DE2448288C2 - Verfahren zur objektiven qualitativen Einordnung der Beschaffenheit strukturierter glänzender Oberflächen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur objektiven qualitativen Einordnung der Beschaffenheit glänzender strukturierter, insbesondere welliger Oberflächen.

Namentlich in Lackierereien bzw. Lackierabteilungen z. B. von Automobilwerken sind lackierte Oberflächen hinsichtlich ihrer Oberflächenbeschaffenheit zu beurteilen. Es kann unter Umständer juftreten, daß eine glänzende Lackoberfläche, die an sich spiegelglatt sein soll, ungewollt eine feinwellige Beschaffenheit erhält (sogenanntes Orangenschalen-Aussehen). Bei Außenlackierungen von Personenkraftwagen ist eine solche Oberflächenbeschaffenheit unzumutbar; es gibt aber noch Grenzfälle derartiger Oberflächenbeeinträchtigungen, die noch zumutbar sind. Die Ursachen für das Auftreten einer solchen Orangenschalen-Oberfläche sind heute im übrigen noch nicht völlig geklärt. Da durch eine solche Orangenschalen-Struktur der Lackoberfläche der ästhetische Eindruck der lackierten Fläche auf den Beschauer gestört wird, ist vor allem das Maß der Beeinträchtigung dieses ästhetischen Eindruckes zu ermitteln.

Zur Beurteilung von Lackoberflächen gibt es in diesem Zusammenhang zunächst die subjektive Prüfung durch geübte Kontrolleure. Dieses betrachten eine sich in der glänzenden Lackoberfläche spiegelnde, in der Natur scharf konturierte Helldunkelgrenze und können auf Grund ihrer Erfahrung aus dem Spiegelbild bzw. dessen Schärfe auf die Güte der Oberfläche schließen. Diese Methode ist aber für eine objektive Beurteilung der Oberflächenbeschaffenheit und für eine reproduzierbare Zuordnung einer Bewertungszahl zu einer bestimmten Oberflächenbeschalfenheit ungeeignet.

Auch die Zurverfügungstellung einer Staffel von Vergleichsproben mit jeweils unterschiedlich starker Ausprägung der Oberfläche in Richtung auf eine Orangenschalen-Struktur bringt keine wesentliche Abhilfe, da die Einzelproben der Staffel ihrerseits sich reproduzierbar bewerten und herstellen lassen müßten. Im übrigen kann der subjektive Eindruck einer Probetafel einerseits und einer größeren Oberfläche eines lackierten Werkstückes andererseits je nach Lichteinfall, Oherflächengröße oder -wölbung bei ι ο objektiv gleicher Oberflächenbeschaffenheit zwischen Werkstück und Vergleichsprobe gleichwohl unterschiedlich ausfallen.

Bewertungsverfahren mit dem Ziel einer irgendwie gearteten grafischen Reproduktion der an sich räumlichen Oberflächenstruktur in einer zweidimensionalen Zeichenebene und einer Ermittlung eines Zahlenwertes aus dieser Grafik als Meßwert für die Oberfiächenbeschaffenheit scheitern in der Praxis an einem zeitlichen und instrumentellen Auswertungsaufwand der Grafik. Bei subjektiver Beurteilung der Grafik durch geübte Personen tritt das oben angesprochene Problem der Objektivität der Beurteilungsperson wiederum auf.

Es gibt verschiedene Verfahren für die objektive Beurteilung glänzender Oberflächen, die kleine Abweichungen von einer Regelfläche aufweisen. Die meisten liefern aber gewissermaßen eine topografische Erschließung der Oberfläche in Form von Höhenlinienmustern, also eine individuelle Aussage über jede emzelne Sollformabweichung, nicht aber eine pauschale Bewertungsziffer eines ganzen Flächenausschnittes.

In der DT-O5S 21 39 836 und in dem im wesentlichen inhaltsgleichen Zeitschriftenartikel in »Applied Optics«, Vol. Nr. 2, Juli ¹1973, S. 1552 bis 1557, ist beispielsweise ein interferometrisch arbeitendes Verfahren zum Messen von Unebenheiten beschrieben. Hierbei wird durch Bestrahlen eines Beugungsgitters mit gut kohärentem Licht ein Interferenzfeld erzeugt, dieses Interferenzfeld an der zu untersuchenden Fläche gespiegelt und ;cu dem Beugungsgitter zurückgeworfen und das zurückgespiegelte Interferenzfeld an dem Beugungsgitter erneut gebeugt. Hierbei entsteht entsprechend den Unebenheiten der Spiegelfläche ein Interferenzliniensystem, welches gewissermaßen als topografisches Höhenliniensystem der Flächenunebenheiten gedeutet und entsprechend — auch quantitativ — ausgewertet werden kann. Dieses Verfahren ist aber für die Ziele der Erfindung völlig ungeeignet, da mit diesem Verfahren keine pauschale reproduzierbare Bewertungsziffer für strukturierte Oberflächen gewonnen werden kann, sondern nur quantitative Informationen über individuelle Unebenheiten gegeben werden.

