DE102007050557B4 - Device for rapid integral and non-contact measurement of roughness - Google Patents

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Abstract

Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes mit den folgenden Merkmalen: – wenigstens einem Laser (1), wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) mit Laserstrahlen zum Einen zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung oder zum Anderen gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt wird, – einer Messeinrichtung (4) zur Bestimmung der elektromagnetischer Strahlung in Form eines abbildenden Detektors und – einem mit dem Detektor verbundenen Datenverarbeitungssystem (5), wobei während der Messung a) die lokal aufgelösten Strahlungsstärken der wenigstens einen elektromagnetischen Strahlung (3) mit dem abbildenden Detektor aufgenommen, b) das Abbild im Datenverarbeitungssystem (5) farbecht, farbkodiert oder in Graustufen gewandelt und c) die Verteilung der Farben oder der Grauwerte mit der Rauigkeit korreliert werden.Device for rapid, integral and non-contact measurement of the roughness of at least one area of the surface of an object with the following features: - at least one laser (1), wherein the area of the surface of the object (2) with laser beams for a time continuously or discontinuously with varying Power or other laser beam of different wavelength is applied simultaneously or successively, - a measuring device (4) for determining the electromagnetic radiation in the form of an imaging detector and - connected to the detector data processing system (5), wherein during the measurement a) the local resolved radiation strengths of the at least one electromagnetic radiation (3) recorded with the imaging detector, b) the image in the data processing system (5) colourfast, color-coded or converted into grayscale and c) the distribution of the colors or the gray values with the rough be correlated.

Description

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes.The invention relates to devices for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an article.

Die Ermittlung der Oberflächenrauigkeit von Gegenständen kann durch Abtasten oder berührunglos erfolgen.The determination of the surface roughness of objects can be done by scanning or without contact.

Durch die Druckschrift DE 698 13 937 T2 (Verfahren zum Messen von Oberflächenrauheit mittels einer fiberoptischen Probe) ist ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauigkeit bekannt. Dabei wird über eine Sonde mit sowohl einer lichtemittierenden Faser als auch lichtempfangenen Fasern und über ein Referenzmuster die Oberflächenrauigkeit erfasst. Ohne Referenzmuster ist eine Messung der Oberflächenrauigkeit nicht möglich.Through the publication DE 698 13 937 T2 (Method for measuring surface roughness by means of a fiber optic sample) is known a method for non-contact measurement of surface roughness. In this case, the surface roughness is detected via a probe with both a light-emitting fiber and light-receiving fibers and a reference pattern. Without reference pattern a measurement of the surface roughness is not possible.

Durch die Druckschrift EP 0 512 312 B1 ist ein Verfahren und eine Messanordnung bekannt, wobei ein umrissener Messbereich der Materialoberfläche mit schräg einfallender Infrarotstrahlung eines Infrarot-Strahlers beaufschlagt. Diese Materialoberfläche liegt dabei im Sichtfeld einer Messeinrichtung für von der der Materialoberfläche reflektierten Strahlung. Die Temperatur der von der Materialoberfläche reflektierten Infrarotstrahlung wird gemessen und mit einer Kalibrierkurve verglichen, die in der Weise aufgenommen wird, dass bei gleich bleibender Temperatur des Infrarotstrahlers die Temperatur der von der Materialoberfläche reflektierten Infrarotstrahlung für unterschiedliche bekannte Rauheitsgrade gemessen wird. Die Rauheitsgrade können dazu nach bekannten optischen und mechanischen Methoden erfasst werden.Through the publication EP 0 512 312 B1 a method and a measuring arrangement is known, wherein an outlined measuring range of the material surface is exposed to obliquely incident infrared radiation of an infrared radiator. This material surface lies in the field of view of a measuring device for reflected from the material surface radiation. The temperature of the reflected infrared radiation from the material surface is measured and compared with a calibration curve, which is taken in such a way that at the same temperature of the infrared radiator, the temperature of the infrared radiation reflected from the material surface is measured for different known roughness. The roughness levels can be detected by known optical and mechanical methods.

