KR20010087364A - 표면의 소형 주기성 파동의 측정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 산란광 방법에 따라 공작물 표면의 소형 주기적 파동을 탐지하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이고, 표면은 광선(1차 광선)으로 조사되며, 상기 표면에 의해 반사된 2차광이 검사된다. 상기로 인해, 원시 생산 단계에서도 신속하고 용이하게 측정이 수행될 수 있다. 본 발명에 따라, 단색 간섭성 1차광이 사용된다. 상기 광은 공작물의 표면과 접촉되고, 예측된 주기적 파동에 대해 대략 수직으로 표면으로 지향된다. 파동형 표면 구조의 회절 영상이 2차 광선에 형성된다. 강도의 두 최고점은 주기적 파동이 존재함을 나타낸다. 역비례에 따라 인접 최고점 사이의 거리로부터 파동의 주기적 길이를 추정하는 것과, 상기 파동의 파고점 사이의 파동의 파곡점으로부터 파동의 깊이를 추정하는 것이 가능하다.

Description

표면의 소형 주기성 파동의 측정{MEASUREMENT OF SMALL, PERIODIC UNDULATIONS IN SURFACES}

축이 하우징 벽을 관통하는 점에서 신뢰성 있는 밀봉 기능을 위해, 환형 반경방향 밀봉 립(lip)이 구비된 밀봉링 이외에 축의 대향면의 특성을 고려하는 것이 필요하다. 상기 축 저널(journal)에서 매끄러운 표면을 형성하기 위해, 원주방향으로 연마되고, 선반에서 마감처리되며, 광택처리되고, 압연되거나 또는 외측으로 연마된다. 특정 거칠기 값 이외에, 축 저널의 제작자는 또한 표면이 비틀림으로부터 자유로운 정도를 규정한다. 예를 들어 연마 표면의 경우에 비틀림 없음은 연마구조물이 원주방향으로 정확하게 구성됨을 의미하고, 중첩된 규칙성 파형 성분이 없음을 의미한다. 그러나, 현대의 대량 생산에서, 비틀림 없이 공작물 표면을 재생가능하게 형성하는 것은 곤란할 뿐 아니라, 상기 비틀림 없음을 탐지하는 문제점이 있고, 소요시 비틀린 구조물을 정량적으로 분석하는 문제가 발생된다.

본원 출원인의 DE 197 40 141에 비틀림 구조 또는 파형을 정량화하고 탐지하기 위한 기계적으로 작동되는 테스트-스코어(test-score) 방법이 개시되어 있고, 비틀림 구조의 모든 관련 매개변수에 관계된 신뢰성 있고 정량화된 정보를 제공한다. 확률적 거칠기 성분이 표면 데이터의 자동상관관계에 의해 제거되었을 때, 공지된 테스트-스코어 방법은 특히 파형이 매우 두드러지지 않고 그리고/또는 중첩된 강한 확률적 거칠기 성분을 가진다 하더라도 유용한 경과를 제공한다. 그러나, 표면 데이터의 발생의 공지된 방법은 매우 시간이 많이 소요되고, 매우 주의하여 수행되어야 한다. 상기 방법은 공작물 표면의 제작을 직접 탐지하도록 사용될 수 없다. 대신에, 상기 방법은 다른 비틀림 결정 방법을 제어하는 기준 방법으로서 사용될 수 있다.

본 발명의 우선일 이후에 공개된 DE 198 09 790 A1에 따라 서두에서 언급된 본원 출원인의 종래 출원에 접촉없는 광학적 작동 방법이 개시되어 있고, 분석될 표면의 원데이터는 표면의 소형 세그먼트에 대한 직접 확대 영상화로부터 습득된다. 상기 방법은 1차광 형태로서 임의의 광으로 작동된다. 조사된 표면은 영상 광학장치에 의해 매트 패널 또는 고해상도 광다이오드 배열에 초점이 집중된다. 상기 방법에서, 영상 데이터의 추가 처리없이, 거칠고 또한 강하게 경사진 비틀림구조는 연상의 가시화로 직접 탐지될 수 있다. 상기 강하게 두드러진 비틀림 구조는 숙련된 육안으로 탐지될 수 있고, 즉 단순히 적합한 조사 및 렌즈의 보조로 탐지될 수 있다. 상기 거친 경우는 실제 거의 일어나지 않고, 탐지에 관한 문제를 야기시키지 않는다. 그러나, 덜 두드러지고 그리고/또는 덜 경사진 비틀림 구조의 경우에, 상기 방법에 따라 다수의 인접 표면 부품에 대한 영상 데이터 기록을 발생시키는 것이 필요하고, 균일한 영상 데이터 기록을 형성하도록 위치 함수로서 결합시키는 것이 필요하며, 각 영상 데이터 기록은 사전에 라돈 변환된다.

