DE1912566A1 - Vorrichtung zur optischen Oberflaechenpruefung - Google Patents

Description

• Vorrichtung zur optischen Oberflächenprüfung Die Ertindung betrifft eine Vorrichtung zur Prüfung einer Fläche mithilfe eines Lichtstrahls, der nacheinander alle Punkte dieser Fläche abtastet, wobei das von dem beleuchteten Punkt kommende Licht auf eine Meßzelle gelangt, die ein dessen BeleuchtungestZrke darstellendes elektrisches Signal liefert.
• Eine derartige Vorrichtung kann insbesondere zum Ablesen von Informationen, die auf der betreffenden Fläche in Form einer Veränderung der optischen Eigenschaften dieser Fläche aufgezeichnet sind, verwendet werden. Auf diese Weise kann beispielsweise die auf einem durchsichtigen Träger, beispielsweise einem Diapositiv, optisch aufgezeichnete Information in eine Reihe elektrischer Signale umgeformt werden. Eine derartige Vorrichtung kann ferner auch zum Feststellen von Dickefehlern einer transparenten Platte oder von UnregelMäßigkeiten einer reflektierenden Oberfläche verwendet werden.
• Es sind bereits zahlreiche Vorrichtungen bekannt, die die Umformung der in einem Diapositiv enthaltenen Information in eine elektrische Signalfolge gestattet.
• Beispielsweise nennt an eine Vorrichtung, bei der der Lichtstrahl eines Lasers das Diapositiv durch Zeilenabtastung analysiert nnd - 3' nach dem analysierten Punkt - mehr oder weniger stark absorbiert wird. Der Laser führt hierbei eine Pendelbewegung aus und sein Licht wird nach Durchquerung des Diapositivs von einer fotoelektrischen Melzelle aufgenommen. Um der Bewegung des Strahls folgen zu können, suX diese Zelle ebenfalls eine Pendelbewegung ausführen; dies wird mit einem entsprechenden mechanischen System erreicht,dessen Geschwindigkeit J.doch begrenzt ist. Die Umformung des in den Diapositiv aufgezeichneten Bildes in eine Informationsfolge kann also nicht so schnell, wie es wünschenswert wäre, durchgefuhrt werden.
• Ferner sind Abtastvorrichtungen bekannt, bei denen ein Lichtstrahl eine zu analysierende Folie, die das Licht diffus zurücksendet, zeilenweise abtastet. Diese Folie bewegt sich in einer zur Abtastrichtung senkrechten Richtung. Das rückgestreute Licht wird nach Reflexion an einem elliptischen Spiegel von einer Meßzelle aufgenommen. Nit diesem Spiegel wird erreicht, daß die Meßzelle einen maglichst großen Teil des von der analysierten Folie diffundierten Lichts- aufnimmt. Zu diesem Zweck sind-die analysierte Zeile-und die Meßzelle in den beiden Brennpunkten der Ellipse angeordnet. Die Bedeutung -dieser -Anordnung liegt darin, daß mit ihr eine Folie analysiert werden kann, die das Licht diffus zurucksendet. Wenn die zu analysierende Oberfläche jedoch nicht diffundierend ist, d.h. wenn das Licht von dieser Oberfläche in Form eines Strahls zurückgesandt wird; dessen Richtung durch die des einfallenden Strahls bestimmt wird, so kann bei dieser Anordnung von der Meßzelle nur ein verhältnismäßig kleiner Teil des vond'er analysierten Fläche ausgesanften Lichts -aufgefangen werden.
• Gegenstand der Erfindung ist eine -Vorrichtung zur optischen Prufung einer nicht diffundierenden Fläche, bei der in einer feststehenden Zone geringer Ausdehnung trotz der Bewegung des diese Fläche analysierenden Lichtstrahls nahezu das gesamte von der untersuchten Oberfläche kommende Licht aufgefangen werden kann.
• Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Vorrichtung zur Umformung einer auf einem transparenten Träger in optischer Form aufgezeichneten Informat-ion in eine elektrische Signalfolge, ferner eine Vorrichtung zum Feststellen von Dicketehlern einer transparenten Platte sowie eine Vorrichtung zum Feststellen der Unregelmäßigkeiten einer reflektierenden Fläche.
• Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei auf die beiliegende Zeichnung Bezug genommen ist. Auf dieser Zeichnung zeigen: Fig. 1 ein Grundschema einer erindungsgemßen Vorrichtung zum Ablesen eines Diapositivs.
• Fig. 2 die Darstellung einer Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ablesen eines Diapositivs.
• Fig. 3 die Darstellung einer AusfUhrungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Feststellen der Dickefehler einer transparenten Platte.
• Entsprechende Bauteile sind auf den Figuren mit denselben Bezugszahlen bezeichnet.
• Die auf Fig. 1 dargestellte Vorrichtung gestattet die Analyse eines Diapositivs 1 mithilfe eines parallelen Strahls; angesichts der Beugung des Lichts und der Divergenz der Laserstrahlen, obwohl diese die hierfür geeignetsten Lichtquellen darstellen, kann nicht erwartet werden, daß ein Fleck von weniger als 0,5 mm Durchmesser abgetastet werden kann. Die Vorrichtung besitzt ferner einen zylindrischen Spiegel 2 mit elliptischem Querachnitt.
• Ii Fall des hier beschriebenen Ausführungsbeispiels, bei den der Lichtstrahl eine Abtastbewegung in einer Ebene ausführt, ist es nicht erforderllch, die Breite dieses Spiegels groß zu wählen. Eine Breite von etwa 1 cm ist ausreichend. Die Zylinderfläche des Spiegels entspricht hierbei praktisch der eines länglichen Rotationsellipsoids, das allein für selne Brennpunkte -unabhängig von der Ausrichtung der Strahlen in dem Raum - einen absoluten Stigmatismus bietet.
• In einem zu der Erzeugenden senkrechten Schnitt in der Ebene der Figur bildet der Spiegel 2 einen Ellipsenbogen (Fig. 1). In einem Brennpunkt F1 dieser Ellipse ist eine Vorrichtung 3 vorgesehen, die einen aus dem Laser 100 austretenden Lichtstrahl 4 mit feststehender Richtung in der oben definierten Ebene ablenken kann.
• Die Vorrichtung 3 kann zur Erzeugung von Ablenkungswinkeln von mehreren 10 Grad beispielsweise aus einem totalreflektierenden Prisma oder mehreren Prismen, einem Spiegel oder mehreren Spiegeln bestehen; alle diese totalreflektierenden Systeme rotieren um eine zur Ebene der Figur senkrechte, in Nähe des Brennpunkts F1 verlaufende Achse. Diese Systeme haben den Nachteil, daß sie einen mechanischen Antrieb erfordern, was jedoch - allerdings nur für ziemlich kleine Ablenkungswinkel - - durch Verwendung elektroakustischer Systeme vermieden erden kann.
• Ferner kann fUr kleine Winkel auch ein Diasporameter, ein Prisma, dessen öffnungswinkel sich mechanisch ändert, verwendet werden0 Im anderen Brennpunkt F2 der Ellipse 2 befindet sich ein Organ 5 zum Abtasten der Lichtstärke (Zelle) das die Lichtstärke des Strahls 4 miSt,nachiem er an dem System 3 reflektiert wurde, das Diapositiv 1 durchquert hat und von dem Spiegel 2 reflektiert wurde.