Ein anderes interferometrisch arbeitendes Verfahren ist in der DT-AS 15 48 284 beschrieben. Dieses Verfahren ist vor allem zur quantitativen Ermittlung ss von kleinen Fonnabweichungen, die in der Größenordnung der Lichtwellenlängen liegen, von unebenen räumlichen Bezugsflächen geeignet. Hierbei wird zunächst ein Hologramm der fehlerfreien Bezugsfläche erzeugt. Mit Hilfe dieses Hologramms wird ein ;, Interferenzliniensystem erzeugt, und zwar dadurch, daß die durch ein streng kohärentes Licht bewirkte Lichterregung der Prüflingsoberfläche und das das Hologramm durchtretende Licht überlagert werden; die beiden Lichterregungen interferieren miteinander. Die Interferenzlinien des entsprechenden Interferenzliniensystems stellen Linien gleicher Formabweichung dar und können ähnlich wie die Höhenlinien einer topografischen Karte quantitativ ausgewertet werden. Auch dieses Verfahren ist nicht geeignet, pauschale reproduzierbare und quantitative Aussagen über das Ausmaß einer Oberflächenstrukturiening zu geben.

Es ist ein weiteres interferometrisch arbeitendes Verfahren bekannt (vgL US-PS 37 17 415), welches zur Untersuchung schnell ablaufender Vorgänge geeignet ist Hierbei wird — ebenfalls mit streng kohärentem Licht — ein Hologramm von einem Objekt zu einem bestimmten Zeitpunkt — z.B. Zeitpunkt χ — als Sofortbild im Nanosekundenbereich erzeugt und der für die Erzeugung des Hologramms verwendete Lichtblitz über eine Leerlaufstrecke definierter relativ großer Länge und mit einem Spiegel an deren Ende geschickt Der vom Spiegel zurückgeworfene Lichtblitz fällt nach einer der doppelten Länge der Leerlaufstrecke entsprechenden Zeit t zunächst auf das Hologramm, auf dem das Objekt zum Zeitpunkt χ festgehalten ist, und dann auf das Objekt selber, welches sich nunmehr im Zeitpunkt x+t befindet Die Lichterregungen des Objektes zum Zeitpunkt χ und die zum Zeitpunkt χ+1 interferieren miteinander, und es kann ein Interferenzlinienmuster daraus gewonnen werden, aus welchem Schlüsse auf die Veränderung des Objektes im Zeitintervall t möglich sind. Auch dieses Verfahren ist aber zur Erzeugung einer pauschalen Bewertungsziffer strukturierter Oberflächen nicht geeignet

Die IIS-PS 37 82 827 offenbart ein Verfahren, bei dem eine strukturierte glänzende Oberfläche punktweise mit einem mit gleichbleibender Geschwindigkeit über die Probenoberfläche laufenden Lichtstrahl kohärenten Lichtes vollständig abgetastet wird. Der von der Oberfläche reflektierte Lichtstrahl wird eingefangen und seine Lichtintensität laufend gemessen und aufgespeichert. Je nach Neigung der vom Lichtpunkt getroffenen tatsächlichen Oberfläche gegenüber der Bezugsfläche ist der Lichtstrahl in seiner Intensität geschwächt Der Lichtstrahl schwankt also in seiner Lichtintensität entsprechend den Strukturerhebungen der Oberfläche. Das aufgezeichnete schwankende Lichtintensitätssignal wird einer Frequenzanalyse unterworfen und die spektrale Verteilung der Frequenz in dem Lichtintensitätssignal ermittelt und als ein Kurvenzug aufgeschrieben. Diese Kurve stellt gewissermaßen ein Spektrogramm der Strukturierung der Oberfläche dar. Zwar ist hierin eine pauschale Information über die Strukturierung gelegen. Das Verfahren ist aber gleichwohl nicht für die vorliegenden Zwecke geeignet, da eine geeignete Aussage allenfalls in der Form der Spektrogrammkurve gelegen wäre. Es müßte also erst noch mittels einer noch zu schaffenden Methode aus dem Spektrogramm ein Zahlenwert ermittelt werden, der dem subjektiven Eindruck von den Oberflächenstrukturen entspricht. Abgesehen von dieser Schwierigkeit — das Problem ist nicht gelöst, sondern allenfalls verlagert — ist das Verfahren sowohl von der apparativen Seite als auch vom erforderlichen Zeitaufwand her gesehen sehr aufwendig.

In der DT-OS 22 30 650 ist ein Verfahren, welches die Interferometrie und eine Art der Korrelation anwendet, beschrieben. Hierbei werden mittels einer Fernsehkamera zwei mit kohärentem Licht angestrahlte Proben — ein Prüfling und eine Referenzprobe — gleichzeitig aufgenommen. Die Lichterregungen der beiden Prüflinge interferieren; dabei entsteht auf der lichtempfindlichen Platte der Fernsehkamera ein Interferenzlinienmuster. Auf Grund der Wirkungsweise der Fernsehkamera wird das zweidimensionale Interferenzlinienmu-

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ster in ein eindimensionales zeitliches elektrisches Signal umgewandelt. Dieses Zeitsignal wird elektromagnetisch gespeichert Anschließend wird ein zweites Interferenzlinienmuster erzeugt, wobei jedoch der eine Prüfling einer Formveränderung, z.B. einer mechanisehen Belastung, unterworfen wird. Das gewonnene zweite Interferenzlinienmuster sieht in der Regel etwas anders aus, als das erste. Auch dieses zweite Interferenzlinienmuster wird mit einer Fernsehkamera in ein Zeitsignal umgewandelt Während das Zeitsignal ι ο des zweiten Interferenzlinienmusters abläuft wird gleichzeitig das gespeicherte Zeitsignal des ersten Interferenzlinienmusters ablaufen gelassen, so daß beide Zeitsignale gleichzeitig in eine Auswerteinheit gegeben werden können. Die beiden Zeitsignale können einer Korrelation unterworfen werden, oder es kann eine Differenzbildung gemacht werden. Aus dem Korrelogramm oder aus dem Differenzsignal, die ebenfalls elektrische Zeitsignale darstellen und die mittels eines Oszillographen in ein Bild zurückyerwandelt werden können, können Aussagen über die Formveränderung der Probe gewonnen werden. Auch dieses im übrigen apparativ und zeitlich sehr aufwendige Verfahren ist — wie auch die bereits erwähnten interferometrisch arbeitenden Verfahren — für die Zielsetzung der Erfindung untauglich, weil damit nicht eine allgemeine Bewertungszahl der Probenoberfläche gebildet wird.

