CH654914A5

CH654914A5 - Optoelektronisches messverfahren und einrichtung zum bestimmen der oberflaechenguete streuend reflektierender oder transparenter oberflaechen.

Info

Publication number: CH654914A5
Application number: CH6385/81A
Authority: CH
Inventors: Theodor Prof Gast; Gerhard Dipl-Ing Thurn
Original assignee: Gast Theodor; Thurn Gerhard
Priority date: 1980-10-04
Filing date: 1981-10-05
Publication date: 1986-03-14
Also published as: US4859062A; GB2088552A; GB2088552B; JPS5791403A; DE3037622C2; JPH0153401B2; FR2491615A1; DE3037622A1; FR2491615B1

Description

Die Erfindung betrifft ein optoelektronisches Messver-65 fahren zum Bestimmen der Oberflächengüte streuend reflektierender oder transparenter Oberflächen, insbesonders an metallischen Werkstücken, bei dem die zu untersuchende Oberfläche von einem etwa parallelen Strahlenbündel einer

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Lichtquelle beleuchtet und die Intensitätsverteilung der reflektierten bzw. der durchgehenden Strahlung mittels lichtelektrischer Detektoren gemessen und elektronisch ausgewertet wird, sowie eine Einrichtung zum Durchführen des Messverfahrens.

Derartige Messverfahren und Messeinrichtungen haben erhebliche Bedeutung für die Qualitätssicherung mechanisch gefertigter Werkstücke, da die Einhaltung einer bestimmten Oberflächengüte, z.B. an Passflächen, Dichtflächen, Reibflächen und lackierten Flächen, für die Funktion des jeweiligen Bauteils wesentlich ist.

Zum Messen der Oberflächengüte bzw. Oberflächenrauheit sind verschiedene Verfahren und Geräte bekannt. Am häufigsten werden Tastschnittgeräte zur Rauheitsmessung eingesetzt. Sie besitzen einen kleinen Tastkopf, in welchem eine Diamantnadel mechanisch die Oberfläche abtastet. Die Messwerte werden vergrössert aufgezeichnet und/oder registriert. Diese Geräte haben einen hohen technischen Stand erreicht. Nachteilig ist die linienhafte Abtastung der Oberfläche und der zeitaufwendige Messvorgang, der nicht berührungsfrei durchzuführen und nur schwer automatisierbar ist.

Im Buch «Technische Oberflächenkunde», Verlag J. Springer, Berlin 1936, S. 98-99, beschreibt G. Schmaltz ein Messverfahren, bei dem die mit beweglichen Fotodetektoren erfasste Rückstreuindikatrix photometrisch ausgewertet wird. Als Mass für die Oberflächengüte wird entweder ein Faktor verwendet, der die Annäherung der Streulichtkurve an eine Gaussverteilung beschreibt, oder der Halbwertwinkel, bei dem die Strahlungsintensität auf die Hälfte der im Glanzwinkel abgestrahlten Intensität gesunken ist. Dabei wird einschränkend von einer Gaussverteilung der Streulichtkurve ausgegangen, bzw. es werden aus der gesamten Streukurve nur zwei Messwerte zur Kennzeichnung der Oberflächengüte verwendet. Abgesehen davon, dass die Voraussetzung einer Gaussverteilung der Streulichtkurve bei den meisten Oberflächenstrukturen nicht gegeben ist, führt die Auswertung, die sich nur auf zwei Messpunkte stützt, zu ungenauen Messergebnissen.

Aus der DE-AS 2 260 090 ist eine Messeinrichtung bekannt, die als Mass für die Rauheit die Halbwertsbreite der Streulichtverteilung um den Glanzwinkel zwischen 60 und 85 Grad Einfallswinkel verwendet. Dieses Mass wird insgesamt aus drei Messpunkten der Streulichtverteilung gebildet, dem Messwert im Maximum der Kurve und den jeweiligen Halbwerten. Nachteilig ist hier, dass an flachen oder mehrgipfe-ligen Verteilüngskurven, wie dies bei technischen Rauheiten vorkommt, die Halbwertsbreite nicht eindeutig definiert ist und diese ein unsicheres Mass im statischen Sinne darstellt. Zufällige Schwankungen der Messwerte, insbesonders des Maximalwertes, der den Bezugswert darstellt, wirken sich direkt auf das Messergebnis aus. Der zur Messung notwendige flache Lichteinfall lässt die Messanordnung empfindlich gegen Abstandsänderungen werden, und die Messeinrichtung ist aufgrund grosser Abmessungen nur einsetzbar, wenn genügend Platz und Zeit für die umständliche Handhabung zur Verfügung stehen.