본 발명의 우선일 이후에 공개된 DE 198 09 790 A1에 따른 상기 비틀림 결정 방법이 테스트-스코어 방법보다 더 신속하게 작동된다 하더라도, 또한 주의를 요하고, 이유는 측정 기구에 대한 공작물의 기준 위치가 정확하게 공지되어야 하며, 측정 장치 및 공작물이 측정 중 서로에 대해 정확하게 정지되어 유지되어야 하기 때문이다. 공작물 축 및 측정 기구의 공지된 상대 위치에서, 조밀하게 연속으로 다수의 기록을 습득할 필요가 있고, 상기는 매우 시간을 소모하며, 주의를 요한다. 또한, 평가도 주의 및 감독을 요하고, 이유는 균일한 평균 그레이-스케일 분포 관점에서 각 영상이 서로 대응되어야 하기 때문이다. 공지 방법은 파형의 간격 및 기준 방향에 대한 경사에 관한 정보를 제공한다. 그러나, 파형의 깊이 및 단면에 관한 정보는 상기 방법을 이용하여 습득될 수 없고 단지 제한적으로 습득될 수 있을 뿐이다. 제한된 개수의 준비된 공작물에서 표면 비틀림의 존부를 탐지하도록 공지 방법이 실험실에서 사용될 수 있으나, 상기 방법은 제작 용도에 적합하지 않다.

본 발명은, 본 발명의 우선일 이후에 공개된 DE 198 09 790 A1에 따른 공지 명세서에 개시된 바와 같이, 각각 청구범위 제1항의 전제부(방법)에 따라 그리고 청구범위 제7항의 전제부(장치)에 따라, 공작물 표면의 주기적 소형 파형의 탐지 및 측정을 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 미세하게 가공된 공작물 표면에서 본 출원인은 주기가 약 1.5mm에 이르는 원하지 않는 파형을 관찰할 수 있었기 때문에, 그리고 파형에 대한 더 긴 주기가 발생될 수 있는 가능성이 배제될 수 없기 때문에, 용어 "소형 파형"은 본원에서 2mm보다 작은 파형구조의 피크 사이에서 간격을 가지는 파형을 나타내는데 사용되고, 대부분의 경우에 주기는 1mm보다 작다.

도 1 은 2차광의 가시 평가에 의해 주기적 파형에 대한 공작물 표면의 본 발명에 따른 검사를 위한 핸드셋의 사시도.

도 2 는 도 1 에 따른 핸드셋의 하부를 통한 단면도.

도 3 은 공작물 마운트의 위에서 스탠드에 유지되고 또한 어댑터를 통해 연결된 디지탈 카메라를 가지는 도 1 의 핸드셋에 대한 도면.

도 4 는 소형 세그먼트가 더 상세하게 확대되어 도시된, 공작물 표면의 소형 세그먼트를 통한 확대 단면도.

도 5 는 상이한 파장의 2개의 중첩된 주기적 파형을 가지는 상이한 공작물 표면의 세그먼트를 통한 확대 단면도.

도 6 은 도 1 의 핸드셋을 이용하여 도 5 의 공작물 표면을 관찰시 습득될 수 있는 회절 영상 표시의 도면.

도 7 은 영상의 상부(a)에서 회절 영상의 2차원 광도 분포(음으로 도시됨)가 도시되고, 영상의 하부(b)에서 영상의 부분(a)의 선 b-b를 따라 강도의 프로파일이 도시된 다이어그램.

도 8 은 강도값(i₁,i₂), 파형의 주기(L) 및 파형 깊이(T)로부터 결정되고 또한 파형 깊이(T)의 결정에 사용되는 보조값(k) 사이의 관계가 도시된 도면.

*부호 설명

1...핸드셋 4...스위치

7...1차 광선 11...공작물

12...공작물 표면 14...편향용 거울

15...편향용 거울 26...파형

방법 및 장치에 대한 본 발명의 목적은, 측정이 신속하고 편리하게 또한 재생가능한 정보가 습득되는 범위까지 제작 호환성을 개선시키는 것이다. 특히, 공작물 및 장치의 정확한 상대 정렬이 측정 결과에 더 이상 필요없도록 구성하는 것이고, 공작물 및 장치의 불안정한 작동의 경우에도 측정 영상의 충분한 안정성을 제공하는 것이다. 상기 경우에, 단일 측정이 주기적 표면 파형의 "존재 여부"에 대해 신뢰성 있는 정량적 정보를 제공할 뿐만 아니라, 파형의 깊이 및 주기에 관한 정성적 정보가 상응 영상 데이터 평가로 가능하다.

상기 방법을 토대로, 상기 목적은 청구범위 제1항의 특징부에 의해 본 발명에 따라 이루어지고, 청구범위 제7항의 특징부에 의해 상응 장치에 따라 이루어진다.

본 발명에 따라, 큰 각도의 입사에서(대략 그레이징(grazing) 입사) 길이에 대해 직각으로 표면의 파고점과 충돌되는 단색 간섭성 광에 의해, 그리고 회절 격자로서의 파형 표면 구조에 의해 회절을 활용함으로써, 회절 영상이 형성되고, 강도 분포가 평가된다. 광의 큰 각도의 입사로 인해, 회절 영상에서 확률적 연마 표면으로부터의 산란광의 영향은 제거된다. 측정 기구가 공작물에 대해 정지되어 유지되는 정도가 변화되는 경우에도 회절 영상은 안정되게 정지되어 유지된다. 또한, 회절 영상의 질은 공작물 및 측정 기구의 상대 정렬에 따라 결정되지 않는다. 비틀림 구조의 존재는 산란광 원추의 국소 강도 최고점의 존재로부터 즉시 탐지될 수 있다. 파고점의 간격은 상이한 회절 차수를 포함하는 다수의 최고점의 간격으로부터 추정될 수 있다. 상기 경우에, 강도 최고점의 간격은 파고점 간격에 역비례로 변화되고, 즉 매우 밀접한 파고점의 연속은 산란광 원추의 강도 분포에서 넓게 이격된 광도 최고점을 발생시키며, 파고점의 간격이 크다면 강도 최고점은 더 밀접하게 구성된다. 상이한 회절 차수 및 주기의 강도를 평가함으로써 파곡점의 깊이를 추정하는 것도 가능하다. 그러나, 본 발명의 정확한 원주 방향에 대한 파형의 각 위치에 대한 정보의 습득이 곤란하다.