• Das Diapositiv 1 ist auf Einrichtungen (schematisch mit einem Schlitten 6 dargestellt) angeordnet, die dieses senkrecht zur Ebene der Figur verschieben könneun. Die Zelle 5 ist elektrisch mit einem Speicher 7 verbunden, Der Mechanismus zur Verschiebung der Einrichtung 6 und zur Drehung des Systems 3 ist zur Kennzeichnung des von dem Strahl 4 analysierten Punktes des Diapositivs mit dem Speicher 7 verbunden.Der Speicher 7 kann beispielsweise ein Magnetspeicher oder ein Fernsehschrm sein.
• Die auf Fig. 2 dargestellte Ausfllhrungsform gestattet eine wesentlich genauere Analyse des Diapositivs.Hierbei wird ein vorzugsweistionochromatischer Lichtstrahl von möglichst niedriger Wellenlänge verwendet; Dieser kann zweckmäßigerweise von einem Argonlaser geliefert werden, bei dem die Emission mit der geringsten Wellenlänge ausgewählt wird.
• Ein Laser 100 sendet einen Strahl 8 aus, der eine im Raum feststehende Richtung hat. Eine Vorrichtung 3, wie sie anhand von Fig. 1 beschrieben wurde, reflektiert den Strahl auf einen zweiten zylindrischen Spiegel lo mit elliptischem Querschnitt. Die von dem Spiegel 10 gebildete Ellipse ist so angeordnet-daß ihr erster Brennpunkt F'1 mit dem ersten Brennpunkt F1 des Spiegels 2 und der zweite Brennpunkt F'2 mit der Vorrichtung 3 zusammenfällt.
• Im ersten Brennpunkt F'1 des Spiegels 10 ist ein optisches Sammelorgan ii vorgesehen. Das Diapositiv 1 ist 80 angeordnet, daß es mit der Brennebene des optischen Sammelorgans 11 zusammenfällt, das die Aufgabe haut, den an dem Spiegel lo reflektierten Lichtstrahl 12 ständig auf das Diapositiv zu zu fokussleren. Da man hierbei einen Lichtfleck mit einem Durchmesser von einigen Mikron erhält, ist die punktweise Analyse des Diapositivs außerordentlich genau. Die übrigen Teile der Vorrichtung, der elliptische Spiegel 2, die Zelle 5, die Einrichtungen 6 zur Verschiebung des Diapositivs und der elektrische Speicher 7, wurden berechts beschrieben.
• Auf Fig. 2 sind die Grenzen, zwischen denen sich der Lichtstrahl drehe*iuß, um die gesamte Oberfläche des Diapositivs 1 abtasten zu können, mit unterbrocheneh Linien dargestellt. Diese Grenzlinien haben einen ziemlich großen Winkelabstand zueinander. Es muß also ein sehr spezielles Objektiv 11 verwendet werden, das die anastigmatische Planheit gewährleisten muß, d.h. die sagittale und die tangentiale Bildfläche müssen zusanenfallen und in der Ebene des Diapositivs liegen. Hierbei kann beispielsweise ein unter dem Namen "RS»rgont bekanntes Objektiv verwendet werden, das für Neigungswlnkel von O bis 670 korrigiert ist, jedoch eine verhältnismäßig geringe Oeffnung von etwa F/22 besitzt. Ferner ist ein "Topogon" oder ein "Metrogon" anwendbar; diese haben den Vorteil, daß sie eine Öffnung von F/6,3 besitzen und glelchzeitig ein Feld von 1000 mit guter Schärfe bedecken.
• Die im Vorhergehenden zur Prüfung einer transparenten Fläche 1 beschriebene Vorrichtung kann ebenso zur Prüfung der Änderungen des Reflexionsvermögens auf einer reflektierenden Fläche verwendet werden; diese Anderungen können sich aus der Aufzeichnung von Informationen auf dieser Fläche ergeben. Der Brennpunkt F1 des Spiegels 2 mUBte hierbei nicht im Ablenkungszentrum, um welches sich der diese Fläche abtastende, einfallende Lichtstrahl dreht, sondern in einem bezüglich dieser Fläche hierzu symmetrischen Punkt angeordnet sein, sofern diese Fläche eben ist, so daß der von dieser Fläche reflektierte Lichtstrahl sich um den Brennpunkt F1 zu verschwenken scheint.
