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Jakov Aronovic Skl.larski,i, Odessa (UdSSR) Ovanes Marderosovic Teseoglu,
Odessa (UdSSR) Michail Pavlociv Culok, Odessa (UdSSR) Verfahren und Einrichtung
zur Erkennung von Fehlern der mit leitender Schicht überzogenen Arbeitsflächen von
nachrichtentechnischen Bauelementen Die Erfindung betrifft die Fernmelde- oder Nachrichtenelektronik,
insbesondere ein Verfahren und eine Einrichtung zur Erkennung von Fehlern oder Defekten
der mit leitender Schicht überzogenen Arbeitsflächen von nachrichtentechnischen
Bauelementen.
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Die Erfindung kann vorwiegend für die Erkennung von Oberflächendefekten
der metallisierten Grundschichten von Widerständen sowie der Kohlegrundschichten
der Widerstände,
metallisierter Schichten von Kondensatoren und
anderen ähnlichen Bauelementen benutzt werden.
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Bis in die jüngste Zeit wurden Defekte der Arbeitsfläche von Bauelementen,
z. B. Defekte der metallisierten Grundschichten von Widerständen, hauptsächlich
visuell erfaßt.
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Die Erkennung von Oberflächenfehlern ist aber bei diesem Verfahren
aufwendig, ermüdend und nicht objektiv, da eine hochwertige Fehlererkennung bei
diesem Verfahren nur bei gleichzeitigem Vorhandensein einer Reihe von Bedingungen
möglich ist (hinreichend große Abmessungen von Defekten, großer Kontrast der Defekte
im Vergleich mit dem umgebenden defektfreien Teil des Prüflings, hoher Beleuchtungsgrad,
Besonderheiten der Gesichtswahrnehmung und psychisch-physiologische Eigenschaften
der prüfenden Person, Vorhandensein von objektiv erarbeiteten Kriterien für das
Ausscheiden von Ausschuß-Erzeugnissen).
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Aus der theoretischen Optik ist es bekannt, daß die Augenauflösung
durchschnittlich eine Winkelminute beträgt und die Größe eines in der besten Sichtentfernung
(250 mm) sichtbaren Defekts minimal 70 /um betragen kann. Diese Größe ist aber relativ,
da die Sehschärfe und das Auflösungsvermögen des Auges durch Hintergrundhelligkeit,
Kontrast, Beleuchtungsinstabilität und Ermüdung der Prüfperson beeinflußt werden.
Beispielsweise wird die Augenauflösung bei einem zehnmal kleineren Kontrast um das
Fünffache herabgesetzt Infolge von optischen Täuschungen, Astigmatismus und Ermüdung
erreichen die Fehleinschätzungen von Defektabmessungen 20 bis 30 %. Bei diesem Fehlerniveau
liegt die reale
Leistungsfähigkeit der Prüfperson nicht huber 300
Prüflinge in 8 Stunden.
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Mehrmals wurden Versuche unternommen, diesen Prüfvorgang zu automatisieren.
Hauptsächlich beschränkten sie sich auf die Anwendung von optischen Einrichtungen,
z. B. Mikroskopen. Aber bei einer Steigerung der Genauigkeit in der Abschätzung
von Defektabmessungen erhöhte sich sprunghaft auch die Ermüdung der Prüfperson.
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Man versuchte auch, diesen Prüfvorgang vollständig zu automatisieren.
Dazu benutzte man versciedene fotoelektrische und elektromechanische Einrichtungen,
trotzdem wurden aber keine positiven Ergebnisse erzielt.
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Das kann durch eine sehr große Zahl von verschiedenartigen auftretenden
Defekten erklärt werden. Die ganze Mannigfaltigkeit von Defekten kann man in zwei
Hauptgruppen einteilen: Defekte des Trägermaterials (Vertiefungen, entfaltete Reliefformen,
Trägerformänderungen, Fremdeinschldsse) und Defekte der leitenden Schicht (gestörte
Schichtdichte, Flecken, Fremdeinschlüsse).
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Jede Gruppe der erwähnten Defekte hat eine große Anzahl von Abarten,
die sich voneinander durch Herkunft, Form, Abmessungen, Lage und Farbtönung unterscheiden.
Die Erfordernisse der Bauelementeproduktion zwingen zur separaten Einschätzung jeder
Defektart und ihres Einflusses auf die Zuverlässigkeit eines Bauelements. Wegen
einer Reihe von Defekten werden Bauelemente endgültig zu Ausschuß erklärt, eine
Reihe anderer Defekte der Ausschuß-Bauelemente kann aber nachher beseitigt werden.