Eine wesentlich bessere Information zur Oberflächenbeschaffenheit wird aus der spektralen Zerlegung der reflektierten Infrarotstrahlung abgeleitet. Die spektrale Zerlegung führt zur Information, für welche Wellenlängen die Oberfläche gerade noch wie ein Spiegel wirkt. Diese Wellenlängen entsprechen dann dem Rauheitswert der Oberfläche, dem die mit einem Infrarotthermometer an dieser Oberfläche gemessene Reflexionstemperatur zugeordnet wird. Darüber wird die gewünschte Kalibrierkurve ermittelt. Die Messanordnung besteht dazu im Wesentlichen aus einem Infrarotstrahler und einem Infrarotthermometer.Much better information on the surface condition is derived from the spectral decomposition of the reflected infrared radiation. The spectral decomposition leads to the information for which wavelengths the surface just acts like a mirror. These wavelengths then correspond to the roughness value of the surface to which the reflection temperature measured with an infrared thermometer at this surface is assigned. In addition, the desired calibration curve is determined. The measuring arrangement consists essentially of an infrared radiator and an infrared thermometer.

Die Erfassung der Rauheit ist dabei von der örtlichen Auflösung des Infrarotthermometers und dem gespeicherten Temperaturverlauf einer Referenzmessung abhängig. Für örtliche Zuordnung bestimmter Rauigkeiten im Messfleck muss der Messfleck mittels des Infrarotthermometers bestimmt in einem Koordinatensystem abgerastert werden.The detection of the roughness is dependent on the local resolution of the infrared thermometer and the stored temperature profile of a reference measurement. For local assignment of certain roughnesses in the measuring spot, the measuring spot must be scanned in a coordinate system by means of the infrared thermometer.

Aus der Druckschrift DE 694 28 574 T2 ist eine Temperaturmessung von Werkstücken in Echtzeit bekannt, wobei keine speziellen Teststrukturen erforderlich sind. Der Sensor besitzt zwei Laserquellen unterschiedlicher Wellenlänge und eine Schaltung zur Wellenlängenmodulation. Weiterhin besitzt der Sensor eine Messschaltung, um das Reflexionsvermögen des Werkstücks zu messen. Der Sensor enthält darüber hinaus eine Schaltung, um die Oberflächenrauhigkeit der Scheibe bei einer bekannten Temperatur aus der Änderung des Spiegelreflexionsvermögens des Werkstücks zu bestimmen, die aus der Modulation der Wellenlängen der Laserstrahlbündel resultiert.From the publication DE 694 28 574 T2 is a real-time temperature measurement of workpieces known, with no special test structures are required. The sensor has two laser sources of different wavelengths and a wavelength modulation circuit. Furthermore, the sensor has a measuring circuit to measure the reflectance of the workpiece. The sensor further includes a circuit for determining the surface roughness of the wafer at a known temperature from the change in the specular reflectivity of the workpiece resulting from the modulation of the wavelengths of the laser beams.

Hauptaugenmerk der Lösung besteht in der Temperaturmessung aus der Reflexion der beiden modulierten Strahlen der Laserquellen. Die Erfassung der Temperatur erfolgt dabei bei wenigstens zwei Temperaturen, wobei eine eine Referenztemperatur ist. Neben den Laserquellen ist auch eine Heizeinrichtung notwendig, wobei sowohl die Reflexion der modulierten Laserstrahlen als auch die Referenztemperatur der Scheibe wenigstens an der Messstelle erfasst werden muss.The main focus of the solution is the temperature measurement from the reflection of the two modulated beams of the laser sources. The detection of the temperature takes place at at least two temperatures, one being a reference temperature. In addition to the laser sources, a heating device is necessary, wherein both the reflection of the modulated laser beams and the reference temperature of the disc must be detected at least at the measuring point.

Die Druckschrift US 4 803 374 beinhaltet ein Verfahren zur Erfassung der Oberflächenrauhigkeit eines Bereichs eines Produkts, wobei die von einem Bereich der Oberfläche reflektierte Lichtstrahlung ein Maß für die Rauigkeit der Oberfläche ist. Das Maß wird dabei aus der Intensitätsmessung der reflektierten Lichtstrahlen abgeleitet, wobei mittels bekannter Werte auf die Oberflächenrauhigkeit geschlossen wird. Grundlage bildet eine Reflexionsmessung, die eine gleiche Oberflächenbeschaffenheiten voraussetzt.The publication US 4,803,374 includes a method of detecting the surface roughness of a region of a product, wherein the light radiation reflected from a portion of the surface is a measure of the roughness of the surface. The measure is derived from the intensity measurement of the reflected light beams, wherein the surface roughness is determined by means of known values. The basis is a reflection measurement, which requires a similar surface condition.

