CH597590A5 - Defects in material surface classified by diffraction pattern - Google Patents

Description

  
 



   Vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Bestimmen und Klassieren von Fehlern einer Materialoberfläche, wobei ein Lichtstrahl die Oberfläche abtastet, und ein stationäres Beugungsbild, das von dem von der Oberfläche reflektierten Licht oder von dem durch die Oberfläche übertragenen Licht gebildet wird, in einer Ebene aufgefangen wird.



   Es soll vorzugsweise Material mit ebenen Oberflächen untersucht werden, an dem Fehler wie Kratzer, Poren, Erhebungen oder Verfärbungen auftreten können.



   Die Erfindung betrifft auch eine Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens.



   - Es ist bekannt, Oberflächenfehler auf Materialoberflächen durch einen Lichtstrahl festzustellen, der über die zu untersuchende Oberfläche streicht. Durch eine optische Vorrichtung wird das reflektierte Licht auf eine Ebene projiziert, in der ein stationäres Beugungsbild entsteht. In dieser Ebene ist ein Raumfilter angeordnet, dessen Transmission in jedem Punkt im wesentlichen umgekehrt proportional zur Helligkeitsverteilung des Beugungsbildes ist, wenn der Lichtstrahl über eine als fehlerfrei definierte Oberfläche streicht. Wenn sich das Beugungsbild bei Auftreffen des Lichtstrahles auf eine fehlerbehaftete Oberfläche ändert, ändert sich auch der Lichtstrom, der von einem Lichtdetektor empfangen wird, der hinter dem Filter angeordnet ist.

  Der von als fehlerfrei angesehenen Oberflächen reflektierte Lichtstrom kann stark unterschiedliche Werte annehmen, die Helligkeitsverteilung des Beugungsbildes bleibt jedoch dieselbe und folglich werden die Lichtstromschwankungen durch das Raumfilter unterdrückt. Somit ermöglicht dieses Verfahren kleine Fehler in der Materialoberfläche festzustellen.



   Jedoch können die kleinen Lichtstromänderungen, welche im Falle des Vorhandenseins eines Oberflächenfehlers durch den Lichtdetektor festgestellt werden, nurseltenmitderBedeutung in Beziehung gesetzt werden, welche der Fehler für die Verwendbarkeit der untersuchten Oberfläche aufweist. Durch die Verwendbarkeit des bekannten Gerätes ist es somit möglich, festzustellen, dass gewisse Fehler vorhanden sind, und in vielen Fällen kann auch ihre Grösse festgestellt werden.



  Jedoch gibt es keine Möglichkeit, die Oberflächenfehler so zu klassieren, dass ihre Bedeutung für die Verwendbarkeit der Oberfläche offensichtlich werden.



   Es ist auch bekannt geworden, mehrere Lichtdetektoren in einem stationären Beugungsfeld anzuordnen. Im Falle automatischer Oberflächenuntersuchungen ist jedoch die Untersuchungsgeschwindigkeit im allgemeinen von grösster Wichtigkeit. Mit einem Kanal pro Lichtdetektor muss die Signalverarbeitung entsprechend parallel durchgeführt werden. Dadurch ergibt sich eine sehr umfangreiche und teure Vorrichtung.



   Durch das nachfolgend beschriebene Verfahren können verschiedene Arten von Fehlern auf einfache Weise klassiert werden. Zu diesem Zweck ist das Verfahren nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Raumfilters in der genannten Ebene eine Abschwächung oder Ausblendung der Anteile des Beugungsbildes, die einer als fehlerfrei definierten Oberfläche entsprechen, sowie jener Anteile, die von Oberflächenfehlern erzeugt werden, die als tolerierbar definiert werden, vorgenommen wird, während das Raumfilter den Lichtstrom der von den als nicht mehr tolerierbar definierten Oberflächenfehlern stammenden Anteilen des Beugungsbildes durchlässt.



   In der nachfolgenden, detaillierten Beschreibung eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes wird auf die beigefügte Zeichnung verwiesen. In dieser zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform der nachfolgend beschriebenen Vorrichtung;
Fig. 2 ein Beispiel für einen Fehler, der auf einer Oberfläche vorhanden sein kann.