본 발명을 더 설명하기 전에, 용어에 관해 설명된다. 용어 "1차광" 및 "2차광"이 반복되고, 2차 광선의 "회절 영상"이 반복된다. 용어 "1차광"은 분석될 공작물 표면으로 입사되는 광을 의미하고, 즉 입사광을 의미한다. "2차광"은 예를 들어 형광 현상으로 인한 광이 아니라, 공작물 표면에 의해 귀환되고, 산란되며, 회절되거나 반사되는 광이다. 또한, 용어 "회절 영상"이 사용됨에도 불구하고, 영상을 형성하는 방법 또는 영상을 형성하는 장치가 본 발명에 포함됨을 의미하지 않는다. 1차광은 파형 표면 구조에 의해 회절되고, 회절에 상응하는 강도 분포가 2차 광선에 형성된다. "회절 영상"은 상기 회절의 연관 강도 분포의 특질을 의미한다. 예를 들어 영상을 형성하는 렌즈 등을 이용함으로써 상기 강도 분포를 평가하기 위한 "회절 영상"의 도시는 불필요할 뿐만 아니라, 정확하지 못하다. 매트 패널에서 "회절 영상"의 직접 수집은 가시적 강도 평가에 충분하다.

본 발명의 진보된 실시예가 종속항으로부터 파악될 수 있고, 본 발명은 도면에 도시된 실시예에 의해 하기에 더 상세히 기술될 것이다.

공작물(11) 표면(12)의 소형 주기성 파형(26)(도 4 또는 도 5)을 탐지하도록 사용되고 또한 산란광 방법에 따라 작동되는 핸드셋(handset)(1)이 도 1 및 도 2 에 도시되어 있다. 상기 핸드셋(1)은 분석될 공작물 표면(12)에 구성된다. 1차 광원에서 방출된 라이트 펜슬(light pencil)(광파)은 특정 방향으로 공작물 표면에 입사되고, 공작물 표면에 의해 귀환되는 산란광 원추는 미터(meter)의 2차광 표시장치에 수집된다.

핸드셋이 제작자에 호환성을 가지도록, 또한 소형 주기성 파형을 신속하고 편리하게 탐지할 수 있도록, 상기 핸드셋을 사용하여 재생가능한 정보를 습득하며 상기 핸드셋은 본 발명에 따라 하기 방법으로 구성된다.

인체공학적으로 편리하게 구성되고 또한 경량의 플라스틱 하우징(housing)이 구비된 핸드셋은 사용하기 편리하고, 본 발명에 따른 작동 모드(mode)로 인해, 수동으로도 제어될 수 있으며, 위치적으로 안정된 측정 영상을 제공한다. 일체구성된 조준 광학장치를 가진 레이저 다이오드(6)가 1차 광원으로서 핸드셋에 내장되고, 단색 간섭성 1차 광선(7)을 방출시킨다. 원리적으로, 비록 헬륨/네온 레이저가 레이저 다이오드만큼 소형이지 않으며 또한 크기면에서 제시된 형태의 핸드셋에 적합하지 않지만, 상기 헬륨/네온 레이저가 사용될 수도 있다. 저전력 레이저 장치용 보호 등급 Ⅰ에 상응하는 전력이 본 목적에 충분하다. 납작 머리 나사(3)에의해 밀폐될 수 있는 배터리 격실이 핸드셋에 일체구조로 구성된다. 미그논 전지(Mignon cell)가 1차광을 위한 에너지를 전달하고, 상기 미그논 셀은 스위치(4)를 이용하여 소요시 작동 및 작동 정지될 수 있으며, 상기 스위치(4)는 용이하게 손으로 잡을 수 있도록 요철형 리브(rib)가 구성된 표면(5)에 이웃하여 구성된다.

1차 광선(7)이 핸드셋(1)으로부터 방출되는 영역에서, 장치를 분석될 공작물 표면(12)에 구성시키는 적용면(2)이 장치 하우징에 구성된다. 상대적으로 곡면뿐 아니라 평면에 대해서도 분석이 이루어져야 하기 때문에, 도시된 실시예에서 적용면은 평면 형상이고, 출구 윈도우를 둘러싸는 소형의 강판에 의해 강화된다. 상기 출구 윈도우의 영역에서, 편향용 거울(14)은 1차 광선(7)을 편향시켜, 미터(1)가 공작물(11)에 정확히 구성될 때, 상기 1차 광선(7)이 분석될 공작물 표면(12)에 대략 그레이징(grazing) 입사(입사 방향(16))로 충돌된다. 1차 광선(7)이 분석될 공작물 표면(12)에 특정의 더 큰 입사각으로 충돌되고, 표면에 대한 법선(13)으로부터 측정되는 상기 입사각은 약 75°내지 88°의 범위에 형성되며, 약 83±2°인 것이 선호된다. 핸드셋 적용면(2)의 평면 형상으로 인해, 공작물 표면에 구성된 후, 높이축 주위로 장치의 틸팅(tilting)에 의하여, 상기 적용면(2)은 공작물 표면(12)의 예측된 주기성 파형(26)에 적어도 대략 직각으로 1차 광선(7)에 대해 정렬될 수 있다. 편향용 거울로부터 이격된 2차광 영역에서 광학 부품이 핸드셋에 구성되지 않고, 즉 예를 들어 영상 또는 초점 광학장치가 핸드셋에 구성되지 않는다. 2차광 표시장치는 공작물 표면의 파형 구조물에 1차광에 의해 형성된 회절 영상을 직접집중시킨다. 공작물 표면의 임의의 주기성 파형을 탐지하도록, 회절 영상의 강도 분포가 형성된다.

