DE4408226C2 - Meßeinrichtung zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen durch Auswertung di- oder polychromatischer Specklemuster - Google Patents

Description

Es wird eine Meßeinrichtung (Vorrichtung) zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen beschrieben, wobei das an der zu untersuchenden Oberfläche gestreute di- oder polychromatische Streulicht mittels einer Konvexlinse oder eines Linsensystems um­ gelenkt und in deren hinterer Brennebene mittels eines Detektor-Arrays detektiert wird. Das Bilddatensignal des Detektor-Arrays wird anschließend digitalisiert und mittels eines Bildverar­ beitungsalgorithmus analysiert, indem in unterschiedlichen Bereichen der Bildaufnahme lokale Autokorrelationsfunktionen gebildet werden, die zueinander in Beziehung gesetzt werden, wo­ durch die Ermittlung einer Senkrechtkenngröße der Rauheit erreicht wird.

Bisher eingesetzte Meßverfahren der oben angesprochenen Art sind in den Schriften DE-OS 22 60 090 und DE 30 37 622 A1 beschrieben. Diese Verfahren befassen sich mit der Auswer­ tung von Winkelverteilungen des an der zu untersuchenden Oberfläche gestreuten Lichtes, wobei keine speziellen Anforderungen an die Kohärenz der auf die Oberfläche eingestrahlten Lichtstrahlenbündel gestellt werden. Der Verlauf der mit einem solchen Verfahren detektier­ ten Streulichtverteilungen hängt jedoch sowohl von einer Senkrechtkenngröße der Rauheit gemäß DIN 4762 als auch von einer Waagerechtkenngröße der Rauheit und zudem stark von der jeweiligen Form der Autokorrelationsfunktionen der Oberflächen ab. Anhand der Meß­ daten ist es nicht möglich, diese Abhängigkeiten zu trennen. Somit ist es nicht möglich, zuverlässig eine gemäß DIN 4762 genormte Senkrechtkenngröße der Rauheit zu ermitteln, wie es in vielen technischen Anwendungen verlangt wird. Schließlich wird der technisch sinnvol­ le Aufbau des Meßsystems durch die Art des Meßverfahrens stark eingeschränkt. Aufgrund der bei optisch rauhen Oberflächen auftretenden diffusen Streuung muß ein solches Meßsy­ stem in ausreichend kleinem Abstand vom Meßobjekt angeordnet werden, damit die Erfassung des relevanten Streuwinkelbereiches gegeben ist. Der Lösung einer anderen Aufgabenstellung dient das in der Schrift WO 86/ 04676 A2 dargelegte Verfahren, und zwar der Ermittlung von Gestaltsfehlern niedriger Ordnung, beispielsweise von Unebenheiten. Dabei werden Ver­ schiebungen des Schwerpunktes eines von einem Meßfleck auf einer Oberfläche reflektierten Lichtstrahls durch Auswertung der Ausgangssignale von zeilenförmig angeordneten Lichtemp­ fangselementen erfaßt. Durch Abtasten der Oberfläche wird in Abtastrichtung ein Steigungs- oder Höhenprofil ermittelt, sofern die Abmessungen des Lichtflecks in Abtastrichtung nicht größer als die kleinsten aufzulösenden Gestaltsfehler sind.

Ein weiteres vergleichbares Meßverfahren ist in der Schrift DE 30 20 044 A1 beschrieben. Bei diesem Verfahren wird teilkohärentes Licht verwendet, wobei dem rückgestreuten Licht zusätzlich 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 A1 beschrieben wird, benötigt für die Umsetzung des Meßsignals in ein Rauheitssignal Kennlinien, die für die betrachtete Geometrie zunächst anhand von Prüfflächen bekannter Rauheit ermittelt werden müssen, so daß der Einsatz solcher Meßverfahren einen hohen Aufwand erfordert.

Eine weitere Schrift, DE 38 19 183 A1, bezieht sich auf ein Verfahren, bei dem durch optische Abtastung mit einem Lichtfleck und die durch Oberflächenfehler hervorgerufenen Änderungen des Reflexionsverhaltens des Lichtes an unterschiedlichen Abtastpunkten ein Bild entsteht, das in digitalisierter Form als Grauwertbild in einem Bildspeicher abgelegt wird. Die Erfindung betrifft insbesondere die Zuführung der Bildpunkte als Grauwerte zu einer Fehlererkennungs­ schaltung. Die optische Anordnung wird hier so gewählt, daß Interferenzeffekte nicht aufgelöst werden, die bei Beleuchtung der Oberflächen mit teilkohärentem Licht in Form sogenannter Specklebilder in Erscheinung treten könnten.

