DE2723329A1

DE2723329A1 - Vorrichtung zum pruefen von oberflaechen

Info

Publication number: DE2723329A1
Application number: DE19772723329
Authority: DE
Inventors: Graham Morley Clarke
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1976-05-27
Filing date: 1977-05-24
Publication date: 1977-12-08
Also published as: JPS52146682A; GB1580196A; SE7706187L; US4139307A; SE421566B

Description

2723323

Unser Zeichen: A 14 025 Lh/fi

Ferranti Limited

Hollinwood, Lancashire, England

Vorrichtung zum Prüfen von Oberflächen

709849/1010

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Prüfen von Oberflächen, insbesondere zum Messen des Glanzes einer Oberfläche.

Der Glanz einer Oberfläche kann definiert werden und wird hier so verwendet als das Maß, in welchem ein von der Fläche reflektierter Lichtstrahl in der Richtung konzentriert wird, in der der Strahl reflektiert werden würde, wenn die Oberfläche ein vollkommener Reflektor wäre.

Vorrichtungen zum Messen des Glanzes einer Oberfläche sind bekannt, bei denen ein Lichtstrahl auf eine Fläche geworfen wird, wobei ein Empfänger mit einer kleinen Öffnung in der Ebene des einfallenden Strahles am Ort des reflektierten Strahles angeordnet ist, um die maximale Menge an reflektiertem Licht aufzufangen, wobei ferner der Empfänger aus dieser Ebene herausbewegt wird auf beiden Seiten, um Licht aufzufangen, das von der Oberfläche gestreut wird. Die Intensität des Lichtes, das als Funktion des Winkels empfangen wird, um den der Empfänger aus der Ebene der wahren Spiegelreflexion herausbewegt wird, fällt mit einer Rate, die vom Glanz der Oberfläche abhängt, behält jedoch die allgemeine Form eines abgerundeten Impulses bei.

Eine solche Messung kann eine beträchtliche Zeit erfordern, da die Oberfläche stationär über die Meßdauer gehalten wird und sie eignet sich nicht zum Überwachen des Glanzes einer großen Fläche an einer Vielzahl von Stellen auf der Fläche.

Nach einer anderen Methode wird das Licht gleichzeitig an mehr als einer Winkelposition gemessen, muß jedoch vollständig verdoppelt werden, um an mehr als einem Punkt messen zu können, was eine Mehrzahl von Empfängern erfordert und

709849/1010

außerdem ungenau ist wegen des Verlustes an Details infolge der Verteilung des Lichtes zwischen den Empfängern und der Wechselwirkung infolge gleichzeitigen Empfangs.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art in einfachem Aufbau zu schaffen, die es ermöglicht, den Glanz einer Oberfläche an einer Vielzahl von Punkten mit hoher Geschwindigkeit zu messen.

Erfindungsgemäß wird dies erreicht durch eine Sendestation, von der aus ein Lichtstrahl auf die Oberfläche gerichtet und wiederholt über die Oberfläche geführt wird, eine Empfangsstation mit einem Lichtdetektor, einem den Detektor enthaltenden Gehäuse, das sich quer über die Fläche erstreckt und eine Vielzahl von Schlitzen in einer seiner Wände hat, durch die Licht den Detektor erreichen kann, wobei die Wand so verläuft, daß die Schlitze Licht empfangen, das in einem spiegelbildlichen Winkel reflektiert worden ist und die Schlitze sind so im Abstand angeordnet, daß der reflektierte Strahl in jeden Schlitz nacheinander eintritt, damit der Detektor eine Folge von Impulsen erzeugt, von denen jeder die charakteristischen Merkmale des Glanzes der untersuchten Fläche aufweist, ferner durch Meßeinrichtungen zum Messen der Dauer der Detektorimpulse auf einem vorgegebenen Pegel bezüglich der Amplitude jedes Impulses, um ein Signal zu erzeugen, das den Glanz des Teiles der Fläche angibt, der den Impuls auslöst.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch einen von einer ebenen Fläche reflektierten Lichtstrahl mit den zugehörigen Winkeln bei der Messung des Glanzes zeigt.

