WO1986004676A2 - Device for optical determination of low-order errors in shape - Google Patents

Device for optical determination of low-order errors in shape Download PDF

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WO1986004676A2
WO1986004676A2 PCT/DE1986/000037 DE8600037W WO8604676A2 WO 1986004676 A2 WO1986004676 A2 WO 1986004676A2 DE 8600037 W DE8600037 W DE 8600037W WO 8604676 A2 WO8604676 A2 WO 8604676A2
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light
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Gerd HÜBNER
Wolfgang Staiger
Rainer Brodmann
Oskar Gerstorfer
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Daimler Benz AG
Optische Werke G Rodenstock
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Daimler Benz AG
Optische Werke G Rodenstock
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces
    • G01B11/303—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces using photoelectric detection means
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
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    • G01N21/84—Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88—Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95—Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/952—Inspecting the exterior surface of cylindrical bodies or wires

Definitions

  • the invention relates to a device for determining shape deviations of low order and in particular shape deviations of first and second order.
  • Shape deviations of the first to third order are called bumps, waves or grooves.
  • Stecond-order design deviations are sometimes also referred to as "chatter marks”.
  • Such design deviations and, in particular, second-order design deviations lead to noise developments, such as whistling, in the case of bearing surfaces of gear shafts in the low-frequency range.
  • the appearance of whistles requires dismantling the gearbox to remove the shaft. In order to avoid this effort, it would be desirable to examine all shafts prior to installation, for example when assembling the gearbox, for shape deviations or shape errors of low order and, in particular, for the occurrence of noise-causing chatter marks.
  • the invention has for its object to provide a device for the optical determination of shape deviations or surface defects of low order, with which design deviations of low order can be detected with high accuracy with comparatively little optical and electronic effort.
  • This object is achieved in that of a device according to the preamble of claim 1, as described in "Annais of the CIRP, Vol. 33/1/1984, page 407 f.” is known, is assumed, and this device is further developed by the features of the characterizing part.
  • the light receiving device consists of a multiplicity of light receiving elements arranged in cells and that the output signals of all light receiving elements are evaluated in order to determine the angle of inclination.
  • This surprisingly makes it possible to resolve shifts in the center of gravity of the reflected light beam that are substantially less than the width of a light receiving element.
  • the method according to the invention has the further surprising advantage that the measurement result obtained is practically not influenced by shape deviations of higher order such as roughness etc.
  • the device according to the invention enables the simultaneous determination of several measured variables, such as the statistical local roughness, the roughness integrated over the measurement spot, the ripple, shape and position deviation in the integrated profile and the visual inspection or
  • Ripple can be separated.
  • the optical test head is less sensitive than a mechanical probe to interference vibrations emanating from the test object. This applies to both vibration directions in the specimen surface as well as perpendicular to it. This enables the device according to the invention to be integrated into a production line.
  • the device according to the invention is also largely insensitive to changes in distance within a comparatively large range.
  • Claim 2 specifies a simple relationship according to which the evaluation unit determines the angle of inclination of the scanned surface element from the output signals of the individual light-receiving elements. This relationship allows shifts in the center of gravity of the reflected light beam on the light-receiving element row, which can be less than 10% of the width of a light-receiving element, to be detected with little effort.
  • the relationship used according to the invention also allows the automatic alignment of the device on an actual surface such that the optical axis lies in the surface normal. In contrast to mechanical pushbuttons, multiple probing is not required.
  • the profile curve of the body to be examined can be determined in a simple manner by integration.
  • the device according to the invention there is therefore a choice between slope and height profile depending on, for example, the ratio of wave amplitude / wavelength or of functional requirements.
  • a particular advantage of the device according to the invention is its uniform frequency response, ie its largely constant transfer function over a large frequency Area.
  • This uniform frequency response makes it possible to subject the output signal of the evaluation unit and / or the output signal of the integration circuit to a Fourier transformation over a large frequency range. From the Fourier spectrum obtained in this way, statements can be derived in a simple manner, which allow a quick overview of the quality of the workpiece: For example, maxima are characteristic of certain Fourier orders for chatter marks. On the basis of the occurrence or non-occurrence of these orders, it can easily be decided whether the shaft is usable or not.