Durch die Druckschrift JP 62198707 A ist eine Vorrichtung zur kontaktlosen Kontrolle einer Farbschicht bekannt. Dabei wird über eine Temperaturmessung auf das Vorhandensein der Farbschicht geschlossen. Die Rauigkeit wird dabei nicht erfasst.Through the publication JP 62198707 A a device for contactless control of a color layer is known. It is concluded by a temperature measurement on the presence of the ink layer. The roughness is not recorded.

Der im Patentanspruch 1 angegebenen Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Rauigkeit von Oberflächen berührungslos und zerstörungsfrei einfach zu ermitteln.The specified in claim 1 invention has for its object to determine the roughness of surfaces without contact and non-destructive easy.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmalen gelöst.This object is achieved with the features listed in claim 1.

Die Einrichtungen zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes zeichnen sich insbesondere dadurch aus, dass die Rauigkeit der Oberflächen berührungslos und zerstörungsfrei einfach ermittelbar ist.The devices for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least one area of the surface of an object are characterized in particular by the fact that the roughness of the surfaces can be determined without contact and without destruction.

Dazu sind wenigstens ein Laser, der Gegenstand und eine Messeinrichtung zur Bestimmung elektromagnetischer Strahlung in Form eines abbildenden Detektors angeordnet, wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes mit Laserstrahlen zum Einen zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung oder zum Anderen gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt wird. Der abbildende Detektor ist mit einem Datenverarbeitungssystem verbunden, wobei

  • a) die lokal aufgelösten Strahlungsstärken der wenigstens einen elektromagnetischen Strahlung (3) mit dem abbildenden Detektor aufgenommen,
  • b) das Abbild im Datenverarbeitungssystem (5) farbecht, farbkodiert oder in Graustufen gewandelt und
  • c) die Verteilung der Farben oder der Grauwerte mit der Rauigkeit korreliert werden.
For this purpose, at least one laser, the object and a measuring device for determining electromagnetic radiation in the form of an imaging detector are arranged, wherein the area of the surface of the object with laser beams on the one hand continuously or discontinuously with varying power or on the other simultaneously or sequentially with laser beams different Wavelength is applied. The imaging detector is connected to a data processing system, wherein
  • a) the locally resolved radiation intensities of the at least one electromagnetic radiation ( 3 ) recorded with the imaging detector,
  • b) the image in the data processing system ( 5 ) colourfast, color-coded or converted into grayscale and
  • c) the distribution of the colors or the gray values are correlated with the roughness.

Vorteilhafterweise erfolgt die Rauigkeitsmessung mittels photothermischen Verfahren und Einrichtungen. Die Oberfläche wird mit Laserstrahlung beaufschlagt, wobei die absorbierte Strahlung in Wärme umgewandelt und in die Tiefe des Materials abgeleitet wird.Advantageously, the roughness measurement is carried out by means of photothermal methods and devices. The surface is exposed to laser radiation, where the absorbed radiation is converted into heat and dissipated into the depth of the material.

Die Diffusion der Wärme aus dem bestrahlten Bereich ist dabei vom Diffusionsquerschnitt, entsprechend der Form der Rauigkeit, abhängig.The diffusion of heat from the irradiated area is dependent on the diffusion cross-section, according to the shape of the roughness.

