DE3408106C2

DE3408106C2 -

Info

Publication number: DE3408106C2
Application number: DE19843408106
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr.-Phil. 7923 Koenigsbronn De Weber
Original assignee: Erwin Sick Optik-Elektronik 7808 Waldkirch De GmbH
Current assignee: Erwin Sick Optik-Elektronik 7808 Waldkirch De GmbH
Priority date: 1984-03-05
Filing date: 1984-03-05
Publication date: 1989-01-19
Also published as: DE3408106A1

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Bestimmung von Fehlern auf Oberflächen von Gegenständen nach dem Oberbe griff des Patentanspruchs 1.

Bei einer bekannten optischen Rauheitssonde mit einer linearen Photowandleranordnung (DE-OS 30 37 622) ist eine Rauhigkeitsmessung lediglich an einer einzigen Stelle des Objekts möglich. Zur Ermittlung der Rauhigkeit an mehreren Stellen muß das gesamte Gerät entlang der Oberfläche des Gegenstandes mechanisch vorbeigeführt werden, was nicht nur Aufwand an mechanischen Führungsmitteln erfordert, sondern es auch unmöglich macht, relativ schnell hintereinander an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche des Gegenstandes Rauhigkeitsmessungen vorzunehmen.

Weiter ist bereits eine Meßanordnung zur automatischen Prüfung der Oberflächenbeschaffenheit und Ebenheit einer Werkstückober fläche bekannt (DE-PS 22 56 736), welche jedoch nach dem Licht schnittverfahren arbeitet, bei dem auf der Empfängeranordnung das durch Höhenunterschiede im Objekt versetzt erscheinende Bild eines Lichtflecks erzeugt wird. Mit dieser Anordnung läßt sich nicht gleichzeitig eine Fehler- und Rauheitsbestimmung durchführen.

Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Fehlersuche bei bewegten Materialbahnen (DE-OS 26 11 539), bei dem eine Materialbahn quer zu ihrer Bewegungsrichtung von einem fest stehenden Abtastgerät zeilenförmig optisch abgetastet wird. Das von der Materialbahn reflektierte Licht wird von einer Fehler-Lichtempfangsvorrichtung aufgenommen, die ein für Feh ler der Materialbahn an der Auftreffstelle des Laserstrahls repräsentatives elektrisches Signal abgibt.

Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine optische Vorrich tung zur Bestimmung von Fehlern auf Oberflächen von Gegen ständen der eingangs genannten Gattung zu schaffen, mit der über die gleiche Abtasteinrichtung und über die gleichen optischen Elemente zusätzlich an jeder Stelle dieser Ober fläche auch deren Rauheit bestimmt werden kann.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des kennzeich nenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Auf diese Weise können mit ein und derselben optischen Vorrichtung sowohl Fehler als auch die Rauheit der Oberfläche einer durchlaufenden Materialbahn bestimmt werden. Der zweite, größere Lichtfleck soll einerseits groß genug sein, um innerhalb des Lichtflecks einen Mittelwert über das Rauheitsprofil bilden zu können, damit das Rauheitssignal nicht durch örtliche Schwankungen der Feinstruktur zu stark beeinflußt wird. Auf der anderen Seite braucht der Licht fleck nicht besonders groß zu sein, um durch die Integra tion der Signale von unmittelbar benachbarten Abtaststellen die zur Schaffung eines verläßlichen Rauheitssignals erforder liche Mittelwertbildung zu bewirken. Der für die Fehlerermitt lung erzeugte Lichtfleck ist dagegen von vornherein so klein wie möglich zu halten, um auch kleinste Fehler noch nachweisen zu können.

Besonders einfach ist die Messung der Rauheit mit einer line aren Photowandleranordnung, die sich senkrecht zu der Abtast richtung erstreckt, d. h. daß sie das an in Abtastrichtung verlaufenden, den Lichtfleck enthaltenden Elementarflächen gestreute Licht nach Streuwinkeln geordnet empfängt. Die Rau heit wird dann nur senkrecht zur Abtastrichtung gemessen. Eine derartige Vorrichtung ist für rauhe Oberflächen ohne Vorzugs richtung ausreichend.

Soll dagegen bei rauhen Oberflächen mit von der Bearbeitung erzeugter Vorzugsrichtung die Lichtstreuung in mehreren Rich tungen erfaßt werden, so ist eine zweidimensionale Photowand leranordnung erforderlich.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind durch die Unter ansprüche gekennzeichnet.

