DE3814606C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Beurteilung der Abriebfestigkeit oder der durch Abrieb entstandenen Beschädigung der Oberfläche eines flächigen Guts, insbesondere einer Glasscheibe. Die Unempfindlichkeit gegenüber äußeren, insbesondere mechanischen, Einflüssen von Oberfläche spielt eine bedeutende Rolle für die Tauglichkeit und damit die Verwertbarkeit von Produkten. Von besonderer Bedeutung ist die Festigkeit gegenüber Abrieb bzw. des Abriebverhaltens insgesamt, aber auch die Empfindlichkeit gegen Änderungen der Struktur während der Fertigung. Die Erfassung von Strukturen einer Oberfläche sowie die bewertbare Auswertung der erfaßten Größen sind daher von besonderer Wichtigkeit.

Vergleichsweise umproblematisch sind Härtemessungen bei homogenen Körpern. Dort können Ritz- und Einprägmethoden zur Bestimmung ausreichend genauer Kennwerte ermittelt werden. Probleme treten jedoch bei beschichteten Oberflächen, insbesondere bei Oberflächen mit Dünnschicht-Beschichtungen auf. Dort kann nämlich bei Anwendung der herkömmlichen Methoden der Einfluß der Beschichtung und der Einfluß des beschichteten Körpers nicht mehr eindeutig voneinander getrennt werden. Besonders schwierig ist dies bei sehr dünnen Schichten, die mit Verfahren der Dünnschicht-Physik hergestellt sind, etwa durch Sputtern, Aufdampfen, CVD-Verfahren oder dgl. Solche Verfahren werden häufig bei der Beschichtung von Glasscheiben wie beispielsweise für Isolierverglasungen verwendet. Andererseits kann es gerade bei solchen Anwendungsfällen bei der Fertigung und der Verarbeitung zu der Verwendbarkeit des Produktes erheblich beeinflussenden Beschädigungen durch Abrieb oder dgl. kommen. Dieses Problem wird besonders gravierend, wenn ganz bestimmte physikalische Eigenschaften des Endproduktes hinsichtlich der Struktur seiner Oberfläche verlangt werden.

Bisher wurden in solchen Fällen visuelle Beurteilungsverfahren verwendet, bei denen ein einem Abrieb unterzogenes Produkt mit einem Standardprodukt visuell verglichen wurde. Abgesehen davon, daß diese Vorgehensweise nur subjektiv ist und damit sehr fehleranfällig, ist es auch äußerst kostspielig, da hierzu hohe Erfahrung erforderlich ist.

Aus der Deutschen Offenlegungsschrift 31 27 604 ist es bekannt, zur Messung von texturierten Oberflächen zu der Richtung von Bearbeitungsriefen die Streulichtverteilung von reflektiertem oder durchgelassenem Licht heranzuziehen. Eine quantitative Erfassung, z. B. der Abriebfestigkeit kann die hier gegebene Lehre nicht vermitteln. Auch in der Deutschen Patentschrift 30 37 622 wird zur Bestimmung der Oberflächenziele lediglich die von der zu untersuchenden Oberfläche reflektierte Streustrahlung mit Detektoren erfaßt. Die Deutsche Auslegeschrift 22 60 090 betrifft eine photoelektrische Einrichtung zur Bestimmung der Rauhigkeit insbesondere von Papieroberflächen, wobei hier eine Lichtfleckgröße maximaler Lichtintensität angegeben wird, jedoch nicht in Form eines undurchlässigen Lichtflecks auf einem lichtdurchlässigen Substrat. Ein Interferenzfilter dient der Eliminierung des Störeinflusses des Umgebungslichtes.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung anzugeben, bei denen eine objektive Erfassung von Strukturen einer Oberfläche gewährleistet werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst, durch die Merkmale des Patentanspruches 1.

Die Aufgabe wird bei einer entsprechender Vorrichtung gelöst durch eine Quelle eines kohärenten Lichtstrahles und eine optische Anordnung, die den kohärenten Lichtstrahl auf die Oberfläche abbildet und an der Struktur durch Strahlbeugung entstandene Anteile des Lichtstrahls einer Erfassungs- und Auswerteanordnung zuführt.

