DE102006026775B4 - Verfahren und Vorrichtung zur Charakterisierung bewegter Oberflächen - Google Patents

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Abstract

Optoelektronisches Verfahren zur Charakterisierung bewegter Oberflächen unter Verwendung eines konfokalen chromatischen Sensors, wobei von der untersuchten Oberfläche rückgestreutes Licht spektral aufgelöst auf ein Detektorarray abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Integration des auf das Detektorarray abgebildeten Streulichts über eine definierte Messstrecke ein Summenspektrum gebildet wird, das hinsichtlich seiner Form ausgewertet wird.

Description

  • Berücksichtigte Dokumente:
  • Beschreibung:
  • Die Erfindung bezieht sich auf ein optoelektronisches Verfahren und Messsystem zur berührungslosen Charakterisierung schnell bewegter Oberflächen und das unabhängig von der Bewegungsgeschwindigkeit. Zu bestimmende charakteristische Merkmale der Oberfläche sind Rauheit, aber auch Periodizitäten und Verteilungsmuster von Höhen und Tiefen im Rauheitsprofil.
  • Stand der Technik
  • Zur optischen Formvermessung von Oberflächen werden verschiedene Verfahren genutzt:
    • – Das Streifenprojektionsverfahren, bei dem die Verformung der Lichtstreifen eines projizierten Streifengitters durch die gekrümmte Oberfläche eines Messobjekts mit Kameras aufgenommen und ausgewertet wird. Dieses Verfahren, auf kleine Flächen angewandt, ist geeignet, z.B. die Textur der menschlichen Haut darzustellen, aber die Auflösung reicht nicht aus, die Rauheit einer Oberfläche zu bestimmen.
    • – Die Triangulation als Abstandssensor, mit dem die Oberfläche abgerastert wird. Auch dieser Sensor bietet nicht die erforderliche Genauigkeit, um Rauheiten zu messen.
    • – Die optische Kohärenzinterferometrie, die eine Lichtquelle mit kurzer Kohärenz, zum Beispiel eine Superlumineszenzdiode (SLD), in Verbindung mit einer Michelson-Interferometeranordnung benutzt. Hiermit lässt sich eine typische Auflösung von 5 μm axial und 3 μm lateral erreichen, ebenfalls nicht ausreichend zur Rauheitsmessung.
    • – Ein einfaches Verfahren mit hoher Auflösung basiert auf einem chromatischen, konfokalen Sensor, mit dem eine Oberfläche abgerastert wird. Dabei wird Licht einer bestimmten spektralen Bandbreite (Weißlicht einer Halogenlampe) durch eine Linse, ein Objektiv oder ein diffraktives Element (Pruss et al. [8]) fokussiert. Die gewünschte chromatische Aberration des fokussierenden Elements führt dazu, dass die unterschiedlichen Spektralanteile des Lichtstrahls mit unterschiedlichen Abstanden zu diesem Element fokussiert werden. Innerhalb dieses Fokusbereichs wird einem bestimmten Abstand eine Wellenlange des Lichts zugeordnet. Dabei ist der Fokusabstand des kurzwelligen Anteils des Spektrums kleiner als der des langwelligen Anteils [5]. Befindet sich nun die Oberfläche eines Gegenstands innerhalb dieses Fokusbereichs, dann wird die Wellenlänge mit höchster Intensität reflektiert oder zurückgestreut, deren Fokuslage genau mit dem Abstand zur Oberfläche übereinstimmt. Wird nun die reflektierte oder gestreute Lichtintensität in konfokaler Anordnung über ein dispersives Element (Prisma oder Gitter) auf ein lineares Detektorarray geleitet, dann erhält man durch die Wellenlängenaufspaltung aus der Lage des Maximums der Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray den genauen Abstand zum Objekt und durch Abrastern des Objekts über die Abstandsinformation auch die Form des Objekts. Solche Anordnungen sind in den Schriften [5], [6] und [4] sowie [1] beschrieben.
