DE2241617B1 - Verfahren zum optischen messen der oberflaechenrauhigkeit - Google Patents

Description

• Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß das von einem Laser ausgehende Licht durch ein teleskopisches Raumfilter aufgeweitet und gesäubert wird und über einen halbdurchlässigen Spiegel auf die auf einem Goniometer befindliche zu untersuchende Meßprobe fällt, auf der zur Fixierung des zu untersuchenden Oberflächenausschnittes eine Blende angeordnet ist, daß weiterhin das von der Meßprobe reflektierte und mit Hilfe eines Licht-Choppers zerhackte Meßlicht durch den Spiegel in ein optisches System, bestehend aus einer Sammellinse und einem Lichtdetektor fällt, der seinerseits die reflektierten Lichtsignale an eine Auswerteinrichtung weitergibt, in der ein Zusammenhang zwischen den Werten der in einer bestimmten Meßgeometrie gestreuten Lichtintensitäten und den Werten der über die Ortskoordinaten (x, y) der die Rauheit beschreibenden Funktion z(x, y) gemittelten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung P (Zx, Zy) der partiellen Ableitungen Zx und * von z(x, y) gebildet wird nach der Gleichung wobei die linke Seite der Gleichung die örtlich gemittelte Verteilungsfunktion P(Zx, zy) unter Berücksichtigung der Nichtstationärität der Rauheit darstellt, D = 4E die Projektion der beleuchteten Licht- fläche in die x, y-Ebene bedeutet, P(Zx, *; x, y) die nicht stationäre Verteilungsfunktion von Zx und zy sowie Eo die Amplitude des einfallenden Lichts, Ro den Abstand vom Koordinatenursprung zu dem in
• der Fraunhoferzone liegenden Beobachtungspunkt und R (0) den Fresnelschen Reflexionskoeffizienten für senkrechte Inzidenz darstellt und In A b b. list der grundsätzliche Aufbau der Vorrichtung im einzelnen dargestellt. Das von einem Laser LS ausgehende Licht wird mit Hilfe eines teleskopischen Raumfilters RF aufgeweitet und gesäubert und fällt weiter über einen halbdurchlässigen Spiegel 52 auf die zu untersuchende Meßprobe P, die sich auf dem Meßkopf eines bekannten Goniometers GM befindet, das mit einem Schrittmotor ausgerüstet ist. Mit Hilfe einer programmierbaren Steuereinheit SMS läßt sich ein automatischer gekoppelter Lauf zwischen dem Goniometer GM und dem Digitalvoltmeter DVM herstellen, hierbei können Anfangs-und Endwinkel sowie das Winkelinkrement beliebig vorgewählt werden. Das von der Probe P reflektierte Licht wird in der als Rückstreuung zu bezeichnenden Meßgeometrie gemessen. Zur Erläuterung der Rückstreuung dient A b b. 2: Winkel (^)2 = - o-; O3 = 0.
• Das von der Probe P reflektierte Licht gelangt durch den halbdurchlässigen Spiegel S2 der A b b. 1 und die Blende BL in das optische System, bestehend aus der Sammellinse SL und dem sich im Abstand f der Brennweite der Sammellinse SL befindlichen lichtempfindlichen Detektor PM. Die Entfernung F von der Probe P zur Sammellinse SL muß wenigstens so groß sein, daß die Intensität des reflektierten Lichtes in der Fraunhoferschen Beugungszone (A b b. 3) registriert werden kann.
• In der A b b. 3 bedeuten: ñ ist die Normale des Flächenelementes ds; k) ist der Wellenvektor des einfallenden Lichtes und k2 der Wellenvektor des von d s emittierten Lichtes; r ist die Entfernung von Koordinatenursprung zum Flächenelement d s; itO ist die Entfernung vom Koordinatenursprung zu dem in der Fraunhoferzone liegenden Beobachtungspunkt B.
• Der Photomultiplier PM registriert das von der Probe P reflektierte Meßlicht gemeinsam mit einem vom Spiegel 52 erzeugten konstanten Helligkeitsuntergrund. Um letzteren vom Meßlicht zu trennen, ist zwischen S2 und P der Lichtchopper CH geschaltet.