Zweckmäßigerweise können Fehler auch mit der Photowandleran ordnung für die Rauheitsmessung erfaßt werden. Läuft der grö ßere Lichtfleck über einen Fehler, z. B. Kratzer, so ändert sich für den Augenblick des Durchlaufs die Energieverteilung auf der Photowandleranordnung, indem die äußeren Empfänger senkrecht zur Kratzerrichtung einen Lichtblitz registrieren. Für diese Fehlererfassung kann es auch vorteilhaft sein, um die Empfänger anordnung für die Rauheitsmessung herum weitere Photoempfänger speziell zur Fehlererfassung anzuordnen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeich nung beschrieben; in dieser zeigt

Fig. 1 eine schematische Vorderansicht einer Vorrichtung zur Bestimmung von Fehlern und der Rauheit von Ober flächen,

Fig. 2 eine schematische Draufsicht des Gegenstandes der Fig. 1 mit einer in Autokollimation arbeitenden Licht empfangsvorrichtung,

Fig. 2a eine perspektivische Ansicht der Photowandleranord nung aus Fig. 2,

Fig. 3 eine schematische Seitenansicht des Gegenstandes der Fig. 1,

Fig. 4 eine andere Ausbildung der Lichtempfangsvorrichtung mit Empfangshohlspiegel in einer Ansicht analog Fig. 3,

Fig. 5 nur den zur Rauheitsbestimmung dienenden Teil einer Vorrichtung zur Bestimmung von Fehlern, der mit einem einzigen Hohlspiegel mit Spiegelrad und Photowandler anordnung im Krümmungsmittelpunkt arbeitet,

Fig. 6 eine Fehler-Lichtempfangsvorrichtung mit einem Licht leistab und Rauheitsmeßvorrichtung mit Fresnel-Linsen- Streifen, in deren Brennebene die Photowandleranord nung liegt,

Fig. 7 eine Seitenansicht nur des für die Rauheitsbestimmung dienenden Teils einer Lichtablenkvorrichtung mit tele zentrisch benutzter Linse als Sendeoptik und einer Linse mit einer Photowandleranordnung in deren Brenn ebene und

Fig. 8 eine Ansicht des Gegenstandes der Fig. 7 von oben.

Nach den Fig. 1 bis 3 erzeugt ein Laser 14 über eine Strahl aufweitungsoptik 20 und einem Umlenkplanspiegel 21 einen Lichtfleck auf dem Umfang eines eine periodische Lichtab lenkvorrichtung bildenden Spiegelrades 15. Das Spiegelrad 15 dreht sich in Richtung des in Fig. 1 dargestellten Pfeiles und erzeugt somit einen einen Sektor überstreichenden Abtast lichtstrahl 22, welcher entweder unmittelbar auf die Ober fläche 16 einer Materialbahn auftreffen kann oder nach den Fig. 1 bis 3 über einen streifenförmigen Hohlspiegel 23, in dessen Brennpunkt die Oberfläche des Spiegelrades 15 angeordnet ist, und einen streifenförmigen Umlenkplan spiegel 24 als parallel zu sich selbst verschobener Fahrstrahl 25 auf die Oberfläche 16 der Materialbahn auftrifft. Der Lichtfleck 13 führt in Richtung des Pfeiles f in Fig. 1 eine periodische Abtastbewegung über die Oberfläche der Bahn 16 aus und erzeugt dabei einen Lichtstrich bzw. ein Lichtband 11. Nach den Fig. 2 und 3 sind das Spiegelrad 15, der Hohlspiegel 23 und der Umlenkplanspiegel 24 gegeneinander versetzt und bilden zusammen einen Z- Strahlengang, damit die abtastenden Lichtbündel nicht durch die optischen Bauteile behin dert werden.

Zwischen dem Laser 14 und der Strahlaufweitungsoptik 20 ist ein teildurchlässiger Spiegel 26 im Laserstrahl angeordnet, welcher einen abgezweigten Teil lichtstrahl 38 über einen weiteren Umlenkplanspiegel 27 in der aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise schräg auf den Umlenkspiegel 21 und das Spiegelrad 15 auftreffen läßt. Damit dieser Teillichtstrahl 38 die Bahn erreicht, müssen der Hohlspiegel 23 und der Umlenk planspiegel 24 in der aus Fig. 2 und 3 ersichtlichen Weise zunehmend breiter ausgebildet sein.

