WO2003036231A1 - Vorrichtung zur optischen messung von oberflächeneigenschaften - Google Patents

Vorrichtung zur optischen messung von oberflächeneigenschaften Download PDF

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WO2003036231A1
WO2003036231A1 PCT/EP2002/011802 EP0211802W WO03036231A1 WO 2003036231 A1 WO2003036231 A1 WO 2003036231A1 EP 0211802 W EP0211802 W EP 0211802W WO 03036231 A1 WO03036231 A1 WO 03036231A1
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WO
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measurement object
sensors
light
designed
light spot
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Application number
PCT/EP2002/011802
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English (en)
French (fr)
Inventor
Harald Schmalfuss
Original Assignee
Harald Schmalfuss
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to US10/492,564 priority patent/US7295299B2/en
Priority to JP2003538686A priority patent/JP2005506544A/ja
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means

Definitions

  • the present invention relates to a device for the optical measurement of surface properties.
  • This is understood to mean a device which has an illumination device with which a light spot can be generated on the surface of a measurement object. The light reflected from the surface is recorded and evaluated.
  • a large number of optical sensors are provided, which are arranged in a suitable manner. You should cover a certain not too small range of reflection angles, so you should be able to detect light reflected at these reflection angles.
  • an evaluation device is provided that can evaluate signals that are generated by the sensors in order to determine the desired surface properties of the measurement object.
  • a known device of this type is described in DE 38 05 785 A1.
  • This document proposes to use a laser to evaluate the angles of reflection when the laser light is reflected on the surface in order to determine surface profiles of material surfaces by means of a circular arc-shaped arrangement of light sensors centered on the surface and irradiation of a light spot onto the center of the arc on the surface.
  • the surface profiles are to be determined from the reflection angles by integration.
  • the reflection angles are determined by a series connection of the sensors and evaluation of the signals derived from the ends of the series connection, which results in a center of gravity when determining the reflection angle.
  • the present invention is based on the technical problem of specifying a device of the type described above which is improved compared to the cited prior art.
  • a device is provided for this purpose, in which the signals of a plurality of groups of adjacent sensors are supplied to the evaluation device separately in groups.
  • the basic idea of the invention is that the series connection of the sensors proposed in the cited prior art results in a disadvantageously low flexibility in the evaluation of the signals.
  • the solution proposed in the prior art has the great advantage that only the two signals appearing at the ends of the series connection have to be taken into account, from which, by forming quotients from difference and sum, an individual standing for the center of gravity sought can be obtained in the simplest way Lets determine signal.
  • this solution is limited to a linear center of gravity.
  • the coupling between the sensors cannot be freely selected, so that various advantageous applications cannot be carried out with the conventional device.
  • each group preferably consists of exactly one sensor, ie each individual sensor signal is taken into account.
  • the invention can also be carried out if a signal is jointly formed from a group of adjacent sensors that is not too large, so that ultimately a multitude of sensor signals reflecting the spatial resolution of the overall arrangement is still available.
  • the signals from the respective sensors or groups can be individually logarithmized before further processing, which results in a significantly increased dynamic range results.
  • the contributions of different sensors can be weighted differently and thus geometric properties of the arrangement or sensitivity differences and the like can be compensated.
  • Background correction can also be carried out by measuring the signals of the groups without operating the lighting device and defining them as a background pattern. During the actual measurement, this signal pattern can then be subtracted from the actual signals.
  • the center of gravity can also be carried out differently than linearly, for example with a square weighting.
  • the surface properties to be measured can in particular be a surface profile or parameters for surface roughness.
  • the measurement object is preferably, but not necessarily, an essentially flat material web.
  • the lighting device expediently, but not necessarily, has a semiconductor laser diode.
  • the sensors are preferably arranged in a plane that intersects the surface to be measured in the area of the light spot. Additional sensors can also be provided in other levels, if necessary.
  • the sensors should preferably be arranged relatively close to one another in the plane in order to ensure complete detection of the reflected light over the desired detection angle range. The resolution and density of the arrangement can be matched to the expected scattering angle width of the reflected light.
  • At least twenty-one sensors should preferably be provided, which are divided into at least seven groups.
  • the lighting device for example the laser diode
  • the lighting device can be oriented such that the surface of the measurement object is illuminated at an angle.
  • the reflected light in mirror reflection on a flat surface is also tilted with respect to the surface normal and also with respect to the direction of illumination.
  • the arrangement of the sensors which is usually around the If the direction of such an SLR is provided, then it collides less with the lighting device, so it does not have to be interrupted by it.
  • Lens systems can be provided between the sensors and the surface to be measured in order to focus the reflected light onto the sensors or to reduce its divergence. Both large individual lenses and arrangements with a large number of lenses are conceivable. Individual lenses can in particular be toric and, over the surface of the measurement object, concave, arch over the surface.
  • the measurement of the surface according to the invention can take place in places, that is to say, for example, only take one or a certain number of stationary individual measurements per measurement object.
  • the light spot could also be kept so large that the desired surface properties are recorded over a sufficiently large surface area.
  • a relative movement takes place between the light spot and the surface during the measurement, that is to say the properties of the surface are measured along a path.
  • an integration or summation can be used to draw conclusions about the profile profile of the surface along the path, as is already shown in the cited prior art.
  • the device can of course also be moved.
