DE19733775A1 - Verfahren zur Messung von Eigenschaften einer Materialoberfläche - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung von Eigenschaften einer Materialoberfläche nach dem Gattungsbegriff der unabhängigen Ansprüche sowie auf Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren.

In diesem Zusammenhang ist es beispielsweise aus der US-A-3 922 093 bekannt, die Rauhigkeit einer Materialoberfläche zu messen, indem diese unter einem spitzen Winkel mit parallelem Licht beleuchtet wird und ein unter dem gleichen Winkel im reflektierten Licht angeordneter lichtempfindlicher Detektor, z. B. in Form einer TV-Kamera, das Intensitätsmaximum des reflektierten Lichts und zwei Orte ermittelt, an denen die Intensität auf einen bestimmten Bruchteil des Intensitätsmaximums abgefallen ist. Der Abstand zwischen diesen zwei Punkten ist sodann ein Maß für die Rauhigkeit der Materialoberfläche.

Ausgehend von diesem Stand der Technik, bei dem im wesentlichen die optischen Streueigenschaften der Materialoberfläche der Messung zugrunde gelegt werden, ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Verfahren anzugeben, bei denen beispielsweise auch die Rauhtiefe der Materialoberfläche ermittelt wird.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen der unabhängigen Ansprüche. Vorrichtungen zur Durchführung der erfindungsgemäßen Verfahren können den abhängigen Ansprüchen entnommen werden.

Anhand der Figuren der beiliegenden Zeichnungen seien im folgenden die erfindungsgemäßen Verfahren sowie Ausführungsbeispiele von Vorrichtungen zur Durchführung dieser Verfahren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Materialoberfläche und ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Rauhigkeitsmessung;

Fig. 2a, b der Fig. 1 entsprechende Darstellungen zur Erläuterung des Einflusses der Rauhtiefe;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Materialoberfläche und ein Diagramm zur Erläuterung des Prinzips der Glättemessung;

Fig. 4a, b, c das Prinzip der Messung von Oberflächenfehlern;

Fig. 5 eine Vorrichtung zur Messung der Rauhigkeit;

Fig. 6 eine Vorrichtung zur Messung der Glätte;

Fig. 7 eine Vorrichtung zur Messung der Oberflächen-Formfehler;

Fig. 8 eine Vorrichtung zur wahlweisen Messung der Rauhigkeit oder der Glätte;

Fig. 9 eine weitere Vorrichtung zur Messung der Rauhigkeit; und

Fig. 10 eine weitere Vorrichtung zur Messung der Glätte.

Gemäß Fig. 1 ist eine rauhe Materialoberfläche eines Meßgutes 10 im Querschnitt dargestellt. Die Rauhigkeit der Materialoberfläche stellt eine mikroskopische Landschaft dar, die sich in Berge und Täler unterteilen läßt. Wird diese Topographie schräg angestrahlt, wie dies durch die Lichtstrahlen u, v und w dargestellt ist, so werden die Erhebungen beleuchtet und die dahinterliegenden Vertiefungen abgeschattet. Weiterhin tritt eine erhöhte Reflexion an den direkt im Schräglicht liegenden Hängen auf. Das Meßgut 10 wird hierbei unter einem Winkel α mit parallelem Licht beleuchtet. Ein Beobachter 12, der die Leuchtdichte I(x) beurteilt, blickt senkrecht auf die Oberfläche des Meßgutes 10. Er beobachtet hierbei eine Verteilung der Leuchtdichte, die sich in zwei Bereiche aufteilen läßt. Der Bereich a besitzt eine erhöhte Leuchtdichte, weil durch den Licht zugeneigten Hang eine günstige Winkellage entsteht, die Licht zu dem Beobachter 12 reflektiert, was durch den Teilstrahl z angedeutet ist. Der mittlere Teilstrahl trifft auf eine weniger günstig gelegene Winkellage der Oberfläche, so daß der Beobachter 12 in Form des reflektierten Teilstrahles y einen Rückgang der reflektierten Lichtmenge beobachtet. Noch ungünstiger werden die Verhältnisse bezüglich des Teilstrahles u, der als Grenzstrahl in Richtung des Strahles x reflektiert wird. Im abgeschatteten Bereich b erfolgt ein starker Abfall der Leuchtdichte, da die Kante den dahinterliegenden Teil der Vertiefung abschattet.