709849/1010

Fig. 2 zeigt die Veränderung der Intensität des reflektierten Lichtes abhängig von der Abweichung von der Ebene des einfallenden Strahles.

Fig. 3 zeigt vereinfacht und perspektivisch eine Vorrichtung nach der Erfindung.

Fig. 4 zeigt in Draufsicht eine Wand eines Gehäuses nach Fig. 3 mit einer Reihe paralleler Schlitze.

Fig. 5 zeigt die Wellenform eines Detektorsignales für eine einzige Abtastung der Fläche.

Fig. 6a zeigt eine Schaltung eines Teils der Meßeinrichtung.

Fig. 6b zeigt Wellenformen, die in der Schaltung nach Fig. 6a auftreten.

Fig. 7 zeigt in Draufsicht eine alternative Ausführungsform der Gehäusewand.

Fig. 8 zeigt schematisch einen Schnitt durch eine Vorrichtung nach der Erfindung mit einer Fehler-Meßeinrichtung, und

Fig. 9 zeigt schematisch im Schnitt eine andere Ausführungsform der Einrichtung nach Fig. 8.

Nach Fig. 1 fällt ein Lichtstrahl 10 auf eine ebene Fläche 11, die einen hohen Glanzwert hat, und er wird als Strahl 12 reflektiert, wobei der einfallende und der reflektierte Strahl im wesentlichen denselben Winkel Cj/ zur Normalen auf die Ebene 11 bilden und im wesentlichen in derselben Ebene 13 liegen.

709849/1010

* 272332⁽J

Wenn der Glanz geringer ist als vollkommener Glanz, so ergeben sich Lichtkomponenten, die in einem Winkel j^ οζ in der Ebene 13 und in einem Winkel + V außerhalb dieser Ebene, d.h. in der Ebene 14 reflektiert werden. Wenn ein Detektor für das reflektierte Licht in der Ebene 14 bewegt wird und das erzeugte Signal ist direkt proportional zur Intensität I des empfangenen Lichtes, so hat eine Kurve von I ty) über γ die Form eines abgerundeten Impulses, wie Fig. zeigt. Die Impulsform ist ein Charakteristikum der Fläche und es wird bemerkt, daß bei einer gegebenen oder bestimmten Impulsamplitude der Glanz der Oberfläche um so stärker ist, je schmaler der Impuls in einer gegebenen Höhe ist.

Nach Fig. 3 wird diese Eigenschaft erfindungsgemäß ausgenutzt, um eine große Anzahl von Messungen durchzuführen durch Bewegen einer Materialbahn 16 an dem Meßsystem vorbei. Die Vorrichtung 17 umfaßt eine Sendestation 18 mit einer Lichtquelle 19, zweckmäßigerweise ein Gaslaser niedriger Energie, der einen kontinuierlichen Strahl 20 erzeugt, ferner einen drehbaren, mit einer Vielzahl von Facetten versehenen Spiegel 21, der den Strahl 20 über die Fläche 16 längs einer Linie führt, die sich quer zur Bewegungsrichtung der Bahn zwischen den Begrenzungen 23 und 24 erstreckt. Das Licht fällt auf die Fläche in einem Winkel ^ zur Normalen der Fläche, wobei sich der Winkel nur schwach während der Abtastung ändert. Das von der Fläche reflektierte Licht 20' bildet im wesentlichen einen gleichen Winkel C\ zur Normalen. Eine Empfangsstation 25 mit einem Gehäuse 26, das nicht gezeigte Fotodetektor-Einrichtungen enthält, ist so angeordnet, daß der reflektierte Strahl 20' auf die Wand 27 des Gehäuses während der Abtastung fällt. Die Wand 27 ist auch in Fig. 4 gezeigt und sie weist eine Vielzahl von Schlitzen 28 auf, durch die der Strahl in das Gehäuse an einer Vielzahl von Stellen während der Abtastung eintreten kann. Die Schlitzabmessungen