Die Erfindung wird durch die Merkmale der Unteransprüche weitergebildet.

Die Erfindung ist anwendbar bei der Beurteilung der Abriebfestigkeit bzw. der durch Abrieb entstandenen Beschädigungen beschichteter Flächen, inbesondere Flächen mit Dünnschicht-Beschichtungen und/oder bei der Beurteilung von gewollten oder ungewollten Unebenheiten einer im übrigen ebenen Fläche.

Die Erfindung geht davon aus, daß eine nichtstruktuierte Oberfläche keine auf Strahlungsbeugung beruhende Anteile hindurchläßt oder reflektiert, während körperliche Strukturen, wie insbesondere durch Abrieb entstandene Strukturen, eine solche Strahlbeugung verursachen, wobei das Ausmaß der Strahlbeugung von der Größe der Struktur, beispielsweise dem Ausmaß des Abriebes abhängt.

Die Anwendung des Verfahrens bzw. der Vorrichtung erlaubt eine automatische Stichproben-Beurteilung oder kontinuierliche Beurteilung von Produkten hinsichtlich der Struktur deren Oberfläche. Beispielsweise kann bei Vergleich mit einer Standardprobe beurteilt werden, ob das jeweilige Produkt in den Vertrieb gelangen kann oder als Ausschuß betrachtet werden muß. Durch Verwendung von speziellen Filtern kann sogar dahingehend beurteilt werden, ob eine bestimmte erwünschte oder unerwünschte Struktur der Oberfläche des beurteilten Produkts vorliegt. Für Entwicklungszwecke ist es andererseits möglich, bei Zuordnung zu einer Bearbeitungsmaschine das Verhalten der Oberfläche bei laufender Bearbeitung zu untersuchen.

Die Erfindung wird anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Von einer Quelle 1, wie einem He-Ne-Laser wird ein kohärenter Lichtstrahl 2 abgegeben und über Spiegel 3, 4 umgelenkt und zu einer ersten Linse 5, die eine Fokussieranordnung bildet, geführt. Ein lichtdurchlässiges Substrat 6 ist im Lichtweg des Lichtstrahls 2 angeordnet. Die Linse 5 fokussiert den Lichtstrahl 2 auf einen bestimmten Fleck auf der Oberfläche 7 des Substrates 6. Im Bereich dieses Flecks trägt die Oberfläche 7 eine sehr gut reflektierende Beschichtung 8. Diese Beschichtung 8 liegt ferner im Brennpunkt einer Abbildungslinse 9. Auf zwei Haltern 10 und 11 ist ein zu untersuchendes flächiges Gut 12 vorgesehen. Die Abbildungslinse 9 bildet den von der Beschichtung 8 reflektierten Lichtstrahl 2 auf die hinsichtlich ihrer Struktur zu untersuchende Oberfläche 13 des flächigen Guts 12 ab.

Bestimmte durch Strahlbeugung entstandene Anteile 14 des Lichtstrahls 2 werden im Bereich des durch die numerische Apertur bestimmten Öffnungswinkels der Abbildungslinse 9 reflektiert und durch den lichtdurchlässigen Anteil des Substrats 6 hindurchgelassen und von einer Sammellinse 15 auf einen optischen Detektor 16 einer Erfassungs- und Auswerteanordnung 17 abgebildet.

Etwa ungehindert durch das Gut 12 hindurchtretende Anteile der kohärenten Strahlung werden in an sich bekannter Weise von einer Lichtfalle 18 aufgenommen.

Je nach Größe der Beschichtung 8 ist für den Anteil 14 hinter dem Substrat 6 ein mehr oder minder großer Schattenbereich 19 ausgebildet.

Zweckmäßig ist die Oberfläche 7 und damit die Beschichtung 8 des Substrates 6 gegen den einfallenden kohärenten Lichtstrahl 2 unter einem Winkel von 45° geneigt, jedoch kommt es wesentlich nur darauf an, daß auf die zu untersuchende Oberfläche 13 abgebildet wird und der Anteil 14 das Substrat 6 (mit Ausnahme des die Beschichtung 8 betreffenden Bereiches) unbeeinflußt durchdringt.

