CH663473A5

CH663473A5 - METHOD FOR OPTICALLY DETERMINING THE SURFACE TEXTURE OF SOLIDS.

Info

Publication number: CH663473A5
Application number: CH224083A
Authority: CH
Inventors: Peter Rieder; Charly Dr Buxbaum; Robert Schuermann
Original assignee: Volpi Ag
Priority date: 1983-04-26
Filing date: 1983-04-26
Publication date: 1987-12-15
Also published as: DE3412108A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Bestimmen der Oberflächenbeschaffenheit von Festkörpern, wobei ein Beleuchtungslichtbündel senkrecht auf diese Oberfläche gerichtet wird und eine Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens. The present invention relates to a method for optically determining the surface properties of solid bodies, an illuminating light beam being directed perpendicularly onto this surface and a device for carrying out this method.

Die Oberflächenbeschaffenheit von Festkörpern wird von mehreren Eigenschaften bestimmt, deren relative Bedeutung von der vorgesehenen Verwendung des Festkörpers abhängig ist. Eine für die meisten Verwendungen wichtige Eigenschaft ist die Rauheit der Oberfläche, die durch mechanisches Abtasten längs einer Oberflächenlinie direkt gemessen werden kann. Nachteilig an diesem Messverfahren ist, dass es nur zum Messen der makroskopischen Rauheit, deren Profil mit einer Nadel abtastbar ist, verwendet werden kann, dass nur das Rauheitsprofil längs der Verschiebelinie der Abtastnadel auf einer festen Oberfläche erfasst wird und dass die Rauheit einer losen Oberfläche, beispielsweise von einer Pulverschicht, nicht bestimmt werden kann. The surface quality of solid bodies is determined by several properties, the relative importance of which depends on the intended use of the solid body. A property that is important for most uses is the roughness of the surface, which can be measured directly by mechanical scanning along a surface line. The disadvantage of this measuring method is that it can only be used to measure the macroscopic roughness, the profile of which can be scanned with a needle, that only the roughness profile along the displacement line of the scanning needle is recorded on a solid surface and that the roughness of a loose surface, for example from a powder layer, cannot be determined.

Es sind darum auch schon indirekte Messverfahren entwickelt worden, bei denen die durch die Oberflächenrauheit bedingte optische Reflexion und/oder Streuung eines Oberflächenteils ausgewertet wird. Bei einer ersten Gruppe dieser Verfahren wird die Oberfläche mit schräg einfallendem Licht beleuchtet und die Intensität des im Spiegelwinkel reflektierten Lichts gemessen (ZS. Fertigungstechnik 4/71 S. 127). Dabei ist die Intensität des reflektierten Lichts nicht nur von der durch die integralen Oberflächenunebenheiten bedingten Oberflächenrauheit abhängig, sondern auch von der Struktur dieser Rauheit, die beispielsweise als Folge der vorgängigen Bearbeitung eine Vorzugsrichtung aufweisen kann. Die Folge davon ist, dass bei diesen Verfahren die gemessene Intensität auch stark vom Winkel zwischen der Ebene, in der das beleuchtende und das reflektierte Licht liegen und der Vorzugsrichtung der Rauheitsstruktur abhängig ist. Bei einer zweiten Gruppe solcher Verfahren wird die Oberfläche mit senkrecht einfallendem Licht beleuchtet und die Intensität des Streulichts längs eines durch die Mitte des Beleuchtungslichtbündels verlaufenden Kreisbogens gemessen (ZS. Feinwerktechnik und Messtechnik 91,1983/2, S. 63). Die Auswertung der Streuung eines senkrecht einfallenden Lichtbündels ermöglicht bessere Rauheitsbestimmungen als das Messen der Reflexion im Spiegelwinkel der schräg einfallenden Beleuchtung, hat aber den Nachteil, dass zum Trennen des Beleuchtungs- und des Streulichts ein halbdurchlässiger Spiegel erforderlich ist, der das auszuwertende Streulicht schwächt und einen Teil des Beleuchtungslichts dem Streulicht überlagert, und dass für die Auswertung eine Mehrzahl Lichtempfänger benötigt For this reason, indirect measuring methods have also been developed in which the optical reflection and / or scattering of a surface part caused by the surface roughness is evaluated. In a first group of these methods, the surface is illuminated with obliquely incident light and the intensity of the light reflected in the mirror angle is measured (ZS. Manufacturing Technology 4/71 p. 127). The intensity of the reflected light depends not only on the surface roughness caused by the integral surface unevenness, but also on the structure of this roughness, which may have a preferred direction, for example as a result of the previous processing. The consequence of this is that with these methods the measured intensity is also strongly dependent on the angle between the plane in which the illuminating and the reflected light lie and the preferred direction of the roughness structure. In a second group of such processes, the surface is illuminated with perpendicularly incident light and the intensity of the scattered light is measured along an arc running through the center of the illuminating light bundle (ZS. Feinwerktechnik und Messtechnik 91, 1983/2, p. 63). The evaluation of the scatter of a vertically incident light bundle enables better roughness determinations than measuring the reflection in the mirror angle of the obliquely incident lighting, but has the disadvantage that a semi-transparent mirror is required to separate the illuminating and the scattered light, which weakens the scattered light to be evaluated and unifies Part of the illuminating light is superimposed on the scattered light and that a plurality of light receivers is required for the evaluation

2 2nd

5 5

10 10th

IS IS

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

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fiO fiO

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3 3rd

663473 663473

werden, die längs des beschriebenen Kreisbogens angeordnet sind. Bei den bisher bekannten Vorrichtungen wird die Mehrzahl der Lichtempfänger sequenziell abgetastet, was die Messgeschwindigkeit beeinträchtig. be arranged along the circular arc described. In the previously known devices, the majority of the light receivers are scanned sequentially, which impairs the measuring speed.