  • Bei entsprechend guten Fokussiereigenschaften der optischen Anordnung lassen sich nach dem zuletzt beschriebenen Verfahren auch Rauheiten von Oberflächen messen, indem während des Abrasterns der Oberfläche die jeweilige Lage des Intensitätsmaximums auf dem Detektorarray aufgezeichnet und aus den Lageänderungen die Rauheit des Objekts statistisch berechnet wird. Auf diese Anwendungsmöglichkeit beziehen sich die Schriften [2] und [7]. In [6] wird mit dieser Methode die Dicke der Glasschicht eines Rohres durch den Abstand der spektralen Maxima (von Vorder- und Rückseite) auf dem Array und die Registrierung dieser Werte beim Drehen des Rohres gemessen. Außerdem wird ein Verfahren zum unabhängigen Kalibrieren des Messkopfes und des Spektrographen aufgezeigt. In [3] ist eine Variante für ebenfalls transparente Objekte beschrieben, wobei die Oberfläche erst metallisiert und dann gemessen wird.
  • Aufgabenstellung
  • Die Verfahren zur berührungslosen Messung der Rauheit von Oberflächen, wie in den oben angeführten Patentschriften beschrieben, beziehen sich auf die optisch abgetastete Abstandsinformation einer Oberfläche bezüglich einer Referenzebene (wie auch in [1]), ähnlich wie bei den taktilen Rauheitssensoren. Aus der Änderung der Abstandskoordinaten über den Weg kann die Rauheit berechnet werden.
  • Diese Verfahren eignen sich nicht, um die Rauheit von sehr schnell bewegten Oberflächen und unabhängig von der Geschwindigkeit zu bestimmen. So zum Beispiel zur Bestimmung der Rauheit von Papieroberflächen bei der Papierproduktion mit bis zu 50 m/s, um rückgekoppelt in den Herstellungsprozess eingreifen zu können, oder zur Qualitätskontrolle in der Metallindustrie bei der Herstellung von Blechen in den Walzwerken. Das Registrieren von Abstandskoordinaten ist auch deshalb nicht geeignet, da die Objekte sich nicht unbedingt in definiertem Abstand zum Sensor schnell bewegen, sondern leichte Flatterbewegungen ausführen können, die mit der Oberflächenrauheit in keiner Beziehung stehen. Außerdem sind Rechenschritte zur Bestimmung der Rauheit zeitlich zu aufwendig, um bei schnell bewegten Objekten in kurzen Intervallen die Rauheit der Oberfläche für einen Regelzyklus zur Verfügung zu stellen.
  • Um diese Aufgabe zu lösen, wird ein konfokaler, konventioneller Weißlichtsensor mit großer Bandbreite verwendet, aber jetzt werden nicht beim schnellen Durchbewegen des Objekts die Abstandswerte zu einer Referenzebene über die Lage des Intensitätsmaximums auf dem Array bestimmt, sondern die Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray während eines bestimmten Zeitintervalls, das bei der Geschwindigkeit des Objekts einer vorgegebenen Distanz entspricht, laufend zu einem Summenspektrum aufintegriert. Die Form dieses Spektrums ergibt ein Maß für die Rauheit. Bei großer Rauheit ist das Spektrum breit, bei geringer Rauheit ist die spektrale Verteilung des Summenspektrums schmal. Da es bei dieser Betrachtung nur auf die Form des Spektrums ankommt und nicht auf die genaue Positionierung auf dem Array, werden keine absoluten Abstandswerte benötigt und das Verfahren ist unabhängig von der Geschwindigkeit mit der sich das Objekt bewegt. Aussagen über die Qualität der Oberfläche ergeben sich ebenfalls aus der Form des Spektrums, je nachdem ob es Schultern, Asymmetrien oder Doppelgipfel aufweist.
