DE3037622A1 - Optoelektronisches messverfahren und einrichtungen zum bestimmen der oberflaechenguete streuend reflektierender oberflaechen - Google Patents

Optoelektronisches messverfahren und einrichtungen zum bestimmen der oberflaechenguete streuend reflektierender oberflaechen

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DE3037622A1 DE19803037622 DE3037622A DE3037622A1 DE 3037622 A1 DE3037622 A1 DE 3037622A1 DE 19803037622 DE19803037622 DE 19803037622 DE 3037622 A DE3037622 A DE 3037622A DE 3037622 A1 DE3037622 A1 DE 3037622A1
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    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

Description

Dipl.-Ing. G. Thurn Prof. Dr.-Ing. Th. Gast
Optoelektronisches Meßverfahren und Einrichtungen zum Bestimmen der Oberflächengüte streuend reflektierender
Oberflächen
Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Meßverfahren zum Bestimmen der Oberflächengüte streuend reflektierender Oberflächen, insbesondere an metallischen Werkstücken, bei dem
die zu untersuchende Oberfläche von einem etwa parallelen
Strahlenbündel einer Lichtquelle beleuchtet und die Intensitätsverteilung der reflektierten Strahlung mittels lichtelektrischer Detektoren gemessen und elektronisch ausgewertet wird, sowie Einrichtungen zum Durchführen des Meßverfahrens.
Derartige Meßverfahren und Meßeinrichtungen haben erhebliche Bedeutung für die Qualitätssicherung mechanisch gefertigter Werkstücke, da die Einhaltung einer bestimmten Oberflächengüte, z.B. an Paßflächen, Dichtflächen, Reibflächen und
lackierten Flächen für die Funktion des jeweiligen Bauteiles wesentlich ist.
Zum Messen der Oberflächengüte, bzw. Oberflächenrauheit sind verschiedene Verfahren und Geräte bekannt. Am häufigsten werden Tastschnittgeräte zur Rauheitsmessung eingesetzt. Sie besitzen einen kleinen Tastkopf, in welchem eine Diamantnadel
mechanisch die Oberfläche abtastet. Die Meßwerte werden vergrößert aufgezeichnet und/oder registriert. Diese Geräte haben einen hohen technischen Stand erreicht» Nachteilig ist
die linienhafte Abtastung der Oberfläche und der zeitaufwendige Meßvorgang, der nicht berührungsfrei durchzuführen und nur schwer automatisierbar ist.
Im Buch "Technische Oberflächenkunde', Verlag J. Springer,
Berlin 1936, S. 98-99, beschreibt G. Schmaltz ein Meßverfah-
ren, bei dem die mit beweglichen Fotodetektoren erfaßte Rückstreuindikatrix photometrisch ausgewertet wird. Als Maß für die Oberflächengüte wird entweder ein Faktor verwendet, der die Annäherung der Streulichtkurve an eine Gaußverteilung beschreibt, oder der Halbwertwinkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte der im Glanzwinkel abgestrahlten Intensität gesunken ist. Dabei wird einschränkend von einer Gaußverteilung der Streulichtkurve ausgegangen, bzw. es werden aus der gesamten Streukurve nur zwei Meßwerte zur Kennzeichnung der Oberflächengüte verwendet. Abgesehen davon, daß die Voraussetzung einer Gaußverteilung der Streulichtkurve bei den meisten Oberflächenstrukturen nicht gegeben ist, führt die Auswertung, die sich nur auf zwei Meßpunkte stützt, zu ungenauen Meßergebnissen. :
Aus der DE-AS 2260090 ist eine Meßeinrichtung bekannt, die als Maß für die Rauhelt die Halbwertsbreite der Streulichtverteilung um den Glanzwinkel zwischen 60 und 85 Grad Einfallswinkel verwendet. Dieses Maß wird insgesamt aus drei Meßpunkten der Streulichtverteilung gebildet, dem Meßwert im Maximum der Kurve und den jeweiligen Halbwerten. Nachteilig ist hier, daß an flachen oder mehrgipfeligen Verteilungskurven, wie dies bei technischen Rauheiten vorkommt, die Halbwertsbreite nicht eindeutig definiert ist und diese ein unsicheres Maß im statistischen Sinne darstellt. Zufällige Schwankungen der Meßwerte, insbesonders des Maximalwertes, der den Bezugswert darstellt, wirken sich direkt auf das Meßergebnis aus. Der zur Messung notwendige flache Lichteinfall läßt die Meßanordnung empfindlich gegen Abstandsänderungen werden und die Meßeinrichtung ist aufgrund großer Abmessungen nur einsetzbar, wenn genügend Platz und Zeit für die umständliche Handhabung zur Verfügung stehen.