Durch die geschilderte optische Anordnung tritt das durch die Beschichtung 8 des Substrates 6 um 90° abgelenkte kohärente Licht des Lichtstrahls 2 in Form einer Kugelwelle in die Linse 9 ein. Da der Abstand zwischen der Linse 9 und der Beschreibung 8 des Substrates 6 der Brennweite der Linse 9 entspricht, liegt nach Durchlaufen der Linse 9 das Licht in Form einer ebenen Welle vor. Diese beleuchtet nun die Oberfläche 13 des Gutes 12, bei dem es sich vorzugsweise um eine Glasplatte handelt. Die ebene Welle hat einen Durchmesser, der durch die Breite des Lichtstrahles 2 der Quelle 1 und das Brennweitenverhältnis der beiden Linsen 5 und 9 bestimmt ist, wobei die Oberfläche 13 des Gutes 12 mit einem der Brennweite der Linse 9 entsprechenden Abstand von deren Hauptebene entfernt ist. Dies hat zur Folge, daß bei vorausgesetzt ideal ebener Oberfläche 13 des Gutes 12 an dieser Oberfläche 13 reflektierte Anteile des Lichtstrahls 2 wieder auf den Bereich 8 des Substrates 6 fokussiert werden, also durch das Substrat 6 nicht hindurchtreten können.

An Oberflächenunebenheiten oder an Oberflächenverletzungen tritt eine Strahlbeugung auf, wobei Anteil und Ausmaß der Strahlbeugung ein Maß für die Oberflächenunebenheit bzw. Oberflächenverletzung sind. Beim Ausführungsbeispiel werden die innerhalb des durch die numerische Apertur der Linse 9 bestimmten Öffnungswinkels liegenden Anteile 14 in Form ebener Wellen jenseits der Linse 9 durch das Substrat 6 (mit Ausnahme des Schattenbereichs 19) geführt, da diese Anteile 14 außermittig sind. Wird also die Beschichtung 8 in ihren Abmessungen sehr klein gehalten, so wird der einer vollkommen ebenen, also nichtstrukturierten Oberfläche 13 entsprechende Anteil des reflektierten Lichtstrahls 2 für die Erfassung und Auswertung unterdrückt. Durch entsprechende Wahl der Größe kann auch erreicht werden, daß vernachlässigbare Strukturen der Oberfläche 13 ebenfalls zu unterdrückten Anteilen im reflektierten Lichtstrahl führen. Der durch das Substrat 6 hindurchgetretene Anteil 14 des Lichtstrahls 2 wird durch die Linse 15 auf den Detektor 16 fokussiert und führt zu einem der Intensität proportionalen, direkt in W/cm² erfaßbaren Ausgangssignal. Hierdurch ist eine Kalibrierung der Erfassungs- und Auswerteanordnung 17 mit Hilfe von Standardproben möglich, wodurch eine Messung hinsichtlich der Größe der Struktur der Oberfläche 13 des Gutes 12 möglich wird. Werden Überlappungen von Streuung verursachenden Zentren und Strukturen der Oberfläche 13 und die Auflösungsgrenze der Linse 9 vernachlässigt, so ist das Ausgangssignal der Erfassungs- und Auswerteanordnung 17 proportional zur Dichte dieser Streuzentren. Dieses Ausgangssignal kann in analoger, aber auch digitaler Form ausgegeben werden.

Beim besonderen Ausführungsbeispiel, nämlich der Untersuchung beschichteter Glasplatten, die einer Abriebbehandlung unterworfen sind, sind diese Streuzentren die durch das Abreiben erzeugten Verletzungen der Oberfläche der Beschichtung.

Durch geeignete Ausbildung der Erfassungs- und Auswerteanordnung 17 kann in analoger Weise auch festgestellt werden, ob eine erwünschte Struktur an der Oberfläche 13 des Gutes 12 vorliegt und/oder ob bestimmte erwünschte oder unerwünschte Abweichungen von der Struktur der Oberfläche 13 des Gutes 12 vorliegen. Dies wird dadurch erreicht, daß bestimmte Ortsfrequenzfilter verwendet werden, die für die festzustellende Struktur oder Strukturänderung spezifisch sind.

