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Verfahren und Vorrichtung zum Darstellen und schnellen meßbaren
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Erfassen von in einem Streckenintervall eines Körpers vorhandenen
Unebenheiten sowie deren statistische Verteilung im Streckenintervall Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren und auf eine Vorrichtung zum Darstellen und schnellen
meßbaren Erfassen von in einem Streckenintervall eines Körpers vorhandenen Unebenheiten,
sowie deren statistische Verteilung im Streckenintervall.
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Zur Bestimmung und zur meßbaren Erfassung von Unebenheiten sind eine
Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt. Diese Verfahren lassen sich in
drei Kategorien einteilen, nämlich einem mittels eines Lasers durchgeführten Laserinterferenzverfahren
unter schrägem Lichteinfall, z.B. gemäß den DT-OS 25 33 906 und 21 39 836, sowie
einem sog. Lichtschnittverfahren, bei dem man das mittels eines bandförmigen Lichtbandes
erzeugte Bild des Substrates analog in der Bildebene eines Meßmikroskopes darstellt
und letztlich ein Tastschnittverfahren, bei dem die Oberfläche des Körpers bzw.
eines Substrates mittels eines mit einem FUhlorgan verbundenen Meßgerät abtastet.
Alle Verfahren haben die Nachteile gemeinsam, daß sie wegen der schwierigen, zeitaufwendigen
und zum Teil unsicheren Erfassung und/oder Auswertung der Meßdaten sich nicht für
Serienmessungen eignen. Auch ist eine Automatisierung der Auswertung der erfaßten
Meßdaten nur mit einem erheblichen Aufwand realisierbar.
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Ebenheitsabweichungen an plattenförmigen Keramiksubstraten wirken
sich
nachteilig aus; sind die Keramiksubstrate uneben, so können bei der Herstellung
von Schichtschaltungen unterschiedliche Leiterbahnbreiten entstehen, welche die
elektrischen Werte der Schaltung erheblich beeinflussen. Die Größe und Form der
Ebenheitsabweichung bei derartigen bis zu 100 x 100 Millimeter betragenden und 0,5
Millimeter dicken plattenförmigen Keramiksubstraten ist einer zufälligen Streuung
unterworfen; aus dem vorstehend genannten Grund müssen die Keramiksubstrate mit
einer hohen Genauigkeit über ihre gesamte Fläche einer Prüfung unterzogen werden.
Für die Ebenheitsabweichung bei derartigen plattenförmigen Keramiksubstraten ist
im wesentlichen nur die Kenntnis der größten vorhandenen Abweichung sowie unter
Umständen die Kenntnis der statistischen Verteilung von Unebenheiten über die Fläche
des Keramiksubstrates erforderlich. Die Form und genaue Lage der Ebenheitsabweichung
sind indessen - wenn überhaupt - von sekundärer Bedeutung.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum
schnellen darstellen und auswertbaren Erfassen von Ebenheitsabweichungen sowie ihrer
statistischen Verteilung über die Oberfläche, insbesondere bei Keramiksubstraten
zu schaffen, wobei die zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung einfach
zu handhaben und von eingewiesenem Personal bedienbar sein soll.
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Fernerhin ist es eine Aufgabe der Erfindung, daß das Verfahren sich
zum Automatisieren derzur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung eignet. Ausgehend
von einem Verfahren zum Darstellen und Erfassen von in einem Streckenintervall eines
Objektes vorhandenen Unebenheiten, sowie deren statistische Verteilung im Streckenintervall,
bei dem man das zu erfassende Streckenintervall des Objektes optisch abbildet und
durch Ausmessen des Bildes die Größe der Unebenheiten und ihre Verteilung im Intervall
erfaßt, besteht das erfinderische Verfahren darin, daß man das Streckenintervall
telezentrisch in eine Zwischenbildebene projiziert; dieses Zwischenbild mittels
einer über das physische Wahrnehmungsvermögen des menschlichen Auges gelegenen Geschwindigkeit
in Richtung des Intervalls periodisch auslenkt und dabei reell in eine Bildebene
projiziert und die Helligkeitsverteilung in einem an einer beliebigen Stelle des
Bildes in Richtung des Helligkeitsgradienten gelegten Bildschnitt als Aussage für
die Größe der im
Streckenintervall vorhandenen Unebenheit und/oder
deren statistische Verteilung verwendet.