• Die gemessene Information gelangt über den AC-Verstärker in das Digitalvoltmeter D UM; von dort aus wird sie vom Ansteuergerät LAS zur Ausgabe auf Lochstreifen übernommen, wofür z. B. ein Fernschreiber FS benutzt werden kann. Auf der Meßprobe ist eine in A b b. 1 nicht dargestellte kreisförmige, schwarze Blende befestigt; da das einfallende Lichtbündel einen größeren Durchmesser hat, bleibt die Größe des beleuchteten Oberflächenausschnitts D auch während der Drehung der Probe unverändert.
• Der von der Blende selbst reflektierte Lichtanteil wird durch Untergrundmessungen bei verdeckter Meßprobe berücksichtigt.
• Wie man unmittelbar einsieht, bietet die zur Messung benutzte Rückstreuung Oi o 2, 93 = 0 neben erheblichen rechnerischen Vereinfachungen vor allem einen optimalen Zugang zur Streucharakteristik und damit zu der durch den Streuprozeß übertragenen Information selbst.
• Die in Rückstreuung registrierten Intensitätswerte der vollständigen Streucharakteristik liefern primär lediglich eine qualitative Aussage über den physikalischen Zustand der Oberfläche.
• Das Auswertverfahren beruht im einzelnen auf folgenden Uberlegungen: Die zu untersuchende rauhe Oberfläche werde durch eine Funktion z(x, y) in einem kartesischen x,y,z-System beschrieben; im weiteren Verlauf der Darstellung werden die partiellen Ableitungen Zx und zy von z(x, y) eine besondere Rolle spielen.
• Die in der Praxis zu untersuchenden Rauheiten zeigen fast ausschließlich ein im Sinne der Statistik nichtstationäres Verhalten, d. h., die statistischen Verteilungsfunktionen sind ortsabhängig, was die theoretischen Untersuchungen wesentlich erschwert.
• Für die praktische Nutzanwendung ist die Berücksichtigung der Nichtstationärität von ausschlaggebender Bedeutung.
• Es wird nun gemäß Gleichung (1) zunächst ein Zusammenhang hergestellt zwischen den in bestimmter Meßgeometrie gestreuten Lichtintensitäten 1(S, 92, 03) und den Werten der über die Ortskoordinaten x, y von z(x, y) gemittelten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung »(zu, zy) von Zx und zy. Dabei zeigt es sich, daß sowohl für die theoretische Durchrechnung als auch für die praktische Messung die Rückstreugeometrie Oi 9 92, 93 = O am günstigsten ist, da sich hierdurch einerseits der mathematische Formalismus wesentlich vereinfacht und andererseits ein optimaler Zugang zur räumlichen Ausdehnung der Streucharakteristik erzielt wird.
• Ist die zu untersuchende Rauheit zweidimensional, d. h. kann sie durch eine Funktion der Art z(x,y) = z(x) beschrieben werden, so interessiert lediglich die eindimensionale, örtlich gemittelte Wahrscheinlichkeitsverteilung P1 (Zx), die aus den gemessenen Intensitätswerten 1(81) der Streucharakteristik bzw. aus den zu diesen proportionalen Werten der zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung »(zu, O) zu berechnet wird. Die Rauheit wird durch Pi (Zx) und den hieraus zu gewinnenden Momenten bzw. deren Kombinationen gekennzeichnet.
• Ist die Rauheit dreidimensional, d. h. Iäßt sich ihr Verhalten nur durch eine allgemeine Funktion z(x,y) beschreiben, so muß aus den Werten der Streucharakteristik bzw. aus den zu diesen proportionalen Werten der örtlich gemittelten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung P-(Zx, Zy) über zunächst eine eindimensionale Wahrscheinlichkeitsverteilung P2(ZX) hergestellt werden, die sich nun auf eine beliebige, jedoch feste Richtung innerhalb der x,y-Ebene bezieht. Durch Drehung der Meßprobe um die z-Achse, wobei der beschriebene Vorgang für jeden festgehaltenen Drehwinkel wiederholt wird, ergibt sich der statistischen Anisotropie entsprechend ein Satz von p2(zx)-Verteilungsfunktionen bzw. von entsprechend (3) zu berechnenden < Zx > Parametern.