Die durch Oberflächenstrukturen verursachte Strahlbeugung weist für bestimmte Strukturen spezifische Frequenzcharakteristiken auf. Durch Unterdrücken oder Hindurchlassen bestimmter Frequenzbänder kann der Anteil 14 des reflektierten Lichtstrahles 2 auch hinsichtlich des Vorliegens oder Nichtvorliegens bestimmter spezifischer Strukturen untersucht werden. Zu diesem Zweck können Ortsfrequenzfilter in der räumlichen Fourierebene der Abbildungsoptik der optischen Anordnung vorgesehen werden, die bestimmte Frequenzanteile hindurchlassen bzw. sperren. Durch entsprechende Auswertung in der Erfassungs- und Auswerteanordnung 17 kann auf diese Weise festgestellt werden, ob die Oberfläche 13 des Gutes 12 eine bestimmte Struktur-Bedingung erfüllt oder nicht. Ausgehend davon kann ein entsprechendes Signal abgegeben werden und kann veranlaßt werden, daß das entsprechende Gut 12 von den Halterungen 10 und 11 zu einer Ausschußseite oder zu einer Weiterbearbeitungsseite abgegeben wird.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet sich auch zur ständigen Fertigungsüberwachung. So kann flächiges Gut ständig an der optischen Anordnung vorbeigefördert werden oder es können wechselnd flächige Güter 12 an den Halterungen 10 und 11 angeordnet werden. Diese Vorgehensweise eignet sich daher für die zerstörungsfrei On-Line-Endkontrolle.

Die erfindungsgemäße Vorgehensweise eignet sich auch für die Untersuchung von Produkten auf Widerstandsfähigkeit gegenüber bestimmten Bearbeitungsverfahren, insbesondere für die Untersuchung auf Abriebfestigkeit entsprechend der Härte oder Haftfestigkeit einer Beschichtung auf der Oberfläche 13 eines Gutes 12. Zu diesem Zweck kann bei Dauerbetrieb oder Intervallbetrieb der erfindungsgemäßen Vorrichtung eine entsprechende Bearbeitungseinrichtung wie eine Abriebeinrichtung zwischen der Linse 9 und der zu untersuchenden Oberfläche 13 eines Gutes 12 angeordnet sein und ständig oder intervallartig auf diese Oberfläche 13 einwirken. Wird beispielsweise ein rotierendes Abriebwerkzeug verwendet, so ist die Anzahl der Umdrehungen des Abriebwerkzeuges ein Maß für die Schichthärte oder Haftfestigkeit, wobei die Erzeugung eines Abriebes ständig mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung erfaßt wird. Somit eignet sich die erfindungsgemäße Vorgehensweise auch für Prüfstandsuntersuchungen.

Die Erfindung wurde anhand eines Ausführungsbeispiels erläutert, bei dem eine transparente Glasplatte mit einer Beschichtung versehen ist. Die Erfindung ist auch bei anderen Produkten anwendbar, bei denen eine Oberfläche zu untersuchen ist, sofern an dieser Oberfläche eine Strahlbeugung stattfinden kann. Bei Glasplatten ist ein 5 mW Helium-Neon- Laser als Quelle 1 zweckmäßig, der eine ebene kohärente Welle einer Wellenlänge mit 633 nm erzeugt. Bei anderen Anwendungsfällen können kohärente Wellen anderer Wellenlänge zweckmäßig sein.