  • Die Zeitintervalle für einen Messzyklus können beispielsweise durch gepulste Lichtquellen bestimmt werden. Werden die Zeitintervalle und damit die Messstrecke auf dem Objekt zu lang für die Integrationsfähigkeit des Detektorarrays, dann werden diese Teilsummenspektren in ein weiteres Speichermedium ausgelesen und dort zum endgültigen Summenspektrum aufaddiert.
  • Flatterbewegungen des Objekts, die wesentlich langsamer ablaufen als die Messzyklen für eine bestimmte Wegstrecke des Objekts, können durch ein rückgekoppeltes Nachstellen des Sensorkopfes ausgeglichen werden, indem z.B. die Lage des Schwerpunktes der spektralen Verteilung auf dem Array konstant gehalten wird.
  • Ausführungsbeispiel
  • Das optische Messsystem zur Bestimmung der Rauheit von Oberflächen, unabhängig von der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche und entsprechend der Aufgabenstellung, besteht aus fünf Einheiten, die in 1 skizziert sind.
  • Die Einheit (10) umfasst die Lichtquelle mit einer definierten Spektralbreite, die entweder kontinuierlich, getaktet oder wie hier vorzugsweise gepulst betrieben wird. Der gepulste Betrieb der Lichtquelle, bis 1 μs Pulslänge, ist dann erforderlich, wenn beispielsweise bei einer Oberflächengeschwindigkeit von 50 m/s die Rauheit über ein kurzes Streckenintervall von 50 μm ermittelt werden soll.
  • Die Einheit (20) beschreibt den Sensorkopf. Das Fokussierelement (1), Linse (L1), fokussiert die parallel gerichtete elektromagnetische Strahlung (16) (sichtbares Licht oder IR-Strahlung) auf die Blende (3), bzw. in die Eintrittsöffnung einer Lichtleitfaser (4), vorzugsweise einer Monomodefaser. Die flexible Lichtleitfaser bietet den Vorteil, dass die Elemente (10) und (30) räumlich von dem abbildenden Element (20) getrennt werden können.
  • Die Einheit (20), in konfokaler Anordnung, besteht im wesentlichen aus dem Fokussierelement (5), Linse (L4) oder ein Linsenensemble, mit definierter chromatischer Aberration, sodass der Abstand Δz zwischen dem Fokus der kürzesten Wellenlänge im angewandten Spektralbereich (z.B. λ1) und dem Fokus der größten Wellenlänge im Spektralbereich (z.B. λ3) den Messbereich bestimmt, in dem der Fokus einer definierten Wellenlänge (z.B. λ2, wobei gilt: λ1 < λ2 < λ3) exakt auf der zu messenden Oberfläche zu liegen kommt. Somit wird diese Wellenlange mit der höchsten Intensität zurückgestreut oder reflektiert. Das Licht dieser Wellenlange wird entweder durch (5) auf die Blende (3) oder in einer anderen Ausprägung der Messanordnung in die Lichtleitfaser (4) zurück geleitet. Der Strahl wird dann durch den Strahlteiler (2) in den Eintrittsspalt (31) der Detektoreinheit (30) geleitet, wobei die Linsenanordnung L2 und L3 den Strahl auf den Spalt beziehungsweise Blende (31) konzentriert.
  • In der Detektoreinheit (30) bildet das Dispersionselement (32) (Prisma oder Gitter) den Spalt auf einem Photodetektor (33) ab, der aus einer Vielzahl von Photoelementen in linearer Anordnung (Array) besteht, und trennt dabei den Wellenlängenbereich über die Länge des Detektorarrays auf. Das Detektorarray summiert den von der Oberfläche zurückgestreuten Spektralinhalt über ein bestimmtes Zeitintervall auf, das entsprechend der Geschwindigkeit der bewegten Oberfläche einer definierten Messstrecke entspricht. Beispielsweise entspricht bei einer Geschwindigkeit von 50 m/s die Messstrecke von 50 μm einem Zeitintervall von 1 μs. Das Detektorarray muss somit mit hoher Geschwindigkeit ausgelesen werden. Der Inhalt, die spektrale Integration über die Messstrecke, wird für die Addition mehrer solcher Spektren oder die weitere Verarbeitung der Spektren in einen Speicher (34) verschoben.
