DE3703504C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit von Gegenständen und eine Vorrich­ tung zum Durchführen des Verfahrens.

In der DE-OS 34 08 106 A1 ist ein Verfahren zum Messen der Rauhigkeit eines Werkstücks beschrieben, bei dem von einer Ablenkoptik ein Lichtfleck über die zu messende Oberfläche gelenkt wird. Das von der Oberfläche gestreute Licht gelangt auf eine Photowandleranordnung, die aus einem geordneten Feld einzelner Photodioden besteht. Bei (theoretisch) glatter Fläche fällt der von der Ober­ fläche reflektierte Lichtstrahl auf die mittlere Photo­ diode innerhalb des Diodenfelds. Bei etwas rauher Ober­ fläche fällt auch auf die der mittleren Photodiode ringsum benachbarten Photodioden gestreutes Licht. Ausgewertet werden die Intensitäten des auf die einzelnen Photodioden fallenden Lichts sowie der Streuwinkel. Die für eine solche Anordnung von Photodioden erforderliche Auswerte­ schaltung ist kompliziert.

Das oben beschriebene, als Streulichtverfahren bekannte Verfahren zum Messen der Oberflächenrauhigkeit eines Werkstücks liefert Ergebnisse, die insoweit ungenau sind, als nur ein bestimmter, sehr feiner Rauhigkeitsbereich erfaßt wird. Gröbere Oberflächenunregelmäßigkeiten werden nicht erfaßt.

Außerdem gibt es zum Messen der Oberflächenrauhigkeit von Gegenständen das sogenannte Triangulationsverfahren, bei dem das von einer punktförmig bestrahlten Stelle der Oberfläche reflektierte Licht mit Hilfe einer positionsempfindlichen Photodiode in elektrische Signale umgewandelt wird, um aus diesen Signalen Meßwerte der Oberflächenrauhigkeit zu er­ mitteln.

Zur Veranschaulichung des Triangulationsverfahrens sei Bezug auf die Fig. 1 bis 3 genommen.

Nach Fig. 1 wird ein Gegenstand mit in einer Oberfläche 3 vorhandenen Riefen in Richtung des Pfeils 2 bewegt, während die Oberfläche 3 von einem Lichtstrahl abgetastet wird. Hierzu dient eine ein paralleles Lichtstrahlenbündel 6 abgebende Laserstrahlquelle 5. Das Lichtstrahlenbündel 6 wird von einem Kondensor 7 auf eine Stelle 8 auf der Ober­ fläche des Gegenstandes 1 gerichtet. Das reflektierte Licht 9 wird von einem Objektiv 10 auf eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode 11 gerichtet. Bei völlig ebener Oberfläche 3 trifft der aus dem Objektiv 10 aus­ tretende Strahl genau in der Mitte an der Stelle 13 auf die Oberfläche der Photodiode 11.

An jeweils zwei gegenüberliegenden Seiten der Photodiode 11 befinden sich Elektroden, die über Anschlüsse 12 an eine Auswerteschaltung angeschlossen sind.

Fig. 3 zeigt das Arbeitsprinzip der positionsempfindlichen Photodiode 11. Zur vereinfachten Darstellung ist in Fig. 3 lediglich die Anordnung für die Abtastung in einer Dimen­ sion (X-Achse) dargestellt. Es gibt auch positionsempfind­ liche Photodioden, die eine Empfindlichkeit in nur einer Achsenrichtung aufweisen, sogenannte eindimensional posi­ tionsempfindliche Photodioden. Auch solche Photodioden lassen sich im Rahmen der Erfindung verwenden, obschon zweidimensional empfindliche Photodioden bevorzugt sind.

An gegenüberliegenden Seiten der Photodiode sind Elektroden ange­ bracht, die einen Abstand 1 in Richtung der X-Achse haben. Wenn an der Stelle 13 ein dünner Lichtstrahl auf die Photo­ diode fällt, fließt in beide Richtungen der X-Achse ein Strom. Die beiden Ströme sind in Fig. 3 mit I₁ bzw. I₂ bezeichnet. Fällt der Lichtstrahl genau in der Mitte zwi­ schen den beiden Elektroden auf die Oberfläche der Photo­ diode, sind die Ströme I₁ und I₂ gleich groß. Je weiter der Auftreffpunkt 13 nach links wandert, desto größer ist der Strom I₁ und desto kleiner ist der Strom I₂. Aus den Strö­ men I₁ und I₂ werden mit Hilfe von Operationsverstärkern ein Differenzsignal U_Δ und ein Summensignal U_Σ gebildet.