• Die auf Fig. 3 dargestellte Vorrichtung besitzt eine monochromatische Strahlenquelle, die einen parallelen Strahl aussendet, welcher eine dielektrische Platte abtastet, die auf Dickefehler geprüft werden soll, Organe zum Abtasten dieser Strahlung gestatten die Untersuchung der von dem von dieser Platte zurtokgesandten Lichtstrahl gebildeten Interferenzstreifen oder die Messung der Bewegung eines Llchtpunktes im Brennpunkt eines elliptischen Spiegels Ii Fall der Verwendung von Lichtstrahlen besitzt die Vorrichtu -ng einen Spiegel 2, dessen Oberfläche einen in der Schnittebene der Figur elliptischen Zylinderabschnitt bildet. Senkrecht zur Ebene der Figur ist zwischen den beiden Brennpunkten F1 und F2 eine Platte 1 aus einem für diese Strahlung durchlässigen Material, beispielsweise eine Glasplatte, vorgesehen.
• Eine Lichtquelle 100, beispielsweise ein Laser, sendet einen parallelen monochromatischen Lichtstrahl der doch in einer zu den Erzeugenden des Spiegels 2 senkrechten Ebene dreht; hierbei läuft der Strahl 55 ständig durch einen feststehenden Punkt 7 der bezüglich der Platte 1 zu einem der Brennpunkte, beispielsweise den Brennpunkt F1, symmetrisch ist. Bei einer Ausführungsform ist die Lichtquelle auf einem Tisch 54 angeordnet, der sich um eine zu den Erzeugenden des Spiegels parallele und durch den Punkt A laufende Achse dreht.
• Bei einer anderen Ausführungsform kann die Lichtquelle feststehend sein; die Drehung des Lichtstrahls wird hierbei durch einen Spiegel oder ein Prisma erreicht, das auf dem Tisch 54 angeordnet ist.
• Eine andere Ausführungsform im Fall einer transparenten Platte besteht darin, daß sich der rotierende Tisch 54 in dem Brennpunkt F1 befinden kann und man die Streifen durch Transmlssion beobachtet.
• Bei der auf Fig. 3 dargestellten Ausftthrungsforni bildet der den Prüfling 1 abtastende Lichtstrahl 55 an den beiden Seiten der Platte 1 reflektierte Lichtstrahlen 55' und 55". Diese reflektierten Lichtstrahlen 55' und 55" werden an dem Spiegel 2 ein zweites Mal reflektiert und überschneiden sich in der Brennlinie F2, in der man -deutlich kontrastierende Interferenzstreifen beobachtet, Ist der Prüfling einwandfrei eben und homogen, so bewirken die Strahlen 55' und 55" eine konstante Beleuchtungsstärke auf der zu den Erzeugenden des elliptischen Spiegels 2 parallelen Trennlinie F2.
• Eine Drehung des Strahls 55 bewirkt eine änderung in der Brennlinie F2. Diese Erscheinung wird erfindungsgemäß zur Lokalisierung von Dickeänderungen in durch die verwendet Laserstrahlung durchlässigen Werkstoffen verwendet.
• In dem Brennpunkt >p2 ist ein Abtastorgan 5 vorgesehen, das das Vorbeilaufen und/oder die Drehung der Itlterferenzstreifen abtasten kann.
• Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel ist das Abtastorgan 5 eine lichtempfindliche Differenzzelle, deren Signale nach Verstärkung durch die Verstärker 59 und 60 und Mischung in dem Kreis 61 zum waagerechten Eingang 63 eines Schreibers 62 (schematisch Fargestellt) geleitet werden. Dieser Schreiber kann einen weiteren Eingang 64 besitzen, der ein die Winkelstellung alpha des Tisches 54 darstellendes Signal 57 erhält, so daß auf dem Teil 1 dse Stellen markiert werden können, an denen gegebenenfalls Dickefehler auftreten.