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Die bekannten Verfahren zur zerstörungsfreien Werkstoffprüfung gestatten
nicht, die Defekte mit genügender Genauigkeit zu erkennen und die geprüften Bauelemente
nach Defektarten aufzuteilen. Außerdem ergeben die bekannten PrUfverfahren eine
niedrige Leistungsfähigkeit und geringe Zuverlässigkeit.
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Mit Rücksicht auf den steigenden Bedarf an elektronischen Bauelementen
und die immer höher steigenden Anforderungen an die Qualität dieser Bauelemente
wird die Notwendigkeit der vollständigen Automatisierung der Vorgänge bei der Prüfung
von Arbeitsflächen der Bauelemente augenscheinlich, die auf objektiven physikalischen
Methoden beruht sowie hohe Zuverlässigkeit und Leistungsfähigkeit gewährleistet.
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Für die Fehlererkennung an Arbeitsflächen von nachrichtentechnischen
Bauelementen sind besonders fotoelektrische Prüfungsverfahren aussichtsreich. Die
Vorteile dieser Verfahren liegen in relativer Einfachheit und Zuverlässigkeit der
dabei zur Anwendung kommenden Einrichtungen, in ausreichend hoher Leistungsfähigkeit
und fehlender Beeinflussung von Bauelementen bei ihrer Prüfung.
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Bekannt ist z. B. ein Verfahren zur Fehlererkennung an Arbeitsflächen
von Werkstoffen, bei dem fotoelektrische Elemente angewandt werden (vgl. z. B. GB-PS
Nr. 1 065 752, Klasse G 1A, 1965).
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Dieses Verfahren bedient sich eines Lasers und ist zur Erkennung
von Fehlern in der Oberfläche eines bewegten Blechwerkstoffes bestimmt. Die Durchführung
dieses Verfahrens erfordert
aber ein kompliziertes Steuersyst^m.
Außerdem gibt das erwähnte Verfahren keine Möglichkeit, kleine Fehler zu erkennen
und die geprüften Erzeugnisse nach Defektarten zu dlfferenzieren.
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Es ist auch ein Verfahren zur fotoelektrischen Prüfung der Oberflächengüte
bekannt, das in der automatischen Einrichtung "AVIKO V-0914" (CSSR) realisiert ist.
Bei diesem Verfahren bestrahlt man die zu untersuchende Oberfläche mit einem Lichtstrahl
und untersucht das von dieser Oberfläche reflektierte Licht. Das Verfahren kann
nur für die Kontrolle der Metalirollen für Rollenlager ohne Unterscheidung der geprüften
Rollen nach Defektarten benutzt werden.
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Außerdem ist eine Gruppe von optischen Methoden der Oberflächenprüfung
an Erzeugnissen bekannt (vgl. z. B. "Metallurgical Reviews, 1966, Vol. 11, Nr. 105,
S. 89 - 96).
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Diese Methoden lassen eine begrenzte Anzahl von Defekten im Metallband
und Blech mit einer verhältnismäßig niedrigen Empfindlichkeit erkennen.
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FUr die zerstörungsfreie Werkstoffprüfung kann eine Reihe von Verfahren
zur automatischen Analyse von Mikroob-Jekten benutzt werden (z. B. nach dem Buch
Automatische Analyse von Mikroobjekten" von G. R. Ivanizki u. a., Verlag "Energie",
1967, UdSSR).
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Diese Verfahren werden durch Einrichtungen durchgeführt, die mit
Abtaitsystemen, Lichtquellen und fotoelektrischen Gebern ausgestattet sind und Abtastmikroskope
genannt werden. Derartige Mikroskope sind hauptsächlich zum
Zählen
von Mikroobjekten bestimmt und können keine qualitätsmäßigen Kennwerte der geprüften
Werkstoffe, wie Angaben über Form, Abmessungen und Farbton der Mikroobjekte, liefern.
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Aus den angeführten Beispielen ist zu ersehen, daß die bekannten
auf der Anwendung von fotoelektrischen Systemen beruhenden Verfahren nicht benutzt
werden können für die Erkennung ron Defekten oder Fehlern der mit einer leitenden
Schicht überzogenen Arbeitsfläche von funktechnischen Bauelementen.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zur Erkennung von
Defekten der mit einer leitenden Schicht überzogenen Arbeitsfläche von nachrichtentechnischen
Bauelemente ten zu entwickeln, das die Erkennung von sehr kleinen Fehlern mit hoher
Genauigkeit zuläßt und eine Differenzierung der Ausßchu-Bauelemonte nach Defektarten
sowie die vollständige Automatisierung der Vorgänge bei der Oberflächenprüfung an
nachrichtentechnischen Bauelementen ermöglicht.