  • Ein Rauheitsparameter ergibt sich aus der Breite der integrierten spektralen Verteilung. Auf diese Weise kann das Summenspektrum über eine beliebig definierte Messstrecke ermittelt werden und die spektrale Verteilung zur Rauheitsbestimmung herangezogen werden. Die Feinanalyse der Spektralverteilung lässt noch zusätzlich Aussagen über die Oberflächenstruktur (Skizze 3a3d) zu. Da die Bedruckbarkeit einer Papieroberfläche als wichtiges Qualitätsmerkmal von der Verteilung der Höhen und Tiefen im Rauheitsprofil abhängt, ist nicht nur ein statistischer Rauheitsparameter der Papieroberfläche zur Qualitätskontrolle erforderlich, sondern zusätzlich Aussagen über die Form der Spektralverteilung. Diese wird in dem Element (40) ermittelt.
  • Die Einheit (40) ist die Auswerteeinheit und besteht aus einem Rechner mit Auswertesoftware oder einer Hardwarekonfiguration.
  • Die Einheit (50) beschreibt ein Nachstellelement. Es ist nicht davon auszugehen, dass der mittlere Abstand der zu messenden Oberfläche sich immer zentral im Messbereich Δz befindet, sondern sich durch Flatterbewegungen nach oben und unten verschieben kann. Wenn das Abdriften der Oberfläche langsam gegenüber der Messzeit des Summenspektrums erfolgt, muss keine Korrektur erfolgen, da nicht die Abstandsinformation zur Oberfläche (Lage des momentanen Intensitätsmaximums auf dem Detektorarray) für die statistische Rauheitsberechnung berücksichtigt wird, sondern nur die spektrale Verteilung des Summenspektrums, unabhängig von der Lage auf dem Detektorarray. Dennoch kann durch Zusammenwirken von Auswerteeinheit (40) und Nachstelleinheit (50) die Oberfläche zentral im Messbereich Δz gehalten werden, indem Auswerteeinheit (40) die Lage des Schwerpunkts der Intensitätsverteilung auf dem Detektorarray bestimmt und Signale an die Nachstelleinheit (50) überträgt, die durch Nachregeln des Abstands von Einheit (20) zur Oberfläche diese zentral im Messbereich Δz hält.
  • Nachfolgend sollen die Einheiten der Messanordnung mit ihren charakteristischen Merkmalen etwas genauer beschrieben werden.
  • Die Einheit (10) beherbergt die Erzeugung der elektromagnetischen Strahlung, vorzugsweise im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich. Dies kann durch eine thermische Lichtquelle (11) (oder durch Gasentladung) mit definiertem (eingeschränkten) Spektralbereich erfolgen, die kurz gepulst oder getaktet werden kann. Die Strahlung wird durch das Element (15) (z.B. Linse L5) parallel gerichtet. Alternativ kann ein definierter Spektralbereich durch eine oder mehrere aufeinander abgestimmte Licht emittierende Dioden, LED, erzeugt werden. Das Licht der LED (12) wird durch Element (13) ebenfalls parallel gerichtet und durch einen Strahlteiler 14 umgelenkt. Bei mehreren LEDs müssen die Strahlteiler mit ihren Reflexions- und Durchlasseigenschaften so abgestimmt sein, dass durch Addition der Spektralanteile ein möglichst flaches Intensitätsprofil entsteht. Fokussierelement (1) konzentriert den Strahl durch einen Strahlteiler (2) hindurch auf eine kleine Blende (3), ein wichtiges Element für die konfokale Anordnung. Der Strahlengang durch die Blendenöffnung wird durch die Abbildungsoptik (5) mit ausgeprägter chromatischer Aberration fokussiert mit einem Fokusdurchmesser von ca. 1 μm bis einige μm. Anstelle der Blende (3) kann eine Lichtleitfaser (4) (Monomodefaser oder Multimodefaser bis 50 μm Kerndurchmesser) treten, deren Austrittsöffnung durch (5) im Fokus verkleinert abgebildet wird.