• Zur Prüfung der gesamten Fläche einer Platte 1 mit gro-Ben Abmessungen kann diese parallel zu den Erzeugenden des Spiegels 2 und geradlinig, d.h. in einer zur Schnittebene der Figur senkrechten Achse, in Bewegung versetzt werden.
• Wenn die untersuchte Fläche von einer Platte mit nicht parallelen Seiten, beispielsweise einer keilförmigen Platte gebildet wird, kann gemäß einer abgewandelten Ausführungsform am Ausgang der lichtempfindlichen Zelle ein Zähler angeordnet sein, mit dessen Hilfe die Anzahl der vorbeigelaufenen Streifen festgestellt und ein Qualitätskoeffizient des untersuchten Teils im Verhältnis zu einer in einen Speicher eingegebenen Vergleicheanzahl bestimmt werden kann.
• Die Empfindlichkeit der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann sehr groß sein. Im statischen Zustand, d.h. bei einer bestimmten Stellung des Tisches 54, die einem geeigneten konstanten Einfallswinkel entsprlcht, und bei einer Platte mit dem Brechungsindex n = 1,5 und einer Stärke von Imm und bei Verwendung eines Lichts mit einer Wellenlänge x = 6328 i beispielsweise erscheint ein Streifen bei einem bestimmten Winkel-Planheitsfehler.
• Wenn der einfallende Lichtstrahl einen Abtastwinkel von 450 überstreicht, so treten 1388 Streifen auf. Erhält man eine volt388 abweichende Streifenanzahl, so besteht in dem abgetasteten Abschnitt ein Fehler.
• Zur Untersuchung der Oberflächenunregelmäßigkeiten eines reflektierenden Werkstoffes, beispielsweise bei Planspiegeln, die diverse optischeHohlraumresonatoren bilden, wird ein sehr dünner monochromatischer Strahl 55 verwendet, der einen einzigen reflektierten Strahl 55' bildet, der nach Reflexion auf dem elliptischen Spiegel 2 in F2 gesammelt wird.
• Hierbei ist im Brennpunkt F2 ein komplex, aus mehreren Grundbtektoren zusammengesetztes Abtastorgan 5 angeordnet. Eine derartige Analysiervorrichtung kann aus mosaikartig angeordneten Beisulfidzellen bestehen. Ein Beispiel einer (mit Infrarotstrahlen arbeitenden) Analysiervorrichtung ist in einem Artikel von Alan R.
• Gedance Ucomparison of infrared tracking systems" in Applied Option Vol. 51, Oktober 1961, Seiten 1127 bis 1130 beschrieben.
• Das Verfahren beruht auf folgendem Prinzips Wenn ein Teil der Oberfläche einer Probe 1 nicht mehr zur Brennlinie F1-FS senkrecht ist, so scheint der reflektierte Strahl 55' -nicht mehr von dem Brennpunkt F1 zu kommen und man beobachtet eine Bewegung des Lichtpunktes auf dem oben beschriebenen Abtastorgan.
• Die Richtung des Strahls 55 und die Lage des Lichtpunktes auf dem komplexen Abtastorgan bestimmen die Lage und die Größe der Unregelmäßigkeiten der Oberfläche der reflektierenden Platte.

