NO841969L - Fremgangsmaate til aa bestemme oberflateruhet med bruk av en laserkilde for synlig og infraroedt lys - Google Patents

Description

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for å måle overflate-ruhet. Mer spesielt angår oppfinnelsen en fremgangsmåte til å bestemme ruheten av overflater med en-retnings leggemønster ved bruk av synlig og infrarød laser, og å måle den speilreflekterte infrarøde energi som en indikator av ruhetsgraden i overflaten.

Historisk har ruheten ved maskinerte overflater, såsom valseoverflaten av en valse brukt i stål-valseverk for å redu-sere tykkelsen av metallplater, blitt målt ved å bevege en stylus tvers over en del av valsens overflate, som vist i U.S. patent 3.377.828 (Harmon). Bruken av en sylus er ikke ønskelig for enkelte operasjoner, da den kan ripe valsens overflate hvor stylusen kommer i fysisk kontakt med valsen.

For å frembringe en mer tilfredsstillende undersøkelse av arbeidsoverflater, har man benyttet lysenergi, slik som er vist i U.S. patent 3.971.956 (Jakeman). Jakeman viser en fremgangsmåte for å måle overflateruhet ved bruk av en kilde av elektro-magnetisk stråling, såsom en laserstråle. Laserstrålen blir rettet vinkelrett mot overflaten som skal måles. Relativ be-vegelse mellom overflaten og strålen blir anordnet. Intensiteten av bestrålingen som er blitt spredt i én eller flere vinkler fra overflaten blir detektert og behandlet av elektriske kretser for å generere verdier av gjennomsnitts-intensitet og gjennomsnitt av kvadratet av intensiteten. Jakeman hevder at det er nødvendig med slik behandling for å bestemme karakteri-stikkene av overflate-uregelmessighetene, såsom høyden av overflate-uregelmessighetene og den gjennomsnittlige statistiske bølgelengde. Jakeman later til å måle intensiteten av diffus-reflektansen i strålen fra overflaten. Måling av diffus-reflektanten i rombelysning ville være vanskelig fordi det reflekterte energinivå ville være lavt i sammenligning med energi-nivået av omgivelses-lyset, slik at det ville være nødvendig å benytte kostbare og avanserte detektorer. Slike detektorer ville sannsynligvis i alle fall bli benyttet i praktisk bruk av Jakemans opplysninger, tatt i betraktning den kompliserte natur av spredningsfenoménet som blir observert av Jakeman.

En annen laserinnretning for måling av overflate-ruhet er vist i U.S. patent 3.388.259 (Flower). Utredningen ifølge dette patent er rettet mot det konsept at graden av overflateruhet er direkte beslektet med endrings-graden av mønsteret av reflektert energi fra overflaten over en gitt endring i innfallsvinkelen, selv om mønsteret av reflektert energi endres til-feldig. Et passende apparat for å demonstrere dette fenomen er vist på figur 2 av tegningene for dette patent. Flower later til å benytte interferens-fenoménet i bølgeform-spredning til å observere endringsgraden i det reflekterte energimønster. Måling av overflate-ruhet i Flower-patentet er komplisert, og krever observasjon av det reflekterte energimønster for minst to forskjellige innfallsvinkler,mens man noterer endrings-graden for de reflekterte energimønstre. I tillegg nevner ikke Flower noe spesielt ruhetsområde som dekkes av det beskrevne system.