  • Das von der Oberfläche reflektierte oder zurückgestreute Licht derjenigen Wellenlänge, deren Fokus genau auf die Oberfläche trifft (die nicht fokussierten Wellenlängenanteile spielen bei der konfokalen Anordnung keine Rolle, da sie größtenteils ausgeblendet werden), wird durch (5) wieder auf die Blendenöffnung (3) konzentriert oder in die Lichtleitfaser eingekoppelt. Nach Umlenkung im Strahlteiler (2) und Abbildung auf den Eingangsspalt (31) von Einheit (30) erreicht das von der Oberfläche im Fokus reflektierte oder zurückgestreute Licht, durch das Dispersionselement (32) in seine Wellenlängenanteile aufgetrennt, das Detektorarray (33). Ein lokaler Punkt auf der Oberfläche erzeugt ein enges Wellenlängenspektrum entsprechend seiner Lage im Messbereich. Bewegt sich die Oberfläche eine bestimmte Distanz, dann addieren sich kontinuierlich die punktuellen Einzelspektren auf und die spektrale Summenverteilung durch Integration direkt auf dem Array oder im Speicher (34) ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit der sich die Oberfläche bewegt.
  • Diese spektrale Summenverteilung wird in der Analyseneinheit (40) ausgewertet, indem aus der spektralen Breite ein Rauheitsparameter abgeleitet wird, die Form der Verteilung nach Doppelgipfel und Asymmetrie (3) analysiert und der Verteilungsschwerpunkt bestimmt wird. Die Daten werden der Prozessüberwachung bei der Papierherstellung oder dem Walzen dünner Bleche zugeleitet. Die Lage des Schwerpunkts ist gleichzeitig das Signal für die Nachstelleinheit (50), die eine Abstandskorrektur zur Probenoberfläche durchführt, dergestalt, dass sich die Oberfläche zentral im Messbereich Δz befindet.
  • Eine weitere Ausprägung der Messanordnung besteht darin, dass die Verteilung des Summenspektrums und damit die Erfassung der Rauheit nicht nur von einer Messspur gebildet wird, sondern gleichzeitig von einer Vielzahl von parallelen Messspuren, damit ein ganzer Flächenbereich der Oberfläche, zum Beispiel während der Pulsdauer der Lichtquelle, zur Rauheitsbestimmung beiträgt. Diese Variante ist in 2 gezeigt. Hier wird das Fokussierelement (1) beispielsweise durch eine Zylinderlinse (L1') ersetzt, die aus dem Parallelstrahl (16) eine Fokuslinie erzeugt. Längs der Linie sind Lichtleitfasern (4') angeordnet, um die Strahlung optimal einzukoppeln. Die Austrittsöffnungen der Lichtleitfasern werden entweder über ein gemeinsames Objektiv oder über ein Mikrolinsenarray (5') auf die zu messende Oberfläche verkleinert abgebildet, sodass Fokusdurchmesser ebenfalls um 1 μm entstehen. Die einzelnen Linsen besitzen eine ausgeprägte chromatische Aberration. Es handelt sich bei dieser Anordnung um ein multifokales konfokales System. Das zurückgestreute Licht wird durch den länglichen Strahlteiler (2') und die Linsenanordnung (L2) und (L3) auf den Eingangsspalt (31) abgebildet. Die Bildung der spektralen Summenverteilung entspricht der zuerst beschriebenen Variante.