Claims (9)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Vorrichtung zur optischen Prüfung einer nicht diffundierenden Fläche mit einer Lichtquelle, die diese Fläche mit einem sich um einen ersten feststehenden Punkt dreh enden einfallenden Lichtstrahl abtasten kann, wobei durch Einwirkung dieser Fläche ein um einen zweiten feststehenden Punkt sich drehender austretender Strahl entsteht, einem Spiegel in Form einer Ellipse und einer in dem zweiten Brennpunkt dieser Ellipse angeordneten Zelle, die den austretenden Strahl nach seiner Reflexion an diesem Spiegel empfängt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der zweite feststehende Punkt mit dem ersten Brennpunkt (F1) der Ellipse zusammenfällt und der austretende Strahl t55', 55") sich in der Ebene dieser Ellipse (2) dreht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Fläche (1) eben und zur Ebene der Ellipse (2) senkrecht ist, daß die beiden Brennpunkte (F1, F2) dieser Ellipse sich zu beiden Seiten der Ebene dieser Fläche befinden, und daS die beiden Lichtstrahlen (55g 55', 55") sich in der Ebene der Ellipse drehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, g e k e n n -z e i c h n e t durch Einrichtungen (6), welohe die Fläche (1) senkrecht zur Ebene der Ellipse (2) verschieben.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Lichtquelle (100) ein Laser ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 2, bei der die Fläche aus einem transparenten Träger besteht und der austretende Strahl im wesentlichen mit dem einfallenden Strahl in einer Linie liegt, wobei der erste und der zweite feststehende Punkt im wesentlichen in einem Ablenkungszentrum zusammenfallen, dadurch g e k e n n z e i c h n e t,daß in Nähe dieses Ablenkungszentrums (F1) Sammelorgane (11) vorgesehen sind, die den einfallenden Strahl auf den Träger (1) zu fokussieren.

6, Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, dausätzlich zu dem die Hauptellipse darstellenden Spiegel (2) ein zu diesem koplanarer feststehender Zusatzspiegel (10) mit elliptischem Querschnitt vorgesehen ist, der so angeordnet ist, daß das in einem der Brennpunkte der Hauptellipse (2) liegende Ablenkungszentrum (F1) auch einen der Brennpunkte (F'1) der Zusatzellipse darstellt, und daß die Ablenkeinrichtungen (9) so angeordnet sind, daß der Strahl ständig von dem anderen Brennpunkt (F'2) der Zusatzellipse (10) zu kommen scheint, anschließend von dem Zusatzspiegel auf das Ablenkungszentrum (F1, F'1) zu und danach von dem Hauptspiegel (2) nach Durchqueren des Trägers (1) auf die Zelle (5) zu reflektiert ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß bei einer Fläche, die aus einer transparenten Platte (1) besteht, an deren beiden Seiten (Din, Dni) zwei Abschnitte des einfallenden Strahls (55) reflektiert werden, so daß die beiden entsprechenden Teile (55', 55n) des austretenden Strahls untereinander einen von der Stärke dieser Platte abhängigen Phasenunterschied aufweisen, der erste und der zweite feststehende Punkt (A, F1) bezüglich der Ebene dieser Platte (1) zueinander symmetrisch angeordnet sind, und die Neßzelle (5) mit Einrichtungen zum Zählen der von dem austretenden Strahl (55', 55") nach Reflexion an dem elliptischen Spiegel (2) gebildeten Interferenzstreifen versehen ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Meßzelle, wenn die Fläche eine möglichenfalls Oberflächenunregelnißigkeiten aufweisende reflektierende Fläche ist, wobei der erste und der zweite feststehende Punkt bezüglich des von dieser Fläche gebildeten Spiegels optisch miteinander gekoppelt sind, komplex ist und aus mehreren nebeneinander liegenden Grundmeßzellen besteht, wobei die den austretenden Strahl empfangende Grundzelle von den Merkmalen eines gegebenenfalls auf dieser Fläche auftretenden Fehlers bestimmt ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n nz e i c h n e t, daß die Lichtquelle (100) von einem um den ersten feststehenden Punkt (A) rotierenden Tisch (54) getragen ist, und daß die Austrittssignale der Meßzelle (5) zu einem Eingang (63) eines Schreibers (62) gelangen, dessen zweiter Eingang (64) die Winkelstellung des Tisches (54) darstellende Signale empfängt.