Der vorliegenden Erfindung liegt darum die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum berührungslosen Bestimmen der Oberflächenbeschaffenheit von Festkörpern anzugeben, dessen Ergebnisse mit der mechanisch gemessenen tatsächlichen Rauhtiefe gut korrelieren, und besonders bei mikrostrukturierten festen und losen Oberflächen nur eine geringe Abhängigkeit von der Richtung der Struktur aufweisen und darum gut reproduzierbar sind, dessen Beleuchtungs- und Streulicht nicht durch optische Mittel voneinander getrennt werden müssen und das mit einer Mindestanzahl an Lichtempfängern ausgeführt werden kann. Für viele Werkstücke wird die geforderte Oberflächenbeschaffenheit nicht nur hauptsächlich durch die Rauheit, sondern ebenso durch die thermische Abstrahlung bestimmt. Das gilt beispielsweise für Teile in Verbrennungskraftmaschinen, aber auch für Bauelemente der Mikroelektronik. Der Erfindung lag darum die weitere Aufgabe zugrunde, das Verfahren zum Bestimmen der Oberflächenrauheit durch ein weiteres Verfahren zum gleichzeitigen Bestimmen der thermischen Abstrahlung zu ergänzen. The present invention is therefore based on the object of specifying a method for the contactless determination of the surface properties of solid bodies, the results of which correlate well with the mechanically measured actual surface roughness and, particularly with microstructured solid and loose surfaces, have only a slight dependence on the direction of the structure and are therefore reproducible, the lighting and stray light need not be separated from each other by optical means and which can be carried out with a minimum number of light receivers. For many workpieces, the required surface quality is determined not only primarily by the roughness, but also by the thermal radiation. This applies, for example, to parts in internal combustion engines, but also to components in microelectronics. The invention was therefore based on the further object of supplementing the method for determining the surface roughness with a further method for simultaneously determining the thermal radiation.

Bei der Lösung dieser Aufgabe war davon ausgegangen worden, dass bei der überwiegenden Mehrzahl mikrostrukturierten Oberflächen die Intensität des von einem senkrecht einfallenden Lichtbündel erzeugten Streulichts als Funktion des in einer senkrecht auf der Oberfläche stehenden und die Mittelachse des Beleuchtungslichts schneidende Ebene liegenden Beobachtungswinkels praktisch eine Gausssche Verteilung aufweist, bzw. als Glockenkurve darstellbar ist, deren ansteigender und abfallender Ast etwa spiegelsymmetrisch zur genannten Mittelachse verlaufen. Weiter war gefunden worden, dass die durch die Rauheit bestimmte Form dieser Glockenkurve aus der Steilheit eines relativ kleinen Teils der Kurve bzw. eines Kurvenasts extrapoliert werden kann. When solving this task, it was assumed that, for the vast majority of microstructured surfaces, the intensity of the scattered light generated by a vertically incident light bundle as a function of the observation angle lying at a plane perpendicular to the surface and intersecting the central axis of the illuminating light practically a Gaussian distribution has, or can be represented as a bell curve, the rising and falling branch run approximately mirror-symmetrical to the central axis mentioned. It was also found that the shape of this bell curve, determined by the roughness, can be extrapolated from the steepness of a relatively small part of the curve or of a curve branch.

Bei der Lösung der weiteren Aufgabe war davon ausgegangen worden, dass gemäss dem bekannten Kirchoffschen Gesetz die thermische Abstrahlung einer Oberfläche zahlen-mässig gleich dem Absorptionsvermögen ist, und dass für solche Oberflächen, die für die auftreffende Strahlung undurchlässig sind, die Abstrahlung gleich dem Einheitswert minus der Reflexion ist. When solving the further task, it was assumed that, in accordance with the well-known Kirchoff law, the thermal radiation of a surface is numerically equal to the absorption capacity, and that for those surfaces that are impermeable to the incident radiation, the radiation is equal to the unit value minus the reflection is.

Das erfindungsgemässe Verfahren ist darum dadurch gekennzeichnet, dass zum Bestimmen der Rauheit die Intensität des gestreuten Lichts in mindestens zwei unterschiedlichen Polarwinkeln gemessen wird, die in einer senkrecht auf der Oberfläche stehenden und das Beleuchtungslichtbündel schneidenden Ebene liegen und zum Bestimmen der thermischen Strahlungseigenschaften der Oberfläche die Intensität des in der Richtung des Beleuchtungslichtbündels reflektierten Lichts gemessen wird. The method according to the invention is therefore characterized in that, in order to determine the roughness, the intensity of the scattered light is measured in at least two different polar angles which lie in a plane perpendicular to the surface and intersecting the illuminating light beam, and in order to determine the thermal radiation properties of the surface, the intensity of the light reflected in the direction of the illuminating light beam is measured.