  • the Fourier analysis for example, the angle amplitudes of the individual orders, the maximum values can be determined and converted to the corresponding amplitudes of the height profile. This makes you independent of possible defects, such as scratches, etc.
  • a particularly advantageous embodiment of the optical part of the device according to the invention is characterized in claim 5. Due to the "oblique impact" of the scanning light beam, a beam splitter can be dispensed with, so that the intensity is not reduced. Above all, however, the claimed distance relationship ensures that both the surface to be examined and the light receiving device are at a distance (measured from the respective main plane of the lens system) from the lens system that is approximately equal to the focal length of the lens system that that of a light receiving element rays emanating from the surface to be examined, which emanate from the illuminated surface element at a certain angle.
  • the optical axis can be swiveled out of the surface normal to modify the field of view of the device.
  • the design of the device according to claim 6 suppresses the influence of roughness in the surface perpendicular to
  • the dimension of the light spot in the direction of cut can be used to determine the smallest detected wavelength of shape deviations.
  • the dimension of the light spot in the scanning direction is chosen so large that just the smallest wavelengths that are still of interest for the measurement problem pending can be resolved (claim 7).
  • the device according to the invention not only allows the design deviation of low order to be determined, the roughness of the surface can also be determined from the output signals of the individual light-receiving elements. For this, reference is made in detail to DE-OS 30 37 622 (claim 9).
  • photodiodes as light receiving elements according to claim 10 has the advantage that diode rows with a small width of the individual light receiving elements and high sensitivity are available as standard at low prices.
  • telescope optics allows the resolution of the device according to the invention to be increased in that the reflected light distribution on the light receiver line
  • FIG. 1 an explanation of the measuring principle according to the invention
  • FIG. 2 the basic structure of a device according to the invention
  • FIGS. 3 a and b course of the center of gravity of the scatter distribution on a "whistling" stator shaft, and on a stator shaft which does not cause any noise
  • FIG. 4 a and b Fourier transforms of the results shown in FIG. 3, and FIGS. 5 a and b for comparison the result of a mechanical shape test on these stator shafts.
  • the beam from a light source 1 is imaged by a lens 3 on a surface 4 to be examined.
  • the reflected light strikes a diode row 5.
  • the center of gravity of the reflected light bundle lies at a different location (M1 or M2) on the diode row 5.
  • the reflected light bundle has a distribution due to the roughness of the surface 4, which is shown schematically in FIG. 1 . Because of this distribution, which changes from surface element to surface element, the measurement of the location of the reflected light bundle with a light balance, for example, has a large, non-correctable error.
  • the objective in FIG. 1 is a cylindrical lens, so that an elongated measuring spot 7 results.
  • FIG. 2 shows a section or a view from above through an exemplary embodiment of a device according to the invention for the optical determination of surface defects of low order.
  • the device which is only shown schematically, in turn has a light source 1, a collimator 2, a measurement objective 3 and a diode row 5.
  • the surface 4 to be examined is at a distance from the device, ie from the front main plane of the measuring objective 3, which is approximately equal to the focal length f of the measuring objective.
  • the light emanating from the light source 1, for example a laser or a light emitting diode is (if necessary) parallelized by the collimator 2 and strikes the measuring objective 3 outside the optical axis 6.
  • the parallel light beam is focused by the measuring objective 3 on the surface 4 to be examined.
  • the light beams emanating from the individual illuminated points of the measuring spot are in turn imaged by the measuring objective 3 on the diode row.
  • the distance of the diode row 5 from the rear main plane of the measuring lens 3 is approximately equal to the focal length of the measuring lens.
  • the measurement objective 3 and the sample surface or the diode row 5 form a Fourier system.
  • the scattered light distribution shown schematically in the top view of the device according to the invention on the diode row 5 is used to determine the angle of inclination of the scanned surface element (shown in dashed lines in Fig. 2) against a reference element (solid line 4 in Fig. 2) according to the relationship
  • J * * is the following the M value used, which is proportional to.
  • the center of gravity of the light spot on the diode row is.
  • a shift in the center of gravity of the scattered light distribution by 1/10 the width b of a diode can be resolved in any case.
  • the resolution limit in practical use is about 1/100 of a diode width b.
  • a diode width b 0.9 mm and a focal length f of the measuring objective 3 of 25 mm
  • the inclination of the beam of the measuring objective against the optical axis 6 is between 10 and 20 degrees.