Aus der Veröffentlichung von F. Piwonka und Th. Gast in «Technisches Messen» (1979) 12, S. 451-458, ist weiterhin ein Verfahren bekannt, welches die Rückstreuindikatrix mit rotierenden Fotoempfängern aufnimmt und daraus die Rauhtiefe berechnet. Dieses Verfahren lässt sich nur auf periodisch, z.B. auf einer Drehmaschine, zerspante Oberflächen anwenden, da die Rillenbreite der rauhen gerillten Oberfläche bekannt sein muss. Der Messbereich dieser Anordnung überdeckt nur den Grobbereich der Oberflächenrauheit.

Aus der DE-PS 2 241 617 ist weiterhin ein Verfahren zur Rauheitsmessung bekannt, das mit einem Laser arbeitet. Bei diesem Verfahren wird die ebene Messprobe mechanisch gedreht und das winkelabhängige in die Einfallrichtung zurückreflektierte Licht gemessen. Aus der Lichtverteilung wird die Wahrscheinlichkeitsverteilung der partiellen Ablei-s tungen des Rauheitsprofils berechnet. Die dabei zu beachtenden physikalischen Randbedingungen und die benötigte Relativbewegung von Messeinrichtung und Messobjekt schränken den Anwendungsbereich erheblich ein.

Aus der Literatur sind weiterhin Verfahren zur Rauheits-io messung bekannt, die das «Speckle»-Muster im Streufeld des reflektierten Lichtes auswerten. Notwendig ist hierzu eine Beleuchtungseinrichtung, die bestimmten Kohärenzbedingungen genügt, z.B. ein Laser.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Messverfahren und eine Messeinrichtung anzugeben, welche die Bestimmung der Oberflächengüte mit grösserer Genauigkeit und unter Verwendung einfacher und handlicher Geräte ermöglichen.

Mit der Messeinrichtung sollen Messungen an ebenen, konvexen und konkaven Messflächen sowie an schwierigen 20 Messstellen wie an Abschrägungen, Nuten und Bohrlöchern berührungsfrei oder mit schonender Berührung in schneller Messfolge durchführbar sein. Die Messeinrichtung soll sowohl manuell bedient werden als auch problemlos in automatische Einrichtungen eingegliedert werden können, wobei 25 es nicht erforderlich sein soll, mit kohärentem Licht zu arbeiten.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von dem eingangs angegebenen Messverfahren, erfindungsgemäss dadurch gelöst,

dass das Strahlenbündel etwa senkrecht auf die zu untersu-30 chende Oberfläche gerichtet wird und die von dem beleuchteten Oberflächenausschnitt (Messfleck) ausgehende räumlich verteilt reflektierte Strahlung durch die lichtelektrischen Detektoren unter einem Raumwinkel erfasst wird, der der zu erwartenden Aufweitung des Strahlenbündels infolge 35 der Streuung angepasst wird und dass als Mass für die Oberflächengüte integrale Kennwerte aus der Gesamtheit der durch die Detektoren ermittelten Messwerte gebildet werden. Weiterbildungen des erfindungsgemässen Messverfahrens und Einrichtungen zur Durchführung desselben sind in den 40 abhängigen Ansprüchen angegeben.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht im wesentlichen darin, die vom Messfleck reflektierte Streustrahlung mit einem Messtubus in einem Raumwinkel zu erfassen, der der Streuung und damit dem erwarteten Gütebereich der zu 45 untersuchenden Oberfläche angepasst ist und aus den mit Detektoren gemessenen Intensitätswerten nach Art der aus der Mechanik und der Statistik bekannten Potenzmomente integrale Kennwerte Sx zu bilden, die als Mass für die Oberflächengüte verwendet werden. Zur Bildung der Kennwerte so dienen die Gleichungen:

n

(a) Sx = Y |wi-w|*-pi mitx=loder2

i=l ss n

(b) w = Y Wi*P'

i = 1

Y Di-gi i=l in diesen Gleichungen bedeuten:

Wi den von dem jeweiligen Detektor i erfassten Winkel der Streustrahlung

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n die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren w den Mittelwert aus den Werten pi und Wi pi nach der Gleichung (c) normiertes Messsignal Di gi Korrekturfaktor für das Messsignal Di

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren werden aus den gemessenen Signalen der vorzugsweise in einer Zeile angeordneten n Detektoren nach der Gleichung (c) normierte Werte pi unter Berücksichtigung der Korrekturfaktoren gi gewonnen. Im Gegensatz zu den oben beschriebenen bekannten Verfahren und Anordnungen gehen die Messsignale aller die reflektierte Strahlung erfassenden Detektoren in die Auswertung ein. Durch die Bildung des Quotienten pi werden lediglich die Streueigenschaften der Oberflächenstruktur ausgewertet, die werkstoffbedingten spektralen Reflexionskoeffizienten bleiben ohne Einfluss auf das Messergebnis. Aus den Werten pi und den Werten Wi wird ein Mittelwert w berechnet. Zuletzt werden die Kennwerte Si oder S2 gebildet. Der quadratische Streukennwert S2 ist der statistisch sichere Wert, dagegen ist die Berechnung des Kennwertes Si einfacher.

Die Korrekturfaktoren gi haben die Aufgabe,

- Fertigungsstreuungen in den elektrischen und optischen Kennwerten der verwendeten Bauelemente auszugleichen

- und die von optischen Bauelementen geometrischoptisch bedingten Veränderungen der Streulichtverteilung zu korrigieren.

Hierfür werden die zwischen 0 und 1 liegenden Faktoren in einem Einmessvorgang mit einer Vergleichsoberfläche bekannter Streuung bestimmt.

Ausserdem ist es durch Approximation dieser Faktoren möglich,

- den Kennlinienverlauf von Si oder S2 über einen grösseren Bereich der Oberflächengüte durch unterschiedliche Gewichtung der Streulichtkurve zu beeinflussen, z.B. um eine Linearisierung durchzuführen;

- bestimmte Anteile der Streulichtkurve hervorzuheben oder zu unterdrücken, um z.B. Streulicht oder regulär reflektiertes Licht getrennt auszuwerten.

Die Vorteile der Erfindung liegen hauptsächlich darin,

dass

- die Oberflächengüte über einen Messfleck gemittelt bestimmt wird;

- integrale Kennwerte Si oder S2 gebildet werden, die eine zuverlässige und genaue Aussage auch bei beliebig geformten Streulichtkurven erlauben, wobei die Art der Verteilung, z.B. Gaussverteilung, nicht bekannt sein muss;

- die Kennwertbildung alle Detektoren umfasst und zufällige Schwankungen der Streulichtkurve, wie sie durch Ausrichtfehler oder statistische Unregelmässigkeiten der Oberfläche hervorgerufen werden, ausgemittelt werden;

- die integralen Kennwerte invariant gegen Verschwenken der Streulichtverteilung in der Messebene sind;

- optische Qualitätsmerkmale der Oberfläche, wie beispielsweise das Streuverhalten und Strukturmerkmale durch die Kennwerte S1 oder S2 genau beschrieben werden;

- zwischen den Kennwerten Si oder S2 und genormten Rauheitskenngrössen ein enger, sehr gut reproduzierbarer Zusammenhang besteht, wenn die Fertigungsbedingungen bekannt sind;

- durch Anpassung des von der Messeinrichtung erfassten Raumwinkels an den Winkel der Streustrahlung ein grosser

Messbereich erzielt wird, der am Mittenrauhwert Ra orientiert von Ra > 0.01 (im bis Ra <10 (im reicht;

- durch Drehung der Messebene eine getrennte Bestimmung von Quer- und Längsrauheit möglich ist;

5 - die Messanordnung wegen der etwa senkrechten Einstrahlung unempfindlich gegen Abstandsänderungen ist;

- die Messung mit schonender Berührung oder berührungsfrei manuell oder automatisch auch an schwer zugänglichen Messstellen durchgeführt werden kann;

10 - Messungen an ruhenden und an bewegten Flächen möglich sind.

Die Bestimmung der Kennwerte Si oder S2 kann elektronisch analog oder digital erfolgen. Vorzuziehen ist die Kenn-15 Wertberechnung in einem Rechner, da dort in einfacher Weise die Abspeicherung von Messdaten, eine Bedienerführung im Dialog und eine umfangreiche Dokumentation der Messergebnisse möglich ist.

