DE3532690A1 - Method for measuring the surface roughness of workpieces, and an apparatus for carrying it out - Google Patents

Method for measuring the surface roughness of workpieces, and an apparatus for carrying it out

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DE3532690A1 DE19853532690 DE3532690A DE3532690A1 DE 3532690 A1 DE3532690 A1 DE 3532690A1 DE 19853532690 DE19853532690 DE 19853532690 DE 3532690 A DE3532690 A DE 3532690A DE 3532690 A1 DE3532690 A1 DE 3532690A1
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Ulrich Breitmeier
Manfred Dr Rueff
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    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • 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

Abstract

An apparatus for the contact-free measurement of the roughness of a workpiece surface (14) has a measurement head (10) which images an illuminating light beam (12) on the workpiece surface (14) and images a measurement light beam (18), reflected back therefrom, on a photoelectric transducer (40) which has a plurality of transducer elements arranged in the form of a matrix. A compression circuit (70) converts the output signal packet of the transducer (40), which is dependent on two position coordinates, into a one-dimensional signal sequence, and a fractal signal for the latter is calculated in a fractal computation loop (74). An address computation loop (80) converts the latter into an addressing signal by means of which an associated roughness signal is read out of a characteristic memory (78). <IMAGE>

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit von Werkstücken gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 sowie ein Gerät zu seiner Durchführung.The invention relates to a method for measuring the surface roughness of workpieces according to the preamble of Claim 1 and a device for its implementation.

Ein Verfahren der oben angesprochenen Art ist in der DE-OS 30 20 044 beschrieben. Bei diesem bekannten Verfahren wird teilkohärentes Licht verwendet, wobei dem Meßlicht zusätzlich inkohärentes Licht überlagert wird. Durch die Verwendung von Zusatzlicht wird aber dieses bekannte Verfahren gleichzeitig empfindlich gegen sonstiges Streulicht aus der Umgebung.A method of the type mentioned above is in the DE-OS 30 20 044 described. In this known method partially coherent light is used, the measuring light additionally incoherent light is superimposed. Through the However, this known method is used with additional light at the same time sensitive to other stray light from the area.

Durch die vorliegende Erfindung soll ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 geschaffen werden, welches unempfindlich gegen Zusatzlicht ist.The present invention is intended to provide a method according to the preamble of claim 1 are created, which is insensitive to additional light.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1.According to the invention, this object is achieved by a method according to claim 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt die Auswertung der gemessenen Intensitätsverteilung des von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Meßlichtes unter Umsetzung der für verschiedene Raumpunkte erhaltenen Signale in eine eindimensionale Sigalfolge, aus welcher dann das sogenannte Fraktalsignal erzeugt wird. Wie aus der nachstehenden Beschreibung noch deutlicher hervorgehen wird, ist das Fraktalsignal ein Maß für die Unstetigkeit der Werkstückoberfläche, wobei bei seiner Berechnung ein konstanter Untergrund der ausgemessenen Intensitätsverteilung automatisch unberücksichtigt bleibt. Das Fraktalsignal für ein bestimmtes räumliches Intensitätsmuster hängt sowohl von der Oberflächenrauheit der Werkstückoberfläche als auch von der Geometrie des Strahlenganges ab, sodaß erfindungsgemäß die Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal unter Verwendung einer für die betrachtete Geometrie anhand von Prüfflächen bekannter Oberflächenrauheit ermittelten Kennlinie erfolgt.The evaluation is carried out in the method according to the invention the measured intensity distribution of the from the workpiece surface reflected measurement light implementing the signals obtained for different spatial points in a one-dimensional Sigal sequence, from which the so-called Fractal signal is generated. As from the description below the fractal signal will be even clearer a measure of the discontinuity of the workpiece surface, with its calculation a constant background the measured intensity distribution automatically remains unconsidered. The fractal signal for a particular one spatial intensity pattern depends both on the surface roughness of the workpiece surface and on the Geometry of the beam path, so that according to the invention  Conversion of the fractal signal into the roughness signal below Use one for the considered geometry based on Test surfaces of known surface roughness determined characteristic he follows.

Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich gut zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit bei der Qualitätskontrolle in hohen Stückzahlen hergestellter Werkstücke.The method according to the invention is well suited for contactless Measurement of surface roughness in quality control Workpieces manufactured in large numbers.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen angegeben.Advantageous developments of the invention are in others Claims specified.

Wird zur Ausmessung des Meßlicht-Intensitätsmusters ein Festkörperwandler verwendet, welcher matrixartig angeordnete einzelne Wandlerelemente aufweist, so können gemäß Anspruch 2 die Ausgangssignale der Wandlerelemente derart in eine eindimensionale Signalfolge umgesetzt werden, daß in der linearen Signalfolge benachbarte Meßwerte benachbarten Flächenbereichen des Wandlers und damit des Meßlicht-Intensitätsmusters entsprechen.Is used to measure the measurement light intensity pattern Solid-state converter used, which arranged in a matrix has individual converter elements, so according to claim 2 the output signals of the converter elements in such a way a one-dimensional signal sequence are implemented that in measurement values adjacent to the linear signal sequence Surface areas of the transducer and thus the measuring light intensity pattern correspond.

Das Verfahren gemäß Anspruch 4 läßt sich mit einer besonders einfach aufgebauten digitalen Auswerteschaltung durchführen. Da mit den gemessenen Signalen keine aufwendigen Rechenoperationen durchgeführt werden, läßt sich so die Auswertung auch besonders rasch durchführen.The method according to claim 4 can be particularly perform a simple digital evaluation circuit. Because with the measured signals no complex Arithmetic operations can be carried out, so the Carry out the evaluation particularly quickly.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 ist im Hinblick auf ein einfaches Umsetzen des Fraktalsignales in eine digitale Anzeige und im Hinblick auf den einfachen Austausch von Kennlinien von Vorteil.The development of the invention according to claim 7 is in With regard to a simple conversion of the fractal signal into a digital display and in terms of simple Exchange of characteristics is an advantage.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 8 kann man Änderungen in der Geometrie des Strahlenganges, wie sie sich aufgrund nicht exakter Positionierung der Werkstückoberfläche bezüglich der Beleuchtungs- und Meßoptik ergeben, durch Anpassung der zur Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendeten Kennlinie Rechnung tragen.With the development of the invention according to claim 8 can one changes in the geometry of the beam path as they due to inexact positioning of the workpiece surface regarding the lighting and measuring optics, by adjusting the to implement the fractal signal in  take into account the characteristic used for the roughness signal.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 10 wird erreicht, daß unerwünscht große Abweichungen in der jeweils erhaltenen Strahlengeometrie automatisch kompensiert werden.With the development of the invention according to claim 10 achieved that undesirable large deviations in each beam geometry obtained are automatically compensated.

Die Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 11 dient der Ermittlung und Berücksichtigung der momentanen Kenndaten von Lichtquelle und Wandler.The development of the invention according to claim 11 is used the determination and consideration of the current characteristic data of light source and converter.

Ein Gerät, wie es im Anspruch 12 angegeben ist, hat besonders kompakten und einfachen Aufbau.A device as specified in claim 12 has particular compact and simple construction.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 13 wird eine starke optische Vergrößerung des ausgemessenen Bereiches der Werkstückoberfläche bei geringen Gesamtabmessungen des verwendeten Meßkopfes sowie eine großer Abstand zwischen Wandler und Werkstück erhalten.With the development of the invention according to claim 13 a strong optical enlargement of the measured area the workpiece surface with small overall dimensions of the measuring head used and a large distance between Get transducer and workpiece.

Ein Gerät gemäß Anspruch 15 eignet sich besonders gut zur Messung über einen großen Bereich der Oberflächenrauheit, wobei das kurzwellige Licht in erster Linie für kleine Rauheit, das langwellige Licht in erster Linie für große Rauheit die Messung trägt.A device according to claim 15 is particularly suitable for Measurement over a wide range of surface roughness, the short-wave light primarily for small roughness, the long-wave light primarily for great roughness carries the measurement.