  • Fig. 3a shows the course of the M value, i.e. the place of the
  • FIG. 3b shows the dependence of the M value for a stator shaft that does not cause whistling.
  • the stator wave which causes whistles, has a significantly changed optical M signal curve: the amplitudes are several times larger and the structure more regular. If one calculates the standard deviation for the scattering behavior of the M-value as its standard deviation, one obtains values ⁇ 0.1 as typical standard deviations for perfect waves, while the standard deviations for "whistling" waves are greater than 0.1 and typically greater than 0.15 are.
  • the axis of the light receiver line and the feed direction can enclose an angle: This reduces the effective width of a light receiving element and thus increases the resolution.
  • a wide variety of optical arrangements can also be used; Of course, it is also possible to have the scanning light beam strike the surface to be examined at almost 90 °. Instead of spherical imaging elements, those with a cylindrical effect can also be used, so that the gap geometry in the scanning direction or perpendicular to it can be adapted to the measurement problem.
  • the device according to the invention has the advantage that it is also possible to measure across grooves, bores, etc. Furthermore, special surface designs can be hidden by software.

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Description

Vorrichtung zur optischen Ermittlung von Gestaltsfehlern niedriger Ordnung
B e s c h r e i b u n g
Technisches Gebiet
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung von Gestaltsabweichungen niedriger Ordnung und insbesondere von Gestaltsabweichungen erster und zweiter Ordnung.
Gestaltsabweichungen der ersten bis dritten Ordnung werden als Unebenheiten, Wellen bzw. Rillen bezeichnet. (Gestaltsabweichungen zweiter Ordnung werden manchmal auch als "Rattermarken" bezeichnet.) Derartige Gestaltsabweichungen und insbesondere Gestaltsabweichungen zweiter Ordnung führen beispielsweise bei Lagerflächen von Getriebewellen im niederfrequenten Bereich zu Geräuschentwicklungen, wie Pfeifen. Das Auftreten von Pfeifen erfordert zum Ausbau der Welle die Demontage des Getriebes. Um diesen Aufwand zu vermeiden, wäre es wünschenswert, beispielsweise bei der Getriebemontage sämtliche Wellen vor dem Einbau auf das Auftreten von Gestaltsabweichungen bzw. Formfehlern niedriger Ordnung und insbesondere auf das Auftreten von geräuschverursachenden Rattermarken zu untersuchen.
Stand der Technik
Gestaltsabweichungen niedriger Ordnung werden bislang industriell nur mit mechanischen Formprüfgeraten, beispielsweise mit dem "Perthen-Formtester" der Fa. Mahr gemessen. Die mechanische Formprüfung hat jedoch nicht nur den Nachteil, daß sie verhälnismäßig viel Zeit in Anspruch nimmt, sondern es ist auch ein großer Aufwand zur Durchführung der Formprüfung erforderlich: Beispielsweise muß der Prüfstand frei von niederfrequenten Gebäudeschwingungen sein. Trotzdem zeigt sich, daß auch bei großem gerätemäßigem Aufwand anhand der Ergebnisse der mechanischen Formprüfung nicht immer zuverlässig beurteilt werden kann, ob beispielsweise eine Getriebewelle im eingebauten Zustand "pfeift". Es ist deshalb bereits vorgeschlagen worden, Gestaltsabweichungen niedriger Ordnung optisch zu erfassen (Annais of the CIRP Vol. 33/1/1984, Seite 407 f.). Bei dieser bekannten Vorrichtung zur optischen Ermittlung von Oberflächenfehlern wird der Reflexionswinkel bzw. die Änderung des Reflexionswinkels des reflektierten Strahls, die sich aufgrund von Gestaisabweichungen ergibt, mit einer aus zwei Photodioden bestehenden "Lichtwaage" gemessen.
Diese bekannte Vorrichtung hat jedoch mehrere Nachteile: Die Messung mittels einer aus zwei Photempfängern bestehenden Lichtwaage erlaubt es nicht, für eine bestimmte gewünschte Winkelauflösung die Fleckgröße des Untersuchungslichtstrahls auf der zu untersuchenden Oberfläche frei zu wählen. Darüberhinaus ist ein verhältnismäßig großer elektronischer und optischer Aufwand für die Überwachung der Intensität des Untersuchungslichtstrahls erforderlich.