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Diese erfinderische Verfahrensweise erlaubt es, die in einem Streckenintervall
gelegenen Unebenheiten schnell darzustellen und auch meßbar zu erfassen, aber auch
die statistische Verteilung dieser im Streckenintervall gelegenen Unebenheiten zu
erkennen. Bedingt dadurch, daß man das mittels eines Bandstrahles erzeugte Streckenintervall
telezentrisch in eine Zwischenbildebene projiziert und dieses Zwischenbild sehr
schnell periodisch auslenkt, entsteht in der reellen Bildebene ein eine unterschiedliche
Helligkeit aufweisendes Streifenbild. Sind im Intervall viele annähernd gleich hohe
Unebenheiten vorhanden, so wird die Helligkeit zwischen zwei Begrenzungslinien des
Streifenbildes größer sein als wenn im Intervall nur eine relativ schmale, jedoch
gleich hohe Unebenheit vorhanden ist. Das Abtastmaß zwischen zwei nämlich der oberen
und unteren Begrenzungslinie ist daher ein Maß für die im Intervall vorhandene maximale
Unebenheit. Die Intensität des Lichtes zwischen zwei Begrenzungslinien ist indessen
ein Maß für die statistische Verteilung, in dem die Auswertung unterliegenden Streckenintervall
des Körpers.
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Ausgehend von einer Vorrichtung, bestehend aus einer Beleuchtungsoptik,
mit nachgeordneter Schlitzblende, einer Projektionsoptik zum telezentrischen Projizieren
eines von der Schlitzblende erzeugten Lichtbandes auf eine spiegelfähige Fläche
des Meßobjektes, eine den Reflexstrahl reell auf eine Bildebene projizierenden Optik,
besteht die zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung gemäß der Erfindung
darin, daß sie eine die Reflexstrahlen telezentrisch auf einen schwingenden Spiegel
projizierende Optik sowie eine ebenfalls im telezentrischen Strahlengang gelegene,
dem schwingenden Spiegel nachgeordnete und das von diesem periodisch ausgelenkte
Zwischenbild reell in einer Bildebene abbildende Optik aufweist.
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Der im telezentrischen Strahlengang zwischen der Projektionsoptik
und der Abbildungsoptik gelegene schwingende Spiegel arbeitet vorzugsweise mit einer
Frequenz von 50 Hz. Mittels des Spiegels wird das Bild somit 100mal in einer Sekunde
durch die Bildebene bewegt.
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Dies hat zur Folge, daß durch die Abbildungsoptik ein für das menschliche
Auge erfaßbares Streifenbild entsteht. Dadurch wird es ermöglicht, die in einem
vergleichsweise größeren Streckenintervall gelegenen Unebenheiten in einem kleineren
Bildausschnitt darzustellen. Zum Ermitteln des größten Wertes der Unebenheit ist
beim Ausmessen des Streifenmusters die durch die Geometrie der Optik sich ergebende
Korrekturgröße zu berücksichtigen. Wünscht man noch eine Aussage darüber, in welcher
Verteilungsdichte das Maximum der größten Unebenheit im Streckenintervall vorhanden
ist, so empfiehlt es sich, einen in Richtung des Helligkeitsgradienten verlaufenden
Bildschnitt auf einen elektroopti schen Bildwandler, vorzugsweise auf eine Fotodiodenzeile
abzubilden. Mittels eines derartigen Bildwandlers sind auch die Größen der maximal
auftretenden Unebenheiten registrier- und hinsichtlich ihrer statistischen Verteilung
im Streckenintervall, und zwar durch das Erfassen der Helligkeit, Abstufungen auswertbar.
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Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich.
