DE886531C - Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflaechenrauhigkeiten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflaechenrauhigkeiten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens

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DE886531C
DE886531C DEB4980D DEB0004980D DE886531C DE 886531 C DE886531 C DE 886531C DE B4980 D DEB4980 D DE B4980D DE B0004980 D DEB0004980 D DE B0004980D DE 886531 C DE886531 C DE 886531C
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DE
Germany
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radiation
frequency
reflected radiation
surface roughness
reflected
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DEB4980D
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Inventor
Helmut Dr Naumann
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EMIL BUSCH A G OPTISCHE IND
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EMIL BUSCH A G OPTISCHE IND
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/30Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring roughness or irregularity of surfaces

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Microscoopes, Condenser (AREA)
  • Investigating Materials By The Use Of Optical Means Adapted For Particular Applications (AREA)

Description

  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Für die Durchführung des'Verfahrens gibt es verschiedene Möglichkeiten und insbesondere Vorrichtungen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Dieser kann gegebenenfalls auf der Wiedergabe.-fläche eines elektronenoptischen Bildwandlers angeordnet sein. Die Bildwandleranordnung kann hierbei gleichzeitig zur Durchführung des Intensitätsvergleichs verwendet werden.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt.
  • 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.
  • Die Teile IO bis 14 können durch ein Okular ersetzt werden, um die zu untersuchende Oberflächenstelle aufzufinden und scharf einzustellen.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • 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.
  • Gegebenenfalls verwendete zusätzliche Mittel zum einwandfreien Aneinanderfügen der beiden hinsichtlich der Intensität miteinander zu vergleichenden Lichtbündel wurden nicht gezeichnet.
  • In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich der Flimmermethode bedient.
  • 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.

Claims (4)

  1. PATENTANSPRÜCHE: I. Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Strahlungen mit Hilfe von Unterschieden in der Erscheinungsform, z. B. Frequenz, Modulation, oder durch Anwendung unterschiedlicher Beobachtungsrichtungen gleichzeitig verglichen werden.
  2. 2 Verfahren nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung von Beleuchtungsstrahlung unterschiedlicher Frequenz die Frequenz der einen reflektierten Strahlung vor der Auswertung durch einen Frequenzwandler der Frequenz der anderen reflektierten Strahlung angeglichen wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch I oder 2 bei Anwendung von Lichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß als Frequenzwandler ein fluoreszierender Stoff dient.
  4. 4. Vorrichtung für die Durchführung des Verfahrens nach Anspruch I, gekennzeichnet durch zwei konzentrische Strahlenführungsmittel, von denen das eine zur Beleuchtung und zur Beobachtung der spiegelnd reflektierten Strahlung und das andere zur Beobachtung der diffus reflektierten Strahlung dient.
DEB4980D 1943-05-27 1943-05-27 Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflaechenrauhigkeiten und Vorrichtung zur Durchfuehrung des Verfahrens Expired DE886531C (de)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3518832A1 (de) * 1985-05-24 1986-11-27 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch Oberflaechenbeschaffenheitsfeststellungs-lichtabtastvorrichtung mit einem lichtkonzentrator

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* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE3518832A1 (de) * 1985-05-24 1986-11-27 Erwin Sick Gmbh Optik-Elektronik, 7808 Waldkirch Oberflaechenbeschaffenheitsfeststellungs-lichtabtastvorrichtung mit einem lichtkonzentrator

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