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Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten und
Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung geht von dem Verfahren
zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten aus dem Intensitätsverhältnis
von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung aus und bezweckt eine derartige
Ausgestaltung desselben, daß die Messung mit geringerem Zeitaufwand und unter Verwendung
einfacherer ATorrichtungen als bisher durchgeführt werden kann.
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Bei einem bekannten Verfahren dieser Art l (Heyes & Lueg, Veröffentlichungen
KWI. XXIV, Nr. 430, S. 3I) wird ähnlich dem Verfahren der Dunkelfeldauflichtmikroskopie
die zu prüfende Oberfläche einmal im Hellfeld und anschließend im Dunkelfeld beleuchtet
und die Intensität der reflektierten Strahlungen jeweils durch die Zeit bestimmt,
die ein Kondensator zur Entladung durch eine von der reflektierten Strahlung beleuchtete
Photozelle benötigt. Die Nachteile dieser bekannten Methode liegen darin, daß zwei
Messungen zeitlich hintereinander stattfinden müssen, so daß besondere Maßnahmen
zur Konstanthaltung der Beleuchtungslichtquelle während der gesamten Meßzeit vorgesehen
werden müssen. Fernerhin muß der Kennwert für die Rauhigkeit durch eine Rechenoperation
aus den beiden Entladungszeiten ermittelt werden.
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Diese Nachteile sind bei den Verfahren zur optischen Bestimmung von
Oberflächenrauhigkeiten aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter
Strahlung nach der Erfindung dadurch behoben, daß die beiden Strahlungen mit Hilfe
von Unterschieden in der Erscheinungsform, z. B. Frequenz, Modulation, oder durch
Anwendung
unterschiedlicher Beobachtungsrichtungen gleichzeitig
verglichen werden. Infolge des gleichzeitigen Vergleichs braucht auf die Konstanz
der Lichtquelle wenig Wert gelegt zu werden. Außerdem kann man die Auswertungsmittel
so ausgestalten, daß sie eine direkte Ablesung des Rauhigkeitkennwertes ermöglichen.
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Für die Durchführung des'Verfahrens gibt es verschiedene Möglichkeiten
und insbesondere Vorrichtungen.
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Bei der frequenzmäßigen Unterscheidung der beiden reflektierten Strahlungen
muß man im Beleuchtungsstrahlengang und im Beobachtungsstrahlengang gleidiartige
Frequenzsiebe anordnen, also bei Verwendung von Liehtstrahlung Farbfilter, die vorzugsweise
komplementärfarbig für die beiden Strahlenarten gewählt werden. So kann Ibeispielsweise
die Beleuchtung im Hellfeld mit grünem und die im Dunkelfeld mit rotem Licht durchgefülhrt
werden. Für kupferfarbene Werkstoffe z. B., die Grün wesentlich schlechter spiegeln
als Rot, kann rotes und ultrarotes Licht für die Unterscheidung benutzt werden.
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Man verwendet beispielsweise eines der üblichen Auflichtmikroobjektive
für Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung, durch das in üblicher Weise ein Ausschnitt
der zu prüfenden Oberfläche reell vergrößert abgebildet wird. Der Strahlengang enthält
also ein Hellfeldbild in beispielsweise grüner und ein Dunkelfeldbild in beispielsweise
roter Farbe.
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Zur messungsmäßigen Auswertung der Lichtstärke beider Bilder wird
die Strahlung einer Trennfläche zugeführt, die den einen Teil durch ein Grünfilter,
den anderen Teil durch ein Rotfilter je einer Empfangseinrichtung, beispielsweise
einer Photozelle oder einem Sperrschichtelement, zuleitet. Hierbei kann die halbdurchlässig
spiegelnde Trennfläche so ausgebiLdet sein, daß sie die Filterwirkung unterstützt,
indem beispielsweise ein an sich bekannter Gold- oder Fuchsinspiegel benutzt wird;
ersterer reflektiert vorwiegend Rot und läßt vorwiegend Grün hindurch, während bei
Letzterem die Verhältnisse umgekehrt liegen.
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Eine besondere Ausführungsform der Erfindung bei Verwendung von Strahlung
unterschiedlicher Frequenz besteht darin, daß die Frequenz der einen reflektierten
Strahlung vor der Auswertung durch einen Frequenzwandler der Frequenz der anderen
reflektierten Strahlung angeglichen wird. Bei Anwendung von Lichtstrahlen und visuellem
Vergleich der beiden Strahlungen kann als Frequenzwandler beispielsweise ein fluoreszierender
Stoff dienen.