In der Nähe der Oberfläche 16 der Materialbahn und nahe dem Lichtfleck 13 bzw. des Abtastlichtstriches 11 ist ein Sende-Streifenspiegel 17 angeordnet, welcher den durch den Teilerspiegel 26 erzeugten Teillichtstrahl 38 unter einem Winkel von ca. 60° (Fig. 3) auf die Oberfläche der Bahn 16 in der Nähe des Lichtfleckes 13 auftreffen läßt, der durch den normalen Fahrstrahl 25 erzeugt ist. Auf diese Weise wird ein zweiter, größerer Lichtfleck 13′ neben dem ersten Lichtfleck 13 gebildet.

Unmittelbar oberhalb des Lichtstriches 11 ist unter einem für die Fehlerfeststellung zweckmäßigen Winkel eine Fehler- Lichtempfangsvorrichtung 29 angeordnet, welche nach Fig. 3 aus einer Zylinderlinse und einem Lichtleitstab besteht, deren Achsen senkrecht auf der Zeichnungsebene der Fig. 3 stehen. Die Fehler-Lichtempfangsvorrichtung 29 erstreckt sich also parallel zu dem Sende-Streifenspiegel 17 bzw. dem Lichtstrich 11. Die Fehler-Lichtempfangsvorrichtung 29 liefert ein elektrisches Ausgangssignal, das durch ei nen oder zwei photoelektrische Wandler an den Stirn seiten des Lichtleitstabes erzeugt wird.

Das von dem Lichtfleck 13′ erzeugte Streulicht wird von einem auf der ent gegengesetzten Seite des Lichtstriches 11 angeordneten Empfangs-Streifenspiegel 18 aufgenommen und in der in gestrichelten Linien in Fig. 2 und 3 angedeuteten Weise über den Umlenkplanspiegel 24 und den Hohlspiegel 13 auf das Spiegelrad 15 zurückgeleitet.

Hinter dem Umlenkspiegel 21 lenkt nach Fig. 2 ein weiterer, Umlenkspiegel 30 das Empfangslicht über eine Linse 31 auf eine Photowandleranordnung 12, die aus zahlreichen Einzel photoempfängern besteht, die unmittelbar nebeneinander in einer Fläche angeordnet sind. Der Brennpunkt der Linse 31 befindet sich auf der Photowandleranordnung 12, wodurch das unter unterschiedlichen Winkeln von dem Lichtfleck 13′ aus gehende Licht an unterschiedlichen Stellen auf die Photo wandleranordnung 12 auftrifft. Die Einzelphotoempfänger der Photowandleranordnung 12 liefern also der Rauhigkeit der Ober fläche 16 entsprechende elektrische Signale an eine nicht dargestellte Auswerteelektronik.

Nach Fig. 2a sind die Einzelwandler der Photowandleranordnung 12 gemäß einem zweidimensionalen Flächenmuster angeordnet.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4 bezeichnen gleiche Bezugzahlen entsprechende Teile wie in dem Ausfüh rungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 3.

Das unmittelbar von dem Lichtfleck 13 reflektierte Fehler licht wird über einen streifenförmigen Empfängerhohlspie gel 32, der sich senkrecht zur Zeichnungsebene der Fig. 4 erstreckt, über einen streifenförmigen Umlenkplanspiegel 33 zu einer im Brennpunkt des Hohlspiegels 32 liegenden Fehler-Lichtempfangsvorrichtung 29 mit zentraler Blende und einem Photomultiplier gelenkt.

Unter dem Ausfallswinkel von etwa 60° ist der Empfän ger-Streifenspiegel 18 angeordnet, der das von ihm aufgenom mene Streulicht zu einem weiteren Umlenkplanspiegel 34 lenkt, der das Streulicht zum Empfangshohlspiegel 32 leitet. Der Hohl spiegel 32 bildet den Lichtfleck 13′ ebenfalls über den weiteren Umlenkspiegel 33 und einen Auslenkspiegel 35 und eine Zylinderlinse 36 auf der linearen Photowandleranord nung 12 ab, welche sich ebenfalls im Brennpunkt des Empfangs hohlspiegels 32 befindet. Auch auf diese Weise lassen sich das Fehler- und das Rauhigkeitssignal voneinander trennen.

