DE3220080A1

DE3220080A1 - Geraet zur beruehrungslosen messung der oberflaechenrauheit

Info

Publication number: DE3220080A1
Application number: DE19823220080
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Ing. habil. 7257 Ditzingen Leonhardt
Original assignee: Stuttgart Inst fur Tech, University of
Current assignee: Stuttgart Inst fur Tech, University of
Priority date: 1982-05-28
Filing date: 1982-05-28
Publication date: 1984-02-23

Description

Gerät zur berührungslosen Messung
der OberfLächenrauheit Die Erfindung betrifft ein Gerät zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Ein derartiges Gerät ist in der DE-OS 30 20 044 bereits beschrieben. Dieses Gerät kann aber nur einen vertikalen Oberflächenparameter, Rz, Raf R und andere (nach q DIN 4762, Entwurf vom Mai 1978) ermitteln. Welcher dieser Parameter gemessen wird, hängt dort von der aufgenommenen Kennlinie ab. In diese Parameter , Rz, Ra, R und andere q gehen nur Profilabweichungen ein, die senkrecht zur Oberfläche gemessen werden. Für eine ausreichende Kennzeichnung einer rauhen Oberfläche, insbesondere für die Erfassung ihres Funktionsverhaltens, sind jedoch auch waagrechte Oberflächen-Parameter erforderlich. Die Erfindung bietet die Möglichkeit, den wichtigsten orizontalparameter, die Korrelationslänge des Oberflächenprofiles zu ermitteln.
Diese ist das im Sinne der Theorie der Zufallsprozesse präzise Äquivalent des Begriffes "Mittlere quadratische Wellenlänge" nach DIN 4762. Sie gibt ein Maß dafür, wie dicht Berge und Täler des Rauheitsprofiles beieinanderliegen, ob also die Struktur grob oder fein ist. Der Quotient aus quadratischem Mittenrauhwert R und Rorreq lationslänge ist dem quadratischen Mittelwert der Profilneigungen proportional.
Außerdem ist in DE-OS 30 20 044 die Ermittlung des vertikalen Oberflächenrauheitsparameters RzRaRq u.a. (wir schreiben im folgenden nur noch R ) nicht streng eindeuq tig, weil der Kontrast sowohl von Rqt als auch von der Korrelationslänge Xa abhängt.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Gerät nach DE-OS 30 20 044 derart weiterzubilden, daß der Horizontalparameter Korrelationslänge Xa bestimmt und mit dessen Kenntnis der vertikale Oberflächenrauheitsparameter R u.a.
q eindeutig ermittelt werden kann. Außerdem soll die Messung unabhängig vom Bearbeitungsverfahren durchgeführt werden, mit dem die Oberfläche hergestellt wurde, und der Meßbereich soll erweitert werden.
Diese Aufgaben werden durch die Maßnahmen des Anspruches 1 oder 6 gelöst. Weiterbildungen sind in den Ansprüchen 2,3, 4,5,7 und 8 beschrieben.
Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen erläutert. -Es zeigen Fig.1 Prinzip des Gerätes nach Anspruch 1 und 3 Fig.2 Prinzip des Gerätes nach Anspruch 6 Über den Beleuchtungsstrahlengang 1 bis 6 und dem Strahlenteiler 7 wird die Oberfläche beleuchtet unter Verwendung der Linsen 2 und 4. Über die Lichtquelle 1 gilt das in DE-OS 30 20 044 gesagte. Die räumliche Kohärenz wird im Falle einer ausgedehnten Lichtquelle durch den Durchmesser der Kollimatorblendenöffnung 5 bestimmt. Die in DE-OS 3020 044 Bild la bis if beschriebenen Vereinfachungen und Abänderungen sind auch hier möglich. Der Strahlenteiler 7 sendet Licht über den Strahlschwächer 10a und 1Ob zu den Halbspiegeln 9a und 9b. 10a , 10b,9a und 9b stellen den Strahlengang zur Gleichlichtüberlagerung dar.
Die zur prüfende Oberfläche 8 wird über den Strahlenteiler 7 in die Bildebene 16 abgebildet. Dabei wird das Licht aus dem Strahlengang zur Gleichlichtüberlagerung inkohärent überlagert. In der Abtastebene 13 werden durch mindestens 1 Paar Photodetektoren 15a und 15b über zugehörige Abtastöffnungen 14a und 14b die Intensitätsverläufe abgetastet.
Fig. 2 zeigt das Prinzip des Gerätes nach Anspruch 6.
Der Photodetektor 15 liefert das Signal ohne Gleichlichtüberlagerung an die Verzweigungen A. Durch Addition einer Gleichspannung C liegen bei B und D das überlagerte und das direkte Signal gleichzeitig zur Verarbeitung vor.
Fig. 3 zeigt die Abhängigkeit des gemessenen Kontrastes von der Rauheit Rq (vertikaler Oberflächenparameter) und der Korrelationslänge Xa (horizontaler Oberflächenparameter), die als Kurvenparameter erscheint. Die Kurven sind für Rq gezeichnet, gelten jedoch im Prinzip auch für die anderen vertikalen Oberflächenparameter Rz,Ra, usw. Mit zunehmender Rauheit steigen die Kurven zunächst an und fallen nach Überschreiten eines Maximums wieder ab. Es sind zwei Kurvenscharen für jeweils gleiche Korrelationslängen xa1, ,'Xa3 gezeichnet. Die Kurven für t=0 gelten ohne überlagertes Gleichlicht, gemessen an Detektor 15b über Spiegelhälfte 9b; die Kurven für t=1,4 gelten für eine starke Gleichlichtüberlagerung durch Spiegel 9a gemessen mit Detektor 15a.
Fig. 3 zeigt, daß in doppellogarithmischer Darstellung alle Kurven im Bereich zwischen Rq o,1 Sm und Rqw 10m dieselbe Steigung haben. Daher ist der Quotient Co zu Cm mit guter Näherung unabhängig von R und nur eine Funktion q von xa und den bekannten Parameter PGi des Gerätes und PLi des Lichtes. Daher kann xa aus empirisch aufgenommenen Kennlinienfeldern (Schritt I und II in Fig. 3) oder durch Ausdrücke der Form bestimmt werden, indem Co und Cm simultan durch Detektor 15a und Detektor 15b gemessen würden und in Gleichung (1) eingesetzt werden. Die Parameter PGi und PLi und der funktionale Zusammenhang können empirisch durch Aufnahme von Kennlinienfeldern oder theoretisch bestimmt werden.
Mit gegebenem Xa ist jedoch die für die jeweilige Oberfläche zutreffende Kurve aus der Kurvenschaar (gegebenenfalls über eine Interpolation) bekannt (Schritt III in Fig. 3) und aus dem gemessenen Kontrast Cm oder Co kann Rq eindeutig bestimmt werden. Auch eine Berechnung ist möglich Rq = f2 (Cm ; xa; PG1,...PGm; PL1,...PLn), (2) oder Rq = f3 ( CO ; xa; PG1,...PGm; PL1,...PLn). (3) Die Beschreibung und Herleitung der mathematischen Ausdrücke kann aus der Theorie oder durch empirische Aufstellung der Kurvenfelder nach Fig. 3 als Kennlinien erfolgen.
Das bisher Beschriebene gilt mit sinngemäßen Abwandlungen auch vom ansteigenden Teil der Kontrastkurven in Fig. 3.
Daher kann der Meßbereich wesentlich erweitert werden.Außerdem ist es nicht mehr notwendig unterschiedliche Kennlinien für die verschiedenen Bearbeitungsverfahren der Oberflächen aufzustellen.
Leerseite

