DE2264030A1 - Anordnung zur kruemmungsbestimmung an sich flacher oberflaechen - Google Patents

Description

• Anordnen zur Krümmungsbestimmung an sich flacher Oberflächen Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur ermittlung und Bestimmung von Krümmungen auf an sich flachen Oberflächen, bei der ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt und der reflektierte Strahl ausgewertet wird.
• Zur Bestimmung der Oberflächenkrümmung an sich ebener Oberflächen wurde bislang meist ein mechanisches Testverfahren angewendet, das sogenannte Talysurf Verfahren, bei dem mit Hilfe eines Stiftes die Oberfläche in der meßrichtung abgetastet wurde und die dabei erfolgte Auslenkung der Nadel gegenüber einer Referenzebene als Krümmungswert aufgezeichnet wurde. Dieses Verfahren beinhaltet den scnwerwiegenaen Nachteil, daß zum einen die Genauigkeit aer Messung von dem Krünunungsradius der Abtastnadel bestimmt wird, und zum anderen durch den bei sehr kleinem Krümmungsradius extrem hoch werdenden Flächendruck der ivadel auf der zu untersuchenden Oberfläche diese selbst zerstört wird.
• Andererseits sind zur Vermessung von Oberflächen verschiedene Nethoden bekannt geworden wie beispielsweise das Interferrenzverfahren oder das Moire Verfahren sowie das Autokollimationsverfahren, bei denen im allgemeinen jedoch nicht die Krümmung aer Oberfläche gemessen wird sondern meist nur das Höhenprofil bzw. die iwauhigkeit aer Oberfläche.
• ßin modernes tießverfahren industrieller Art muß die Automatisierbarkeit der Auswertung beinhalten sowie die Forderung nach einem geringen Stabilisierungs und Justieraufwand erfüllen. Als primär qualitätsoestime,ende Größe für ebene Flächen und Oberflächen ist die Krümmung aer Oberfläche anzusehen die mit Hilfe der bekannten Verfahren nicht in direkter Weise zu bestimmen ist.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Anordnung, mit deren Hilfe auf direkte Weise und ohne Zerstörung der zu untersuchenden Oberfläche die Krümmung derselben sehr genau bestimmt werden kann. Diese Krümmungsmessung soll weitgehend unabhängig von rl'ranslationen und Verkippungen der gesamten zu untersuchenden fläche sein.
• Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei bestimmte, relativ eng benachbarte Punkte auf der zu untersuchenden Oberfläche entweder unter verschiedenem (Zweistrahl) oder gleichem Einfallswinkel (Linstrahl) angetastet werden und die neigung der von diesen Punkten reflektierten Strahlen gegeneinander und gegen eine geeignete Bezugsebene als Maß für die Krümmung entweder durch getrennte Vermessung der beiden reflektierten Strahlen mit Hilfe lagebestinslender Photodetektoren oder durch Bestimmung der Uberlappungsgrades mittels intensitätsempfindlicher Photodetektoren und einem geeigneten Abtastverfahren ermittelt wird.
• Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sowie alternative Ausführungsiioglichkeiten sind den Ansprüchen zu entnehmen.
• Anhand der in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele und der dort dargelegten Antast sowie Abtastmethoden wird im folgenden Aufbau und Wirkungsweise der Erfindung näher erläutert.
• Die Figuren zeigen im einzelnen.
• Fig. 1 schematisch eine Anordnung zur Crümmungsmessung mit zwei Strahlen; Fig. 2 schematisch die geometrischen Zusammenhänge zwischen dem einfallenden Strahl und dem reflektierten Strahl in der zu untersuchenden Ebene und der Abtastebene, Fig. 3 schematisch den optischen Krümmungsmesser mit Linstrahlbeleuchtung; Fiy. 4 schematisch eine Anordnung zur Abtastung des reflektierten Strahles mit einer umlaufenden Schlitzscheibe, Fig. 5 schematisch eine Anordnung mit einem umlaufenden Polygonspiegel und eine Schlitzmaske mit dahinter angeordneten Photodetektoren; Fig. 6 ein Blockschaltbild der Auswertschaltung zur direkten Wendepunktmessung sowie die zugehörigen Impuls diagramme; Fig. 7 ein Ausgangssignal der Photodiodenanordnung mit überlagerter Störung und ein Diagramm, das die zweite Ableitung dieses Signals darstellt; Fig. 8 schematisch den Zusammenhang zwischen den Flächen des Diodensignals und den Flächen der jeweils dazugehörigen zweiten Ableitung dieses Signals bei drei verschiedenen Intensitätsverteilungen auf der zu messenden Oberfläche; Fig. 9 das Blockschaltbild der Integral-Meßmethode sowie die zugehörigen Impulsdiagramme.