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Es zeigen: Figur 1 ein auf eine Glasscheibe aufliegendes Substrat,
Figur 2 einen Strahlengang einer zur Ausübung des Verfahrens dienenden Vorrichtung
zum Ermitteln und Erfassen der Unebenheiten des Substrates gemäß der Figur 1, Figur
3 ein Schema zur fotoelektrischen Erfassung der maximalen Unebenheit des Substrates
gemäß der Figur 1, Figuren 4 und 5 eine Darstellung einer Unebenheit im Blickfeld
eines Auswertemikroskopes und Figur 6 den Aufbau einer optischen Auswertevorrichtung
einer gemäß dem Strahlenschema der Figur 2 arbeitenden Vorrichtung.
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Gemäß Figur 1 wird zum Ermitteln der Unebenheit hier z.B. ein aus
keramischem Material bestehendes rechteckförmiges Substrat 1 auf eine ebene Glasplatte
2 aufgelegt. Ist das Substrat uneben, so bildet sich zwischen der Oberfläche 2'
- auch Bezugsebene genannt der Glasplatte 2 und der Auflagefläche 1' des Keramiksubstrates
-1 ein Luftspalt 3. Zum Erfassen der Größe a des Luftspaltes wird
ein
Lichtstrahl 4' unter einem spitzen Winkel W auf die Unterseite S der Glasplatte
projiziert. Durch diese Schrä.gprojektion erfolgen - wie dargestellt - verschiedene
Brechungen des Lichtstrahles, wobei ein Anteil des Lichtstrahles - ebenfalls unter
einem Winkel W - an der Substratauflagefläche 1' reflektiert. Der Reflexstrahl L4
tritt - an der Fläche S der Glasplatte wiederum aus. Die Abstandsdifferenz A zwischen
den Reflexstrahlen der Bezugsebene 2', hier L3 und der Auflagefläche 1', hier L4
ist ein proportionales Maß zur Größe a des Luftspaltes 3. Die Oberflächen von Keramiksubstraten
zeigen unter einem bestimmten Auffallwinkel des Lichtes eine gute Reflexion. Unabhängig
von der Art des keramischen Materials liegt der günstigste Reflexionswinkel zwischen
70 und 850, man projiziert daher den Lichtstrahl vorzugsweise unter einem Winkel
W von 750 gegen die Fläche S der Glasplatte 2.
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Figur 2 zeigt den Strahlengang bei einer zur Ausïbung des Verfahrens
dienenden Vorrichtung zur Darstellung der größten Abweichung bei einem aus keramischem
serial bestehenden, z.B. rechteckförmigen Keramiksubstrat 1, dessen Flachengröße
etwa 100 x 100 Millimeter beträgt. In Abweichung von Figur 1 projiziert man hier
einen bandförmigen Meßstrahl 4' mit einer Breite B auf die Fläche S der Glasplatte
2, entsprechen wie in Figur 1 dargestellt.
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Eine Lichtquelle 4 mit einem nachgeordneten Kondersorobjektiv 5 erzeugt
den Lichtstrahl 4'. In der durch des Kondensorobjektiv erzeugten Brennbene y ist
eine Spaltblende 6 gelegen. Um den unvermeidbaren Öffnungsfehler der verwendeten
Achromate zu korrigieren, ist die Spaltblende entsprechend dem Öffnungsfehler gewölbt.