   In der in der Zeichnung dargestellten Vorrichtung wird ein Lichtstrahl aus einer Strahlenquelle, z. B. aus einem Laser 1, auf ein rotierendes Prisma 2 gerichtet. Dadurch wird bewirkt, dass der Strahl eine Materialoberfläche 3 bestreicht oder diese abtastet. Nach der Reflexion an der Materialoberfläche 3 wird der Lichtstrahl durch eine optische Vorrichtung 4, wie zum Beispiel durch ein Linsensystem, zu einem stillstehenden Punkt 5 in einer Ebene 6 gebrochen. Die Lichtstreuung zufolge Spiegelreflexion und Beugung an gneigten Flächen und Kanten im Berührungspunkt des Lichtstrahls mit der Materialoberfläche bewirkt die Entstehung eines sogenannten Beugungsbildes in der Bildebene. Hinter der Ebene 6 sind ein oder mehrere Strahlendetektoren 9 angeordnet, welche die Lichtstärke in verschiedenen Teilen des Beugungsbildes anzeigen. In der Ebene 6 sind ein oder mehrere Raumfilter 8 angeordnet.

  Diese sind so aufgebaut, dass sie einerseits Teile des Beugungsbildes, das an einer Oberflächenstruktur entsteht, die für fehlerfrei gehalten wird, abschwächen oder abblenden, und dass sie andererseits eine Transmission erzeugen, die in jenen Teilen, in denen unwesentliche Fehler oder Fehler von geringer Bedeutung grosse Lichtänderungen bewirken, niedrig ist, und die in jenen Teilen, in denen wesentliche Fehler Lichtänderungen erzeugen, hoch ist, ohne Rücksicht darauf, ab die letztgenannten Änderungen eine hohe oder niedrige Intensität erzeugen.



  Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass das Raumfilter in angemessener Weise auch jene Teile des Beugungsbildes abschwächen soll, das durch unwesentliche Fehler in der Oberflächenstruktur entsteht, welche Fehler, bezogen auf ihre Bedeutung, andererseits zu hohe Detektorsignale erzeugen würden. Diese doppelte Funktion der Raumfilter in der Ebene 6 kann durch Verwendung kombinierter Filter erhalten werden, oder durch Verwendung mehrerer Filter mit unterschiedlichen Funktionen, die hintereinander angeordnet sind.



   Bei der Oberflächenuntersuchung von durchlässigen Materialien, wie zum Beispiel Glas oder Kunststoffmaterial, wird eine Transmission des Lichtstrahles durch die Materialoberfläche 3 und das Material selbst erhalten. In diesem Falle werden die Bauteile 4, 6, 8 und 9 unterhalb des Materials angeordnet. Im übrigen arbeitet jedoch diese in der Zeichnung nicht dargestellte Ausführungsform der Vorrichtung gleich wie oben beschrieben wurde. Wenn halbdurchlässiges Material untersucht wird, bei dem sowohl Lichtreflexion als auch -transmission auftritt, können die erwähnten oder gleichartige Bauteile sowohl ober- als auch unterhalb der Materialoberfläche 3 angeordnet werden.



   Die ersterwähnte Funktion des Raumfilters, d.h. jene Teile des Beugungsbildes abzudecken, die von einer Oberflächenstruktur stammen, die als fehlerfrei betrachtet wird, kann in den einfachsten Fällen ein opakes Abdecken sein. Eine bessere Anpassung des Signals wird jedoch erhalten, wenn die Transmission des Filters in jedem Punkt   umgekehrt    proportional zur Intensität des normalen Beugungsbildes ist. Dies kann zum Beispiel dadurch erreicht werden, dass das Raumfilter so erzeugt wird, dass ein photographischer Film mit dem normalen Beugungsbild, das während des Abtastens erhalten wird, belichtet wird, d.h. mit dem Beugungsbild von einer Oberfläche, die als fehlerfrei betrachtet wird, wenn diese Oberfläche relativ zum Film bewegt wird. 