Das unter dem Meßgut 10 aufgetragene Diagramm zeigt die Verteilung der Leuchtdichte I(x) über der Ausdehnung des Meßgutes x mit entsprechend großen Amplituden im Bereich und entsprechend kleinen Amplituden im Bereich b.

Der Einfluß unterschiedlicher Rauhtiefen auf die Leuchtdichteverteilung kann den Fig. 2a und 2b entnommen werden. Liegt eine relativ kleine Rauhtiefe wie in Fig. 2a vor, so werden zum einen die Amplituden der Leuchtdichte I(x) gering sein und weiterhin wird die Verteilung der Hell/Dunkelbereiche a, b zu Ungunsten des Bereiches b verschoben. Dieses Verhältnis ändert sich, wenn, wie in Fig. 2b gezeigt, die Rauhtiefe größer wird. Ebenfalls werden dann die Steilheiten der der Lichtquelle zugewandten Hänge größer, wodurch auch die zu dem Beobachter hin reflektierte Lichtmenge größer wird. Bei der meßtechnischen Verarbeitung der Leuchtdichteverteilung gemäß der Erfindung gehen sowohl die Amplitude der Leuchtdichte als auch das Verhältnis der Hell/Dunkelbereiche a, b ein.

Wird die rauhe Oberfläche des Meßgutes 10 bearbeitet, wie z. B. durch Schleifen oder Polieren bei Metallen oder Kalandrieren bei Papier, so werden die Bergspitzen abgetragen und an ihre Stelle treten Planflächen. Da diese Planflächen parallel zur Gesamtoberfläche liegen, wird lotrecht einfallendes Licht an diesen Planflächen zurückgeworfen, während es an den verbleibenden Vertiefungen gestreut wird. Die Planflächen besitzen die Funktion von Mikrospiegeln und je mehr die Gesamtfläche von diesen Mikrospiegeln bedeckt ist, umso glänzender erscheint die Oberfläche. In Fig. 3 sind wiederum drei einfallende Lichtstrahlen u, v und w dargestellt, die je nach Oberflächenbeschaffenheit unterschiedlich als Lichtstrahlen x, y und z reflektiert werden.

Unter dem Meßgut 10 ist wiederum die Leuchtdichte I(x) über der Längserstreckung x des Meßgutes aufgetragen, wobei erkennbar ist, daß die Leuchtdichte über den Mikrospiegelzonen a deutlich höhere Werte mit einem plateauförmigen Verlauf gegenüber den Talzonen b mit verminderter Intensität und einer gewissen Rauschüberlagerung aufweisen. Gibt man einen geeigneten Schwellwert I(s) für die Leuchtdichte vor, so können bei der Verarbeitung der Bildsignale die streuenden und reflektierenden Flächen voneinander getrennt werden. Für den von oben auf die Materialoberfläche blickenden Beobachter 12 ergibt sich das Maß der Glätte aus dem Verhältnis der gut reflektierenden Flächen zur Gesamtfläche.

Neben den vorgehend beschriebenen Eigenschaften der Materialoberfläche eines Meßgutes gibt es Fehler, die von den Ausmaßen her eine Größenordnung darüber liegen, wie z. B. konvexe oder konkave Beulen. Solche Fehler treten z. B. bei Metallbahnen auf wobei jedoch ansonsten die eigentliche Glätte erhalten bleibt. In Fig. 4a ist schematisch ein solcher Formfehler an einem Meßgut 10 durch eine Wölbung dargestellt. Von oben auf das Meßgut 10 lotrecht gerichtete Lichtstrahlen u, v und w werden außerhalb des Formfehlers lotrecht als Strahlen x und z zurückreflektiert, während der Formfehler eine Ablenkung des reflektierten Lichtes y um einen bestimmten Winkel hervorruft. Diese Ablenkung kann durch eine entsprechende Meßanordnung detektiert werden. Vorteilhaft ist in diesem Zusammenhang, das auftreffende Lichtbündel beispielsweise durch eine Lochmaske gemäß Fig. 4b zu strukturieren und (eine Abweichung des Lochmusters im reflektierten Licht festzustellen (Fig. 4c), was durch den Beobachter leicht beobachtbar ist bzw. durch eine Meßanordnung im Wege eines Vergleichs festgestellt werden kann.