• Die Erfindung basiert auf dem Prinzip, zwei relativ eng benachbarte Punkte auf der zu untersuchenden Oberfläche anzutasten und die resultierende gegenseitige Neigung der von diesen Punkten reflektierten Strahlen auszuwerten. Dabei sind die Meßpunkte so nah beieinander gewählt, daß die Oberflächen-Verbindungslinie zwischen beiden Punkten als Kurve ohne Wendepunkt angenommen werden kann. Wenn also in der Meßbasis, dem Abstand zwischen den beiden Meßpunkten, kein Wendepunkt vorhanden ist, dann steht die Höhenänderung in einer direkten Beziehung zur Krümmung dieses Hweßabstandes.
• Aufgrund dieses Prinzips lassen sich verschiedene Lösungswege zur Realisierung angeben von denen der erste Lösungsweg schematisch in Fig. 1 dargestellt ist. Von einem Laser 1 wird ein Strahl 2 abgegeben, der auf einem halbdurchlässigen und reflektierenden Strahlteiler-Spiegel 3 trifft. Der durch diesen Spiegel 3 direkt hindurchtretende Strahl wird in einer Fokussierungslinse 4 fokussiert und trifft als antastender Strahl 5 auf einen ersten Meßpunkt 6. Der am Strahlteiler-Spiegel 3 reflektierte Strahl 7 wird von einem Spiegel 8 umgelenkt und über eine Fokussierungslinse 10 als fokussierter zweiter Antaststrahl 10 auf einen zweiten Meßpunkt 11 gelenkt. Die beiden Meßpunkte 6 und 11 liegen dicht beieinander auf einer zu untersuchenden Oberfläche 12, die beispielsweise eine Magnetspeicherplatte in unbeschichtetem oder beschichtetem Zustand sein kann. Weiterhin liegen die beiden Meßpunkte 6 und 11 auf einem Radiusstrahl 13 dieser Platte, d.h., es soll die Krümmung der Oberfläche 12 in radialer Richtung vermessen werden. Diese Krümmung ist ein Maß für die Güte von Magnetplatten. Die beiden Spiegel 3 und 8 liegen gegenüber der zu untersuchenden Oberfläche 12 auf gleicher Höhe, die beiden beleuchtenden Strahlen 5 und 10 haben jedoch gegenüber dem Radiusstrahl 13, auf dem die beiden angetasteten Meßpunkte 6 und 11 liegen, unterschiedliche Einfallswinkel. Die von den Meßpunkten 6 und 11 reflektierten Strahlen sind mit 6' bzw. 11 bezeichnet und ihre Neigung gegeneinander sowie gegen eine Bezugsebene, die im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch die Fläcnennormale der Oberfläche 12 und die Verbindungslinie der beiden angetasteten lJießpunkte 6 und 11, d.n. dem Radiusstrahl 13 gegeben ist, gemessen. Diese Abweichung wird mit Hilfe von zwei Vierquadranten Photodetektoren 14 und 15 bestimmt. Diese beiden Vierquadranten Photodioden 14 und 15 sind in einer Ebene 16 angeoranet, aie senkrecht zur nicht dargestellten Bezugsebene angeordnet ist. Die an den Photodioden 14 und 15 abnehmbaren elektrischen Signale geben Aufschluß darüber, in welcher Weise aie reflektierten Strahlen 6' und 111 von den angetasteten l«íeßpunkten 6 und 11 nach Größe und Richtung verschieden reflektiert werden. Diese elektrischen Signale können in einer elektronischen Åuswertschaltung 17 verstärkt und zur direkten Anzeige oder Niederschrift des gernessenen Krümmungswertes verwendet werden.