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Dieser kann gegebenenfalls auf der Wiedergabe.-fläche eines elektronenoptischen
Bildwandlers angeordnet sein. Die Bildwandleranordnung kann hierbei gleichzeitig
zur Durchführung des Intensitätsvergleichs verwendet werden.
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An Stelle von Strahlung unterschiedlicher Fre quenz kann man auch
frequenzgleiche Strahlung unterschiedlicher Modulation verwenden. Der Modulationsunterschied
kann entweder in der Frequenz, vorzugsweise aber in Ider Phase bestehen. Man kann
bei dieser Verfahrensart die an sich bekannten Methoden der Flimmerphotometrie in
sinngemäßer Abwandlung anwenden.
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Man kann auch als unterschiedliche Erscheinungsform der beiden Strahlungen
ihren Polarisationszustand verwenden, ist aber hierbei ersichtlich auf diejenigen
Anwendungsfälle beschränkt, in denen die Prüfdberfläche keine Beeinflussung des
Polarisationszustandes der einen oder anderen Strahlung hervorruft.
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Der zweite grundsätzliche Weg zur Trennung der beiden reflektierten
Strahlungen, nämlich die Beobachtung derselben aus unterschiedlichen Richtungen,
läßt sich in besonders einfacherWeisedurchführen. Eine geeignete Vorrichtung besteht
aus zwei konzentrischen Strahlenführungsmitteln, von denen das eine zur Beleuchtung
und zur Beobachtung der spiegelnd reflektierten Strahlung und das andere zurBeobachtung
der diffus reflektiertenStrahlung dient. Ein solches Gerät ähnelt also in seinem
grundsätzlichen Aufbau den bekannten Hellfeld-Dunkelfelgd-Illuminatoren der Auflichtmikroskopie
und enthält darüber hinaus Mittel, um das in Richtung des Dunkelfelldbeleuchtungsstrahlenganges
diffus reflektierte Licht der Messung zugänglich zu machen. Morzugsweise ordnet
man im Gang dem diffus reflektierten Strahlengang ringförmige optische Sammelglieder
an, die diese Strahlung in zentrischer oder exzentrischer Anordnung in bezug auf
die spiegelnd reflektierte Strahlung an den Strahlenvergleichsort leiten.
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Der Vergleich der beiden reflektierten Strahlenaren erfolgt in Anpassung
an die Strahlungsart mit den in der Strahlenvergleichstechnik, insbesondere Photometrie,
üblichen Verfahren und Hilfsmitteln. Die Auswertung kann visuell oder objektiv durchgeführt
werden.
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In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch
dargestellt.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. I wird die zu prüfende Oberfläche
I durch das Mikroobjektiv2 etwa in der Ebene 3 abgebildet und durch die Licht quelle
4 und den Kondensor 5 über den Planspiegel 6 und den Hohlspiegel 7 im Dunkelfeld,
über die halbdurchlässige Platte 8 durch das Objektiv 2 hindurch im Hellfeld beleuchtet.
Im Strahlengang befindet sich eine Filterscheibe 9, deren zentraler Teil 91 grün
und d deren Randteil 92 rot gefärbt ist. Im Abbildungsstrahlengang befindet sich
bei IO ein Prisma mit einer halb durchlässig spiegelnden Schicht 101 aus Gold; sie
reflektiert vorwiegend die rote Strahlung, die durch das Rotfilter ii dem Sperrschichtelement
12 zugeleitet wird. Die durch die Schicht 101 hindurchgehende, vorwiegend grüne
Strahlung durchsetzt das Grünfilter I3 und wird von dem Sperrschichtelement 14 aufgenommen.
Die von den Elementen 12 und 14 erzeugten Ströme werden zwei Spiegelgalvanometern
I5, I6 zugeführt, die einen von der Lichtquelle I7 kommenden Lichtstrahl koordinatenmäßig
auf der Auffangfläche I8 so führen, daß aus dem Verhältnis der Koordinaten auf das
Verhältnis der von der Prüffläche reflektierten Lichter und damit auf deren Oberflächenbeschaffenheit
geschlossen werden kann.
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Die Teile IO bis 14 können durch ein Okular ersetzt werden, um die
zu untersuchende Oberflächenstelle aufzufinden und scharf einzustellen.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 entsprechen die zu prüfende Oberfläche
I, das Objektiv 2, die Lichtquelle 4, der Kondensor 5, die Spiegel 6 und 7, die
Platte 8 und das Filterg den in Fig. 1 dargestellten Teilen. An ruder Stelle des
reellen Bildes 3 befindet sich eine Sammellinse hoher Apertur I9, die von der Austrittspupille
des Objektivs 2 ein kleines, aber sehr helles Bild 20 in einer aus Rhodamin bestehenden
Schicht 21I entwirft. Zwischen den Teilen 19 und 21 ist ein Grünfilter 22 angebracht.