Dieses Verfahren ermöglicht die gut reproduzierbare, von der Richtung einer Mikrostruktur weitgehend unabhängige und mit der mechanisch gemessenen Rauhtiefe gut korrelierbare Bestimmung der Rauheit. Weiter sind bei dem Verfahren das Beleuchtungslichtbündel und die mindestens zwei Streulichtbündel räumlich voneinander getrennt, und für die Bestimmung der Form der Streulichtkurve werden nur mindestens zwei ortsfeste Lichtempfänger benötigt. Das Verfahren kann darum mit einer relativ einfachen Vorrichtung und auch von wenig qualifiziertem Personal ausgeführt werden und eignet sich darum besonders für die industrielle Rauheitsmessung und die Messung der Körnung von losen Oberflächen im «on-line»-Betrieb. This method enables the roughness to be determined in a reproducible manner that is largely independent of the direction of a microstructure and correlates well with the mechanically measured roughness. Furthermore, the illuminating light bundle and the at least two scattered light bundles are spatially separated from one another in the method, and only at least two stationary light receivers are required for determining the shape of the scattered light curve. The method can therefore be carried out with a relatively simple device and also by less qualified personnel and is therefore particularly suitable for industrial roughness measurement and the measurement of the grain size of loose surfaces in “on-line” operation.

Da im allgemeinen die thermische Abstrahlung einer Since in general the thermal radiation of a

Oberfläche zunimmt, wenn die Rauheit abnimmt, ermöglicht die gleichzeitige Bestimmung von Rauheit und Abstrahlung, diese beiden Eigenschaften für eine gegebene Verwendung zu optimieren. Eine zum Ausführen der beiden Verfahren geeignete Vorrichtung enthält eine erste Einrichtung zum Beleuchten einer Oberfläche eines auf einer Tragplatte oder einer Transportbahn befindlichen einstückigen Festkörpers oder einer Festkörperschüttung mit einem senkrecht auftreffenden Lichtbündel und ist gekennzeichnet durch eine zweite Einrichtung zum Messen der Intensität des vom beleuchteten Bereich der Oberfläche gestreuten Lichts, welche zweite Einrichtung mindestens zwei Lichtempfänger aufweist, die zum Empfang des vom beleuchteten Bereich der Oberfläche in mindestens zwei vorgegebene Richtungen gestreuten Lichts vorgesehen sind, wobei die optischen Achsen der ersten Einrichtung und der Lichtempfänger der zweiten Einrichtung in der gleichen, senkrecht auf der Oberfläche stehenden Ebene liegen, und durch eine dritte Einrichtung zum zusätzlichen Bestimmen der thermischen Strahlungseigenschaft der Oberfläche, welche dritte Einrichtung mit einem Lichtempfänger zum Empfang des von dem beleuchteten Oberflächenbereich in senkrechter Richtung reflektierten Lichts vorgesehen ist, wobei dieser dritten Einrichtung das gleiche optische System wie der ersten Einrichtung zugeordnet ist. Surface area increases as the roughness decreases, the simultaneous determination of roughness and radiation enables these two properties to be optimized for a given use. A device suitable for carrying out the two methods contains a first device for illuminating a surface of a one-piece solid body or a solid bed located on a support plate or a transport path with a perpendicularly incident light beam and is characterized by a second device for measuring the intensity of the area illuminated by the Surface scattered light, which second device has at least two light receivers, which are provided for receiving the light scattered from the illuminated area of the surface in at least two predetermined directions, the optical axes of the first device and the light receiver of the second device in the same, perpendicular to of the surface standing plane, and by a third device for additionally determining the thermal radiation property of the surface, which third device with a light receiver for receiving the light is provided in the vertical direction of reflected light, this third device being assigned the same optical system as the first device.

Nachfolgend wird das Verfahren anhand einer zu dessen Ausführung geeigneten Vorrichtung und mit Hilfe der Figuren beschrieben. Es zeigen: The method is described below using a device suitable for carrying it out and with the aid of the figures. Show it:

Fig. 1 die Intensität des Streulichts in Abhängigkeit vom Beobachtungswinkel für zwei Oberflächen unterschiedlicher Rauheit, aufgezeichnet in kartesischen Koordinaten, 1 shows the intensity of the scattered light as a function of the observation angle for two surfaces of different roughness, recorded in Cartesian coordinates,

Fig. 2 die schematische Darstellung eines Messkopfs mit den optischen Einrichtungen und Fig. 2 is a schematic representation of a measuring head with the optical devices and

Fig. 3 das Blockschema einer elektronischen Schaltung zum Auswerten der vom Messkopf erzeugten Signale. 3 shows the block diagram of an electronic circuit for evaluating the signals generated by the measuring head.

