DE1548263C3

DE1548263C3 - Verfahren zur Bestimmung der Größe geometrischer Veränderungen oder Abweichungen einer reflektierenden Oberfläche von einer Solloberfläche mittels optischer Mittel

Info

Publication number: DE1548263C3
Application number: DE1548263A
Authority: DE
Inventors: Fromund Dipl.-Phys. 6330 Wetzlar Hock
Original assignee: Ernst Leitz GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1966-11-10
Filing date: 1966-11-10
Publication date: 1975-05-22
Also published as: DE1548263B2; US3565568A; GB1168005A; DE1548263A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur optischen Bestimmung der Größe geometrischer Veränderungen oder Abweichungen einer reflektierenden Oberfläche von einer Sollform aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.

In einem bekannten Verfahren dieser Art sind diffus und spiegelnd reflektierte Lichtanteile mit einer unterschiedlichen Kennung versehen und werden über getrennte Wege sowie unter verschiedenen Winkeln auf eine zu prüfende Fläche gelenkt. Aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung wird dann die Oberflächenrauhigkeit bestimmt.

Da jedoch die Reflexionseigenschaften der zu prüfenden Fläche beispielsweise vom Einfallswinkel und der Wellenlänge der verwendeten Strahlung abhängen, entstehen Fehler in der Messung und führen damit zur Fehlbeurteilung des Prüflings.

Es ist auch bereits vorgeschlagen worden, die zu prüfende Oberfläche über eine Zylinderlinse schräg zu beleuchten und die gleich großen Bündelquerschnitte von Streulichtanteil und spiegelnd reflektiertem Anteil in Autokollimation bzw. in einem Strahlengang spiegelsymmetrisch zum Beleuchtungsstrahlenbündel zu messen.

Unvorteilhaft wirkt sich dabei für die Messung aus, daß bei Schrägbeleuchtung die zurückgestrahlte Lichtintensität sehr gering ist und daß durch die Verwendung einer Zylinderlinse die Meßmöglichkeit auf nur eine Koordinatenrichtung beschränkt bleibt. Darüber hinaus ist das Streulicht in Richtung der die Zylinderlinsenachse enthaltenden Ebene nicht wieder fokussierbar, wodurch symmetrisch Undefinierte Meßfehler in Abhängigkeit von der Textur der zu prüfenden Fläche auftreten. Da diese Fehler Undefiniert sind, ist keine Korrektur derselben als auch keine Flächen-Verhältnisbildung möglich.

Ferner ist ein Verfahren bekannt, in welchem das Beleuchtungsstrahlenbündel durch eine Blendenöffnung schräg auf die Probenoberfläche gelenkt und der spiegelnd reflektierte Lichtanteil dazu durch eine zweite Blende geleitet wird. Zur Messung wird der Teil des gestreuten Lichtes verwendet, der außen am Blendenträger vorbeigeht.

Der Nachteil dieses Meßverfahrens besteht darin, daß der gesamte vom Blendenträger abgedeckte Streulichtanteil für die Messung verlorengeht und die Reflexionsrichtung für den spiegelnd reflektierten Lichtanteil vorgegeben ist. Spezielle Oberflächentexturen mit bevorzugter Reflexions- oder Beugungsrichtung können dadurch nicht untersucht werden. Ferner täuscht die im beschriebenen Verfahren verwendete Anordnung bei anisotroper Winkelverteilung bereits bei Verdrehung des Objekts um die optische Achse veränderte Objekte vor. Außerdem ist das Gerät wegen des schräg auffallenden Beleuchtungsstrahlenbündels nicht zur Messung an sphärischen Flächen geeignet.

Der Erfindung lag daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur optischen Bestimmung der Größe geometrischer Veränderungen und Abweichungen einer reflektierenden Oberfläche von einer Sollform anzugeben, die nicht nur die angeführten Nachteile der bekannten Verfahren und Einrichtungen vermeiden, sondern die darüber hinaus Meßwerte gewinnen, die eine quantitative Aussage über Größe und Neigung der von der Sollfläche abweichenden Flächenteile in bezug auf die Sollfläche bringen.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß bei einem Verfahren der eingangs genannten Art a) ein ausgedehnter, vorzugsweise abgleichbarer Bereich der reflektierenden Oberfläche mit Lichtstrahlen beleuchtet wird, die nahezu senkrecht zur Solloberfläche gerichtet sind, daß

b) die an der Solloberfläche regulär reflektierte Strahlung in Autokollimation beobachtet bzw. einem photoelektrischen Empfänger zugeleitet wird und daß

c) die an den Fehlstellen reflektierte Strahlung aus einem Raumwinkel, dessen optische Achse mit der des Beleuchtungsstrahlenbündels zusammenfällt, der aber gegenüber dem vom Beleuchtungsstrahlenbündel ausgefüllten Raumwinkel wesentlich größer ist, aufgefangen und der Beobachtung bzw. einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird.