Aus der Veröffentlichung von F. Piwonka und Th, Gast in "Technisches Messen" (1979) 12, S. 451-458 ist weiterhin ein Verfahren bekannt, welches die Rückstreuindikatrix mit rotierenden Fotoempfängern aufnimmt und daraus die Rauhtiefe berech-
net. Dieses Verfahren läßt sich nur auf periodisch, z.B. auf einer Drehmaschine, zerspante Oberflächen anwenden, da die Rillenbreite der rauhen gerillten Oberfläche bekannt sein muß. Der Meßbereich dieser Anordnung überdeckt nur den Grobbereich der Oberflächenrauheit.
Aus der DE-PS 2241617 ist weiterhin ein Verfahren zur Rauheitsmessung bekannt, das mit einem Laser arbeitet. Bei diesem Verfahren wird die ebene Meßprobe mechanisch gedreht und das winkelabhängige in die Einfallrichtung zurückreflektierte Licht gemessen. Aus der Lichtverteilung wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung der partiellen Ableitungen des Rauheitsprofils berechnet. Die dabei zu beachtenden physikalischen Randbedingungen und die benötigte Relativbewegung von Meßeinrichtung und Meßobjekt schränken den Anwendungsbereich erheblich ein.
Aus der Literatur sind weiterhin Verfahren zur Rauheitsmessung bekannt, die das "Speckle"-Muster im Streufeld des reflektierten Lichtes auswerten. Notwendig ist hierzu eine Beleuchtungseinrichtung, die bestimmten Kohärenzbedingungen genügt, z.B. ein Laser.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Meßverfahren und Meßeinrichtungen anzugeben, welche die Bestimmung der Oberflächengüte mit größerer Genauigkeit und unter Verwendung einfacher und handliche Geräte ermöglichen.
Mit der Meßeinrichtung sollen Messungen an ebenen, konvexen und konkaven Meßflächen sowie an schwierigen Meßstellen wie an Abschrägungen, Nuten und Bohrlöchern berührungsfrei oder mit schonender Berührung in schneller Meßfolge durchführbar sein. Die Meßeinrichtung soll sowohl manuell bedient werden als auch problemlos in automatische Einrichtungen eingegliedert werden können, wobei es nicht erforderlich sein soll, mit kohärentem Licht zu arbeiten.
Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs angegebenen Meßverfahren, erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Strahlenbündel etwa senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche
gerichtet wird und die von dem beleuchteten Oberflächenausschnitt (Meßfleck) ausgehende räumlich verteilt reflektierte Strahlung durch die lichtelektrischen Detektoren unter einem Raumwinkel erfaßt wird, der der zu erwartenden Aufweitung des Strahlenbündels infolge der Streureflexion angepaßt wird und daß als Maß für die Oberflächengüte integrale Kennwerte aus der Gesamtheit der durch die Detektoren ermittelten Meßwerte gebildet werden. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Meßverfahrens und Einrichtungen zur Durchführung desselben sind in den Unteransprüchen angegeben.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht im wesentlichen darin, die vom Meßfleck reflektierte Streustrahlung mit einem Meßtubus in einem Raumwinkel zu erfassen, der der Streuung und damit dem erwarteten Gütebereich der zu untersuchenden Oberfläche angepaßt ist und aus den mit Detektoren gemessenen Intensitätswerten nach Art der aus der Mechanik und der Statistik bekannten Potenzmomente integrale Kennwerte S zu bilden, die als Maß für die Oberflächengüte verwendet werden. Zur Bildung der Kennwerte dienen die Gleichungen:
(a) S„ = \ " |w± - w|X · p,. mit χ = 1 oder 2
η
(b) w = Χ" w
D. g.
in diesen Gleichungen bedeuten:
w. den von dem jeweiligen Detektor i erfaßten Winkel der Streustrahlung
η die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren w den Mittelwert aus den Werten ρ. und w.