Das Signal U ist ein Maß dafür, wie stark das reflektierte Strahlenbündel 9 gegenüber der optischen Achse des Objektivs 10 abgelenkt wird. An einer ebenen Stelle erfolgt praktisch keine Ablenkung, sondern der Strahl trifft genau auf der Mitte der Photodiode auf. Da dann die Ströme I₁ und I₂ gleich groß sind, ergibt sich eine Differenzspannung U_Δ von Null.

Schwankungen des Differenzsignals U_Δ ergeben sich jedoch nicht nur aufgrund verschiedener Höhenabweichungen und Neigungen der gerade beleuchteten Stelle auf der Ober­ fläche 3 des Gegenstands 1, sondern auch durch hierdurch bedingte Intensitätsschwankungen des reflektierten Lichtstrahls. Bislang hat man deshalb stets eine Korrek­ tur durchgeführt, um das Differenzsignal U_Δ von Einflüssen der Intensitätsschwankungen des reflektierten Lichts zu befreien. Gemäß Fig. 3 wird dann ein Korrektursignal U_Σ gebildet, und es wird eine Normierung U_Δ/U_Σ durchgeführt. Die Auftreffstelle 13 bzw. der Koordinatenwert x ist mithin eine Funktion des Quotienten U_Δ/U_Σ.

Das Messen der Tiefe der Riefen 4 in der Oberfläche 3 des Gegenstandes 1 ist in Fig. 2 skizziert. Der von der Licht­ quelle 5 abgegebene gebündelte Lichtstrahl 14 wird an der Stelle 8 unter einem Winkel α bezüglich der Flächennormalen 15 reflektiert und der reflektierte Strahl trifft auf eine Stelle der Photodiode 11.

Die Rauhigkeit der Oberfläche sei mit s bezeichnet. Sie ist definiert als der Abstand zwischen den Kuppen oder Scheiteln der höchsten Erhebungen 16 und den Tiefpunkten der tiefsten Vertiefungen 17.

Der auf die Photodiode 11 auftreffende Lichtstrahl 18 führt - wie oben ausgeführt wurde - zur Bildung eines Differenz­ signals U_Δ und eines Summensignals U_Σ.

Wenn nun der Gegenstand 1 etwas nach rechts verschoben wird (Fig. 2) und der Lichtstrahl 14 auf eine Kuppe 16 fällt, wird - ebenfalls unter einem Winkel α - der Strahl 14 früher reflektiert, so daß ein in Fig. 2 gestrichelt dargestellter reflektierter Lichtstrahl 19 an einer anderen Stelle auf die Photodiode 11 auftrifft als der Strahl 18. Der Abstand zwi­ schen den Auftreffpunkten der Strahlen 18 und 19, nämlich der Abstand d, gestattet unter Zugrundelegung der Beziehung

d = 1 s sin α,

die Bestimmung der "Oberflächenrauhigkeit" s. Der Wert d läßt sich gemäß Fig. 3 als Funktion des Quotienten U_Δ/U_Σ berechnen.

Mit dem oben beschriebenen Triangulationsverfahren lassen sich die Höhenschwankungen einer strukturierten oder rauhen Oberfläche in einer bestimmten Vorzugsrichtung (Bewegungs­ richtung des Gegenstandes 1 in Richtung des Pfeils 2) relativ genau bestimmen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauhigkeit von Gegenständen anzugeben, welches mit einfachen Mitteln in der Lage ist, Signale über die Oberflächenrauhigkeit zur Verfügung zu stellen, die sich durch hohe Genauigkeit auszeichnen.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. In den Unteransprüchen sind Ausgestal­ tungen des erfindungsgemäßen Verfahrens angegeben. Die Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens weist die Merkmale nach dem Anspruch 6 auf.

Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Objektiv benutzt, um den von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierten Lichtstrahl auf die Oberfläche einer positionsempfindlichen Photodiode zu lenken. Auf der Photodiode gibt es immer nur einen Lichtpunkt. Ab­ hängig von der Position des Lichtpunkts liefern zwei einander gegenüberliegende Elektroden Ausgangssignale, die in einfacher Weise in jeweils ein Differenzsignal und ein Summensignal umgewandelt werden. Das Differenz­ signal ist kennzeichnend für die Oberflächenrauhigkeit; denn bei krassen Höhenschwankungen und entsprechend hoher Rauhigkeit wird der Lichtfleck auf der positions­ empfindlichen Photodiode entsprechend stark in die eine oder die andere Richtung ausgelenkt, und ent­ sprechend groß ist das Differenzsignal.

Wenn eine zweidimensional positionsempfindliche Photodiode eingesetzt wird, läßt sich die Rauhigkeit nicht nur in der einen Richtung, z. B. der Abtastrichtung, berücksich­ tigen, sondern es wird auch die Rauhigkeit quer zur Ab­ tastrichtung in einem Arbeitsgang erfaßt.

Ein besonderer Aspekt der Erfindung ist die Kombination aus dem an sich bekannten Streulichtverfahren und dem an sich bekannten Triangulationsverfahren, wobei die beiden Ver­ fahren Ergebnisse unterschiedlicher Tiefenbereiche bzw. Rauhig­ keitsbereiche liefern. Dabei wird eine vorzugsweise zweidimen­ sional positionsempfindliche Photodiode eingesetzt. Die Ver­ wendung einer solchen positionsempfindlichen Photodiode schafft auch die Möglichkeit einer automatischen Sensor­ justage, das ist eine automatische Einstellung der Meßan­ ordnung in bezug auf die zu untersuchende Werkstückober­ fläche; denn die Ausgangssignale der positionsempfindlichen Photodiode sind auch ein Signal dafür, ob sich die Sensor­ anordnung in der richtigen Höhe bezüglich der Werkstückober­ fläche befindet.

Beim eigentlichen Meßbetrieb werden relativ große Höhenunter­ schiede (starke Rauhigkeit) nach dem Prinzip des Triangula­ tionsverfahrens erfaßt. Sehr feine Höhen- und Neigungsände­ rungen führen auch bei einem scharf gebündelten Strahl zu Streulicht. Dies fällt derart auf die Fläche der positions­ empfindlichen Photodiode, daß diese ein Ausgangssignal liefert. Damit werden also bei der Durchführung eines an sich einheitlichen Meßverfahrens Informationen erhalten, wie man sie sonst durch verschiedene Verfahren (Streulicht­ verfahren, Triangulationsverfahren) erhält.

Während bei dem oben erläuterten Verfahren das Differenz­ signal U_Δ normiert wird, um durch Intensitätsschwankungen des reflektierten Lichts hervorgerufene Einflüsse auszu­ schalten, kann erfindungsgemäß auf eine solche der Korrek­ tur dienende Normierung bewußt verzichtet werden ausgehend von der Erkenntnis, daß das unkorrigierte Differenzsignal wichtige Informationen über die Oberflächenstruktur des Gegenstandes erhält. Bei gegebener Geometrie der Meßan­ ordnung und gegebener Intensität des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstrahlenbündels lassen sich aus den In­ tensitätsschwankungen des gewonnenen Ausgangssignals der Photodiode Rückschlüsse ziehen auf beispielsweise die Höhen- und Neigungsverteilung von Mikroflächen der Ober­ fläche des Gegenstandes. Ohne weitere Signalauswertung ist ein direkter Rückschluß auf die Oberflächenrauhigkeit möglich.

Die US-PS 38 66 038 zeigt eine Vorrichtung zum Ermitteln der Flachheit von Werkstückoberflächen. Ein Lichtstrahl tastet die Oberfläche des Werkstücks ab, wozu der Licht­ strahl über einen Drehspiegel geleitet wird. Trifft der abtastende Lichtstrahl auf eine Erhöhung oder Vertiefung in der zu prüfenden Fläche, so wird der Lichtstrahl senkrecht zur Abtastrichtung abgelenkt. Diese Ablenkung ist eine Funktion des Abstands des Lichtflecks auf dem Abtastpunkt von einer vollkommen ebenen Fläche. Mit einer linearen Anordnung von Photodetektoren läßt sich der Ver­ satz des reflektierten Lichtstrahls messen, und so kann man die Höhe oder die Tiefe des Vorsprungs bzw. der Ver­ tiefung in der Ebene messen.

