DE4134817A1 - Anordnung zur messung des integralen streulichtes - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung des integralen Streulichtes, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Sie ist in der Oberflächenmeßtechnik und Streulichtoptik anwendbar.

In Wissenschaft und Technik ist es zunehmend von Interesse, die Feingestalt optisch glatter Oberflächen berührungsfrei und schnell zu untersuchen. Dabei läßt sich mit streulichtoptischen Methoden die Oberfläche vorteilhaft mit wenigen Parametern erfassen. Am schnellsten läßt sich durch die Messung des gesamten rückgestreuten Lichtes (totale integrierte Streuung, TIS) der Rauheitsparameter Rq als quadratischer Mittenrauheitswert ermitteln, wozu dieses Ergebnis mit einem einzigen Meßgang erhalten werden kann (H.E. Bennett, Optical Engeneering 17(1978)5 480-488, J.M.Elson, J.M. Rahn, JOSA 69(1979)1 31-47, J.M. Bennett, Proceedings of SPIE 381(1983)190-208). Diese als TIS-Verfahren bekannte Methoden gestatten nur mit Mehraufwand eine Bestimmung mehrerer Oberflächeparameter und lassen keine Aussage für die zur TIS-Messung vorauszusetzende Isotropie der Streulichtverteilung zu.

Auf bekannte Weise läßt sich aber unter meßtechnisch weitaus höherem Aufwand mittels Streulichtgoniometern (aus winkelaufgelöster Streulichtmessung) die TIS berechnen (Stover, Gillespie Proceedings of SPIE 362(1982)172, DD 2 51 611 B1). Inzwischen wurden Anordnungen und Verfahren entwickelt, die es mit Methoden der integralphotometrisch gemessenen Streulichtsignale ermöglichen, zusätzlich zur TIS Aussagen zu treffen zur Streulichtverteilung durch definierte Variierung der Eintrittsöffnung bzw. definierter Abschattung des rückgestreuten Streulichtes über der Probe (DD 2 86 862 A5). Ebenfalls Isotropieaussagen sind nicht mehr nur an die winkelaufgelösten Streulichtmeßverfahren gebunden (DD 2 86 861 A5), sie erfordern aber zur erstgenannten Anordnung einen speziellen Meßplatz. In der letztgenannten Anordnung ist es von Nachteil, daß eine rotierende Blende über der Probe innerhalb des Integralphotometers angebracht werden muß, weil das zusätzlich die Miniaturisierung eines solchen TIS-Meßplatzes verhindert. Der Justieraufwand einer Probe ist durch die Blendenanordnung, die möglichst dicht über der Probe positioniert sein muß, groß. Desweiteren besteht die Gefahr unerwünschten Kontaktes der Probe mit der Blende, was eine Einbuße an Berührungsfreiheit dieses Meßverfahrens bewirkt.

Die bisher zu TIS-Messung verwendeten Coblentz-Kugeln besitzen durch ihre Kugelform nur ein Zentrum. Die Probe muß aber, tech­ nisch bedingt, abweichend vom Kugelmittelpunkt angeordnet werden.

Um maximal das Streulicht zu erfassen, ist der Detektor symmetrisch dazu angeordnet. Da aber idealerweise der Meßfleck (Sonde) und sein Bild (Detektorposition) übereinander liegen, ist der erfaßbare Weitwinkelbereich des gestreuten Lichtes als auch die zulässige Probengeometrie begrenzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu realisieren, die es erlaubt, durch integrale Streulichtmessung gleichzeitig mit einem Gerät die Streulichtverteilung, die Rauheitsparameter der zu prüfenden Oberfläche und die Isotropie zu ermitteln, ohne zusätzliche Forderungen hinsichtlich der Abmessungen der verwendeten Integralphotometer stellen zu müssen.

Der meßtechnische Aufwand zur Bestimmung der TIS, der Oberflächenrauheitsparameter und der Anisotropie soll gesenkt werden und alle genannten Aufgaben sollen mit einem Gerät gelöst werden.

Die Lösung dieser Aufgabe gelingt mit einer Anordnung zur Messung des integralen Streulichtes erfindungsgemäß dadurch, daß mindestens eine Integralphotometeranordnung angeordnet ist, die mindestens einen Detektor enthält, der die Erfassung von Teilen des winkelaufgelösten Streulichtes in einzelnen Winkelbereichen durch Segmentierung gestattet.