Claims

PATENTANSPRUCHE, Gerät Gerät zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit bei dem teilkohärentes Licht verwendet wird, das in einem Lichtbündel mit einer wählbaren Querschnittsfläche das Objekt (8) bestrahlt, und bei dem das entstehende Helligkeitsmuster (Helligkeitsverteilung) durch eine Relativbewegung zwischen Objekt oder dessen Bild und dem Detektor oder durch eine feststehende Detektormatrix abgetastet wird, wobei die Abtastöffnungen größer als der nominale Speckledurchmesser sein können, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel 9 in Bezug auf den Strahlquerschnitt geteilt ist und unterschiedliche Reflexionsgrade hat, insbesondere, daß eine Hälfte nichreflektierend oder sehr schwach reflektierend ausgebildet ist und daß der Detektor als Detektorpaar (15a, 15b) ausgebildet ist, derart, daß der eine Detektor (15b) nur Licht empfängt, das aus der einen Spiegelhälfte kommt, und der andere nur Licht empfängt, das aus der anderen Spiegelhälfte kommt, und daß im Falle einer Detektormatrix korrespondierende Detektorpaare (15au und 15bi) vorgesehen sind.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet ,daß die nichtreflektierende Hälfte (9b) des Spiegela (9) als Lichtfalle ausgebildet ist.
3 4 Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Hälfte (9a) des Spiegels (9) aus demselben Werkstoff wie die zu prüfenden Oberflächen, jedoch spiegelnd poliert mit vernachlässigbarer Rauheit hergestellt ist.
4. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlschwächer in Bezug auf den Strahlquerschnitt unterschiedliche Schwächungsgrade für die Intensität des durchgelassenen Lichtes hat, insbesondere, daß eine Querschnittshälfte (1 Ob), die mit dem Detektor (1.5b) korrespondiert, keine überlagerte Intensität zuläßt, und die andere Querschnittshälfte (10a) in ihrer Transparenz wählbar ist.
5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die eine Hälfte des Querschnitts des Strahlschwächers (15b) als Lichtfalle ausgebildet ist.
6. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung des überlagerten Gleichlichtes durch eine dem Detektorstrom des Detektors oder den Strömen der Detektoren einer Matrix überlagerten Gleichströme erzeugt wird.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirkung des überlagerten Gleichlichtes im Auswerterechner durch hinzuaddierte Rechenwerte erzeugt wird.
8. Gerät nach Anspruch 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß die in DE-OS 30 20 044 beschriebenen und gezeichneten Vereinfachungen (dortige Bilder la bis 1 f) sinngemäß angewendet werden.