Die DE 34 28 435 A1 zeigt eine Rauhigkeitssonde. Von einem Lichtsender wird ein Lichtstrahl auf die zu prüfende Fläche gesendet. Der reflektierte Lichtstrahl wird mit mehreren Lichtempfängern empfangen. Eine Auswerteelektronik enthält eine Quotientenbildungsstufe, um Linearkombinationen der empfangenen Signale zu bilden. Diese Art der Auswertung von Signalen ist mit erheblichem Aufwand verbunden.

Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine direkte Aus­ wertung des gewonnenen Signals zum Ermitteln der Oberflächen­ rauhigkeit. Führt man vorab eine Kalibrierung durch, so kann man durch das Ausgangssignal der Photodiode direkt ein Meß­ signal für die Oberflächenrauhigkeit des Gegenstandes erhalten.

Durch die Verwendung einer zweidimensional positionsempfind­ lichen Photodiode lassen sich die für die zwei senkrecht aufeinander stehenden Koordinaten gewonnenen Differenz­ signale mit geringem Aufwand so verarbeiten, daß man Auf­ schluß über das Ausmaß einer eventuell vorhandenen Aniso­ tropie erhält. Bei vollständiger Isotropie der Oberfläche, d. h., wenn die Mikroflächen der Oberfläche völlig unregel­ mäßig und statistisch gleichmäßig verteilt sind, sind die für beide Koordinaten gewonnenen Differenzsignale praktisch identisch. Je stärker die Oberflächenstruktur anisotrop ist, desto größer sind die Unterschiede zwischen den Differenzsignalen für die beiden Koordinaten.

Durch das erfindungsgemäße Verfahren ist es möglich, nicht nur die Information bezüglich des Profils zu gewinnen, sondern auch bezüglich der Profil-Neigungen, d. h. bezüg­ lich der ersten Ableitung der Profilhöhe nach dem Ort der Abtastung. Versuche haben gezeigt, daß das erfindungs­ gemäße Verfahren die Möglichkeit bietet, Oberflächenstruk­ turen mit Höhenunterschieden von lediglich einigen zehn nm zu messen. Die Messung derart geringer Höhenunterschiede in Oberflächenstrukturen war bislang praktisch nicht möglich. Der genannte Bereich von einigen zehn nm ent­ spricht einem Prozent-Anteil der Wellenlänge von sicht­ barem Licht.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnung näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht einer Vorrichtung zur Prüfung der Oberflächenstruktur eines Gegenstandes mit Hilfe des Triangulationsverfahrens,

Fig. 2 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Funktionsweise der Vorrichtung nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Skizze, die das mit Hilfe einer positionsempfind­ lichen Photodiode durchgeführte Triangulationsverfah­ ren veranschaulicht, und

Fig. 4 eine Skizze, die eine zur Durchführung des erfindungs­ gemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung nach der Er­ findung veranschaulicht.

In Fig. 4 sind für entsprechende Teile ähnliche Bezugs­ zeichen wie in den Fig. 1 und 2 verwendet, jedoch jeweils um 100 erhöht.

Eine Laserlichtquelle 105 gibt ein paralleles Laserstrahl­ bündel 106 auf einen Kondensor 107, der das Licht auf einem Fleck 108 auf der Oberfläche 103 eines zu untersuchenden Gegenstands 101 fokussiert. Aufgrund der Oberflächenrauhig­ keit des in Pfeilrichtung bewegten Gegenstands wird das Licht gestreut. Das reflektierte, gestreute Licht ist in Fig. 4 in Form einer "Streulichtkeule" 118 dargestellt.

Ein Objektiv 110 nimmt einen Teil des Streulichts 118 auf und fokussiert das Licht auf eine Stelle 113 einer zweidimen­ sional positionsempfindlichen Photodiode 111.

Die Photodiode 111 besitzt für jeweils eine von zwei senk­ recht aufeinander stehenden Koordinaten zwei paarweise zugeordnete Elektroden mit entsprechenden Anschlüssen A und B für beispielsweise die X-Achse und C und D für beispielsweise die Y-Achse.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, ist das Objektiv 110 mit seiner optischen Achse A so angeordnet, daß die optische Achse nicht den Auftreffpunkt 108 auf der Oberfläche 103 des Gegenstands schneidet. Auch wenn der Auftreffpunkt 108 des Lichtstrahls höher liegt als in Fig. 4 dargestellt, läuft die optische Achse A des Objektivs 110 nicht durch den Auftreffpunkt 108. Mit anderen Worten: Die Mitte der "Streulichtkeule" 118 ist gegenüber der optischen Achse A stets etwas zur Seite versetzt. Bei symmetrischer An­ ordnung des Objektivs 110 gegenüber der Photodiode 111 würde deshalb im allgemeinen der mittlere Auftreffpunkt 113 auf der Photodiode 111 außerhalb deren Mitte liegen.