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Aufgabe der Erfindung ist auch die Entwicklung einer Einrichtung zur
Durchführung dieses Vorfahrens, die bei der Untersuchung von Defekten der zu prüfenden
nachrichtentechnischen Bauelemente eine große Genauigkeit aufweist sowie durch einfachen
Aufbau und Zuverlässigkeit ausgezeichnet ist.
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Ein Verfahren zur Erkennung von Fehlern oder Defekten der mit einer
leitenden Schicht überzogenen Arbeitsfläche von nachrichtentechnischen Bauelementen,
z. 13. dor metallivierten Trägerschichten von Widerständen1 bei dem die au
untersuchende
Oberfläche unter einem Winkel mit einem Lichtstrahl bestrahlt und der von dieser
Oberfläche reflektierte Lichtstrom analysiert wird, ist erfindungsgemäß dadurch
gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl auf die zu prüfende Oberfläche unter einem solchen
Winkel gerichtet wird, daß wenigstens zwei reflektierte Lichtströme entstehen, von
denen ein Lichtstrom dem einfallenden Lichtstrahl entgegengerichtet ist und der
andere in bezug auf den einfallenden Lichtstrahl unter einem Winkel im Strahlengang
der regelmäßigen Reflexion des Lichtstrahles liegt, wobei für die Güteanalyse der
zu untersuchenden Oberfläche die beiden reflektierten Lichtströme einzeln oder zusammen
benutzt werden.
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Es ist ferner zweckmäßig, daß der auf die zu prüfende Oberfläche
von Bauelementen fallende Lichtstrahl linear polarisiert wird, und daß der dem einfallenden
Lichtstrahl entgegengerichtete reflektierte Lichtstrom einer Intensitätsanalyse
unter Benutzung der Polarisation unterzogen wird.
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Dadurch wird eine steile Erhöhung des Defektkontrastes in bezug auf
den Hintergrund (den defektlosen Oberflächenteil) möglich, wobei wegen der Vergrößerung
des Signal/Rausch-Verhältnisses die Genauigkeit der Erkennung von Defekten erhöht
wird, durch die die leitende Schicht unterbrochen wird.
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Im Falle einer Prüfung von Oberflächen von Bauelementen, die eine
zylindrische Form und eine auf ihre Mantelfläche aufgetragene leitende Schicht haben,
kann der Lichtstrahlabbildung auf der Oberfläche des zu prüfenden Bauelements eine
rechteckige Form mit einem unter 1 : 6 liegenden Seitenverhältnis
gegeben
werden. Dabei muß der Lichtstrahl in seiner Länge entlang der Zylindererzeugenden
orientiert werden.
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Eine zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung dienende
Einrichtung ist gekennzeichnet durch eine Autokollimatione-lichtquelle, die einen
unter einem Winkel auf die Untereuchungsoberfläche eines Bauelements einfallenden
Lichtstrahl erzeugt und ein Autokollimationselement besitzt; durch fotoelektrische
Geber, von denen ein Geber im Strahlengang des dem einfallenden Lichtstrahl entgegengerichteten
reflektierten Lichtetromes und der andere Geber im Strahlengang des regelmäßig reflektierten
Lichtstromes liegt; und durch einen Signalanalyaator für die von den fotoelektrischen
Gebern gelieferten Signale mit Verstärkern einschließlich Analysatoren für Grundgeräusch-
und Nutzsignal, deren Eingänge mit den Ausgängen der fotoelektrischen Geber elektrisch
verbunden sind, sowie mit einem Komparator.
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Dabei ist es vorteilhaft, daß die Autokollimations-Lichtquelle mit
einem Polarisator ausgestattet ist, und daß vor dem fotoelektrischen Geber, der
im Strahlengang des dem einfallenden Lichtstrahl entgegengerichteten reflektierten
Lichtstromes liegt, ein Polarisationsanalysator eingebaut ist.
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Die Bildung eines ;rechteckigen Lichtstrahles kann mitteis einer
einstellbaren Schlitzblende erfolgen, die in der Autokollimations.Lichtquelle zwischen
dem Polarisator und dem Autokollimationselement eingebaut ist.
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Es ist auch zweckmäßig, daß der Analysator der Signale von den fotoelektrischen
Gebern wenigstens zwei Detektoren
oder Gleichrichter aufweist,
und daß der Eingang jedes Detektors entsprechend an die Ausgänge des Grundgeräusch-
bzw.