Die Erfindung betrifft eine Meßeinrichtung zur prozeßgekoppelten Bestimmung der Rauheit technischer Oberflächen, wobei die zu untersuchende Oberfläche von einem partiell kohären­ ten Strahlenbündel di- oder polychromatischen Lichtes beleuchtet wird und das einfallende Lichtbündel von dem jeweils beleuchteten Teil der Oberfläche gestreut wird. Die Winkel­ verteilung des Streulichtes ist von den statistischen Parametern der rauhen Oberfläche, der Wellenlängenkombination 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 star­ ke Intensitätsfluktuationen 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 Höhenstruktur bezogen auf eine Tangentialebene an die Oberfläche weitgehend isotrop verhält, eine strah­ lenförmige radiale Struktur, die auch als Speckle-Elongation bezeichnet wird. Weist die streu­ ende Oberfläche eine Vorzugsrichtung der Rauheit auf, wie dies z. B. für geschliffene Ober­ flächen der Fall ist, so geht, vorausgesetzt es liegt ähnliches Streuverhalten des Lichtes der unterschiedlichen Wellenlängen vor, die strahlenförmige radiale Struktur mit zunehmender Aus­ prägung der Vorzugsrichtung der Rauheit der streuenden Oberfläche immer deutlicher in eine strahlenförmige axiale Struktur über. Ursache dieser Art der Strukturierung von Granulations­ mustern 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, eine Meßeinrichtung der eingangs erwähnten Art zu schaffen, mit der sich aus einem Granulationsmuster di- oder polychromatischen Lichtes eine Senkrechtkenngröße der Rauheit, z. B. der quadratische Mittenrauhwert R_q unmittelbar ermitteln läßt, wobei diese Meßwerte eindeutig die gewünschte Senkrechtkenngröße angeben und nicht etwa lediglich eine nicht trennbare Überlagerung verschiedener Einflüsse bzw. Ober­ flächenparameter anzeigen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das an der zu untersuchenden Oberfläche gestreute teilkohärente 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 Brennebene der Linse oder des Linsensystems bilden, die - bezogen auf die Linse oder das Lin­ sensystem - auf der entgegengesetzten Seite der streuenden Oberfläche liegt, werden mittels eines Detektor-Arrays detektiert, d. h. einer flächigen Anordnung einer Vielzahl fotosensiti­ ver Elemente, die so beschaffen sein muß, daß die Specklestrukturen, d. h. das vorgenannte Granulations- oder Specklemuster, aufgelöst werden. Dabei werden die Bilddaten der Aufnah­ me, die in der Regel die beobachteten Specklemuster in ihrer flächigen Anordnung wiedergeben, digitalisiert und in einem Datenspeicher abgelegt. Mittels digitaler Bildverarbeitung werden in unterschiedlichen Bereichen der Bildaufnahme ein- oder zweidimensionale, normierte mittlere lokale Autokorrelationsfunktionen der räumlichen Verteilungen von Intensitätsfluktuationen ge­ bildet. Solche Intensitätsfluktuationen erhält man, indem von den aufgenommenen Bilddaten Mittellinien oder -flächen beispielsweise in Form von Regressionsgeraden oder -flächen sub­ trahiert werden. Für die mittleren lokalen Autokorrelationsfunktionen wird auf einheitliche Art und Weise jeweils eine charakteristische mittlere Breite numerisch ermittelt, die z. B. durch den Nulldurchgang einer sich dem absoluten Maximum der Autokorrelationsfunktion asymptotisch nähernden Näherungsparabel gekennzeichnet sein kann. Bei der Bildung zweidimensionaler Au­ tokorrelationsfunktionen wird z. B. der Nulldurchgang der Näherungsparabel in der Richtung des größten Abstands zwischen Parabelnulldurchgang und der Position des Maximums der Autokorrelationsfunktion als charakteristische Breite verwendet. Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung wird die Zunahme der charakteristischen Breiten mit wachsendem Abstand von der optischen Achse als Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit verwendet. Je kleiner die Senkrechtkenngröße der Rauheit ist, desto größer ist die Zunahme der charakteristischen Breiten lokaler Autokorrelationsfunktionen mit wachsendem Abstand zur optischen Achse. Die Zunahme der charakteristischen Breite läßt sich zum Beispiel bestimmen, indem für einen fe­ sten Abstand zwischen zwei Bereichen, in denen lokale Autokorrelationsfunktionen gebildet werden, die maximale Differenz, das maximale Verhältnis, der Mittelwert oder die Streuung der charakteristischen Breiten der lokalen Autokorrelationsfunktionen 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 Senkrecht­ kenngröße der Rauheit der streuenden Oberfläche verwendet wird.

Bezüglich der Eigenschaften des Materials der streuenden Oberfläche ist dabei vorauszusetzen, daß das Material eine meßbare Reflexion zeigt. Der Meßbereich und die Empfindlichkeit des Verfahrens können über die Wellenlängendifferenz zwischen dem kurz- und dem langwelligsten 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 polychroma­ tischem 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.

Bei der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung ist es möglich, Störeinflüsse zum Beispiel dadurch zu reduzieren, daß das mittels Detektor-Array aufgenommene Granulationsmuster einer Tief­ paßfilterung zum Beispiel in Form einer diskreten Faltung unterzogen wird. Die charakteri­ stische Breite der hierbei verwendeten Filterfunktion steht in einer zweckmäßig zu wählenden Beziehung zu dem mittleren Durchmesser eines Speckles im Granulationsmuster. Die Filter­ funktion kann z. B. die Form einer ein- oder zweidimensionalen Gaußschen Exponentialfunktion haben, die entsprechende Glockenkurven beschreibt und deren Breite kleiner ist als der mittlere Speckledurchmesser.