  • a measurement with a stationary device on a moving measurement object is preferred.
  • the invention is particularly directed towards production monitoring in production lines and production lines in which the measurement object, generally essentially flat material webs, is transported anyway. This movement can then be used for the profile profile measurement. Processing steps are of course also included here with the term "production”.
  • a rolling mill or a coating line is therefore also a production line.
  • a polygon mirror scanner can be used. This light spot movement can be used instead of a movement of the device or the surface of the measurement object, but it can also be superimposed on it.
  • quasi two-dimensional surface areas can be scanned line by line.
  • a particular advantage of the invention is that it is now possible to make a statement about the width of the scattering angle of the reflected light. From this scattering angle width, it is also possible, for example, to draw conclusions about micro-roughnesses which can no longer be detected by the profile calculation already mentioned.
  • the scattering angle width of the reflected light can be used depending on the location or within the framework of local averaging.
  • Averaging of the values for the scattering angle width of the reflected light can in particular also be used in order to be able to carry out an extrapolation at the edge of the detection angle range predetermined by the arrangement of the sensors. If a part of a somewhat widened "reflection light lobe" extends beyond the edge of the detection angle range specified by the sensors, the center of gravity used in the prior art would result in incorrect statements regarding the center of gravity of this reflection light lobe.
  • Another possibility provided by the invention consists in determining the maximum value instead of forming a center of gravity. This is also not possible with the conventional device mentioned at the beginning. On the one hand, it can provide more realistic statements, particularly in the case of asymmetrical reflection light lobes, than a center of gravity. Secondly, it can also be used to enlarge the effective detection angle range because the detection of the maximum value is still possible if part of the reflection light lobe is already outside the detectable angle range.
  • Figure 1 is a schematic representation of the optical arrangement in a measuring device according to the invention.
  • Figure 2 is a schematic representation of the structure of an evaluation device in the measuring device.
  • 1 is a sheet metal sheet as the measurement object.
  • the sheet metal sheet 1 is drawn in cross section, the longitudinal direction being perpendicular to the plane of the drawing.
  • the sheet metal web 1 is material transported in a rolling train, which was treated with skin pass rollers in a previous work step, not shown here.
  • Skin pass rollers are used for the last operation used in sheet metal production and produce the necessary roughness for subsequent deep-drawing steps or painting processes.
  • the skin pass roller can be treated, for example, by shot blast or EDM roughening (EBT, EDT) or by a laser roughening process (Laser Tex) and transfers its surface properties to the sheet 1.
  • the reflection and scattering behavior of the surface changes as a result of the treatment with the skin pass roller.
  • the expansion angle and the angular light intensity distribution are revealing parameters for quality control.
  • the surface of the sheet 1 is illuminated with focused light 2 from a laser diode (not shown), the mean direction of incidence of the laser light 2 in the sectional illustration sketched in FIG. 1 being perpendicular to the sheet 1 and drawn for the focused light beam of the laser and numbered 2 is.
  • the reference numerals 3, 4 and 5 show different variants of a reflection light lobe. 3 is a slightly widened mirror reflex, 4 is a strongly widened mirror reflex and 5 is a reflex tilted strongly to the side, the widening of which essentially corresponds to that of the mirror reflex 3.
  • These examples are intended to illustrate that the reflected light can change in terms of the angle of reflection (compare the difference between 3 and 5) and the expansion (compare the difference between 3 and 4).
  • the angle of reflection stands for an inclination of the reflective surface area of the sheet 1, specifically in the area of the light spot generated by the laser light 2.
  • the widening stands for a micro roughness that can only be summarized by the width of the reflection lob
  • the drawn reflection lobes 3, 4 and 5 are drawn in the outer area so that their outer course symbolically represents a typical intensity course of the reflected light within the respective lobe.
  • the shape of the lobes 3, 4 and 5 emanating from the illuminated spot on the sheet metal 1 is only intended to symbolize the differently wide scattering angle widths.
  • the shape of the side lines is of no further importance (only a little concave for drawing reasons).
  • the reflected light is measured by an arrangement centered around the light spot of the laser light 2 on the sheet 1 in the form of an arc of a circle, comprising a plurality of sensors 6, which would be provided in a substantially larger number in a practical embodiment. For cost reasons, only twenty-one sensors 6 are provided here. Of course, other numerical values can also be realized.
  • FIG. 1 does not reflect that the irradiated laser light 2 of the illumination device is tilted with its optical axis with respect to a surface normal on the sheet 1, specifically in a plane that is perpendicular to the drawing plane and contains both the surface normal and the beam direction of the laser light 2.
  • the circular arc-shaped arrangement of the sensors 6 defines a plane which also contains the light spot on the sheet 1 and which is also tilted with respect to the surface normal, by the same amount in the opposite direction.
  • the circular arc-shaped arrangement of sensors 6 is preceded by a lens array of individual lenses 7 provided in a 1: 1 correspondence to the sensors, with which the reflected light 3, 4 and 5 is focused on the sensors 6.
  • FIG. 2 shows schematically the structure of an evaluation device belonging to the device described so far.
  • the dark squares 6 indicate the sensors 6 already drawn in FIG. 1, of which only a part is shown.
  • An AD converter 6 is assigned to each individual sensor 6, which converts the originally analog output signals of the sensors into digital signals transforms.