Ähnlich wie das eben geschilderte Verfahren arbeitet das einer weiteren Veröffentlichung entnehmbare Verfahren, mit dem auf optischem Wege laufend die in einem belasteten Bauteil herrschenden Spannungen ermittelt werden können (E. Marom, »Real-Time Strain Measurements by Optical Correlation« in Applied Optics, Vol.9, Juni 1970, S. 1385 bis 1391). Apparativ arbeitet das Verfahren jedoch völlig anders als das oben geschilderte. Für dieses Verfahren ist es zunächst erforderlich, ein Hologramm von dem jeweils zu untersuchenden Bauteil in unbelastetem Zustand anzufertigen. Es wird dann eine Korrelation des mit kohärentem Licht bestrahlten belasteten Bauteils und des Hologramms durchgeführt Das Korrelogramm hat wenigstens ein Helligkeitsextremum, welches wertmäßig ermittelt wird. Das Ausmaß der gemessenen Helligkeit ist ein bauteilspezifischer eichfähiger Wert für die mechanische Belastung des Bauteiles. Nachteilig hieran ist im Hinblick auf die Zielsetzung der Erfindung, daß von jeder zu untersuchenden Probe ein Hologramm angefertigt werden muß und daß das Verfahren mit kohärentem licht, also mit Laserlicht, durchgeführt werden muß. Die Erzeugung von Laserlicht ist apparativ etwas aufwendig, und die Anwendung von Laserlicht ist nicht ganz ungefährlich. Es kann alku leicht ein Laserstrahl ins geöffnete Auge treffen und Schädigungen an der Netzhaut hervorrufen. Im übrigen kann mit dem Verfahren eine pauschale Bewertungsziffer über das Ausmaß der Strukturierung von Oberflächen nicht gewonnen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, das Ausmaß der Beeiniricotigusg vc~ glänzenden Oberflächen durch Strukturierung möglichst genau und vor allem reproduzierbar erfassen zu können und mit irgendeinem Zahlenwert in einen eindeutigen Zusammenhang bringen zu können. Dies ist vor allem für eine genaue Erforschung der Ehtstehungsursachen der Orangenschalen-Struktur einer lackierten Oberfläche wichtig. Wünschenswert ist dabei natürlich, daß diese Zuordnung ohne große Auswertungsarbeit möglich ist; diese Forderung stellt sich vor allem auch seitens der Produktionskontrolle. Daneben ist es aber auch wünschenswert, andersartig strukturierte glänzende Oberflächen quantitativ beurteilen zu können, z. B. mechanisch bearbeitete und oberflächenveredelte Werkstücke, in denen sich das Bearbeitungsmuster mehr oder weniger scharfkantig und zum Teil mit orientierter Neigung der Unebenheitsflanken abzeichnet

Ausgehend von einer solchen Problemstellung wird zur Lösung erfindungsgemäß in der Weise verfahren, daß mit einem von der Oberfläche eines zu untersuchenden Prüflings reflektierten virtuellen Bild eines hinsichtlich seiner Form und seiner Helligkeit bekannten Ausgangsmusters und mit einem weiteren, dem Ausgangsmuster geometrisch ähnlichen, im Strahlengang angeordneten Referenzrnuster eine inkohärentoptische Kreuzkorrelation durchgeführt wird, wobei die beiden Muster in eine solche Relativlage zueinander und zum Strahlengang einjustiert werden, daß das hinter dem Referenzmuster gewinnbare Korrelogramm insgesamt eine möglichst große Helligkeit aufweist und daß das oder ein bestimmtes örtliches Extremum der Helligkeit des Korrelogramms wertmäßig ermittelt und als Maß für das Ausmaß der Strukturierung der Prüflingsoberfläche verwendet wird.

Das Verfahren einer sogenannten Korrelation zweier Muster ist vor allem aus der Nachrichtentechnik bekannt (vgL z. B. Nachrichteniechnische Fachberichte, Nr. 3, 1956, S. 40 ff, oder Nachrichtentechnische Zeitschrift, 1972, S. 474 f.). Dort wird es zur Verarbeitung, Trennung oder besseren Erkennung von Informationen benutzt z. B. für die Identifikation von Fingerabdrücken. Die Korrelation ist aber — wie oben bereits erwähnt — auch in der Optik angewandt

Mathematisch etwas vereinfacht ausgedrückt ist das Korrelogramm eine Funktion, die aus dem Integral über das additiv variierte Produkt der ebenfalls Funktionen darstellenden Partner bzw. Muster entsteht Diese Rechenvorschriften können z.B. in einem optischen Analogon durchgeführt werden. Bei der inkohärent-optischen Korrelation wird die Multiplikation der Partner dadurch bewirkt daß beide von einem Strahlengang nacheinander durchtreten werden (optische Multiplikation). Und zwar gibt es zwei Möglichkeiten zur Durchführung der inkohärent-optischen Korrelation.