Zur Trennung der beiden Lichtanteile wird vorgeschlagen, daß in der Vorrichtung zur Durchführung des

Verfahrens ein geometrischer Teiler verwendet ist.

Es erweist sich außerdem als Vorteil, wenn zusätzlich optisch wirkende Bauelemente zur optischen Kennzeichnung und zur anschließenden Trennung nach diesen Kennzeichen vorhanden sind.

Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung sind in einer solchen Vorrichtung Bauteile enthalten, mit welchen die Beleuchtung veränderbar ist. Beispielsweise können solche Bauteile aus einem Monochromator zur Variation der Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes oder aus einer Blende variablen Ortes oder variabler Größe oder einer Optik zur Variation des Abbildungsmaßstabes in bezug auf eine Blende bestehen.

Auch ist es in Fortführung des Erfindungsgedankens möglich, die jeweilige Größe der Blendenöffnung bzw. die ihres Bildes als Kriterium für die Meßgröße zu verwenden. Zu diesem Zweck ist eine mechanisch-optische, einen Wechsellichtfotometer enthaltende Anordnung zum automatischen Abgleich des Verhältnisses der beiden Lichtanteile auf ein vorbestimmtes Verhältnis vorgesehen.

Eine solche Anordnung ist besonders vorteilhaft für die Anwendung bei Härteprüfern, bei denen bekanntlich die Größe der durch den Eindruck zerstörten Fläche im Verhältnis zur den Eindruck erzeugenden Kraft ein Maß für die Härte des Prüflings ist. In diesem Falle gilt also die Eindrucksfläche in obiger Definition als von der Sollfläche abweichender Flächenteil.

Ausführungsbeispiele für die Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und nachfolgend beschrieben.

F i g. 1 zeigt eine Anordnung zur Beobachtung geometrischer Störungen einer Kugeloberfläche, beispielsweise bei einer Lagerkugel. Eine Lampe 10 wirft ihr Licht über einen Kondensor 11, einen Monochromator 12, Kollektorlinsen 13 und 14 sowie über eine Blende 15 auf einen teildurchlässigen Spiegel 16. Dieser schickt das Licht durch ein Objektiv 17 auf die Oberfläche einer als Objekt dienenden Kugel 18. Diese Kugel 18 ist so gelagert, daß ihr Mittelpunkt in der Bildebene des Objektivs 17 liegt. Die von den Störungen in der Objektfläche reflektierten Strahlen werden durch das Objektiv 17, den Spiegel 16 sowie eine Feldlinse 19 einem fotoelektrischen Empfänger zugeführt. Vor der Linse

19 ist ein kleiner Spiegel 21 ortsfest montiert, der die von der Solloberfläche reflektierten Strahlen auf einen fotoelektrischen Empfänger 22 lenkt. Größe und Ort des Spiegels 21 entsprechen der Größe und dem Ort der Blende 15, die durch das Objektiv 17 in die Ebene des Krümmungsmittelpunktes der Kugel 18 abgebildet wird. Die Ausgangssignale der beiden Empfänger stellen ein Maß für die innerhalb des Beobachtungsfeldes, das durch die Apertur des Objektivs 17 bestimmt ist, vorhandenen Anteile an einwandfreier und an abweichender Oberfläche des Objekts dar.

Um die Lichtanteile solcher Störstellen, die das Licht depolarisieren (dielektrische Einschlüsse oder Störstellen, die gegen die Lichtwellenlänge sehr klein sind), abtrennen zu können, setzt man in den Beleuchtungsstrahlengang einen Polarisator 24. Der notwendige Analysator 25 wird vorzugsweise dem teildurchlässigen Spiegel 16 nachgeschaltet. Bei zum Polarisator gekreuzter Stellung des Analysators wird der Empfänger

20 nur vom depolarisierten Licht getroffen. Steht der AnalySÄtor zum Polarisator parallel, so treffen die von Formfehlern der Objektoberfläche stammenden Lichtanteile, die in der gekreuzten Stellung zwischen Polarisator und Analysator unterdrückt waren, auf den Empfänger 20 auf.

Um Aufschluß über die Streuzentren der Oberflächen zu gewinnen, kann man einen Monochromator zur Beleuchtung des Objekts mit unterschiedlichen Wellenlängen verwenden. Bekanntlich wächst der abgestreute Lichtanteil mit einer hohen Potenz der Wellenlänge des beleuchtenden Lichtes an. Außerdem ist das Verhältnis Dimension der Streuquelle/Lichtwellenlänge wesentlich, da es die Streueigenschaften beeinflußt. Es lassen sich also aus Messungen bei verschiedenen Wellenlängen Rückschlüsse auf die Größenverteilung der Streuzentren ziehen.