Zur Einstellung eines bestimmten Kennlinienverlaufs der 20 Kennwerte Si oder S2 über einen Bereich der Oberflächengüte sind die Kennwerte im Rechner mit einem Skalenfaktor zu multiplizieren und/oder Potenzen der Kennwerte zu verwenden. Die Bestimmung genormter Rauheitskenngrössen, wie des Mittenrauhwerts Ra oder der gemittelten Rauhtiefe Ra 25 erfolgt indirekt über Einmessvorgänge. Oberflächen bekannter Rauheit werden optisch gemessen und die Kenn-grössen Si oder S2mit Tastschnittkenngrössen in Beziehung gebracht. Die dazugehörige Kennlinie wird in einem Rechner abgespeichert. Zur Erreichung hoher Messgenauigkeit ist es 30 zweckmässig, mehrere den üblichen Bearbeitungsverfahren entsprechende Kennlinien zu messen und abzuspeichern.

Eine andere Möglichkeit besteht darin, den Wellenlängenbereich der Messstrahlung zu variieren, um verschiedene Streuwinkelbereiche einzustellen. Die Streuung an Ober-35 flächen einer bestimmten Rauheit ist bei kurzen Wellenlängen, z.B. UV-Licht, grösser als vergleichsweise bei grossen Wellenlängen, wie z.B. IR-Licht. Die verwendete Strahlung muss dabei nicht monochromatisch sein, sondern kann sich über einen grösseren Wellenlängenbereich, z.B. 100 nm, 40 erstrecken.

Eine weitere Möglichkeit besteht in der Verwendung polarisierter Messstrahlung. Rauhe Oberflächen zeigen bei der Reflexion polarisierter Strahlung ein von glatten Oberflächen abweichendes Verhalten, aus dem unter Berücksichti-45 gung der Orientierung der Schwingungsebene der Strahlung zu der Struktur der Oberfläche auf die Oberflächengüte geschlossen werden kann. Aus dem Polarisationszustand der Strahlung innerhalb der reflektierten Strahlkeule können somit die Kennwerte Si oder S2 als Mass für die Oberflächen-50 güte verwendet werden.

Im folgenden ist die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen der Messeinrichtung beschrieben.

Es zeigen schematisch:

55 Fig. 1 eine erfindungsgemässe Streulichtmesseinrichtung

Fig. 2 eine Darstellung einer Messeinrichtung mit Strahlquelle im Messtubus

Fig. 3 eine Messeinrichtung mit flexiblem Lichtleiter

Fig. 4 einen Messtubus mit kegelförmiger Spitze 60 Fig. 5 einen Messtubus mit seitlichem Strahlaustritt

Fig. 6 ein Blockschaltbild des Messsystems mit einem Rechner zur Messwertverarbeitung.

Fig. 7 in einem Diagramm die Abhängigkeit des Kennwerts S2 von der Oberflächengüte verschiedener Oberflächen-6S proben.

Bei der Messeinrichtung gemäss der Figur 1 ist eine Strahlquelle 1 vorgesehen, z.B. eine infrarotlichtemittierende Diode

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mit aufgesetzter Glaslinse, deren gebündelte, etwa parallele Strahlung 9 einen Strahlteiler 2, ein Linsensystem 3 und eine planparallele Glasplatte 4 durchsetzt. Der Messfleck wird von einer kreisförmigen Blende 5 auf ca. 1 bis 3 mm Durchmesser begrenzt. Durch die Glasplatte 4 ist das System vollständig gekapselt. Die von der Oberfläche 12 reflektierte Strahlung 6 wird von der Brechkraft eines Linsensystems 3 in seiner Richtung verändert, durchsetzt rückwärts den Strahlteiler, der einen möglichst grossen Teilfluss zu den lichtelektrischen Detektoren 8 ausspiegelt. Als Detektoren 8i, 8i bis 8n sind Fotodioden oder pyroelektrische Detektoren einzeln oder in den Ausführungsformen als Lineararray oder Ma-trixarray zu verwenden. Die Detektoren wandeln die Strahlung in elektrische Signale, die gefiltert und verstärkt analog oder digital so weiterverarbeitet werden, dass sie die Streukennwerte Si oder S2 als Mass für die Oberflächengüte angeben. Auf einem Bildschirm 16 wird der Verlauf der Bestrahlungsstärke E angezeigt, der mit den Detektoren 81 bis 8n gemessen wird. Um das Störungssignal-Nutzsignalverhältnis zu verbessern, sind die Detektoren mit einem optischen Filter versehen, das den spektralen Empfangsbereich auf den Wellenlängenbereich der Strahlquelle einengt.