실린더형 공작물 표면에서 선택된 파형은 원주 방향으로 지향되기 때문에, 입사 1차 광선의 축은 적어도 대략 실린더축을 포함하는 평면에 구성되어야 한다. 상대적으로 짧고 또한 셋백(set-back) 구성부품 표면에서 축방향으로(도 2) 핸드셋이 적합하게 구성될 수 있도록, 핸드셋은 출구 윈도우의 영역에서 공간 절약식 방법으로 구성되어야 한다. 따라서, 전방 1차 광선 성분 및 후방 2차 광선 성분이 공작물 표면(12)에 대해 직각으로 구성되도록, 1차 광선(7) 및 2차 광선(8)은 핸드셋에서 공간 절약식으로 굽혀져 구성된다. 상기를 위해, 1차 광선용 소형 편향용 거울(14) 및 2차 광선용 소형 편향용 거울(15)은 각각 출구 윈도우의 경계에서, 즉 1차 광선(7)이 공작물 표면과 충돌되는 점으로부터 작은 거리에서 측면으로 구성된다. 도시된 실시예에서, 하우징의 하부 부품, 광선 축에 부품(11)의 축방향으로 볼 때 특히 짧은 구성을 제공하기 위해, 1차 광선 편향용 부재(14)의 전방에 구성된 1차 광선(7)의 광선 성분 및 2차 광선 편향용 부재(15)의 후방에 구성된 2차 광선(8)의 광선 성분이 상대적으로 작은 각으로 서로 교차되도록, 편향용 거울(14,15)이 구성된다. 상기 광선 배열로 인해, 핸드셋의 전방 부품에서 공간 절약형 구조 설계가 가능하고, 소요 광선 편향을 최소화할 수 있으며, 상기는 조사 효율 손실의 최소화 이외에, 비용 및 중량의 장점과 유지보수 및 조절의 장점을 가진다.

편향용 거울 대신에, 편향용 프리즘(prizm)을 사용하는 것도 가능하다. 선택적으로, 출구 윈도우를 제한하기 위해 안정 모듈(module)을 형성하도록 편향용 프리즘은 상기 보강판과 결합될 수 있다.

핸드셋(1)에서, 2차광 표시장치는 회절 영상의 강도 분포를 가시화시키는 매트 패널(matt panel)(10)로서 구성되어, 가시적으로 예비 평가될 수 있다. 공작물 및/또는 핸드셋에 대한 수동 이동이 있더라도, 매트 패널에서 가시화될 수 있는 회절 영상의 강도 분포는 매트 패널에서 안정되게 유지된다. 간섭성 외부광을 차단시키기 위해, 매트 패널은 관찰축(9)의 하단에서 셋백구성된다. 상기 관찰축(9)은 또한 광검출기 또는 디지탈 카메라를 핸드셋에 조립하는데 사용될 수 있다.

회절 영상의 정량적 평가를 위해, 강도가 측정되어야 한다. 상기를 위해, 광검출기 선형 배열 또는 광검출기 매트릭스가 구성되어야 한다. 상기 광검출기는 도 1 및 도 2 에 도시된 실시예에서는 구성되지 않는다. 그러나, 매트 패널(10) 대신에 상기 광검출기를 구성하는 것이 가능하다. 상기에 대한 적합한 실시예는 CCD 선형 배열 또는 CCD 매트릭스, 분광계 선형 배열 또는 매트릭스, 다른 광다이오드 선형 배열 또는 매트릭스 등을 포함한다. 상기 경우에, 회절 영상의 강도 분포가 직접 집중되고 인지될 수 있는 매트 패널과 회절 영상의 강도 분포를 위치의 함수로서 측정하는데 사용될 수 있는 상기 형태의 광검출기가 2차광 표시장치에 구성된다면 유리하다. 2차 광선 경로가 매트 패널 또는 광검출기로 분배될 수 있고, 광선 분리기에 의해 동시에 또는 틸팅 거울에 의해 연속으로 분배될 수 있다. 광검출기에 의해 측정된 강도는 구비된 컴퓨터를 이용하여 평가될 수 있다. 측정의 표시 및 평가의 다른 방법은 광검출기를 디지탈 신호 처리장치 및 LCD 표시장치와결합시키는 것이다. 상기 변형 실시예의 장점은 추가의 컴퓨터 유닛없이 데이터 처리 시스템을 포함하여 측정 기구의 소형 설계를 포함한다.

