DE3304780A1

DE3304780A1 - Vorrichtung zur ermittlung einer oberflaechenstruktur, insbesondere der rauheit

Info

Publication number: DE3304780A1
Application number: DE19833304780
Authority: DE
Inventors: Oskar Dipl Ing Gerstorfer
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Optische Werke G Rodenstock
Priority date: 1983-02-11
Filing date: 1983-02-11
Publication date: 1984-08-30
Also published as: DE3304780C2; JPS60310A; JPH038686B2; GB2135772B; GB2135772A; FR2540988B1; CH664438A5; GB8402953D0; US4728196A; FR2540988A1; DE8303856U1

Abstract

In neuerer Zeit werden aus Lärmschutzgründen über Straßen oft Teilabdeckungen, bestehend aus seitlichen Wänden und einem zum Zwecke der natürlichen Beleuchtung und Belüftung mit Öffnungen versehenen Deckel, angeordnet. Bei einer bekannten Konstruktion sind die Öffnungen durchgehend über den Randstreifen vorgesehen und mit schallabsorbierenden, ebenen, parallel zur Fahrbahnachse angeordneten Elementen so durchsetzt, daß kein Schallstrahl direkt austreten kann. Nach der Erfindung sind die Mittelebenen des Elementes dieser Konstruktion, wie in der Zeichnung dargestellt, um einen konstanten Winkel α von 15 ° bis 25 ° gegen die Vertikale zur Fahrbahnmitte hin geneigt anzuordnen, wobei das Verhältnis aus Elementhöhe h in Neigungsrichtung und Abstand a zum benachbarten Element senkrecht zur Elementebene mindestens drei sein muß. Damit ist gewährleistet, daß bei gleichzeitig hohem Lärmschutz eine gute, gleichmäßige Ausleuchtung der Fahrbahn bei Tageslicht ohne störenden Sonnenlichtdirekteinfall erzielt wird.

Description

Beschreibung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur, insbesondere der Rauheit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 ist aus der DE-OS 28 20 910 bekannt. Bei dieser Vorrichtung ist ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet. Mittels einer Diodenzeile oder eines Diodenfeldes wird die Winkelverteilung des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflexionswinkel der idealen Oberfläche gemessen und aus der Winkelverteilung die Oberflächenstruktur ermittelt. - Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist, daß die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel gestreuten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays sehr empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche sowie von der Größe des Leuchtflecks auf der Oberfläche abhängt. Andererseits ergeben sich - je nach verwendetem Lasertyp - insbesondere dann, wenn die Oberfläche mit einem sehr kleinen "Leuchtfleck" untersucht werden soll, Intensitätsprobleme.

Eine Vorrichtung anderer Art ißt aus der DE-OS 30 37 622 bekannt. Bei dieser Vorrichtung wird ein paralleler Lichtstrahl mit kleinem Querschnitt senkrecht auf die zu untersuchende Oberfläche gerichtet und die Winkelverteilung des reflektierten Lichts mittels einer Diodenzeile gemessen. Aufgrund des senkrechten Einfalls wird der Lichtstrahl im wesentlichen in sich selbst zurückreflektiert; deshalb ist es erforderlich, im Strahlengang einen Lichtteiler vorzusehen. Da sowohl der auftreffende Lichtstrahl als auch das reflektierte Lichtbündel den Strahlteiler passiert bzw. von diesem umgelenkt werden, wird die nutzbare Intensität insgesamt etwa auf ein Viertel herabgesetzt. Hierdurch er-

geben sich insbesondere bei kritischen Oberflächenstrukturen Intensitätsprobleme. Darüberhinaus hängt auch bei dieser bekannten Vorrichtung anderer Art die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten Raumwinkel reflektierten Licht und den einzelnen Dioden des Diodenarrays empfindlich vom Abstand der Vorrichtung von der zu untersuchenden Oberfläche ab.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 derart weiterzubilden, daß der Abstand zwischen der zu untersuchenden Oberfläche und der Vorrichtung zur Ermittlung der Oberflächenstruktur in weitem Umfange variiert werden kann, ohne daß die Zuordnung zwischen dem in einen bestimmten R a υ::;·* ink el reflektierten Licht und den einzelnen Meßelementen verlorengeht.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst. Da das Licht-Detektorarray in der Brennebene des Linsensystems, das das von der Oberfläche reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray abbildet, angeordnet ist, bleibt die Zuordnung zwischen dem unter einem bestimmten Winkel reflektierten Licht und den einzelnen Meßelementen des Detektorarrays auch bei größeren Abstandsänderungen weitgehend erhalten. Bei Versuchen hat sich herausgestellt, daß der Abstand zwischen der Vorrichtung und der zu untersuchenden Oberfläche um etwa + 3Ο?ί variiert werden kann, ohne daß die Ermittlung der Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit beeinflußt würde.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Patentanspruch 1 hat darüberhinaus noch eine Reihe von Vorteilen» Durch den schrägen Einfall des Lichtstrahls auf die Oberfläche ist kein Strahlteiler erforderlich, der die Intensität des Lichtes verringern würde. - Zudem erhält