Gemäß Fig. 5 ist eine Anordnung zur Messung der Rauhigkeit dargestellt. Hierbei beleuchtet eine Lichtquelle 14 unter einem Winkel α die zu messende Materialoberfläche des Meßgutes 10. Der Winkel α ist hierbei an die Meßaufgabe anzupassen. Die Beleuchtung kann je nach Anwendungsfall durch Glühlampen, Leuchtstofflampen oder lichtemittierende Dioden vorgegeben werden. Ebenfalls ist Laserlicht zur Beleuchtung einsetzbar. Zur Verbesserung der Beleuchtungsqualität formt eine Optik 16 das aus der Quelle 14 austretende Licht zu einem parallelen Strahl. Auf dem Meßgut 10 werden nun, wie im Prinzip bereits vorher beschrieben, die Reflexions- und Schatteneffekte wirksam. Anstelle eines Beobachters ist nunmehr eine Kamera 18 angeordnet, auf deren Oberfläche über eine Linse 20 bzw. ein Objektiv die Oberfläche des Meßgutes scharf abgebildet wird. Die Kamera 18 muß nicht notwendigerweise mit einer zweidimensionalen Bildaufnahmefläche versehen sein; es genügt auch eine eindimensionale Bildaufnahmefläche (Zeilenkamera). Je nach der Größenordnung der zu messenden Rauhigkeit wird eine vergrößernde oder verkleinernde Abbildung der Materialoberfläche auf die lichtempfindliche Schicht der Kamera gewählt. Die Abstände zwischen Meßgut 10, Optik 20 und Kamera 18 errechnen sich nach Art der gewählten Abbildung.

Die Kamera 18 formt aus der Intensitätsverteilung der empfangenen optischen Signale auf ihrer lichtempfindlichen Schicht ein elektrisches Signal. Dieses Signal wird weitergeleitet einer Bildeinzugseinheit 22 (Framegrabber), die das aufgenommene Bild taktweise digitalisiert und positionsrichtig gemäß einer Matrix in einem elektronischen Speicher abspeichert, auf den eine nachgeschaltete Datenverarbeitungseinheit 24 Zugriff besitzt.

Die Datenverarbeitungseinheit 24 übernimmt neben der Bildqualitätsverbesserung die eigentliche Meßaufgabe, d. h. die statistische Erfassung des Verlaufs der Leuchtdichte nach Amplitude und nach Hell/Dunkelbereichen, um einen entsprechenden Meßwert auszugeben.

Gemäß Fig. 6 ist eine Vorrichtung zur Messung der Glätte dargestellt, die weitgehendst die gleichen Elemente wie die Rauhigkeitsmeßvorrichtung nach Fig. 5 aufweist und die insoweit mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Der einzige Unterschied besteht darin, daß das von der Lichtquelle 14 ausgesandte Licht über die Optik 16 parallel zum Meßgut 10 auf einen Strahlteiler 26 gerichtet wird, der einmal das auf ihn auftreffende parallele Licht lotrecht nach unten richtet und zum anderen dem reflektierten Licht den Durchtritt nach oben über die Linse 20 zu der Kamera 18 gestattet. Auch hier besteht wiederum der Sensor aus der Kamera 18, der Bildeinzugseinheit 22 und der Datenverarbeitungseinheit 24. Lediglich die Algorithmen zur Signalverarbeitung sind nunmehr anders gewählt, um die spiegelnden Flächen des Meßgutes ins Verhältnis zur Gesamtfläche zu setzen, wie dies anhand der Fig. 3 bereits beschrieben wurde.

Die in Fig. 7 dargestellte Vorrichtung zur Messung von Oberflächen-Formfehlern unterscheidet sich von der Vorrichtung gemäß Fig. 6 im wesentlichen durch die Anordnung eines transparenten Prüfmusters 28 zwischen Lichtquelle 14 und Optik 16. Das Prüfmuster 28 kann z. B. aus der in Fig. 4b dargestellten Lochblende bestehen. Zur Verbesserung der Projektion des Prüfmusters kann vorteilhaft entweder ein Diffusor oder ein Kondensor zwischen Lichtquelle und Prüfmuster geschaltet werden.