Die Fig. 1 zeigt ein kartesisches Koordinatensystem mit zwei an Oberflächen unterschiedlicher Rauheit gemessenen Streulichtkurven. Längs der Ordinate ist die Intensität des Streulichts in willkürlichen Einheiten aufgezeichnet, längs der Abszisse der Streulichtwinkel gegenüber der Senkrechten, d.h. der Einfallsrichtung des Beleuchtungslichts. Die Kurve 11 wurde an einer Oberfläche gemessen, die Unebenheiten mit einer Tiefe von etwa 0,025 jxm und ohne mikroskopisch erkennbare Orientierung aufwies. Die Kurve 12 wurde an einer Oberfläche gemessen, deren Unebenheiten eine Tiefe von bis zu 0,2 n.m und bei mikroskopischer Betrachtung eine klare Orientierung (Schleifspuren) zeigte. Die Ebene, in der die der Kurve 12 entsprechenden Intensitäten des Streulichts gemessen wurden, verlief praktisch quer zur Richtung der Schleifspuren. Die Figur zeigt deutlich, 1 shows a Cartesian coordinate system with two scattered light curves measured on surfaces of different roughness. Along the ordinate the intensity of the scattered light is recorded in arbitrary units, along the abscissa the scattered light angle with respect to the normal, i.e. the direction of incidence of the illuminating light. Curve 11 was measured on a surface that had unevenness with a depth of approximately 0.025 μm and without a microscopically recognizable orientation. Curve 12 was measured on a surface whose unevenness showed a depth of up to 0.2 n.m and, when viewed microscopically, a clear orientation (traces of grinding). The plane in which the intensities of the scattered light corresponding to curve 12 were measured was practically transverse to the direction of the grinding tracks. The figure clearly shows

dass die Breiten 13, 14 der Streulichtkurven 11,12 bei der Hälfte der maximalen Intensität 26 bzw. 27 um so kleiner und folglich die Steilheit der Kurve um so geringer ist, je geringer die Rauheit der streuenden Oberfläche ist. Weiter ist aus der Fig. 1 zu ersehen, dass der Verlauf der Kurven in einem begrenzten und dem senkrechten Einfallswinkel benachbarten Winkelbereich durch eine gerade Linie 17 bzw. 18 angenähert werden kann. Wie jeder Fachmann sofort erkennt, lässt sich der Verlauf der Streulichtkurve, wenn das Verteilungsgesetz der Lichtstreuung etwa einer Gaussschen Verteilung entspricht, aus der Steilheit eines zwischen zwei benachbarten Streuwinkeln liegenden Kurvensegments extrapolieren. Wenn die beiden für diese Bestimmung verwendeten Streuwinkel, im gezeigten Beispiel 3° und 6°, vorgegeben sind, genügt es dann, die Differenz zwischen den bei that the widths 13, 14 of the scattered light curves 11, 12 are smaller at half the maximum intensity 26 or 27, and consequently the steepness of the curve is the smaller, the lower the roughness of the scattering surface. It can also be seen from FIG. 1 that the course of the curves can be approximated by a straight line 17 or 18 in a limited angular range adjacent to the vertical angle of incidence. As any specialist immediately recognizes, the course of the scattered light curve can be extrapolated from the steepness of a curve segment lying between two adjacent scattering angles if the distribution law of light scattering corresponds approximately to a Gaussian distribution. If the two scattering angles used for this determination, 3 ° and 6 ° in the example shown, are specified, then it is sufficient to determine the difference between the two

5 5

10 10th

15 15

20 20th

25 25th

30 30th

35 35

40 40

45 45

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60 60

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den beiden Streuwinkeln gemessenen Intensitäten des Streulichts 20,21 bzw. 23,24 zu kennen. the intensities of the scattered light 20, 21 and 23, 24 measured at the two scattering angles.

Es versteht sich, dass die obige Betrachtung der in der Figur linken Äste der Glockenkurve für die in der Figur rechten Kurvenäste gilt. Es versteht sich weiter, dass die Maxima 26,27 der Streulichtkurven 11,12 der Intensität des in der (senkrechten) Beleuchtungsrichtung zurückreflektierten Lichts entsprechen. It goes without saying that the above consideration of the branches of the bell curve on the left in the figure applies to the branches on the right in the figure. It is further understood that the maxima 26, 27 of the scattered light curves 11, 12 correspond to the intensity of the light reflected back in the (vertical) direction of illumination.

Die Fig. 2 zeigt schematisch den Messkopf einer zur Ausführung des erfindungsgemässen Verfahrens geeigneten Vorrichtung. Der Messkopf enthält ein Gehäuse 30, das insbesondere zum Abschirmen von Fremdlicht vorgesehen und entsprechend ausgestaltet ist. Im Messkopf sind drei optische Systeme 31,32,33 befestigt, die auf den gleichen Punkt 34 fokussiert sind. Das eine optische System 31 ist zum Beleuchten des Punkts 34 mit einem senkrecht auftreffenden Lichtbündel 41 vorgesehen. Dazu wirkt das optische System mit der Austrittsfläche eines Lichtleiters 35 zusammen, in dessen (in Fig. 3 gezeigtes) Eintrittsende das Licht einer Lichtquelle und vorzugsweise einer Halogenlampe eingeleitet wird. Die beiden anderen optischen Systeme 32,33 leiten das unter einem Winkel von 3° bzw. 6° gegenüber dem Beleuchtungsbündel gestreute Licht, dessen Achsen mit 42, 43 bezeichnet sind in je einen zugeordneten Lichtleiter 36 bzw. 37 ein. Die Fasern des Lichtleiters 35 sind im Bereich des Austrittsendes mit den Fasern am Eintrittsende eines weiteren Lichtleiters 38 gemischt, der das in der Richtung des Beleuchtungslichtbündels zurückreflektierte Licht aufnimmt. Die drei Lichtleiter führen das eingeleitete, gestreute bzw. reflektierte Licht zu einem zugeordneten fotoelektrischen Wandler, was mit Hilfe der Fig. 3 beschrieben werden wird. 2 schematically shows the measuring head of a device suitable for carrying out the method according to the invention. The measuring head contains a housing 30 which is provided in particular for shielding from extraneous light and is designed accordingly. Three optical systems 31, 32, 33 are fixed in the measuring head and are focused on the same point 34. One optical system 31 is provided for illuminating the point 34 with a perpendicularly incident light bundle 41. For this purpose, the optical system interacts with the exit surface of a light guide 35, into the entry end of which (shown in FIG. 3) the light from a light source and preferably a halogen lamp is introduced. The two other optical systems 32, 33 guide the light scattered at an angle of 3 ° or 6 ° with respect to the illumination beam, the axes of which are designated by 42, 43, each in an assigned light guide 36 and 37, respectively. The fibers of the light guide 35 are mixed in the region of the exit end with the fibers at the entry end of a further light guide 38, which receives the light reflected back in the direction of the illuminating light bundle. The three light guides guide the introduced, scattered or reflected light to an associated photoelectric converter, which will be described with the aid of FIG. 3.