• Um das Krümmungsprofil der Oberfläche 12 in radialer Richtung zu vermessen, wird wie in Fig. 1 angedeutet, die Oberfläche 12 in Richtung des Radiusstrahls 13 verschoben, was durch den Doppelpfeil 18 angedeutet ist. ;7iru die Relativverschiebung zwischen den einfallenden Strahlen 5 und 10 und der zu vermessenden Oberfläche 12 mit gleichmäßiger Geschwindigkeit vorgenommen wird eine dynamische Vermessung der Oberfläche vorgenommen. bei aieser dynamischen Vermessung des Krümmungsprofils können die beiden Meßpunkte 6 und 11 etwas mehr auseinanderrücken, weil eventuell zwischen ihnen liegende Wendepunkte des zu vermessenden Linienzuges im Ergebnis keinen negativen Linfluß haben, weil die durch sie verursachten Störungen durch diese dynamische Messung wieder herausfallen. Anstelle der in Fig. 1 gezeigten Vierquadranten-Photodetektoren 14 und 15 können auch Vidiconröhren zur lageabhängigen Eestimmung aer gegenseitigen Neigung der reflektierten Strahlen 6' und 11 verwendet werden.
• In Fig. 2 sind die geometrischen Verhältnisse der Reflexion eines Strahls auf einer deformierten Oberfläche 12 dargestellt.
• Es wird nur ein einziger beleuchtender Laserstrahl 19 benutzt, dessen aargestellte Strahlen mit 5 und 10 bezeichnet sind und die Oberfläche 12 an den Punkten 6 und 11 antasten. Bei einem Laserstrahl kann ein gaußförmiger Strahlquerschnitt angenommen werden und es hat sich gezeigt, daß als zwei charakteristische Orte des einen einzigen Laserstrahls 19 als Meßpunkte die Wen-Meßpunkte der Intensitätsverteilung über der zu untersuchenden Oberflache verwendet werden können, da diese nicht vom absoluten Wert der Intensität abhängen. Die mit 5 und 10 in Fig. 2 bezeichneten Strahlen entsprechen aiesen Wendepunkt-Strahlen der Intensitätskurve und treffen die Oberfläche in den Punkten 6 und 11. Die Darstellung in Fig. 2 zeigt die zweidimensionalen Verhältnisse, aie jedoch bei der messung entlang einer Linie völlig ausreichend sind und die Darstellung geht weiterhin davon aus, daß Beugungserscheinungen vernachlässigbar sind.
• Das Profil der zu untersuchenden Oberfläche 12 sei durch die Funktion z = z(x,y) über der x,y-Ebene gegeben. Der auftreffende Laserstrahl 19 erzeugt auf dieser Oberfläche 12 eine Intensitätsverteiluny Iü(x;y). Im Abstand 1 dieses Koordinatensystems befinaet sich eine u;v-Ebene, deren Koordinaten parallel zu denen von x und y sind. Der von den Punkten 6 und 11 reflektierte Strahl besitzt in dieser Abtastebene die Intensitätsverteilung I(u v). Diese Intensitätsverteilung ist nur unter Beschränkung auf die Verhältnisse der x- bzw. uKoordinate in Fig. 2 dargestellt.
• Bin Strahl, aer bei x an die Oberfläche 12 reflektiert wird, trifft die Abtastebene an der Stelle u. Die Zuordnung ist durch das Reflexionsgesetz gegeben.