Die Integralphotometeranordnung ist in einem Fall eine Ulbricht- Kugel, in einem anderen Fall eine Coblentz-Kugel, in einem dritten Fall eine asphärische Form, die mehr als einen Fokuspunkt besitzt.

Die Auswahl der entsprechenden Anordnung erfolgt auf der Grundlage der an sich bekannten Meßverfahren, die sich mit der jeweiligen Anordnung durchführen lassen.

Die Segmentierung in Winkelbereiche erfolgt in einem Fall durch eine Segmentierung des Detektors, vorzugsweise polar. Diese Segmentierung liefert in Echtzeit eine gleichzeitige Isotropiemessung mit der TIS. Somit wird die sonst erforderliche Meßzeit deutlich gesenkt.

Der Detektor enthält mindestens eine Störstelle. Es ist ausreichend, wenn diese Störstelle auf mindestens einem Detektor enthalten ist.

Durch eine oder mehrere Störstellen wird die Meßposition in Echtzeit überprüft, ohne daß ein weiterer Meßkanal erforderlich ist, der die aktuelle Meßposition bei der Isotropiemessung abfragt. Diese Maßnahme bringt auch eine Meßzeitverkürzung.

Die Segmentierung in Winkelbereiche erfolgt auch durch einen unmittelbar vor dem Detektor beweglich angeordneten Blendensektor.

Ist der Blendensektor drehbar, ist der Drehpunkt des Blendensektors in einem Fall der Detektormittelpunkt. Der Drehpunkt des Blendensektors ist aber vorzugsweise außerhalb des Detektormittelpunktes so angeordnet, daß durch Rotation des Blendensektors ein bestimmter Eingriff in die Abbildung des Beleuchtungsfleckes durch das Integralphotometer erfolgt. Innenverspiegelte Integralphotometer, vorzugsweise Coblentz- Kugeln realisieren eine verzerrte Abbildung des Meßfleckes auf den Detektor. Eine dazu berechnete unsymmetrische Anordnung des Blendensektors ermöglicht eine zumindest teilweise Entzerrung der auf den Detektor gesammelten Streulichtverteilung.

Erfindungsgemäß ist die Integralphotometeranordnung als auswechselbare Einheit ausgebildet.

Die Integralphotometeranordnung ist entweder aus einer Anordnung von mindestens zwei verschiedenen Photometerarten aufgebaut. Die Integralphotometeranordnung besteht in einem anderen Fall auch aus mindestens zwei Photometern einer Art mit verschiedenen Durchmessern und/oder Eintrittsöffnungen.

Die Integralphotometeranordnung kann in ihrer reflektierenden Innenfläche Sektoren aufweisen, die unterschiedliche Reflexions- und/oder Absorptionseigenschaften haben.

Ein solcherart präparierten Integralphotometer ermöglicht die Bestimmung der Anisotropie mit einer Winkelauflösung, die mit winkelauflösenden Meßverfahren vergleichbar ist, in nahezu Echtzeit. Das vereint die Vorzüge integraler und winkelauflösender Streulichtmessung in einer Anordnung und mit einer Messung.

Die TIS-Anordnung ist modular in Funktionsgruppen aufgebaut: dem Lichtquellenteil, vorzugsweise bestehend Laser mit wahlweise Chopper, der Bündelteilung zur Referenzmessung des einfallenden und direkt transmittierten bzw. reflektierten Bündel und optischen Elementen zur Formung des Beleuchtungsbündels, der Integralphotometerbaugruppe aus einer Anordnung einer oder mehrerer Ulbricht-Kugeln mit variabler Eintrittsöffnung, Probenöffnung und Dedektoranordnung und/oder aus einer Coblentz- Kugelanordnung, die beispielsweise über der Probe oder dem Detektor rotierende Blenden zur Abschattung von definierten Raumwinkelbereichen hat und/oder die über sektorierte mit definierten Störstellen markierte Detektoren verfügt und der Baugruppe zur Probenhalterung, die eine rechnergesteuerte Probenverschiebung zwecks Abscannen in verschiedene Richtungen gestattet. Die Gruppen sind vorzugsweise austauschbar angeordnet. Als Integralphotometer werden wahlweise an Stelle der sphärischen Anordnungen asphärische, z. B. ellipsoid- bzw. paraboloidförmige Anordnungen eingesetzt, welche mindestens zwei Brennpunkte aufweisen. Wenn zum Beispiel an Stelle des ersten Brennpunktes der Beleuchtungsspot der Probe lokalisiert ist, so sammelt sich im zweiten das vollständige gestreute Licht.