Eine Mattscheibe 44 ist derart positioniert, daß ein Abbild des Prüfmusters entsteht. Dieses relativ großflächige Bild wird nun durch eine Optik 20 auf der Bildaufnahmefläche der Kamera 18 abgebildet.

Die Datenverarbeitungseinheit 24 kann nunmehr ein abgespeichertes Bild des Prüfmusters 28 mit dem von dem Meßgut 10 reflektierten Bild des Prüfmusters vergleichen und bei Abweichung auf entsprechende Formfehler schließen.

Gemäß Fig. 8 ist eine Vorrichtung dargestellt, die sowohl für die Rauhigkeitsmessung, als auch für die Glättemessung verwendet werden kann. Zu diesem Zweck sind die Lichtquelle 14 und die Optik 16 in einem schwenkbar gelagerten Gehäuse 32 angeordnet, das durch einen Antrieb 30 entweder unter einem spitzen Winkel auf das Meßgut 10 oder parallel zu diesem ausgerichtet werden kann.

Da in manchen Fällen der Einsatz von Kamerasystemen mit entsprechender Bildeinzugseinheit einen zu hohen Aufwand darstellt, kann bei einem bewegten Meßgut, welches den Regelfall darstellt, auch eine Meßwertaufnahme mittels eines einzigen lichtempfindlichen Elementes erfolgen. Da die zu messende Struktur der Materialoberfläche unter der Meßanordnung hinwegbewegt wird, wandern auch die Intensitätsverteilungen mit. Bei entsprechender Abbildung und Abdeckung entsteht ein serielles Leuchtdichtesignal, das bei geeigneter Verarbeitung eine Beurteilung und quantitative Aussage über die jeweilige Oberflächeneigenschaft erlaubt.

Gemäß Fig. 9 ist eine Meßanordnung für die Rauhigkeit der Materialoberfläche des Meßgutes 10 dargestellt, wobei analog zu Fig. 5 das Meßgut von einer Lichtquelle 14 und über eine Optik 16 mit parallelem Licht beleuchtet wird und das von der Oberfläche reflektierte Licht über eine Optik 20 auf die Meßanordnung geworfen wird.

Die Meßanordnung besteht aus einem hinter einer Feldblende 34 angeordneten lichtempfindlichen elektronischen Element 36, wie beispielsweise einer Solarzelle. Fotowiderstand usw., das das einfallende Licht in ein elektrisches Signal umwandelt. Dieses serielle Signal, das dem Intensitätsverlauf der von dem Meßgut 10 reflektierten Leuchtdichte analog ist, wird sodann in einem digitalen Signalprozessor (DSP) 38 verarbeitet. Der digitale Signalprozessor 38 führt eine Analog/Digitalwandlung der zugeführten Signale aus und er verarbeitet diese Signale gemäß einem vorliegenden Programm. Auch hier wird wiederum die Rauhigkeit aus der Intensität der Leuchtdichte und dem Verhältnis der Hell/Dunkelbereiche berechnet, was durch eine Anzeigeeinheit 40 angezeigt werden kann bzw. an eine übergeordnete Datenverarbeitungseinheit 42 weitergegeben wird.

Die Vorrichtung zur Messung der Glätte gemäß Fig. 10 verwendet wiederum die Art der Beleuchtung gemäß Fig. 6 und entspricht im übrigen im Signalverarbeitungsteil, d. h. bezüglich des Sensors der Anordnung gemäß Fig. 9, wobei zur Ermittlung der Glätte lediglich andere Algorithmen zur Anwendung gelangen.

Schließlich ist noch zu erwähnen, daß die vorstehend beschriebenen Meßanordnungen üblicherweise quer zu einer bewegten Bahn bewegt werden, so daß die gesamte Breite des Meßgutes bei der Messung erfaßt wird.