Vor allem aber beeinflussen Gestaltsabweichungen höherer Ordnung , beispielsweise die Rauhigkeit der Oberfläche aufgrund der durch die Rauhigkeit bedingten "Auffächerung" des Lichtstrahls vergleichsweise stark das Meßergebnis.
Darstellung der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur optischen Ermittlung von Gestaltsabweichungen bzw. Oberflächenfehlern niedriger Ordnung anzugeben, mit der bei vergleichsweise geringem optischen und elektronischen Aufwand Gestaltsabweichungen niedriger Ordnung mit hoher Genauigkeit erfaßt werden können. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß von einer Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie sie aus "Annais of the CIRP, Vol. 33/1/1984, Seite 407 f." bekannt ist, ausgegangen wird, und diese Vorrichtung durch die Merkmale d.es kennzeichnenden Teils weitergebildet wird.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine hochgenaue Winkelauflösung dadurch möglich wird, daß die Lichtempfangseinrichtung aus einer Vielzahl von zellenförmig angeordneten Lichtempfangselementen besteht, und daß die Ausgangssignale aller Lichtempfangselemente zur Bestimmung des Neigungswinkels ausgewertet werden. Hierdurch ist es überraschenderweise möglich, Verschiebungen des Schwerpunkts des reflektierten Lichtstrahles aufzulösen, die wesentlich unter der Breite eines Lichtempfangselements liegen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat dabei den weiteren überraschenden Vorteil, daß das erhaltene Meßergebnis praktisch nicht von Gestaltsabweichungen höherer Ordnung wie Rauhigkeit etc. beeinflußt wird. Trotzdem ermöglicht die erfindungsgemäße Vorrichtung das gleichzeitige Bestimmen mehrerer Meßgrößen, so der statistischen lokalen Rauhheit, der über den Meßfleck integrierten Rauhheit, der Welligkeit, Form- und Lageabweichung im integrierten Profil sowie der Sichtprüfung bzw. der
Rattermarken im Steigungsprofil.
Durch die Veränderung der Meßfleckgröße kann darüberhinaus eine bestimmte Filterwirkung erzielt werden, mit der der
Einfluß der Rauhheit auf das Meßsignal von dem Einfluß der
Welligkeit getrennt werden kann.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist, daß der optische Prüfkopf unempfindlicher als ein mechanischer Taster gegenüber Störschwingungen ist, die vom Prüfling ausgehen. Dies gilt sowohl für Schwingungsrichtungen in der Prüflingsfläche als auch senkrecht dazu. Damit ist die Möglichkeit gegeben, die erfindungsgemäße Vorrichtung in eine Fertigungslinie zu integrieren. Auch ist die erfindungsgemäße Vorrichtung innerhalb eines vergleichsweise großen Bereichs weitgehend unempfindlich gegen Abstandsänderungen.
Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
In Anspruch 2 ist eine einfache Beziehung angegeben, nach der die Auswerteeinheit aus den Ausgangssignalen der einzelnen Lichtempfangselemente den Neigungswinkel des abgetasteten Flächenelements bestimmt. Diese Beziehung erlaubt es ohne großen Aufwand, Verschiebungen des Schwerpunkts des reflektierten Lichtstrahls auf der Lichtempfangselement-Zeile zu erfassen, die kleiner als 10% der Breite eines Lichtempfangselements sein können. Die erfindungsgemäß verwendete Beziehung erlaubt darüberhinaus die selbsttätige Ausrichtung der Vorrichtung an einer Ist-Oberfläche derart, daß die optische Achse in der Flächennormalen liegt. Damit ist im Gegensatz zu mechanischen Tastern keine Mehrfachantastung erforderlich.