Eine weitere Verbesserung ergibt sich, wenn im Wechsellichtbetrieb gearbeitet wird. Dazu wird das Licht der Strahlquelle elektrisch oder optisch mit einer bestimmten Frequenz gepulst und das Messsignal frequenzselektiv ausgewertet. Der Messtubus 7 bestimmt mit seinen Abmessungen, insbesondere seiner Länge, und mit dem in ihm enthaltenen Linsensystem 3 und der Glasplatte 4 den Raumwinkel, in dem die reflektierte Strahlung den Detektoren 81 bis 8n zugeführt wird. Im einfachsten Fall kann das Linsensystem 3 weggelassen werden. Der Raumwinkel ergibt sich dann aus den geometrischen Daten der Messeinrichtung, im wesentlichen aus dem Öffnungswinkel der Detektorzeile 8. Linsensysteme mit positiver Brennweite vergrössern den Raumwinkel; Zerstreuungslinsen engen diesen ein.

Bei dem erfindungsgemässen Verfahren ist es nicht erforderlich, die Detektoren in der Brennebene des Linsensystems anzuordnen oder eine reelle Abbildung des beleuchteten Oberflächenausschnitts durchzuführen, wodurch sich bei der Dimensionierung des Messtubus Vorteile ergeben.

Für jede Messeinrichtung sind mehrere gegeneinander austauschbare Messtuben vorgesehen, die sich in ihren optischen Kenndaten unterscheiden. Dadurch wird eine Anpassung an den bei einer Messung zu erwartenden Streuwinkelbereich ermöglicht, der sich aus dem Bereich der Oberflächengüte der zu untersuchenden Fläche ergibt. Der Bereich der Oberflächengüte ist gegeben durch das der Messung vorangegangene Oberflächenbearbeitungsverfahren, z.B. Feindrehen, Flachschleifen, Polieren. Auf Grund dessen erfolgt die Auswahl des jeweils zweckmässigen Messtubus.

Gemäss der Figur 1 ist in den Strahlengang des Streulichts eine Zylinderlinse 17 eingefügt. Sie sammelt die räumlich verteilte Streustrahlung zu einem Lichtband in der Messebene, die von den Mittenstrahlen 9 und 10 bestimmt ist und in dem sich die Detektorenzeile 8 befindet. Durch diese Massnahme wird der störende Einfluss der Strahlzerstreuung an konvexen Oberflächen reduziert und der ausnutzbare Strah-lungsfluss erhöht. Diese Zylinderlinse kann in das Linsensystem 3 integriert sein. Es ist sogar vorteilhaft, das Linsensystem 3 aus einem System gekreuzter Zylinderlinsen aufzubauen, deren Brennweiten so gewählt werden, dass in einer Ebene die Streustrahlung in dem Winkel erfasst wird, der für die Bestimmung der Oberflächengüte am günstigsten ist und in der anderen Ebene die reflektierte Strahlung zu einem Lichtband gesammelt wird, in dem sich die Detektoren 8 befinden. Bei Linsen hoher Brechkraft ist es zweckmässig, diese in der Mitte abzuflachen, so dass das einfallende Strahls

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lenbündel unverändert bleibt, während die streuend reflektierte Strahlung durch die gewölbten Linsenflächen gebrochen wird. Bei der elektronischen Verarbeitung der Messwerte wird dieser optische Eingriff wieder ausgeglichen.

5 Ein weiterer lichtelektrischer Detektor 11 (Referenzdetektor) misst den durch den Strahlteiler 2 abgezweigten Teil des von der Strahlquelle 1 kommenden Strahlenbündels 9. Über eine Quotienten- und/oder Subtraktionsschaltung werden deren Strahlstärkeschwankungen in der Messdatenverarbeitung kompensiert. Die Messung kann mit leichter Berührung erfolgen, indem die kleine handliche Streulichtmesseinrichtung mit dem Messtubus 7 etwa senkrecht auf die zu messende Fläche 12 aufgesetzt wird. Da die Auflagefläche des Messtubus relativ gross ist und nur kleine Kräfte wirken, wird weitgehend eine Verletzung der zu messenden Oberfläche vermieden. Für die Messung an sehr empfindlichen Oberflächen soll die Auflagefläche des Messtubus aus einem nicht harten Werkstoff, z.B. einem Kunststoff, bestehen. Eine berührungslose Messung wird durch Einstellen eines kleinen Messabstandes 13 erreicht und so ein Messen auch an bewegten Flächen möglich. Diese Betriebsart lässt sich vorteilhaft in automatischen Einrichtungen anwenden.