Plane Oberflächen bieten im bestrahlten Bereich den kleinsten Diffusionsquerschnitt. Bei rauen Gegenständen ist der Diffusionsquerschnitt des bestrahlten Bereichs an der Oberfläche größer. Wird die laterale Wärmeleitung außer Acht gelassen, so verkleinert sich dieser größere Diffusionsquerschnitt mit zunehmender Diffusionstiefe bis zum Minimalwert der planen Oberfläche. Bei gleicher Form der Rauigkeit, wobei die Oberflächenstruktur geometrisch ähnlich ist, wird dieser minimale Querschnitt je nach Größe der Oberflächenstrukturen in unterschiedlichen Diffusionstiefen erreicht. So ist bei höherer Rauigkeit diese Diffusionstiefe länger, weshalb der effektive Wärmestau und damit der Temperaturanstieg geringer ausfallen. Diese Temperaturerhöhung wird mit einem Temperatursensor erfasst, wobei der Temperaturanstieg ein Maß für die Rauigkeit darstellt.Plane surfaces offer the smallest diffusion cross section in the irradiated area. For rough objects, the diffusion cross-section of the irradiated area at the surface is larger. If the lateral heat conduction is ignored, this larger diffusion cross-section decreases with increasing diffusion depth up to the minimum value of the planar surface. For the same shape of the roughness, wherein the surface structure is geometrically similar, this minimum cross section is achieved in different diffusion depths depending on the size of the surface structures. Thus, with higher roughness, this depth of diffusion is longer, which is why the effective heat accumulation and thus the increase in temperature are lower. This temperature increase is detected by a temperature sensor, wherein the temperature rise is a measure of the roughness.

Damit ist eine einfache Möglichkeit zur qualitativen und/oder quantitativen Bewertung der Rauigkeit gegeben. Das kann vorteilhafterweise zur berührungslosen und zerstörungsfreien Prozesskontrolle eingesetzt werden. Darüber hinaus können beispielsweise auch die Aspektverhältnisse einer bekannten Strukturierung überprüft werden.This provides a simple possibility for the qualitative and / or quantitative evaluation of the roughness. This can be advantageously used for non-contact and non-destructive process control. In addition, for example, the aspect ratios of a known structuring can be checked.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Patentansprüchen 2 bis 6 angegeben.Advantageous embodiments of the invention are specified in the claims 2 to 6.

Zur Ermittlung der Rauigkeit wenigstens des Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 2 vorteilhafterweise die temperaturabhängige Strahlungsstärke und/oder spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung mittels des abbildenden Detektors erfasst.To determine the roughness of at least the area of the surface of an object, the temperature-dependent radiation intensity and / or spectral composition of the electromagnetic radiation is advantageously detected by means of the imaging detector according to the embodiment of claim 2.

Der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes wird vorteilhafterweise nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 3 mit gepulsten Laserstrahlen unterschiedlicher Pulsenergie und gleicher Pulsdauer des Lasers beaufschlagt.The area of the surface of the article is advantageously applied according to the embodiment of claim 3 with pulsed laser beams of different pulse energy and the same pulse duration of the laser.

Der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 4 gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge von zwei Lasern beaufschlagt, so dass der Einfluss der Materialeigenschaften auf die Messung der Rauigkeit korrigiert werden kann und eine Korrelation der gemessenen elektromagnetischen Strahlung mit der Form der Rauigkeit gegeben ist.The area of the surface of the object is applied simultaneously or successively with laser beams of different wavelengths of two lasers according to the embodiment of claim 4, so that the influence of the material properties on the measurement of roughness can be corrected and a correlation of the measured electromagnetic radiation with the shape of the Roughness is given.

Der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes wird nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 5 gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge von zwei Lasern zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung beaufschlagt, so dass der Einfluss der Materialeigenschaften auf die Messung der Rauigkeit korrigiert werden und eine Korrelation der gemessenen elektromagnetischen Strahlung mit der Form der Rauigkeit gegeben ist.The area of the surface of the object is subjected to the development of claim 5 simultaneously or successively with laser beams of different wavelengths of two lasers time continuously or discontinuously, each with varying power, so that the influence of the material properties are corrected to the measurement of roughness and a correlation of measured electromagnetic radiation is given with the shape of the roughness.

Wenigstens ein Laser, der Gegenstand, ein Referenzgegenstand und die Messeinrichtung zur Bestimmung elektromagnetischer Strahlung sind nach der Weiterbildung des Patentanspruchs 6 so angeordnet, dass ein Bereich der Oberfläche des Gegenstandes und ein Bereich der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend mit den Laserstrahlen des Lasers beaufschlagt und die temperaturabhängige elektromagnetische Strahlung des Bereiches der Oberfläche des Gegenstandes und des Bereiches der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend auf dem Detektor abgebildet werden, wobei durch Vergleich der Parameterwerte der elektromagnetischen Strahlungen des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes und des Bereichs des Referenzgegenstandes die Rauigkeit des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes relativ bestimmt wird.At least one laser, the object, a reference object and the measuring device for determining electromagnetic radiation are arranged according to the embodiment of claim 6 so that a portion of the surface of the object and a portion of the surface of the reference subject one or more times alternatingly applied to the laser beams of the laser and the temperature-dependent electromagnetic radiation of the area of the surface of the object and the area of the surface of the reference object are simply or repeatedly alternately imaged on the detector, wherein by comparing the parameter values of the electromagnetic radiations of the area of the surface of the object and the area of the reference object, the roughness of the Area of the surface of the object is relatively determined.