Aus dem so erhaltenen Neigungswinkel der einzelnen Flächenelemente kann nach Anspruch 3 in einfacher Weise' die Profilkurve des zu untersuchenden Körpers durch Integration ermittelt werden. Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht damit eine Wahlmöglichkeit zwischen Steigungs- und Höhen-profil in Abhängigkeit beispielsweise vom Verhältnis Wellenamplitude/Wellenlänge oder von Funktionsanforderungen.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist ihr gleichmäßiger Frequenzgang, d.h. ihre weitgehend konstante Übertragungsfunktion über einen großen Frequenz bereich. Dieser gleichmäßige Frequenzgang erlaubt es, das Ausgangssignal der Auswerteeinheit und/oder das Ausgangssignal der Integrationsschaltung über einen großen Frequenzbereich einer Fouriertransformation zu unterziehen. Aus dem so erhaltenen Fourier-Spektrum können in einfacher Weise Aussagen abgeleitet werden, die einen schnellen Überblick über die Qualität des Werkstücks erlauben: Beispielsweise sind für Rattermarken Maxima bei bestimmten Fourierordnungen charakteristisch. Anhand des Auftretens bzw. des Nichtauftretens dieser Ordnungen kann leicht entschieden werden, ob die Welle brauchbar ist oder ob nicht. Mittels der Fourieranalyse können beispielsweise die Winkelamplituden der einzelnen Ordnungen, die Maximalwerte ermittelt und auf die entsprechenden Amplituden des Höhenprofils umgerechnet werden. Dadurch wird man unabhängig von möglichen Störstellen, wie Kratzern etc.
Im Anspruch 5 ist eine besonders vorteilhafte Ausbildung des optischen Teils der erfindungsgemäßen Vorrichtung gekenn- zeichnet. Durch das "schräge Auftreffen" des abtastenden Lichtstrahls kann auf einen Strahlteiler verzichtet werden, so daß die Intensität nicht herabgesetzt wird. Vor allem aber sorgt die beanspruchte AbstandbeZiehung, nach der sowohl die zu untersuchende Oberfläche als auch die Lichtempfangseinrichtung von dem Linsensystem einen Abstand (gemessen zur jeweiligen Hauptebene des Linsensystems) haben, der in etwa gleich der Brennweite des Linsensystems ist, daß auf einem Lichempfangselement die von der zu untersuchenden Oberfläche ausgehenden Strahlen auftreffen, die unter einem bestimmten Winkel von dem beleuchteten Flächenelement ausgehen.
Unabhängig hiervon kann die optische Achse aus der Flächennormale zur Modifikation des Gesichtsfelds der Vorrichtung geschwenkt werden. Die Ausbildung der Vorrichtung gemäß Anspruch 6 unterdrückt den Einfluß von Rauhigkeit in der Oberfläche senkrecht zur
Abtastrichtung; hierdurch wird die erzielbare Winkelauflösung weiter erhöht.
Durch die Abmessung des Lichtflecks in Abtagtrichtung kann die kleinste noch erfaßte Wellenlänge von Gestaltsabweichungen festgelegt werden. Vorteilhafterweise wählt man die Abmessung des Lichtflecks in Abtastrichtung so groß, daß gerade noch die kleinsten für das anstehende Meßproblem noch interessierenden Wellenlängen aufgelöst werden können (Anspruch 7) .
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt nicht nur die Bestimmung der Gestaltsabweichung niedriger Ordnung, aus den Ausgangssignalen der einzelnen Lichtempfangselemente kann darüberhinaus die Rauhigkeit der Oberfläche ermittelt werden. Hierzu wird im einzelnen auf die DE-OS 30 37 622 verwiesen (Anspruch 9 ) .
Die Verwendung von Photdioden als Lichtempfangselemente gemäß Anspruch 10 hat den Vorteil, daß Diodenzeilen mit geringer Breite der einzelnen Lichtempfangselemente und hoher Empfindlichkeit bei günstigen Preisen standardmäßig erhältlieh sind.
Die Verdrehung der Achse der Lichtempfangselement-Zeile gegegen die Abtastrichtung "verkürzt in der Projektion" die
Breite eines jeden einzelnen Lichtempfangselements in Richtung der Gestaltsabweichungen, so daß die Winkelempfindlichkeit ansteigt (Anspruch 11).
Die Verwendung einer Teleskopoptik erlaubt es, die Auflösung der erfindungsgeraäßen Vorrichtung dadurch zu erhöhen, daß die reflektierte Lichtverteilung auf der Lichtempfängerzeile
"gespreizt" wird. Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, in der zeigen:
Fig. 1 eine Erläuterung des erfindungsgemäßen Meßprinzips, Fig. 2 den prinzipiellen Aufbau einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, Fig. 3 a und b Verlauf des Schwerpunkt der Streuverteilung an einer "pfeifenden" Statorwelle, und an einer Statorwelle, die keine Geräusche verursacht, Fig. 4 a und b Fourier-Transformationen der in Fig. 3 dargestellten Ergebnisse, und Fig. 5 a und b zum Vergleich die Ergebnis einer mechanisehen Formprüfung an diesen Statorwellen.