Vorteile der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung im Vergleich zu bisher bekannten optischen Rauheitsmeßeinrichtungen und -verfahren bestehen vor allem in einem großen Meßbereich für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit. Zum Beispiel kann der zu ermittelnde quadratische Mittenrauhwert Werte zwischen ca. 0,1 µm und ca. 10 µm annehmen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß Intensitätsschwankungen detektiert werden, während bei anderen Meßein­ richtungen eine Detektierung von Absolutwerten der Intensitäten erforderlich ist. Besonders hervorzuheben ist ferner die geringe Anfälligkeit der Meßeinrichtung gegen die Justierunge­ nauigkeit: Verkippungen der rauhen 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 liefert nahezu perfekt eine statistische Größe zur Beschreibung der Oberflächenstruktur, die als Senkrechtkenngröße der Rauheit die statistischen Schwankungen der Oberflächenamplituden kennzeichnet.

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

Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer schematisch gezeichneten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung. Abbil­ dung 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 polychromatischen Lichtes (2) der für das konkrete Meßproblem erforderlichen Wellenlängenzusammensetzung). Ein Strahlenbündel des teilkohä­ renten 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 Vor­ aussetzung für eine erfindungsgemäße Realisierung des Meßverfahrens. Es können auch andere Einfallswinkel realisiert werden, wie dies in dem in Abb. 2 gezeichneten Anwendungsbei­ spiel der Fall ist. In solchen Fällen kann der Strahlteiler (3) entfallen, während die Linse (5) in etwa in der geometrisch-optischen Reflexionsrichtung (6) zu positionieren 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 Autokorrelationsfunktionen der Intensitätsschwankungen gebildet und deren charakteristische Breiten zum Beispiel durch Mittelwert-, Differenz- oder Quotientenbildung oder durch Ermittlung der statistischen Streu­ ung zueinander in Beziehung gesetzt. Der maximale Wert dieser Differenzen bzw. Quotienten innerhalb einer Aufnahme eines Granulationsmusters bei einem festen Abstand zwischen den lokalen Auswertebereichen stellt ebenso wie der Mittelwert oder die Streuung 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 der erfindungsgemäßen Meßeinrichtung.

Claims (11)

1. Meßeinrichtung zum Bestimmen einer Senkrechtkenngröße der Rauheit einer techni­ schen reflektierenden Oberfläche mit einer teilkohärenten Lichtquelle (1), die einen Ober­ flächenabschnitt (4) dieser rauhen Oberfläche mittels eines di- oder polychromatischen Lichtstrahlenbündels (2) beleuchtet, mit einer Linse oder einem Linsensystem (5) zur Umlenkung des von dem beleuchteten Bereich der Oberfläche ausgesandten Streulichts, mit einem Detektor-Array (7), das in der hinteren Brennebene der Linse bzw. des Lin­ sensystems positioniert ist, das dort entstehende Specklemuster der Intensität des di- oder polychromatischen Streulichts empfängt und dessen Struktur auflöst, mit einem Datenspeicher, in dem das Specklemuster zur digitalen Auswertung als Graustufenbild abgelegt wird, und mit einem Digitalrechner, der aus dem im Datenspeicher abgelegten Graustufenbild für verschiedene Bereiche des Specklemusters mittlere eindimensionale oder zweidimensionale normierte lokale Autokorrelationsfunktionen der Graustufenfluk­ tuationen bildet, aus denen ein Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit der zu untersuchenden Oberfläche abgeleitet wird.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß auf einheitliche Art und Weise für verschiedene lokale Bereiche des im Datenspeicher abgelegten Graustufenbil­ des des Granulationsmusters charakteristische Breiten der zugehörigen mittleren lokalen Autokorrelationsfunktionen bestimmt werden, aus denen ein Maß für eine Senkrecht­ kenngröße der Rauheit der zu untersuchenden Oberfläche ermittelt wird.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Maß für eine Senkrechtkenngröße der Rauheit bei vorgegebenen Abstand zwischen lokalen Bereichen des im Datenspeicher abgelegten Graustufenbildes die maximale Differenz, der maximale Quotient, der Mittelwert oder die statistische Streuung der charakteristischen Breiten der mittleren lokalen Autokorrelationsfunktionen verwendet wird.

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

5. Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Filterfunktion des Tiefpaßfilters eine eindimensionale oder zweidimensionale Gaußsche Exponentialfunktion verwendet wird.

6. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, 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.

7. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, 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.

8. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß De­ justierungen durch die Variation der Bereiche des Specklemusters, in denen normierte lokale Autokorrelationsfunktionen gebildet werden, kompensiert werden.

9. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, 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.

10. Meßeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß für Oberflächen 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.

11. Meßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß lokale Autokorrela­ tionsfunktionen der Grauwertfluktuationen für Bereiche des Specklemusters gemittelt werden, deren senkrechte Projektionen auf die durch das einfallende Strahlenbündel und die Richtung maximaler Rauheit aufgespannte Ebene übereinstimmen.