• Es gilt: dz u = x + 2 t (tga dx> (1) Im folgenden wird angenommen, daß z (x) so beschaffen sei, daß diese Abbildung stetig und eindeutig ist. Denkt einen sich die Oberfläche aus kleinen, ebenen Elementen #x zusammengesetzt, so erhält man; dz dz #u = #u - 2 # ((x + #x) - (x)) (2) dx dx Hieraus folgt für die nfinitesimale Elemente: d z lim du = dx (1 - 2 l 2 ) (3) dx² #x#0 Es ist klar, daß das Verhältnis der Bestrahlungsstärken umgekehrt proportional zu dem der zugeordneten Flächen ist und somit gilt: d0z I (u) = I0 (x) / (1 - 2 # 5) (4) dx Zweimalige Differentiation dieses Ausdruckes liefert die Zuordnung der Wendepunkte: Die Ableitung von I(u) nach x erfolgt nach der "Kettenregel" d d du I(u) = I(u) (6) dx du dx Durch Einsetzen von (6) und (7) in Gleichung (5), sowie unter Beachtung von (3) ergibt sich.
• d2 d2 d2 z I0 (x) = I(u) (1 - 2 #)³ dx² du² dx² d d3 z d2 z - 6 I(u) # l # (1 - 2 l) du dx dx d4z - 2 I(u) # (8) dx4 Wie man sieht, sind die zweiten Ableitungen von I0(x) und I(u) dann gleichzeitig gleich null, wenn die höheren Ableitungen des Oberflächenprofils verschwinden, d.h. wenn die Krümmung konstant ist. In diesem Falle sind die Wendepunkte in der Intensitätsverteilung als Sonden zu verwenden. Andererseits führen auch kleine, von null abweichende Werte von d3z d4z b bzw.
• dx dx nur zu kleinen Meßfehlern - erste Abschätzungen ergaben für sinusförmige Oberflächenprofile Fehler von einigen Prozent - die sich zudem bei dynamischer Messung teilweise ausmitteln.
• Die Krümmung der Oberfläche 12 wird dadurch ermittelt, daß die beiden Wendepunkte 6'' und 11'' der Intensitätsverteilung I in der u,v-Abtastebene ermittelt werden und der Abstand zwischen ihnen gemessen wird.
• Für die Messung der Strahlweite zwischen seinen Wendepunkten 6" und 11'' wird der reflektierte Strahl 6', 11' entlang der u-Koordinate in der Abtastebene mittels eines Schlitzes 21 und einer Photodetektoranordnung 23 abgetastet. Dadurch wird eine Transformation von u in den Zeitbereich vorgenommen, nach der Beziehung 1(u) = I(t - n . to) wobei n = 0, 1, 2, ... ist.
• Dabei ist t0 die für eine einzige Abtastung notwendige Zeit.
• Das Abtasten kann durch das Vorbeibewegen des Schlitzes am Strahl vorgenommen werden oder umgekehrt dadurch, daß ein rotierender Polygonspiegel 20, wie in Fig. 3 dargestellt, dem Strahl über eine Spaltblende 21 lenkt. Hinter dieser Spaltblende 21 ist eine Photodiode 23 angebracht, vor der zweckmäßigerweise noch eine diffus wirkende Glasplatte 22 angeordnet ist, damit das durch die Spaltblende 21 hindurchtretende Licht auf einer größeren Fläche der Photodiode 23 verteilt werden kann. Das Ausgangssignal der Photodiode 23 stellt die Intensitätsverteilung I(u) entlang der uAchse in der Abtastebene dar. Dieses Signal wird zur weiteren Auswertung einer Auswertschaltung 24 zugeführt.
• In Fig. 4 ist eine weitere Möglichkeit schematisch angegeben, wie der von der Oberfläche 12 reflektierte Strahl 6', 11' auf seine Intensitätsverteilung in der Abtastebene u,v hin abgetastet werden kann. Der reflektierte Strahl 6', 11' wird durch eine Zylinderlinse 25 aufgeweitet und auf eine rotierende Schlitzscheibe 26 gelenkt. Der durch die Schlitze hindurchtretende Lichtanteil des reflektierten Strahls wird über einen Sammelspiegel 27 und eine diffus wirkende Glasplatte 22 auf die Photodiode 23 gelenkt. Deren Ausgangssignal wird der Auswertschaltung 24 zugeführt.