Handelsübliche Festkörper-Bildwandler haben sehr eng benachbarte Wandlerelemente, deren Abstand typischerweise bei etwa 10 µ liegt. Man kann daher die Flankensteilheit in der Pegeländerung der Meßpunktfolge, die der Steilheit der Hell/Dunkelübergänge in der Beobachtungsebene entspricht, gemäß Anspruch 18 zur Kontrolle der Fokussierungsbedingungen verwenden.Commercial solid-state image converters have very close neighbors Transducer elements, whose spacing is typically around Is 10 µ. You can therefore see the slope in the level change the measuring point sequence, the steepness of the light / dark transitions corresponds in the observation plane, according to claim Use 18 to check focus conditions.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 19 wird die Fokuskontrolle bei nur geringem zusätzlichem baulichem Aufwand erhalten.With the development of the invention according to claim 19 the focus control with little additional structural Get effort.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:The invention is described below using exemplary embodiments  explained in more detail with reference to the drawing. In this show:

Fig. 1: Eine schematische Darstellung eines Gerätes zur berührungslosen Bestimmung der Oberflächenrauheit eines Werkstückes, wobei ein Meßkopf geschnitten wiedergegeben ist und eine elektronische Auswerteschaltung als Blockschaltbild dargestellt ist; Fig. 1: A schematic representation of a device for contactless determination of the surface roughness of a workpiece, wherein a measuring head is shown in section and an electronic evaluation circuit is shown as a block diagram;

Fig. 2 bis 5: verschiedene graphische Darstellungen, anhand derer die Ableitung eines die Unstetigkeit des Meßlicht-Intensitätsmusters charakterisierenden Fraktalsignales von einer eindimensionalen Signalfolge erläutert wird, welche aus dem Meßlicht- Intensitätsmuster abgeleitet ist; Figures 2 to 5: various graphs based on which the derivative of the discontinuity measuring light intensity pattern is explained characterizing Fraktalsignales of a one-dimensional signal sequence of which is derived from the intensity pattern Meßlicht-;.

Fig. 6: Grapische Darstellungen von Kennlinien, wie sie in einem Kennlinienspeicher des Gerätes nach Fig. 1 abgelegt sind; Fig. 6: Grapische representations of characteristics as they are stored in a characteristic memory of the device of FIG. 1;

Fig. 7: Eine axiale Aufsicht auf den Wandler des in Fig. 1 gezeigten Gerätes, in welche der Abtastweg für die einzelnen Wandlerelemente eingezeichnet ist; Fig. 7: An axial plan view of the transducer of the device shown in Fig. 1, in which the scanning path for the individual transducer elements is shown;

Fig. 8: Eine eindimensionale Signalfolge, welche durch Abtasten der Wandlerelemente längs des in Fig. 7 gezeigten mäanderähnlichen Weges erhalten wird; und Fig. 8: A one-dimensional signal sequence which is obtained by scanning the transducer elements along the meandering path shown in Fig. 7; and

Fig. 9: eine Fokussierungskontrolleinrichtung zur Verwendung an dem in Fig. 1 gezeigten Gerät. FIG. 9: a focus control device for use on the device shown in FIG. 1.

Das in Fig. 1 gezeigte Meßgerät hat einen insgesamt mit 10 bezeichneten Meßkopf, welcher ein Beleuchtungslichtbündel 12 auf die rauhe Oberfläche 14 eines Werkstückes 16 richtet und ein von de Oberfläche 14 zurückgeworfenes Meßlichtbündel 18 aufnimmt. Der Maßkopf 10 erzeugt elektrische Signale, welche der räumlichen Intensitätsverteilung des Meßlichtes in einer Beobachtungsebene entsprechen, und diese Signale werden in einer insgesamt mit 20 bezeichneten Auswerteschaltung in ein der Oberflächenrauheit des Werkstückes zugeordneten Rauheitssignal umgesetzt.The measuring device shown in FIG. 1 has a measuring head, designated overall by 10, which directs an illuminating light bundle 12 onto the rough surface 14 of a workpiece 16 and receives a measuring light bundle 18 reflected from the surface 14 . The measuring head 10 generates electrical signals which correspond to the spatial intensity distribution of the measuring light in an observation plane, and these signals are converted into an roughness signal assigned to the surface roughness of the workpiece in an evaluation circuit, designated overall by 20 .

Der Meßkopf 10 hat ein Gehäuse 22, in dessen dem Werkstück 16 zugewandter Stirnwand ein Objektiv 24 angeordnet ist. Hinter dem Objektiv 24 liegt eine Kollimatorblende 26, welche in ihrem oberen Abschnitt einen Beleuchtuntsspalt 28 und in ihrem unteren Abschnitt eine Meßlichtöffnung 30 aufweist. Der Beleuchtungsspalt 28 ist rechteckig, wobei die lange Rechteckseite in der Zeichenebene liegt und die kurze Rechteckseite senkrecht auf der Zeichenebene steht. In der Praxis kann der Beleuchtungsspalt eine Größe von 5 mm mal 0,4 mm aufweisen. Die Meßlichtöffnung 30 ist ebenfalls im wesentlichen rechteckig, wobei die lange Seite des Rechteckes senkrecht auf der Zeichenebene steht und in der Praxis 17 mm lang sein kann. Die in der Zeichenebene verlaufende kurze Rechteckachse hat in der Praxis eine Länge von 8 mm.The measuring head 10 has a housing 22 , in the end wall of which faces the workpiece 16 a lens 24 is arranged. Behind the lens 24 is a collimator aperture 26 , which has an illumination gap 28 in its upper section and a measuring light opening 30 in its lower section. The lighting gap 28 is rectangular, with the long side of the rectangle lying in the plane of the drawing and the short side of the rectangle perpendicular to the plane of the drawing. In practice, the lighting gap can have a size of 5 mm by 0.4 mm. The measuring light opening 30 is also essentially rectangular, the long side of the rectangle being perpendicular to the plane of the drawing and, in practice, can be 17 mm long. In practice, the short rectangular axis running in the drawing plane has a length of 8 mm.

Mit der Achse des Beleuchtungsspaltes 28 fluchtend ist eine Sammellinse 32 vorgesehen, hinter welcher sich ein Spalt 34 befindet. Letzterer wird von einer Glühlampe 36 her beleuchtet und dient als Lichtquelle.A converging lens 32 is provided in alignment with the axis of the lighting gap 28 , behind which there is a gap 34 . The latter is illuminated by an incandescent lamp 36 and serves as a light source.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, setzt die Sammellinse 32 das vom Spalt 34 ausgehende Licht im wesentlichen in ein Parallel- Lichtbündel um ,welches den Beleuchtungsspalt 28 durchsetzt und vom Objektiv 24 auf die Oberfläche 14 des Werkstückes 16 abgebildet wird. Das Meßlichtbündel 18 wird vom Objektiv 24 in ein schwach konvergierendes Lichtbündel umgesetzt, welches die Meßlichtöffnung 30 durchsetzt und nach Umlenkung durch einen Spiegel 38 auf die Oberfläche eines Wandlers 40 abgebildet wird, welcher unterhalb des Objektives 24 in der Stirnwand des Gehäuses 22 angeordnet ist.As can be seen from FIG. 1, the converging lens 32 essentially converts the light emanating from the slit 34 into a parallel light beam which passes through the lighting slit 28 and is imaged by the lens 24 onto the surface 14 of the workpiece 16 . The measuring light bundle 18 is converted by the objective 24 into a weakly converging light bundle which passes through the measuring light opening 30 and, after deflection, is imaged by a mirror 38 on the surface of a transducer 40 which is arranged below the objective 24 in the end wall of the housing 22 .