man durch die Fokussierung eines parallelen Strahlenbündele auf der Oberfläche eine hohe Intensität auch bei einem kleinen "Untersuchungsfleck" (Leuchtfleck). - Ferner bleibt auch bei größeren Leuchtfleck-Durchmessem die Zuordnung zwischen dem Licht, das von den einzelnen Punkten des Leuchtflecks unter einen bestimmten Winkel reflektiert wird, und den einzelnen Meßelementen des Licht-Detektorarrays erhalten. Dies hat seine Ursache ebenfalls darin, daß sich das Detektorarray in der Brennebene des Linsensystems befindet, anders ausgedrückt, daß das Linsensystem und das Detektorarray ein Fouriersystem bilden.

Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Die Verwendung eines gemeinsamen Linsensystems für den auftreffenden und den reflektierten Strahl gemäß Anspruch 2 führt zu einem einfacheren Aufbau der Vorrichtung.

Natürlich ist es bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung möglich, beliebige Licht-Detektoranordnungen und Meßelemente zur Messung der Winkelverteilung des reflektierten Lichtes zu verwenden. Beispielsweise kann das Detektorarray ein Meßelement-Feld sein. Wenn jedoch beispielsweise aufgrund des Bearbeitungsverfahrens der oberfläche die Charakteristik der Rauheit überwiegend nur in einer Richtung zu erwarten ist, ist es vorteilhaft gemäß Anspruch 3 eine zellenförmige Anordnung von Lichtdetektoren bzw. von Meßelementen zu verwenden.

Als Meßelemente können beliebige Lichtempfänger eingesetzt werden, die das auftreffende Licht in ein elektrisches Signal umsetzen, wie beispielsweise Phototransistoren, Photodioden, CdS-Zellen oder dgl.. Besonders vorteilhaft ist es, als Detektorarray eine handelsübliche Photodiodenzeile zu verwenden.

Natürlich ist es auch möglich, mit einer zellenförmigen Anordnung von Meßelementen eine flächenhafte Streulichtverteilung zu erfassen, wenn das reflektierte Strahlenbündel gemäß Anspruch 5 oder 6 auf der zellenförmigen Anordnung von Meßelementen gedreht wird. Auf diese Weise wird die flächenhafte Streulichtverteilung in zeitlicher Folge linienförmig abgefragt.

Wie bereits erwähnt hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß - unabhängig von der Größe des Leuchtflecks - von beliebigen Punkten des Leuchtflecks unter demselben Winkel ausgehende Strahlen auf das gleiche Meßelement des Detektorarrayε auftreffen. Damit ist es ohne weiteres möglich, die Größe des Leuchtflecks bzw. des Untersuchiingsflecks dem jeweiligen Meßziel anzupassen. Zu einer genauen Untersuchung wird man einen kleinen Leuchtfleck wählen, während für eine Übersichtsmessung ein Leuchtfleck mit großem Durchmesser vorteilhaft ist. Im Anspruch 7 ist eine besonders einfache Möglichkeit zur Änderung der Größe (Durchmesser) des Leuchtflecks gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Aasführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben. Es zeigern

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung,

Fig. 2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße Vorrichtung,

Fig. 3 einen Querschnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung, und

Pig. k eine Ansicht einer an sich "bekannten optischen Dreheinrichtung.

Fig. 1 zeigt ein AusführungsbeiBpiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur und insbesondere der Rauheit. Die nur schematisch dargestellte Vorrichtung weist eine Lichtquelle 1, einen Kollimator 2, ein Meßobjektiv 3 und eine Diodenzeile 5 auf.