• Eine weitere möglichkeit zur Abtastung des reflektierten Strahles 6', 11' ist in Fig. 5 dargestellt. Dabei wird der reflektierte Strahl 6', 11' wieaerum auf einen rotierenden Polygonspiegel 20 gelenkt und von dort über eine Schlitzmaske 28 auf mehrere Photodioden 29 gelenkt. Die Anordnung der Schlitzmaske 28 und der in Strahlrichtung dahinter befindlichen Photodetektoren 29 ist konzentrisch zum Umfangskreis des Polygonspiegels 20 vorgenommen. Hinter jedem einzelnen Schlitz 30 der Schlitzmaske 28 kann eine einzige Photodiode angeordnet sein oder es kann wie im dargestellten Beispiel eine Photodiode 29 hinter je zwei nebeneinanderliegenden Schlitzen 30 angeordnet sein. Die Photodioden 29 sind alle parallel geschaltet und führen ihr Ausgangssignal der Auswertschaltung 24 zu. Um gegebenenfalls die unterschiedliche Empfindlichkeit der einzelnen Photodetektoren 29 auszugleichen, kann zwischen den jeweiligen Ausgang eine Photodiode 29 und den gemeinsamen Eingang zur Auswertschaltung 24 jeweils ein Anpaßwiderstand eingeschaltet sein, der im dargestellten Ausführungsbeispiel nicht dargestellt ist.
• Die Abtastung des reflektierten Strahls wird in der Abtastebene u,v mit einer derartigen Geschwindigkeit vorgenommen, beispielsweise einige 10 4 Sekunden, daß eine fehlerfreie Bestimmung der Wendepunkte ermöglicht ist. Durch diese schnelle Abtastung wird erreicht, daß während der Abtastung keine nennenswerten Veränderungen des Strahles stattfinden, daß die Einflüsse sowohl von der Translation und der Rotation der Oberfläche 12 oder der anderen optischen Elemente, als auch die Einflüsse der Intensitätsschwankungen des antastenden Laserstrahls vernachlässigt werden können.
• Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild, mit dem auf direkte Weise die Wendepunkte festgestellt werden sowie rechts daneben zugehörige Impulsdiagramme. Dazu wird das Signal der Photodiode 23 oder 29 einem ersten Differenzierverstärker 31 zugeführt und das einmal differenzierte Signal dieses Verstärkers 31 zur zweiten Differentiation einem zweiten Differenzierverstärker 32. An diesen schließt sich ein Nulldurchgangs-Detektor 33 an, der die Nulldurchgänge des zweimal differenzierten Signals der Photodiode, d.h. der Intensitätsverteilung in der Abtastebene, feststellt. Das Ausgangssignal des liulldurchgangsdetektors 33 wird einer Triggerschaltung 34 zugeführt, die vom ersten Nulldurchgang des zweimal differenzierten Signals gesetzt wird und vom zweiten Nulldurchgang zurückgesetzt wird. Dadurch entspricht die Länge dieses am Ausgang der Triggerschaltung 34 anstehenden Impulses dem Abstand der Wendepunkte. Zur Erzeugung eines Referenzpulses wird das Ausgangssignal des Nulldurchgangsdetektors 33 weiterhin einem Referenzpulsgenerator 35, beispielsweise einer monostabilen Kippstufe mit konstanter Kippzeit, zugeführt.
• Diese monostabile Kippstufe wird von dem ersten Nulldurchgang, der von Nulldurchgangsdetektor 33 festgestellt wird, gesetzt.
• Die Länge der vom Re ferenzpuls generator 35 erzeugten Impulse gibt den Krümmungswert O an. Um nun die Abweichung der tatsächlichen Krümmung, die durch das Ausgangssignal des Triggers 34 dargestellt wird und der Krümmung O, die durch das Ausgangssignal des Referenzpulsgenerators 35 dargestellt wird, festzustellen, werden beide Signale einem Pulsbreitendiskriminator 36 zugeführt, der die beiden Impulse voneinander subtrahiert, im dargestellten Beispiel wird der Referenzpuls vom Triggerpuls subtrahiert. Die am Pulsbreitendiskriminator 36 anstehenden Impulse geben durch ihre Breite den absoluten Wert der Oberflächenkrümmung an. Das Vorzeichen der Impulse gibt an, ob es sich um eine konvexe oder eine konkave Krümmung handelt.