Zwischen dem Spiegel 38 und dem Wandler 40 ist in den Strahlengang des Meßlichtbündels 18 ein halbdurchlässiger Spiegel 42 gestellt, welcher einen kleinen Teil des Meßlichtbündels auf eine Photodiode 44 oder ein anderes lichtempfindliches Element abbildet, wobei anstelle eines einzelnen Elementes auch drei oder mehrere derartige in einer Zeile angeordnete Elemente verwendet werden können.Between the mirror 38 and the converter 40 , a semi-transparent mirror 42 is placed in the beam path of the measuring light beam 18 , which images a small part of the measuring light beam onto a photodiode 44 or another light-sensitive element, instead of a single element also three or more of these in one Line arranged elements can be used.

Die Glühlampe 36 ist innerhalb eines aus Blech gefertigten Lampengehäuses 46 angeordnet, welches auf das Gehäuse 22 aufgesetzt ist. Ein Gebläse 48 dient zur Kühlung der Glühlampe 36.The incandescent lamp 36 is arranged within a lamp housing 46 made of sheet metal, which is placed on the housing 22 . A fan 48 serves to cool the incandescent lamp 36 .

Durch die lampenseitige Stirnwand des Gehäuses 22 ist ein im wesentlichen S-förmiger Lichtleiter 50 hindurchgeführt, welcher durch ein Glasfaserbündel gebildet ist. Die Stirnfläche des Lichtleiters 50 ist bündig zur Außenfläche der Gehäusestirnwand, und über das lampenseitige Lichtleiterende kann ein Verschlußteil 52 gestellt werden. Letzteres wird durch einen Elektromagneten 54 betätigt.An essentially S-shaped light guide 50 , which is formed by a glass fiber bundle, is passed through the lamp-side end wall of the housing 22 . The end face of the light guide 50 is flush with the outer surface of the housing end wall, and a closure part 52 can be placed over the lamp-side light guide end. The latter is actuated by an electromagnet 54 .

Vor dem zweiten Ende des Lichtleiters 50 steht ein Spalt 56, welcher rechteckigen Querschnitt hat, wobei die lange Rechteckachse in der Zeichenebene liegt, während die kurze Rechteckachse senkrecht auf dieser steht. Die Spaltabmessungen können in der Praxis 0,5 mm auf 0,1 mm betragen. Der Spalt 56 wird durch eine Linse 58 auf den Wandler 40 abgebildet.In front of the second end of the light guide 50 there is a gap 56 which has a rectangular cross section, the long rectangle axis being in the plane of the drawing, while the short rectangle axis is perpendicular to it. In practice, the gap dimensions can be 0.5 mm to 0.1 mm. The gap 56 is imaged on the converter 40 by a lens 58 .

Wie aus Fig. 7 ersichtlich, hat der Wandler 40 eine Vielzahl in Matrixform angeordneter Wandlerelemente 60, welche einzeln auslesbar sind. Der Wandler 40 kann zum Beispiel ein handelsüblicher Festkörperwandler sein, welcher in x- Richtung und y-Richtung jeweils 256 Wandlerelemente aufweist. Das in Fig. 7 angedeutete Koordinatensystem zur Beschreibung der Lage der Wandlerelemente 60 ist auch in Fig. 1 eingetragen. Die Auswerteschaltung 20 hat eingangsseitig einen Auslesekreis 62, welcher das Auslesen der Ausgangssignale der verschiedenen Wandlerelemente steuert und die erhaltenen Signale zur Weiterverarbeitung speichert. Das Arbeiten des Auslesekreises 62 erfolgt seinerseits gesteuert durch einen Prozeßrechner 64, welcher ein Programm zum vollständigen automatischen Abwickeln einer Messung enthält.As can be seen from FIG. 7, the converter 40 has a multiplicity of converter elements 60 arranged in matrix form, which can be read out individually. The converter 40 can be, for example, a commercially available solid-state converter which has 256 converter elements in each case in the x direction and y direction. The coordinate system indicated in FIG. 7 for describing the position of the converter elements 60 is also entered in FIG. 1. The evaluation circuit 20 has a readout circuit 62 on the input side, which controls the readout of the output signals of the various converter elements and stores the received signals for further processing. The reading circuit 62 in turn is controlled by a process computer 64 which contains a program for the complete automatic processing of a measurement.

Unter Steuerung durch den Prozeßrechner 64 wird zu Beginn einer Messung der Elektromagnet 54 erregt, so daß das Verschlußteil 52 den Lichtleiter 50 freigibt und Licht aus dem Lampengehäuse direkt auf den Wandler 44 gelangt. Gleichzeitig aktiviert der Prozeßrechner 64 einen Referenzspeicher 66, der nun die durch direkte Beleuchtung des Wandler 40 erhaltenen Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 übernimmt. Diese Ausgangssignale sind charakteristisch für die Art und den Alterungszustand von Glühlampe 36 und Wandler 40 und können zur späteren Korrektur der Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 verwendet werden.Under the control of the process computer 64 , the electromagnet 54 is excited at the start of a measurement, so that the closure part 52 releases the light guide 50 and light from the lamp housing reaches the transducer 44 directly. At the same time, the process computer 64 activates a reference memory 66 which now accepts the output signals of the converter elements 60 obtained by directly illuminating the converter 40 . These output signals are characteristic of the type and the aging condition of incandescent lamp 36 and converter 40 and can be used for later correction of the output signals of converter elements 60 .

Nach dem Einlesen des Referenzspeichers 66 beendet der Prozeßrechner 64 die Erregung des Elektromagneten 54, sodaß der Lichtleiter 50 verschlossen ist. Nunmehr wird ein Werkstück 16 in der gezeigten Ausrichtung und Positionierung vor das Objektiv 24 gestellt, die Intensitätsverteilung des Meßlichtes in der durch den Wandler 40 vorgegebenen Beobachtungsebene ist bei vorgegebener Geometrie des Strahlenganges ein Maß für die Rauheit der Oberfläche 14. Gesteuert durch den Prozeßrechner 64 werden nun wieder die Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 vom Auslesekreis 62 ausgelesen und in einem Korrekturkreis 68 gemäß der Empfindlichkeit des Wandlers 40 und dem Alterungszustand der Glühlampe 36 modifiziert. Der Korrekturkreis 68 arbeitet ebenfalls gesteuert durch den Prozeßrechner 64, wie auch weitere Schaltkreise der Auswerteschaltung. Entsprechende Steuerleitungen sind jeweils durch einen Pfeil gekennzeichnet, wobei sich versteht, daß die verschiedenen Steuersignale vom Prozeßrechner gemäß dem Gesamtablauf des Meßprozesses abgegeben werden. After reading in the reference memory 66 , the process computer 64 stops energizing the electromagnet 54 , so that the light guide 50 is closed. A workpiece 16 is now placed in front of the objective 24 in the orientation and positioning shown; the intensity distribution of the measurement light in the observation plane specified by the transducer 40 is a measure of the roughness of the surface 14 given the geometry of the beam path. Controlled by the process computer 64 , the output signals of the converter elements 60 are now read out again by the readout circuit 62 and modified in a correction circuit 68 according to the sensitivity of the converter 40 and the aging state of the incandescent lamp 36 . The correction circuit 68 also works controlled by the process computer 64 , as do other circuits of the evaluation circuit. Corresponding control lines are each identified by an arrow, it being understood that the various control signals are emitted by the process computer in accordance with the overall course of the measuring process.

Die Gesamtheit der vom Korrekturkreis 68 abgegebenen Signale entspricht dem flächigen Intensitätsprofil des Meßlichtes in der Beobachtungsebene. Diese Signale werden in einem Kompressionskreis 70 in eine eindimensionale Signalfolge umgesetzt, wobei unter "eindimensionaler Signalfolge" eine Vielzahl von Meßpunkten verstanden werden soll, welche durch ein Intensitätssignal und ein einziges Koordinatensignal gekennzeichnet sind. Die hier angesprochene Eindimensionalität entspricht somit der Dimension des Meßlicht-Beobachtungsraumes.The entirety of the signals emitted by the correction circuit 68 corresponds to the flat intensity profile of the measuring light in the observation plane. These signals are converted in a compression circuit 70 into a one-dimensional signal sequence, with "one-dimensional signal sequence" being understood to mean a multiplicity of measuring points which are characterized by an intensity signal and a single coordinate signal. The one-dimensionality mentioned here corresponds to the dimension of the measuring light observation room.