도 3 에 2차광의 제어 평가의 다른 방법이 도시되어 있고, 역시 핸드셋을 사용한다. 상기 경우에, 핸드셋(1)은 공작물(11)용 삽입가능한 프리즘(19) 위에서 유지 장치(21) 및 테이블(18)의 스탠드(20)에 의해 정지되어 유지된다. 디지탈 작동 카메라(23)를 핸드셋에 조립시키는 어댑터(22)는 핸드셋(1)의 관찰축(9)에 안정적으로 구성된다(도 1 참조). 대물 렌즈 대신에 어댑터(22)를 지지하는 디지탈 카메라는 소요시 들어올려지거나 핸드셋에 조립될 수 있다. 디지탈 카메라가 조립될 때 매트 패널은 제거되어야 한다. 다음에 2차광은 디지탈 카메라의 뷰파인더에서 관찰될 수 있다. 디지탈 카메라의 기록 기술로 2차 광선 경로(8)의 회절 영상에 대한 강도 분포가 영상 데이터의 데이터 처리가능한 기록으로서 특정 데이터 매체에 기록되고 저장될 수 있으며, 상기 데이터 매체는 카메라에 일체구조로 구성되나, 제거될 수 있다.

기록된 영상 데이터는 제작부로부터 평가부로 다양한 방법으로 전달되고, 상기 평가부로부터 결과, 즉 표면의 파형 구조에 대한 매개변수 값이 제작부로 역으로 전달될 수 있다. 영상 데이터는 데이터 매체, 즉 특정 카메라 데이터 매체에서 전달될 수 있거나, 종래의 플로피 디스크에 다운로딩 후 데이터 매체로서 상기 플로피 디스크에서 전달될 수 있다. 그러나, 영상 데이터는 데이터 전송장치에 의해 평가부로 라인에 의해 전달될 수도 있다.

전술된 장치를 사용하여 표면 파형의 정량적 결정 및 탐지를 포함하는 과정은 도 4 및 도 5 를 따른 표면 구조를 참고로 하기에서 상세히 기술될 것이고, 상기 도 4 및 도 5 에 크게 확대되어 도시된다. 예를 들어 공작물(11(도 4) 또는 11'(도 5))의 원주방향으로 연마된 표면의 거시적 구성은 상기 설명에서 연속면으로서 인식하기 곤란하다.

본원에서, 2개의 지형 용어가 사용되고, 즉 중첩된 미세 구조의 관점에서 "연마된 구조" 및 주기성 "비틀림 구조" 또는 "파형"이 먼저 설명될 것이다. 상기 두 용어는 표면의 이상적인 거시적 형태로부터 미소 편향에 관한 것이나, 공작물에서 발생되는 범위 또는 깊이에 의해 두 미소구조는 기준에 대해 상이하다. 두 미소구조는 표면 및 통계적 관점에서 상이하다. 원주방향으로 정밀하게 정렬된 미세 연마 구조물(24)(도 4 참조)은 상대적으로 급격한 경사의 측면 변부를 가지나, 단면은 확률적으로 다른 관점에서 형성된다. 역으로, 비틀림 구조 또는 파형(26)은 변부에서 더 평평하고, 상대적으로 돌출된 주기적 형상 부품을 가진다. 다수의 소형 주기성 오목부에 의해 형성되고 또한 더 급격한 경사의 변부 및 파형에 비해 더 작은 깊이를 가지는 연마된 구조(24)는 주기적 파형 또는 비틀림 구조(26)에 중첩된다.

도 4 에 따른 프로파일에서, 파형(26)은 규칙적으로, 즉 주기적으로 서로에 이웃하여 구성된다. 거칠기 프로파일의 확대 도시로 인해, 화살표로 도시된 조사 방향(16)은 더 이상 각도방향으로 정확하지 않고, 즉 평평하게 입사되는 1차 복사(8)는 여전히 골(trough)의 하단 및 광으로부터 이격된 파형의 측면 변부에 도달된다. 그러나, 상기 그레이징 조사로 연마된 또는 미세 구조(24)의 급격한 경사의 절단 오목부는 광이 차단(차단 영역(25))되어, 무시할만한 정도로 귀환광에 영향을 미칠뿐이다. 역으로, 더 평평한 비틀림 구조(26)는 조사된다. 따라서, 단색 간섭성 1차광의 회절은 연마된 구조(24)에서의 임의의 중첩된 회절보다 파형의 비틀림 구조에서 더 강하게 발생된다. 0차 회절은 2차 광선(8)의 방향(17)에서 형성되고, 상기는 이상적인 거시 표면에 의해 직접 반사된 편향 방향의 0차 회절과 상응한다. 표면이 파형으로 구성되고 또한 회절이 발생된다면, 다른 회절 차수, 즉 1차는 회절 영상에서 0차 회절에 이웃한 특정 공간에서 인지될 수 있다.

다양한 파고점(27)으로부터 방출되고 또한 적층된 깊이를 가지는 파면은 서로 간섭되고, 2차광의 회절 영상을 단지 0차 및 1차 회절로 발생시키며, 상기 1차 회절은 강도 최고점으로서 파악될 수 있다. 주기적 파형이 표면에 존재하지 않는다면, 2차광에 회절 영상이 형성되지 않는다. 상기 경우에, 2개의 이격된 강도 최고점이 인지될 수 없다. "반사 회절 격자", 즉 분석될 표면의 일련의 주기성 파동은 2개의 상이한 강도 최고점으로부터 추정될 수 있다.

다른 표면 구조는 2차광에서 다른 강도 분포를 발생시킨다. 예를 들어 이상적인 반사 표면은 1차광의 강도 분포를 2차 광선에 복제한다. 상기 경우에, 단일 광점만이 2차광에서 인지될 수 있다. 전체적으로 확률적인 거칠기를 가지고 또한 주기적 파형이 없는 표면이 형성된다면, 상대적으로 두드러진 특정 구조를 가진 균일한 강도 분포가 관찰될 수 있다.