Fra et generelt laboratorie-synspunkt, blir forskjellige optiske teknikker for å undersøke overflater diskutert i en ut-redning med titelen "The Surface Inspection of Metal Sheet and Strip by Optical Methods" av Patricia M. Reynolds, publisert i volum 11 av Metallurgical Reviews, sidene 89-96 (1966). I denne utredningen blir det f.eks. beskrevet en teknikk for å måle optisk jevnhet, hvor et mål av forholdet mellom speilreflektiviteten av en flat overflate til dens totale reflektivitet blir brukt til å definere en overflates optiske jevnhet. I et annet eksempel blir det beskrevet et glanshode hvor det blir vist en polymert lysstråle i en 45° vinkel med overflaten, og hvor speilreflektiviteten blir målt for overflate-diskrimi-nering. Et videre eksempel i denne utredningen angår måling av endringen i intensiteten av speilrefleksjonene fra plane overflater med innfallsvinkelen av parallelle lysstråler for korre-lasjon med overflate-blankheten. Reynolds-publikasjonen presen-terer også bl.a. et eksempel på en inspeksjonsanordning og fremgangsmåte for feil-deteksjon i et rør. I en slik fremgangsmåte og anordning, blir en lyskilde reflektert fra røret, og det reflekterte lys blir mottatt ved et flertall av fotoceller for observasjon av feilens mønster mens røret blir rotert rundt sin akse og beveget i lengderetningen slik at inspeksjons-anordningen observerer en spiralbane på rørets overflate. Som man kan forstå er ikke feildeteksjon det samme som deteksjon av overflate-ruhet eller jevnhet på en arbeidsoverflate, såsom overflaten av valser som benyttes i valseverk.

Som man kan se fra de foregående eksempler og andre eksempler i Reynolds-publikasjonen, har ikke de forskjellige optiske fremgangsmåter og apparater som er presentert der beskrevet eller foreslått en fremgangsmåte for å frembringe et absolutt numerisk mål for ruheten av en overflate, f.eks. i mikrometer, over et gitt område av ruhets-profil. Isteden viser denne publikasjonen teknikker for feildeteksjon, overflate-flathet eller relative mål i forbindelse med overflate-kvalitet, såsom overflate-blankhet eller overflate-diskrimi-nering.

U.S. patent 4.053.237 (Casey) beskriver en fremgangsmåte for å teste overflate-teksturen av en koldvalse for å bestemme den forventede overflatetekstur av plastfolie som kan bli støpt mot denne. Casey viser at det eksisterer en konsekvent korrela-sjon mellom overflateteksturen av en stål koldvalse og overflaten av den plastfolie som blir støpt mot valsen. En glans-måler blir først brukt til å oppnå korrelerende spektrale glansdata fra overflaten av representative koldvalser, og fra de respektive plastfolier som er produsert fra disse. Glansmåleren blir så brukt til å måle overflate-glanskvaliteten for angjeld-ende koldvalse, og responsmålet for glansmåleren blir sammenlignet med de tidligere målte spektrale glansdata for å bestemme overflateteksturen av plastisk film som kan bli støpt mot valsen. Slike fremgangsmåter foreslår ikke noen fremgangsmåte for å bestemme høyden av overflate-uregelmessigheter over et gitt ruhetsområde, f.eks. for en arbeids-overflate.

Det er kjent at det eksisterer et forhold mellom overflate-ruhet og speil-reflektivitet av lys fra en overflate. De teo-retiske aspekter ved slike forhold er diskutert i en artikkel med titelen Phsysics of Thin Films (Advances in Research and Development), Volum 4, seksjon IV, "Surface Roughness", sidene 12-17, av H. E. Bennett og Jean M. Bennett, Academic Press,

New York (1967). Dette forhold er basert på det konsept at den observerte speilreflektivitet ikke er vesentlig påvirket av formen av overflate-uregelmessighetene, men heller av høyden av overflate-uregelemessighetene når høyden (h) av uregelmessig-heten er liten sammenlignet med bølgelengden (A.) av innfallslyset mot den overflaten som blir undersøkt.

Det er kjent at i det vesentlige alt lys som blir reflek tert fra en jevn overflate ville bli speilreflektert i en vinkel som er lik innfallsvinkelen. Mengden av speilreflektert lys blir redusert når overflateruheten øker. En overflate erkarakterisertsom "ru" eller "jevn" ved å bestemme forholdet mellom bølgelengden av innfallslyset (A) og høyden av overflate-uregelmessighetene (h). For en jevn overflate er forholdet h/A

meget mindre enn én. Følgelig, hvorvidt en overflate er ru eller jevn, ville være avhengig av bølgelengden av det benyttede innfallslys i forbindelse med høyden av overflate-uregelmessighetene . Hvis en overflate er jevn kan målingen av den speilreflekterte lysenergi bli benyttet for å bestemme overflate-ruheten.