Bei der gezeigten Ausführungsform des Messkopfs sind die beiden optischen Systeme 32,33 und die Eintrittsenden der damit zusammenwirkenden Lichtleiter 32 bzw. 33 in unterschiedlichen Quadranten der von der beleuchteten Fläche 40 und dem senkrecht auftreffenden Beleuchtungslichtbündel 41 bestimmten Ebene angeordnet. Diese Anordnung ermöglicht einen vereinfachten Aufbau der relativ nahe benachbarten optischen Systeme. Auf das Ergebnis der Messung hat diese Anordnung der optischen Systeme keinen Einfluss. In the embodiment of the measuring head shown, the two optical systems 32, 33 and the entry ends of the light guides 32 and 33 interacting therewith are arranged in different quadrants of the plane determined by the illuminated surface 40 and the perpendicularly incident illuminating light bundle 41. This arrangement enables a simplified construction of the relatively close neighboring optical systems. This arrangement of the optical systems has no influence on the result of the measurement.

Die Fig. 3 zeigt das Blockschema einer elektronischen Schaltung zum Erzeugen des Beleuchtungslichtbündels und zum Auswerten des von den optischen Systemen aufgenommenen und in die zugeordneten Lichtleiter eingeleiteten gestreuten und reflektierten Lichts. Die Schaltung enthält eine Lichtquelle 50, vorzugsweise eine Halogenlampe mit einem breiten Emissionsspektrum, der ein optisches System 51 zugeordnet ist, um das Licht in die Eintrittsfläche des Lichtleiters 35 einzuleiten. Die Schaltung enthält weiter drei optoelektronische Wandler 52,53 und 54, vorzugsweise Fotoelemente, die den Austrittsflächen der Lichtleiter 36,37 bzw. 38 zugeordnet sind. Jedem Wandler sind in einer Serieschaltung ein Eingangsverstärker 56,57 bzw. 58, ein Hochpassfilter 59,60 bzw. 61, ein Bandsperrfilter 63,64,65, ein Gleichrichter 67,68 bzw. 69 undeinTiefpassfilter 71,72, bzw. 73 nachgeschaltet. Die Ausgänge der beiden Tiefpassfilter 71, 72 sind mit den Eingängen eines ersten Differenzverstärkers 73 verbunden, dessen Ausgang an eine erste Anzeigeeinrichtung 74 angeschlossen ist. Der Ausgang des Tiefpassfilters 73 ist mit dem Eingang eines zweiten Differenzverstärkers 76 verbunden, dessen Ausgangan eine zweite Anzeigeeinrichtung 77 angeschlossen ist. Als Anzeigeeinrichtungen können einfacherweise Drehspulinstrumente verwendet werden. 3 shows the block diagram of an electronic circuit for generating the illuminating light bundle and for evaluating the scattered and reflected light picked up by the optical systems and introduced into the assigned light guides. The circuit contains a light source 50, preferably a halogen lamp with a broad emission spectrum, to which an optical system 51 is assigned in order to introduce the light into the entry surface of the light guide 35. The circuit further contains three optoelectronic converters 52, 53 and 54, preferably photo elements, which are assigned to the exit surfaces of the light guides 36, 37 and 38, respectively. An input amplifier 56, 57 or 58, a high-pass filter 59, 60 or 61, a bandstop filter 63, 64, 65, a rectifier 67, 68 or 69 and a low-pass filter 71, 72 or 73 are connected in series with each converter. The outputs of the two low-pass filters 71, 72 are connected to the inputs of a first differential amplifier 73, the output of which is connected to a first display device 74. The output of the low pass filter 73 is connected to the input of a second differential amplifier 76, the output of which is connected to a second display device 77. Moving coil instruments can simply be used as display devices.

Beim Betrieb der den Messkopf, die Lichtleiter und die elektronische Schaltung enthaltenden Vorrichtung wird das Licht von der Lichtquelle 50 vom optischen System 51 in den During operation of the device containing the measuring head, the light guides and the electronic circuit, the light from the light source 50 is transferred from the optical system 51 into the

Lichtleiter 35 eingeleitet. Das aus dem Lichtleiter austretende Licht wird vom optischen System 31 in das Lichtbünde 41 verwandelt, das im Messpunkt 34 auf der Fläche 40 fokussiert ist. Light guide 35 initiated. The light emerging from the light guide is converted by the optical system 31 into the light bundles 41, which is focused on the surface 40 at the measuring point 34.