Nach Fig. 3 wird auf der Sendeseite der für die Rauhigkeitsmessung verwen dete Teillichtstrahl 38 mit einer eigenen Optik 40 so aufgeweitet, daß der vom Teillichtstrahl 38 erzeugte Lichtfleck 13 wesentlich größer ist als der vom Fahrstrahl 25 erzeugte und der Fehler feststellung dienende Lichtfleck 13 an etwa gleicher Stelle.

Mit der beschriebenen Vorrichtung kann somit bei spielsweise bei Metalloberflächen gleichzeitig eine Fehler ermittlung und eine Rauheitsmessung erfolgen. Zur Fehler feststellung wird die Bahn zweckmäßig in Richtung des Pfei les F in Fig. 3 und 4 kontinuierlich bewegt. Auf diese Weise kann auch eine kontinuierliche Rauheitsmessung erfolgen.

Außer dem auf das Spiegelrad 15 in einer Radialebene unter einem vorbestimmten Winkel auf treffenden Mittelstrahl 37 der den durch relativ steil auf die Oberfläche 16 auftreffendes Licht gebildeten Licht strich 11 für die Fehlerabtastung bildet, ist also ein unter einem flacheren Winkel auftreffender Teillicht strahl 38 vorgesehen, der über Sende-Streifenspiegel 17 auf die Oberfläche 16 trifft.

Grundsätzlich kann für den Teillichtstrahl 38 eine gesonderte Lichtquelle vorgesehen sein. Man wählt dann zweckmäßig eine Strahlungsquelle, die in einem anderen Spektralbereich als der Laser 14 emittiert. Entsprechend werden auch mit Filtern die beiden Empfangseinrichtungen selektiv gemacht. So ist es dann ohne gegenseitige Störung möglich, die beiden Lichtflecke für Rauheitsmessung und Fehlersuche auch direkt aufeinanderzulegen.

Bei der Wahl der Breite des Umlenkplanspiegels 24 und des Sendehohlspiegels 23 muß auch darauf geachtet werden, daß die Apertur für die Aufnahme von Streulicht über den Empfangs- Streifenspiegel 18 ausreichend groß ist. Dementsprechend breit muß auch der Umlenkspiegel 30 nach Fig. 2 ausgebildet sein.

Auch in den folgenden Ausführungsbeispielen bezeichnen gleiche Bezugszahlen entsprechende Teile wie in den vorangehenden Figuren.

Nach Fig. 5 befindet sich die den Sendelichtstrahl 22 reflek tierende Oberfläche des Spiegelrades 15 im Krümmungs-Mittelpunkt M ei nes Hohlspiegel-Streifens 23, der über den Umlenkspiegel 17, die Oberfläche der Materialbahn 16 und den weiteren Umlenkspie gel 18 in der aus Fig. 5 ersichtlichen Weise beaufschlagt wird. Das vom Spiegelstreifen 23 reflektierte Licht gelangt über einen weiteren Umlenkspiegel 18′ zur Photowandleranordnung 12, die sich ebenfalls optisch im Krümmungs-Mittelpunkt M′ des Spiegelstreifens 23 be findet. Sowohl das Spiegelrad 15 als auch die Photowandleranord nung 12 befinden sich also optisch im Krümmungsmittelpunkt des sphärischen Hohlspiegelstreifens 23, so daß der Auftreffpunkt des Sendelichtstrahls 22 auf das Spiegelrad 15 in die Photowandleranordnung 12 abgebildet wird.

Nach Fig. 6 werden der ebenso wie bei dem Ausführungsbei spiel nach den Fig. 1 bis 4 erzeugte Abtaststrahl 25 und der Teillichtstrahl 38 auf die Oberfläche 16 der Materialbahn gerich tet, um dort zwei nebeneinanderliegende Lichtflecke 13, 13′ zu erzeugen. Der der Fehlersuche dienende Abtaststrahl 25 beauf schlagt die Fehler-Lichtempfangsanordnung 29. Im Unterschied zu den vorangehenden Ausführungsformen ist hier die Zylinderlinse bei 29′′ abgedeckt. Dadurch werden die zentralen reflektierten Strahlen ausgeblendet und es wird nur senkrecht zu dem Blendenstreifen 29′′ gestreutes Licht als Fehler registriert.

Die unter flacherem Winkel angeordnete Photowandleranordnung 12 für die Rauheitsmessung wird von einer streifenför migen sphärischen Fresnel-Linse 29 beaufschlagt, wobei die Streifen länge größer als die Länge der Abtastspur ist. In der Brennebene der Fresnel-Linse 29′ befindet sich die Photowandleranordnung 12, die zur Verdeutlichung übergroß dargestellt ist.