Bei der einen Verfahrensweise wird das im Strahlengang an zweiter Stelle angeordnete Muster etwas im Abstand hinter dem ersten beleuchteten Mustei angeordnet Dadurch wird das zweite Muster mit einei Helligkeitsverteilung gemäß dem ersten Muster ausgeleuchtet, wobei hinter dem zweiten Muster eine neue HelligkeitsverteUung entsteht die bei Einhaltung bestimmter Abstandsbedingungen auf einer Projek tionsebene als reeles BHd, welches im allgemeinen voi beiden Mustern abweicht, sichtbar gemacht werdei kann. Dieses Bild ist das Korrelogramm der beidei Muster oder deren integrierte Produktfunktion. Da: Korrelogramm kann wenigstens ein örtliches Extre mum der Helligkeit aufweisen, welches um « ausgeprägter und us ?p größer ist je größer di< Obereinstimmung der Muster ist und' welches be Mustern mit großer Ähnlicükeit bei geeigneter Justie rung im Bereich der optischen Achse der Anordnunj liegt Das Extremum ist ein Helligkeitsmaximum, wem beide Muster hinsichtlich ihrer Schwarz/Weiß-Tönuni positiv zueinander sind, d.h. wenn sie an eine entsprechenden Stellen eine etwa gleiche Lichtdurchläs

sigkeit bzw. Helligkeit aufweisen; das ^xtremum ist hingegen ein Helligkeitsminimum, wenn die Muster in diesem Sinne negativ zueinander sind. Bei der eben erwähnten Verfahrensweise der Korrelation wird die additive Variation des Produkts dadurch selbsttätig s bewirkt, daß auf Grund der Lichtbeugung an den Punkten des ersten Musters jeder Punkt des ersten Musters zu jedem Punkt des zweiten Musters Licht ausstrahlt. Der Integrationsvorgang dieses Produkts wird ebenfalls selbsttätig dadurch bewirkt, daß jeder ι ο Punkt des zweiten Musters von allen Flächenpunkten des ersten Musters angestrahlt worden ist und nach Maßgabe dieser aufgefangenen Lichtintensitäten seinerseits mehr oder weniger stark leuchtet.

Wird eine solche Verfahrensweise der Korrelation — ι s im folgenden Beugungslichtverfahren genannt — dem erfindungsgemäßen Meßverfahren zugrunde gelegt, so ist dergestalt zu verfahren, daß mit der örtlichen Helligkeitsverteilung des virtuellen Bildes das Referenzmuster ausgeleuchtet wird und daß die lichtempfindliche Stelle eines opto-elektrischen Wandlers örtlich an die Stelle des Helligkeitsextremums des Korrelogramms gebracht und der Wert des Extremums durch wenigstens mittelbares Anlegen des elektrischen Signals des Wandlers an ein Anzeigeinstrunient sichtbar und meßbar gemacht wird.

Es gibt aber noch — wie schon angedeutet — eine andere Verfahrensweise, wie man ein Korrelogramm ermitteln kann. Hierbei wird das erste Muster mit einer Linse oder einem Linsensystem scharf auf die Bildebene des zweiten Musters projeziert. Die durch das zweite Muster hindurch gegangene Lichterregung stellt — mathematisch gesehen — eine zweidimensionale Produktfunktion der beiden Muster dar, die ihrerseits zweidimensionale Ortfunktionen darstellen. Diese Produktfunktion ist im Hinblick auf das Korrelogramm nur relevant für einen Punkt des Korrelogramms, und zwar für denjenigen Punkt, der der Relativlage der beiden Muster in bezug auf die optische Achse entspricht. Die Produktfunktion ist optisch eine flächige Helligkeitsverteilung, deren Helligkeit über die ganze Fläche hinweg integriert werden muß und deren Integralwert einen örtlichen Wert des Korrelograinms darstellt. Die Integration kann durch Sammeln der durch das zweite Muster hindurchgegangenen Lichtintensitäten durch eine Linse und durch Fokussieren auf einen Punkt erfolgen. Die additive Variation des Produkts bzw. der Produktfunktion kann durch Parallelverschieben der Muster relativ zueinander entlang der Koordinatenachsen erfolgen. Die Aufzeichnung eines vollständigen Korrelograinms könnte in der Weise erfolgen, daß in der Fokussierebene eine querbewegliche lichtempfindliche Platte angebracht und diese Platte gemeinsam mit dem zweiten Muster über alle Bildpunkte hinweg quer zum Strahlengang bewegt wird. Der fokussierte hinsichtlich seiner Helligkeit dem Integralwert einer jeweils einem einzelnen Bildpunkt des Korrelogramms zuzuordnenden Produktfunktion entsprechende Lichtpunkt zeichnet dann zeilenweise das vollständige Korrelogramm auf die Platte. Diese Verfahrensweise bei der Korrelation sei nachfolgend kurz Projektionsüchtveriahf en genannt

Soll das Projektionsüchtveriahrün dem erfindungsgemäßen Meßverfahren zugrunde gelegt werden, so ist zweckmäßigerweise in der Weise zu verfahren, daß das virtuelle Bild deckungsgleich und scharf auf die Bildebene des Referenzmusters projeziert wird und daß die durch das Referenzmuster hindurchtretende flächige Helligkeitsverteilung über die ganze Fläche des Musters hinweg integriert, vorzugsweise, daß sie mit einer Linse oder einem Linsensystem auf die lichtempfindliche Stelle eines opto-elektrischen Wandlers fokussiert wird und der Integralwert der Helligkeit durch wenigstens mittelbares Anlegen des elektrischen Ausgangssignals des Wandlers an ein Anzeigeinstrument sichtbar und meßbar gemacht wird. Da für die vorliegenden Zwecke nicht das ganze Korrelogramm ermittelt zu werden braucht, sondern lediglich das oder ein charakteristisches Helligkeitsextremum wertmäßig bestimmt werden muß, werden bei der erfindungsgemäßen Anwendung des Projektionslichtverfahrens die Muster nicht gegeneinander verschoben, sondern lediglich in eine solche Relativlage zum Strahlengang einjustiert, daß der Lichtdurchgang ein Extremum, beispielsweise bei positiven Mustern ein Maximum ist und in dieser Relativlage festgehalten. Wenn die zu messende Oberfläche stets in genau gleicher Relativlage zum Korrelographen gebracht wird, ist die Justage nur einmal auszuführen.