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Nutzsignalanalysators der Verstärker angeschlossen ist, wobei die
Ausgänge der Detektoren gegenphasig mit dem Eingang des Komparators verbunden sind.
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Diese Schaltung gestattet es, in vollem Maße auszunutzen die Vorteile
der von den fotoelektrischen Gebern erzeugten elektrischen Signale, von denen das
Nutzsignal immer unipolar und das Grundgeräuschsignal bipolar ist.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 das Funktionsschaltbild eines AusfUhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen
Einrichtung zur Prüfung von Oberflächen nachrichtentechnischer Bauelemente; und
Fig. 2 einen Teil dieser Einrichtung, und zwar einen Signalanalysator, der aus Verstärkern
mit Untergrundgeräusch- und Nutzsignal-Analysator, aus Detektoren und einem Komparator
besteht.
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Für die Erläuterung des Verfahrens zur Erkennung von Fehlern der
mit leitender Schicht überzogenen Arbeitsflächen von elektrischen Bauelementen,
gegebenenfalls der metallisierten Trägerschichten von Widerständen, wird nachstehend
die in Fig. 1 dargestellte Einrichtung benutzt.
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Wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist, enthält diese Einrichtung eine AutokollimationsLichtquelle
1, fotoelektrische
Geber 2 und 3 und einen Analysator 4 für Signale
der fotoelektrischen Geber 2 und 3.
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Die Autokollimations-Lichtquelle besteht aus einer Glühlampe 5, einem
Linsensystem 6, einem Polarisator 7 und einem Autokollimationselement (im gegebenen
Fall einer halbdurchsichtigen planparallelen Platte 8). Als fotoelektrische Geber
2 und 3 werden Fotovervielfacher benutzt.
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Einen Lichtstrahl 9 läßt man von der Lichtquelle 1 auf die zu prüfende
Oberfläche eines Bauelements 10, z. B. einer Widerstands-Trägerschicht, unter einem
Winkel oC fallen, wodurch zwei reflektierte Lichtströme 11 und 12 entstehen, von
denen ein Lichtstrom 11 dem einfallenden Lichtstrahl 9 entgegengerichtet ist und
der andere Lichtstrom 12 regelmäßig reflektiert wird. Die Lichtquelle 1 enthält
eine Schlitzblende 13.
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Der fotoelektrische Geber 2 liegt im Strahlengang des reflektierten
Lichtstromes 11 und ist mit einem Polarisationsanalysator 14 ausgestattet, während
der fotoelektrische Geber 3 im Strahlengang des reflektierten Lichtstromes 12 eingebaut
ist.
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Der von der Glühlampe 5 und dem Linsensystem 6 gebildete Lichtstrahl
9 durchsetzt den. Polarisator 7, wird von der halbdurchsichtigen planparallelen
Platte 8 reflektiert und fällt auf die Arbeitsfläche des zu prüfenden Bauelements
10, wie erwähnt, unter einem Winkel i0 Dabei durchsetzt der reflektierte Lichtstrom
11 die Platte 8 sowie den Polarisationsanalysator 14 und fällt durch ein Objektiv
15 auf den fotoelektrischen Geber 2. Der andere reflektierte
Lichtstrom
12 wird von der zu prüfenden Oberfläche des Bauelements 10 unter einem Winkel gespiegelt,
der dem Einfallwinkel des Lichtstrahls 9 gleich ist, und gelangt über ein ObJektiv
16 zum fotoelektrischen Geber 3. Von den Ausgängen der fotoelektrischen Geber 2
und 3 werden die elektrischen Signale dem Signalanalysator 4, und zwar den Eingängen
von Verstärkern 17 (Fig0 2) zugeführt, die mit (nicht eingezeichneten) Grundgeräusch-
und Nutzsignalanalysatoren ausgestattet sind, wo sie verstärkt und in zwei Komponenten
getrennt werden, von denen eine Komponente einen elektrischen Impuls darstellt,
welcher der Auslenkung des reflektierten Lichtstromes beim Auftreten eines Fehlers
auf der zu prüfenden Oberfläche entspricht. Dieser Impuls weist immer nur eine Polarität
aufe Die andere Komponente stellt eine stochastische Folge von elektrischen Impulsen
dar, die infolge der Fluktuation der reflektierten Lichtströme 11 und 12 entsteht.
Diese Fluktuationen entstehen bei der Lichtreflektion vom defektfreiem Teil der
zu prüfenden Oberfläche und stellen ein bipolares Grundgeräusch dar.