Statt der zwei fotoelektrischen Empfänger kann auch ein einzelner fotoelektrischer Empfänger verwendet werden, dem die Lichtflüsse wechselweise zugeführt werden. In diesem Falle ist ein Lichtschwächer zum fotometrischen Abgleich vorhanden, dessen Verstellweg proportional der gesuchten Meßgröße ist.

In F i g. 2 ist eine Anordnung zum Messen an ebenen Oberflächen dargestellt. Hier wird das beleuchtende Licht über eine Faseroptik 30, die aus einem ungeordneten Faserbündel bestehen kann, auf eine Lochblende 31 geworfen, die sowohl in der Größe ihrer Aussparung als auch in ihrer relativen Lage veränderbar ist. Das durch die Blende fallende Licht wird über einen teildurchlässigen Spiegel 32 sowie ein Objektiv 33 als Parallelstrahlenbündel auf die zu prüfende Oberfläche 34 geworfen. Die Strahlenanteile, die durch Flächenanteile der Sollform in sich selbst reflektiert werden, treffen nach Durchlaufen des Objektivs 33 und des Spiegels 32 auf einen schräg gestellten Spiegel 35 auf, der sie über eine Linse 36 auf einen fotoelektrischen Empfänger 37 leitet. Dieser Spiegel 35 ist in der Brennebene des Objektivs 33 verschiebbar gelagert und mit der Blende 31 gekoppelt derart, daß trotz der Verlagerung der Blende 31 ihr Bild stets auf dem Spiegel 35 liegt.

Hinter dem Spiegel 35 ist eine Feldlinse 38 angeordnet, die die öffnung des Objektivs 33 auf den Empfänger 39 abbildet. Dieses Bild umfaßt diejenigen Strahlungsanteile, die an von der Sollform abweichenden Flächenteilen des Objekts reflektiert sind.

Mit dieser Anordnung hat man die Möglichkeit, durch Veränderung der Beleuchtungsrichtung Vorzugsstrukturen der Prüflingsoberfläche genauer zu untersuchen. Die Ausgangssignale an den Empfängern 37 und 39 entsprechen den Anteilen an einwandfreier und an vom Soll abweichender Oberfläche innerhalb des Beobachtungsfeldes.

F i g. 3 zeigt die Anwendung des neuen Verfahrens bei einem Härteprüfer. Das Objekt 40 ist mit einem pyramidenförmigen Eindruck 41 versehen. Als Beleuchtungsquelle dient eine Lampe 42, deren Licht über eine Köhlersche Beleuchtungsanordnung 43, einen teildurchlässigen Spiegel 44 sowie ein 00-Objektiv 45 hoher Apertur auf das Objekt gelangt. Dabei liegt die erste Abbildung der Gesichtsfeldblende der Beleuchtungsanordnung in der Ebene des Objekts 40, d. h. der vorderen Brennebene, die erste Abbildung der Aperturblende in der hinteren Brennebene 52 des Objektivs 45. Dem teildurchlässigen Spiegel 44 ist eine Tubuslinse 46 nachgeschaltet, die zusammen mit dem Objektiv 45 das Bild des Eindruckes in eine Ebene 41' wirft. Vor dieser befindet sich eine Feldlinse 47, welche zusammen mit der Linse 46 die hintere Brennebene 52, d. h. die Austrittspupille des Objektivs 45 für das Umfeld, über einen Spiegel 48 auf eine Platte 49 abbildet. Diese Platte hat über ihre gesamte Fläche gleiche optische Dicke, um Phasenverschiebungen innerhalb der Pupille zu vermeiden, da solche zu Bildstörungen führen wür-

Um bei der Beobachtung das Umfeld vom Eindruck gut unterscheiden zu können, färbt man beide unterschiedlich ein. Falls das Umfeld des Eindruckes »rot« erscheinen soll, ist der zentrale Teil der Platte 49, der in seiner Größe und Lage der von der Köhlerschen Beleuchtung beleuchteten Pupillenfläche entspricht, rot gefärbt. Färbt man den Rest der Platte grün, so erscheint der Eindruck grün auf rotem Grund.

Der Platte 49 ist ein Zwischenabbildungsobjektiv 50 nachgeschaltet, welches das Bild 4Γ in die Okularebene 41" des Okulars 51 entwirft. Nicht dargestellte Mittel erlauben es, die Eindruckgröße in der Ebene 41" zu vermessen.

Bisher wurden bei der Vermessung von Härteeindrücken die Objektivaperturen so klein gemacht, daß der Eindruck schwarz auf hellem Grund erschien. Die Apertureinschränkung zur Kontrasterzeugung führt zu einem unerwünschten Verlust an Auflösungsvermögen, da zur Vermessung der Eindrücke gerade die feinen Details der Diagonalenden benötigt werden.