p. nach der Gleichung (c) normiertes Meßsignal D. g. Korrekturfaktor für das Meßsignal D.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren werden aus den gemessenen Signalen der vorzugsweise in einer Zeile angeordneten η Detektoren nach der Gleichung (c) normierte Werte p. unter Berücksichtigung der Korrekturfaktoren g^ gewonnen. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Verfahren und Anordnungen gehen die Meßsignale aller die reflektierte Strahlung erfassenden Detektoren in die Auswertung ein. Durch die Bildung des Quotienten ρ^ werden lediglich die Streueigenschaften der Oberflächenstruktur ausgewertet, die werkstoffbedingten spektralen Reflexionskoeffizienten bleiben ohne Einfluß auf das Meßergebnis. Aus den Werten p. und den Werten w. wird ein Mittelwert w berechnet. Zuletzt werden die Kennwerte S1 oder S„ gebildet. Der quadratische Streukennwert S2 ist der statistisch sichere Wert, dagegen ist die Berechnung des Kennwertes S1 einfacher. Die Korrekturfaktoren g. haben die Aufgabe, Fertigungsstreuungen in den elektrischen und optischen Kennwerten der verwendeten Bauelemente auszugleichen
und die von optischen Bauelementen geometrisch-optisch bedingten Veränderungen der Streulichtverteilung zu korrigieren.
Hierfür werden die zwischen O und 1 liegenden Faktoren in einem Einmeßvorgang mit einer Vergleichsoberfläche bekannter Streuung bestimmt.
Außerdem ist es durch Approximation dieser Faktoren möglich, - den Kennlinienverlauf von S1 oder S- über einen größeren Bereich der Oberflächengüte durch unterschiedliche Gewichtung der Streulichtkurve zu beeinflussen, z.B. um eine Linearisierung durchzuführen;
bestimmte Anteile der Streulichtkurve hervorzuheben oder zu unterdrücken, um z.B. Streulicht oder regulär reflektiertes Licht getrennt auszuwerten.
Die Vorteile der Erfindung liegen hauptsächlich darin, daß die Oberflächengüte über einem Meßfleck gemittelt bestimmt
wird;
integrale Kennwerte S. oder S~ gebildet werden, die eine zuverlässige und genaue Aussage auch bei beliebig geformten Streulichtkurven erlauben, wobei die Art der Verteilung z.B. Gaußverteilung nicht bekannt sein muß; die Kennwertbildung alle Detektoren umfaßt und zufällige Schwankungen der Streulichtkurve, wie sie durch Ausrichtfehler oder statistische Unregelmäßigkeiten der Oberfläche hervorgerufen werden, ausgemittelt werden;
die integralen Kennwerte invariant gegen Verschwenken der Streulichtverteilung in der Meßebene sind; optische Qualitätsmerkmale der Oberfläche, wie beispielsweise das Streuverhalten und Strukturmerkmale durch die Kennwerte S^ oder S„ genau beschrieben werden;
- zwischen den Kennwerten S1 oder S_ und genormten Rauheitskenngrößen ein enger, sehr gut reproduzierbarer Zusammenhang besteht, wenn die Fertigungsbedingungen bekannt sind; durch Anpassung des von der Meßeinrichtung erfaßten Raumwinkels an den Winkel der Streustrahlung ein großer Meßbereich erzielt wird, der am Mittenrauhwert R orientiert von
ei
R > 0.01 pm bis R < 10 pm reicht; durch Drehung der Meßebene eine getrennte Bestimmung von Quer- und Längsrauheit möglich ist; die Meßanordnung wegen der etwa senkrechten Einstrahlung unempfindlich gegen Abstandsänderungen ist; die Messung mit schonender Berührung oder berührungsfrei manuell oder automatisch auch an schwer zugänglichen Meßstellen durchgeführt werden kann;
- Messungen an ruhenden und an bewegten Flächen möglich sind.
Die Bestimmung der Kennwerte S. oder S kann elektronisch analog oder digital erfolgen. Vorzuziehen ist die Kennwertberechnung in einem Rechner, da dort in einfacher Weise die Abspeicherung von Meßdaten, eine Bedienerführung im Dialog und eine umfangreiche Dokumentation der Meßergebnisse möglich ist.