Das vom Bereich 34 mit einem Winkel von 3° und 6° gegenüber der Flächennormale gestreute Licht wird von den optischen Systemen 32 und 33 in die Lichtleiter 36 bzw. 37 eingeleitet. Das aus den Lichtleitern austretende Licht fällt auf die Fotoelemente 52 bzw. 53, von denen jedes ein Ausgangssignal erzeugt, das der Intensität des auftreffenden Lichts entspricht. Die Ausgangssignale werden in den Eingangsverstärkern 56 bzw. 57 verstärkt und in den anschliessenden Serieschaltungen, enthaltend den Hochpass- und den Bandsperrfilter 59,60 bzw. 63,64, den Gleichrichter 67 bzw. The light scattered by the area 34 at an angle of 3 ° and 6 ° with respect to the surface normal is introduced into the light guides 36 and 37 by the optical systems 32 and 33. The light emerging from the light guides strikes the photo elements 52 and 53, each of which generates an output signal which corresponds to the intensity of the incident light. The output signals are amplified in the input amplifiers 56 and 57 and in the subsequent series circuits containing the high-pass and band-stop filters 59, 60 and 63, 64, the rectifier 67 and

68 und den Tiefpassfilter 71 bzw. 72 werden mögliche Störsignale und -Komponenten ausgefiltert. Im ersten Differenzverstärker 73 wird das Ausgangssignal des Tiefpassfilters 71 vom Ausgangssignal des Tiefpassfilters 72 subtrahiert. Wie aus der vorgängigen Beschreibung zu ersehen ist, entsprechen diese beiden Ausgangssignale den vom optischen System 32 aufgenommenen um 3° gegen die Flächennormale geneigten bzw. dem vom optischen System 33 aufgenommenen und um 6° gegen die Flächennormale geneigten Streulicht. Da die beiden Messwinkel konstant sind, entspricht die Differenz des gemessenen Streulichts, d.h. das Ausgangssignal des ersten Differenzverstärkers, der Neigung der Streulichtkurve in einem gegebenen Winkelbereich und bildet darum eine charakteristische Grösse für den Verlauf der gesamten Streulichtkurve, wie es mit Hilfe der Fig. 2 erläutert wurde. Das von der Anzeigeeinrichtung 74 angezeigte Ausgangssignal des Differenzverstärkers ist darum auch eine Bestimmungsgrösse für die die Streuwertkurve bedingende Rauheit des Bereichs 34 der Oberfläche 40. 68 and the low-pass filter 71 and 72, possible interference signals and components are filtered out. In the first differential amplifier 73, the output signal of the low-pass filter 71 is subtracted from the output signal of the low-pass filter 72. As can be seen from the preceding description, these two output signals correspond to the scattered light picked up by the optical system 32 by 3 ° relative to the surface normal or to the scattered light picked up by the optical system 33 and inclined by 6 ° to the surface normal. Since the two measuring angles are constant, the difference of the measured scattered light corresponds to the output signal of the first differential amplifier, the inclination of the scattered light curve in a given angular range and therefore forms a characteristic variable for the course of the entire scattered light curve, as was explained with the aid of FIG. 2. The output signal of the differential amplifier displayed by the display device 74 is therefore also a determining variable for the roughness of the area 34 of the surface 40 which causes the scatter value curve.

Das vom gleichen Flächenbereich in der Richtung des Beleuchtungslichtbündels zurückreflektierte Licht wird vom optischen System 31 in den Lichtleiter 38 und von diesem auf das Fotoelement 54 geleitet, das ein der Intensität des auftreffenden Lichts entsprechendes Ausgangssignal erzeugt. Das Ausgangssignal des Fotoelements wird im Eingangsverstärker 58 verstärkt, und in der anschliessenden Serieschaltung von Hochpassfilter 61, Bandsperrfilter 65, Gleichrichter The light reflected back from the same surface area in the direction of the illuminating light bundle is guided by the optical system 31 into the light guide 38 and from there onto the photo element 54, which generates an output signal corresponding to the intensity of the incident light. The output signal of the photo element is amplified in the input amplifier 58 and in the subsequent series connection of high pass filter 61, bandstop filter 65, rectifier

69 und Tiefpassfilter 73 werden mögliche Störsignale und -Komponenten ausgefiltert. Das am Ausgang des Tiefpassfilters 73 erscheinende reine Gleichspannungssignal wird im zweiten Differenzverstärker 76 von einer voreinstellbaren Spannung subtrahiert, welche letztere einer 100%igen Abstrahlung bzw. der Reflektion 0 entspricht. Die am Ausgang des Differenzverstärkes erscheinende Differenzspannung entspricht dann der Abstrahlung der Oberfläche 40 im beleuchteen Bereich 34 und wird als quantitativer Wert von der Anzeigeeinrichtung 77 angezeigt. 69 and low-pass filter 73, possible interference signals and components are filtered out. The pure DC voltage signal appearing at the output of the low-pass filter 73 is subtracted in the second differential amplifier 76 from a presettable voltage which corresponds to a 100% emission or reflection 0. The differential voltage appearing at the output of the differential amplifier then corresponds to the radiation of the surface 40 in the illuminated area 34 and is displayed as a quantitative value by the display device 77.