  • the digital signals from the AD converters 8 are stored individually for each sensor in a fast buffer 9 (FiFo, first in first out), from which they can be read out in the stored sequence, as indicated by the arrows.
  • a focus can be determined in an area 10 of the evaluation device from the digitized and temporarily stored individual signals.
  • a linear center of gravity as well as a weighted center of gravity or a square center of gravity can be created.
  • the individual signals are processed in a region 11 of the evaluation device in such a way that a typical size for the widths of the various reflection lobes 3, 4 and 5 shown in FIG. 1 results.
  • This reflection lobe width is averaged over time in an area 12.
  • a further area 13 of the evaluation device can then correct the center of gravity determined in the area 10 if, taking into account the reflection lobe width, it is too close to the edges shown on the left and right in FIG Sensors 6 detected angular range.
  • the reflection light lobe 5 is already arranged so far outside that a larger part of the reflected light is no longer detected by the sensors 6.
  • the focus formation in area 10 is therefore error-prone. This can be corrected in area 13.
  • the detection angle range of the arrangement of the sensors 6 can be expanded considerably. While with the already discussed conventional arrangement with the cited prior art, accurate detection was only possible as long as the entire reflected light beam was in the detection angle range, the device according to the invention can also be used to carry out an at least approximate calculation even if only a part the reflection light club, possibly not even the center of gravity itself, nor is it within the detection angle range.
  • the reflection angles are used to calculate back integrally to a profile profile of the surface of the sheet 1.
  • the profile profiles result from a movement of the sheet 1 in the longitudinal direction perpendicular to the plane of the drawing in FIG. 1, so that the light spot migrates across the surface relative to the sheet 1.
  • the device outlined in FIG. 1 can be expanded such that the light spot on the surface of the sheet 1 is moved line by line in the horizontal in FIG.
  • the exemplary embodiment could additionally be improved by correcting the individual signals of the light sensors 6 after the temporary storage in the fast memory 9 and before the processing already explained in the areas 10 and 11 with regard to an ambient light background which is not connected with the actual measurement.
  • a typical, possibly time-averaged signal pattern can be taken from the sensors 6 before the measurement with the laser diode switched off.
  • This signal pattern can be corrected by simple subtraction from the signal patterns when the laser diode is switched on, so that the entire device can be used with essentially unchanged ambient light conditions without special darkening measures.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Messung von Oberflächeneigenschaften, bei der über eine Beleuchtungseinrichtung ein Lichtfleck erzeugt wird und reflektiertes Licht 3, 4, 5 mit einer Vielzahl optischer Sensoren 6 gemessen wird. Bei der Auswertung werden die einzelnen Signale der Sensoren 6, zumindest jedoch eine Vielzahl Signale von vergleichsweise kleinen Gruppen von Sensoren 6, berücksichtigt. Dadurch ist u.a. eine Extrapolation des Erfassungswinkelbereichs möglich.

Description

Vorrichtung zur optischen Messung von Oberflächeneigenschaften
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur optischen Messung von Oberflächeneigenschaften.
Darunter wird eine Vorrichtung verstanden, die eine Beleuchtungseinrichtung aufweist, mit der auf der Oberfläche eines Messobjekts ein Lichtfleck erzeugt werden kann. Das von der Oberfläche reflektierte Licht wird erfasst und ausgewertet. Dazu ist eine große Zahl optischer Sensoren vorgesehen, die in geeigneter Weise angeordnet sind. Sie sollten dabei einen bestimmten nicht zu kleinen Bereich von Reflexionswinkeln abdecken, also unter diesen Reflexionswinkeln reflektiertes Licht erfassen können. Ferner ist eine Auswerteeinrichtung vorgesehen, die Signale auswerten kann, die von den Sensoren erzeugt werden, um die gewünschten Oberflächeneigenschaften des Messobjekts zu bestimmen.
Eine bekannte Vorrichtung dieser Art ist beschrieben in der DE 38 05 785 A1. Dieses Dokument schlägt vor, zur Ermittlung von Oberflächenprofilen von Materialoberflächen durch eine auf der Oberfläche zentrierte kreisbogenförmige Anordnung von Lichtsensoren und Einstrahlung eines Lichtflecks auf den Kreisbogenmittelpunkt auf der Oberfläche mittels eines Lasers die Reflexionswinkel bei der Reflexion des Laserlichts auf der Oberfläche auszuwerten. Aus den Reflexionswinkeln sollen die Oberflächenprofile per Integration ermittelt werden. Dabei werden die Reflexionswinkel durch eine Reihenschaltung der Sensoren und Auswertung der aus den Enden der Reihenschaltung abgeleiteten Signale bestimmt, wodurch sich eine Schwerpunktbildung bei der Reflexionswinkelbestimmung ergibt.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zu Grunde, eine gegenüber dem zitierten Stand der Technik verbesserte Vorrichtung der oben beschriebenen Art anzugeben. Erfindungsgemäß ist hierzu eine Vorrichtung vorgesehen, bei der der Auswerteeinrichtung die Signale einer Vielzahl von Gruppen jeweils benachbarter Sensoren gruppenweise getrennt zugeführt werden.