  Diese letztere Art von Raumfilter kann auch für die anderen Funktionen des Filters verwendet werden, d. h. zur Abschwächung jener Teile des Beugungsbildes, die von Fehlern in der Oberflächenstruktur stammen, welche in bezug auf ihre Bedeutung zu grosse Lichtänderungen aufweisen. Andernfalls kann das Filter zur Abschwächung des normalen Beugungsbildes aus einem angepassten, optischen Filter bestehen, dessen Transmissionseigenschaften für Beugungsstrahlung automatisch veränderlich sind. Zu diesem Zweck kann zum Beispiel ein photochromes Material verwendet werden, das mit geeigneter Geschwindigkeit bei erhöhter Strahlungsintensität dunkel wird, und seine ursprüngliche  
Durchlässigkeit wiedergewinnt, wenn keine Strahlung mehr auftritt.

  Das stationäre Beugungsbild schwärzt das photo chrome   Material    und wird daher nicht in gleichem Ausmass übertragen wie das Beugungsbild, das von Oberflächenfehlern stammt, die Lichtänderungen kurzer Dauer erzeugen. Somit wird das Abblenden automatisch an die Oberflächenstruktur des zu untersuchenden   Materials    angepasst.



   Das Filter kann alternativ aus einer Scheibe bestehen, bei dem die Transmission in verschiedenen Teilen gesteuert werden kann. Zum Beispiel kann die Scheibe die Form eines Mosaiks haben, wobei die Transmission eines jeden Elements unabhän gig von den umgebenden Elementen gesteuert werden kann.



   In einer anderen Ausführungsform kann das Filter aus einem Material bestehen, das zwischen zwei linearen (ebenen)
Polarisationsprismen angeordnet ist, die relativ zueinander verdreht sind. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung wird das Material doppeltbeugend, wodurch die Polarisationsebene des einfallenden Lichtes drehen kann. Ein Elektrodennetz ist auf dem Material angeordnet. Dieses Netz kann aufgedampft oder sonstwie darauf befestigt sein. Durch Verwendung dieses
Netzes kann das elektrische Feldbild im Material gesteuert werden. Dadurch kann auch die Transmission mit einer
Oberflächenauflösung gesteuert werden, die durch die   Konfigu-    ration des Elektrodennetzes gegeben ist. Das aktive Material    kann    zum Beispiel aus einem bestimmten   Keramiktyp,    genannt
PLZT, bestehen.



   In einer anderen Ausführungsform besteht das Filter aus einem an das Material angelegtem Elektrodennetz. Die Transmission des Filters kann dabei durch Verändern seiner Lichtstreuungseigenschaften mittels eines elektrischen Feldes gesteuert werden. Bei einer bestimmten Feldstärke ist das Material   vollkommen    lichtdurchlässig, während bei einer anderen Feldstärke die Lichtstreuung stark erhöht wird. Das aktive Material kann zum Beispiel aus dem erwähnten PLZT Keramik bestehen.



   Der Zweck des hier beschriebenen   Verfahrens    besteht darin, von dem Detektor oder den Detektoren 9, die hinter der Bildebene angeordnet sind, ein Ausgangssignal zu erzeugen, das eher zur relativen Bedeutung der verschiedenen   Fehler    der Oberflächenstruktur des Materials proportional ist, als eine eindeutige Information über die Identität der Fehler zu liefern.



  Somit muss dieses derart gewichtete Ausgangssignal nicht weiter elektronisch ausgewertet werden, sondern es kann durch ein verhältnismässig einfaches Verarbeiten zum Aufzeichnen oder Steuern eines   Herstellungs-    oder Arbeitsvorganges des untersuchten Materials verwendet werden. Die Steuerung kann zum Beispiel so angeordnet werden, dass ein Schneiden und Sortieren in verschiedene Lägen in Abhängigkeit vom Ausmass und von der Bedeutung der gefundenen Fehler erfolgt. Ein Aufzeichnen der Fehler einer Materialoberfläche kann in der Weise erhalten werden, dass ihre Lage und Bedeutung durch   Ziffern    festgehalten wird, um es nachher zu ermöglichen, die Fehler für   Messzwecke    wiederzufinden.