  • Die spektrale Verteilung des Summenspektrums in (34) kann verschiedene Formen annehmen, die in 3a bis 3d schematisch erläutert sind. Im Fall 3a geht man von einer Gleichverteilung der Höhen und Tiefen und der Zwischenlagen des Rauheitsprofils auf der Oberfläche aus. Die entsprechende Verteilung ist symmetrisch mit einem breiteren Maximum. Im Fall 3b mit gleichverteilten Kerben und Höhen ergibt sich eine Verteilung mit Doppelgipfel, da die Zwischenlagen kaum vorhanden sind. Im Fall 3c überwiegen die Höhen im Rauheitsprofil und folglich ist die spektrale Summenverteilung asymmetrisch mit Dominanz der kürzeren Wellenlängen. Der umgekehrte Fall ergibt sich bei 3d, bei dem die Täler im Rauheitsprofil überwiegen. Das Maximum der spektralen Verteilung ist zu höheren Wellenlängen (größerer Abstand überwiegt) verschoben. Da die Qualität des Papiers für die Bedruckbarkeit, wie das Anheften der Farbe, sicherlich von der Rauheit, aber auch von den Anteilen der Höhen und Tiefen im Rauheitsprofil abhängt, wird die Analyse der spektralen Form der Verteilung ein zusätzlicher, wichtiger Parameter für die Güte (für die Bedruckbarkeit) und damit für die Prozesskontrolle bei der Herstellung sein.

Claims (10)

  1. Optoelektronisches Verfahren zur Charakterisierung bewegter Oberflächen unter Verwendung eines konfokalen chromatischen Sensors, wobei von der untersuchten Oberfläche rückgestreutes Licht spektral aufgelöst auf ein Detektorarray abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass durch Integration des auf das Detektorarray abgebildeten Streulichts über eine definierte Messstrecke ein Summenspektrum gebildet wird, das hinsichtlich seiner Form ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite der spektralen Verteilung des Summenspektrums die Rauheit der Oberfläche bestimmt.
  3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass aus der Form und Asymmetrie der spektralen Verteilung des Summenspektrums Aussagen über die Qualität des Rauheitsprofils abgeleitet werden, die zur Prozessüberwachung beispielsweise bei der Papierherstellung genutzt werden können.
  4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwerpunkt des Summenspektrums bestimmt wird und seine Lage in Bezug auf das Detektorarray über eine Nachstelleinheit des konfokalen chromatischen Sensors mit entsprechender Regelschleife konstant gehalten werden kann.
  5. Vorrichtung zur optoelektronischen Charakterisierung bewegter Oberflächen mit einem konfokalen chromatischen Sensor mit einer Lichtquelle (10) bestimmter spektraler Breite, einer Fokussieroptik und einem linearen Detektorarray (33), auf das von der untersuchten Oberfläche rückgestreutes Licht spektral aufgelöst abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine kurz gepulste elektromagnetische Strahlung im sichtbaren oder nahen infraroten Spektralbereich mit definierter spektraler Bandbreite aussendet.
  6. Messanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtquelle eine oder mehrere „Licht Emittierende Dioden" (LEDs) aufweist, deren Einzelspektren so aufeinander abgestimmt sind, dass ein kontinuierliches Spektralprofil erreicht wird mit definierter spektraler Breite.
  7. Messanordnung nach Anspruch 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussieroptik eine gute Abbildungsqualität besitzt und gleichzeitig die chromatische Aberration der Fokussieroptik im verfügbaren Spektralbereich einen Messbereich (Δz) von mindestens 0,5 mm erlaubt.
  8. Messanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Spektrum des Messsignals mit einem linearen Detektorarray (33) in kurzen Zeitintervallen, beispielsweise 1 μs, aufzeichenbar und auslesbar ist.
  9. Messanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das mit dem Detektorarray (33) aufgezeichnete Spektrum in ein Speichermedium (34) transferiert wird, um weitere Spektren aufzuaddieren und das Summenspektrum der Auswertung zugänglich zu machen.
  10. Messanordnung nach den Ansprüchen 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine Nachstelleinheit (50) den Abstand der Fokussieroptik zur Probenoberfläche so konstant hält, dass sich die Oberfläche zentral im Messbereich (Δz) befindet.
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