Es versteht sich, dass die beschriebene Vorrichtung und insbesondere die stark vereinfachte elektronische Auswerteschaltung auf vielerlei Weise geändert und an spezielle Betriebsbedingungen angepasst werden kann. Beispielsweise kann der in Fig. 2 schematisch gezeigte Messkopf zur Anpassung an unterschiedliche Messbedingungen höhenverstellbar und seitlich verschwenkbar angeordnet werden. Es ist auch möglich für eine genaue Bestimmung des Verlaufs der Streulichtkurve oder eines Teils dieser Kurve mehr als die beispielsweise beschriebenen zwei optischen Systeme im Messkopf anzuordnen und die Auswerteschaltung entsprechend zu ändern. Bei der Bestimmung der Streulichtkurve mit nur zwei optischen Systemen werden die Winkel der Achsen dieser Systeme gegenüber der Senkrechten vorzugsweise entsprechend dem erwarteten Kurvenverlauf eingestellt. Dazu können die optischen Systeme im Messkopf einer zum Bestimmen der Oberflächenbeschaffenheit unterschied4 It goes without saying that the described device and in particular the greatly simplified electronic evaluation circuit can be changed in many ways and adapted to special operating conditions. For example, the measuring head shown schematically in FIG. 2 can be arranged to be height-adjustable and laterally pivotable to adapt to different measuring conditions. It is also possible for an exact determination of the course of the scattered light curve or a part of this curve to arrange more than the two optical systems described, for example, in the measuring head and to change the evaluation circuit accordingly. When determining the scattered light curve with only two optical systems, the angles of the axes of these systems with respect to the perpendicular are preferably set in accordance with the expected curve profile. For this purpose, the optical systems in the measuring head can be differentiated to determine the surface quality4

5 5

10 10th

IS IS

20 20th

25 25th

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40 40

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licher Festkörper vorgesehenen Vorrichtung verschwenkbar angeordnet werden oder für die «on-line»-Bestimmung an gleichen, vor gegebenen Festkörpern mit optimaler Neigung fest voreingestellt werden. Zwischen der Lichtquelle und dem Beleuchtungslichtleiter kann ein Zerhacker eingesetzt werden, der Lichtimpulse erzeugt, deren Folgefrequenz mit der Vorschubgeschwindigkeit des oder der zu prüfenden Festkörperoberflächen abgestimmt ist. Bei einer solchen Ausführungsform wird vorteilhafterweise auch eine Synchronisiereinrichtung für die drei elektronischen Signalkanäle verwendet, beispielsweise eine von den Lichtimpulsen gesteuerte Schwellwertschaltung, die eine zwischen dem Gleichrichter und dem Tiefpassfilter jedes Kanals angeschlossenen «sample-and-hold»-Schaltung steuert. Eine derartige Anordnung ist besonders vorteilhaft, wenn die zu untersuchende Festkörperoberfläche gekrümmt oder ein Gitter ist. Es ist auch möglich, in der Verbindungsleitung zwischen dem Ausgang jedes der Differenzverstärker und der Anzeigeeinrichtung eine Summierschaltung vorzusehen, der zusätzliche einstellbare Signale zugeleitet werden. Solche Signale können als Korrekturwerte verwendet werden, um durch das Material der untersuchten Oberfläche und/oder deren vorgängige Bearbeitung erzeugten Abweichungen der bestimmten Rauheit und Abstrahlung zu berichtigen. Zwischen dem Ausgang jedes Differenzverstärkers oder der Summierschaltung und der Anzeigeeinrichtung können auch Komparatoren angeschlossen werden. Diese ermöglichen, bei der laufenden Kontrolle der Rauheit und/oder der Abstrahlung im «on-line»-Betrieb zuerst mit Hilfe eines Musters die optimalen Werte zu bestimmen und die zulässigen Abweichungen vorzugeben und ein Signal zu erzeugen oder beispielsweise eine Auswurfeinrichtung zu betätigen, wenn die Rauheit und/oder die Abstrahlung einer Festkörperoberfläche nicht innerhalb des vorgegebenen Toleranzbe-5 reichs liegen. Anstelle der im gezeigten Ausführungsbeispiel als Drehspulinstrument ausgebildeten Anzeigeeinrichtung können auch als Digitalanzeige ausgebildete Einrichtungen verwendet werden. Die Anzeigeskala kann in willkürliche oder in Rauheits- bzw. Abstrahlungseinheiten unterteilt sein. 10 Anstelle einer Anzeigeeinrichtung kann auch ein Schreibautomat oder beispielsweise ein rechnerkompatibler Ausgang verwendet werden. Licher solid body provided device can be pivoted or fixed for the "on-line" determination on the same, given given solids with optimal inclination fixed. A chopper can be used between the light source and the illuminating light guide, which generates light pulses whose repetition frequency is coordinated with the feed rate of the solid surface or surfaces to be tested. In such an embodiment, a synchronization device is advantageously also used for the three electronic signal channels, for example a threshold value circuit controlled by the light pulses, which controls a sample-and-hold circuit connected between the rectifier and the low-pass filter of each channel. Such an arrangement is particularly advantageous if the solid surface to be examined is curved or a grid. It is also possible to provide a summing circuit in the connecting line between the output of each of the differential amplifiers and the display device, to which additional adjustable signals are fed. Such signals can be used as correction values in order to correct deviations from the determined roughness and radiation caused by the material of the examined surface and / or its previous processing. Comparators can also be connected between the output of each differential amplifier or the summing circuit and the display device. These enable the roughness and / or the radiation in "on-line" operation to be checked first using a sample to determine the optimum values and to specify the permissible deviations and to generate a signal or, for example, to actuate an ejection device if the roughness and / or the radiation of a solid surface are not within the specified tolerance range. Instead of the display device designed as a moving coil instrument in the exemplary embodiment shown, devices designed as digital displays can also be used. The display scale can be divided into arbitrary or roughness or radiation units. Instead of a display device, a typewriter or, for example, a computer-compatible output can also be used.