Die beschriebenen Verfahren sind durch entsprechende Auslegung der Algorithmen in einem gewissen Maße tolerant gegen Fremdlichteinflüsse. Ist das Fremdlicht jedoch zu stark (wie z. B. direkte Sonneneinstrahlung), so muß hier Abhilfe durch geeignet angebrachte Abdeckungen geschaffen werden.

Claims (12)

1. Verfahren zur Messung der Rauhigkeit einer Materialoberfläche mit lichtreflektierender Eigenschaft, beispielsweise aus Papier, Kunststoff oder Metall, wobei die Materialoberfläche durch schräg einfallendes paralleles Licht beleuchtet wird und ein Sensor das reflektierte Licht erfaßt, dadurch gekennzeich­ net, daß der Sensor die beleuchtete Materialoberfläche unter einem lotrechten Winkel erfaßt und daß die Verteilung der Leuchtdichte I(x)-Amplituden sowie ein Verhältnis zwischen Hell- und Dunkelbereichen der Messung zugrunde gelegt wird.

2. Verfahren zur Messung der Glätte einer Materialoberfläche mit lichtreflektierender Eigenschaft, beispielsweise aus Papier, Kunststoff oder Metall, wobei die Materialoberfläche durch senkrecht einfallendes paralleles Licht beleuchtet wird und ein Sensor das reflektierte Licht erfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis von Zonen, in denen die Leuchtdichte I(x)-Amplituden über einem Schwellwert S liegen zu den Zonen ins Verhältnis gesetzt wird, in denen die Leuchtdichte I(x)-Amplituden unter dem genannten Schwellwert S liegen.

3. Verfahren zur Messung von Oberflächen-Formfehlern einer Materialoberfläche, beispielsweise aus Metall, wobei die Materialoberfläche durch senkrecht einfallendes paralleles Licht beleuchtet wird und ein Sensor das reflektierte Licht erfaßt, gekennzeichnet durch die Abbildung einer Struktur auf der Materialoberfläche und durch einen Vergleich der bekannten Struktur mit der reflektierten Struktur in dem Sensor.

4. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einer Kamera (18), einer Bildeinzugseinheit (22) und einer Datenverarbeitungseinheit (24) besteht.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kamera mit zweidimensionaler Bildaufnahmefläche.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, gekennzeichnet durch eine Kamera mit eindimensionaler Bildaufnahmefläche (Zeilenkamera).

7. Vorrichtung zur Durchführung der Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 3, wobei die Materialoberfläche bewegt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor aus einem Einelement-Sensor (36) besteht, dessen Meßsignale sequentiell einem digitalen Signalprozessor (DSP) (38) zugeführt werden, um durch eine Anzeigeeinheit (40) angezeigt und/oder durch eine Datenverarbeitungseinheit (42) weiterverarbeitet zu werden.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Feldblende (34) vor dem Einelement-Sensor (36).

9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch eine Lichtquelle (14), deren Licht unter einem spitzen Winkel (α) mittels einer Optik (16) parallel auf die Materialoberfläche (10) gerichtet wird und durch ein Objektiv (20) zur Abbildung der beleuchteten Materialoberfläche auf einer Kamera (18).

10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, gekenn­ zeichnet durch eine Lichtquelle (14), deren Licht parallel zur Materialoberfläche mittels einer Optik (16) auf einen unter 45° angeordneten Strahlteiler (26) und von dort auf die Materialoberfläche gerichtet wird und durch ein Objektiv (20) oberhalb des Strahlteilers (26) zur Abbildung der beleuchteten Materialoberfläche auf einer Kamera (18).

11. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 3, gekenn­ zeichnet durch eine Lichtquelle (14), deren Licht parallel zur Materialoberfläche mittels einer Optik (16) unter Zwischenfügung eines Prüfmusters (28) auf einen unter 45° angeordneten Strahlteiler (26) und von dort auf die Materialoberfläche gerichtet wird und durch eine Mattscheibe und ein Objektiv (20) oberhalb des Strahlteilers (26) zur Abbildung der beleuchteten Materialoberfläche auf einer Kamera (18).

12. Vorrichtung nach den Ansprüchen 9 und 10, gekennzeichnet durch eine Antriebsvorrichtung (30) zur winkelmäßigen Ausrichtung der Anordnung, bestehend aus der Lichtquelle (14) und der Optik (16).