DE4408226A1 - Meßeinrichtung zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen durch Auswertung di- oder polychromatischer Specklemuster - Google Patents

Description

Es wird ein Verfahren zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen beschrieben, wobei das an der zu untersuchenden Oberfläche gestreute di- oder polychroma­ tische Streulicht mittels einer Konvexlinse oder eines Linsensystems umgelenkt und in deren hinterer Brennebene mittels eines Detektor-Arrays detektiert wird. Das Bilddatensignal des Detektor-Arrays wird anschließend digitalisiert und mittels eines Bildverarbeitungsalgorithmus analysiert, indem in unterschiedlichen Bereichen der Bildaufnahme lokale Autokorrelationsfunk­ tionen gebildet werden, die zueinander in Beziehung gesetzt werden, wodurch die Ermittlung einer Senkrechtkenngröße der Rauheit erreicht wird.

Bisher eingesetzte Meßverfahren der oben angesprochenen Art sind in den Schriften DE 22 60 090 und DE 30 37 622 beschrieben. Diese Verfahren befassen sich mit der Auswertung von Winkelverteilungen des an der zu untersuchenden Oberfläche gestreuten Lichtes. Der Ver­ lauf der mit einem solchen Verfahren detektierten Streulichtverteilungen hängt jedoch sowohl von einer Senkrechtkenngröße der Rauheit gemäß DIN 4762 als auch von einer Waagerecht­ kenngröße der Rauheit und zudem stark von der jeweiligen Form der Autokorrelationsfunktio­ nen der Oberflächen ab. Anhand der Meßdaten ist es nicht möglich, diese Abhängigkeiten zu trennen. Somit ist es nicht möglich, zuverlässig eine gemäß DIN 4762 genormte Senk­ rechtkenngröße der Rauheit zu ermitteln, wie es in vielen technischen Anwendungen verlangt wird.

Ein weiteres vergleichbares Meßverfahren ist in der Schrift DE-OS 3 02 044 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird teilkohärentes Licht verwendet, wobei dem rückgestreuten Licht zusätz­ lich inkohärentes Licht überlagert wird. Durch die Verwendung von Zusatzlicht wird dieses Verfahren jedoch empfindlich gegenüber sonstigem Streulicht aus der Umgebung. Ein anderes bekanntes Meßverfahren, das in der Schrift DE 35 32 690 beschrieben wird, benötigt für die Umsetzung des Meßsignals in ein Rauheitssignal Kennlinien, die für die betrachtete Geome­ trie zunächst anhand von Prüfflächen bekannter Rauheit ermittelt werden müssen, so daß der Einsatz solcher Meßverfahren einen hohen Aufwand erfordert.

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit techni­ scher Oberflächen, wobei die zu untersuchende Oberfläche von einem partiell kohärenten Strah­ lenbündel di- oder polychromatischen Lichtes beleuchtet wird und das einfallende Lichtbündel von dem jeweils beleuchteten Teil der Oberfläche gestreut wird. Die Winkelverteilung des Streulichtes ist von den statistischen Parametern der rauhen Oberfläche, der Wellenlängenkom­ bination der einfallenden elektromagnetischen Lichtwellen, dem Querschnitt des einfallenden Strahlenbündels, dem Einfallswinkel, den das Lot an die rauhe Oberfläche mit dem einfallenden Strahlenbündel einschließt und weiteren Parametern abhängig. Sofern die Kohärenzlänge des Lichtes in dem einfallenden Strahlenbündel deutlich größer ist als die Höhenfluktuation der streuenden Oberfläche, weist die Winkelverteilung des Streulichtes starke Intensitätsfluktua­ tionen auf, die sich bei Beobachtung auf einem Schirm als sogenannte Granulations- oder Specklemuster bemerkbar machen.