Bei einer praktisch erprobten Ausführungsform der neuen 15 Vorrichtung betrug der Abstand zwischen den optischen Systemen im Messkopf und der zu untersuchenden Oberfläche zwischen 50 bis 100 mm. Der vom Beleuchtungslichtbündel ausgeleuchtete Bereich war quatratisch mit einer Seitenlänge von etwa 2 mm. Das Beleuchtungslicht wurden in 20 2000 Impulse/Sekunde zerhackt, was einer Dauer der Einzelmessung von 0,5 m/sek. entsprach bzw. einer Vorschubgeschwindigkeit der zu untersuchenden Oberfläche von 4 m/sek. Diese hohe Messgeschwindigkeit wird durch die simultane Auswertung der elektronischen Signale erreicht, 25 im Gegensatz zu den bekannten Vorrichtungen, bei denen die Signale sequenziell verarbeitet werden. Reproduzierbare Ergebnisse konnten auch an einem Gitter beobachtet werden, dessen Drahtdurchmesser 0,2 mm betrug und dessen Vorschub unter dem Messkopf mit der Impulsfolge des 30 Beleuchtungslichts synchronisiert war. In a practically tested embodiment of the new device, the distance between the optical systems in the measuring head and the surface to be examined was between 50 and 100 mm. The area illuminated by the illuminating light bundle was square with a side length of approximately 2 mm. The illuminating light was chopped in 20 2000 pulses / second, which means a duration of the single measurement of 0.5 m / sec. corresponded to or a feed speed of the surface to be examined of 4 m / sec. This high measuring speed is achieved by the simultaneous evaluation of the electronic signals, 25 in contrast to the known devices in which the signals are processed sequentially. Reproducible results could also be observed on a grid whose wire diameter was 0.2 mm and whose feed under the measuring head was synchronized with the pulse train of the 30 illuminating light.

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1 Blatt Zeichnungen 1 sheet of drawings

Claims

663473 PATENT CLAIM E

1. A method for optically determining the surface quality of solid bodies, wherein an illuminating light beam is directed perpendicularly onto this surface, characterized in that to determine the roughness, the intensity of the scattered light is measured in at least two different polar angles, which are perpendicular to the surface and the plane intersecting the illuminating light beam, and the intensity of the light reflected in the direction of the illuminating light beam is measured to determine the thermal radiation property of the surface.

2. The method according to claim 1, characterized in that an illuminating light source and a device for measuring the scattered and the reflected light are arranged away from the measuring area and for the transmission of the illuminating light from the light source into the measuring area and for transmitting the scattered and the reflected Light from the measuring range to the fiber optic measuring devices can be used.

3. The method according to claim 1, characterized in that for determining the surface quality of one or more objects, the measurement values of a plurality are integrated in chronological succession at different locations of the one object or measurements carried out on the plurality of objects.

4. The method according to claim 3, characterized in that for determining the deviation of the surface quality of one or more objects from the surface quality of a pattern, the measured values for the roughness and / or radiation and the measured values of the one or more objects are stored with the pattern the stored values.

5. Apparatus for carrying out the method according to claim 1 with a first device (50, 35, 31) for illuminating a surface (40) of a one-piece solid body located on a support plate or a conveying path or a solid bed with a vertically incident light beam (41) by a second device (32, 36, 52 or 33, 37, 53) for measuring the intensity of the light scattered by the illuminated area of the surface, which second device has at least two optical systems (32, 33) which are used to receive the illuminated area (34) of the surface (40) in at least two predetermined directions of scattered light are provided, the optical axis (41) of the optical system (31) of the first device and the optical axes (42, 43) of the optical devices (32 , 33) of the second device lie in the same plane standing perpendicular to the surface, and also by a third device (31, 38, 54) hen determining the thermal radiation property of the surface, which third device (31, 38, 54) can be seen with an optical system (31) for receiving the light reflected from the illuminated surface area (34) in the vertical direction, this third device being the same optical system (31) as the first device (50,35,31) is assigned.

6. The device according to claim 5, characterized in that the first device contains a light source (50) and a light guide (35), the entrance surface is arranged in the region of the light source and the exit surface with a for focusing the light emerging from the light guide on the Surface (40) of the solid body suitable optical system (31) cooperates and the second device contains at least two optical systems (32, 33), each of which scattered light from the illuminated area (34) of the surface (40) into the entry surface of an associated light guide (36 or 37) and at least two light receivers (52, 53), each of which is arranged in the area of the exit surface of a light guide, which light receivers generate an electrical signal corresponding to the light supplied and the third device contains a light guide (38), whose entry surface of the exit surface of the light guide (35) of the first device ben is arranged next to one another and for introducing the reflected light into the light guide (38) cooperates with the same optical system (31) as the first device and a third light receiver (54).

7. The device according to claim 6, characterized in that the light guide (35) of the first device and the fourth light guide (38) in the third device are designed as fiber light guides, the fibers of which are mixed in the region of the exit or entry surface.