Im Gegensatz zu den bisherigen Integralphotometern lassen sich solche Integralphotometer vorteilhaft an die Probenabmaße anpassen.

Die Steuerungselektronik bzw. Rechentechnik, beispielsweise Lock-in-Verstärker, ist in Freiräumen des Gerüstes untergebracht, welches die drei Funktionsgruppen aufnimmt. Die Sektorblende über dem Detektor umschließt denselben und ist mit ihrer Antriebseinheit so angebracht, daß sie sich mit der zu messenden Oberfläche in einer Ebene befindet. Dadurch vergrößert sich der Justieraufwand gegenüber den bisherigen Integralphotometern nicht. Ebenso besteht keine Berührungsgefahr des rotierenden Blendensektors mit der zu messenden Oberfläche.

Die Erfindung soll anhand von Zeichnungen näher erläutert werden:

Es zeigen:

Fig. 1 Die optische Anordnung des gesamten Gerätes zur Erfassung der Streulichtverteilung,

Fig. 2 Die Ulbricht-Kugelanordnung, die eine in Fig. 1 einsetzbare Integralphotometeranordnung ist und die Bestimmung der Nahwinkelindikatrix erlaubt,

Fig. 3 Die Coblentz-Kugelanordnung, die eine in Fig. 1 einsetzbare Integralphotometeranordnung ist und die Bestimmung des Isotropieverhaltens gestattet.

In der Fig. 1 gelangt der von der Lichtquelle 1 (z. B. eines Diodenlaser oder Helium-Neon-Laser) ausgehende Beleuchtungsstrahlengang 2 durch einen Chopper 3 auf einen optischen Teilerwürfel 4. Auf den Einsatz des Choppers 3 in Verbindung mit einem Lock-in-Verstärker 5 kann verzichtet werden, wenn die Meßbedingungen Fremdlichtunterdrückung nicht erfordern. Ein Teil des Lichtes wird nach dem optischen Teilerwürfel 4 mit zwei Referenzdetektoren 6, 7 erfaßt. Mit dem restlichen Licht wird durch die Bauelemente der Integralphotometeranordnung 8 die Probe 9 senkrecht beleuchtet. Der Abstand a zwischen dem Integralphotometer 10 der Integral­ photometeranordnung 8 (z. B. Ulbricht-Kugelanordnung 8a oder Coblentz-Kugelanordnung 8b, die ausgewechselt werden können) und der Probe 9 ist variabel. Beim Einsatz von Ulbricht-Kugeln als Integralphotometer soll die Variation der Eintrittsöffnung 11 durch ein Magazin von verschiedenen Ulbricht-Kugeln 12 unterschiedlicher Eintrittsöffnungen oder das Variieren durch verschiedene Teile der Kugel ermöglicht werden. Je Ulbricht- Kugel 12 erfaßt ein Detektor 13 das Streulicht der Indikatrix des von der Probe 9 durch eine Probenöffnung 24 gestreuten Lichtes.

Die in Fig. 2 dargestellte Ulbricht-Kugelanordnung 8a kann durch die in Fig. 3 dargestellte Coblentz-Kugelanordnung 8b ausgetauscht werden. Dadurch ergibt sich die Möglichkeit der Isotropiemessung.

Die Coblentz-Kugelanordnung 8b in Fig. 3 kann aber auch durch die Ergänzung von Lichtquellen und vorzugsweise durch Rechner ansteuerbare Probenträger 21 zu einem zweiten Gerät vervollständigt werden.