Für di- oder polychromatisches Licht zeigen diese Granulationsmuster, sofern ähnliches Streu­ verhalten des Lichtes der unterschiedlichen Wellenlängen vorliegt und sich die Höhenstruk­ tur bezogen auf eine Tangentialebene an die Oberfläche weitgehend isotrop verhält, eine strahlenförmige radiale Struktur, die auch als Speckle-Elongation bezeichnet wird. Weist die streuende Oberfläche eine Vorzugsrichtung der Rauheit auf, wie dies z. B. für geschliffene Oberflächen der Fall ist, so geht, vorausgesetzt es liegt ähnliches Streuverhalten des Lichtes der unterschiedlichen Wellenlängen vor, die strahlenförmige radiale Struktur mit zunehmender Ausprägung der Vorzugsrichtung der Rauheit der streuenden Oberfläche immer deutlicher in eine strahlenförmige axiale Struktur über. Ursache dieser Art der Strukturierung von Granula­ tionsmustern ist der physikalische Effekt der Winkeldispersion. Je weniger stark die Ähnlichkeit im Streuverhalten für das Licht der unterschiedlichen verwendeten Wellenlängen ist, desto we­ niger stark ist auch die strahlenförmige radiale bzw. axiale Struktur im Granulationsmuster ausgeprägt. Die Ähnlichkeit des Streuverhaltens des Lichtes unterschiedlicher Wellenlängen hängt wesentlich von den jeweiligen mittleren quadratischen Rauheitsamplituden der streuen­ den Oberflächen ab.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit welchem sich aus einem Granulationsmuster di- oder polychromatischen Lichtes eine Senkrechtkenngröße der Rauheit, z. B. der quadratische Mittenrauhwert R_q, un­ mittelbar ermitteln läßt, wobei diese Meßwerte eindeutig die gewünschte Senkrechtkenngröße angeben und nicht etwa lediglich eine nicht trennbare Überlagerung verschiedener Einflüsse bzw. Oberflächenparameter anzeigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das an der zu untersuchenden Oberfläche gestreute di- oder polychromatische Licht durch eine Konvexlinse oder ein Linsensystem umgelenkt wird, das unter dem Reflexionswinkel im optischen Strahlengang positioniert ist. Die Lichtintensitätsverteilungen, die sich in der Brenn­ ebene der Linse oder des Linsensystems bilden, die - bezogen auf die Linse oder das Linsensy­ stem - auf der entgegengesetzten Seite der streuenden Oberfläche liegt, werden mittels eines Detektor-Arrays detektiert. Dabei werden die Bilddaten der Aufnahme digitalisiert und in ei­ nem Datenspeicher abgelegt. Mittels digitaler Bildverarbeitung werden in unterschiedlichen Bereichen der Bildaufnahme ein- oder zweidimensionale, normierte mittlere lokale Autokorre­ lationsfunktionen der räumlichen Verteilungen von Intensitätsfluktuationen gebildet. Solche Intensitätsfluktuationen erhält man, indem von den aufgenommenen Bilddaten Mittellinien oder -flächen beispielsweise in Form von Regressionsgeraden oder -flächen subtrahiert wer­ den. Für die mittleren lokalen Autokorrelationsfunktionen wird auf einheitliche Art und Weise jeweils eine charakteristische mittlere Breite numerisch ermittelt, die z. B. durch den Nulldurch­ gang einer sich dem absoluten Maximum der Autokorrelationsfunktion asymptotisch nähernden Näherungsparabel gekennzeichnet sein kann. Bei der Bildung zweidimensionaler Autokorrela­ tionsfunktionen wird der Nulldurchgang der Näherungsparabel in der Richtung des größten Abstands zwischen Parabelnulldurchgang und der Position des Maximums der Autokorrelati­ onsfunktion als charakteristische Breite verwendet. Beim erfindungsgemäßen Verfahren wird die Zunahme der charakteristischen Breiten mit wachsendem Abstand von der optischen Achse als Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit verwendet. Je größer die Senkrechtkenngröße der Rauheit ist, desto größer ist die Zunahme der charakteristischen Breiten lokaler Autokor­ relationsfunktionen mit wachsendem Abstand zur optischen Achse. Die Zunahme der charak­ teristischen Breite läßt sich zum Beispiel bestimmen, indem für einen festen Abstand zwischen zwei Bereichen, in denen lokale Autokorrelationsfunktionen gebildet werden, die maximale Differenz oder das maximale Verhältnis der charakteristischen Breiten der lokalen Autokor­ relationsfunktionen in den Bereichen einer Aufnahme des Granulationsmusters einer rauhen Oberfläche, in denen in ausreichendem Maße Streulicht von der zu untersuchenden Oberfläche detektiert wurde, als Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit der streuenden Oberfläche verwendet wird.