Das Ausführungsbeispiel nach den Fig. 7 und 8 arbeitet mit einer telezentrisch benutzten Linse 10 im Sendestrahlen gang. Vom Spiegelrad 15 empfängt die telezentrische Linse 10 das parallele Laserbündel. Unter einem Winkel von 45° wird das Sendelicht von der Linse 10 auf die Oberfläche 16 der Materialbahn gelenkt, wo der Lichtfleck 13′ ent steht. Unter einem Ausfallswinkel von 45° ist die Empfän gerlinse 29′ angeordnet, welche das vom Lichtfleck 13′ kom mende Licht auf der Photowandleranordnung 12 konzentriert. Der Übersichtlichkeit halber ist hier wie bei Fig. 5 nur der der Rauheitsmessung dienende Teil der Anordnung gezeigt.

Claims

1. Optische Vorrichtung zur Bestimmung von Fehlern auf Ober flächen von Gegenständen, bei der ein Laserstrahl über eine Strahlaufweitungsoptik und eine periodische Lichtablenkvor richtung unter steilem Winkel auf die Oberfläche auftrifft und diese quer zu deren Bewegungsrichtung abtastet und das von Fehlern gestreute Licht in einer Fehler-Lichtempfangs vorrichtung nachgewiesen wird, dadurch gekenn zeichnet, daß zur gleichzeitigen Messung der Ober flächenrauheit durch einen strahlteilenden Spiegel (26) ein zweiter Strahl (38) erzeugt wird, der über eine Strahl-Aufwei tungsoptik (20, 40), über die Lichtablenkvorrichtung (15) und über einen Sende-Streifenspiegel (17) unter vergleichsweise flacherem Winkel auf die Oberfläche fällt und dort einen zweiten, größeren Lichtfleck (13′) bildet, der die Ober fläche quer zu deren Bewegungsrichtung abtastet, und daß das vom zweiten Lichtfleck (13′) rückgestreute Licht ruhend und nach Streuwinkeln getrennt auf eine aus Einzelphotoempfängern aufgebaute Photowandleranordnung (12) abgebildet wird, die sich parallel und senkrecht zur Abtastrichtung erstreckt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß auf der entgegengesetzten Seite des Lichtfleckes (13′) wie der Sende-Streifenspiegel (17) ein Empfangs-Streifenspiegel (18) angeordnet ist, der das regulär reflektierte und diesem Ausfallswinkel benachbarte, gestreut reflektierte Licht aufnimmt und über einen streifen förmigen Hohlspiegel (23), die Lichtablenkvorrichtung (15) und eine Linse (31) zur Photowandleranordnung (12) lenkt.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines strei fenförmigen Sendehohlspiegels (23) und eines länglichen Umlenk planspiegels (24) zur Bildung eines parallel zu sich selbst verschobenen Fahrstrahls (25) der Sendehohlspiegel (23) und der Umlenkplanspiegel (24) zur Erfassung auch des für die Rau heitsmessung verwendeten Seitenstrahles (38) zunehmend breiter ausgebildet sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die Lichtablenkvorrichtung (15) und Photo wandleranordnung (12) optisch je unmittelbar neben dem Krümmungsmittelpunkt desselben Hohlspiegels (23) angeord net sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß das Sendelicht über ein dioptrisches System, vorzugsweise in telezentrischer Anordnung, auf den Gegenstand projiziert und das Empfangslicht durch eine Linse (29′), vorzugsweise einen Linsenstreifen, auf der in deren Brennebene angeordneten Photowandleranordnung (12) gesammelt wird.

6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrich (11) zur Fehlersuche mit Laserlicht einer ersten Wellenlänge (λ ₁) er zeugt wird, während der unter flacherem Winkel erzeugte Licht fleck (13′) zur Rauheitsmessung mit dem Licht einer anderen Lichtquelle mit einer zweiten Wellenlänge (λ ₂) gebildet wird.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, daß vor der Empfängeranordnung für die Fehlersuche ein Filter angeordnet ist, das die erste Wellen länge (λ ₁) durchläßt und die zweite Wellenlänge (λ ₂) sperrt, während vor der Photowandleranordnung (12) für die Rauheitsmessung (λ ₂) und Sperrbereich bei der ersten Wellenlänge (g ₁) ange ordnet ist.