DE3737632C2

DE3737632C2 -

Info

Publication number: DE3737632C2
Application number: DE3737632A
Authority: DE
Inventors: Klaus Dr. 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: 1987-11-05
Filing date: 1987-11-05
Publication date: 1991-01-24
Also published as: GB2211933A; GB2211933B; GB8825241D0; US4866287A; DE3737632A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Messung von Oberflächenwelligkeiten spiegelnd reflektierender Ober flächen sowie eine optische Oberflächenwelligkeitsmeßvorrich tung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aus der DE 34 28 718 A1 ist ein optisches Gerät zur Bestim mung der Welligkeit von Materialoberflächen bekannt, bei dem zwei zueinander parallele Lichtstrahlen zwei nebeneinander liegende Lichtflecken auf der zu untersuchenden Oberfläche erzeugen. Das von den beiden Lichtflecken reflektierte Licht wird über eine Optik auf eine als Empfänger dienende Photo diodenzeile abgebildet, wobei die Bilder der Lichtflecke auf der Diodenzeile einen bestimmten Abstand zueinander aufwei sen.

Treten nun bei der Welligkeitsmessung Verkippungen der Materialoberfläche auf, ändert sich also die Neigung der Ober fläche an den Orten der beiden Lichtflecke in gleicher Weise, so werden die beiden Bilder der Lichtflecke auf der Dioden zeile in gleicher Weise verschoben, so daß deren Abstand gleichbleibt.

Tritt jedoch eine Welligkeit auf, so daß sich die Neigung nur am Ort eines Lichtfleckes ändert, so wird nur das ent sprechende Bild des Lichtflecks verschoben, wodurch sich der Abstand der Bilder der Lichtflecke auf der Diodenzeile ändert. Hieraus kann eine Welligkeit der Materialoberfläche während der anschließenden Auswertung ermittelt werden. Da bei läßt sich gleichzeitig die Verkippung der gesamten Materialbahn auf rechnerischem Wege kompensieren.

Eine Echtzeitkompensation etwaiger auftretender Verkippungen ist dabei nicht möglich. Außerdem ist die Vorrichtung er schütterungsempfindlich.

Aus der DE 34 27 838 A1 ist eine Rauhheitssonde bekannt, deren Lichtstrahl unter einem von 90° verschiedenen Einfalls winkel auf eine Oberfläche eines zu untersuchenden Materials auftrifft und in einem ersten Lichtfleck zu einem Hohlspie gel reflektiert wird. Von diesem wird der Lichtstrahl zur Oberfläche 13 zurückgeworfen, wo ein zweiter Lichtfleck ent steht. Der Hohlspiegel 12 ist dabei so angeordnet, daß der sekundäre Lichtfleck auf dem primären Lichtfleck oder zu mindest so nahe wie möglich am primären Lichtfleck entworfen wird. Das vom sekundären Lichtfleck reflektierte Licht trifft dann auf eine Photoempfängeranordnung auf, die zur Erfassung der Rauhheit der Oberfläche die Verteilung der Lichtintensität in der im zweiten Lichtfleck reflektierten Streukeule erfaßt. Es wird also nur die Breite der Streu keule festgestellt, die ein Maß für die Verteilung der Stei gungen in der Mikrostruktur der Oberfläche innerhalb des Lichtflecks darstellt.

Dabei wird die Lage der beiden Lichtflecke nebeneinander ge wählt, um eine hohe Lichtintensität auf dem Photoempfänger zu erzielen.

Schließlich ist noch eine Anordnung zur optischen Erfassung räumlicher Unebenheiten in der Struktur eines zu untersuchen den Objektes bekannt (DE 34 06 066 A1), bei der die zu untersuchende Oberfläche mittels einer Lichtquelle divergent beleuchtet wird. Das von der beleuchteten Oberfläche reflek tierte Licht wird zu einem nicht abbildenden Retroreflektor gelenkt, der es auf die Oberfläche zurückwirft. Zur Erken nung der Unebenheiten wird die Oberfläche mit einer Videoka mera beobachtet.