709849/1010

272332B

sind so gewählt, daß die Schlitzlänge das gesamte Licht aufnehmen kann, das zwischen dem Winkel (c/ + Δ {^ ) in der Bewegungsrichtung der Fläche reflektiert wird, jedoch begrenzt in Richtung der Abtastung, um eine Auflösung von etwa 1 Grad zu erhalten. Eine solche Auflösung kann erreicht werden durch eine Schlitzheite von z.B. 1,7 nun wenn die Empfängerwand 24 z.B. 100 mm von der Fläche entfernt angeordnet ist.

Wenn im Betrieb der Strahl 20 über die Fläche streicht, tritt der reflektierte Strahl 20' in das Gehäuse 26 nacheinander durch jeden Schlitz 28 ein, worauf der Detektor ein Signal erzeugt, das eine Reihe von Impulsen 29 mit der Wellenform nach Fig. 5 aufweist.

Jeder Impuls 29 entspricht einem Schlitz 25 und hat in der Form die charakteristischen Merkmale des Impulses nach Fig. Um für die Weiterverarbeitung eine Gruppe von Impulsen bzw. Impulsbereichen zu erhalten, ist auf den Abstand zwischen benachbarten Schlitzen zu achten. Es wurde festgestellt, daß bei allen, außer bei relativ matten Materialien das Ansprechvermögen des Empfängers auf das reflektierte Licht ausreichend niedrig bei 45° vom Maximum ist, um einen Abstand der Schlitze zu ermöglichen, der mit dem Abstand des Empfängers vom Material vergleichbar ist. Beispielsweise bei einer Bahn mit 600 mm Breite und einem Abstand des Empfängers von der Bahn von 1OO mm können sechs parallele Schlitze verwendet werden.

Fig. 6 zeigt wie das Ausgangssignal des Detektors an die Meßeinrichtung 30 gelegt wird über ein nicht gezeigtes Verstärkungs-Einstellsystem, um während der gesamten Abtastung Ansprech-Signale gleicher Amplitude zu erzeugen. Dies kann erreicht werden durch Verwendung von Filteranordnungen neutraler Dichte oder eine digital gespeicherte Profiltechnik, um

709849/1010

272332B

Empfängerveränderungen und Veränderungen infolge der Veränderung des Einfallswinkels auszuschalten bzw. zu beseitigen. Die Meßeinrichtung umfaßt einen Komparator 31 mit einem ersten Eingang 32 zum Empfang des Detektorsignales, das eine Folge von Impulsen 29 aufweist (Fig. 6b (i)), sowie einem zweiten Eingang 33, der an eine Schwellwertspannung angeschlossen ist, die auf die halbe Amplitude des Impulses 29 eingestellt ist. Der Komparator erzeugt ein Vergleichssignal nur dann, wenn das Detektorsignal den Schwellwert übersteigt, wobei das Komparatorsignal einen Rechteckimpuls 35 enthält, wie in Fig. 6b (ii) gezeigt ist. Ein Taktimpulsgenerator 36 liefert einen Zug von Taktimpulsen über eine Leitung 37 an eine Gruppe von UND-Toren 38, 39 .... , eines für jeden Schlitz. Jedes Tor speist einen individuellen Zähler 40, 41 .... der Taktimpulse. Die Ausgänge des Komparators und des Taktgebers werden als Eingänge an jedes Tor gelegt, wobei ein weiterer Eingang in Form eines Steuersignales von einer nicht gezeigten Steuereinrichtung an die Tore gelegt wird, das jedes Tor nacheinander öffnet für die Dauer des Komparatorausgangsimpulses, um Taktimpulse zum Zähler durchzulassen (Fig. 6b (iii) .

Die Anzahl von Taktimpulsen, die in jedem Zähler während einer einzigen Abtastung gezählt wird, kann auf den Teil der Oberfläche bezogen werden, von dem das Licht reflektiert worden ist und jede Gesamtzahl bildet eine Messung des Glanzes der Oberfläche und zwar durch die Breite des Detektorimpulses bei seiner halben Amplitude.