Bevorzugte Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, dass sich bei der in dem zitierten Stand der Technik vorgeschlagenen Reihenverschaltung der Sensoren eine nachteilig geringe Flexibilität bei der Auswertung der Signale ergibt. Zwar hat die in dem Stand der Technik vorgeschlagene Lösung den großen Vorteil, dass nur die an den Enden der Reihenschaltung auftretenden beiden Signale berücksichtigt werden müssen, aus denen sich zudem durch Quotientenbildung aus Differenz und Summe in einfachster Weise direkt ein für den gesuchten Schwerpunkt stehendes einzelnes Signal ermitteln lässt. Jedoch ist diese Lösung auf eine lineare Schwerpunktbildung beschränkt. Die Kopplung zwischen den Sensoren lässt sich nämlich nicht frei wählen, so dass sich verschiedene vorteilhafte Anwendungsmöglichkeiten mit der konventionellen Vorrichtung nicht durchführen lassen.
Im Gegensatz dazu ist erfindungsgemäß vorgesehen, mit einer Vielzahl von Signalen aus der Sensoranordnung zu arbeiten, wobei die jeweils zu einem gemeinsamen Signal zusammengefassten Sensoren hier als Gruppe bezeichnet werden. Vorzugsweise besteht bei der Erfindung jede Gruppe aus genau einem Sensor, wird also jedes einzelne Sensorsignal berücksichtigt. Die Erfindung kann jedoch auch ausgeführt werden, wenn aus einer nicht zu großen Gruppe benachbarter Sensoren gemeinsam ein Signal gebildet wird, so dass letztlich dennoch eine die räumliche Auflösung der Gesamtanordnung widerspiegelnde Vielzahl von Sensorsignalen zur Verfügung steht.
Damit ist eine erheblich erhöhte Flexibilität gegeben, weil die Kopplung zwischen den Sensoren bzw. zwischen den Gruppen frei wählbar ist. Die Anwendungsmöglichkeiten sind vielfältig, wobei die Erfindung nicht auf einzelne dieser vorteilhaften Anwendungen eingeschränkt ist. Beispielsweise können die Signale aus den jeweiligen Sensoren bzw. Gruppen vor der weiteren Verarbeitung einzeln logarithmiert werden, wodurch sich eine erheblich vergrößerte Dynamik ergibt. Ferner können die Beiträge verschiedener Sensoren unterschiedlich gewichtet werden und damit geometrische Eigenschaften der Anordnung oder Empfindlichkeitsunterschiede und Ähnliches kompensiert werden. Auch lässt sich eine Hintergrundkorrektur durchführen, indem die Signale der Gruppen ohne Betrieb der Beleuchtungseinrichtung gemessen und als Hintergrundmuster festgelegt werden. Bei der eigentlichen Messung kann dann dieses Signalmuster von den tatsächlichen Signalen subtrahiert werden. Schließlich kann die Schwerpunktermittlung auch anders als linear durchgeführt werden, beispielsweise mit quadratischer Gewichtung. Diese und im weiteren Verlauf der Beschreibung beschriebene Möglichkeiten müssen nicht zwangsläufig parallel gegeben sein, um die Erfindung zu erfüllen. Der Vorteil der Erfindung liegt vielmehr in der grundsätzlichen Flexibilität der gruppenweise vorzunehmenden Signalauswertung.
Die zu messenden Oberflächeneigenschaften können insbesondere ein Oberflächenprofil oder Kenngrößen für eine Oberflächenrauheit sein. Bei dem Messobjekt handelt es sich vorzugsweise, jedoch nicht notwendigerweise, um eine im Wesentlichen flache Materialbahn. Die Beleuchtungseinrichtung weist zweckmäßigerweise, jedoch nicht notwendigerweise, eine Halbleiterlaserdiode auf. Die Sensoren sind vorzugsweise in einer Ebene angeordnet, die die zu vermessende Oberfläche im Bereich des Lichtflecks schneidet. Es können auch weitere Sensoren in gegebenenfalls weiteren Ebenen vorgesehen sein. Innerhalb der Ebene sollten die Sensoren vorzugsweise relativ dicht angeordnet sein, um eine lückenlose Erfassung des reflektierten Lichts über den gewünschten Erfassungswinkelbereich sicherzustellen. Dabei kann die Auflösung und Dichtheit der Anordnung abgestimmt sein auf die zu erwartende Streuwinkelbreite des reflektierten Lichts.
Insgesamt sollten vorzugsweise zumindest einundzwanzig Sensoren vorgesehen sein, die in zumindest sieben Gruppen aufgeteilt sind.
Die Beleuchtungseinrichtung, also beispielsweise die Laserdiode, kann so ausgerichtet sein, dass die Oberfläche des Messobjekts schräg beleuchtet wird. Dadurch liegt das reflektierte Licht bei Spiegelreflexion auf einer planen Oberfläche ebenfalls gegenüber der Oberflächennormalen und auch gegenüber der Beleuchtungsrichtung verkippt. Die Anordnung der Sensoren, die in der Regel um die Richtung eines solchen Spiegelreflexes herum vorgesehen ist, kollidiert dann weniger mit der Beleuchtungseinrichtung, muss also nicht durch diese unterbrochen sein.
Zwischen den Sensoren und der zu vermessenden Oberfläche können Linsensysteme vorgesehen sein, um das reflektierte Licht auf die Sensoren zu bündeln bzw. seine Divergenz zu verringern. Dabei sind sowohl große Einzellinsen als auch Anordnungen mit einer Vielzahl Linsen denkbar. Einzelne Linsen können insbesondere torisch sein und sich, gegenüber der Oberfläche des Messobjekts konkav, über die Oberfläche wölben.