Fremgangsmåter som benytter speilreflektert synlig lys-energi for å bestemme høyden av overflate-uregelmessigheter for jevne overflater, hvor forholdet h/\er betydelig mindre enn én, er kjent. Ved en slik fremgangsmåte har man f.eks. rettet en laserkilde av synlig lys-energi med en bølgelengde på omtrent 6328Å (0,633 micron) mot overflaten som skal undersøkes, såsom overflaten av en arbeidsvalse for bruk i et valseverk, og måling av en speilreflektert lysenergi fra overflaten. Teknikker som benytter speilreflektert, synlig lysenergi fra en 6328Å bølge-lengde synlig laser-kilde har begrenset anvendelse, da overflate-uregelmessigheter over ca. 0,125 mikrometer ikke kan bli nøyaktig målt. Teoretisk ville bruken av en infrarød laserkilde med en bølgelengde fra ca. 3 til ca. 5 mikrometer, tillate overflate-inspeksjon av uregelmessigheter på opptil 0,5 mikrometer i høyde gjennom måling av den speilreflekterte infrarøde energi fra den undersøkte overflate. Slike infrarøde laser-teknikker har ikke vært vurdert som praktiske i et fabrikkmiljø, da den infrarøde energistråle ikke er synlig. Videre har bruken av en infrarød laserstråle hittil ikke vært fordelaktig på grunn av vanskelig-heten og tidsbehovet for å stille inn den usynlige strålen mot overflaten som skal undersøkes, og den potensielle fare i uforvarende å utsette en person, spesielt personens øyne, for en usynlig infrarød laserstråle med høy energi.

Hva man trenger er derfor en fremgangsmåte for nøyaktig måling av overflate-ruhet for overflate-uregelmessigheter både under og over 0,125 mikrometer i høyde, i industri- eller fabrikkmiljøer. En slik fremgangsmåte bør også fremme effektive, pålitelige og sikre målinger av overflate-ruhet ved bruk av speilreflektert lysenergi for overflate-undersøkelser.

Den foreliggende oppfinnelse angår en fremgangsmåte for bruk av laser-lysenergi til å undersøke en arbeids-overflate med et en-retnings eller parallelt legge-mønster i et ruhets-profilområde på ca. 0 til ca. 0,125 mikrometer. En i det vesentlige symmetrisk og konsentrisk, enkel, integrert stråle av infrarød og synlig laser-lysenergi blir rettet mot overflaten som skal undersøkes i en forutbestemt innfallsvinkel til "overflate-normalen", som skal forklares nedenfor. Det synlige lyset i strålen blir brukt til å lokalisere strålen på den overflaten som skal undersøkes. En detektor for infrarød energi blir plassert, ved bruk av det integrerte, synlige lys i strålen,

ved en forutbestemt vinkel til overflate-normalen for å motta og detektere bare den speilreflekterte infrarøde energi fra overflaten som blir undersøkt. Intensiteten av den speilreflekterte infrarøde energi blir målt, og intensiteten indikerer graden av overflate-ruhet.

Et forhold med den foreliggende oppfinnelse er å frembringe en nøyaktig og effektiv fremgangsmåte for å bestemme høyden av overflate-uregelmessigheter til omkring 0,125 mikrometer, hvor overflaten har et en-retnings leggemønster.

Et videre formal med den foreliggende oppfinnelse er å for-bedre sikkerheten ved bruk av infrarød laser-lysenergi for overflate-ruhetsmåling i industri- eller fabrikkanvendelser.