Bezüglich der Eigenschaften des Materials der streuenden Oberfläche ist dabei vorauszuset­ zen, daß das Material eine meßbare Reflexion zeigt. Der Meßbereich und die Empfindlichkeit des Verfahrens können über die Wellenlängendifferenz zwischen dem kurz- und dem langwel­ ligsten Lichtanteil in dem di- oder polychromatischen Licht, mit dem die rauhe Oberfläche bestrahlt wird, variiert werden. Je kleiner diese Differenz ist, desto größer kann die mit dem Verfahren zu ermittelnde Senkrechtkenngröße der Rauheit sein. Je größer bei Verwendung von polychromatischem Licht die Anzahl der unterschiedlichen Wellenlängen des Lichtes ist, desto größer ist der Bereich in der Ebene des Detektor-Arrays, in dem der oben beschriebene rauheitsabhängige Meßeffekt auftritt.

Beim erfindungsgemäßen Verfahren ist es möglich, Störeinflüsse zum Beispiel dadurch zu reduzieren, daß das mittels Detektor-Array aufgenommene Granulationsmuster einer Tiefpaß­ filterung zum Beispiel in Form einer diskreten Faltung unterzogen wird. Die charakteristische Breite der hierbei verwendeten Filterfunktion steht in einer zweckmäßig zu wählenden Bezie­ hung zu dem mittleren Durchmesser eines Speckles im Granulationsmuster. Die Filterfunktion kann z. B. die Form einer ein- oder zweidimensionalen Gaußschen Exponentialfunktion haben, die entsprechende Glockenkurven beschreibt und deren Breite kleiner ist als der mittlere Speck­ ledurchmesser.

Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens im Vergleich zu bisher bekannten optischen Rau­ heitsmeßverfahren bestehen vor allem in einem großen Meßbereich für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit. Zum Beispiel kann der zu ermittelnde quadratische Mittenrauhwert Werte zwi­ schen ca. 0,1 µm und ca. 10 µm annehmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Inten­ sitätsschwankungen detektiert werden, während bei anderen Meßverfahren eine Detektierung von Absolutwerten der Intensitäten erforderlich ist. Besonders hervorzuheben ist ferner die geringe Anfälligkeit des Meßverfahrens gegen die Justiergenauigkeit: Verkippungen der rau­ hen Oberfläche aus der justierten Position heraus von etwa 1° beeinträchtigen das Ergebnis der Rauheitsmessung nicht. Schließlich kann der Meßaufbau im Vergleich zu den bekannten optischen Verfahren sehr kompakt und kostengünstig ausgeführt werden. Der Meßeffekt lie­ fert nahezu perfekt eine statistische Größe zur Beschreibung der Oberflächenstruktur, die als Senkrechtkenngröße der Rauheit die statistischen Schwankungen der Oberflächenamplituden kennzeichnet.

Zur Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahren können konventionelle optische Kompo­ nenten und CCD-Technik verwendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren hat außerdem den Vorteil, daß bei der Auswertung der Specklemuster eine Vielzahl einzelner Intensitätswerte berücksichtigt werden, so daß eine große Zuverlässigkeit der Meßergebnisse gewährleistet ist. Eine entsprechende Meßeinrichtung bietet somit gute Voraussetzungen für einen in-process- Einsatz beispielsweise in industriellen Fertigungsstraßen.