Fig. 1 zeigt eine Erläuterung des Meßprinzips. Der Strahl einer Lichtquelle 1 wird von einem Objektiv 3 auf eine zu untersuchende Oberfläche 4 abgebildet. Das reflektierte Licht trifft auf eine Diodenzeile 5 auf. Je nach Neigung der "welligen Oberfläche" liegt der Schwerpunkt des reflektierten Lichtbündels an einer anderen Stelle (M1 bzw. M2) auf der Diodenzeile 5. Das reflektierte Lichtbündel hat aufgrund der Rauhigkeit der Oberfläche 4 eine Verteilung, die schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Aufgrund dieser Verteilung, die sich von Oberflächenelement zu Oberflächenelement ändert, ist beispielsweise die Messung des Orts des reflektierten Lichtbündels mit einer Lichtwaage mit einem großen nicht korrigierbaren Fehler behaftet.
Angemerkt soll noch werden, daß das Objektiv in Fig. 1 eine Zylinderlinse ist, so daß sich ein länglicher Meßfleck 7 ergibt.
Fig. 2 zeigt einen Schnitt bzw. eine Ansicht von oben durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur optischen Ermittlung von Oberflächenfehlern niedriger Ordnung. Die nur schematisch dargestellte Vorrichtung weist wiederum eine Lichtquelle 1, einen Kollimator 2, ein Meßobjektiv 3 und eine Diodenzeile 5 auf. Die zu untersuchende Oberfläche 4 hat von der Vorrichtung, d.h. von der vorderen Hauptebene des Meßobjektivs 3, einen Abstand, der annähernd gleich der Brennweite f des Meßobjektivs ist. Das von der Lichtquelle 1 , beispielsweise einem Laser oder einer Leuchtdiode ausgehende Licht, wird (gegebenenfalls) von dem Kollimator 2 parallelisiert und trifft außerhalb der optischen Achse 6 des Meßobjektivs 3 auf dieses auf. Der parallele Lichtstrahl wird von dem Meßobjektiv 3 auf der zu untersuchenden Oberfläche 4 fokussiert. Die von den einzelnen beleuchteten Punkten des Meßflecks ausgehenden Lichtstrahlen werden wiederum von dem Meßobjektiv 3 auf die Diodenzeile abgebildet. Der Abstand der Diodenzeile 5 von der hinteren Hauptebene des Meßobjektivs 3 ist dabei annähernd gleich der Brennweite des Meßobjektivs.
Aufgrund dieser räumlichen Zuordnung der zu untersuchenden Oberfläche zum Meßobjektiv bzw. des Meßobjektivs zur Diodenzeile werden die Lichtstrahlen, die von den einzelnen Punkten des Meßflecks auf der Oberfläche 4 unter einem bestimmten Winkel ausgehen, auf ein- und dieselbe Diode der Diodenzeile 5 abgebildet. Dies ist in Fig.2 schematisch angedeutet. Anders ausgedrückt, bilden das Meßobjektiv 3 und die Probenoberfläche bzw. die Diodenzeile 5 ein Fourier-System.
Dabei hat es sich in der Praxis herausgestellt, daß Abstandsänderungen von bis zu 30% keinen nennenswerten Einfluß auf die Ermittelung der Oberflächenfehler niedriger Ordnung haben.
Die in der Aufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung auf der Diodenzeile 5 schematisch dargestellte StreulichtVerteilung wird zur Bestimmung des Neigungswinkels des abgetasteten Flächenelements (in Fig. 2 gestrichelt dargestellt) gegen ein Referenzelement (durchgehende Linie 4 in Fig. 2) entsprechend der Beziehung
Figure imgf000011_0001
bestimmt.
Hierbei ist J * * der im folgen
Figure imgf000011_0002
den verwendete M-Wert, der proportional zur. Schwerpunktläge des Lichtflecks auf der Diodenzeile ist.