De ovennevnte og andre formål og fordeler med den foreliggende oppfinnelse kan bedre forstås ved henvisning til den følgende detaljbeskrivelse og til tegningen, hvor den eneste figuren er et skjematisk riss som viser fremgangsmåten ved den foreliggende oppfinnelse.

Det henvises nå til figuren, som illustrerer en foretrukken fremgangsmåte ifølge den foreliggende oppfinnelse for måling av overflateruhet i et ruhets-profilområde fra omtrent null til omtrent 0,125 mikrometer, for overflater med et en-retnings legge-mønster. Et eksempel på en overflate til hvilken fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse er anvendelig, er overflaten av en arbeidsvalse for bruk i et valseverk. Mer spesielt er fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse anvendelig for å bestemme overflate-ruheten av en stål arbeids valse under valse-sliping, skjønt fremgangsmåten ikke er begrenset til dette.

En laserkilde 2 av synlig og infrarød lysenergi er benyttet i fremgangsmåten for å måle ruheten av en overflate 4. Den synlige og infrarøde laser emitterer en stråle 6 som i det vesentlige er symmetrisk og i det vesentlige konsentrisk rundt den optiske akse over den optiske banelengde fra laserkilden 2 til overflaten 4. Fortrinnsvis er laserstrålen 6 også i det vesentlige ikke-divergerende over den ovennevnte optiske banelengde fra laserkilden 2 til overflaten 4. En helium-neon laser, konstruert for å emittere synlig lys-energi på ca. 0,633 mikrometer og infrarød lysenergi på ca. 3,39 mikrometer er fortrinnsvis passende for formålet med den foreliggende oppfinnelse.

Strålen 6 av infrarød og synlig lysenergi blir rettet mot overflaten 4 som skal undersøkes. Lysstrålen blir rettet i en forutbestemt innfallsvinkel ©i med overflate-normalen 8. Overflate-normalen 8 er definert som en tenkt linje i rett vinkel med overflaten 4 som blir undersøkt, og som krysser strålen 6 ved overflaten 4. Det er ønskelig at en slik vinkel 9^er i området fra omkring 30° til omkring 80°, hvor 9^på omtrent 45° er mest ønskelig for å gjøre det lettere å opprettholde inn-retningen av laserstrålen 6 med overflaten 4 under måling. Det synlige lyset i den integrerte laserstrålen 6 blir brukt til å lokalisere strålen 6 på overflaten 4. Slikt synlig lys letter manuell innretning av strålen 6 med mål-overflaten 4 som skal undersøkes. Uten slikt synlig lys, ville bruken av infrarød laser-lysenergi i et produksjons-miljø være umulig. Lokalisering og innretning ved bruk av bare infrarød stråle på overflaten som skal undersøkes kunne ikke med letthet bli utført under normale fabrikk-lysforhold uten kompliserte innretnings-prosedyrer og kostbart utstyr, som f.eks. et automatisk servo-system, spesialkonstruert for den spesielle måleanvendelse. Følgelig kan tiden for første gangs innretning av en slik synlig lysstråle bli betydelig redusert til noen få minutter eller mindre for de fleste målinger.

Det synlige laserlys i den integrerte laserstråle 6 i fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse gir også øket sikkerhet over teknikker som bare benytter infrarød laser-lysenergi. Slikt synlig lys i den integrerte strålen 6 gjør strålen 6 synlig under normal rombelysning, og hjelper dermed å forebygge en sikkerhetshasard ved at man uforvarende utsetter en person, og spesielt en persons øyne, for en usynlig infrarød laserstråle med høy energi.