• Dieses Signal mit der Aussage über Größe und Art der Krümmung wird einem Integrierverstärker 37 zugeführt, an dessen Ausgang 41 beispielsweise ein in der Zeichnung nicht dargestelltes schreibendes Gerät angeschlossen werden kann, das den gemessenen Krümmungszug aufschreibt. Andererseits kann an den Eingang 41, wie in der Fig. 6 dargestellt, ein Toleranzbegrenzer 38 angeschlossen werden, der eine Obergrenze und eine Untergrenze angibt, innerhalb derer sich die Krümmungsabweichungen bewegen aürfen, ohne aaß die untersuchte Oberfläche außerhalb der zulassen Grenzen ist und dadurch für gewisse Anwendungen unbrauchbar wird. Befindet sich der gemessene Krümmungswert außerhalb dieser Toleranzen, können beispielsweise bei Unterschreitung der unteren Grenze eine Untergrenzlampe 39 angeschaltet werden, und beispielsweise bei Überschreitung der Obergrenze eine Obergrenzlanipe 40. Selbstverständlich sind hier auch andere lwiöglichkeiten der Anzeige von Toleranzüberschreitungen möglich.
• In Fig. 6 sind rechts Impulsdiagramme gezeigt, die zu dem Blockschaltbild der linken Seite gehören und nebeneinander zwei verschiedene Intensitätsverteilungen darstellen. Mit 23' bzw. 29' ist das Photodiodensignal bezeichnet, mit 31' das einmal differenzierte Signal, mit 32' das zweimal differenzierte Signal, mit 34' die Ausgangsimpulse des Triggers 34, mit 35' der Referenzimpuls, mit 36' die Differenzimpulse von Triggerimpuls und Referenzimpuls, die am Ausgang des Pulsbreitendiskriminators 36 anstehen, mit 37' die resultierende Ausgangskurve des Integrierverstärkers 37. Die Impulse 39' und 40' geben an, wann bei Überschreitung der olerenzgrenzen die Anzeigelampen 39 und 40 angeschaltet werden.
• Mit dieser beschriebenen Methode können auch Krümmungsmessungen auf streuenden Oberflächen vorgenommen werden, wenn die Streuung durch Schrägli ch tbele uchtung genügend unterdrückt werden kann.
• Weiterhin kann der Abstand zwischen den beiden angetasteten Meßpunkten in einem weiten Bereich verändert werden, wodurch eine Angleichung der Auflösung und der Empfindlichkeit an ein gegebenes Problem möglich ist.
• Der Pulsbreitenvergleich, wie er in der eben beschriebenen Methode dargelegt wurde, hat jedoch dann einige Nachteile, wenn Hochfrequenzrauschen eliminiert werden muß. Dieses Rauschen kann von der Laserlichtquelle herrühren, kann von der Abtastvorrichtung herrühren oder sogar von Staubpartikeln auf der zu messenden Oberfläche. Dieses Rauschen kann bei Anwendung derselben optischen und mechanischen Anordnung wie bereits beschrieben eliminiert werden, wenn eine im folgenden beschriebene integrierende Auswertung des Photodiodensignals vorgenommen wird.
• In Fig. 7 ist im oberen Teil schematisch das Diodensignal I aufgezeichnet, welches im aufsteigenden Ast eine Störung aufweist, die durch Staub oder Mikrostrukturen auf der untersuchten Oberfläche entstanden sein kann. Im unteren rieil ist die zweite Ableitung 1'' dieses Diodensignals aufgetragen, wobei sehr deutlich zu erkennen ist, daß der durch die Störung im Diodensignal I auftretende Verschiebung des Wendepunktes erheblich ist. Mit x ist der tatsächliche Abstand der Wendepunkte angegeben, und mit x' der gemessene, weil es sich aus dieser Methode so ergibt.