Das Rhodamin wird durch die grünen Strahlen zu roter Fluoreszenz angeregt; das rotleuchtende
Bildchen 20 wird durch die Okularlinsen 23, 24 der Eintrittspupille 25 des Gerätes
zugeleitet. Zur Beseitigung restlicher Grünstrahlung befindet sich im Strahlengang
ein Rotfilter 26.
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Ein anderer Teil der vom Objektiv 2 kommenden Strahlung wird durch
die Prismen 27, 28 direkt dem Okularteil 24 bzw. zudem Auge 29 zugeleitet; die Abstände
der Teile 24 und 28 sind so gewählt, daß die als Photometerkante dienende Prismenkante
28I scharf gesehen wird. über die Prismen 27 und 28 kann nur das durch die Randzone
92 und über die Spiegel 6 und 7 geführte, der Dunkelfeldbeleuchtung dienende rote
Licht im Auge wirksam werden.
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Durch einen Kreiskeil 3I von grüner Färbung, der den gesamten Strahlengang
zwischen dem Objektiv2 und der Linse 19 bzw. dem Prisma 27 erfaßt, können die Helligkeiten
beider Strahlengänge einander gleichgemacht und aus der Stellung des einen oder
anderen Keiles die Rauhigkeit der Oberfläche I bestimmt werden.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die zu prüfende Oberfläche
I durch den Kondensor 5 über den halbdurchlässigen Spiegel 8 hinweg und durch das
Objektiv 2 von der Lichtquelle 4 her beleuchtet. Die spiegelnd reflektierten Strahlen
liefern ein Bild der Oberfläche I durch das Objektiv 2, die Mitte der Linse 32 und
das Prisma 33 am Ort des ringförmigen Graukeiles 3I. Die diffus reflektierten Strahlen
werden von dem Ringspiegel 7 aufgefangen und liefern über die Randteile der Linse
32 ein Bild der Oberfläche I am Ort 34. Durch Drehen des Keiles 3I kann die Helligkeit
beider Bilder einander angeglichen werden. Mit Hilfe der Feldlinsen 35 und 36 werden
die Strahlendurchtrittsflächen der Linse 32 in etwas verschiedenem Maßstab so in
der Ebene 37 abgebildet, daß das zentrale Bündel sich lückenlos dem pheripheren
einfügt. Die Ebene 37 wird durch die Lupe 24 vom Auge 29 betrachtet.
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Gegebenenfalls verwendete zusätzliche Mittel zum einwandfreien Aneinanderfügen
der beiden hinsichtlich der Intensität miteinander zu vergleichenden Lichtbündel
wurden nicht gezeichnet.
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In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die
sich der Flimmermethode bedient.
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Die Oberfläche I wird über das Objektiv 2 und den halbdurchlässigen
Spiegel 8 von der Lichtquelle 4 durch den unteren Teil des Kondensors 5 im Hellfeld
und von dem durchbohrten Planspiegel 6 und dem Ringhohlspiegel 7 über den oberen
Teil des Kondensor 5 im Dunkelfeld beleuchtet. Die um die Achse 41 drehbare Scheibe
42 (Fig. 4 a) gibt durch ihre entsprechend gestalteten Ausschnitte abwechselnd den
Hellfeld- und den Dunkelfeldstrahlengang frei. Von der Achse ÇI wird weiterhin ein
Exzenter 43 angetrieben, der einer um die Achse 44 kippbaren Planparallelplatte
45 jeweils eine Neigung nach links oder rechts erteilt, je nachdem der Hellfel-d-
oder Dunkelfeldstrahlengang freigegeben ist. Dementsprechend entwirft das Objektiv
2 ein Bild der Oberfläche abwechselnd in den Abschnitten 46 und 47 des Gesichtsfeldes,
das durch eine nicht dargestellte Lupe vergrößert dem Auge dargeboten wird. Zur
Angleichung der Intensität beider Strahlengänge ist ein streifen- oder ringförmiger
Graukeil 3I im Hellfeldbeleuchtungsstrahlengang angebracht. Die Achse 4I mit der
Scheibe 42 und dem Exzenter 43 läuft in an sich bekannter Weise so schnell um, daß
das Flimmern in beiden Gesichtsfeldhälften 46, 47 unsichtbar wird.