Der Kompressionskreis 70 kann derart arbeiten, daß er die vom Korrekturkreis 68 bereitgestellten Signale derart linear ordnet wie dies auch ein Auslesen der Wandlerelemente 60 längs eines mäanderähnlichen Abtastweges 72 (vergleiche Fig. 7) ergeben würde. Die in Fig. 7 gezeigte Abtastlinie 72 entspricht einem sogenannten Hilbert Scanning, wie es im Prinzip bei der automatischen Bilderkennung ebenfalls verwendet wird.The compression circuit 70 can operate in such a way that it sorts the signals provided by the correction circuit 68 linearly, as would also result from reading the transducer elements 60 along a meandering scanning path 72 (cf. FIG. 7). The scanning line 72 shown in FIG. 7 corresponds to a so-called Hilbert scanning, as is also used in principle in automatic image recognition.

Trägt man die (korrigierten) Ausgangssignale der Wandlerelemente 60 über der quasi-eindimensionalen, vielfach abgewinkelten Hilbert-Koordinaten x H auf, so erhält man im obigen Sinne "eindimensionale" Signalfolgen, wie sie in Fig. 8 angedeutet sind.If the (corrected) output signals of the converter elements 60 are plotted over the quasi-one-dimensional, multi-angled Hilbert coordinates x H , "one-dimensional" signal sequences, as indicated in FIG. 8, are obtained in the above sense.

Die auf eine Dimension komprimierten Wandlerausgangssignale gelangen vom Kompressionskreis 70 auf einen Fraktalrechenkreis 74. Letzterer erstellt aus dieser Signalfolge ein Fraktalsignal, welches direkt der Unstetigkeit der eindimensionalen Signalfolge zugeordnet ist, die vom Kompressionskreis 70 abgegeben wird. Nachstehend werden unter Bezugnahme auf die Fig. 2 bis 5 drei verschiedene Weisen der Erzeugung des Fraktalsignales aus der eindimensionalen Signalfolge beschrieben werden. Für die Zwecke der Beschreibung sei angenommen, daß die zusammen eine Messung darstellende eindimensionale Signalfolge aus sieben Meßpunkten S 1 bis S 7 besteht, welche jeweils durch die Intensität I des Meßsignales und eine zugeordnete Koordinate x H gekennzeichnet sind.The transducer output signals compressed to one dimension pass from the compression circuit 70 to a fractal computing circuit 74 . The latter creates a fractal signal from this signal sequence, which is directly assigned to the discontinuity of the one-dimensional signal sequence that is output by the compression circuit 70 . Two different ways of generating the fractal signal from the one-dimensional signal sequence will be described below with reference to FIGS. 2 to 5. For the purposes of the description, it is assumed that the one-dimensional signal sequence representing a measurement consists of seven measuring points S 1 to S 7 , each of which is characterized by the intensity I of the measuring signal and an assigned coordinate x H.

Bei dem ersten Verfahren zur Erzeugung des Fraktalsignales werden die Abstände D 1, D 2 usw. zwischen den aufeinanderfolgenden Meßpunkten berechnet. Zusätzlich wird der Abstand D G zwischen dem ersten und letzten Meßpunkt ermittelt. Hieraus berechnet man BeitragsfaktorenIn the first method for generating the fractal signal, the distances D 1 , D 2 etc. between the successive measuring points are calculated. In addition, the distance D G between the first and last measuring point is determined. Contribution factors are calculated from this

R i = D i / D G R i = D i / D G

welche anschaulich den "Beitrag" eines einzelnen Meßpunktes zum Gesamtverlauf der Messung darstellen. Unter Verwendung dieser Beitragsfaktoren wird die Nullstelle der Funktion bestimmt, wozu die üblichen numerischen mathematischen Lösungsverfahren (z. B. regula falsi, Newton'sches Näherungsverfahren) verwendet werden. Das der Nullstelle der obigen Funktion Q (F) entsprechende Signal ist das schon weiter oben erwähnte Fraktalsignal, welches ein Maß für die Unstetigkeit der vom Kompressionskreis abgegebenen eindimensionalen Signalfolge und damit auch ein Maß für die Unstetigkeit der Oberfläche 14 ist.which clearly represent the "contribution" of a single measuring point to the overall course of the measurement. Using these contribution factors, the zero of the function determines what the usual numerical mathematical solution methods (e.g. regula falsi, Newtonian approximation method) are used for. The signal corresponding to the zero point of the above function Q ( F ) is the fractal signal already mentioned above, which is a measure of the discontinuity of the one-dimensional signal sequence emitted by the compression circuit and thus also a measure of the discontinuity of the surface 14 .

Das Umsetzen des Fraktalsignales in die übliche arithmetische Oberflächenrauheit R a erfolgt unter Verwendung einer für die jeweils verwendete spezielle Strahlengeometrie geltenden Kennlinie, wie sie in Fig. 6 bei 76 gezeigt ist.The conversion of the fractal signal into the usual arithmetic surface roughness R a takes place using a characteristic curve which is valid for the particular beam geometry used, as is shown at 76 in FIG. 6.

Die Kennlinie 76 ist in einem adressierbaren Kennlinienspeicher 78 abgelegt, welcher ein Festwertspeicher sein kann oder ein Schreib/Lesespeicher, welcher beim Einschalten des Gerätes von einem Massenspeicher (Diskette, Magnetplatte oder dergleichen) eingelesen wird. Die Speicherzellen des Kennlinienspeichers 78 enthalten jeweils einen Rauheitswert, der entsprechend der Kennlinie 76 einem bestimmten Fraktalsignal F zugeordnet ist. Entsprechend wird das vom Fraktalrechenkreis 74 abgegebene Fraktalsignal in einem Adreßrechenkreis 80 so umgesetzt, daß der nutzbare Hub des Fraktalsignales dem für die Kennlinie 76 zur Verfügung gestellten Adressenbereich des Kennlinienspeichers 78 entspricht. Das Fraktalsignal F wird so in eine bestimmte Adresse umgesetzt, und der in der entsprechenden Speicherzelle stehende Rauheitswert wird von einer an den Ausgang des Kennlinienspeichers 78 angeschlossenen Anzeigeeinheit 82 ausgegeben.The characteristic curve 76 is stored in an addressable characteristic curve memory 78 , which can be a read-only memory or a read / write memory, which is read from a mass storage device (floppy disk, magnetic disk or the like) when the device is switched on. The memory cells of the characteristic curve memory 78 each contain a roughness value which is assigned to a specific fractal signal F in accordance with the characteristic curve 76 . Correspondingly, the fractal signal emitted by the fractal arithmetic circuit 74 is converted in an address arithmetic circuit 80 such that the usable stroke of the fractal signal corresponds to the address area of the characteristic curve memory 78 made available for the characteristic curve 76 . The fractal signal F is thus converted into a specific address, and the roughness value in the corresponding memory cell is output by a display unit 82 connected to the output of the characteristic curve memory 78 .