완결을 위해, 광점은 타원형으로 형성되고, 상기 타원은 실린더형 표면(12)의 곡률 강도에 따라 축방향으로 상대적으로 비틀려 구성되며, 더 작은 실린더 직경의 경우에, 타원의 주축은 매트 패널의 상응 내측 폭에 비해 클 수 있어, 광점은 광라인으로 보여진다.

도 5 및 도 6 을 참고로, 규칙성 파형의 주기를 추정하는데 사용될 수도 있는 본 발명에 따른 방법이 기술될 것이다. 도 5 에 확대되어 도시된 공작물(11')의 표면 구조는 매우 상이한 주기를 가진 2개의 중첩된 주기적 파형을 가지고, 즉 작은 주기(L_k)를 가진 작은 파동(26_k) 및 큰 주기(L_g)를 가진 큰 파동(26_g)을 가진다. 상기 표면이 핸드셋을 이용하여 "관찰"된다면, 도 6 에 도시된 영상이 매트 패널(10)에 나타난다. 스트립(strip)으로 분해되고 또한 상대적으로 큰 상호 간격(a_k)을 가진 2개의 강도 최고점이 파악될 수 있고, 상기 상호 간격(a_k)은 작은 파동(26_k)에 기여한다. 2개의 강도 최고점의 각 스트립은 서로로부터 상대적으로 작은 간격(a_g)을 가지고, 상기 간격(a_g)은 큰 파동(26_g)의 파형과 연관된다.

2차광 회절 영상 내의 강도 최고점 사이의 간격(a) 및 파형의 주기(L) 사이에 역비례 관계가 형성되고, 광점의 간격이 작아질수록 파형의 주기(L)가 커지며, 역도 성립된다. 식 af/L 을 이용하여, 강도 최고점의 간격(a)으로부터 주기(L)가 결정될 수 있다. 인자(f)는 기구 상수이고, 공지된 표면 구조를 이용하여 사전에 실험적으로 결정되어야 한다. 본 발명에 따른 측정 결과를 테스트-스코어(test-score) 방법에 따라 결정된 기준 샘플과 비교시, 매우 우수한 대응관계를 형성하고 또한 예를 들어 70 내지 110㎛의 주기 범위에서 최대 오차가 ±5㎛가 예측됨을 알 수 있다.

강도 최고점의 간격은 적어도 대략 매트 패널(10)에서 즉시 결정될 수 있다. 예를 들어, 매트 패널에 눈금 스케일이 구비될 수 이t고, 강도 최고점의 간격은 상기 눈금 스케일을 사용하여 판독될 수 있다. 매트 패널의 눈금 스케일이 이동가능하다면, 영점이 예를 들어 가장 밝은 광점인 하나의 강도 최고점과 상응하도록 구성될 수 있고, 다음에 강도 최고점의 간격이 눈금 스케일로부터 판독될 수 있다. 또한, 강도 최고점의 간격을 한 쌍의 디바이더를 이용하여 측정하고 상기 판독을 자로 전달하는 것이 가능하고, 또는 캘리퍼스의 레그를 이용하여 직접 측정하는 것이 가능하다. 그러나, 상기 단순 방법은 예비로서만 권장할만하다.

2차광의 가시 평가를 가진 핸드셋(1)은 완성된 공작물의 수동 및 후향적 검사를 위해 사용되어, 예를 들어 비틀린 공작물이 거부될 수 있고, 재처리를 위해 후방으로 전달될 수 있다. 상기는 검사자 또는 생산 라인의 감독자에 의해 수행될 수 있고, 상기 생산 라인에서 비틀림 없는 저널(journal) 표면이 생산된다. 파형 자체의 가시적 및 정량적 식별, 또는 명확한 지시는 비틀림 없는 공작물의 선택에 충분하고, 상기 경우에 발견되는 임의의 파형의 매개변수를 정량화하는 것은 덜 중요하다.

전술된 바와 같이, 핸드셋에 "지능형" 광검출기가 구비될 수 있고, 상기 광검출기는 특정 측정 및 연산 작업을 자동으로 수행할 수도 있다. 상기 방법으로 구성된 핸드셋은 적어도 주기(L)에서 출력시킬 수 있고, 증가된 적분 연산 또는 평가 출력의 경우에 탐지된 파형의 깊이(T)를 출력시킨다. 용이한 사용성을 손상시키지 않고 상기 핸드셋은 또한 구성될 수 있어, 소요시 상기 핸드셋은 식별된 매개변수 값을 저장할 수 있고, 상기 핸드셋은 대량의 데이터를 저장하는데 사용되지 않는다.

기계 라인의 자동 장시간 감시를 위해 본 발명에 따른 파형 측정 기구를 사용하는 것도 가능하고, 상기 기계 라인에서 비틀림 없는 저널 표면이 생산된다. 특히, 일정한 사용을 위한 상기 파형 측정 기구는 평가 유닛을 구비하여야 하고, 상기 평가 유닛은 2차광을 측정 및 연산한다. 제작 과정에 일체로 구성된 파형 측정 기구를 사용하여 결정될 수 있는 임의의 생산 또는 오차 데이터는, 다른 기계 작업 데이터, 특히 예를 들어 공작물 회전 속도, 그라인딩 헤드 회전 속도, 그라인딩 헤드 전진, 드레싱 전진, 원주방향 그라인딩의 경우에 최종 드레싱 과정 후의 공작물 개수와 함께 생산 데이터 로거(logger) 또는 메모리에 의해 시간순으로 수집, 저장 및 평가된다. 대량의 데이터 및 파형의 발생 여부로부터 생산 경험이 경험적으로 수득될 수 있고, 임계 매개변수 편성이 방지될 수 있다. 연속적 데이터 메모리를 사용하는 상기 온라인 생산 감시는 기계에 일체구조로 구성될 수 있거나, 생산 감시용 방음룸에서 생산 라인으로부터 이격되어 발생된다.

