DE2052672A1

DE2052672A1 - Verfahren und Vorrichtung zur optischen Oberflachenprufung

Info

Publication number: DE2052672A1
Application number: DE19702052672
Authority: DE
Inventors: Thomas Dimock Raleigh NC Wason (VStA)
Original assignee: RCA Corp
Current assignee: RCA Corp
Priority date: 1969-10-27
Filing date: 1970-10-27
Publication date: 1971-05-06
Also published as: GB1328877A; FR2065549B1; FR2065549A1; CA930214A

Description

7047-70/Kö/S

RCA 61,133
Convention Date:
October 27, 1969

RCA Corporation, New York, N.Y., V.St.A.

Verfahren und Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung.

Bei der Fabrikation von Montageuntergruppen für Kraftfahrzeuge wie Motorblöcken, Bremszylindern, Lagern usw. ist es wichtig, daß die Innenbohrungsflächen der betreffenden Teile geprüft werden, um etwaige Risse, Sprünge oder sonstige Mängel, die möglicherweise sich betriebsschädlich auswirken, festzustellen. Aufgrund ihrer Form eignen sich jedoch solche Montageuntergruppen häufig nicht für die mikroskopische Prüfung nach herkömmlichen Methoden, da die | zu prüfende Höhlung für die normalerweise hierfür erforderlichen Geräte gewöhnlich nicht zugänglich ist. Ferner ist es angesichts der großen Menge der fabrizierten Teile wichtig, daß die betreffenden Prüfmethoden schnell und wirksam arbeiten und nicht auf der subjektiven Entscheidung oder Ermittlung eines einzelnen Prüfers beruhen. Im Idealfall wären Prüfmethoden erwünscht, die sich automatisieren lassen.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur optischen Oberflächenprüfung ist dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Oberfläche

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ORIGINAL iwöfcCTED ■·-'.

mit einem Laserstrahlungsbündel abgetastet wird, das entsprechend der Beschaffenheit der abgetasteten Oberfläche von dieser reflektiert wird; daß ein Teil des reflektierten Strahlungsbündeis, der auf einen vorbestimmten räumlichen Winkel beschränkt ist und die Beschaffenheit der geprüften Oberfläche anzeigt, aufgefangen wird; und daß ein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom optischen Fluß (Lichtstrom) im aufgefangenen Strahlungsbündel erzeugt wird.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung mit einer Sonde mit hohlem Inneren, die in eine zylindrische Bohrung oder dergl., deren Innenflächen auf Oberflächenrisse geprüft werden sollen, einschiebbar ist, ist gekennzeichnet durch einen an der Sonde befestigten Winkelspiegel, der mit seiner reflektierenden Fläche gegen das hohle Innere gewandt istj eine Anordnung, die innerhalb der Sonde ein Laserstrahlungsbündel auf den Spiegel richtet; eine Einrichtung zum Drehen der Sonde, derart, daß das Laserstrahlungsbündel infolge Reflexion vom Spiegel über die zu prüfende Fläche tastet und entsprechend der Beschaffenheit der abgetasteten Fläche von dieser reflektiert wird; eine Anordnung zum : Auffangen desjenigen Teils des reflektierten Strahlungsbündels, ■ das auf einen vorbestimmten Raumwinkel beschränkt ist, wobei der , Lichtstrom in diesem aufgefangenen Strahlungsbündelteil die Be-: schaffenheit der geprüften Fläche anzeigt; und eine Anordnung, die das aufgefangene Strahlungsbündel in ein von diesem Lichtstrom abhängiges Ausgangssignal umsetzt.

In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine optische Abtastvorrichtung gemäß einer AusfUhrungs form der Erfindung;

Figur 2 einen Schnitt entlang der Schnittlinie 2-2 in Figur mit Veranschaulichung einer Ausführungsform der vorprogrammierten Einrichtung, welche bewirkt, daß das optische Signal unberücksich> tigt bleibt, wo seine Eigenschaften durch das Vorhandensein bekannter Oberflächenbeschaffenheiten beeinflußt werden;

Figur 3 eine schematische Darstellung, die veranschaulicht, wie die vorprogrammierte Einrichtung nach Figur 2 mit der Abtast-

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vorrichtung nach Figur 1 zusammengeschaltet werden kann;

Figur 4 eine Darstellung, die veranschaulicht, wie das abtastende Strahlenbündel in Abhängigkeit von den Eigenschaften der geprüften Oberfläche reflektiert wird; und

Figur 5 Signal- oder Schwingungsverläufe, die an den in Figur 3 angegebenen Punkten auftreten.