Die erfindungsgemäße Vermessung der Oberfläche kann stellenweise erfolgen, also beispielsweise pro Messobjekt nur eine oder eine bestimmte Zahl stationärer Einzelmessungen vornehmen. Dabei könnte der Lichtfleck auch so groß gehalten sein, dass die gewünschten Oberflächeneigenschaften über einen ausreichend großen Oberflächenbereich erfasst werden. Bevorzugt ist jedoch, dass zwischen dem Lichtfleck und der Oberfläche während der Messung eine Relativbewegung erfolgt, also die Eigenschaften der Oberfläche entlang einer Bahn vermessen werden. Insbesondere kann dabei aus den entlang der Bahn auftretenden Reflexionswinkeln über eine Integration bzw. Summation auf den Profilverlauf der Oberfläche entlang der Bahn zurückgeschlossen werden, wie dies bereits in dem zitierten Stand der Technik dargestellt ist. Neben der bereits in dem Stand der Technik geschilderten Möglichkeit, das Messobjekt während der Messung zu bewegen und die Vorrichtung stationär zu halten, kann natürlich auch die Vorrichtung bewegt werden. Bevorzugt ist jedoch vor allem eine Messung mit einer stationären Vorrichtung an einem sich bewegenden Messobjekt. Dabei richtet sich die Erfindung besonders auf Produktionsüberwachungen in Fertigungsstraßen und Produktionslinien, in denen das Messobjekt, im Allgemeinen im Wesentlichen flache Materialbahnen, ohnehin transportiert wird. Diese Bewegung kann dann für die Profilverlaufsmessung ausgenutzt werden. Dabei werden Verarbeitungsschritte hier natürlich mit dem Begriff „Produktion" miterfasst. Eine Walzstrasse oder eine Beschichtungsstrasse ist also ebenfalls eine Produktionslinie. Alternativ oder zusätzlich ergibt sich auch die Möglichkeit, die Beleuchtungseinrichtung so auszulegen, dass der Lichtfleck mit Hilfe der Beleuchtungseinrichtung über die Oberfläche bewegt werden kann. Hierzu kommt beispielsweise ein Polygonspiegelscanner in Betracht. Diese Lichtfleckbewegung lässt sich anstelle einer Bewegung der Vorrichtung oder der Messobjektoberfläche einsetzen, dieser jedoch auch überlagern. Insbesondere können damit zeilenweise quasi zweidimensionale Oberflächenbereiche abgerastert werden.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung liegt darin, dass nunmehr eine Aussage über die Streuwinkelbreite des reflektierten Lichts möglich ist. Aus dieser Streuwinkelbreite kann beispielsweise auch auf durch die bereits erwähnte Profilberechnung nicht mehr zu erfassende Mikrorauhigkeiten zurückgeschlossen werden. Dabei kann die Streuwinkelbreite des reflektierten Lichts ortsabhängig oder im Rahmen von örtlichen Mittelwertsbildungen verwendet werden.
Eine Mittelwertsbildung der Werte zur Streuwinkelbreite des reflektierten Lichts kann insbesondere auch eingesetzt werden, um am Rande des durch die Anordnung der Sensoren vorgegebenen Erfassungswinkelbereichs eine Extrapolation durchführen zu können. Wenn nämlich ein Teil einer etwas verbreiterten „Reflexionslichtkeule" über den Rand des durch die Sensoren vorgegebenen Erfassungswinkelbereichs hinausgerät, so würde die im Stand der Technik verwendete Schwerpunktbildung falsche Aussagen zum Schwerpunkt dieser Reflexionslichtkeule nach sich ziehen. Dies liegt einfach daran, dass ein Teil der Reflexionslichtkeule nicht in die Berechnung einbezogen werden würde. Wenn nun erfindungsgemäß eine Aussage über eine im zeitlichen Mittel auftretende Aufweitung dieser Reflexionslichtkeule vorliegt, so kann in solchen Fällen weiterhin auf den Schwerpunkt (oder einen anderweitig definierten Mittelpunkt) der Reflexionslichtkeule rückgeschlossen werden. Dies geht sogar u.U. so weit, dass eine selbst außerhalb des Erfassungswinkelbereichs liegende Schwerpunktlage durch Extrapolation noch berechenbar bleibt, wenn nur ein Teil der Reflexionslichtkeule erfasst wird. Die vorgeschlagene zeitliche Mittelwertsbildung kann dabei in unterschiedlicher Weise erfolgen. Beispielsweise kann sie im einfachsten Fall unabhängig von den Reflexionswinkeln vorgenommen werden, wobei man unterstellt, dass die zugrundeliegenden Materialeigenschaften nicht mit den Reflexionswinkeln korrelieren. Es kann aber auch eine Mittelwertbildung über die auftretenden Breiten in der Umgebung der Ränder des Erfassungswinkelbereichs vorgenommen werden, so dass diese den Verhältnissen bei der Extrapolation möglicherweise besser angepasst ist.