Zur Einstellung eines bestimmten Kennlinienverlaufs der Kennwerte S1 oder S? über einen Bereich der Oberflächengüte sind die Kennwerte im Rechner mit einem Skalenfaktor zu multiplizieren und/oder Potenzen der Kennwerte zu verwenden. Die Bestimmung genormter Rauheitskenngrößen, wie des Mittenrau-
werts R oder der gemittelten Rauhtiefe R erfolgt indirekt a ζ
über Einmeßvorgänge. Oberflächen bekannter Rauheit werden optisch gemessen und die Kenngrößen S1 oder S- mit Tastschnittkenngrößen in Beziehung gebracht. Die dazugehörige Kennlinie wird in einem Rechner abgespeichert. Zur Erreichung hoher Meßgenauigkeit ist es zweckmäßig, mehrere den üblichen Bearbeitungsverfahren entsprechende Kennlinien zu messen und abzuspeichern.
Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Wellenlängenbereich der Meßstrahlung zu variieren, um verschiedene Streuwinkelbereiche einzustellen. Die Streuung an Oberflächen einer bestimmten Rauheit ist bei kurzen Wellenlängen, z.B. UV-Licht, größer als vergleichsweise bei großen Wellenlängen, wie z.B. IR-Licht. Die verwendete Strahlung muß dabei nicht monochromatisch sein, sondern kann sich über einen größeren Wellenlängenbereich z.B. 100 nm erstrecken.
Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung polarisierter Meßstrahlung. Rauhe Oberflächen zeigen bei der Reflexion polarisierter Strahlung ein von glatten Oberflächen abweichendes Verhalten, aus dem unter Berücksichtigung der Orientierung der Schwingungsebene der Strahlung zu der Struktur der Oberfläche auf die Oberflächengüte geschlossen werden kann. Aus dem Polarisationszustand der Strahlung innerhalb der reflektierten Strahlkeule können somit die Kennwerte S1 oder S„ als Maß für die Oberflächengüte verwendet werden.
Im Folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen der Meßeinrichtung beschrieben.
Es zeigen schematisch:
Fig. 1 eine erfindungsgemäße Streulichtmeßeinrichtung Fig. 2 eine Darstellung einer Meßeinrichtung mit Strahl-
quelle im Meßtubus
Fig. 3 eine Meßeinrichtung mit flexiblem Lichtleiter Fig. 4 einen Meßtubus mit kegelförmiger Spitze Fig. 5 einen Meßtubus mit seitlichem Strahlaustritt Fig. 6 ein Blockschaltbild des Meßsystems mit einem Rechner zur Meßwertverarbeitung.
Fig. 7 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Kennwerts S„ von der Oberflächengüte verschiedener Oberflächenproben.
Bei der Meßeinrichtung gemäß der Figur 1 ist eine Strahlquelle 1 vorgesehen, z.B. eine infrarotlichtemittierende Diode mit aufgesetzter Glaslinse, deren gebündelte etwa parallele Strahlung 9 einen Strahlteiler 2, ein Linsensystem 3 und eine planparallele Glasplatte 4 durchsetzt. Der Meßfleck wird von einer kreisförmigen Blende 5 auf ca. 1 bis 3 mm Durchmesser begrenzt. Durch die Glasplatte 4 ist das System vollständig gekapselt. Die von der Oberfläche 12 reflektierte Strahlung 6 wird von der Brechkraft eines Linsensystems 3 in seiner Richtung verändert, durchsetzt rückwärts den Strahlteiler, der einen möglichst großen Teilfluß zu den lichtelektrischen Detektoren 8 ausspiegelt. Als Detektoren 8.., 8. bis 8 sind Fotodioden oder pyroelektrische Detektoren einzeln oder in den Ausführungsformen als Lineararray oder Matrixarray zu verwenden. Die Detektoren wandeln die Strahlung in elektrische Signale, die gefiltert und verstärkt analog oder digital so weiterverarbeitet werden, daß sie die Streukennwerte S1 oder S„ als Maß für die Oberflächengüte angeben. Auf einem Bildschirm 16 wird der Verlauf der Bestrahlungsstärke E angezeigt, der mit den Detektoren 8. bis 8 gemessen wird, um das Störungssignal-Nutzsignalverhältnis zu verbessern, sind die Detektoren mit einem optischen Filter versehen, das den spektralen Empfangsbereich auf den Wellenlängenbereich der Strahlquelle einengt. Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn im Wechsellichtbetrieb gearbeitet wird. Dazu wird das Licht der Strahlquelle