Erfindungsgemäß wird also die Abbildungstreue der strukturierten glänzenden Oberfläche als Ausgangspunkt für die Messung gewählt Dieser Ansatz bietet den großen Vorteil, daß die ermittelten Meßwerte dem vom Menschen subjektiv empfundenen Eindruck von der Oberfläche entsprechen, da der subjektive Eindruck im wesentlichen ebenfalls durch die Abbildungstreue entsteht Die Abbildungstreue wiederum wird quantitativ mit den Methoden der Korrelation erfaßt Mit Hilfe der optischen Korrelation wird das an der zu untersuchenden Oberfläche gespiegelte Spiegelbild eines Ausgangsmusters mit dem entsprechenden ungestörten Muster als Referenzmuster kreuzkorreliert Und zwar wird das Ausmaß des Helligkeitsextremums als charakteristische Größe für das Maß der Übereinstimmung der Partner der Korrelation angesehen.

Durch das Projektionslichtverfahren der Korrelation kann im Hinblick auf die erfindungsgemäße Anwendung auch noch die Streuwirkung oder Bildverfälschung der Oberfläche erfaßt werden. Bei dieser Verfahrensweise wird ja das mehr oder weniger stark durch die wellige Oberfläche verfälschte virtuelle Bild oder Spiegelbild des Ausgangsmusters möglichst deckungsgleich und scharf auf die Ebene des transparenten Referenzmusters projeziert und der durchgehende Lichtanteil gemessen. Da durch ein zum Ausgangsmuster positives Referenzmuster praktisch nur der Nicht-Streulichtanteil oder Kernlichtanteil des Spiegelbildes des Ausgangsmusters hindurchgeht, der Streulichtantett dieses Spiegelbildes aber ausgeblendet wird, stellt die Menge de: Durchgangsüchtes mittelbar ein Maß für das Streulicht also die Streuwirkung oder die Bildverfälschung dei Oberfläche dar. Bei der Verwendung von zueinandei negativen Mustern ist es umgekehrt Hierbei wird dei Kernlichtanteil des Spiegelbildes des Ausgangsmuster; durch das Referenzmuster ausgeblendet und de; Streulichtanteil selber durchgelassen.

Für das Ausgangsmuster und das Referenzmuste können sowohl beim Beugungslichtverfahren als aucl beim Projektionslichtverfahren normale Diapositive seien sie positiv oder negativ zueinander — verwende werden. Dann bestehen für die Wahl der zu verwende ten Lächiart keine Einschränkungen. Es besteht abe auch die Möglichkeit, daß für das Reicfenz-nsEter ei Hologramm verwendet wird. Ein Hologramm ist vereinfacht ausgedrückt — ein fotografisch festgehaltc nes Interferenzlinienmuster, welches durch Interferen

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der von einem mit kohärentem Licht angestrahlten Aufnahmeobjekt ausgehenden Strahlen mit einem in der Phasenlage unbeeinflußten Referenzlichtstrahl derselben Lichtquelle und etwa gleichem Laufweg auf der Ebene der Aufnahmeplatte entsteht. Das Hologramm eines für die Zwecke der Erfindung geeigneten Musters, welches z. B. in der Fläche verteilt angeordnete scharfkantige Hell/Dunkel-Grenzen enthält, enthält an jeder Stelle eine Beugungsstruktur des gesamten Musters. Die Verwendung eines Hologramms als Referenzmuster hat den Vorteil gegenüber der Verwendung eines Diapositivs, daß die Lichtausbeute des Korrelogramms größer ist. Die Verwendung eines Hologramms ist insbesondere bei der Anwendung des Beugungslichtverfahrens für die Korrelation ratsam. Die Verwendung eines Hologramms setzt allerdings voraus, daß wenigstens bezüglich desjenigen Teiles des Strahlenganges, der das Hologramm durchtritt, monochromatisches oder quasi-monochromatisches (Schmalbandleuchten im Spektrum) Licht verwendet wird. Vorteilhafterweise wird man dann von vornherein eine entsprechende Lichtquelle, z. B. eine Natriumdampflampe, verwenden, da dann ein möglichst großer Lichtanteil der zunächst aufgebrachten Lichtenergie verwendet wird. Im Fall der Ausfilterung eines quasi-monochromatischen Lichtes aus einer weißen Lichtquelle würde bei diesem Ausfiltern ein großer Anteil der zunächst aufgewendeten Lichtenergie verlorengehen.

In beiden oben erwähnten Fällen — normales Diapositiv oder Hologramm als Referenzmuster — soll nicht kohärentes, sondern inkohärentes Licht verwendet werden.