Damit ist eine quantitative Bewertung der Rauigkeit durch einen Vergleich mit dem Referenzobjekt einfach möglich.Thus, a quantitative assessment of the roughness by comparison with the reference object is easily possible.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben. An embodiment of the invention is illustrated in the drawings and will be described in more detail below.

Es zeigen:Show it:

1 eine Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes in einer prinzipiellen Darstellung, 1 a device for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an object in a basic representation,

2 ähnliche Pyramiden mit quadratischer Grundfläche in zwei unterschiedlichen Größen, 2 similar pyramids with square base in two different sizes,

3 das Prinzip der Entstehung von „Hot Spots” an Pyramiden quadratischer Grundfläche verschiedener Höhe, 3 the principle of "hot spots" on pyramids of square footprint of different heights,

4 ein Temperaturprofil bei einem Modell mit hohen Rauigkeiten und 4 a temperature profile in a model with high roughness and

5 ein Temperaturprofil bei einem Modell mit geringen Rauigkeiten, 5 a temperature profile for a model with low roughness,

Eine Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes 2 besteht dazu im Wesentlichen aus wenigstens einem Laser 1, einer Messeinrichtung 4 zur Bestimmung elektromagnetischer Strahlung und einem Datenverarbeitungssystem 5.A device for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an article 2 consists essentially of at least one laser 1 , a measuring device 4 for the determination of electromagnetic radiation and a data processing system 5 ,

Die 1 zeigt eine Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes in einer prinzipiellen Darstellung.The 1 shows a device for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an object in a schematic representation.

Der Laser 1, der Gegenstand 2 und die Messeinrichtung 4 sind so angeordnet, dass der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes 4 mit Laserstrahlen beaufschlagt und die daraus resultierende temperaturabhängige elektromagnetische Strahlung 3 des Bereiches der Oberfläche gemessen werden. Aus den Messungen der elektromagnetischen Strahlung 3 werden der Temperaturverlauf des Bereichs der Oberfläche bestimmt und der Temperaturverlauf mit der Rauigkeit des Bereiches der Oberfläche korreliert.The laser 1 , the object 2 and the measuring device 4 are arranged so that the area of the surface of the object 4 subjected to laser beams and the resulting temperature-dependent electromagnetic radiation 3 of the area of the surface are measured. From measurements of electromagnetic radiation 3 The temperature profile of the area of the surface is determined and the temperature profile correlated with the roughness of the area of the surface.

Der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes 2 wird

  • – mit Laserstrahlen zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung,
  • – gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge oder
  • – gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung
beaufschlagt.The area of the surface of the object 2 becomes
  • - With laser beams temporally continuous or discontinuously, each with varying power,
  • - simultaneously or successively with laser beams of different wavelengths or
  • - Simultaneously or successively with laser beams of different wavelengths time continuously or discontinuously, each with varying power
applied.

Die Messeinrichtung 4 ist eine die temperaturabhängige Strahlungsstärke und/oder spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung 3 erfassende Messeinrichtung 4 in Form eines abbildenden Detektors. Zur automatischen Erfassung der Rauigkeiten ist dieser mit dem Datenverarbeitungssystem 5 verbunden. Dabei werden die lokal aufgelösten Strahlungsstärken der wenigstens einen elektromagnetischen Strahlung 3 mit dem abbildenden Detektor aufgenommen, das Abbild im Datenverarbeitungssystem 5 in Graustufen gewandelt oder farbecht/farbkodiert und die Verteilung der Grauwerte oder der Farben mit der Rauigkeit korreliert.The measuring device 4 is the temperature-dependent radiation intensity and / or spectral composition of the electromagnetic radiation 3 detecting measuring device 4 in the form of an imaging detector. For automatic detection of the roughness this is with the data processing system 5 connected. In this case, the locally resolved radiation strengths of the at least one electromagnetic radiation 3 taken with the imaging detector, the image in the data processing system 5 converted into grayscale or colourfast / color-coded and the distribution of gray values or colors correlated with the roughness.