Dies ist notwendig, da anderenfalls der bandförmige Meßstrahl 4' einen starken Randschärfenabfall
aufweisen wrde. Der Spalt wird mittels eines Achronaten 7 ins Unendliche abgebildet
und durch einen weiteren Achromaten 10 auf die ebene Glasplatte 2 und zwar unter-einen
Einfallswinkel von 75° in die Zwischenbildebene y1 reell abgebildet. Eine in der
Brennebene liegende Blende 9 wirkt hier als Eintrittspupille; sie richtet die bildseitigen
Hauptstrahlen parallel. Das an der Bezugsebene 2' (Figur 1) der Planglasplatte 2
und an der Auflagefläche 1' des Keramiksubstratres 1 reflektierte Spaltblendenbild
wird wiederum durch einen Achroaten 11 ins Unendliche abgebildet. In der optischen
Achse 0 der
Achromaten 10 und 11 ist ein Spiegel 12 zur Erzeugung
eines telezentrischen Strahlenganges zwischen dem Achromaten 11 und einem Achromaten
13 angeordnet. Der Spiegel 12 schwingt in Richtung der Pfeile 12'. Seine Schwingungsfrequenz
entspricht der Netzfrequenz; sie beträgt vorzugsweise 50 Hz. Vermittels dieses schnell
schwingenden Spiegels wird bei jedem Hin- und Hergang das Bild des Streckenintervalls
periodisch ausgelenkt und wiederum mittels des Achromaten 13 in der Bildebene y2
reell abgebildet. Bei einer Auslenkung des Spiegels erfolgt ein Durchgang des Schnittbildes
des Streckenintervalls B in der Ebene y2. Dieses Schnittbild wäre in einer Stellung
des Spiegels 12 nur in einem Ausschnitt des Intervalls B im Okular 18 eines Mikroskopies
14, 16 erkennbar. Durch den schnell schwingenden Spiegel entsteht indessen ein Streifenbild.
Im Strahlengang des Mikroskopies ist ein Umlenkspiegel 15 angeordnet, der über ein
Objektiv 17 die Bildebene y2 in eine Bildebene y3 abbildet. In der letztgenannten
Bildebene ist ein fotoelektrischer Bildwandler angeordnet. Wie ersichtlich, sind
sowohl die Pupille 9 wie auch die Achromate 10, die Bildebene yl, der Achromat 11
und der Schwenkspiegel 12 im gleichen Brennweitenabstand F angeordnet. Die Gesamtoptik
und somit der Strahlengang sind unveränderliche Größen. Zum Abtasten der gesamten
Fläche F des Substrates 1 wird letzteres zunächst in Richtung der Koordinate X beidseitig
der Bildebene y1 verschoben. So erhält man die Sciiiiittbilder in Richtung des Intervalls
B an beliebigen Orten des Substrates. Darauf folgend wird das Substrat in Richtung
Y verschoben, derart, daß nunmehr bei erneuter Verschiebung in Richtung des Pfeiles
X die andere Flächenhälfte des Keramiksubstrates erfaßbar ist.
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Figur 3 zeigt einen elektrischen Bildwandler 19, der - wie in Figur
2 dargestellt - in der Bildebene y3 angeordnet ist. Durch den in Richtung der Koordinate
y schwingenden Spiegel erhält man eine Abbildung, wie bei 20 dargestellt. Verschiebt
man das Substrat, so erhält man andere Schnittbilder. Bei jeder Auslenkung des Spiegels
durchläuft das Bild 20 die Bildebene 21. Da der Abstand der Dioden bekannt ist,
ist auch der sumarische Abstand aller vom Licht beaufschlagten Dioden D bekannt;
diese Größe ist ein proportionaler Faktor zum Werte a gemäß Figur 1.
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In den Figuren 4 und 5 ist ein beliebiges vom Spiegel 12 in der Bildebene
y2 oder y3 erkennbares Schnittbild, z.B. gemäß der Figur 5 dargestellt. Das sich
gemäß der Figur 5 darstellende Schnittbild im Intervall B sei durch den Kurvengang
22 gegeben.
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Es sei bemerkt, daß dieser Kurvenzug die Unebenheit eines beliebigen
flächigen Objektes darstellt. Würde man die Darstellung der Figur 5 mit einer Geschwindigkeit
von 50 Hz durch die Bildebene 21 bewegen, so ergäbe sich das in Figur 4 dargestellte
Bild über die Intensitätsverteilung der Reflexstrahlen im Intervall B.