Die in Figur 1 gezeigte Vorrichtung enthält eine Laserenergie quelle 10, deren Ausgangsstrahlung durch eine Untereinheit 12 gerichtet wird, so daß sich ein Strahlungsbündel von Laserlicht 13 mit vorbestimmten Eigenschaften ergibt. Die Untereinheit 12 kann beispielsweise ein Strahlexpander oder ein Reduktionskollimator ™ sein. Wenn ein Laserstrahlungsbündel mit gleichmäßig über den Durchmesser verteilter Energiedichte erwünscht ist, kann man ein räumliches Filter von der in der USA-Patentschrift 3 465 347 beschriebenen Art einbauen. Die Verwendung einer Untereinheit ist fakultativ und hängt allein vom gewünschten Auflösungsgrad ab. In der Praxis wurde ein Helium-Neonlaser mit einer Ausgangsstrahlung von 1 Milliwatt bei 6321 A* mit zufriedenstellendem Erfolg in Verbindung mit einem Reduktionskolliiaator verwendet.

Ein durchbohrter Diagonalspiegel 14 ist nichtorthogonal im Strahlengang des Laserstrahlungsbündels 13 so angeordnet, daß das kollimierte Strahlurigsbündel 13 direkt durch das Loch im Spiegel ' hindurchtreten kann. '

Eine Sondenanordnung 20 mit einem rohrförmigen Hauptteil 22, einem abgestuften Seil- oder Riemenscheibenblock 24 und zwei Spindellagern 26 ist gleichachsig mit dem kollimierten Strahlungsbündel 13 angeordnet. Der Rohrteil 22 der Sondenanordnung ist in das zu prüfende Bauteil oder die zu prüfende Montageuntergruppe 30 einschiebbar und mit einem hohlen Innenraum ausgebildet, so daß das Laserstrahlungsbündel 13 in Längsrichtung des Rohrteils projiziert werden kann. Bei der Ausführungsform nach Figur 1 kann das zu prüfende Bauteil 30 beispielsweise ein Druckzylinder mit offenendiger zylindrischer Bohrung 32 sein.

Das vordere Ende der Sondenanordnung 20 haltert einen abge-

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winkelten Spiegel oder Winkelspiegel 28, dessen reflektierende Fläche gegen den Innenhohlraum des Rohrteils der Sonde gerichtet ist. Anstelle des Winkelspiegeis 28 kann man auch ein innenreflektierendes Prisma verwenden, obwohl dabei Schwierigkeiten aufgrund von Oberflächenrückstreuung auftreten können. Im Strahlengang des ankommenden Laserstrahlungsbündels 13 ist eine durchbohrte Linee 29 so angeordnet, daß das Strahlungsbündel auf seinem Weg zur reflektierenden Fläche des Spiegels 28 zuerst durch das Loch in der Linse 29 hindurchtritt. Mittels eines geeigneten Antriebs (nicht gezeigt) kann die Sondenanordnung 20 mit einer gewünschten Drehzahl gedreht werden. Beispielsweise kann ein Antriebsriemen mit einer Scheibe des Riemenscheibenblockes 24 verbunden sein. Zum Drehen der Sondenanordnung kann statt eines drehbar angetriebenen Riemenscheibenblockes auch eine andere geeignete Einrichtung verwendet werden. Beispielsweise kann man in Fällen, wo eine hohe Drehzahl erwünscht ist, eine direkt angetriebene Luftturbine vorsehen.