Aufgrund der starken Winkelabhängigkeit der Inensität der Reflexion am Retroreflektor ergeben sich starke Änderungen der Lichtstrahlauffächerung, wenn am Objekt Unebenheiten auf treten, die sich als Hell-Dunkel-Unterschiede bei der Beo bachtung mittels der Kamera bemerkbar machen.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Verfahren zur optischen Messung von Oberflächenwelligkeiten spiegelnd reflektierender Oberflächen zu schaffen, mit dem Welligkeiten - also Makrostrukturen, deren Ausdehnung deut lich größer ist als der Durchmesser der Lichtflecke, - in einer bestimmten Richtung optimal gemessen werden können und mit dem sich etwaige Verkippungen der Materialbahn kompen sieren lassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird also der schräg auf die im wesentlichen ebene Oberfläche auftreffende Lichtstrahl zweimal an der im wesentlichen bis auf die Welligkeit ebenen Oberfläche reflek tiert. Dabei wird der vom auftreffenden Lichtstrahl erzeugte primäre Lichtfleck mittels eines abbildenden Retroreflektors in einen sekundären Lichtfleck abgebildet. Aufgrund des Ab standes der beiden Lichtflecken gegeneinander, der veränder bar ist, läßt sich die Differenz der Neigungen, also der zweite Differenzenquotient der Oberflächenwelligkeit, aus der Lage des vom sekundären Lichtfleck reflektierten Licht strahls auf einer positionsempfindlichen Photoempfängeranord nung bestimmen.

Die positionsempfindliche Photoempfangsanordnung kann im ein fachsten Falle aus einer Differenzdiode oder einem positions empfindlichen Empfänger bestehen. Für genauere Messungen wird zweckmäßig eine Photodiodenzeile verwendet.

Das erfindungsgemäße Verfahren läßt sich in besonders vor teilhafter Weise mit der im Anspruch 2 beschriebenen Vorrich tung durchführen. Bei dieser praktischen Ausführungsform der Oberflächenwelligkeitsmeßvorrichtung wird die Abstandsände rung zwischen dem primären und dem sekundären Lichtfleck da durch realisiert, daß der Hohlspiegel begrenzt kippbar ist. Auf diese Weise wird sichergestellt, daß die Vorrichtung an die jeweils zu messende Welligkeit angepaßt werden kann.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, deren einzige Figur eine schematische Seitenansicht einer optischen Oberflächen welligkeitsmeßvorrichtung zeigt.

Nach der Zeichnung schickt ein Laser 22 über eine Strahlauf weitungsoptik 23 einen scharf gebündelten Sendelichtstrahl 24 unter einem Winkel α von etwa 30 bis 45° zur Senkrechten auf die im wesentlichen ebene Oberfläche 14 eines Gegenstandes 25. Gegebenenfalls kann der Gegenstand in Richtung des Pfeiles unter der Oberflächenwelligkeitsmeßvorrichtung hin durchbewegt werden.

Der scharf gebündelte Sendelichtstrahl 24 erzeugt auf der Oberfläche 14 einen kleinen primären Licht fleck 12, dessen Durchmesser etwa 1 bis 3 mm betragen kann. Da die Oberfläche 14 spiegelnd reflektierend ist, wird unter dem Reflexionswinkel α ein Primär-Reflexionslichtstrahl 21 reflektiert, der auf einen sphäri schen Hohlspiegel 11 auftrifft, welcher im wesentlichen im Abstand seines Radius vom primären Lichtfleck 12 angeord net ist. Genaugenommen befindet sich aber der Krümmungs mittelpunkt 13 des sphärischen Hohlspiegels 12 in einem geringen Abstand neben dem primären Lichtfleck 12, so daß der vom Hohlspiegel 11 reflektierte Austrittsstrahl 15 zum den Eintrittsstrahl bildenden Primär-Reflexionslichtstrahl 21 einen geringen Winkel einschließt und jenseits des Krümmungsmittelpunktes 13 auf die Ober fläche 14 auftrifft und dort einen Sekundärlichtfleck 26 erzeugt. Der Auftreffwinkel β des Austrittsstrahls 15 auf die Oberfläche 14 ist etwas größer als der Winkel α. Unter dem Reflexionswinkel β wird dann ein Sekundär- Relexionslichtstrahl 27 zu einer linearen Photoempfangs anordnung 16 gelenkt, deren Längserstreckung im wesent lichen senkrecht zum Sekundär-Reflexionslichtstrahl 27 und in der Zeichnungsebene verläuft. Die Photoempfangsanordnung 16 besteht im Ausführungsbeispiel aus drei in Reihe angeordneten Photoempfängern 17, 18 und 19.

Der Hohlspiegel 11 ist um eine senkrecht auf der Zeichnungs ebene stehende Achse 20 geringfügig verschwenkbar, wodurch der Abstand des Krümmungsmittelpunktes 13 vom Primärlicht fleck 12 und damit der Abstand der beiden Lichtflecke 12, 26 in einer gewünschten Weise verändert werden kann. Diese Ab standsänderung ist zweckmäßig, um bestimmte Welligkeiten optimal messen zu können.