Claims (1)

1. Patentanspruch: Verfahren zum optischen Messen der Oberfiächenrauhigkeit mit Hilfe eines linear polarisiertes, paralleles Licht liefernden Lasers, d a d u r c h gek e n n z ei c h n e t, daß das von einem Laser (LS) ausgehende Licht durch ein teleskopisches Raumfilter (RF) aufgeweitet und gesäubert wird und über einen halbdurchlässigen Spiegel (S2) auf die auf einem Goniometer (GM) befindliche zu untersuchende Meßprobe (P) fällt, auf der zur Fixierung des zu untersuchenden Oberflächenausschnittes eine Blende angeordnet ist, daß weiterhin das von der Meßprobe (P) reflektierte und mit Hilfe eines Licht-Choppers (CH) zerhackte Meßlicht durch den Spiegel (S2) in ein optisches System, bestehend aus einer Sammellinse (SL) und einem Lichtdetektor (PM) fällt, der seinerseits die reflektierten Lichtsignale an eine Auswerteinrichtung weitergibt, in der ein Zusammenhang zwischen den Werten der in einer bestimmten Meßgeometrie gestreuten Lichtintensitäten I(O,, 2, 03) und den Werten der über die Ortskoordinaten (x, y) der die Rauheit beschreibenden Funktion z(x,y) gemittelten zweidimensionalen Wahrscheinlichkeitsverteilung P (Zx, Zy) von Zx und zy gebildet wird nach der Gleichung wobei die linke Seite der Gleichung die örtlich gemittelte Verteilungsfunktion P(z,, zy) unter Berücksichtigung der Nichtstationärität der Rauheit darstellt, D die Projektion der beleuchteten Lichtfläche in die x,y-Ebene bedeutet, P(Zx,*; x, y) die nichtstationäre Verteilungsfunktion der partiellen Ableitungen von Zx und * sowie Eo die Amplitude des einfallenden Lichts, Ro den Abstand vom Koordinatenursprung zu dem in der Fraunhoferzone liegenden Beobachtungspunkt und R (0) den Fresnelschen Reflexionskoeffizienten für senkrechte Inzidenz darstellt, Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum optischen Messen der Oberfiächenrauhigkeit mit Hilfe eines linear polarisierten, paralleles Licht liefernden Lasers.

   Optische Geräte zur Durchführung von Glanzmessungen sind bereits bekannt. Diese Geräte erbringen aber lediglich qualitative Ergebnisse.

   Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zu schaffen, deren Meßwerte nach einem bestimmten Rechenverfahren ausgewertet eine quantitative Beurteilung ermöglichen. Die registrierten Intensitätswerte werden in die Werte einer Wahr- scheinlichkeitsdichte umgerechnet, aus der sich statistische Parameter gewinnen lassen.

   Voraussetzungen für die Anwendung des Verfahrens sind: Die Beschaffenheit der Oberfläche darf im statistischen Sinne nichtstationär sein.

   Die Krümmung der Flächenelemente muß jedoch im wesentlichen der Bedingung 4arC cos 6 > Ä genügen, wobei rC der Krümmungsradius eines Flächenelementes d s der Probe ist, A die Wellenlänge des benutzten Lichtes ist und der Winkel 6 aus A b b. 3 hervorgeht.

   Weiterhin muß das durch die Reflexion entstandene Streufeld inkohärent sein.