elektrisch oder optisch mit einer bestimmten Frequenz gepulst
und das Meßsignal frequenzselektiv ausgewertet. Der Meßtubus 7 bestimmt mit seinen Abmessungen, insbesondere seiner Länge, und mit dem in ihm enthaltenen Linsensystem 3 und der Glasplatte 4 den Raumwinkel, in dem die reflektierte Strahlung den Detektoren 8., bis 8 zugeführt wird. Im einfachsten Fall kann das
Linsensystem 3 weggelassen werden. Der Raumwinkel ergibt sich
dann aus den geometrischen Daten der Meßeinrichtung, im wesentlichen aus dem Öffnungswinkel der Detektorzeile 8. Linsensysteme mit positiver Brennweite vergrößern den Raumwinkel;
Zerstreuungslinsen engen diesen ein.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es nicht erforderlich, die Detektoren in der Brennebene des Linsensystems anzuordnen, oder eine reelle Abbildung des beleuchteten Oberflächenausschnitts durchzuführen, wodurch sich bei der Dimensionierung
des Meßtubus Vorteile ergeben.
Für jede Meßeinrichtung sind mehrere gegeneinander austauschbare Meßtuben vorgesehen, die sich in ihren optischen Kenndaten unterscheiden. Dadurch wird eine Anpassung an den bei einer Messung zu erwartenden Streuwinkelbereich ermöglicht, der sich aus dem Bereich der Oberflächengüte der zu untersuchenden.Fläche ergibt. Der Bereich der Oberflächengüte ist gegeben durch das der Messung vorangegangene Oberflächenbearbeitungsverfahren, z.B.
Feindrehen, Flachschleifen, Polieren. Auf Grund dessen erfolgt die Auswahl des jeweils zweckmäßigen Meßtubus.
Gemäß der Figur 1 ist in den Strahlengang des Streulichts eine Zylinderlinse 17 eingefügt. Sie sammelt die räumlich verteilte Streustrahlung zu einem Lichtband in der Meßebene, die
von den Mitenstrahlen 9 und 10 bestimmt ist und in dem sich
die Detektorenzeile 8 befindet. Durch diese Maßnahme wird der
störende Einfluß der Strahlzerstreuung an konvexen Oberflächen reduziert und der ausnutzbare Strahlungsfluß erhöht.Diese Zylinderlinse kann in das Linsensystem 3 integriert sein. Es ist sogar vorteilhaft, das Linsensystem 3 aus einem System gekreuz-
ter Zylinderlinsen aufzubauen, deren Brennweiten so gewählt werden, daß in einer Ebene die Streustrahlung in dem Winkel erfaßt wird, der für die Bestimmung der Oberflächengüte am günstigsten ist und in der anderen Ebene die reflektierte Strahlung zu einem Lichtband gesammelt wird, in dem sich die Detektoren 8 befinden. Bei Linsen höher Brechkraft ist es zweckmäßig, diese xn der Mitte abzuflachen, sodaß das einfallende Strahlenbündel unverändert bleibt, während die streuend reflektierte Strahlung durch die gewölbten Linsenflächen gebrochen wird. Bei eier elektronischen Verarbeitung der Meßwerte wird dieser optische Eingriff wieder ausgeglichen. Ein weiterer lichtelektrischer Detektor 11 (Referenzdetektor) mißt den durch den Strahlteiler 2 abgezweigten Teil des von der Strahlquelle 1 kommenden Strahlenbündels 9. Über eine Quotienten- und/oder Subtraktionsschaltung werden deren Strahlstärkeschwankungen in der Meßdatenverarbeituhg kompensiert. Die Messung kann mit leichter Berührung erfolgen, indem die kleine handliche Streulichtmeßeinrichtung mit dem Meßtubus 7 etwa senkrecht auf die zu messende Fläche 12 aufgesetzt wird. Da die Auflagefläche des Meßtubus relativ groß ist und nur kleine Kräfte wirken, wird weitgehend eine Verletzung der zu messenden Oberfläche vermieden. Für die Messung an sehr empfindlichen Oberflächen soll die Auflagefläche des Meßtubus aus einem nicht harten Werkstoff, z.B. einem Kunststoff, bestehen. Eine berührungslose Messung wird durch Einstellen eines kleinen Meßabstandes 13 erreicht und so ein Messen auch an bewegten Flächen möglich. Diese Betriebsart läßt sich vorteilhaft in automatischen Einrichtungen anwenden.