Die Signale an den Anschlüssen A und B einerseits und C und D andererseits werden voneinander subtrahiert, um Differenz­ signale zu erhalten. Die Amplituden dieser Differenzsignale sind kennzeichnend für die Oberflächenrauhigkeit des Gegen­ stands 101. Mit einem angeschlossenen Meßgerät läßt sich vorab unter Verwendung eines Eich-Gegenstands mit einer Eich-Oberfläche eine Kalibrierung durchführen, so daß die Oberflächenrauhigkeit direkt ablesbar ist.

Durch Aufzeichnen der Ausgangssignale der Photodiode bzw. der daraus gewonnenen Differenzsignale läßt sich fest­ stellen, ob beispielsweise eine Vorzugsneigung der Mikro­ flächen innerhalb der Oberfläche 103 des Gegenstands gegeben ist. Durch Vergleichen der von den Elektroden- Paaren der Photodiode gewonnenen Differenzsignale läßt sich feststellen, wie stark die möglicherweise vorhandene Anisotropie der Oberfläche 103 ist. Ein Ändern der Abtast­ richtung des Gegenstands 101 relativ zu der Meßanordnung ist nicht notwendig.

Claims (8)

1. Verfahren zur Bestimmung der Oberflächenrauhigkeit von Gegenständen mit Hilfe des Triangulations­ verfahrens und des Streulichtverfahrens, bei dem die Oberfläche des zu untersuchenden Gegenstands mit Hilfe eines Lichtstrahlenbündels schräg unter einem Winkel punktförmig bestrahlt wird, wobei der Durchmesser des Lichtpunkts auf der Oberfläche klein in bezug auf die mittleren Abmessungen der vorhandenen Oberflächenrauhigkeit ist, und das von der punktförmig belichteten Oberfläche reflektierte Licht von einem fokussierenden Objektiv auf die Oberfläche einer positionsempfindlichen Photo­ diode fokussiert wird, deren Ausgangssignale zu Differenzsignalen verarbeitet werden, die repräsentativ für die Oberflächenrauhigkeit sind.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Photodiode eine zweidimensional positions­ empfindliche Photodiode ist, deren Ausgangssignale paarweise verarbeitet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß während des gesamten Meßvor­ gangs der Bestrahlungswinkel (α) des Lichtstrahlenbündels konstant gehalten wird, während der zu untersuchende Gegen­ stand quer zu seinen auf der Oberfläche vorhandenen Riefen mit konstanter Geschwindigkeit in bezug auf das auf ihn gerichtete Lichtstrahlenbündel vorbeibewegt wird.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberflächenrauhigkeit des Gegenstands nach einer vorab durchgeführten Kalibrierung bestimmt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Photo­ diode hinsichtlich einer möglichen Anisotropie der Ober­ fläche ausgewertet werden.

6. Vorrichtung zum Durchführen des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß oberhalb des zu untersuchenden Gegenstandes ein Kondensor (107) und das Objektiv (110) angeordnet sind, wobei der Kondensor (107) das zugeführte parallele Lichtstrahlenbündel (106) auf der Oberfläche (103) des Gegenstandes (101) fokussiert, während das Objektiv (110) zur Fokussierung des von der Oberfläche (103) des Gegenstands (101) abgeleiteten Strahlenbündels auf der Oberfläche der positionsempfindlichen Photo­ diode (111) dient und mit seiner optischen Achse (A) gegenüber dem Auftreffpunkt (108) des Lichtstrahlen­ bündels (106) auf der Oberfläche (103) des Gegenstandes (101) versetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweidimensional empfindliche Photodiode (111) vorgesehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der zu untersuchende Gegen­ stand (101) auf einer Förderanordnung aufliegt, welche den Gegenstand quer zu den auf seiner Oberfläche (103) vor­ handenen Riefen an der optischen Abtasteinrichtung (105, 107, 110, 111) vorbeibewegt.