Wie oben schon dargelegt, hängt die Form der Kennlinie 76 von der Strahlengeometrie ab. Die Kennlinie 76 gilt meist nur innerhalb eines eingeschränkten Bereiches des Abstands zwischen der Oberfläche 14 des Werkstückes 16 und dem Objektiv 24. Ändert sich dieser Abstand, muß eine andere Kennlinie verwendet werden, zum Beispiel die in Fig. 6 gestrichelt eingezeichnete Kennlinie 84. Ein falscher Abstand zwischen der Oberfläche 14 und dem Objektiv 24 hat zur Folge, daß das vom halbdurchlässigen Spiegel 42 abgelenkte Teilbündel in seitlicher Richtung wandert, so daß sich das Ausgangssignal der Photodiode 44 ändert. Das Ausgangssignal der Photodiode 44 bzw. einer am gleichen Platz vorgesehenen Diodenzeile kann somit zur Umschaltung von der für die Sollbedingungen geltenden Kennlinie 76 auf die Kennlinie 84 dienen. Hierzu wird das Ausgangssignal der Photodiode 44 über einen Analog/Digitalwandler 86 auf einen zweiten Adreßrechenkreis 88 gegeben, dessen Ausgangssignal einige der Bits der zum Auslesen der Kennlinie verwendeten Gesamtadresse darstellen. Der Adreßrechenkreis 88 schaltet so zwischen verschiedenen Speicherbereichen um, in welchen die Kennlinie 76, die Kennlinie 84 und weitere Kennlinien für andere Strahlgeometrien und/oder andere optische Grundeigenschaften der Werkstückoberfläche (z. B. Farbe) abgespeichert sind.As already explained above, the shape of the characteristic curve 76 depends on the beam geometry. The characteristic curve 76 usually applies only within a restricted range of the distance between the surface 14 of the workpiece 16 and the objective 24 . If this distance changes, another characteristic curve must be used, for example the characteristic curve 84 shown in broken lines in FIG. 6. An incorrect distance between the surface 14 and the lens 24 has the consequence that the partial beam deflected by the semi-transparent mirror 42 moves in the lateral direction, so that the output signal of the photodiode 44 changes. The output signal of the photodiode 44 or a diode row provided in the same place can thus be used to switch from the characteristic curve 76 applicable to the target conditions to the characteristic curve 84 . For this purpose, the output signal of the photodiode 44 is passed via an analog / digital converter 86 to a second address arithmetic circuit 88 , the output signal of which represents some of the bits of the total address used for reading the characteristic curve. The address computing circuit 88 thus switches between different memory areas in which the characteristic curve 76 , the characteristic curve 84 and further characteristic curves for other beam geometries and / or other basic optical properties of the workpiece surface (eg color) are stored.

Das Ausgangssignal der Photodiode 44 wird zusätzlich auf einen ersten Eingang eines Differenzverstärkers 90 gegeben, welcher an einem zweiten Eingang mit einem Referenzsignal beaufschlagt ist, welches dem Ausgangssignal der Photodiode 44 bei Sollgeometrie des Strahlenganges entspricht. Durch das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 90 wird ein Stellmotor 92 angesteuert, welcher zum Beispiel einen den Meßkopf 10 tragenden Schlitten senkrecht zur Oberfläche 14 verfährt oder auf die Brennweitenverstellung eines Zoom- Objektives arbeitet, welches für das Objektiv 24 verwendet wird. Man kann nun wahlweise rasch mit Kennlinienumschaltung oder etwas langsamer mit Einregelung der Sollgeometrie des Strahlenganges arbeiten.The output signal of the photodiode 44 is additionally fed to a first input of a differential amplifier 90 which is acted upon at a second input with a reference signal which corresponds to the output signal of the photodiode 44 with the desired geometry of the beam path. The output signal of the differential amplifier 90 controls a servomotor 92 which, for example, moves a carriage carrying the measuring head 10 perpendicular to the surface 14 or works on the focal length adjustment of a zoom lens which is used for the lens 24 . You can now either work quickly with characteristic switchover or a little slower with adjustment of the target geometry of the beam path.

Das vom Kennlinienspeicher 78 ausgegebene Rauheitssignal wird in einem Komparator 94 mit einem vom Prozeßrechner 64 überstellten Sollwert verglichen, und durch den Komparator 94 wird eine Alarmeinheit 96 angesteuert, wenn der vorgegebene Sollwert überschritten wird.The roughness signal output from the characteristic curve memory 78 is compared in a comparator 94 with a setpoint value transmitted by the process computer 64 , and the comparator 94 activates an alarm unit 96 when the predetermined setpoint value is exceeded.

In Fig. 1 ist durch ein Tastenfeld 98 angedeutet, daß der Ablauf des Meßprozesses und die zur Umrechnung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendete Kennlinie durch Eingaben bezüglich der spezifischen optischen Eigenschaften der Werkstückoberfläche modifiziert werden können.In Fig. 1 it is indicated by a keypad 98 that the course of the measurement process and the characteristic curve used to convert the fractal signal into the roughness signal can be modified by entries relating to the specific optical properties of the workpiece surface.

Der Fraktalrechenkreis 74 kann die Berechnung der Beitragsfaktoren R i auch vereinfacht vornehmen. Hierbei bleiben die zu den Meßpunkten gehörenden Ortskoordinaten x H außer Betracht, was geometrisch einer Projektion der Meßpunkte S i auf die I-Achse entspricht, wobei man projizierte Meßpunkte P i erhält, wie in Fig. 3 gezeigt.The fractal computing circuit 74 can also perform the calculation of the contribution factors R i in a simplified manner. Here, the location coordinates x H belonging to the measuring points are disregarded, which corresponds geometrically to a projection of the measuring points S i onto the I axis, with projected measuring points P i being obtained, as shown in FIG. 3.

Die projizierten Meßpunkte P i füllen die I-Achse in der Regel nicht dicht. Teilt man die I-Achse in Rasterelemente, die jeweils einer Einheit in I-Richtung entsprechen, so erhält man Bereiche aufeinanderfolgender "gefüllter" Rasterelemente, deren Ausdehnung mit H i bezeichnet ist. Zwischen diesen zusammenhängend abgedeckten Bereichen der Intensitätsachse I liegen jeweils Zwischenräume. Der Abstand zwischen dem projizierten Meßpunkt kleinster Intensität und dem projizierten Meßpunkt größter Intensität ist mit H G bezeichnet. Der Fraktalrechenkreis 74 berechnet nun die Beitragsfaktoren nach der GleichungThe projected measuring points P i generally do not fill the I axis tightly. If the I axis is divided into grid elements, each of which corresponds to a unit in the I direction, regions of successive “filled” grid elements are obtained, the extent of which is denoted by H i . There are gaps between these coherently covered areas of the intensity axis I. The distance between the projected measuring point of lowest intensity and the projected measuring point of highest intensity is denoted by H G. The fractal computing circuit 74 now calculates the contribution factors according to the equation

R i = H i / H G . R i = H i / H G.

Die Bestimmung des Fraktalsignales erfolgt anschließend durch Ermittlung der Nullstelle der weiter oben angegebenen Funktion (Q (F), wie oben beschrieben. Auch die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie beim oben im einzelnen beschriebenen Ausführungsbeispiel.The fractal signal is then determined by determining the zero of the function ( Q ( F ) given above, as described above. Further signal processing is also carried out as in the exemplary embodiment described in detail above.

Die Fig. 4 und 5 zeigen ein drittes Verfahren zur Bestimmung des Fraktalsignales F: Figs. 4 and 5 show a third method for determining the Fraktalsignales F:

Ausgehend vom ersten Meßpunkt S 1 wird derjenige Meßpunkt bestimmt, welcher in der I-x H -Ebene als erster um mehr als die Strecke r 1 vom ersten Meßpunkt entfernt ist, wobei r 1 ein willkürlich gewählter Radius ist, in Fig. 4 S 5. Anschließend bestimmt man denjenigen Meßpunkt, welcher als erster um mehr als die Strecke r 1 vom Meßpunkt S 5 entfernt ist usw. Hieraus wird die Länge des durch die Kreismittelpunkte gegebenen Polygonzuges berechnet zu Stattdessen kann man auch vereinfacht schreiben: wobei m i die Anzahl der benötigten Kreimittelpunkte ist. L i wird für verschiedene r i bestimmt, wie in Fig. 5 für einen kleineren Radius r 2 ≦ωτ r 1 gezeigt ist. Allgemein gilt folgender Zusammenhang zwischen L(r) und dem Fraktalsignal F:Starting from the first measuring point S 1 , the measuring point is determined which is the first in the Ix H plane by more than the distance r 1 from the first measuring point, where r 1 is an arbitrarily selected radius, in FIG. 4 S 5 . Then the measuring point is determined which is the first to be more than the distance r 1 from the measuring point S 5 , etc. The length of the polygonal path given by the center of the circle is calculated from this Instead, you can also write simplified: where m i is the number of circle centers required. L i is determined for different r i , as shown in Fig. 5 for a smaller radius r 2 ≦ ωτ r 1 . The following relationship generally applies between L ( r ) and the fractal signal F :

ln(L(r)) = const + (l-F) × ln(r). ln ( L ( r )) = const + ( IF ) × ln ( r ).