파형 탐지 중, 단면에 걸쳐 2차광(8)의 강도 분포는 영상 데이터의 데이터 처리가능한 기록으로 변환될 수 있고, 예를 들어 도 7 의 영상의 상부(a)에서 음으로 도시된다. 상기 영상 데이터 기록은 상응하게 사전 프로그램된 컴퓨터 또는 기구에 일체로 구성된 "지능형" 광검출기에서 강도 최고점(I₁,I₂)의 발생에 대해 평가될 수 있고, 상기는 대문자(I₁,I₂)에 의해 2차광의 구조 현상으로 라벨이 형성된다.역으로, 상기 최고점의 강도 값은 소문자(i₁,i₂)로 인용된다. 모든 회절 차수가 도 7 과 같이 명확하게 도시되지 않기 때문에, 2개의 명확하게 인식가능한 강도 최고점, 즉 0차 회절의 주 최고점(I₁) 및 1차 회절의 부 최고점(I₂)이 중첩된 상대적으로 강한 특정 노이즈를 가지고, 먼저 2차광의 강도 분포에 대한 영상 데이터를 자동상관관계 구성하는 것이 유리하다. 특히, 덜 강한 비틀림 구조가 중첩된 동일한 크기의 확률적 거칠기를 가져, 상기 경우에 자동상관관계는 특히 중요하다. 자동상관관계 기능은 회절 차수에서 강도 프로파일의 평활화를 나타내어, 최고점이 용이하게 탐지가능하다. 예를 들어 0차 회절 및 1차 회절의 위치에서 자동상관관계 기능의 값으로부터, 상기 회절 차수에서 강도값(i₁,i₂)을 결정하는 것이 가능하다. 회절 영상의 2차원 강도 분포내에서 선 b-b(도 7, 부분 a 참조)를 따른 상기 자동상관관계 기능의 프로파일이 도 7 에 도시되어 있다. 2개의 최고점(I₁,I₂)의 간격 및 강도 최고점의 자동상관관계의 각 기능값(i₁,i₂)은 전술된 바와 같이 연산에 의해 결정될 수 있다.

전술된 바와 같이, 파형의 주기(L)는 결정된 거리로부터 단순 상호 관계에 따라 대략 연산될 수 있다. 그러나, 회절 영상은 또한 공작물 표면에서의 회절 파형 구조에 대한 깊이에 관련된 정보를 제공하고, 파고점 및 파곡점(wave trough)은 회절 영상의 형성에 기여한다. 예를 들어, 상이한 회절 영상이 두 파형 표면으로부터 형성되고, 상기 파형 표면은 서로 동일한 파형 주기를 가지나, 서로에 대해상이한 파형 깊이를 가진다. 파고점(27) 및 파곡점 사이의 깊이(T)는, 주기를 고려하는 동시에 주강도(I₁) 및 부강도(I₂)의 두 강도값(i₁,i₂)으로부터 추정될 수 있다. 상기 연산 방법은 주기의 연산만큼 단순하지 않다. 파곡점의 깊이(T)를 결정할 수 있도록, 먼저 식 k = i₁× i₂/ (i₁ ²+ i₂ ²)을 이용하여 강도값(i₁,i₂)으로부터 정규화 보조값(k)을 연산하는 것이 필요하다. 파형의 주기(L)에 대해 전술된 상호 관계와 마찬가지로 상기 관계는, 본 경우에 권장되는 기구 설계에 용이하게 이용가능하지만, 특정 이상화 단순화가 적용된다면 유용하다. 보조값(k)은 매우 낮은 강도에 대해 0으로 지향되는 경향이 있다. 1차 회절이 밝을수록, 따라서 강도가 0차 회절의 강도에 근접할수록, 보조값(k)은 0.5의 "포화'값에 근접된다. 대부분의 실제 경우는 전술된 두 극한 사이에 형성될 것이고, 즉 도 8 의 다이어그램선의 최대 전개 범위에 형성될 것이다. 상기 보조값 및 사전에 결정된 주기(L)를 이용하여, 파곡점의 깊이(T)는 도 8 에 따른 그래프의 보조로 결정될 수 있고, 컴퓨터에 데이터 기록으로서 또한 저장될 수 있으며, 연산에 결합될 수 있다.

파동 깊이(T)에 대해 상기 방법으로 습득된 결과와 테스트-스코어 방법을 이용하여 형성된 값의 비교시 매우 우수한 상호관계를 나타낸다. 본 발명에 따라 결정된 깊이는 연마된 표면의 경우에 기준치보다 다소 낮은 것으로 나타나고, 테스트-스코어 방법에 따른 기준치의 62±5%이다. 상기 차이는 두 방법의 상이한 대역 제한에 기여한다. 테스트-스코어 방법이 또한 그라인딩 지형의 상세부를 선택하지만, 상기 상세부는 그레이징 조사의 경우에 억제된다. 직접 비교가 요구되는 경우, 본 발명에 따라 형성된 깊이값에 보정 계수(연마된 표면의 경우 약 1.6)가 곱해져야 한다.