Diebeiden zu verwendenden Muster — Ausgangsmuster und Referenzmuster — müssen wenigstens annähernd geometrisch ähnlich sein und in Umfangsrichtung winkelgleich im Strahlengang angeordnet werden. Sie können natürlich auch gleich groß sein. Stärkere Abweichungen von der geometrischen Ähnlichkeit untereinander beeinträchtigen die Ausprägung des Helligkeitsmaximums des Korrelogramms und damit die mögliche Justiergenauigkeit dieses Maximums. Es ist zur Erzielung reproduzierbarer Meßergebnisse erforderlich, vor einer Messung stets die gleiche Relativlage der beiden Muster zueinander bzw. zum Strahlengang zu justieren. Je stärker das Helligkeitsmaximum bei Relatiwerschiebung der Muster relativ zueinander bzw. quer zum Strahlengang ausgeprägt ist, um so genauer läßt sich die erforderliche Relativlage justieren. Zur Erzielung eines möglichst stark ausgeprägten Maximums der Helligkeit des Korrelogramms bei der Justage der beiden Muster relativ zueinander bzw. zum Strahlengang trägt es auch bei, wenn die Muster kontrastreiche, scharf konturierte flächig verteilt angeordnete Linien, Raster, Punkthaufen od. dgl. aufweisen. Es ist vor allen Dingen vorteilhaft, wenn die Linien oder ein großer Teil der Linien quer zur Verschieberichtung des oder der Muster beim Justieren verlaufen.

Das Ausmaß des Helligkeitsextremums des Korrelogramms ist abgesehen von der orangenschalenartigen oder sonstigen Strukturierung der Oberfläche, vom optischen Absorptionsverhalten und vor allem durch das Streuverhalten im Feinbereich (wesentlich mitbestimmt durch die Mattigkeit) der Oberfläche abhängig. Es se-" =ber — losgelöst von der Absorption und der Mattigkeit der Oberfläche — eine Aussage iscSieri über das, Ausmaß der Oberflächenstrukturierung gewonnen werden. Zur Ausschaltung der Störungen durch Absorption und Oberflächenmattigkeit der Probe bei der Messung des Ausmaßeis der Oberflächenstrukturierung kann so verfahren werden, daß im Bereich des zu

s untersuchenden Flächenausischnittes auf der Oberfläche der Probe eine an sich bekannte Glanzgradmessung durchgeführt wird und daß nach Maßgabe des festgestellten Glanzgrades die Intensität des optischen Strahlenganges oder des elektrischen Signals des

ίο Verfahrensablaufes der Messung des Ausmaßes der Oberflächenstrukturierung an wenigstens einer Stelle darin gegensinnig analog zur Abweichung des Glanzgrades gegenüber einem festen Bezugswert verändert bzw. beeinflußt wird, vorzugsweise, daß die Verstärkung

is des Signals des opio-elektrischen Wandlers verändert wird.

Durch die an sich bekannte Glanzgradmessung wird der resultierende Gesamteinfluß von Mattigkeit, optischem Absorptionsverhalten u. dgl. erfaßt. Je geringer

:o der Glanzgrad einer Probe bei — unterstellt — gleichbleibendem Ausmaß der Oberflächenstrukturierung ist, ein um so größeres Ausmaß der Welligkeit od. dgl. würde vorgetäuscht werden und umgekehrt. Je geringer der Glanzgrad und somit die Intensität des reflektierten Lichtes ist, um so mehr muß die Intensität des verarbeiteten Signals — sei es Lichtintensität oder elektrisches Signal — angehoben werden und umgekehrt, um zu vergleichbaren Meßergebnissen zu gelangen. Diese Beeinflussung kann auf vielfältige Weise erfolgen, z. B. durch Variierung der Helligkeit der Lampe vor dem Ausgangsmuster, durch Verändern einer Blende oder Verschieben eines stufenlos sich verändernden Graufilters im Strahlengang oder durch Beeinflussung des Verstärkungsgrades eines Meßver-

3s stärkers, mit dem das Ausgangssignal des opto-elektrischen Wandlers vor dessen Anzeige auf einem Instrument ohnehin verstärkt werden muß.

Die Erfindung ist an Hand der Zeichnung in; folgenden erläutert; dabei zeigt

.40 Fig. 1 schematisch den grundsätzlichen optischen Aufbau einer Einrichtung zur Ausübung des erfindungsgemäßen Oberflächenmeßverfahrens unter Zugrundelegung des Projektionslichtverfahrens,

F i g. 2 eine entsprechende Darstellung für den

Aufbau unter Zugrundelegung des Beugungslichtverfahrens,

F i g. 3 und 4 je ein Diagramm, in welchem Meßwerte der Oberflächenbeschaffenheit von zwei Probenreihen der subjektiven Beurteilung der Probenreihen gegen-

so übergestellt sind.

In dem in F i g. 1 schematisch angedeuteten Aufbau ist eine hell und mit zeitlich konstanter Intensitäi leuchtende punktförmige Lichtquelle 1 angeordnet deren Licht über einen Kondensator oder über einer Kollimator 2 parallel auf das als Ausgangsmustei dienende Diapositiv 3 geleitet wird. In definiertem und justierbarem Abstand zum Diapositiv 3 bzw. ir definierter Winkellage zum Strahlengang 4 bzw. 5 isi eine Probe 6 gehalten, deTen zu untersuchende glänzende Oberfläche 7 dem Strahlengang zugekehn ist Das Muster des Diapositivs 3 spiegelt sich in dei orangenschalenartig strukturierten glänzenden Oberflä ehe und wird als mehr oder weniger getreues virtuelle« Bild 3' des Diapositivs 3 (Strahlengang 4') hinter dei

Probe 6 erkennbar. Dieses Bild wird mit der Linse bzw dem Linsensystem 8 auf die Ebene eines weiteren in Strahlengang 5 angeordneten Diapositivs 9 schar abgebildet

Das Muster des Diapositivs 9 ist mit dem des Diapositivs 3 geometrisch in allen Einzelheiten ähnlich. Es kann z. B. ein Kreuzraster von scharf konturierten weißen Linien auf schwarzem Grund gewählt werden. Das Diapositiv 9 ist so einjustiert, daß die Abbildung des virtuellen Bildes 3' auf der Ebene des Diapositivs 9 genau deckungsgleich ist mit den Konturen dieses Musters, soweit dies bei dem etwas verzerrten Bild 3' möglich ist. Die Übereinanderlage kann dadurch festgestellt v/erden, daß die Lichtmenge hinter dem Diapositiv 9 bei Koinzidenz ein deutliches Maximum zeigt. Dies ist um so ausgeprägter, je kontrastreicher die Muster sind.