Aus der Folge der L i läßt sich somit F bestimmen. F can thus be determined from the sequence of L i .

Das auf diese Weise erhaltene Fraktalsignal ändert sich weniger stark mit der Unstetigkeit der vom Kompressionskreis 70 abgegebenen eindimensionalen Signalfolge als das aus der Nullstelle der oben angesprochenen Funktion Q (F) erhaltene Fraktalsignal, sodaß zur Umsetzung in das Rauheitssignal eine andere Kennlinie verwendet werden muß, welche in Fig. 6 bei 100 gezeigt ist. Auch dieser Kennlinientyp ist bei einer Änderung der Strahlengeometrie zusätzlich zu modifizieren.The fractal signal obtained in this way changes less strongly with the discontinuity of the one-dimensional signal sequence emitted by the compression circuit 70 than the fractal signal obtained from the zero of the function Q ( F ) mentioned above, so that a different characteristic curve must be used to convert it into the roughness signal is shown at 100 in FIG . This type of characteristic curve must also be modified if the beam geometry changes.

Den oben beschriebenen Verfahren zur Bestimmung des Fraktalsignales ist gemeinsam, daß sie nur die Unstetigkeiten der am Ausgang des Kompressionskreises 70 bereitgestellten eindimensionalen Signalfolge verwerten, ein darunter liegender Untergrund, welcher durch Umgebungslicht und Dunkelströme des Wandlers bedingt sein kann, bleibt unberücksichtigt.The above-described methods for determining the fractal signal have in common that they only utilize the discontinuities of the one-dimensional signal sequence provided at the output of the compression circuit 70 ; an underlying background, which can be caused by ambient light and dark currents of the converter, remains unconsidered.

Durch Änderung der Geometrie (z. B. der Breite) des Spaltes 34 kann man bei Verwendung einer Glühlampe 36 die Teilkohärenz des auf die Oberfläche 14 auffallenden Beleuchtungslichtbündels variieren. Es versteht sich, daß bei gleicher Oberflächenrauheit hierdurch auch die Intensitätsverteilung des Meßlichtes in der durch den Wandler 40 vorgegebenen Beobachtungsebene abgewandelt wird, so daß man eine abgewandelte Kennlinie im Kennlinienspeicher 76 ablegen muß. Ist es notwendig, die Größe des Spaltes 34 für verschiedene Messungen unterschiedlich einzustellen, so kann dem verstellbaren Spalt 34 ein Weggeber zugeordnet werden, dessen Ausgangssignal ähnlich zur Umschaltung verschiedener Speicherbereiche des Kennlinienspeichers 78 verwendet wird, wie das Ausgangssignal der Photodiode 44. In diesem Falle erhält man dann automatisch die Auswahl der zur jeweiligen Teilkohärenz und Intensität des verwendeten Beleuchtungslichtbündels passenden Kennlinie.By changing the geometry (e.g. the width) of the gap 34 , the partial coherence of the illuminating light beam striking the surface 14 can be varied when using an incandescent lamp 36 . It goes without saying that, with the same surface roughness, this also modifies the intensity distribution of the measurement light in the observation plane predetermined by the transducer 40 , so that a modified characteristic curve must be stored in the characteristic curve memory 76 . If it is necessary to set the size of the gap 34 differently for different measurements, a displacement sensor can be assigned to the adjustable gap 34 , the output signal of which is used in a manner similar to the switching over of different memory areas of the characteristic curve memory 78 , like the output signal of the photodiode 44 . In this case, the selection of the characteristic curve that matches the respective partial coherence and intensity of the illuminating light bundle is then obtained automatically.

Anstelle der durch die Glühlampe 36 und den davor angeordneten Spalt 34 gebildeten Lichtquelle kann man auch eine oder mehrere Leuchtdioden oder Halbleiterlaser verwenden, wobei wiederum in dem Kennlinienspeicher 78 eine entsprechend angepaßte Kennlinie abgelegt sein muß, welche zuvor anhand von Prüfoberflächen mit bekannter Oberflächenrauhigkeit ermittelt wurde.Instead of the light source formed by the incandescent lamp 36 and the gap 34 arranged in front of it, one or more light-emitting diodes or semiconductor lasers can also be used, again a correspondingly adapted characteristic curve, which was previously determined on the basis of test surfaces with known surface roughness, must be stored in the characteristic curve memory 78 .

Wird eine Mehrzahl von Festkörper-Lichtquellen verwendet, so wählt man vorzugsweise deren Arbeitswellenlänge unterschiedlich, sodaß das Arbeitslicht ebenso wie bei Verwendung einer Glühlampe mehrere Wellenlängen enthält. Der Intensitätskontrast in der Beobachtungsebene ist nämlich für kleine Rauheit nur dann groß, wenn das Arbeitslicht kurzwellige Anteile hat, und für große Rauheit nur dann groß, wenn das Arbeitslicht langwellige Anteile enthält. Mit mehrfarbigem Arbeitslicht erhält man somit einen großen Meßbereich des Gerätes.If a plurality of solid-state light sources are used, so preferably you choose their working wavelength differently, so that the work light as well as when in use an incandescent lamp contains several wavelengths. The intensity contrast in the observation plane is for small roughness only large if the work light is short-wave Has proportions, and only great for great roughness, if the work light contains long-wave components. With multi-colored Working light gives you a large measuring range of the device.

Der insbesondere der Bestimmung der Alterung von Glühlampe 36 und Wandler 40 dienende zusätzliche interne Strahlengang im Meßkopf 10 kann entfallen, wenn man jeweils zu Beginn einer Messung anstelle des Werkstückes 16 eine Eichoberfläche bekannter Oberflächenrauheit vor das Objektiv 24 stellt und die dann vom Wandler 40 abgegebenen Signale in den Referenzspeicher 66 einliest.The additional internal beam path in the measuring head 10 , which serves in particular to determine the aging of the incandescent lamp 36 and transducer 40, can be omitted if a calibration surface of known surface roughness is placed in front of the lens 24 instead of the workpiece 16 at the beginning of each measurement and the signals then output by the transducer 40 reads into the reference memory 66 .

Der in Fig. 1 gezeigte halbdurchlässige Spiegel 42 und die Fotodiode 44 können entfallen, wenn die in Fig. 9 gezeigte Fokus-Kontrolleinrichtugn verwendet wird.The semitransparent mirror 42 shown in FIG. 1 and the photodiode 44 can be eliminated if the focus control device shown in FIG. 9 is used.

Die am Ausgang des Auslesekreises 62 bereitgestellten Signale werden zusätzlich auf ein Hochpaßfilter 102 gegeben. Je schärfer die Hell/Dunkelübergänge des Licht-Intensitätsmusters in der Beobachtungsebene (Wandler 40) sind, umso größer ist das Ausgangssignal des Hochpaßfilters 102. Damit entspricht die optimale Abbildung der Werkstückoberfläche in die Beobachtungsebene dem Maximum der Filter-Ausgangsspannung. Zu dieser Optimierung ist der Filterausgang mit einem adaptiven Fokussteuerkreis 104 verbunden, welcher den Stellmotor 92 so erregt, daß das Filter-Ausgangssignal zu einem Maximum wird.The signals provided at the output of the readout circuit 62 are additionally passed to a high-pass filter 102 . The sharper the light / dark transitions of the light intensity pattern in the observation plane (converter 40 ), the greater the output signal of the high-pass filter 102 . The optimal mapping of the workpiece surface in the observation plane corresponds to the maximum of the filter output voltage. For this optimization, the filter output is connected to an adaptive focus control circuit 104 , which excites the servomotor 92 so that the filter output signal becomes a maximum.