Während die Sondenanordnung 20 sich innerhalb des Prüflings 30 dreht, wird das durch die Bohrung der Linse 29 hindurchtretende Laserstrahlungsbündel 13 von der Oberfläche des abgewinkelten Spiegels 28 reflektiert, so daß es die Innenfläche der zu prüfenden Höhlung kontinuierlich abtastet.

In der Praxis ver-hllt sich die Bohrungsfläche wie ein Schirm, der das auftreffende Licht streut und zerstreut; Die Lichtstärke des reflektierten Lichtes ergibt sich aus der Lambertgleichung:

I=I Cos ^X0
ο

Darin sind: I die maximale Lichtstärke des reflektierten Lichtes; I die Lichtstärke der reflektierten Normalkomponente; θ der Winkel zwischen irgendeiner Komponente und der

normalen; und
X eine die optischen Eigenschaften der reflektierenden

Fläche angebende Größe.

Während das Laserstrahlungsbündel über die zu prüfende Fläche tastet, wird es entsprechend den optischen Eigenschaften dieser Fläche, die ihrerseits den Zustand oder die Beschaffenheit der

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Fläche wiedergeben, reflektiert« Figur 4 zeigt die Form der reflektierten Energieverteilungen für Oberflächen gleicher Absorptions eigenschaften mit X-Werten von 2 und 3 (d.h. Kurven A und B). Man

sieht, daß für Werte von O = O (d.h. Cos θ = l) I eine Funktion der Absorptionseigenschaften der Oberfläche ist. Ferner sieht man, daß allgemein die Verteilung der reflektierten Energie eine Funktion sowohl der Absorptions- als auch der X-Eigenschaften der Obe£ fläche ist. Es läßt sich daher bezüglich des in Figur 4 dargestellten Linsensystems die Beleuchtung der Linse 29 mathematisch wie folgt ausdrücken:

Beleuchtung = /®L I Cos ^XQd0

⁹H ° I

Ferner ergibt sich für zwei Oberflächen mit gleichen Absorptionseigenschaiten und unterschiedlichen Graden der optischen Rauhigkeit (d.h. unterschiedliche X-Eigenschaften), daß diejenige mit der glatteren Oberfläche (d.h. Kurve B, welche die höhere X-Charakteristik wiedergibt) mehr Licht zur Linse 29 reflektiert. Ferner neigt ein Oberflächenriß dazu, sowohl einen niedrigeren X-Wert als auch einen niedrigeren Absorptionsgrad aufzuweisen. Entsprechend sind die in Figur 4 gezeigten Verteilungen A und C am repräsentativsten für Reflexionen von einer Oberfläche mit (A) und einer Oberfläche ohne (C) einem Riß.

In der Anordnung nach Figur 1 wird das reflektierte Strahlung^ bündel durch den abgewinkelten Spiegel 28 auf die Linse 29 gerich- " tet. Die Linse 29 sammelt den auftreffenden Teil des reflektierten Strahlungsbündels, wobei der in diesem gesammelten Teil enthaltene Lichtstrom den Zustand oder die Beschaffenheit der geprüften Oberfläche anzeigt. Danach wird der gesammelte Teil des Strahlungsbündels entlang der Sonde 22 nach rückwärts auf den nichtorthogonal angeordneten Spiegel 14 gerichtet, von wo er über eine Linse 40 auf einen Photodetektor 42 reflektiert wird. Der Photodetektor 42 übersetzt das auf ihn fokussierte Licht in ein entsprechendes Ausgangssignal, das einer Analysierschaltung (nicht gezeigt) zugeführt wird.

Das Auagangssignal hat die Eigenschaften eines Wechselstrom-

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signals, das sich entsprechend der Qualität oder Eigenschaft der geprüften Oberfläche ändert, mit einem Gleichstrompegel oder einer Gleichstromkomponente. Das Signal kann einem Oszilloskop zugeleitet und in eine entsprechende visuelle Darstellung auf der Darstellröhre des Oszilloskops übersetzt werden. Ein Musterausgangssignal, wie es am Ausgang des Fhotodetektors 42 erscheinen kann, ist durch die Kurve (a) in Figur 5 wiedergegeben, wobei die Spitze-Spitze-Amplitude des Wechselstromsignals die Qualität der geprüften Oberfläche anzeigt. Bei Auftreten eines Risses 62 nimmt die auf den Photodetektor 42 einfallende Lichtmenge ab, so daß im Ausgangssignal eine nach unten gerichtete Zacke auftritt.

