteriums E6J der Vorteil einer berührungslosen zerstörungsfreien Messung erhalten.
• Bisherige optische Verfahren zur Aufnahme des Oberflächenprofiles Es) eignen sich nur für stückweise glatte Oberflächen mit Höhenstrukturierung wie z.B. in der Halbleitertechnologie. Sie sind für die Erfassung des Rauheitsprofiles wegen der begrenzten Auflösung des Abtastpunktes nur bedingt geeignet, für die Automatisierung der Fertigung und die Messung an bewegten Teilen zu langsam und liefern nur Information längs einer Abtastlinie.
• Im Gegensatz zum optischen Feintaster nach£Sjist die Erfindung unabhängig von der exakten Erfassung des Oberflächenprofiles, weil es die durch die Rauheit bedingten Intensitätsschwankungen in einem defokussierten Bild auswertet.
• Im Gegensatz zu den Specklekontrastverfahren (t1J , (2), £33, £4)) wird jedoch eine wesentlich größere Abtastblende als der bei gleicher Abbildungsapertur und hochkohärenter Beleuchtung zu erwartende Speckledurchmesser verwendet. Außerdem sind im Gegensatz zu den Speckleverfahren die Beleuchtungs- und Abbildungsaperturen groß und inkohärente Lichtquellen, vorzugsweise Glühlampen und Leuchtdioden sind möglich. Schließlich wird eine unabhängige inkohärente gleichmäßige Intensität dem defokussierten Oberflächenbild überlagert. Dadurch wird die Specklestruktur nahezu vollständig unterdrückt und durch die großen Abtastblenden auch nicht aufgelöst. Das aufgelöste Hell-Dunkelmuster ist von niedrigem Kontrast. Die Kennlinien Kontrast über arithmetischen Mittenrauhwert zeigt jedoch einen eindeutigen zur Messung geeigneten Zusammenhang bei sehr großem Meßbereich.
• Da die Intensität räumlich nur langsam variiert, sind im Gegensatz zum Speckleverfahren und im Gegensatz zum optischen FeintasterL5j große Abtastgeschwindigkeiten möglich und eine große Meßstrecke kann in kurzer Zeit ausgewertet werden, so daß sich Unregelmäßigkeiten in der Rauheit ausgleichen.
• Im Gegensatz zum optischen Feintaster£5J erfaßt die Erfindung die Oberfläche flächig, wodurch örtliche Unregelmäßigkeiten der Rauheit weiter ausgeglichen werden. Zur statistischen Auswertung genügt ein Minicomputer bzw. ein Mikroprozessor oder der Anschluß an den Computer der Fertigungssteuerung.
• Der mit der Erfindung zu erzielende Fortschritt Der Fortschritt ergibt sich durch die erstmalige Realisation eines einfachen, störunanfälligen, handlichen und automatisierbaren Gerätes zur berührungslosen und zerstörungsfreien Rauheitsmessung für Oberflächenrauheiten im Bereich von ca. 0,05 pm <Ra (10 Xum (Ra= arithmetischer Mittenrauhwert). In diesem Bereich liegt die Mehrzahl der technischbedeutsamen Oberflächen in der Metallindustrie. Rauheit wird flächig in kurzen Meßzeiten erfaßt, wodurch eine automatische Fertigungskontrolle und Regelung mit

  Rückflüssen

  auf den Verschleiß der Werkzeuqe und der Möglichkeit der Aus sortierung der Werkstücke Durch den einfachen Aufbau des Gerätes ergibt sich die Möglichkeit niedriger Herstellungskosten und eines niedrigen Verkaufspreises, so daß die Rauheitsprüfung dezentral an allen entscheidenden Stellen der Fertigung stattfinden kann.
• In der industriellen Fertigung ist die Fertigungsstreuung der Oberflächenrauheit ein wichtiges Problem. Das Gerät eiqnet sich für den Einsatz sowohl bei der