Claims (13)

1. Verfahren zur Beurteilung der Abriebfestigkeit oder der durch Abrieb entstandenen Beschädigung der Oberfläche eines flächigen Gutes, insbesondere einer Glasscheibe, mit folgendne Schritten

• - ein kohärenter Lichtstrahl (2) wird auf einen reflektierenden kleinen Fleck (8) fokussiert, der sich auf einem transmittierenden Substrat (6) befindet, und über eine Abbildungslinse (9) auf die Oberfläche (13) abgebildet, wobei der kleine Fleck (8) in dem der Oberfläche (13) abgewandten Brennpunkt der Abbildungslinse (9) liegt,
• - die durch Strahlstreuung an dem dem Abrieb unterworfenen Abschnitt der Oberfläche (13) entstandenen Anteile werden an dem lichtundurchlässigen kleinen Fleck (8) vorbei durch das lichtdurchlässige Substrat (6) hindurch und eine Optik (9, 15) auf eine Erfassungs- und Auswerteanordnung (16, 17) abgebildet und
• - die Auswertung hinsichtlich des Abriebes erfolgt auf Unterschiede dieser Anteile gegenüber entsprechenden bei der Untersuchung mindestens einer Standardprobe gewonnenen Anteile.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gestreuten Anteile (14) des Lichtstrahls (2) innerhalb des durch die numerische Apertur der Abbildungslinse (9) des Lichtstrahls (2) bestimmten Öffnungswinkels erfaßt und ausgewertet werden.

3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auswertung die Anteile (14) auf den Empfangsteil (16) eines Lichtintensitäts-Meßgerätes (17) fokussiert werden.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (13) zur Erzeugung der Struktur bearbeitet wird und der kohärente Strahl (2) ständig oder in Intervallen auf die Oberfläche (13) abgebildet wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei Erreichen eines Schwellenwertes der Lichtintensität des Anteils (14) die Bearbeitung beendet wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß hinsichtlich mindestens einer bestimmten Art von Unterschieden gegenüber der Standardprobe ausgewertet wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung in der Fourierebene der optischen Anordnung ein für die bestimmte Art kennzeichnendes Ortsfrequenzfilter angeordnet wird.

8. Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe des Flecks (8) so bestimmt ist, daß bei der Auswertung das Erfassen einer bestimmten Lichtintensität einen bestimmten Zustand der Oberfläche (13) wiedergibt.

9. Vorrichtung zur Beurteilung der Abriebfestigkeit oder der durch Abrieb entstandenen Beschädigung der Oberfläche eines flächigen Gutes, insbesondere einer Glasscheibe, zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, gekennzeichnet durch
eine Quelle (1) zum Abgeben eines kohärenten Lichtstrahls (2), eine optische Anordnung, die den Lichtstrahl (2) auf die Oberfläche (13) abbildet und an den Strukturen der Oberfläche (13) durch Strahlstreuung entstandene Anteile (14) des Lichtstrahls (2) einer Erfassungs- und Auswerteanordnung (17) zuführt, und die ein transmittierendes Substrat (6), das einen reflektierenden kleinen Fleck (8) in dem der Oberfläche (13) abgewandten Brennpunkt der Abbildungslinse (9) trägt, und eine Fokussieranordnung (5) aufweist, die den kohärenten Lichtstrahl (2) auf den Fleck (8) so fokussiert, daß er mittels der Abbildungslinse (9) auf die Oberfläche abbildbar ist, wobei das Substrat (6) mit Ausnahme des Flecks (8) lichtdurchlässig ist und eine Sammellinse (15) zur Abbildung des durch das Substrat (6) getretenen Anteils (14) des Lichtstrahls (2) auf die Erfassungs- und Auswerteanordnung (17) vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildungslinse (9) der optischen Anordnung und die gestreuten Anteile (14) des Lichtstrahls (2) innerhalb des durch die numerische Apertur der Abbildungslinse (9) des Lichtstrahls (2) bestimmten Öffnungswinkels der Empfangs- und Auswerteanordnung (17) zuführt.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassungs- und Auswerteanordnung (17) ein Lichtintensitäts- Meßgerät ist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, insbesondere zur Beurteilung der Abriebsfestigkeit bzw. der durch Abrieb entstandenen Beschädigungen beschichteter Flächen, insbesondere Flächen mit Dünnschichtbeschichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß die Quelle (1) ein Lasergerät, insbesondere ein He-Ne- Lasergerät, ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, gekennzeichnet durch eine Bearbeitungseinrichtung, die auf die Oberfläche (13) einwirkt.