   Wenn   zum    Beispiel das beschriebene Verfahren zum
Auffinden von Oberflächenfehlern auf einem kaltgewalzten Blech angewendet wird, dann ist es möglich, an die fünfzehn verschiedene Fehler in der   Oberflächenstruktur    zu   Massieren,    und diese Fehler nach ihrer Bedeutung einzustufen, und dabei solche Fehler, die von Oberflächen stammen, die als fehlerfrei betrachtet werden, und solche Fehler, die für die vorhandene
Materialoberfläche als   unwesentlich    betrachtet werden, abzuschwächen oder vollkommen auszublenden, während andererseits Licht von wesentlichen Fehlern für das   Detektie-    ren übertragen wird. In Fig. 2 wird dies an einem Beispiel erläutert.

  In diesem sind Kratzer dargestellt, die nach dem   Kalt-    walzen von Stahl vorhanden sein können. Der kaltgewalzte    Stuhl    wurde mit dem hier beschriebenen Verfahren kontrolliert, und es wurde ein Beugungsbild gemäss Fig. 2a erhalten, wenn keine   Raumfilter    in die Ebene 6 in Fig. 1 eingesetzt wurden.



  Der stark gezeichnete Teil 10 des Bildes zeigt das Vorhandensein eines   Kratzersparallel zurWakrichtung    an, und derTeil 11 zeigt einen Kratzer an, der unter einem   Winkel    zur Walzrichtung liegt. Dieser schräg liegende Kratzer erzeugt eine geringere Intensität des reflektierten Lichtes im Beugungsbild als ein Krazter, der parallel zur   Wakrichtung    liegt. Die Bedeutung des schrägliegenden Kratzers ist jedoch vom Rückweisungsgesichtspunkt aus grösser als die Bedeutung des parallel zur Walzrichtung liegenden Kratzers. Gemäss dem beschriebenen Verfahren, wurde daher eine Abschwächung oder Abblendung des Lichtes durchgeführt, das von den Oberflächenteilen stammt, die als vergleichsweise fehlerfrei betrachtet werden, d.h. dem Teil 12 in Fig. 2b.

  Es wurde auch eine Abschwächung des Lichtes gemacht, das von dem parallel zur Walzrichtung liegenden Kratzer stammt, d. h. vom Teil 13 in Fig. 2c. Diese Abschwächung oder Abblendung wurde mit Hilfe eines   Raumfilters    gemacht, das aus einem geschwärzten photographischen Film bestand. Somit ist Fig. 2 ein Beispiel für eine Einstufung von Fehlertypen, die im Verhältnis zur Bedeutung der Kratzer betrachtet werden können. Selbstverständlich können auch andere Arten von Fehlern mit Hilfe des vorliegenden Verfahrens eingestuft werden, wie zum Beispiel Schlackeneinschlüsse.

 

   Das Verfahren kann auch auf andere Weise ausgeführt und verwendet werden als oben beschrieben und in der Zeichnung erläutert wurde. Zum Beispiel kann bei gewissen Fällen von   Oberflächenprüfungen    und bei gewissen Materialien, die Materialoberfläche feststehend sein und der auf die Materialoberfläche gerichtete Lichtstrahl sich über die Oberfläche bewegen. In bestimmten Fällen können sich sowohl die Materialoberfläche als auch der Lichtstrahl während der Oberflächenuntersuchung bewegen. 

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE

   1. Verfahren zum Bestimmen und Klassieren von Fehlern einer Materialoberfläche, wobei ein Lichtstrahl die Oberfläche abtastet, und ein stationäres Beugungsbild, das von dem von der Oberfläche reflektierten Licht oder von dem durch die Oberfläche übertragenen Licht gebildet wird, in einer Ebene aufgefangen wird, dadurch gekennzeichnet, dass mittels eines Raumfilters (8) in der genannten Ebene (6) eine Abschwächung oder Ausblendung der Anteile des Beugungsbildes (7, Fig.