  ge v;gh

  Großrcicnherstellunq

  als auch bei der automatisierten flexiblen Fertigung und zum Sortieren bei der Fertigungskontrolle, sowie für Routineprüfungen im Labor. Dabei kann das Gerät entweder mit der zentralen Recheneinheit zusammenarbeiten oder als eigenständiges Meßgerät mit einem Kleincomputer oder Mikroprozessor. Es ist also für eine sehr breite Anwendung geeignet und außer der industriellen Fertigung auch für Wissenschaft und Forschung interessant.
• Literatur [iJ Sprague, R.A. Surface Roughness Measurement using white light Speckle. Applied Optics 11 (1972) Seite 2811 - 16.
• [2 Rau, N. Untersuchung eines kohärentoptischen Verfahrens zur Rauheitsmessung.
• Dissertation, Univ. Stuttgart, 1979, Verlag Krausskopf 1979.
• [3] Rau, N und Bestimmung der Oberflächenrauheit im Granu-Leonhardt , K. lationsmuster.
• HGF-Bericht 79/94, 611, [43 Parry, G. The scattering of polychromatic light from rough surfaces.
• Opt. and Quant. Electronics 7 (1975) 311-318, [5] Raith, S. Optischer Feintaster, Patentschrift 25 28 209 060 Mushardt,H. Verfahren und Vorrichtung zur Rauheitsprüfung von Oberflächen.
• Offenlegungsschrift 25 35 912.
• Leerseite

Claims (22)