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FUr die Analyse wird die halbe Amplitude des Grundgeräuschsignals
mit entgegengesetzter Polarität in bezug auf das Nutzsignal benutzt. Dies ist erforderlich,
damit die Nutzsignalimpulse bei der Ermittlung des Signal/Grundgeräusch-Verhältnisses
(also Signal/Rausch-Verhältnisses, oder Rauschabstands) die Ergebnisse der Grundgeräusch-Amplitudenmessung
nicht verfälschen. Zur Messung des Nutzsignal/Grundgeräusch-Verhältnisses und nachfolgenden
Abgabe eines entsprechenden Signals zur Unterscheidung der Ausschuß-Bauelemente
an einen Sortierer 18 ist im Signalanalysator 4 ein Komparator 19 vorgesehen. Der
Sortierer 18 stellt eine elektromechanische Vorrichtung dar, mit deren Hilfe die
geprüften Bauelemente entsprechend den vom Komparator 19 gelieferten Signalen in
die
Behälter oder Trichter für brauchbare und Ausschuß-Bauelemente
geleitet werden.
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Zur Erhöhung der Genauigkeit bei der Analyse des Signal/Grundgeräusch-Verhältnisses
sind im Signalanalysator 4 zwei Detektoren 20 und 21 vorgesehen, deren Anzahl vergrößert
werden kann. Der Eingang Jedes Detektors 20, 21 ist entsprechend an den Ausgang
des Grundgeräuschanalysators und des Nutzsignalanalysators in den Verstärkern 17
angeschlossen, und die Ausgänge dieser Detektoren sind gegenphasig mit dem Eingang
des Komparators 19 verbunden. Einer dieser Detektoren ist zur Gleichrichtung der
Nutzsignalimpulse in einer Polarität und der andere Detektor zur Gleichrichtung
der halben Grundgeräuschamplitude in der entgegengesetzten Polarität bestimmt Die
gleichgerichtete Spannung, die den Amplituden der Nutz- und Grundgeräuschsignale
proportional ist, liegt an Speicherkondensatoren 22 und 23.
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Die Anwendung dieser Detektoren ermöglicht es, den störenden Einfluß
der Fremdrauschsignale zu beseitigen und außerdem die Nutz- und Grundgeräuschimpulse
zeitlich zu mitteln, wobei die Genauigkeit der Analyse erhöht wird.
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Die Wahl des Neigungswinkels o( des einfallenden Lichtstrahles 9
in bezug auf die zu prüfende Oberfläche des Bauelements 10 hängt von der Art der
zu erkennenden Oberflächendefekte sowie von den Bedingungen der Polarisationsanalyse
des reflektierten Lichts ab. Beispielsweise erfordert eine Reihe von Defekten in
der Art von Oberflächenvertiefungen einen Winkel o( von 40 bis 600. Optimale Bedingungen
für die Polarisationsanalyse werden aber bei Oc-Werten in den Grenzen von 20 bis
400 geschaffen. Ausgehend davon muß der optimale o(-Winkelwert ungefähr bei 400
liegen.
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Bei der Kontrolle der Arbeitsflächen von Bauelementen mit zylindrischer
Form und auf ihre Mantelfläche aufgetragener leitender Schicht, z. Be bei der Kontrolle
der Trägerschichten von Widerständen, kann der Lichtstrahlabbildung auf dem Bauelement
eine rechteckige Form mit einem nicht über 1-: 6 liegenden Seitenverhältnis gegeben
werden. In diesem Fall wird der Lichtstrahl in seiner Länge entlang der Zylindererzeugenden
oder -mantellinie orientiert. Zu diesem Zweck ist die Autokollimations-Lichtquelle,
wie oben erwähnt, zur Bildung des rechteckigen Lichtstrahlquerschnitts mit der einstellbaren
Schlitzblende 13 ausgestattet, die zwischen dem Polarisator 7 und der Platte 8 liegt
und in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist.
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Eine derartige Form des Lichtstrahlquerschnitts ist am besten für
die Erkennung von in die Länge gezogener Defekte auf der zu prüfenden Oberfläche
geeignet, die entlang der Zylindererzeugenden liegen. Bei metallisierten Trägerschichten
von Widerständen, die nachher spiralförmig geschnitten werden, führt eine derartige
Lage von Defekten sehr oft zum Ausfall von Widerständen. Die erwähnte Orientierung
des rechteckigen Lichtstrahls gibt die Möglichkeit, die Genauigkeit bei der Erkennung
der erwähnten Defekte bedeutend zu erhöhen.
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Außerdem verkürzt die Anwendung des rechteckigen Strahlquerschnitts
die Zeit für die Abtastung der Oberfläche von Bauelementen und erhöht dadurch die
Leistungsfähigkeit des automatischen Prüfvorganges.