Um an gerichteten Rauhstrukturen, z.B. an rilliger Rau-25 heit, die in der Rauheitsmesstechnik als Quer- bzw. Längsrauheit bezeichneten Oberflächenkenngrössen zu bestimmen, ist das Messgerät mit seiner Messebene quer bzw. längs zur Rillenrichtung ausrichtbar. Eine andere Möglichkeit, die richtungsabhängigen Streueigenschaften einer Oberfläche zu 30 messen, ohne das Messgerät dabei um 90° zu drehen, ergibt sich mit einer Matrixanordnung, bestehend aus mehreren Detektorzeilen, oder mit einer Anordnung von gekreuzten Detektorzeilen. Bei letzterer ist senkrecht zur Detektorzeile 8 eine weitere Detektorzeile angeordnet, welche die reflektierte 35 Strahlung senkrecht zur Messebene aufnimmt. Eine Möglichkeit, den durch die Geometrie und die Optik der Messtuben gegebenen Messbereich der Einrichtung zu erweitern, besteht in der Veränderung der Wellenlänge der verwendeten Strahlung. Dazu ist entweder das Licht der Strahlquelle 1 mono-40 chromatisch, oder es wird aus einer Strahlquelle mit breitem Spektrum mittels eines Filters ein bestimmter Wellenlängenbereich ausgesiebt.

Eine weitere Möglichkeit ist die Streulichtmessung mit polarisierter Strahlung. Dazu ist in der Anordnung ein Pola-45 risationsfilter 14 zur Erzeugung polarisierter Strahlung und ein Polarisationsfilter 15 zur Analyse der reflektierten Strahlung vorgesehen.

Gemäss der Figur 2 ist die Messeinrichtung nach Figur 1 so abgewandelt, dass sich die Strahlquelle 1, z.B. eine kleine 50 Halbleiterstrahlquelle, im Messtubus 7 befindet. Der Vorteil dieser Anordnung ist, dass das Strahlenbündel der Strahlquelle 1 nicht über das Linsensystem 3 einfällt, die Streustrahlung aber vom Linsensystem erfasst wird. Dadurch kann die Streustrahlung in einem grossen Raumwinkel erfasst 55 werden, wie dies für den groben Rauheitsbereich erforderlich ist. Der Strahlteiler 2 befindet sich bei dieser Anordnung zwischen der Strahlquelle 1 und der Referenzdiode 11, während die Detektorenzeile 8 im Gehäuse der Einrichtung angeordnet ist.

60 Bei ungünstigen Raumverhältnissen ist die Verwendung eines Lichtleiters vorteilhaft, um beispielsweise mit der Einrichtung an Innenflächen von Werkstücken oder innerhalb der Bearbeitungsmaschine zu messen. Als Lichtleiter ist ein geordnetes Lichtfaserbündel zu verwenden, wobei dessen 65 Querschnitt rechteckig oder kreisförmig sein darf und/oder faseroptische Querschnittwandler einsetzbar sind. Der Lichtleiter wird dabei in der Anordnung nach Figur 1 vorzugsweise zwischen Messtubus 7 und dem Strahlteiler 2 eingefügt

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und leitet sowohl die einfallende wie auch die reflektierte Strahlung. Ein Lichtleiter kann auch in der Anordnung nach Figur 2 zur Führung der reflektierten Strahlung verwendet werden. Er wird zweckmässig zwischen Messtubus 7 und der Detektorenzeile 8 angeordnet.