Claims (19)

1. Verfahren zur Messung der Oberflächenrauheit von Werkstücken, bei welchen die Werkstückoberfläche mit Licht bestrahlt wird und die Intensitätsverteilung des von der Werkstückoberfläche zurückgeworfenen Lichtes unter Verwendung eines Wandlers ausgemessen wird und aus der gemessenen Intensitätsverteilung ein Rauheitssignal berechnet wird, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) aus den vom Wandler (40) erzeugten Signalen wird eine eindimensionale (x H ) Signalfolge (S i ) zusammengestellt;
b) aus der eindimensionalen Signalfolge (S i ) wird ein Fraktalsignal (F) erzeugt und
c) Das Fraktalsignal (F) wird unter Verwendung einer solchen Kennlinie (76) in das Rauheitssignal umgesetzt, welche für die jeweilige Geometrie des Strahlenganges und die jeweilige Art der Erzeugung des Fraktalsignales anhand von Prüfflächen bekannter Oberflächenrauheit ermittelt wurde.1.Procedure for measuring the surface roughness of workpieces, in which the workpiece surface is irradiated with light and the intensity distribution of the light reflected from the workpiece surface is measured using a transducer and a roughness signal is calculated from the measured intensity distribution, characterized by the following process steps:
a) a one-dimensional ( x H ) signal sequence ( S i ) is compiled from the signals generated by the converter ( 40 );
b) a fractal signal ( F ) is generated from the one-dimensional signal sequence ( S i ) and
c) The fractal signal ( F ) is converted into the roughness signal using such a characteristic curve ( 76 ), which was determined for the respective geometry of the beam path and the respective type of generation of the fractal signal on the basis of test surfaces of known surface roughness. 2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei der Wandler in Zeilen und Spalten angeordnete einzeln adressierbare Wandlerelemente aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Wandlerelemente (60) in solcher Reihenfolge zu der eindimensionalen Signalfolge (S i ) zusammengestellt werden, wie sie sich durch ein "Hilbert-Scanning" der Wandlerelemente (60) ergibt.2. The method according to claim 1, wherein the transducer has individually addressable transducer elements arranged in rows and columns, characterized in that the output signals of the transducer elements ( 60 ) are put together in such a sequence to form the one-dimensional signal sequence ( S i ) as characterized by a "Hilbert scanning" of the transducer elements ( 60 ) results. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die eindimensionale Signalfolge (S i ) die Abstände (D i ) aufeinanderfolgender Meßpunkte im Signal/Koordinatenraum (S, x H ) berechnet und jeweils durch den Abstand (D G ) zwischen erstem und letztem Meßpunkt geteilt werden, und daß mit den so erhaltenen Beitragsfaktoren (R i ) die Nullstelle der Funktion ermittelt wird, welche dem Fraktalsignal zugeordnet ist.3. The method according to claim 1 or 2, characterized in that for the one-dimensional signal sequence ( S i ) the distances ( D i ) of successive measuring points in the signal / coordinate space ( S, x H ) are calculated and in each case by the distance ( D G ) between the first and last measuring point are divided, and that with the contribution factors ( R i ) thus obtained the zero of the function it is determined which is assigned to the fractal signal. 4. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Pegel der eindimensionalen Signalfolge (S i ) unter Zugrundelegung eines vorgegebenen Einheitsrasters für die Intensitätsachse (I) digital geordnet werden, und die Ausdehnungen (H i ) zusammenhängend mit Meßergebnissen belegter Rastergruppen bestimmt werden, diese Rastergruppenausdehnungen (H i ) durch den Gesamtsignalhub (H G ) zwischen niederstem und höchstem belegtem Einheitsraster geteilt werden und mit den so erhaltenen Beitragsfaktoren (R i ) die Nullstelle der Funktion ermittelt wird, welche dem Fraktalsignal zugeordnet ist.4. The method according to claim 1 or 2, characterized in that the level of the one-dimensional signal sequence ( S i ) are arranged digitally on the basis of a predetermined unit grid for the intensity axis ( I ), and the dimensions ( H i ) are determined coherently with measurement results occupied by grid groups , these grid group expansions ( H i ) are divided by the total signal swing ( H G ) between the lowest and the highest occupied standard grid and with the contribution factors ( R i ) thus obtained the zero point of the function it is determined which is assigned to the fractal signal. 5. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß man ausgehend vom ersten Meßpunkt (S 1) denjenigen weiteren Meßpunkt bestimmt, welcher um mehr als eine vorgegebene Strecke (in Fig. 4: r 1) vom ersten Meßpunkt (S 1) entfernt ist, für diesen weiteren Meßpunkt (in Fig. 4: S 5) wiederum den nächsten Meßpunkt bestimmt, welcher um mehr als die vorgegebene Strecke (r 1) vom betrachteten Meßpunkt entfernt ist, usw., bis der letzte Meßpunkt (S 7) erreicht ist, daß die Länge (L(r 1)) des durch die so bestimmten Meßpunkte vorgegebenen Streckenzuges ermittelt wird und unter Verwendung mindestens zweier für verschiedene vorgegebene Strecken (r i ) derart ermittelter Streckenzuglängen (L), das fraktale Dimensionssignal (F) unter Verwendung der Beziehung ln(L(r)) = const + (l-F) × ln(r)bestimmt wird.5. The method according to claim 1 or 2, characterized in that starting from the first measuring point ( S 1 ) determines that further measuring point which by more than a predetermined distance (in Fig. 4: r 1 ) from the first measuring point ( S 1 ) is removed, for this further measuring point (in FIG. 4: S 5 ) the next measuring point is again determined, which is more than the predetermined distance ( r 1 ) from the measuring point under consideration, etc., until the last measuring point ( S 7 ) What is achieved is that the length ( L ( r 1 )) of the route specified by the measurement points determined in this way is determined and, using at least two route lengths ( L ) determined in this way for different predetermined routes ( r i ), the fractal dimension signal ( F ) below Using the relationship ln ( L ( r )) = const + ( l - F ) × ln ( r ) is determined. 6. Gerät zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen Meßkopf (10), welcher eine Lichtquelle (34, 36), eine Beleuchtungsoptik (24) zum Abbilden der Lichtquelle auf die Oberfläche (14) des Werkstückes (16), einen optoelektrischen Wandler (40), und eine Meßoptik (24) zum Abbilden der Werkstückoberfläche auf den Wandler (40) aufweist, und durch eine Auswerteschaltung (20), die einen Speicher (62) für mindestens zwei aufeinanderfolgend ausgelesene Wandlersignale, eine Rechenschaltung (74) zur Umrechnung der Meßpunktfolge in das Fraktalsignal (F) und einen Kennlinienspeicher (78) aufweist.6. Device for carrying out the measuring method according to one of claims 1 to 5, characterized by a measuring head ( 10 ) which has a light source ( 34, 36 ), an illumination optics ( 24 ) for imaging the light source on the surface ( 14 ) of the workpiece ( 16 ), an opto-electric converter ( 40 ), and measuring optics ( 24 ) for imaging the workpiece surface on the converter ( 40 ), and by an evaluation circuit ( 20 ) which has a memory ( 62 ) for at least two successively read converter signals, one Computing circuit ( 74 ) for converting the sequence of measurement points into the fractal signal ( F ) and a characteristic curve memory ( 78 ). 7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Adressierkreis (80) das Fraktalsignal (F) in ein Adressiersignal umsetzt, dessen Variationsbereich dem Adreßbereich der die Kennlinie enthaltenden Speicherzellen des Kennliniespeichers (78) entspricht, und daß in den Speicherzellen des Kennlinienspeichers (78) monoton ansteigende Rauheitssignale abgelegt sind.7. Apparatus according to claim 6, characterized in that an addressing circuit ( 80 ) converts the fractal signal ( F ) into an addressing signal whose variation range corresponds to the address range of the memory cells of the characteristic curve memory ( 78 ) containing the characteristic curve, and that in the memory cells of the characteristic curve memory ( 78 ) monotonically increasing roughness signals are stored. 8. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang hinter der Meßoptik (24), jedoch vor dem Wandler (40), ein halbdurchlässiger Spiegel (42) angeordnet ist, welcher einen Teil des Meßlichtes auf einen optoelektrischen Hilfswandler (44) wirft, und daß das Ausgangssignal des letzteren zur Modifizierung der zur Umsetzung des Fraktalsignales in das Rauheitssignal verwendeten Kennlinie (76) verwendet wird.8. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that a semitransparent mirror ( 42 ) is arranged in the beam path behind the measuring optics ( 24 ), but in front of the transducer ( 40 ), which part of the measuring light on an optoelectric auxiliary transducer ( 44 ) throws, and that the output signal of the latter is used to modify the characteristic curve ( 76 ) used to convert the fractal signal into the roughness signal. 9. Gerät nach Anspruch 8 in Verbindung mit Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine zweite Adressierschaltung (88), welche aus dem Ausgangssignal des Hilfswandlers (44) ein zweites Adressiersignal erzeugt, dessen Variationsbereich der Anzahl unterschiedlicher im Kennlinienspeicher (78) abgelegter Kennlinien entspricht, und daß das zweite Adressiersignal zusammen mit dem Ausgangssignal des ersten Adressierkreises (80) die jeweilige Adresse für diejenige Speicherzelle des Kennlinienspeichers (78) bildet, in welcher das zum jeweiligen Abstand zwischen Meßkopf (10) und Werkstückoberfläche (14) und zum ermittelten Fraktalsignal (F) gehörende Rauheitssignal abgelegt ist.9. Apparatus according to claim 8 in conjunction with claim 7, characterized by a second addressing circuit ( 88 ) which generates a second addressing signal from the output signal of the auxiliary converter ( 44 ), the variation range of which corresponds to the number of different characteristic curves stored in the characteristic curve memory ( 78 ), and that the second addressing signal together with the output signal of the first addressing circuit ( 80 ) forms the respective address for that memory cell of the characteristic curve memory ( 78 ) in which the distance between the measuring head ( 10 ) and workpiece surface ( 14 ) and the fractal signal ( F ) determined belonging roughness signal is stored. 10. Gerät nach Anspruch 8 oder 9, gekennzeichnet durch einen Komparator (90), welcher mit dem Ausgangssignal des Hilfswandlers (44) und einem zugehörigen Referenzsignal beaufschlagt ist, und durch eine durch das vom Komparator (90) bereitgestellte Fehlersignal gesteuerte Stelleinrichtung (92) zum Ändern des Abstandes zwischen Meßkopf (10) und Werkstückoberfläche (14) oder zum Verstellen eines den optischen Strahlengang bestimmenden optischen Elementes (24).10. Apparatus according to claim 8 or 9, characterized by a comparator ( 90 ) which is acted upon by the output signal of the auxiliary converter ( 44 ) and an associated reference signal, and by an actuating device ( 92 ) controlled by the error signal provided by the comparator ( 90 ). for changing the distance between the measuring head ( 10 ) and the workpiece surface ( 14 ) or for adjusting an optical element ( 24 ) determining the optical beam path. 11. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 10, gekennzeichnet durch einen innerhalb des Meßkopfes (10) verlaufenden zweiten Lichtweg (50, 56, 58), auf welchem Licht von der Lichtquelle (36) gesteuert durch einen Verschluß (52) auf den Wandler (40) gegeben werden kann, und durch einen Referenzspeicher (66) für das Wandlerausgangssignal, welcher mit dem Öffnen des Verschlusses (52) eingelesen wird, sowie einen Korrekturkreis (68), welcher mit dem Ausgangssignal des Wandlers (40) und des Referenzspeichers (66) beaufschlagt ist.11. Device according to one of claims 6 to 10, characterized by a within the measuring head ( 10 ) extending second light path ( 50, 56, 58 ) on which light from the light source ( 36 ) controlled by a shutter ( 52 ) on the transducer ( 40 ) can be given, and by a reference memory ( 66 ) for the converter output signal, which is read in when the shutter ( 52 ) is opened, and a correction circuit ( 68 ), which is linked to the output signal of the converter ( 40 ) and the reference memory ( 66 ) is applied. 12. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungsoptik und die Meßoptik durch transversal benachbarte Abschnitte einer einzigen Optik (24) gebildet sind und daß eine Kollimatorblende (26) vorgesehen ist, welche einen Beleuchtungsspalt (28) sowie eine dieser transversal benachbarte Meßlichtöffnung (30) enthält.12. Device according to one of claims 6 to 11, characterized in that the illuminating optics and the measuring optics are formed by transversely adjacent sections of a single optic ( 24 ) and that a collimator diaphragm ( 26 ) is provided which has an illuminating gap ( 28 ) and a this contains transversely adjacent measuring light opening ( 30 ). 13. Gerät nach Anspruch 12, gekennzeichnet durch einen mit der Achse der Meßlichtöffnung (30) fluchtenden Umlenkspiegel (38), welcher das Meßlicht auf den der Optik (24) benachbarten Wandler (40) wirft.13. Apparatus according to claim 12, characterized by a deflecting mirror ( 38 ) aligned with the axis of the measuring light opening ( 30 ), which throws the measuring light onto the transducer ( 40 ) adjacent to the optics ( 24 ). 14. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (34, 36) teilkohärent oder kohärent ist.14. Device according to one of claims 6 to 13, characterized in that the light from the light source ( 34, 36 ) is partially coherent or coherent. 15. Gerät nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (34, 36) Mischlicht mit langwelligem und kurzwelligem Anteil bereitstellt.15. Apparatus according to claim 14, characterized in that the light source ( 34, 36 ) provides mixed light with a long-wave and short-wave portion. 16. Gerät nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle mehrere Festkörper-Strahler wie Leuchtdioden oder Halbleiter-Laser umfaßt, welche verschiedene Arbeitswellenlänge haben.16. Apparatus according to claim 15, characterized in that the Light source several solid-state spotlights such as light emitting diodes or semiconductor lasers, which have different working wavelengths to have. 17. Gerät nach einem der Ansprüche 6 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle durch einen Spalt (34) und die Wendel einer hinter diesem angeordneten Glühlampe (36) gebildet ist.17. Device according to one of claims 6 to 15, characterized in that the light source is formed by a gap ( 34 ) and the filament of an incandescent lamp ( 36 ) arranged behind it. 18. Gerät nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß an den Speicher (62) eine Fokussierungs-Kontrollschaltung (64, 102) angeschlossen ist, welche ein der Flankensteilheit der Pegeländerungen in der Meßpunktfolge zugeordnetes Ausgangssignal erzeugt.18. Apparatus according to claim 6 or 7, characterized in that a focusing control circuit ( 64, 102 ) is connected to the memory ( 62 ), which generates an output signal associated with the slope of the level changes in the measuring point sequence. 19. Gerät nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Kontrollschaltung einen Taktgeber (64), welcher das Auslesen der Meßpunkte aus dem Speicher (62) steuert, sowie ein mit dem Speicherausgang verbundenes Frequenzfilter (102) aufweist.19. Apparatus according to claim 18, characterized in that the control circuit has a clock generator ( 64 ) which controls the reading of the measuring points from the memory ( 62 ) and a frequency filter ( 102 ) connected to the memory output.
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