   2), die einer als fehlerfrei definierten Oberfläche entsprechen, sowie jener Anteile, die von Oberflächenfehlern (13) erzeugt werden, die als tolerierbar definiert werden, vorgenommen wird, während das Raumfilter (8) den Lichtstrom der von den als nicht mehr tolerierbar definierten Oberflächenfehlern stammenden Anteile (11) des Beugungsbildes (7, Fig. 2) durchlässt.

   II. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Patentanspruch I, mit einer Lichtquelle, Mitteln zum Richten eines von der Lichtquelle ausgehenden Lichtstrahles gegen die Materialoberfläche, einer Einrichtung zum Erzeugen einer Relativbewegung zwischen dem Lichtstrahl und der Materialoberfläche;

   einer Einrichtung, um das Beugungsbild, das von dem von der Materialoberfläche reflektierten Licht oder von dem durch die Materialoberfläche übertragenen Licht gebildet wird, als stationäres Bild in einer Ebene aufzufangen; und Lichtdetektoren, die zum Messen des vom Beugungsbild ausgehenden Lichtstromes hinter dieser Ebene angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Raumfilter (8) in der genannten Ebene (ó) angeordnet ist, welches diejenigen Anteile des Beugungsbildes (7), die einer bestimmten, als fehlerfrei definierten Oberfläche entsprechen, sowie jene Anteile, die von bestimmten, als tolerierbar definierten Oberflächenfehlern stammen, abschwächt oder ausblendet, dagegen von bestimmten,

   als nicht tolerierbar definierten Fehlern stammendes Licht des Beugungsbildes (7) zu den Lichtdetektoren durchlässt.

   UNTERANSPRÜCHE 1. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Raumfilter (8) ein photographischer Film verwendet wird.

   2. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass als Raumfilter eine aus mehreren Teilen zusammengesetzte Filterscheibe verwendet wird, wobei die einzelnen Filterteile in ihrer Transmission steuerbar sind.

   3. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfilter verwendet wird, das zwei gekreuzte Polarisationsprismen umfasst, zwischen denen ein elektrooptisches Material angeordnet ist, dessen Doppelbrechung durch Anlegen einer elektrischen Spannung steuerbar ist.

   4. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfilter aus einem Material verwendet wird, dessen Lichtstreuungseigenschaften mittels eines elektrischen Feldes steuerbar sind.

   5. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfilter mit einem opaken Material zum Abschwächen oder Ausblenden des von der fehlerfreien Oberfläche stammenden Lichtanteiles verwendet wird.

   6. Verfahren nach Patentanspruch I, dadurch gekennzeichnet, dass ein Raumfilter mit einem seine Transmission im ausgleichenden Sinne dem auftreffenden Lichtstrom anpassenden Filter zum Abschwächen oder Ausblenden des von der fehlerfreien Oberfläche stammenden Lichtanteils verwendet wird.

   7. Verfahren nach Unteranspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass für das sich automatisch anpassende Filter ein photochromes Material verwendet wird.

   8. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter (8) einen photographischen Film enthält.

   9. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter eine aus mehreren Teilen zusammengesetzteFilterscheibe enthält, wobei die Transmission der einzelnen Teile steuerbar ist.

   10. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter zwei gekreuzte Polarisationsprismen umfasst, zwischen denen ein elektrooptisches Material angeordnet ist, das mit einem Elektrodennetz versehen ist.

   11. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter ein mit einem Elektrodennetz versehenes Material umfasst, dessen Transmission durch Verändern seiner Lichtstreuungseigenschaften mittels eines elektrischen Feldes steuerbar ist.

   12. Vorrichtung nach Patentanspruch II, dadurch gekennzeichnet, dass das Raumfilter mit einem optischen Filter versehen ist, dessen Transmissionseigenschaften sich im ausgleichenden Sinne automatisch an den auftreffenden Lichtstrom anpassen.

   13. Vorrichtung nach Unteranspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass das optische Filter aus photochromem Material besteht.