Claims (14)

1. 표면은 광선-일차 광선-으로 조사되고, 표면에서 반사되는 2차광이 분석되는 공작물 표면에서 소형의 주기적인 파장 패턴을 검출하는 방법에 있어서,

   이차 광(8)에서 주기적인 파장 패턴(26)의 회절 이미지는 단색성의 가간접성 광선으로 만들고, 상기 광선은 소재 표면(12)에 그레이징 입사각도로 충돌하고 예상되는 주기적인 파장 패턴(26)과 대략 수직으로 투영되고, 이로부터 강도 분포를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서, 2차 광(8)은 매트(matt) 패널(10)에서 모으고, 이의 강도 분포는 최대 강도(I₁, I₂)의 발생 측면에서 평가하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서, 2차 광(8)의 강도 분포는 중첩된 영역에서 위치 함수로 측정하고, 수치는 최대 강도(I₁, I₂)의 발생 측면에서 평가하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 3항에 있어서, 이차 광(8)의 강도 분포는 자가보정하고, 이렇게 수득된 자가보정 함수를 평가하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 인접한 최대 강도(I₁, I₂)의 간격을 측정하고, 이로부터 파장 패턴(26)의 주기(L)를 추론하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제 1항 내지 4항중 어느 한 항에 있어서, 인접한 최대 강도(I₁, I₂)의 강도 수치(i₁, i₂)를 측정하고, 이것과 파장 패턴(26)의 주기(L)로부터 파장 크레스트(27)사이의 파장 트라프(trough)의 깊이(T)를 측정하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 소재의 표면에서 소형의 주기적인 파장 패턴을 검출하기 위한 배치에 있어서, 상기 배치는 제 1항 내지 6항중 어느 한 항에 따른 방법을 실행하기 위하여 분석할 소재 표면에 정의된 방식으로 놓을 수 있는 미터(meter)로 구성되고, 상기 미터는 광 광선을 특정 방향으로 소재 표면에 투영하는 일차-광선 및 미터내 소재 표면에 의해 반사되는 분산-광원뿔을 모으는 이차-광 디스플레이를 보유하는데, 여기서, 미터는 다음과 같은 특성을 보유하는 것을 특징으로 하는 배치:

   - 일차-광원(6)은 단색성의 가간접성 일차-광선(7)을 방출하도록 고안되고;

   - 미트(1)로부터 일차-광선(7)이 방출되는 영역에서, 상기 광선은 미트(1)가 소재(11)에 적절히 놓일 때 그레이징 입사각도로 분석할 소재 표면(12)과 충돌하고;

   - 미터(1)를 소재 표면(12)에 놓은 후, 일차 광선(7)이 예상되는 주기적인 파장 패턴(26)과 직각으로 배치되도록 상기 미터를 배치하고;

   - 2차-광 디스플레이는 파장 패턴(26)의 회절 이미지로 분산-광원뿔을 직접(즉, 화상 프리즘없이) 회수하고, 회절 이미지에서 강도 분포를 평가할 수 있다.
8. 제 7항에 있어서, 미터(1)가 소재(11)에 정확하게 놓여질 때 일차-광선(7)이 대략 75-88°, 바람직하게는 83 ±2°의 직각에서 표면까지의 입사각으로 분석할 소재 표면과 충돌하도록 상기 미터를 고안하는 것을 특징으로 하는 배치.
9. 제 7항에 있어서, 일차 광선(7)과 이차 광선(8)은 거울(14, 15)과 같은 광학 편향 요소 또는 소재 표면(12)에서 일차 광선(7)의 입사 지점에 가깝게 배치된 편향 프리즘으로 공간-절약형 방식으로 휘게 하고, 각각 일차 광선 편향 요소(14)의 앞에 위치하고 이차-광선 편향 요소(15)의 뒤에 위치한 광선 성분에서 소재 표면(12)과 수직으로 배치하는 것을 특징으로 하는 배치.
10. 제 9항에 있어서, 광학적 편향 요소(14, 15)는 일차 광선 편향 요소(14)의 앞에 위치한 일차 광선의 광선 성분 및 이차-광선 편향 요소(15)의 뒤에 위치한 이차 광선의 광선 성분이 서로 교차되도록 배치하는 것을 특징으로 하는 배치.
11. 제 7항에 있어서, 이차-광 디스플레이는 회절 이미지의 강도 분포를 가시화시키는 매트 패널(10)로 고안하는 것을 특징으로 하는 배치.
12. 제 7항에 있어서, 이차-광 디스플레이는 회절 이미지의 강도 분포를 측정하는 복수의 광감수성 센서로 구성된 선형 또는 2차원 매트릭스로 고안하는 것을 특징으로 하는 배치.
13. 제 7항에 있어서, 회절 이미지의 강도 분포를 가시화시키는 매트 패널(10) 및 회절 이미지의 강도 분포를 측정하는 복수의 광감수성 센서로 구성된 선형 또는 2차원 매트릭스는 이차-광 디스플레이상에 배치되고, 이차-광선 경로는 광선 스플리터(splitter) 또는 편향 거울을 통해 이들에 도달하는 것을 특징으로 하는 배치.
14. 제 13항에 있어서, 이차-광선 경로(8)의 회절 이미지의 강도 분포를 기록하는데 사용할 수 있는 디지털 작동 카메라(23)는 미터(1)에 일치시키는 것을 특징으로 하는 배치.