Figur 3 zeigt eine Anordnung, bei der sich die Strahlenquelle 1 ebenfalls im Messtubus 7 befindet und direkt in das Linsensystem 3 eingesetzt ist. Da der Strahlteiler entfällt, erhöht sich die ausnutzbare Strahlung der Strahlquelle. Der reflektierte Lichtfluss wird hierüber einen flexiblen Lichtleiter 18 den Detektoren 8 zugeführt. Zur Beleuchtung des zu messenden Oberflächenausschnitts kann ein weiterer Lichtleiter mit kleinem Durchmesser verwendet werden, der konzentrisch zum Lichtleiter 18 angeordnet wird. Dieser zusätzliche Lichtleiter ist im Gehäuse der Einrichtung getrennt vom Lichtleiter 18 herauszuführen und ermöglicht es, das Licht einer Strahlquelle hoher Leistung der Messstelle zuzuführen.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform eines Messtubus dargestellt mit einer kegelförmigen Messspitze. Diese Form des Messtubus ist für räumlich beengte Messstellen geeignet.

Fig. 5 zeigt schematisch eine weitere Ausführungsform des Messtubus, bei dem durch einen Umlenkspiegel 19 das Licht seitlich austritt, was z.B. für Messungen in einer Bohrung oder Nut eines Werkstücks vorteilhaft ist.

Fig. 6 zeigt das Blockschaltbild des Messsystems. Zur Messwertverarbeitung ist ein Rechner verwendet. An dieses elektronische Grundgerät lassen sich mehrere Streulichtsensoren anschliessen. Der Messvorgang ist am Blockschaltbild verdeutlicht. Eine lichtemittierende Diode wird von einer Stromquelle gespeist und beleuchtet die zu messende Oberfläche des Messobjekts. Die Fotodioden eines Lineararrays wandeln den reflektierten Lichtfluss in elektrische Signale um, die rechnergesteuert über Multiplexer der Elektronik (mit Interface bezeichnet) zugeführt werden. Dort werden die Signale gefiltert, verstärkt und stehen nach Analog-Digital-5 Wandlung als Digitalwerte dem Rechner zur Weiterverarbeitung zur Verfügung. Das Ergebnis der Messungen wird protokolliert oder graphisch auf einem Bildschirm oder Plotter dargestellt.

In der Figur 7 sind Kennlinien angegeben, die sich aus Ver-jo gleichsmessungen des erfindungsgemässen Verfahrens mit Tastschnittmessungen an flachgeschliffenen und polierten Oberflächenproben ergeben haben. Der Streukennwert S2 ist dimensionslos und mit einem Skalenfaktor multipliziert über dem Mittenrauh wert Ra, der mit einem Tastschnittgerät 15 gemessen wurde, aufgetragen.

Die beschriebene Einrichtung ist zur Bestimmung der Oberflächengüte an ebenen, konkaven oder konvexen metallischen Oberflächen vorgesehen. Darüber hinaus ist es möglich, mit dieser Messeinrichtung die Oberflächengüte 20 auch an Teilen aus anderen Werkstoffen zu bestimmen, z.B. Halbleitermaterialien, Kunststoffen und Porzellan.

Ein dem erfindungsgemässen analoges Messverfahren kann auch zum Bestimmen der Oberflächengüte bzw. des Streuverhaltens von Werkstücken aus transparentem Werk-2s stoff, z.B. Glas, verwendet werden. Dabei wird das zu untersuchende Werkstück von der dem Messkopf gegenüberliegenden Werkstückfläche aus beleuchetet und das durchgehende Licht von den unregelmässigen Strukturen aufgeweitet und zerstreut. Die Messung der Streulichtverteilung erfolgt 30 dann etwa wie vorstehend für das reflektierte Streulicht beschrieben.

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4 Blatt Zeichnungen

Claims

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PATENTANSPRÜCHE

1. Optoelektronisches Messverfahren zum Bestimmen der Oberflächengüte streuend reflektierender oder transparenter Oberflächen, insbesondere von metallischen Werkstücken, bei dem die zu untersuchende Oberfläche durch ein etwa paralleles Strahlenbündel einer Strahlenquelle beleuchtet und die Intensitätsverteilung der reflektierten bzw. der durchgehenden Strahlung mittels lichtelektrischer Detektoren gemessen und elektronisch ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, dass das Strahlenbündel etwa senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet wird und die von dem beleuchteten Oberflächenausschnitt ausgehende, räumlich verteilt reflektierte Strahlung durch die lichtelektrischen Detektoren unter einem Raumwinkel erfasst wird, der der zu erwartenden Aufweitung des Strahlenbündels infolge Streuung angepasst wird und dass als Mass für die Oberflächengüte integrale Kennwerte aus der Gesamtheit der durch die Detektoren ermittelten Messwerte gebildet werden.
2. Optoelektronisches Messverfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass aus den Messwerten der lichtelektrischen Detektoren die integralen Kennwerte Si oder S2 als Mass für die Oberflächengüte nach den folgenden Gleichungen gebildet werden:

(a) Sx= Y. IWi-w|x-pi i=l mit x = 1 oder 2

(b)

n w = Y. wi* i = l

(c) pi =

Di-gj n

I Di.gi i=l wobei in diesen Gleichungen wì den von dem jeweiligen Detektor i erfassten Winkel der Streustrahlung n die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren w den Mittelwert aus den Werten pi und Wi pi nach der Gleichung (c) normiertes Messsignal Di gi Korrekturfaktor für das Messsignal Di bedeuten.
3. Optoelektronisches Messverfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Korrekturfaktoren gi die Toleranzen der optischen und elektronischen Bauelemente ausgeglichen werden und/oder eine Gewichtung der Messsignale der einzelnen Detektoren erfolgt.
4. Optoelektronisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass durch Änderung der Wellenlänge der Messstrahlung der Streuwinkel der reflektierten Strahlung verändert wird.
5. Optoelektronisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beurteilung von Oberflächenstrukturen das einfallende Strahlenbündel polarisiert wird.
6. Optoelektronisches Messverfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Bestimmung des Polarisationszustandes der reflektierten Streustrahlung z.B. durch einen Analysator durchgeführt wird.
7. Optoelektronisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass durch Drehung der Messebene die Richtungsabhängigkeit des Reflexionsverhaltens von Oberflächen mit gerichteter (anisotroper) Rauhstruktur festgestellt wird.
8. Optoelektronisches Messverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass ein Teil der s einfallenden Strahlung einem Referenz-Fotodetektor zugeführt wird und durch dessen Ausgangssignal über eine analoge oder digitale Schaltung Strahlstärkeschwankungen ausgeglichen werden.
9. Einrichtung zur Durchführung des Messverfahrens

10 nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch einen auswechselbaren, auf die zu untersuchende Oberfläche (12) aufsetzbaren oder in geringem Abstand (13) von dieser festlegbaren Messtubus (7) mit einer Blende (5), durch dessen Länge und/oder optische Eigenschaften der von den Detek-

15 toren (8) erfassbare Raumwinkel der Streustrahlung bestimmt wird.
10. Messeinrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtubus (7) ein Linsensystem (3) enthält.
11. Messeinrichtung nach Anspruch 9 oder 10, gekenn-

20 zeichnet durch eine Zylinderlinse (17), welche die Streustrahlung zu einem Lichtband sammelt, in dem sich die zellenförmig, z.B. als Linear-Fotoarray, angeordneten lichtelektrischen Detektoren (8) befinden.
12. Messeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekenn-

2s zeichnet, dass das Linsensystem (3) von gekreuzten Zylinderlinsen gebildet ist, von denen die eine die Streustrahlung in dem jeweils erforderlichen Raumwinkel erfasst und die andere die Streustrahlung zu einem Lichtband sammelt, in dem sich die Detektorzeile (8) befindet.

30 13. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Messtubus (7) im Bereich der Blende (5) durch eine planparallele Glasplatte (4) dicht abgeschlossen ist.
14. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13,

35 dadurch gekennzeichnet, dass sich in dem einfallenden Strahlenbündel (9) ein Strahlenteiler (2) befindet, durch den ein geringer Teil des einfallenden Strahlenbündels auf einen Referenzdetektor (11) und ein möglichst grosser Teil der reflektierten Strahlung auf eine Messdetektorenzeile (8)

40 gelenkt wird.
15. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen des Linsensystems (3) in ihrer Mitte abgeflacht sind, so dass das einfallende Strahlenbündel durch das System unverändert hindurchgeht,

45 die streuend reflektierte Strahlung aber durch die Linsen gebrochen wird.
16. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (1) sehr klein, vorzugsweise als Halbleiterstrahlenquelle, ausgebildet

50 und im Messtubus (7) zwischen dem Linsensystem (3) und der Blende (5) angeordnet ist.
17. Messeinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlenquelle (1) in das Linsensystem (3) integriert ist.

55 18. Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Führung des einfallenden Strahlenbündels und/oder der reflektierten Strahlung vorzugsweise zwischen dem Messtubus (7) und der Detektorzeile (8) ein Lichtleiter vorgesehen ist.

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