In einer Ausführungsform des Ausführungsbeispiels sind der Laser 1, der Gegenstand 2, ein Referenzgegenstand und die Messeinrichtung 4 zur Bestimmung elektromagnetischer Strahlung 3 so angeordnet, dass ein Bereich der Oberfläche des Gegenstandes 2 und ein Bereich der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend mit den Laserstrahlen des Lasers 1 beaufschlagt und die temperaturabhängige elektromagnetische Strahlung 3 des Bereiches der Oberfläche des Gegenstandes 2 und des Bereiches der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend gemessen werden können. Durch Vergleich der Parameterwerte der elektromagnetischen Strahlungen des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes 2 und des Bereichs des Referenzgegenstandes wird die Rauigkeit des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes 2 relativ bestimmt.In one embodiment of the embodiment, the laser 1 , the object 2 , a reference object and the measuring device 4 for the determination of electromagnetic radiation 3 arranged so that an area of the surface of the object 2 and a portion of the surface of the reference subject simply or multiply alternating with the laser beams of the laser 1 acted upon and the temperature-dependent electromagnetic radiation 3 the area of the surface of the object 2 and the area of the surface of the reference object can be measured once or several times alternately. By comparing the parameter values of the electromagnetic radiations of the area of the surface of the object 2 and the area of the reference object becomes the roughness of the area of the surface of the object 2 relatively determined.

Zur Verdeutlichung des Prinzips der Einrichtung und des Verfahrens zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes 2 kann eine Beschreibung einer modellierten Oberflächenstruktur in Form von ähnlichen Pyramiden quadratischer Grundfläche herangezogen werden. Es handelt sich dabei um ein und dieselbe Form der Rauigkeit. Eine hohe Rauigkeit bedeutet eine große Pyramidenhöhe, während eine geringe Rauigkeit eine geringe Pyramidenhöhe darstellt. Für Pyramiden halber Höhe und halber Seitenlänge ergibt sich ein Volumenverhältnis von 1:8.To illustrate the principle of the device and the method for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an object 2 For example, a description of a modeled surface structure in the form of similar square-shaped pyramids can be used. It is one and the same form of roughness. A high roughness means a large pyramid height, while a low roughness represents a low pyramid height. For half pyramid height and half side length, the volume ratio is 1: 8.

Die 2 zeigt ähnliche Pyramiden mit quadratischer Grundfläche in zwei unterschiedlichen Größen.The 2 shows similar pyramids with square base in two different sizes.

Bei einer hohen Rauigkeit erfolgt der aus der Bestrahlung mit Laserstrahlen resultierende Energieeintrag in ein größeres Volumen als bei geringerer Rauigkeit. Der Wärmestau auf Grund der endlichen Wärmeableitung in die Tiefe des Materials führt zu einem Temperaturanstieg, der geringer als bei einem gleichen Energieeintrag in ein geringeres Volumen ist. Dieser führt zu einer höheren lokalen Energiedichte, die Anzahl von „Hot Spots” pro Fläche steigt. Die Folge ist eine stärkere Abstrahlung der Oberfläche.At a high roughness, the energy input resulting from the irradiation with laser beams takes place in a larger volume than at lower roughness. The accumulation of heat due to the finite heat dissipation into the depth of the material leads to a temperature increase which is lower than for a same energy input into a lower volume. This leads to a higher local energy density, the number of "hot spots" per area increases. The result is a stronger radiation of the surface.

Die 3 zeigt das Prinzip der Entstehung von „Hot Spots” an den Pyramiden quadratischer Grundfläche verschiedener Höhe (Darstellung der 2).The 3 shows the principle of the emergence of "hot spots" at the pyramids of square footprint of different heights (illustration of the 2 ).

Das Prinzip des Verfahrens und der Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes 2 und damit die Abhängigkeit der durch Lasereinwirkung an der Oberfläche entstehenden Temperaturfelder von der Oberflächengestalt und damit der Rauigkeit kann mittels einer Simulation nachgewiesen werden.The principle of the method and apparatus for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an article 2 and thus the dependence of the temperature fields resulting from laser action on the surface of the surface shape and thus the roughness can be detected by means of a simulation.