Die Wirkungsweise der beschriebenen Oberflächenwellig keitsmeßvorrichtung ist wie folgt:

Der Hohlspiegel 11 erzeugt neben dem Krümmungsmittelpunkt 13 das Spiegelbild des primären Lichtflecks 12 als Sekundär lichtfleck 26. Wird die im wesentlichen ebene Oberfläche 14 insgesamt etwas in der einen oder anderen Richtung insbe sondere um eine senkrecht auf der Zeichnungsebene stehende Achse ge kippt, so verändert sich der Auftreffpunkt des Sekundär- Reflexionslichtstrahls 27 auf der Photoempfangsanordnung 16 nicht. Bestehen jedoch an den Orten des primären Lichtflecks 12 und des sekundären Lichtflecks 26 unterschiedliche Ober flächenneigungen um senkrecht auf der Zeichnungsebene stehende Achsen, so fällt der Sekundär-Reflexionsstrahl 27 je nach dieser Neigungsdifferenz entweder auf den Photoempfänger 17 oder den Photoempfänger 19. Neigungsunterschiede im Bereich der Lichtflecke 12, 26 können so mit der Photoempfangsanord nung 16 erfaßt werden. Liegen keine Neigungsunterschiede vor, so fällt der Sekundär-Reflexionsstrahl 27 auf den mittleren Photoempfänger 18.

Zur Erläuterung der Erfindung ist die Oberfläche 14 des Gegenstandes 25 unterhalb der dargestellten Oberflächen- Welligkeitsmeßvorrichtung genau eben dargestellt. Eine Welligkeit, wie sie mit der beschriebenen Vorrichtung erfaßt werden soll, ist links im Anschluß an die Oberfläche 14 gestrichelt bei 14′ angedeutet. Durch Vorgabe eines geeig neten Abstandes zwischen den Lichtflecken 12, 26 können etwa vorhandene Welligkeiten optimal erfaßt und durch die an die Photoempfangsanordnung 16 angeschlossene Auswerte elektronik zur Anzeige gebracht werden.

Angezeigt wird in jedem Fall die Differenz der Neigungen, also der zweite Differenzenquotient.

Claims

1. Verfahren zur optischen Messung von Oberflächenwelligkei ten spiegelnd reflektierender Oberflächen,

- bei dem ein Lichtstrahl (24) unter einem von 90° ab weichenden Winkel (α) schräg auf eine zu untersuchende Oberfläche (14) gelenkt wird,
- um dort einen kleinen primären Lichtfleck (12) zu er zeugen,
- bei dem ein im primären Lichtfleck (12) reflektierter Primär-Reflexionslichtstrahl (21) mittels eines abbil denden Retroreflektors (11) auf die Oberfläche (14) zu rückgelenkt wird,
- um einen sekundären Lichtfleck (26) zu erzeugen, der gegen den primären Lichtfleck (12) versetzt ist, wobei der Abstand zwischen dem primären und dem sekundären Lichtfleck (12 bzw. 26) so eingestellt wird, daß etwa vorhandene Welligkeiten optimal erfaßt werden, und
- bei dem der Auftreffpunkt eines im sekundären Licht fleck (26) reflektierten Sekundär-Reflexionslicht strahls (27) auf einer positionsempfindlichen Photo empfangsanordnung (16) bestimmt wird, um den Unter schied der Neigungen der Oberfläche (14) zwischen den Orten der Lichtflecke (12, 26) zu erfassen.

2. Optische Oberflächenwelligkeitsmeßvorrichtung für spie gelnd reflektierende Oberflächen zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1,

- mit einer Lichtquelle (22),
- mit einer Optik (23), die unter einem von 90° abwei chenden Winkel (α) einen Lichtstrahl (24) schräg auf die Oberfläche (14) lenkt, der dort einen ruhenden kleinen Lichtfleck (12) erzeugt,
- mit einem sphärischen Hohlspiegel (11), der so in Rich tung des unter dem Winkel (α) reflektierten Primärre flexionslichtstrahls (21) angeordnet ist, daß sein Krümmungsmittelpunkt (13) neben dem kleinen primären Lichtfleck (12) auf der reflektierenden Oberfläche (14) angeordnet ist, um einen sekundären Lichtfleck (26) auf der Oberfläche (14) zu erzeugen, und der um eine senkrecht auf der Reflexionsebene von Eintritts strahl und Austrittsstrahl stehende Achse (20) be grenzt kippbar ist, so daß der Abstand des Krümmungs mittelpunktes (13) vom primären Lichtfleck (12) ein stellbar ist, und
- mit einer positionsempfindlichen Photoempfangsanord nung (16), die unter dem Reflexionswinkel (β) des von dem Hohlspiegel (11) und abermals von der Oberfläche (14) reflektierten Sekundär-Reflexionslichtstrahls (27) angeordnet ist, zur Erfassung des Unterschieds der Neigungen der Oberfläche (14) zwischen den Orten der Lichtflecke (12, 26).