In den Gleichungen bedeuten: nges = k+1
Figure imgf000011_0003
: Zahl der Lichtempfangselemente nj : Amplitude des Ausgangssignals des Lichtempfangselements j b : Breite eines Lichtempfangselements f .: Abstand der zellenförmigen Anordnung der
Lichtempfangselemente von dem untersuchten Flächenelement
Xj : Abstand des Lichtempfangselements j vom Element "0", und
Element "0" : Lichtempfangselement, auf das das Licht bei
"idealer" Reflexion am Referenzelement auftrifft.
Bei einer Auswertung der Ausgangssignale der einzelnen Dioden der Diodenzeile 5 nach der vorstehend angegebenen Beziehung kann in jedem Falle eine Veschiebung des Schwerpunkts der Streulichtverteilung um 1/10 der Breite b einer Diode aufgelöst werden. Die Auflösungsgrenze im praktischen Einsatz liegt bei ca 1/100 einer Diodenbreite b. Beispielsweise kann man bei einer Diodenbreite b = 0,9 mm und einer Brennweite f des Meßobjektivs 3 von 25 mm einen Winkel von 6,2' auflösen, während man bei einer Brennweite von ca. 50 mm einen Winkel von 3,0' auflösen kann. Die Neigung des Strahls des Meßobjektivs gegen die optische Achse 6 beträgt dabei zwischen 10 und 20 Grad.
Fig. 3a zeigt den Verlauf des M-Werts, d.h. des Orts des
Schwerpunkts des reflektierten Lichtbündels als Funktion des Drehwinkels einer Statorwelle, die im eingebauten Zustand Pfeifen verursacht, während Fig. 3b die Abhängigkeit des M-Werts für eine Statorwelle zeigt, die kein Pfeifen verursacht. Wie man sieht, liegt bei der Statorwelle, die Pfeifen verursacht, ein wesentlich veränderter optischer M-Signalverlauf vor: die Amplituden sind mehrfach größer und die Struktur regelmäßiger. Berechnet man als einfache Kenngröße für das Streuverhalten des M-Wertes dessen Standardabweichung, so erhält man als typische Standardabweichungen für einwandfreie Welle Werte < 0,1, während die Standardabweichungen für "pfeifende" Wellen größer als 0,1 und typischwerweise größer als 0,15 sind.
Die Fig. 5a und Fig. 5b zeigen die Ergebnisse mit einem Perthen-Formtester der Fa. Mahr für diese Wellen. Erstaunlicherweise ist die Rundheitsabweichung bei der einwandfreien Welle, d.h. der Welle, die im eingebauten Zustand kein Pfeifen verursacht, mit ca 4μm größer als die Rundheitsabweichung bei der Pfeifen verursachenden Welle, deren Rundheitsabweichung ca. 2μm beträgt.
Aus den Fig. 3 und 5 erkennt man, daß sich im Protokoll des mechanischen Formtestgeräts kein signifikanter Unterschied zeigt, wohl aber im M-Wert, der erfindungsgemäß ermittelt worden ist. Auch bei der in den Fig. 4a und 4b dargestellten Fouriertransformierten des Meßergebnisses sieht man deutlich einen Unterschied zwischen Wellen, die Pfeifen verursachen und solchen, die keines verursachen. Bei einer systematisςhen
Untersuchung hat sich herausgestellt, daß bestimmte Gestaltsfehler immer zu Maxima in bestimmten Ordnungen führen: Beispielsweise hatten alle Wellen, die Pfeifen verursachten, Maxima in ca. der 220. Ordnung.
Vorstehend ist die Erfindung exemplarisch beschrieben worden. Innerhalb der erfindungsgemäßen Grundgedanken sind die verschiedensten Modifikationen möglich:
Beispielsweise können die Achse der Lichtempfängerzeile und die Vorschubrichtung einen Winkel einschließen: Hierdurch wird die effektive Breite eines Lichtempfangselements herabgesetzt und damit die Auflösung vergrößert.
Ferner können die verschiedensten optischen Anordnungen verwendet werden; selbstverständlich ist es auch möglich, den Abtast-Lichtstrahl unter nahezu 90° auf die zu untersuchende Oberfläche auftreffen zu lassen. Auch können anstelle von sphärischen Abbildungselementen solche mit Zylinderwirkung verwendet werden, so daß die Spaltgeometrie in Abtastrichtung oder senkrecht hierzu dem Meßproblem angepaßt werden kann.