In vielen Fällen kann die Oberfläche des Prüflings so geformt sein, daß ein vorhandener Riß angezeigt würde, wo in Wirklichkeit der angezeigte Riß beabsichtigt ist. Beispielsweise kann die Oberfläche mit kleinen Schraubenlöchern oder mit vorspringenden Teilen wie z.B. bei Kernnägeln ausgebildet sein. In diesem Falle wird es für die prüfende Person oder die verarbeitende Elektronikeinrichtung schwierig zwischen beabsichtigten und nichtbeabsichtigten Rissen bzw. Mängeln zu unterscheiden. Um die Wahrscheinlichkeit eines Irrtums weitgehend auszuschalten, kann man in die Prüfvorrichtung eine Schleusenschaltung 50, wie in Figur 2 im Querschnitt gezeigt, einbauen.

Die Schleusenschaltung 50 kann hauptsächlich aus einer Quelle

51 fokussierten Lichtes bestehen, das von einer vorprogrammierten Bezugsfläche auf einen Photodetektor 56 reflektiert wird. Der Photodetektor 56 wird an die oben erwähnte Analysierschaltung über eine Schleuse 44 angekoppelt, wie in Figur 3 gezeigt, so daß bei Abwesenheit eines Ausgangseignais vom Photodetektor 56 die Analysierschaltung 46 nicht arbeitet.

In Figur 2 wird das Licht der Lichtquelle 51 über eine Linse

52 auf die Hülse oder den Mantel des im Querschnitt gezeigten Rohrteils 22 der Sondenanordnung 20 fokussiert. Der Mantel ist über seine Länge mit einem lichtabsorbierenden Material an Stellen, die der Anwesenheit bekannter Irregularitäten entsprechen, markiert, d.h. programmiert. Bei Abwesenheit einer Markierung auf dem ro-

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tierenden Sondenmantel 22 wird das Licht 53 von der Lichtquelle 50 über die Linse 52 auf den rotierenden Sondenmantel 22 fokussiert und von dort über das Linsensystem 54 auf den Photodetektor 56 reflektiert, dessen Ausgangssignal als "Frei"-Signal für die Analysierschaltung 46 (Figur 3) dient. An Stellen, wo die Sonde 22 mit lichtabsorbierendem Material, das das Vorhandensein einer bekannten Unregelmäßigkeit anzeigt, markiert ist, wird das Ausgangslicht der Lichtquelle 51 von der Markierung absorbiert, so daß kein Licht auf den Photodetektor 56 reflektiert wird. Folglich wird die Analysierschaltung 46 am Arbeiten verhindert oder "ausgetastet". Diese programmierte Voraussagbarkeit beabsichtigter Oberflächenunregelmäßigkeiten ermöglicht es, daß das erzeugte Ausgangssignal unter Außerachtlassung der "ausgetasteten" Flecken elektronisch verarbeitet % wird, so daß die Notwendigkeit menschlichen Einschreitens entfällt, und dadurch die Vorrichtung besonders für automatisierte FladJbandherstellungsverfahren geeignet wird. Durch entsprechende Vorprogrammierung des Mantels kann die Schleusen- oder Austastschaltung in die Lage gesetzt werden, beabsichtigte Unregelmäßigkeiten unabhängig von ihrer Form unberücksichtigt zu lassen.

Die Kurve (b) in Figur 5 gibt diejenigen Unregelmäßigkeiten im Ausgangssignal des Photodetektors 42 (Kurve a) wieder, die beabsichtigt sind. Die Kurve (c) gibt das Ausgangssignal des Photodetektors 56 wieder, das anschließend der Schleuse 44 in Figur 3 zugeführt wird. Die Kurve (d) gibt das endgültige Ausgangssignal wieder, das an die Analysierschaltung 46 übertragen wird, wobei die Zacken 62, " die durch beabsichtigte Unregelmäßigkeiten bedingt sind, ausgetastet sind.