Eine zu untersuchende Oberfläche hat von der Vorrichtung (d.h. von der vorderen Hauptebene des Keßotjektivs 3) einen Abstand, der annähernd gleich der Brennweite f des Keßobjektivs 3 ist.
Das von der Lichtquelle 1 ausgehende Licht wird von dem Kollimator 2 parallelisiert und trifft außerhalb der optischen Achse 6 des Keßobjektivs auf das Keßobjektiv auf. Der parallele Lichtstrahl wird von dem Meßobjektiv auf der Probenoberfläche 4 fokussiert. Von nichtstreuenden Proben, wie optischen Spiegeln, geht das "divergierend" reflektierte Lichtbündel ebenfalls durch das Meßobjektiv 3 hindurch und wird von diesem parallelisiert. Das parallele Lichtbündel trifft auf die Diodenzeile 5 auf, die in der hinteren Brennebene des Meßobjektivs liegt, An streuenden Proben werden unter gleichem Winkel gestreute Lichtbündel auf eine diesem Winkel eindeutig zugeordnete Stelle auf der Diodenzeile fokussiert. Da die Diodenzeile in der Brennebene des Meßobjektivs liegt, ändert eich die Zuordnung zwischen dem unter einen bestimmten Winkel (Raumwinkel) reflektierten Licht und den einzelnen Dioden der Diodenzeile auch bei größeren Änderungen des Abstandes "Meßobjektiv 3 / Proben oberfläche k" praktisch nicht. (Anders ausgedrückt bilden das Meßobjektiv 3 und die Diodenzeile 5 ein Fouriersystem). In der Praxis hat es sich herausgestellt, daß Abstandsänderungen bis zu + 3QJi keinen nennenswerten Einfluß auf die Ermittlung der Oberflächenstruktur haben. Durch die Anordnung

der Diodenzeile 5 in der Brennebene des Meßobjektivs 3 wird ferner erreicht, daß alle von den verschiedenen Punkten des Meßflecks unter demselben Winkel emittierte Lichtstrahlen auf die gleiche Diode der Diodenzeile auftreffen.

Fig. 2 zeigt eine Draufsicht auf die erfindungsgemäße Vorrichtung, wobei die gleichen Bezugszeichen verwendet werden. Auf der Diodenzeile 5 ist schematisch die Verteilung des reflektierten Lichts dargestellt.

Fig. 3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der erfindungsgexäSen Vorrichtung. Anstelle des gemeinsamen Meßobjektivs 3 bei der Vorrichtung gemäß den Fig. 1 und 2 werden bei diesem Ausführungsbeispiel zwei Objektive 3¹ und 3" verwendet. Das Objektiv 3¹ fokussiert das parallele Lichtbündel, das vom Kollimator ausgeht, auf der Probenoberfläche 4, während das Objektiv 3" das reflektierte Lichtbündel auf der Diodenzeile 5 abbildet. Ansonsten ist der Aufbau gleich dem Aufbau des in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführangsbeispiels.

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in Fig. 4 dargestellt. Bei dieser Ausgestaltung befindet sich ein an sich bekanntes Dove-Prisma 7 in dem Strahlengang zwischen dem Meßobjektiv 3 bzw. dem objektiv 3" und der Diodenzeile 5. Dreht man das Dove-Prisma 7, so ist es möglich, eine flächenhafte Streulichtverteilung in zeitlicher Folge linienförmig abzufragen. Ferner kann auch ein Schmidt-Pechan-Prisma o. dgl. verwendet werden. Bei einer praktischen Realisierung der in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiele haben das Meßobjektiv 3 bzw. die Objektive 3¹ und 3" eine Brennweite von ca. 25 mm. Die Diodenzeile 5 weist 20 Meßpunkte bzw. Dioden bei einer Länge von ca. 20 mm auf. Die Achse des auf die Probenoberfläche k auftreffenden fokuesierten Strahls

schließt mit der Flachennorroale der (idealen) Oberfläche einen Winkel von ca. 20° ein.

DerLeuchtfleckdTHSchinesÄerist typischerweise 2 mm. Die spezielle Eigenschaft der erfindungsgemäßen Vorrichtung - die strenge Zuordnung zwischen Reflexionswinkel und Meßelement (Diode) der Diodenzeile - ermöglicht jedoch eine Variation des Leuchtfleckdurchmessers in weiten Grenzen. Beispielsweise kann durch Änderung der Brennweite des Kollimators von 5 ®n "bis 30 mm und/oder der Art der Lichtquelle 1 der Leuchtfleckdurchir.esser zwischen 5 U^ und 4 mm geändert werden, so daß auch kleinste Meßobjekte erfaßt warden können. Dies wird durch den tele zentrischen Strahlengang zwischen dem Kollimator 2 und dem Keßobjektiv 3 bzw. 3' möglich. Als Lichtquellen 1 könr,en laserdioden, Leuchtdioden, Glühlämpchen oder dgl. verwendet werden. Auch ist es möglich, die Lichtquelle 1 und den Kollimator 2 durch einen Laser zu ersetzen. Natürlich kann auch mit Licht außerhalb des sichtbaren Bereichs gearbeitet werden. Ferner kann die in den Ausführungsbeispielen dargestellte Diodenzeile 5 durch ein Detektorenfeld, beispielsweise ein Diodenfeld oder ein Phototransistorenfeld ersetzt werden. Ein derartiges Licht-Detektorenfeld erlaubt die sofortige Bestimmung einer .flächenhaften Streulichtverteilung. Daneben ist es bei Verwendung einer zeilenförmigen Detektoranordnung möglich, diese zur Bestimmung der flächenhaften Streulichtverteilung zu drehen.