Die Breite des Impulses kann auch in anderer Weise als an seiner halben Amplitude und mit anderen Mitteln als durch Zählung von Impulsen gemessen werden. Die Breitenmessung kann in analoger Form unter Verwendung von Integratoren vorgenommen werden oder es kann ein Vergleich mit einem Detektor-

709849/1010

2723323

Normimpuls gemacht werden durch Darstellung des Detektorsignales auf einer Kathodenstrahlröhre und überlagerung eines Gitternetzes ir.it der gewünschten Impulsform.

Bei der oben beschriebenen Vorrichtung liefern alle Schlitze der Gehäusewand Informationen über den Oberflächenglanz in einer Richtung quer zur Bewegung der Bahn. Wenn die Oberfläche ein anisotropes Ansprechverhalten zeigt, d.h. wenn die Streuung des Lichtes von der Orientierung der Oberfläche bezüglich des einfallenden Strahles abhängt, kann die Vorrichtung wie in Fig. 7 gezeigt modifiziert werden, wobei die Gehäusewand 27 mit Schlitzen 28 versehen ist, die abwechselnd im Kinkel zueinander angeordnet sind. Eine gewalzte Oberfläche z.B. ist am rauhesten oder gröbsten in Richtung ihrer Breite und die Schlitze werden senkrecht zueinander unter 45° zur Längsrichtung der Wand angeordnet. Das Gehäuse ist bezüglich der Oberfläche so angeordnet, daß der Strahl die Oberfläche unter 45° zur Bewegungsrichtung der Fläche überstreicht, so daß bei einer vollständigen Abtastung alternierende Schlitze eine Information über den Glanz der Oberfläche aufgrund der Komponente des einfallenden Strahles liefern, die längs und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Fläche reflektiert werden. Wenn die Oberfläche am rauhesten oder gröbsten in einem anderen Winkel zur Bewegungsrichtung ist, wird der Winkel zwischen benachbarten Schlitzen modifiziert entsprechend den Erfordernissen.

Die Fig. 8 und 9 zeigen alternative Ausführungsformen der Vorrichtung, bei denen die Messung des Glanzes kombhiert wird mit der Messung von Oberflächenfehlern. Der von der Oberfläche reflektierte Strahl wird durch einen Strahlteiler geführt, der einen Teil des Strahles auf einen Fehler-Empfänger 46 richtet, der das gesamte Licht des Teiles des Strahles, der auf ihn fällt, sammelt und der auf eine Änderung der

709849/1010

Stärke des Lichtes anspricht, das während der Abtastung empfangen wird, um Oberflächenfehler anzuzeigen, die das örtliche Reflexionsvermögen der Fläche beeinflussen. In Fig. 8 ist der Fehler-Empfänger als separates Gehäuse gezeigt, während in Fig. 9 die beiden Gehäuse zu einer Einheit zusammengefaßt sind.

709849/1010

Claims

Patentansprüche

( 1.j Vorrichtung zum Prüfen einer Fläche, insbesondere

zum Messen des Glanzes einer Fläche, die an der Vorrichtung vorbeigeführt wird, mit einer Sendestation, von der aus ein Lichtstrahl auf die Fläche gerichtet und wiederholt über die Fläche geführt wird, und einer Empfangsstation, die einen Lichtdetektor aufweist, gekennzeichnet durch ein den Detektor enthaltendes Gehäuse, das sich über die Fläche erstreckt und eine Mehrzahl von Schlitzen in einer Wand aufweist, durch die Licht auf den Detektor fallen kann, wobei die Wand und die Schlitze so angeordnet sind, daß die letzteren Licht empfangen, das im spiegelbildlichen Winkel reflektiert worden ist und die Schlitze derart im Abstand voneinander angeordnet sind, daß der reflektierte Strahl nacheinander in jeden Schlitz eintritt, worauf der Detektor eine Folge von Impulsen erzeugt, von denen jeder das charakteristische Merkmal des Glanzes der untersuchten Oberfläche besitzt, und daß Meßeinrichtungen vorgesehen sind zum Messen der Dauer der Detektorimpulse in einer vorgegebenen Höhe bezüglich der Amplitude jedes Impulses, um ein Signal zu erzeugen, das den Glanz des Teiles der Oberfläche angibt, von dem der Impuls verursacht wurde.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtstrahl zur Abtastung der Oberfläche quer zu deren Bewegungsrichtung über diese führbar ist und die Schlitze längs der Abtastrichtung des Strahles angeordnet sind, und daß sich jeder Schlitz quer zur Abtastrichtung des Strahles erstreckt und in Abtastrichtung eine vorgegebene Breite aufweist.