In jedem Falle hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß es mit ihr möglich ist, auch über Nuten, Bohrungen etc. hinweg zu messen. Ferner können spezielle Oberflächengestaltungen softwäremäßig ausgeblendet werden.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Vorrichtung zur optischen Ermittlung von Gestaltsfehlern niedriger Ordnung
- mit einer Lichtquelle, deren Licht den zu untersuchenden Körper abtastet,
- einer Lichtempfangseinrichtung für das vom Körper reflektierte Licht, und
- einer Auswerteeinheit, die aus dem Ausgangssignal der Lichtempfangseinrichtung den Neigungswinkel (X) des abgetasteten Flächenelements des Körpers bestimmt, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung aus einer Vielzahl von zellenförmig angeordneten Lichtempfangselementen besteht, und daß die Auswerteeinheit aus allen Ausgangssignalen der Lichtemfangselemente den Neigungswinkel bestimmt.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit aus den Ausgangssignalen nj der Lichtempfangselemente den Neigungswinkelα des abgetasteten Flächenelements gegen ein Referenzelement in der Oberfläche des Körpers entsprechend der Beziehung
/ /
Figure imgf000015_0001
bestimmt, wobei bedeuten:
Figure imgf000015_0002
k+1 : Zahl der Lichtempfangselemente nj : Amplitude des Ausgangssignals des Lichtempfangselements j b : Breite eines Lichtempfangselements f : Abstand der zellenförmigen Anordnung der Lichtempfangselemente von dem untersuchten Flächenelement Xj : Abstand des Lichtempfangselements j vom Element
"0" und
Element "0": Lichtempfangselement, auf das das Licht bei "idealer" Reflexion am Referenzelement auftrifft.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Auswerteeinheit eine Integrationsschaltung nachgeschaltet ist, die zur Ermittlung der Profilkurve f(x) des Körpers das zum Neigungswinkel α des jeweiligen Flächenelements proportionale Ausgangssignal der Auswerteschaltung integriert.
4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3 , dadurch gekennzeichnet, daß eine Transformationsschaltung vorgesehen ist, die das Ausgangssignal der Auswerteeinheit und /oder das Ausgangssignal der Integrationsschaltung einer Fourier-Transformation unterzieht.
5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 , dadurch gekennzeichnet, daß die Achse des die Oberfläche abtastenden Lichtstrahls mit der Flächennormale der idealen Oberfläche einen Winkel ungleich Null einschließt, und daß zur Abbildung des reflektierten Lichts auf die Lichtempfangseinrichtung ein Linsensystem vorgesehen ist, dessen Abstand von der Oberfläche und von der Lichtempfangseinrichtung jeweils in etwa gleich der Brennweite des Linsensystems ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß der die Oberfläche abtastende
Lichtfleck zur optischen Filterung von Rauheitseinflüssen senkrecht zur Äbtastrichtung wesentlich größere Abmessungen als in Abtastrichtung hat.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Abmessung des Lichtflecks in Abtastrichtung in etwa gleich der Wellenlänge der kleinsten noch aufzulösenden Gestaltsfehler ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 , dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale der Lichtempfangselemente zusätzlich zur Bestimmung der Rauheit dar untersuchten Oberfläche herangezogen werden.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit aus den Ausgangssignalen der Lichtempfangselemente die Rauheit der Oberfläche nach den Gleichungen
U J £
Figure imgf000017_0001
ermittelt, wobei bedeuten, wi : der von dem jeweiligen Lichtempfangselment erfaßte
Winkel der Streustrahlung, k+1 : die Zahl der Lichtempfangselemente, w : der Mittelwert aus den Werten P i und w i , Pi : das nach Gleichung c) normierte Meßsignal ni, und gi : Korrekturfaktoren für das Meßsignal ni .
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtempfangseinrichtung eine Diodenzeile ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Achse der Lichtempfangselement-Zeile mit der Abtastrichtung einen spitzen Winkel einschließt.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11 , gekennzeichnet durch eine Teleskopoptik, die das reflektierte Licht auf die Lichtempfangseinrichtung abbildet.
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