Unabhängig von der speziellen Ausführungsform hat die erfindungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß auch bei flächenhafter Probenbeleuchtung eine eindeutige Zuordnung zwischen Streuwinkel und Abbildung auf die Diodenzeile besteht. Ferner ist aufgrund des schrägen Einfalls auf die Probenoberfläche die Verwendung eines Strahlteilers unnötig, wodurch sich ein Intensitätsgewinn um den Faktor k ergibt. Letztlich ist durch den erfindungsgemäßen Aufbau und gege-

benenfalls durch die Verwendung eines gemeinsamen Objektivs für die Abbildung auf die Probenoberfläche und die Abbildung auf das Detektorarray eine kompakte Bauweise der Vorrichtung möglich.

Diese Vorteile der erfindungsgemaßen Vorrichtung eröffnen größere Möglichkeiten als die bekannten Vorrichtungen,

aus den Ausgangssignalen der Meßelemente Kenngrößen für die Oberflächenstruktur und insbesondere für die Rauheit zu-ermitteln, so daß praktisch alle bekannten Auswerteverfahren für die Ausgangssignale des Arrays verwendbar sind. Insbesondere ist es ohne weiteres möglich, eine Ausv>erteschaltung zu verwenden, die integrale Kennwerte liefert, wie sie beispielsweise in der DE-OS 30 37 oder der DE-OS 23 5^> 535 beschrieben sind. Beispielsweise in der DE-OS 30 37 622 ist beschrieben, daß die Auswerteschaltung aus den Ausgangssignalen der Meßelemente die Rauheit der Oberfläche nach den Gleichungen

*·4

= YL v. p^ (6)

ermittelt, wobei

wi der von dem jeweiligen Meßelement erfaßte Winkel der Streustrahlung,

η die Anzahl der zur Auswertung herangezogenen Detektoren,

w der Mittelwert aus den Werten p. und w, p, das nach Gleichung c) nomierte Meßsignal Di, und gi Korrekturfaktoren für das Meßsignal D- ist.

-μ -

- Leerseite -

Claims

Optische Werke G. Rodenstock Isartalstraße

800C München 5

Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur, insbesondere der Rauheit

Patentansprüche

1J Vorrichtung zur Ermittlung einer Oberflächenstruktur, insbesondere der Rauheit, "bei der die Winkel abhängigkeit des reflektierten Lichts für Winkel um den Reflexionswinkel der idealen Oberfläche mit einem Licht-Detektor-.array gemessen wird und eine Auswerteschaltung hieraus die oberflächenstruktur ermittelt, dadurch gekennzeichnet, daß ein Abbildungs-Linsensystem (3i 3')» dessen Abstand von der zu untersuchenden Oberfläche (k) näherungsweise gleich der Brennweite (f) des Abbildungs-Linsensystems (3ϊ 3') ist, ein paralleles Strahlenbündel auf die Oberfläche (*f) fokussiert, daß die Achse des fokussierten Strahlenbündels mit der Flachennoraale der Oberfläche (*O einen Winkel ungleich Null einschließt, und daß ein Linsensystem (3l 3") ^das von der Oberfläche (^) reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray (5) abbildet, dessen Abstand von dem Linsensystem (35 3") in etwa gleich der Brennweite (f) des Linsensystems (3| 3") ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein gemeinsames Linsensystem (3) das parallele Strahlenbündel auf der Oberfläche fokussiert und das reflektierte Strahlenbündel auf das Detektorarray (5) abbildet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-

ieich.net, daß eine zellenförmige Anordnung von Lichtdetektoren daß Detektorarray (5) bildet.

k. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtdetektoren Photodioden sind.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorzeile (5) und das reflektierte Strahlenbündel während der Messung relativ zueinander gedreht werden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine an sich bekannte optische Dreheinrichtung (7), wie ein Dove-Prisma, ein Schmidt-Perchan-Prisma oder dgl. das reflektierte Strahlenbündel auf der Detektoreelle (5) dreht.

7. Vorrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtquelle (1) und ein Kollimator (2) das parallele Strahlenbündel erzeugen, und daß das Verhältnis der Brennweiten des Kollimators (2) und des Abbildungs-Linsensystems (3; 3') und/ oder die Art der Lichtquelle (1) zur Änderung der Größe des Leuchtflecks auf der zu untersuchenden Oberfläche (k) änderbar sind.