• Um diese Störungen im Meßergebnis nicht auftreten zu lassen, wird bei der integralen Methode das zweimal differenzierte Diodensignal gleichgerichtet und integriert. Das gemessene Signal hängt von dem invertierten und quadrierten Wert der Flächenkrümmung ab. Fig. 8 zeigt im oberen Teil drei verschiedene Intensitätsverteilungen, wobei der Flächeninhalt A über dem Wert X1, dem Wert X2 und dem Wert X3 jeweils gleich groß ist. Die von der zweiten Ableitung umschlossene Fläche A' ist eine Funktion, die umgekehrt proportional dem Quadrat der Breite der Intensitätsverteilung ist, wie sie im oberen Teil der Fig. 8 dargestellt ist. Wenn angenommen werden kann, daß der Wert X1=2 sei, dann folgt für die Fläche Al' der zweiten Ableitung, daß diese 1/4 beträgt, der Wert X2 sei mit 1 angenommen, die entsprechende Fläche A2 beträgt dann 1 und bei Annahxne eines Wertes von 0,5 für X3 beträgt die Fläche A3'=4.
• In Fig. 9 ist ein Blockdiagramm einer Schaltung gezeigt, mit der die in Fig. 8 dargestellte Methode ausgeführt werden kann. Weise terhin zeigt Fig. 9 die an den verschiedenen Stellen dieses Blockschaltbildes anstehenden Impulse, die drei verschiedenen Intensitätswerten entsprechen. Das Ausgangssignal 23' bzw. 9' der Photodiodenanordnung 23 bzw. 29 wird dem ersten Differenzierverstärker 31 zugeführt, dessen Ausgangssignal 31'' dem zweiten Differenzierverstärker 32 zugeführt wird. Das an dessen Ausgang anstehende Signal 32'' wird einem Gleichrichter 41 zugeführt, dessen Ausgangssignal 41' einem Integrierverstärker 42 zugeführt wird. Am Ausgang 42' dieses Integrierverstärkers steht das Meßsignal A an. Da dieses Meßsignal jedoch von den Veränderungen der Lichtintensität beeinflußt wird, ist es zweckmäßig, diese Einflüsse durch eine Kompensations- und Referenzschaltung aus zuschalten. Dazu wird das Ausgangssignal 23' bzw. 29' der Photodiodenanordnung 23 bzw. 29 einem Verstärker 43 zugeführt, dessen Ausgangssignal 43' in einem Gleichrichter 44 gleichgerichtet wird und dessen Ausgangssignal 44' einem Integrierverstärker 45 zugeführt wird. sas Ausgangssignal 45' des Integrierverstärkers 45 stellt das Referenzsignal B dar. Das Meßsignal A und das Referenzsignal B werden einem Differenzverstärker 46 zugeführt, der die Differenz beider Signale A - B bildet. Das Differenzsignal 46' wird einem Dividierverstärker 47 zugeführt, dem zusätzlich noch das Referenzsignal B zugeführt wird. Im Dividierverstärker 47 wird der Quotient aus dem Differenzsignal A - B und dem Referenzsignal B gebildet, der das Krümmungssignal 47' angibt. Dieses Signal kann über einen Gleichstromverstärker 48 verstärkt werden und als Ausgangssignal 48' einem Gleichstromvoltmeter 49 zugeführt werden, oder anderweitig, beispielsweise einem schreibenden Gerät zur Aufzeichnung der Krümmung zugeführt werden.
• Die im Gleichrichter 41 gleichgerichteten Teile der zweiten Ableitung des Diodensignals, sowohl positiven als auch negativen Vorzeichen, werden beide im Integrierverstärker 42 integriert. Da die Integrale über dem positiven und dem negativen Teil identisch sind, wird der Signalpegel des Meßsignals durch Benutzung beider Teile des gleichgerichteten Signals verdoppelt.
• Darüber hinaus wird bei dieser Auswertungsart eine Gleichstro.mdrift des Gleichrichterkreises kompensiert. Wie bereits gesagt, wird durch den Referenzkreis, in dem das Diodensignal ohne Ableitung gleichgerichtet und ebenfalls das gleichgerichtete Signal über beide, sowohl positive als auch negative Teile, im Integrierverstärker 45 integriert wird, kann dann durch die Differenzbildung und Quotientenbildung die Unabhängigkeit des Krümmungssignals von den Intensitätsschwankungen des zu beleuchtenden Lasers erreicht werden.