Die durch das Diapositiv 9 hindurchgegangene Lichterregung ist mathematisch als das Produkt der beiden jeweils eine zweidimensional Ortsfunktion darstellenden Bilder 3' und 9 aufzufassen, und zwar als eine örtliche, nämlich der justierten Relativlage der Bilder entsprechende Produktfunktion. Diese flächig verteilte Lichterregung wird durch die Linse bzw. das Linsensystem 10 eingefangen und auf die lichtempfindliche Stelle einer Fotodiode 11 fokussiert. Das elektrische Ausgangssignal der Fotodiode wird in dem Meßverstärker 12 verstärkt und mittelbar in dem Zeigerinstrument 13 zur Anzeige gebracht. Der am Anzeigeinstrument ablesbare Skalenwert ist ein direktes Maß für das Ausmaß der orangenschalenartigen oder sonstigen Strukturierung der Oberfläche 7.

Von der Lichtquelle 1 kann eine kleine Lichtmenge in dem Kondensor 14 gesammelt und über den Spiegel 15 auf eine Stelle nahe des zu untersuchenden Flächenbereiches der Probe 6 geleitet werden (Strahlengang 16). Diese definierte Lichtintensität wird von der Oberfläche 7 reflektiert (Strahlengang 17). Die reflektierten Strahlen 17 werden mit einer Linse 18 auf die empfindliche Stelle 19 einer weiteren Diode 19 fokussiert, die die Intensität des reflektierten Lichtes in ein elektrisches Signa! umwandelt Damit ist eine Glanzgradmessung bewirkt, denn die Größe des Ausgangssignals an der Fotodiode 19 ist ein direktes Maß für den Glanzgrad der Oberfläche 7. Dieses glanzgradanaloge Signal wird dem Meßverstärker 12 zugeleitet und darin dergestalt verarbeitet, daß umgekehrt analog zur Größe des Glanzgrades bzw. dessen Signals der Verstärkungsgrad des Meßverstärkers verändert v/ird. Hierdurch werden Verfälschungen des Meßergebnisses der Orangenschalen-Struktur durch den Glanzgrad der Oberfläche ausgeschaltet, und zwar sowohl was die Absorption als auch was die Mattigkeit oder sonstige Einflüsse der Oberfläche anbelangt.

Der in Fig.2 schematisch dargestellte Verfahrensaufbau entspricht weitgehend dem gemäß Fig. 1. Für gleiche Teile der Darstellung sind gleiche Bezugszahlen verwendet worden, so daß hinsichtlich der Übereinstimmungen der beiden Verfahrensaufbauten auf die voraufgegangene Beschreibung verwiesen werden kann.

Im Unterschied zu dem in Fig. 1 angedeuteten Projektionslichtverfahren wird bei dem in F i g. 2 gezeigten Beugungslichtverfahren durch das von dem virtuellen Bild 3' des Ausgangsmusters 3 das Referenzmuster 9a — das vorzugsweise ein Hologramm eines solchen Musters ist — unmittelbar angeleuchtet. In der sich hinter dem Referenzmuster 9a einstellenden Heliigkeitsverteilung, dem vollständigen Korrelogramm, ist im Bereich der strichliert angedeuteten optischen Achse des Systems ein Helligkeitsmaximum anzutreffen. Zweckmäßigerweise ist bei Verwendung eines Diapositivs das Referenzmuster etwas kleiner als das Ausgangsmuster (Verkleinerungsfaktor ArJL Der Abstand b der das Helligkeitsmaximum feststellenden Fotodiode 11a von dem Referenzmuster 9a ist dabei so zu wählen, daß die Gleichung

k
1 - k

erfüllt ist, worin a den Abstand des Referenzmusters 9;i von der Ebene des virtuellen Bildes 3' bedeutet. Wenn der Verkleinerungsfaktor k = 0,5 gewählt wurde, so ist ö= a zu wählen. Das Helligkeitsmaximum kann in üblicher Weise durch Verstärkung des Signals der Fotodiode und Anzeige auf dem Instrument 1J wertmäßig sichtbar gemacht werden. Dabei ist die Messung an der Fotodiode Ua flächenmäßig auf einen kleinen Fleck zu beschränken, um nicht Lichtintensitälen außerhalb des Maximums mit zu erfassen.