Bei der Coblentz-Kugelanordnung 8b in Fig. 3 wird mit einem Meßlichtbündel 14 durch die Coblentz-Kugel 15 senkrecht die Probe beleuchtet. Symmetrisch zum Beleuchtungsfleck 16 der Symmetrieachse der Coblentz-Kugel befindet sich ein Detektor 17. Über dem Beleuchtungsfleck 16 und/oder der Detektorposition 19 wird ein rotierender Blendensektor 18 angebracht. Es kann aber auch ein sektorierter Detektor beispielsweise ein Halbleiterdetektor, bei dem ein ausgewählter Empfängersektor 25 eine Störstelle 26 besitzt, verwendet werden. Der lichtempfindliche Teil des Detektors 17 ist das Fotoelement 20. Das von den Detektoren 13 bzw. 17 und den Referenzdioden 6, 7 empfangene Signal wird mit dem Lock-in-Verstärker 5 phasenempfindlich verstärkt und gelangt über eine Anzeige- und Auswerteeinheit 22, beispielsweise in Verbindung mit einem Rechner, zur Ausgabe. Die einzelnen Baugruppen sowie die Justierbewegung läßt sich beispielsweise rechnergestützt steuern.

Das einfallende Meßlichtbündel 14 läßt sich für spezielle Meßaufgaben durch eine bündelformende Optik 23, welche oberhalb der Eintrittsöffnung 11 angebracht ist, geeignet verformen (z. B. fokussieren oder polarisieren).

Bezugszeichenliste

 1 Lichtquelle
 2 Beleuchtungsstrahlengang
 3 Chopper
 4 Teilerwürfel
 5 Lock-in-Verstärker
 6 Referenzdetektor
 7 Referenzdetektor
 8 Integralphotometeranordnung
 8a Ulbricht-Kugelanordnung
 8b Coblentz-Kugelanordnung
 9 Probe
10 Integralphotometer
11 Eintrittsöffnung
12 Ulbricht-Kugel
13 Detektor
14 Meßlichtbündel
15 Coblentz-Kugel
16 Beleuchtungsfleck
17 Detektor
18 Blendensektor
19 Detektorposition
20 Fotoelement
21 Probenträger
22 Anzeige- und Auswerteeinheit
23 bündelformende Optik
24 Probenöffnung
25 Empfängersektor
26 Störstelle

Claims (13)

1. Anordnung zur Messung des integralen Streulichtes, vorzugsweise zur Bestimmung von Oberflächenrauheitsgrößen und der Rauheitsanisotropie mittels Lichtquelle (1), Beleuchtungsstrahlengang (2), Chopper (3), bündelformender Optik (23), Probenträger (21), wahlweise angeordnetem Blendensektor vor der Probenanordnung und vorzugsweise rechnerunterstützter Anzeige- und Auswerteeinheit (22), dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eine Integralphotometeranordnung (8) angeordnet ist, die mindestens einen Detektor (13, 17) enthält, der die Erfassung von Teilen des winkelaufgelösten Streulichtes in einzelnen Winkelbereichen durch Segmentierung gestattet.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralphotometeranordnung (8) eine Ulbricht-Kugel (12) ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Integralphotometeranordnung (8) eine Coblentz-Kugel (15) ist.

4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralphotometeranordnung (8) eine asphärische Form hat, die mehr als einen Fokuspunkt besitzt.

5. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmentierung durch eine Segmentierung des Detektors (13, 17), vorzugsweise polar, erfolgt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor (13, 17) mindestens eine Störstelle (26) auf mindestens einem Detektor (13, 17) enthält.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß unmittelbar vor dem Detektor (13, 17) ein Blendensektor (18) rotirend angeordnet ist.

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt des Blendensektors (18) dem Detektormittelpunkt entspricht.

9. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehpunkt des Blendensektors (18) außerhalb des Detektormittelpunktes so angeordnet ist, daß durch Rotation des Blendensektors (18) ein bestimmter Eingriff in die Abbildung des Beleuchtungsfleckes (16) durch das Integralphotometer (10) erfolgt.

10. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralphotometeranordnung (8) auswechselbar ist.

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Integralphotometeranordnung (8) mindestens zwei verschiedene Photometerarten in einer Anordnung zugeordnet sind.

12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralphotometeranordnung (8) aus mindestens zwei Photometern einer Art mit verschiedenen Durchmessern und/oder Eintrittsöffnungen (11) besteht.

13. Anordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Integralphotometeranordnung (8) in ihrer reflektierenden Innenfläche Sektoren aufweist, die unterschiedliche Reflexions- und/oder Absorptionseigenschaften haben.