Im Betrieb kann der Prüfling 30 ortsfest gehalten und der Rohr teil 20 der Sonde 22 mittels einer mechanisch angekoppelten Einrichtung 34 eingeschoben und herausgezogen werden. Stattdessen kann es in manchen Fällen auch wünschenswert sein, die sich drehende Sonde festzuhalten und den Prüfling 30 auf dem Rohrteil 22 der Sonde vorzuschieben. "

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Claims

Patentansprüche

Verfahren zur optischen Oberflächenprüfung, d a d u r ch gekennzeichnet , daß die zu prüfende Oberfläche mit einem Laserstrahlungsbündel abgetastet wird, das durch die abgetastete Oberfläche entsprechend deren Beschaffenheit reflektiert wird; daß der auf einen vorbestimmten Raumwinkel beschränkte Teil des reflektierten Strahlungsbündeis aufgefangen wird, wobei das abtastende und das aufzufangende Strahlungsbündel gleichachsig sind und der aufgefangene Teil die Beschaffenheit der geprüften Oberfläche anzeigt; und daß ein Ausgangssignal in Abhängigkeit vom Lichtstrom im aufgefangenen Strahlungsbündel erzeugt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal so modifiziert wird, daß das aufgefangene Strahlungsbündel unberücksichtigt bleibt, wo die Eigenschaften des Strahlungsbündels durch das Vorhandensein bekannter Oberflächenunregelmäßigkeiten beeinflußt sind.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu prüfende Oberfläche mit einer axial beweglichen, sich drehenden Sonde abgetastet wird.
4* Verfahren nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß das Modifizieren des Ausgangssignals durch eine Einrichtung erfolgt, die auf eine vorprogrammierte Anordnung auf einem Teil der Sonde anspricht.
5. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 mit einer Sondenanordnung mit hohlem Inneren, die in eine zylindrische Bohrungoder dergl., deren Innenflächen auf Oberflächenunregelmäßigkeiten geprüft werden sollen, einschiebbar ist, gekennzeichnet durch einen abgewinkelten Spiegel (28), der an der Sonde (22) mit gegen das hohle Innere der Sonde gewandter reflektierender Fläche befestigt istj eine Anordnung (10, 12, 14), die ein Laserstrahlenbündel (13) durch das Innere der

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Sonde auf den Spiegel (28) richtet; eine Einrichtung (24) zum Drehen der Sonde, derart, daß das Laserstrahlungsbündel infolge Reflexion vom Spiegel über die zu prüfende Oberfläche tastet und von der abgetasteten Oberfläche entsprechend der Beschaffenheit derselben reflektiert wirdj eine Anordnung (29) zum Auffangen desjenigen Teils des reflektierten Strahlungsbündels, der auf einen vorbestimmten Raumwinkel beschränkt ist, wobei der Lichtstrom im aufgefangenen Teil des Strahlungsbündels die Beschaffenheit der geprüften Oberfläche anzeigt; und eine Einrichtung (42), welche das aufgefangene Strahlungsbündel in ein von diesem Lichtstrom abhängiges Ausgangssignal umwandelt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet , daß das Strahlungsbündel von der geprüften Oberfläche auf den sich drehenden abgewinkelten Spiegel (28) reflektiert und von diesem auf eine Linse (29) mit einem Loch reflektiert wird, wobei das Laserstrahlungsbündel vor der Abtastung durch dieses Loch hindurchtritt und die Linse die Grenzen des Raumwinkels festlegt.
7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, gekennzeich net durch eine zusätzliche Anordnung (50), die so vorprogrammiert ist, daß das aufgefangene Strahlungsbündel unberücksichtigt bleibt, wo seine Eigenschaften durch das Vorhandensein be- λ kannter Oberflächenunregelmäßigkeiten beeinflußt sind.
8. Vorrichtung nach Anspruch 5* 6 oder 7> gekennzei ch net durch eine Einrichtung (34) zum Steuern der Axiallage der rotierenden Sondenanordnung (20) relativ zur zu prüfenden Oberfläche.

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