Dieser Nachteil ist bei Anwendung des neuen Verfahrens vermieden. Die Beobachtungsapertur kann sogar bis zur maximal technisch realisierbaren Größe voll ausgenutzt werden.

Beim in F i g. 4 dargestellten Anwendungsbeispiel für das neue Verfahren wird das Licht einer Lampe 59 über eine Köhlersche Beleuchtungseinrichtung 60 mit einer Gesichtsfeldblende 61, eine Variooptik 62, einen teildurchlässigen Spiegel 63 sowie ein Objektiv 64 auf das Objekt 65 geworfen und beleuchtet dort ein Gesichtsfeld 61', das auch den Eindruck 67 des Diamanten des Härteprüfers umfaßt. Dieses Gesichtsfeld wird über eine Tubuslinse 66 in eine Bildebene 61" abgebildet. Die nicht dargestellte Aperturblende der Köhlerschen Beleuchtung wird in der hinteren Brennebene des Objektivs 64 abgebildet. Die Größe dieser Aperturblende ist so gewählt, daß im Eindruck 67 reflektierte Lichtanteile in der hinteren Brennebene getrennt um das Bild der Aperturblende herumliegen.

Der Bildebene 61" ist eine Feldlinse 68 vorgeschaltet, welche die hintere Brennebene des Objektivs 64 in die mittlere Ebene eines geneigten Spiegels 69 entwirft. Dieser Spiegel entspricht nach Lage und Größe dem Bild der Aperturblende der Köhlerschen Beleuchtung. Der Spiegel 69 wirft Licht, das innerhalb der Gesichtsfeldblende 61' von der Prüflingsoberfläche regulär reflektiert wurde, in den einen Strahlengang eines Wechsellichtfotometers. Eine Linse 70 wirft den der Eindruckfläche proportionalen Lichtanteil in den anderen Strahlengang des Fotometers. Die Umschaltung zwisehen den beiden Strahlengängen des Fotometers erfolgt mittels einer Drehblende 71 von einem Synchronmotor 72 aus. Die Ausgangssignale des Empfängers 73 des Fotometers werden über einen Wechselstromverstärker 74 einem Servomotor 75 zugeführt, dessen Erregung synchron mit der Erregung des Motors 72 läuft. Der Motor 75 betätigt die Variooptik derart, daß sich für die beiden Signale in den Strahlengängen des Fotometers Gleichheit einstellt, d. h. aber, daß die Eindruckfläche gleich der beleuchteten Umfeldfläche ist. Ein gleichzeitig angetriebenes Zählwerk gibt in digitaler Form ein Maß für die Größe des Eindruckes.

Will man auf dem Zählwerk die Härte des Objektmaterials direkt ablesen, so wird ein eindruckskraftproportionaler Faktor in den Getriebezug des Zählwerkantriebes eingeschleift.

Selbstverständlich sind die in den Figuren als Ausführungsbeispiele gezeigten Vorrichtungen mit nicht dargestellten Bauteilen zur visuellen Beobachtung des Meßobjekts ausgerüstet. Dies ist notwendig, um beispielsweise die Stelle zum Anbringen eines Härteeindruckes auswählen zu können.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

409 540/13

Claims

Patentansprüche:

1. Verfahren zur optischen Bestimmung der Größe geometrischer Veränderungen oder Abweichungen einer reflektierenden Oberfläche von einer Sollform aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß

a) ein ausgedehnter, vorzugsweise abgleichbarer Bereich der reflektierenden Oberfläche mit Lichtstrahlen beleuchtet wird, die nahezu senkrecht zur Solloberfläche gerichtet sind, daß

b) die an der Solloberfläche regulär reflektierte Strahlung in Autokollimation beobachtet bzw. einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird und daß

c) die an den Fehlstellen reflektierte Strahlung aus einem Raumwinkel, dessen optische Achse mit der des Beleuchtungsstrahlenbündels zusammenfällt, der aber gegenüber dem vom Beleuchtungsstrahlenbüridel ausgefüllten Raumwinkel wesentlich größer ist, aufgefangen und der Beobachtung bzw. einem photoelektrischen Empfänger zugeführt wird.

2. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Trennung der beiden Lichtanteile ein geometrischer Teiler (21,35,69) verwendet ist.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß optisch wirkende Bauelemente (24, 25, 49) zur optischen Kennzeichnung und zur anschließenden Trennung nach diesen Kennzeichen vorhanden sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß Bauteile (31, 35) enthalten sind, mit weichen die Beleuchtung veränderbar ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine mechanisch-optische, einen Wechsellichtfotometer enthaltende Anordnung (71 bis 75) zum automatischen Abgleich des Verhältnisses der beiden Lichtanteile auf ein vorbestimmtes Verhältnis vorgesehen ist.