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Die genaue Kontur des Schnittbildes ist somit nicht mehr erkennbar,
hingegen zeichnet sich die größte Unebenheit 23 durch einen schmalen Streifen 23'
im Okular ab. Die durch den Reflexionsstrahl L3 (Fig. 1) von der Glasplattenoberfläche
2'.erzeugte Bezugskante 24 ist ebenfalls gut sichtbar. Die Höhen und Tiefen 25,
26 und deren statistische Verteilung im Intervall B zeichnen sich durch die unterschiedlichen
Lichtintensitäten - wie in Figur 5 durch die unterschiedliche Schraffurdichte angezeigt-
in der Bildebene bzw. auf der Diodenzeile 19 ab. Das an den einzelnen Dioden gemessene
Spannungssignal ist somit auch ein Maß über die Verteilungsdichte der Unebenheiten
im Intervall.
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Eine zur Ausübung des Verfahrens dienende Vorrichtung zur Darstellung
und Messung von Unebenheiten z.B. von Keramiksubstraten ist in Figur 6 dargestellt.
Die zum Schutz der Optiken erforderlichen Schutzkappen sind hier abgenommen. Auf
einer Basisplatte 27 sind bei 4 die in der Figur 2 dargestellten Elemente, nämlich
die Lichtquelle, bestehend beispielsweise aus einer 6 Volt, 20 Watt Halogen-Glühlampe,
sowie die Spaltblende mit Kondensorobjektiv angeordnet. Mittels der Spiegel 28 und
8 wird das Lichtband gegen die Unterseite der Glasplatte 2 projiziert, wobei der
von der Auflagefläche des Keramiksubstrates 1 reflektierte Lichtstrahl mittels des
Achromaten 11 auf einen Umlenkspiegel 29 projiziert wird. Der Umlenkspiegel lenkt
das Lichtband auf den Schwingspiegel 12, der seinerseits über den Achromaten 13
und einem - hier nicht dargestellten Umlenkprisma - das Reflexionsbild reell über
die Zwischenoptik 14, 16 in der Bildebene des Okulars 18 abbildet. Die Glasplatte
2 ist mittels Justierelemente 31 auf einen mittels einer Handhabe 32 betätigbaren
Kreuzschlitten 33 gelagert. Der Kreuzschlitten ist in den beiden ebenen Koordi-
natenrichtungen
stellbar. In einem Gehäuse 34 befindet sich der Oszillatorantrieb für den Schwingspiegel
12. Mit Ausnahme der Lichtöffnungen für die Achromaten 10 und 11 ist die gesamte
Optik mittels hier nicht dargestellter Schutzkappen abdeckbar. Im Rahmen der Erfindung
besteht indessen auch die Möglichkeit, den Längsschnitten 30 oder den Querschnitten
30' in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen mittels einer Mikrometerschraube
zu stellen und einzurichten, derart, daß eine genaue Aussage über den jeweiligen
Ort einer bestimmten gemessenen Ebenheitsabweichung möglich ist. Hierzu ist der
Schwingspiegel 12 bei abgeschaltetem Oszillator mittels einer Handhabe 38 einstellbar.
Das Substrat 1 ist hier auf der Glasplatte mittels Anschläge 36 fixiert gehalten.
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Zur Messung der Ebenheitsabweichung wird das Substrat mit der zu prüfenden
Seite auf die Glasplatte gelegt und das Mikroskop 14, 16, 18 mittels des Handrades
37 auf das Lichtband scharf eingestellt.
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Sodann wird die Substratoberfläche durch Bewegen des Kreuzschlittens
in Längs-bzw. Querrichtung über die gesamte Oberfläche abgetastet und dabei die
Stelle der größten Ebenheitsabweichung a bzw. der größten Lichtbandbreite A' (Figur
5) im Okular gesucht.
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An dieser Stelle wird der Kreuzschlitten angehalten und das Maß A'
mittels des Okularmikrometers - hier nicht dargestellt - durch Antasten des Okularmikrometer-Fadenstriches
ermittelt.
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Das erfinderische Verfahren, aber auch die Vorrichtung kann für anders
geartete Prüfteile eine entsprechende Anwendung finden.
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Voraussetzung ist lediglich, daß die Oberfläche des MeBobJektes bei
einem Einfallwinkel des Lichtes W zwischen 70 und 850 noch eine hinreichende Reflexion
aufweist.
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15 Patentansprüche 6 Figuren