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschrei­ bung einer schematisch gezeichneten Ausführungsform einer Vorrichtung zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Abb. 1 zeigt eine teilkohärente Lichtquelle (1) (z. B. Argon-Ionen-Laser, oder auch zweckmäßig gewählte Laser-Dioden, unter Umständen mit einer nachfolgenden optischen Filteranordnung zur Erzeugung eines Bündels di- oder polychroma­ tischen Lichtes (2) der für das konkrete Meßproblem erforderlichen Wellenlängenzusammen­ setzung). Ein Strahlenbündel des di- oder polychromatischen Lichtes (2) durchläuft beim in Abb. 1 gezeichneten Ausführungsbeispiel den Strahlteiler (3) und trifft senkrecht auf die rauhe Oberfläche (4), an der es gestreut wird. Selbstverständlich ist der senkrechte Lichteinfall keine notwendige Voraussetzung für eine erfindungsgemäße Realisierung des Meßverfahrens. Es können auch andere Einfallswinkel realisiert werden, wie dies in dem in Abb. 2 gezeich­ neten Anwendungsbeispiel der Fall ist. In solchen Fällen kann der Strahlteiler (3) entfallen, während die Linse (5) in etwa in der geometrisch-optischen Reflexionsrichtung (6) zu positio­ nieren ist.

Der für die Auswertung relevante Teil des Streulichtes wird bei der Ausführung der Meßein­ richtung gemäß Abb. 1 von der rauhen Oberfläche (4) in den Strahlteiler (3) und von diesem auf eine Konvexlinse (5) oder ein Linsensystem der Brennweite f umgelenkt und in der hinteren Brennebene dieser Linse (5) oder des entsprechenden Linsensystems als Granula­ tionsmuster mittels eines Detektor-Arrays (7) detektiert. Bei der in Abb. 2 dargestellten Ausführungsform der Meßeinrichtung wird ein Teil des von der rauhen Oberfläche (4) ge­ streuten Lichtes direkt über die Linse (5) oder ein entsprechendes Linsensystem umgelenkt und das Granulationsmuster in der Brennebene im Abstand f hinter der Linse mittels eines Detektor-Arrays (7) detektiert.

Für den Abstand d zwischen der streuenden Oberfläche (4) und der Linse bzw. dem Linsen­ system (5) ist die Gültigkeit der Fresnelschen Näherung zu gewährleisten. Die Brennweite f kann z. B. 200 mm betragen, als Detektor-Array läßt sich z. B. ein CCD-Array verwenden. Die Bilddaten werden pixelsynchron mittels einer Bilddatenerfassungseinheit (8) als Grauwerte abgelegt und einem Digitalrechner (9) zur weiteren Verarbeitung zur Verfügung gestellt. Ein Monitor (10), auf dem das Specklemuster beobachtet werden kann, erlaubt eine unproblema­ tische Justierung des Meßaufbaus.

Im weiteren wird mittels Datenverarbeitungsprogrammen zunächst gegebenenfalls eine ein- oder zweidimensionale Tiefpaßfilterung des Bilddatenmaterials durchgeführt. Sodann werden mittels Datenverarbeitungsprogrammen für unterschiedliche Bereiche des detektierten Granu­ lationsmusters ein- oder zweidimensionale normierte mittlere lokale Autokorrelationsfunktio­ nen der Intensitätsschwankungen gebildet und deren charakteristische Breiten zum Beispiel durch Differenz- oder Quotientenbildung zueinander in Beziehung gesetzt. Der maximale Wert dieser Differenzen bzw. Quotienten innerhalb einer Aufnahme eines Granulationsmu­ sters bei einem festen Abstand zwischen den lokalen Auswertebereichen stellt ein Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit dar. Es ist auch möglich, Mittelwerte der zu bestimmenden Senkrechtkenngröße der Rauheit zu bilden, indem eine zum Beispiel sehr kleine Bewegung des Werkstücks durchgeführt wird, damit ein anderer Oberflächenabschnitt beleuchtet wird und die Datenaufnahme und -auswertung wiederholt werden. Auch die wiederholte Bildda­ tenerfassung während einer kontinuierlichen Bewegung der rauhen Oberfläche gehört zu einer Realisierungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens.