Eine weitere durch die Erfindung zur Verfügung gestellte Möglichkeit besteht in einer Maximalwertbestimmung anstelle einer Schwerpunktbildung. Auch diese ist mit der konventionellen Vorrichtung, die eingangs erwähnt wurde, nicht möglich. Sie kann zum einen insbesondere bei asymmetrischen Reflexionslichtkeulen realistischere Aussagen liefern als eine Schwerpunktsbildung. Zum zweiten kann mit ihrer Hilfe ebenfalls der effektive Erfassungswinkelbereich vergrößert werden, weil die Erfassung des Maximalwerts noch möglich ist, wenn bereits ein Teil der Reflexionslichtkeule außerhalb des erfassbaren Winkelbereichs liegt.
Im Folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert, wobei dabei enthaltene Einzelmerkmale auch in anderen Kombinationen erfindungswesentlich sein können. Im Übrigen wird vorsorglich darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch Verfahrenscharakter hat, so dass die vorstehende und die folgende Beschreibung sowohl im Hinblick auf die Offenbarung von Vorrichtungsmerkmalen als auch von Verfahrensmerkmalen auszulegen ist.
Im Einzelnen zeigt:
Figur 1 eine schematische Darstellung der optischen Anordnung in einer erfindungsgemäßen Messvorrichtung und
Figur 2 eine schematische Darstellung des Aufbaus einer Auswerteeinrichtung in der Messvorrichtung.
In Figur 1 ist mit 1 eine Blechbahn als Messobjekt eingezeichnet. Die Blechbahn 1 ist im Querschnitt eingezeichnet, wobei die Längsrichtung senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Bei der Blechbahn 1 handelt es sich um in einer Walzstrasse transportiertes Material, das in einem vorhergehenden und hier nicht dargestellten Arbeitsschritt mit Dressierwalzen behandelt wurde. Dressierwalzen werden für den letzten Vorgang bei der Blechherstellung verwendet und erzeugen auf der Blechoberfläche die notwendige Rauheit für spätere Tiefziehschritte oder Lackierprozesse. Dabei kann die Dressierwalze beispielsweise durch Metallkugelbestrahlung (shot blast) oder funkenerosive Aufrauhung (EBT, EDT) oder durch ein Laseraufrauhverfahren (Laser Tex) behandelt sein und überträgt ihre Oberflächeneigenschaften auf das Blech 1.
Abhängig von der Oberfläche des Blechs 1 selbst (kaltgewalzt, verzinkt ) ändert sich durch die Behandlung mit der Dressierwalze das Reflexions- und Streuverhalten der Oberfläche. Der Aufweitungswinkel und die winkelmäßige Lichtintensitätsverteilung sind aufschlussreiche Parameter zur Qualitätskontrolle.
Die Oberfläche des Blechs 1 wird mit fokussiertem Licht 2 aus einer nicht dargestellten Laserdiode beleuchtet, wobei die mittlere Einstrahlrichtung des Laserlichts 2 in der in Figur 1 skizzierten Schnittdarstellung senkrecht auf dem Blech 1 steht und stellvertretend für das fokussierte Lichtbündel des Lasers gezeichnet und mit 2 beziffert ist. Die Bezugszeichen 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Varianten einer Reflexionslichtkeule. Bei 3 handelt es sich um einen etwas aufgeweiteten Spiegelreflex, bei 4 um einen stark aufgeweiteten Spiegelreflex und bei 5 um einen stark zur Seite verkippten Reflex, dessen Aufweitung im Wesentlichen der des Spiegelreflexes 3 entspricht. Diese Beispiele sollen verdeutlichen, dass sich das reflektierte Licht hinsichtlich des Reflexionswinkels (vergleiche den Unterschied zwischen 3 und 5) und der Aufweitung (vergleiche den Unterschied zwischen 3 und 4) verändern kann. Der Reflexionswinkel steht für eine Neigung des reflektierenden Oberflächenbereichs des Blechs 1 , und zwar im Bereich des durch das Laserlicht 2 erzeugten Lichtflecks. Die Aufweitung steht für eine Mikrorauhigkeit, die durch die Breite der Reflexionskeulen lediglich summarisch charakterisiert werden kann.
Die eingezeichneten Reflexionskeulen 3, 4 und 5 sind im äußeren Bereich so gezeichnet, dass ihr äußerer Verlauf symbolisch für einen typischen Intensitätsverlauf des reflektierten Lichts innerhalb der jeweiligen Keule steht. Die von dem beleuchteten Fleck auf dem Blech 1 ausgehende Form der Keulen 3, 4 und 5 soll lediglich die unterschiedlich großen Streuwinkelbreiten symbolisieren. Die Form der seitlichen Linien ist ohne weitere Bedeutung (nur aus zeichnerischen Gründen etwas konkav). Das reflektierte Licht wird durch eine kreisbogenförmig um den Lichtfleck des Laserlichts 2 auf dem Blech 1 zentrierte Anordnung aus einer Vielzahl Sensoren 6 gemessen, die bei einer praktischen Ausführung in einer wesentlich größeren Zahl vorgesehen wären. Aus Kostengründen sind hier nur einundzwanzig Sensoren 6 vorgesehen. Natürlich sind auch andere Zahlenwerte realisierbar.