709849/1010 ORIGINAL INSPECTED

272332b
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der Lichtstrahl zur Abtastung der Oberfläche im wesentlichen unter 45° zur Bewegungsricht ing der Fläche über diese führbar ist, daß sich das Gehäuse längs der Abtastrichtung erstreckt und die Schlitze abwechselnd rechtwinkelig zueinander angeordnet sind, derart, daß einige längs der Bewegungsrichtung der Fläche und die anderen quer zu dieser verlaufen, und daß jeder Schlitz eine vorgegebene Breite im wesentlichen unter 45° zur Abtastrichtung aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die vorgegebene Breite des Schlitzes einen Winkel des reflektierten Strahles von im wesentlichen ein Grad umfaßt.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anbrüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstand der Schlitze derart gewählt ist, daß wenn ein Schlitz direktes Licht empfängt, das spiegelnd bzw. im Spiegelwinkel reflektiert worden ist, daß dann benachbarte Schlitze nicht in der Lage sind, Licht zu empfangen, das in der Ebene des spiegelnd reflektierten Strahles in einem Winkel von weniger als 45° gestreut ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Meßeinrichtung eine Schwellwerteinrichtung aufweist, die auf Detektorimpulse anspricht, die einen vorgegebenen Schwellwert übersteigen, um eine Mehrzahl von Taktimpulsen zu wählen, und daß die Anzahl von Taktimpulsen, die für jeden Detektorimpuls gezählt worden ist, eine Anzeige für den Glanz der Oberfläche bildet.

7098A9/1010
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeich net, daß die Schwellwerteinrichtung einen Komparator aufweist, um das Detektorsignal mit einer Schwellwertspannung zu vergleichen und ein Komparatorsignal zu liefern während das Detektorsignal die Schwellwertspannung übersteigt, daß eine Taktimpulsquelle vorgesehen ist, ferner eine Mehrzahl von Toren, wobei die einzelnen Tore den einzelnen Schlitzen zugeordnet sind und die Komparatorsignale und die Taktimpulse an die Tore gelegt werden, daß eine Steuereinrichtung vorgesehen ist, um jedes Tor nacheinander zu öffnen wenn der reflektierte Strahl auf den zugehörigen Schlitz trifft, um dieses Tor in Stand zu setzen, Taktimpulse für die Dauer des Komparatorsignales durchzulassen und daß Zähleinrichtungen vorgesehen sind, die mit jedem Tor verbunden sind, um die Taktimpulse zu zählen, wobei die Gesamtzahl eine Anzeige für den Glanz der Fläche ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Schwellwertspannung auf im wesentlichen die Hälfte der Amplitude des Detektorsignales eingestellt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch einen Oberflächen-Fehler-Detektor, der auf eine Änderung der Intensität des reflektierten Strahles anspricht, um ein Signal zu liefern, das einen Oberflächenfehler anzeigt, der eine Absorption oder Ablenkung des Strahles verursacht, und durch einen Strahlteiler, der so angeordnet ist, daß das von der Oberfläche reflektierte Licht sowohl auf die Empfängerstation als auch auf den Oberflächen-Fehler-Detektor gerichtet wird.

709849/1010