Als Grundlage der Simulation diente ein 600 × 600 × 150 μm3 großer Körper als Gegenstand 2 (Edelstahl) dessen Rauigkeit durch eine Struktur aus gleichförmigen Pyramiden simuliert wurde. Geringe Rauigkeiten sind als Pyramiden mit einer Kantenlänge von 20 μm, hohe Rauheiten als Pyramiden mit einer Kantenlänge von 40 μm dargestellt. Daraus ergeben sich bei einem Pyramidenwinkel von 45° Pyramidenhöhen von etwa 14 μm für die geringen und etwa 28 μm für die hohen Rauigkeiten.The basis of the simulation was a 600 × 600 × 150 μm 3 large body as an object 2 (Stainless steel) whose roughness was simulated by a structure of uniform pyramids. Small roughnesses are shown as pyramids with an edge length of 20 μm, high roughness as pyramids with an edge length of 40 μm. This results in a pyramid angle of 45 ° pyramid heights of about 14 microns for the low and about 28 microns for the high roughness.

Die Simulation erfolgt in beiden Fällen statisch mit gleichen Vernetzungsparametern für eingestrahlte Leistungen von 100 mW auf einer Fläche von 80 × 80 μm2 und einer Umgebungstemperatur von 18°C. Da die Messungen im zerstörungsfreinen (niedrigen) Temperaturbereich beabsichtigt sind, sind Schmelzvorgänge und Verdampfung nicht zu erwarten. Daher fanden Schmelz- und Verdampfungswärme, Umgebungstemperatur der rauen Oberfläche sowie der Energieverlust durch elektromagnetische Strahlung keine Beachtung. Die infolge der Lasereinwirkung bei unterschiedlichen Rauigkeiten enstehenden Temperaturverteilungen zeigen die nachfolgenden 4 und 5 (4 ein Temperaturprofil bei einem Modell mit hohen Rauigkeiten und 5 ein Temperaturprofil bei einem Modell mit geringen Rauigkeiten). Während die Simulation bei hohen Rauigkeiten Temperaturen von bis zu rund 1000 K zeigt, betragen die Temperaturspitzen auf den Unebenheiten der Pyramiden kleineren Volumens bis zu 2890 K.In both cases, the simulation is performed statically with identical crosslinking parameters for irradiated powers of 100 mW over an area of 80 × 80 μm 2 and an ambient temperature of 18 ° C. Since the measurements are intended in the non-destructive (low) temperature range, melting and evaporation are not expected. Therefore, heat of fusion and evaporation, ambient temperature of the rough surface as well as energy loss by electromagnetic radiation were ignored. The resulting due to the laser action at different roughness temperature distributions show the following 4 and 5 ( 4 a temperature profile in a model with high roughness and 5 a temperature profile for a model with low roughness). While the simulation at high roughness temperatures of up to about 1000 K, the temperature peaks on the unevenness of the pyramids smaller volume up to 2890 K.

Claims (6)