En detektor for infrarød energi 10 er plassert i en forutbestemt vinkel 9r med overflate-normalen 8 for å detektere bare den speilreflekterte infrarøde energi fra overflaten 10, selv om den speilreflekterte strålen 12 omfatter både synlig og infrarød lysenergi. Det synlige lyset i den speilreflekterte strålen 12 øker synbarheten av strålen 12 for å lette innretning og plassering av detektoren 10, såvel som å gi øket sikkerhet, som diskutert ovenfor. Den speilreflekterte strålen 12 er i det vesentlige symmetrisk og i det vesentlige konsentrisk omkring den optiske aksen, over den optiske banelengde fra overflaten 4 til detektoren 10. Fortrinnsvis er strålen 12 også i det vesentlige ikke-divergerende over den ovennevnte optiske banelengde fra overflaten 4 til detektoren 10. Målet for vinkelen 9r skulle være i det vesentlige lik målet av vinkelen 9i, da bare speilreflektert energi blir brukt for å måle overflate-ruheten i fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse .

Intensiteten av den detekterte, speilreflekterte infrarøde energi blir målt, og intensiteten indikerer graden av overflate-ruhet, eller med andre ord høyden av overflate-uregelmessighetene. Fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse bruker bare den enkelte optiske parameter av den speilreflekterte infrarøde energi som angår bare høyden av ruhetstoppene i overflaten for å gi en indikasjon av overflateruhet. Formen av de individuelle overflate-uregelmessigheter, eller ruhets-topper, påvirker ikke målingene, forutsatt at forholdet mellom høyden h av overflate-uregelmessighetene til den infrarøde laserenergis bølgelengde er meget mindre enn én. Følgelig, når man praktiserer fremgangsmåten ifølge den foreliggende oppfinnelse for et ruhetsprofil-område på omtrent 0 til 0,125 mikrometer, bør bølgelengden av den infrarøde laser-lysenergi ligge i området av omkring 3 til omkring 10 mikrometer. En infrarød laserenergi-bølgelengde på omkring 3,3 9 mikrometer er foretrukket innenfor et slikt område.

Mens beskrivelsen av den foreliggende oppfinnelse er ut-trykt som foretrukne utførelser, vil det være åpenbart for fag- folk på området at visse modifikasjoner og endringer innenfor rammen av oppfinnelsen, basert på de opplysninger som er presentert her, kan bli utført uten å avvike fra oppfinnelsen som definert i kravene.

Claims (6)

1. Fremgangsmåte for å bestemme ruheten av overflater i et ruhets-profilområde på omkring 0 til omkring 0,125 mikrometer, hvor overflatene har et en-retnings leggemønster, karakterisert ved de følgende skritt: anordning av en laserkilde for infrarød og synlig lys-energi ; retting av en i det vesentlige symmetrisk og i det vesentlige konsentrisk, enkel integrert stråle av infrarød og synlig lysenergi mot den overflaten som skal undersøkes, hvor strålen blir dirigert i en forutbestemt vinkel med overflate-normalen; anvendelse av det synlige lys i strålen til å lokalisere strålen på overflaten; lokalisering, ved bruk av det integrerte synlige lys i strålen, en detektor for infrarød energi i en forutbestemt vinkel med overflate-normalen for å motta og detektere bare speilreflektert infrarød energi fra overflaten, og måling av intensiteten av den speilreflekterte infrarøde energi, hvor intensiteten indikerer ruhetsgraden i overflaten.

2. Fremgangsmåte ifølge krav 1, karakterisert ved at bølgelengden av den infrarøde energi ligger i et område på fra 3 til 10 mikrometer.

3. Fremgangsmåte ifølge krav 2, karakterisert ved at bølgelengden av den infrarøde energi er omkring 3,39 mikrometer.

4. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at bare den enkelte optiske parameter av den speilreflekterte infrarøde energi som angår bare høyden av ruhetstoppene i overflaten blir brukt til å frembringe indikasjonen av overflateruhet.

5. Fremgangsmåte ifølge et av de foregående krav, karakterisert ved at overflaten over hvilken en bestemmelse av overflateruheten blir utført er en arbeids-overflate av en valse for bruk i et valseverk.

6. Fremgangsmåte ifølge krav 5, karakterisert ved at arbeidsvalsen er en stålvalse for bruk i et valseverk for å valse aluminium.