Um an gerichteten Rauhstrukturen, z.B. an rilliger Rauheit, die in der Rauheitsmeßtechnik als Quer- bzw. Längsrauheit bezeichnoton Oberflächenkenngrößen zu bestimmen, ist das Meßgerät mit seiner Meßebene quer bzw. längs zur Rillenrichtung ausrichtbar. Eine andere Möglichkeit, die richtungsabhängigen Streueigenschaften einer Oberfläche zu messen, ohne das Meßgerät dabei
um 90 zu drehen, ergibt sich mit einer Matiixanordnung bestehend aus mehreren Detektorzeilen, oder mit einer Anordnung von gekreuzten Detektorzeilen. Bei letzterer ist senkrecht zur Detektorzeile 8 eine weitere Detektorzeile angeordnet, welche die reflektierte Strahlung senkrecht zur Meßebene aufnimmt. Eine Möglichkeit, den durch die Geometrie und die Optik der Meßtuben gegebenen Meßbereich der Einrichtung zu erweitern, besteht in der Veränderung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Dazu ist entweder das Licht der Strahlquelle 1 monochromatisch, oder es wird aus einer Strahl quelle mit breitem Spektrum mittels eines Filters ein bestimmter Wellenlängenbereich ausgesiebt.
Eine weitere Möglichkeit ist die Streulichtmessung mit polarisierter Strahlung. Dazu ist in der Anordnung ein Polarisations-
Ak
filtervzur Erzeugung polarisierter Strahlung und ein Polarisationsfilter 15 zur Analyse der reflektierten Strahlung vorgesehen.
Gemäß der Figur 2 ist die Meßeinrichtung nach Figur 1 so abgewandelt, daß sich die Strahlquelle 1, z.B. eine kleine Halbleiterstrahlquelle, im Meßtubus 7 befindet. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß das Strahlenbündel der Strahlquelle 1 nicht über das Linsensystem 3 einfällt, die Streustrahlung aber vom Linsensystem erfaßt wird. Dadurch kann die Streustrahlung in einem großen Raumwinkel erfaßt werden, wie dies für den groben Rauheitsbereich erforderlich ist. Der Strahlteiler 2 befindet sich bei dieser Anordnung zwischen der Strahlquelle 1 und der Referenzdiode 11, während die Detektorenzeile 8 im Gehäuse der Einrichtung angeordnet ist.
Bei ungünstigen Raumverhältnissen ist die Verwendung eines Lichtleiters vorteilhaft, um beispielsweise mit der Einrichtung an Innenflächen von Werkstücken oder innerhalb der Bearbeitungsmaschine zu messen. Als Lichtleiter ist ein geordnetes Lichtfaserbündel zu verwenden, wobei dessen Querschnitt rechteckig oder kreisförmig sein darf und /oder faseroptische Querschnittwandler einsetzbar sind. Der Lichtleiter wird dabei in der Anordnung nach Figur 1 vorzugsweise zwischen Meßtubus 7 und dem Strahlteiler 2 eingefügt und leitet sowohl die einfallende wie auch die reflektierte Strahlung. Ein Lichtleiter kann auch in der Anord-
nung nach Figur 2 zur Führung der reflektierten Strahlung verwendet werden. Er wird zweckmäßig zwischen Meßtubus 7 und der Detektorenzeile 8 angeordnet.
Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der sich die Strahlenquelle 1 ebenfalls im Meßtubus 7 befindet und direkt in das Linsensystem 3 eingesetzt ist. Da der Strahlteiler entfällt, erhöht sich die ausnutzbare Strahlung der Strahlquelle. Der reflektierte Lichtfluß wird hier über einen flexiblen Lichtleiter den Detektoren 8 zugeführt. Zur Beleuchtung des zu messenden Oberflächenausschnitts kann ein weiterer Lichtleiter mit kleinem Durchmesser verwendet werden, der konzentrisch zum Lichtleiter 18 angeordnet wird. Dieser zusätzliche Lichtleiter ist im Gehäuse der Einrichtung getrennt vom Lichtleiter 18 herauszuführen und ermöglicht es, das Licht einer Strahlquelle hoher Leistung der Meßstelle zuzuführen.
In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Meßtubus dargestellt mit einer kegelförmigen Meßspitze. Diese Form des Meßtubus ist für räumlich beengte Meßstellen geeignet.
Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Meßtubus , bei dem durch einen Umlenkspiegel 19 das Licht seitlich austritt, was z.B. für Messungen in einer Bohrung oder Nut eines Werkstücks vorteilhaft ist.
Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild des Meßsystems. Zur Meßwertverarbeitung ist ein Rechner verwendet. An dieses elektronische Grundgerät lassen sich mehrere Streulichtsensoren anschließen. Der Meßvorgang ist am Blockschaltbild verdeutlicht. Eine lichtemittierende Diode wird von einer Stromquelle gespeist und beleuchtet die zu messende Oberfläche des Meßobjekts. Die Fotodioden eines Lineararrays wandeln den reflektierten Lichtfluß in elektrische Signale um, die rechnergesteuert über Multiplexer der Elektronik (mit Interface bezeichnet) zugeführt werden. Dort werden die Signale gefiltert, verstärkt und stehen nach Analog-Digitalwandlung als Digitalwerte dem Rechner zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Das Ergebnis der Messungen wird protokolliert oder graphisch auf einem Bildschirm oder Plotter dargestellt. In der Figur 7 sind Kennlinien angegeben, die sich aus Ver-
gleichsmessungen des erfindungsgemäßen Verfahrens mit Tastschnittmessungen an flachgeschliffenen und polierten Oberflächenproben ergeben haben. Der Streukennwert S2 ist dimensionslos und mit einem Skalenfaktor multipliziert über dem Mittenrauhwert R , der mit einem Tastschnittgerät gemessen wurde,
a
aufgetragen.
Die beschriebene Einrichtung ist zur Bestimmung der Oberflächengüte an ebenen, konkaven oder konvexen metallischen Oberflächen vorgesehen. Darüberhinaus ist es möglich, mit dieser
Meßeinrichtung die Oberflächengüte auch an Teilen aus anderen Werkstoffen zu bestimmen, z.B. Halbleitermaterialien, Kunststoffen und Porzellan.
Ein dem erfindungsgemäßen analoges Meßverfahren kann auch zum Bestimmen der Oberflächengüte bzw. des Streuverhaltens von
Werkstücken aus transparentem Werkstoff, z.B. Glas, verwendet werden. Dabei wird das zu untersuchende Werkstück von der dem Meßkopf gegenüberliegenden Werkstückfläche aus beleuchtet und das durchgehende Licht von den unregelmäßigen Strukturen aufgeweitet und zerstreut. Die Messung der Streulichtverteilung erfolgt dann etwa wie vorstehend für das reflektierte Streulicht beschrieben.

Claims (1)

  1. -yr-
    Patentansprüche
    1. /Optoelektronisches Meßverfahren zum Bestimmen der Oberflächengüte streuend reflektierender Oberflächen, insbesondere von metallischen Werkstücken, bei dem die zu untersuchende Oberfläche durch ein etwa paralleles Strahlenbündel einer Lichtquelle beleuchtet und die Intensitätsverteilung der reflektier tenStrahlung mittels lichtelektrischer Detektoren gemessen und elektronisch ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Strahlenbündel etwa senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird und die von dem beleuchteten Oberflächenausschnitt (Meßfleck) ausgehende räumlich verteilt reflektierte Strahlung durch die lichtelektrischen Detektoren unter einem Raumwinkel erfaßt wird, der der zu erwartenden Aufweitung des Strahlenbündels infolge Streureflexion angepaßt wird und daß als Maß für die Oberflächengüte integrale Kennwerte aus der Gesamtheit der durch die Detektoren ermittelten Meßwerte gebildet werden.