Einrichtung zur schnellen integralen und berührungslosen Messung der Rauigkeit wenigstens eines Bereiches der Oberfläche eines Gegenstandes mit den folgenden Merkmalen: – wenigstens einem Laser (1), wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) mit Laserstrahlen zum Einen zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung oder zum Anderen gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt wird, – einer Messeinrichtung (4) zur Bestimmung der elektromagnetischer Strahlung in Form eines abbildenden Detektors und – einem mit dem Detektor verbundenen Datenverarbeitungssystem (5), wobei während der Messung a) die lokal aufgelösten Strahlungsstärken der wenigstens einen elektromagnetischen Strahlung (3) mit dem abbildenden Detektor aufgenommen, b) das Abbild im Datenverarbeitungssystem (5) farbecht, farbkodiert oder in Graustufen gewandelt und c) die Verteilung der Farben oder der Grauwerte mit der Rauigkeit korreliert werden.Device for rapid integral and non-contact measurement of the roughness of at least a portion of the surface of an object, having the following features: - at least one laser ( 1 ), wherein the area of the surface of the object ( 2 ) is applied with laser beams for a time continuously or discontinuously with varying power or on the other hand at the same time or successively with laser beams of different wavelengths, - a measuring device ( 4 ) for determining the electromagnetic radiation in the form of an imaging detector and - a data processing system connected to the detector ( 5 ), wherein during the measurement a) the locally resolved radiation intensities of the at least one electromagnetic radiation ( 3 ) recorded with the imaging detector, b) the image in the data processing system ( 5 ) colourfast, color-coded or converted into grayscale and c) the distribution of the colors or the gray values are correlated with the roughness. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor ein die temperaturabhängige Strahlungsstärke und/oder spektrale Zusammensetzung der elektromagnetischen Strahlung (3) des Bereiches der Oberfläche des Gegenstandes (2) abbildender Detektor ist.Device according to Patent Claim 1, characterized in that the detector has a temperature-dependent radiation intensity and / or spectral composition of the electromagnetic radiation ( 3 ) of the area of the surface of the object ( 2 ) is imaging detector. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Laser ein gepulster Laser ist, wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) mit gepulsten Laserstrahlen unterschiedlicher Pulsenergie und gleicher Pulsdauer beaufschlagt wird.Device according to claim 1, characterized in that the laser is a pulsed laser, the area of the surface of the object ( 2 ) is applied with pulsed laser beams of different pulse energy and the same pulse duration. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laser angeordnet sind, wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge beaufschlagt wird, wodurch der Einfluss der Materialeigenschaften auf die Messung der Rauigkeit reduziert und eine Korrelation der gemessenen elektromagnetischen Strahlung (3) mit der Form der Rauigkeit gegeben ist.Device according to claim 1, characterized in that two lasers are arranged, the area of the surface of the object ( 2 ) is simultaneously or sequentially exposed to laser beams of different wavelengths, whereby the influence of the material properties on the measurement of the roughness is reduced and a correlation of the measured electromagnetic radiation ( 3 ) is given with the shape of the roughness. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Laser angeordnet sind, wobei der Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) gleichzeitig oder nacheinander mit Laserstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge zeitlich kontinuierlich oder diskontinuierlich jeweils mit variierender Leistung beaufschlagt wird, wodurch der Einfluss der Materialeigenschaften auf die Messung der Rauigkeit reduziert und eine Korrelation der gemessenen elektromagnetischen Strahlung (3) mit der Form der Rauigkeit gegeben ist.Device according to claim 1, characterized in that two lasers are arranged, the area of the surface of the object ( 2 ) is applied simultaneously or successively with laser beams of different wavelengths, continuously or discontinuously, each with varying power, whereby the influence of the material properties on the measurement of the roughness is reduced and a correlation of the measured electromagnetic radiation ( 3 ) is given with the shape of the roughness. Einrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Laser (1), der Gegenstand (2), ein Referenzgegenstand und die Messeinrichtung (4) zur Bestimmung elektromagnetischer Strahlung so angeordnet sind, dass ein Bereich der Oberfläche des Gegenstandes (2) und ein Bereich der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend mit den Laserstrahlen des Lasers (1) beaufschlagt und die temperaturabhängige elektromagnetische Strahlung (3) des Bereiches der Oberfläche des Gegenstandes (2) und des Bereiches der Oberfläche des Referenzgegenstandes einfach oder mehrfach alternierend auf dem Detektor abgebildet werden, wobei durch Vergleich der Parameterwerte der elektromagnetischen Strahlungen (3) des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes (2) und des Bereichs des Referenzgegenstandes die Rauigkeit des Bereichs der Oberfläche des Gegenstandes (2) relativ bestimmt wird.Device according to claim 1, characterized in that at least one laser ( 1 ), the object ( 2 ), a reference object and the measuring device ( 4 ) are arranged for determining electromagnetic radiation so that a portion of the surface of the object ( 2 ) and an area of the surface of the reference object one or more times alternating with the Laser beams of the laser ( 1 ) and the temperature-dependent electromagnetic radiation ( 3 ) of the area of the surface of the object ( 2 ) and the area of the surface of the reference object can be imaged on the detector in a single or multiple alternating manner, wherein by comparison of the parameter values of the electromagnetic radiations ( 3 ) of the area of the surface of the article ( 2 ) and the area of the reference object, the roughness of the area of the surface of the object ( 2 ) is relatively determined.
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