In den Fig. 3 und 4 ist das Ergebnis des erfindungsgemäßen Verfahrens veranschaulicht. Es wurden zur Gewinnung der Diagramme sieben ( F i g. 3) bzw. fünf ( F i g. 4) Proben mit untereinander unterschiedlich stark ausgebildeter orangenschalenartiger Oberfläche zunächst jeweils einem Einzelnen aus einer Gruppe von insgesamt zehn geübten Testpersonen zur Beurteilung vorgelegt. Jede Person mußte die Probe in eine Reihenfolge hinsichtlich des Ausmaßes der orangenschalenartigen Strukturierung einordnen und außerdem jeweils noch angeben, wie groß sie den Unterschied zweier benachbarter Proben beurteilt, nämlich als klein, mittel oder als groß. Auf diese Weise ergab sich nach einer Mitteilung des subjektiven Beurteilungsergebnisses von zehn Personen die Zuordnung der sieben bzw. fünf Punkte auf der Abszissenachse, die jeweils einer Probe entsprechen. Die den Abszissenpunkten der Proben zugeordneten Ordinatenwerte wurden durch eine erfindungsgemäße objektive Messung des Ausmaßes der orangenschalenartiger Strukturierung der Oberfläche ermittelt. Man erkenni deutlich, daß ein linearer Zusammenhang zwischer subjektiver Beurteilung und objektiver Messung dei Probenoberfläche besteht. Das erfindungsgemäße Meß verfahren stellt demgemäß ein brauchbares Verfahret zur objektiven Ermittlung eines der Oberflächenstruk turierung zuzuordnenden Zahlenwertes dar.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur objektiven qualitativen Einordnung der Beschaffenheit glänzender strukturierter, s insbesondere welliger Oberflächen, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem von der Oberfläche (7) eines zu untersuchenden Prüflings (6) reflektierten virtuellen Bild (3') eines hinsichtlich seiner Form und seiner Helligkeit bekannten Ausgangsmusters (3) und mit einem weiteren dem Ausgangsmuster (3) geometrisch ähnlichen, im Strahlengang (5) angeordneten Referenzmuster (9, 9a) eine inkohärent-optische Kreuzkorrelation durchgeführt wird, wobei die beiden Muster (3' und 9 ι s bzw. 3' und 9ajin eine solche Relativlage zueinander und zum Strahlengang (4, 4', 5 bzw. 4, 4', 5a) einjustiert werden, daß das hinter dem Referenzmuster (9, 9a) gewinnbare Korrelogramm insgesamt eine möglichst große Helligkeit aufweist und daß das >o oder ein bestimmtes örtliches Extremum der Helligkeit des Korrelogramms wertmäßig ermittelt und als Maß für das Ausmaß der Strukturierung der Prüflingsoberflächt (7) verwendet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangsmuster (3) und für das Referenzmuster (9 bzw. 9a) Diapositive und für den Strahlengang (4, 5 bzw. 4, 5a) beliebiges Licht verwendet wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangsmuster (3) ein Diapositiv und für das Referenzmuster {9a) ein Hologramm des Musters und für den Strahlengang wenigstens des das Hologramm (9a) durchtretenden Teiles (5a) des Lichtes zwar inkohärentes aber is monochromatisches oder quasi-monochromatisches Licht verwendet wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Muster (3 und 9 bzw. 3 und 9a) untereinander geometrisch ähnliche kontrastreiehe scharf konturierte und flächig verteilt angeordnete Linien, Raster, Punkthaufen od. dgl. aufweisende Diapositive bzw. Hologramme verwendet werden.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangs- (3) und für das Referenzmuster (9 bzw. 9a) hinsichtlich der Schwarz/Weiß-Tönung positiv zueinander gehörige Diapositive bzw. Hologramme verwendet werden und daß der Wert des sich einstellenden ^o Helligkeitsmaximums als Maß für die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß für das Ausgangs- (3) und für das Reftrenzmuster (9 bzw. 9a) hinsichtlich ^ der Schwarz/Weiß-Tönung negativ zueinander gehörige Diapositive bzw. Hologramme verwendet werden und daß der Wert des sich einstellenden Helligkeitsminimums als Maß für die Oberflächenbeschaffenheit ermittelt wird.

7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, insbesondere nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß mit der örtlichen Helligkeitsverteilung des virtuellen Bildes (3') das Referenzmuster (9a) ausgeleuchtet wird und daß die lichtempfindliche 6«, Stelle eines optoelektrischen Wandlers (Wa)örtlich an die Stelle des Helligkeitsextremums des Korrelo-.gramms gebracht und der Wert des Extremums durch wenigstens mittelbares Anlegen des elektrischen Signals des Wandlers (Ua) an ein Anzeigeinstrument (13) sichtbar und meßbar gemacht wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1,2 und 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das virtuelle Bild (3') deckungsgleich und scharf auf die Bildebene des Referenzmusters (9) projeziert wird und daß die durch das Referenzmuster (9) hindurchtretende flächige Helligkeitsverteilung über die ganze Räche des Musters hinweg integriert wird, vorzugsweise, daß sie mit einer Linse oder einem Linsensystem (10) auf die lichtempfindliche Stelle eines opto-elektrischen Wandlers (U) fokussiert wird und der Integralwert der Helligkeit durch wenigstens mittelbares Anlegen des elektrischen Ausgangssignals des Wandlers (11) an ein Anzeigeinstrument (13) sichtbar und meßbar gemacht wird.

9. Verfahren nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich des zu untersuchenden Flächenausschnitts auf der Oberfläche (7) der Probe (6) eine an sich bekannte Glanzgradmessung durchgeführt wird (14 bis 19) und daß nach Maßgabe des festgestellten Glanzgrades die Intensität des optischen Strahlenganges (4, 5 bzw. 4, 5a) oder des elektrischen Signals des Verfahrensablaufes der Messung des Ausmaßes der Oberflächon-Strukturierung an wenigstens einer Stelle darin gegensinnig analog zur Abweichung des Glanzgrades gegenüber einem festen Bezugswert verändert bzw. beeinflußt wird, vorzugsweise, daß die Verstärkung des Signals des optoelektrischer! Wandlers(ll bzw. llajverändert wird.