Figur 1 gibt nicht wieder, dass das eingestrahlte Laserlicht 2 der Beleuchtungseinrichtung mit seiner optischen Achse gegenüber einer Oberflächennormalen auf dem Blech 1 verkippt ist, und zwar in einer auf der Zeichenebene senkrecht stehenden und sowohl die Oberflächennormale als auch die Strahlrichtung des Laserlichts 2 enthaltenden Ebene. Die kreisbogenförmige Anordnung der Sensoren 6 definiert eine außerdem den Lichtfleck auf dem Blech 1 enthaltende Ebene, die ebenfalls gegenüber der Oberflächennormalen verkippt ist, und zwar um den gleichen Betrag in entgegengesetzter Richtung. Man könnte sich also vorstellen, dass das Laserlicht 2 in der Perspektive der Figur 1 von schräg hinten den in der Zeichenebene liegenden Lichtfleck auf dem Blech 1 erzeugt, wobei das reflektierte Licht (Reflexionskeule 3) nach schräg vorne reflektiert wird und auf die kreisbogenförmige Anordnung von Sensoren 2 trifft. Man vergleiche die Figuren 3 und 5 des zitierten Standes der Technik D 38 05 785 A1.
Der kreisbogenförmigen Anordnung von Sensoren 6 ist ein in 1 : 1 -Entsprechung zu den Sensoren vorgesehenes Linsenfeld aus Einzellinsen 7 vorgeschaltet, mit dem das reflektierte Licht 3, 4 und 5 auf die Sensoren 6 fokussiert wird. In Strichen ist jeweils eine etwa der Breite einer einzelnen Linse 7 entsprechende Keulenbreite, die zu einer punktförmigen Fokussierung auf einen Sensor führt, eingezeichnet. Diese Keulenbreite entspricht einem idealen Spiegelreflex auf dem Blech 1. Sobald bei der Reflexion eine Aufweitung auftritt, kommt es also zu einer Lichterfassung in zumindest zwei Sensoren (unabhängig vom Reflexionswinkel).
Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer zu der bisher beschriebenen Vorrichtung gehörenden Auswerteeinrichtung. Links sind mit den dunklen Quadraten 6 die in Figur 1 bereits eingezeichneten Sensoren 6 angedeutet, von denen wiederum nur ein Teil dargestellt ist. Jedem einzelnen Sensor 6 ist ein AD-Wandler 6 zugeordnet, der die ursprünglich analogen Ausgangssignale der Sensoren in Digitalsignale umwandelt. Die Digitalsignale aus den AD-Wandlern 8 werden jeweils für jeden Sensor einzeln in einen schnellen Zwischenspeicher 9 (FiFo, first in first out) eingespeichert, aus dem sie in der eingespeicherten Reihenfolge ausgelesen werden können, wie mit den Pfeilen angedeutet.
Aus den digitalisierten und zwischengespeicherten Einzelsignalen kann zum einen in einem Bereich 10 der Auswerteeinrichtung ein Schwerpunkt ermittelt werden. Dabei kann sowohl eine lineare Schwerpunktsbildung als auch eine gewichtete Schwerpunktsbildung oder eine quadratische Schwerpunktsbildung erfolgen.
Außerdem werden die einzelnen Signale in einem Bereich 11 der Auswerteeinrichtung so verarbeitet, dass sich eine typische Größe für die in Figur 1 dargestellten Breiten der verschiedenen Reflexionskeulen 3, 4 und 5 ergibt. Diese Reflexionskeulenbreite wird in einem Bereich 12 zeitlich gemittelt.
Mit Hilfe dieses zeitlichen Mittelwertes aus dem Bereich 12 kann dann ein weiterer Bereich 13 der Auswerteeinrichtung den im Bereich 10 ermittelten Schwerpunkt dann korrigieren, wenn er unter Berücksichtigung der Reflexionskeulenbreite zu nah an den in Figur 1 links und rechts außen dargestellten Rändern des durch die Anordnung der Sensoren 6 erfassten Winkelbereichs liegt. Beispielsweise ist die Reflexionslichtkeule 5 bereits soweit außen angeordnet, dass ein größerer Teil des reflektierten Lichts nicht mehr von den Sensoren 6 erfasst wird. Die Schwerpunktbildung in dem Bereich 10 ist also fehlerbehaftet. Dies kann im Bereich 13 korrigiert werden.
Soweit die zugrunde liegende Annahme, dass die Reflexionskeulenbreiten mit den Reflexionswinkeln nicht zu stark korrelieren, also die Mikrorauhigkeit mit den Profilverläufen auf der Oberfläche nicht korrelieren, zutrifft, lässt sich damit der Erfassungswinkelbereich der Anordnung der Sensoren 6 erheblich ausdehnen. Während nämlich mit der bereits diskutierten konventionellen Anordnung mit dem zitierten Stand der Technik eine genaue Erfassung nur solange möglich war, wie die gesamte Reflexionslichtkeule im Erfassungswinkelbereich lag, so kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine zumindest genäherte Berechnung auch noch dann durchgeführt werden, wenn nur ein Teil der Reflexionslichtkeule, möglicherweise nicht einmal der Schwerpunkt selbst, noch im Erfassungswinkelbereich liegt.