Claims (12)

1. Meßeinrichtung zum Bestimmen einer Senkrechtkenngröße der Rauheit einer techni­ schen Oberfläche, bei der ein Oberflächenabschnitt (4) dieser rauhen Oberfläche mittels eines oder mehrerer Strahlenbündel di- oder polychromatischen Lichtes (2) beleuchtet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das vom beleuchteten Bereich der rauhen Oberfläche ausgesandte Streulicht in der hinteren Brennebene einer fernfelderzeugenden Konvex­ linse (5) oder eines fernfelderzeugenden Linsensystems mittels eines Detektor-Arrays (7) detektiert und als Graustufenbild in einem Datenspeicher abgelegt wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß aus dem in einem Daten­ speicher abgelegten Graustufenbild für verschiedene Bereiche des Granulationsmusters mittlere eindimensionale oder zweidimensionale oder mittlere ein- und zweidimensionale normierte lokale Autokorrelationsfunktionen der Graustufenfluktuationen gebildet wer­ den, aus denen ein Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit der zu untersuchenden Oberfläche abgeleitet wird.

3. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß auf einheit­ liche Art und Weise für die verschiedene lokale Bereiche des im Datenspeicher abgeleg­ ten Graustufenbildes des Granulationsmusters charakteristische Breiten der zugehörigen mittleren lokalen Autokorrelationsfunktionen bestimmt werden, aus denen ein Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit der zu untersuchenden Oberfläche ermittelt wird.

4. Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit bei vorgegebenen Abstand zwischen lokalen Be­ reichen des im Datenspeicher abgelegten Graustufenbildes die maximale Differenz oder der maximale Quotient der charakteristischen Breiten der mittleren lokalen Autokorre­ lationsfunktionen verwendet wird.

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das mittels eines Detektor- Arrays detektierte Graustufenbild, entweder vor dem Ablegen in einem Datenspeicher oder aber danach, in einer oder zwei Dimensionen tiefpaßgefiltert wird.

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterfunktion des Tiefpaßfilters eine eindimensionale oder zweidimensionale Gaußsche Exponentialfunktion verwendet wird.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, daß durch Verkleinerung der maximalen Wellenlängendifferenz des einfallenden Lichtes eine Ver­ schiebung des Meßbereichs in Richtung größerer Senkrechtkenngrößen der Rauheit er­ reicht wird.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, daß durch eine Erhöhung der Anzahl der in dem einfallenden Licht vertretenen Lichtwellenlängen eine Vergrößerung des Streuwinkelbereiches um die Reflexionsrichtung herum erreicht wird, in dem der Meßeffekt der Speckle-Elongation auftritt.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 8 dadurch gekennzeichnet, daß De­ justierungen durch die Variation der Bereiche des Specklemusters, in denen normierte lokale Autokorrelationsfunktionen gebildet werden, kompensiert werden können.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß im Falle einer radialen Struktur der Specklemuster zweidimensionale lokale Autokorrelationsfunk­ tionen gebildet werden und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Richtungen der zweidimensionalen Autokorrelationsfunktionen für die weitere Auswertung die maximale charakteristische Breite verwendet wird.

11. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 9 dadurch gekennzeichnet, daß für Ober­ flächen mit einer Vorzugsrichtung der Rauheit die lokalen Auswertebereiche parallel zu der Ebene variiert werden, die durch das einfallende Strahlenbündel (2) und die Richtung der maximalen Rauheit aufgespannt wird.

12. Meßeinrichtung nach Anspruch 11 dadurch gekennzeichnet, daß lokale Autokorrelations­ funktionen der Grauwertfluktuationen für Bereiche des Granulationsmusters gemittelt werden, deren senkrechte Projektionen auf die durch das einfallende Strahlenbündel und die Richtung maximaler Rauheit aufgespannte Ebene übereinstimmen.