1. PATENTANSPRUCHE 1. Gerät rund Verfahren zur berührungslosen Prüfung der Oberflächengüte und.zur Messung der Oberflächenrauheit, d a d u rc h g-e-k e n n z e i c h n e t daß teilkohärentes Licht vorgegeben ist, daß das Objekt (8) mit einem Lichtbündel mit einer wählbaren Querschnittsfläche bestrahlt wird, daß eine zusätzliche inkohärente Lichtintensitätdem am Objekt (8) reflektiertem Licht überlagert wird, daß die Summe des reflektierten und über-lagerten Lichtes über minde-stens eine Abtastöffnung (13) für einen Photodetektor (153 oder fiber- eine Detektorzeile oder eine Detektormatrix geführt wird, daß das entstehende Helligkeitsmuster durch eine Relativbewegung zwischen Objekt oder dessen Bild und Detektor oder durch eine selbstabtastende Detektormatrix abgetastet wird, daß die Abtastung im defokussierten Bild stattfindet, daß die-Abtastöffnungen größer als der mittlere Speckledurchmes.ser sein können und daß die an den Abtastöffnungen auftretenden Helligkeitsverläufe statistisch ausgewertet werden.
2. Gerät nach Anspruch 1, d a d u r- c h g e k e n n z e i c h n e t daß eine oder mehrere sekundäre Lichtquellen zur Erzeugung eines räumlich und. zeitlich teilkohärenten Lichtbündels vorhanden sind, wobei die sekundären Lichtquellen nach Bild 1, Bild 1a, Bild 1b, Bild Ic, Bild 1d, durch die Öffnung der Blende der Beleuchtungsapertur verwirklicht werden können, die durch die Lichtquelle (1), vorzugsweise eine Glühlampe beleuchtet wird oder durch die Austrittsöffnung einer oder mehrerer Lichtleitfasern (Bild le), die durch je eine Lichtquelle insbesondere einen Halbleiterlaser oder eine gemeinsamme Lichtquelle, insbesondere einer Glühlampe beleuchtet werden.
3. 3. Gerät nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß das teilkohärente Lichtbündel über einen Strahlenteiler (7) auf die zu messende Oberfläche fällt und das reflektierte Licht durch den Strahlenteiler von einfallendem Licht getrennt wird. (Die Trennung von einfallendem Licht und dem Licht, das zur Abtastung gelangt, kann auch durch geometrische Strahlenteilung geschehen (Bild la bis in)).
4. 4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere sekundäre Lichtquellen und/oder mehrere Abtastöffnungen räumlich nebeneinanderliegen.
5. 5. Gerät nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastöffnungen durch Lochblenden, Spalte oder Gitter verwirklicht werden, die vor Photodetektoren angebracht sind (und nur das Licht aus einemieinen, vorausbestimmten Flächenelement der Abtastfläche zur Messung gelangen lassen).
6. 6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastöffnungen durch Photodetektoren mit kleiner lichtempfindlicher Fläche verwirklicht werden.
7. 7. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastöffnungen durch die Eintrittsöffnungen von Lichtleitfasern, die mit Photodetektoren verbunden sind, verwirklicht werden.
8. 8. Gerät nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß durch den Strahlenteiler (7) in Bild 1 oder durch geometrische Strahlenteilung Bild 1a, Bild Ib, Bild 1c, Bild le, ein zweites Strahlenbündel gewonnen wird, dem Helligkeitsmuster der Oberfläche überlagert wird.
9. 9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das überlagerte Lichtbündel durch einen Lichtabschwächer (10) in seiner Intensität auf einen bestimmten Wert gebracht wird, der die Steilheit der Kennlinie in Bild 3 bestimmt und außerdem eine Anpassung an die unterschiedlichen Reflexionsgrade verschiedener Werkstoffe erlaubt.
10. 10. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtabschwächer ein Drehpolarisatorpaar verwendet wird (Bild 1).
11. 11. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtabschwächer ein variabler Strahlenteiler (teilverspiegeltes Plättchen mit örtlich veränderlichem Reflexions- und Transmissionsgrad) verwendet wird (Bild 2a, Bild la, Bild le).
12. 12. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtabschwächer ein variables Graufilter verwendet wird (Bild- 2b).
13. 13. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß als Lichtabschwächer eine Irisblende oder ein Blendenrevolver mit kleinen Blendenöffnungen verwendet wird (Bild 2c).
14. 14. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die inkohärente Überlagerung über einen der in 10. bis 13. beschriebenen Lichtabschwächer mit Licht geschieht, das direkt von der/den Lichtquellen entnommen wird (Bild 1b).
15. 15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtabschwächung durch Reflexion an mehreren diffus streuenden Oberflächen, insbesondere einer Streukammer geschieht (Bild 1b).
16. 16. Gerät nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß anstatt der Überlagerung von Lichtintensitäten die entsprechenden elektrischen Signale addiert werden.
17. 17. Gerät nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß das zu überlagernde Signal durch einen oder mehrere Referenz-Photoempfänger (18) mit Lichtschwächer nach 10., 11., 12., 13. gewonnen wird (Bild 1c, Bild 1d).
18. 18. Gerät nach Anspruch 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Helligkeitsverläufe an den Photodetektoren in bestimmten Zeitintervallen abgetastet und elektronisch verarbeitet werden.
19. 19. Gerät nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die elektronischen Signale digitalisiert werden.
20. 20. Gerät nach Anspruch 18 und 19, d a d u r c h g e k e n n z e 1 c h n e t ,, daß aus den elektronischen Signalen die Kontraste Ca und Cq nach der Formel mit einem Minicomputer -oder einem Mikroprozessor gebildet werden. Der quadratische Kontrast Cq und der arithmetische Kontrast Ca stehen in eindeutigem Zusammenhanq mit den größen der Rauheit, z.B. mit dem arithmetischen Mittenwert (Bild 3).
21. 21. Gerät nach Anspruch 1 bis 20, d a a u r -c h g e k e n n z e 1 c h n e t daß bei mehreren- Photodetektoren die Kontraste aller Photodetektoren gemittelt werden und ihre Varianz bestimmt wird.
22. 22. Gerät nach Anspruch 8 und 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t daß das zu über-lagernde Lichtbündel durch Reflexion an den Gas-Luft-Flächen oder den teilverspiegelten Würfelflächen des als -Teilerwürfel ausgebildeten Strahlenteilers (7) erzeugt wird