Im Übrigen wird auch bei dieser Vorrichtung, wie bereits in dem zitierten Stand der Technik, aus den Reflexionswinkeln (hier allerdings gemäß den korrigierten Schwerpunkten) integrierend auf ein Profilverlauf der Oberfläche des Blechs 1 zurückgerechnet. Dies ist nicht mehr im Einzelnen zeichnerisch dargestellt und im Übrigen in dem zitierten Stand der Technik ausführlicher dargelegt, auf dessen Offenbarungsinhalt diesbezüglich und bezüglich aller weiteren technischen Gemeinsamkeiten ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Profilverläufe ergeben sich dabei durch eine Bewegung des Blechs 1 in der Längsrichtung senkrecht zu der Zeichenebene der Figur 1 , so dass der Lichtfleck relativ zu dem Blech 1 über die Oberfläche wandert. Zusätzlich kann die in Figur 1 skizzierte Vorrichtung dabei so erweitert werden, dass der Lichtfleck auf der Oberfläche des Blechs 1 in der Horizontalen in Figur 1 zeilenweise bewegt wird, wozu beispielsweise ein Polygonspiegelscanner in Betracht kommt, wie ihn auch der zitierte Stand der Technik in Figur 4 und der zugehörigen Beschreibung darstellt. Hierbei handelt es sich um Varianten, die dem Fachmann auf Grund des Standes der Technik geläufig sind, so dass hier keine detaillierte Beschreibung notwendig ist.
Das Ausführungsbeispiel könnte zusätzlich noch dadurch verbessert werden, dass die einzelnen Signale der Lichtsensoren 6 nach der Zwischenspeicherung in dem schnellen Speicher 9 und vor der bereits erläuterten Verarbeitung in den Bereichen 10 und 11 im Hinblick auf einen mit der eigentlichen Messung nicht zusammenhängenden Fremdlichthintergrund korrigiert werden. Dazu kann vor der Messung bei ausgeschalteter Laserdiode ein typisches, eventuell zeitlich gemitteltes Signalmuster aus den Sensoren 6 entnommen werden. Dieses Signalmuster kann durch einfache Subtraktion von den Signalmustern bei eingeschalteter Laserdiode korrigierend in Abzug gebracht werden, so dass die Gesamtvorrichtung bei im Wesentlichen unveränderten Störlichtbedingungen ohne besondere Abdunklungsmaßnahmen verwendet werden kann.

Claims

Ansprüche:
1. Vorrichtung zur optischen Messung von Oberflächeneigenschaften eines Messobjekts (1) mit
einer Beleuchtungseinrichtung zur Beleuchtung des Messobjekts (1) mit einem Lichtfleck,
einer Vielzahl optischer Sensoren (6), die so angeordnet sind, dass sie von der Beleuchtungseinrichtung eingestrahltes (2) und von der Oberfläche des Messobjektes reflektiertes Licht (3, 4, 5) erfassen können
und einer Auswerteeinrichtung (8 - 13) zum Auswerten von Signalen der Sensoren (6) zur Bestimmung der Oberflächeneigenschaften des Messobjekts (1),
dadurch gekennzeichnet, dass der Auswerteeinrichtung (8 - 13) die Signale einer Vielzahl von Gruppen jeweils benachbarter Sensoren (6) gruppenweise getrennt zugeführt werden.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , bei der pro Gruppe genau ein Sensor (6) vorgesehen ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der die Sensoren (6) im Wesentlichen entlang einem Kreisbogen mit einem Mittelpunkt auf der Oberfläche des Messobjekts (1) angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Beleuchtungseinrichtung so ausgelegt ist, dass sie die Oberfläche des Messobjekts (1) gegenüber einer Normalen auf der Oberfläche verkippt beleuchten (2) kann.
5. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, mit zumindest einer Linse (7) zur Bündelung des von der Oberfläche des Messobjekts (1) reflektierten Lichts (3, 4, 5) auf die Sensoren (6).
6. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der zwischen dem durch die Beleuchtungseinrichtung auf der Oberfläche des Messobjekts (1) erzeugten Lichtfleck und der Oberfläche eine Relativbewegung erzeugt werden kann, so dass sich der Lichtfleck auf der Oberfläche entlang einer Bahn bewegt,
wobei die Auswerteeinrichtung (8 - 13) dazu ausgelegt ist, aus den entlang der Bahn auftretenden Reflexionswinkeln per Integration einen Profilverlauf der Oberfläche entlang der Bahn zu berechnen.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, bei der die Sensoren (6) stationär sind,
das Messobjekt (1) eine in einer Produktionslinie zu transportierende Materialbahn ist
und sich die Relativbewegung aus dem Transport der Materialbahn (1) ergibt.
8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der der von der Beleuchtungseinrichtung erzeugte Lichtfleck durch die Beleuchtungseinrichtung relativ zu der Oberfläche des Messobjekts (1) bewegt werden kann.
9. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, bei der die Auswerteeinrichtung (8 - 13) zu einer Extrapolation an Rändern des Winkelerfassungsbereichs der Erfassungsvorrichtung ausgelegt ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Auswerteeinrichtung (8 - 13) dazu ausgelegt ist, einen zeitlichen Mittelwert der Streuwinkelbreite des von der Oberfläche des Messobjekts (1) reflektierten Lichts zu ermitteln, um an einem Rand des Erfassungswinkelbereichs der Erfassungsvorrichtung zu extrapolieren, wenn nur ein Teil des Lichts aus der Streuwinkelbreite erfassbar ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 9, bei der die Auswerteeinrichtung dazu ausgelegt ist, einen Maximalwert innerhalb der Streuwinkelbreite des von der Oberfläche des Messobjekts (1) reflektierten Lichts (3, 4, 5) zu ermitteln.
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