    2. Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß aus den Meßwerten der lichtelektrischen Detektoren die integralen Kennwerte S. oder S„ als Maß für die Oberflächengüte nach den folgenden Gleichungen gebildet
    'werden:
    η _
    I |X mit χ = 1 oder 2
    (a) S _ -<ζ-—ι — IX
    - w     • p     (b) W D1 · g± (C) η Z_. Dj- gi
    ti v ύ
    wobei in diesen Gleichungen
    w. den von dem jeweiligen Detektor i erfaßten Winkel der
    Streustrahlung -- - ,
    η die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren v/ den Mittelwert aus den Werten ρ. und w. p. nach der Gleichung (c) normiertes Meßsignal D. g. Korrekturfaktor für das Meßsignal D.
    bedeuten.
    Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß durch die Korrekturfaktoren g. die Toleranzen der optischen und elektronischen Bauelemente ausgeglichen werden und/oder eine Gewichtung der Meßsignale der einzelnen Detektoren erfolgt.
    Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Änderung der Wellenlänge der Meßstrahlung der Streuwinkel der reflektierten Strahlung verändert wird.
    Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beurteilung von Oberflächenstrukturen das einfallende Strahlenbündel polarisiert wird. Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bestimmung des Polarisationszustandes der reflektierten Streustrahlung z.B. durch einen Analysator durchgeführt wird.
    Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß durch Drehung der Meßebene die Richtungsabhängigkeit des Reflexionsverhaltens von Oberflächen mit gerichteter (anisotroper) Rauhstruktur festgestellt wird.
    Optoelektronisches Meßverfahren nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der einfallenden Strahlung einem Referenz-Fotodetektor zugeführt wird und durch dessen Ausgangssignal über eine analoge oder digitale Schaltung StrahlStärkeschwankungen ausgeglichen werden.
    9. Einrichtung zur Durchführung des Meßverfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen auswechselbaren, auf die zu untersuchende Oberfläche (12) aufsetzbaren oder in geringem Abstand (13) von dieser festlegbaren Meßtubus (7) mit einer Blende (5), durch dessen Länge und/oder optische Eigenschaften der von den Detektoren (8) erfaßbare Raumwinkel der Streustrahlung bestimmt wird.
    10. Meßeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtubus (7) ein Linsensystem (3) enthält.
    11. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet durch eine Zylinderlinse (17), welche die Streustrahlurxg zu einem Lichtband sammelt, in dem sich die zellenförmig, z.B. als Linear-Fotoarray, angeordneten lichtelektrischen Detektoren (8) befinden.
    12. Meßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsensystem (3) von gekreuzten Zylinderlinsen gebildet ist, von denen die eine die Streustrahlung in dem jeweils erforderlichen Raumwinkel erfaßt und die andere die Streustrahlung zu einem Lichtband sammelt, in dem sich die Detektorzeile (8) befindet.
    13. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßtubus (7) im Bereich der Blende (5) durch eine planparallele Glasplatte (4) dicht abgeschlossen ist.
    14. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß sich in dem einfallenden Strahlenbündel (9) ein Strahlenteiler (2) befindet, durch den ein geringer Teil des einfallenden Strahlenbündels auf einen Referenzdetektor (11) und ein möglichst großer T-il der reflektierten Strahlung auf die Meßdetektorenzeile (8) gelenkt wird.
    15. Meßeinrichtung nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen des Linsensystems (3) in ihrer Mitte abgeflacht sind, so daß das einfallende Strahlenbündel durch das System unverändert hindurchgeht, die streu-
    end reflektierte Strahlung aber durch die Linsen gebrochen wird.
    16. Meßeinrichtung nach Anspruch 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlenquelle (1) sehr klein, vorzugsweise als Halbleiterstrahlenquelle, ausgebildet und im Meßtubus (7) zwischen dem Linsensystem (3) und der Blende (5) angeordnet ist.
    17. Meßeinrichtung nach Anspruch 1.6, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) in das Linsensystem (3) integriert ist.
    18. Meßeinrichtung nach Anspruch 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zur Führung des einfallenden Strahlenbündels und/ oder der reflektierten Strahlung vorzugsweise zwischen dem Meßtubus (7) und der Detektorzeile (8) ein Lichtleiter vorgesehen ist.
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