• Mit Hilfe der der Erfindung zugrundeliegenden Methode und den daraus resultierenden verschiedenen Ausführungsformen ist es möglich, die Krümmungen von beschichteten oder unbeschichteten Magnetplatten, auch von anderen Plattenoberflächen, wie beispielsweise Halbleiterplättchen oder ähnliche an sich flache Oberflächen, sehr genau zu bestimmen. Es können Krümmungsradien von bis zu einem Kilometer ohne weiteres vermessen werden. Darüber hinaus ist es auch möglich, die Vermessung der vollständigen Oberfläche solcher Proben vorzunehmen, indem die dynamische Abtastung beispielsweise in radialer Richtung einer Magnetplatte immer wieder wiederholt wird, wobei die Platte schrittweise in Umfangsrichtung gedreht und immer wieder abgetastet wird. Somit ist eine sichere und relativ schnell arbeitende Möglichkeit gegeben, Oberflächen hundertprozentig auf ihre Krümmungen hin zu vermessen. Dabei ist von ganz besonders großem Vorteil, daß diese Xrümmungsmessung zerstörungsfrei erfolgt.

Claims (11)

P A T X 1 T A N S P R U C H E

1. Anordnung zur Ermittlung und Bestimmung von Krümmungen auf an sich flachen Oberflächen, bei der ein Laserstrahl schräg auf die zu untersuchende Oberfläche gelenkt und der reflektierte Strahl ausgewertet wird, dadurch gekennzeichnet, daß zwei bestimmte, relativ eng benachbarte Punkte (6, 11) auf der zu untersuchenden Oberfläche (12) entweder unter verschiedenem (Zweistrahl) oder gleichem Einfallswinkel (Einstrahl) angetastet werden und die Neigung der von diesen Punkten reflektierten Strahlen (6', 11') gegeneinander und gegen eine geeignete Bezugsebene als Maß für die Krümmung entweder durch getrennte Vermessung der beiden reflektierten Strahlen (6', 11') mit Hilfe lagebestimmender Photodetektoren (14, 15) oder durch Bestimmung des überlappungsgrades mittels intensitätsempfindlicher Photodetektoren (23, 29) und einem geeigneten Abtastverfahren ermittelt wird.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Laserstrahlen (19, bzw. 5, 10) unter einem sehr geringen Linfallswinkel (ca. 60) auf die beiden Punkte (6, 11) auftreffen und unter Beibehaltung dieses Einfallswinkels in Richtung der zu untersuchenden Strecke (13) über die abzutastende Fläche (12) geführt werden.

3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Neigungswinkel der beiden reflektierten Strahlen (6', 11') gegeneinander und gegen eine Bezugsebene bestimmt werden, die von der Flächennormalen und der Verbindungslinie der beiden angetasteten Punkte (6, 11) gegeben ist, und daß als lagebestimmende Photodetektoren Vierquadranten-Photodioden (14, 15) oder Vidiconröhren verwendet werden.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei gleichem Einfallswinkel des beleuchtenden Laserstrahls (19) als relativ eng benachbarte Meßpunkte die Wendepunkte (6, 11 bzw. 6'', 11'') der diesem Laserstrahl (19) innewohnenden Intensitätsverteilung (Io) verwendet werden, daß zur Bestimmung des überlappungsgrades der von diesen Punkten (6, 11) reflektierten Strahlen (6', 11') diese mit Hilfe eines rotierenden oder schwingenden Spiegels (20) und einer fest vor einer Photodetektoranordnung angeordneten Spaltblende (21) oder mit Hilfe eines festen Spiegels (27) und einer rotierenden Spaltanordnung (26) auf deren Intensitätsverteilung (I) in einer Abtastebene (u, v) abgetastet werden und daß das dabei von der Photodetektoranordnung abgegebene elektrische Signal zweimal differenziert und von einer Auswertschaltung (24) durch Auswertung der iulldurchgänge daraus der Krümmungswert angegeben wird.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertschaltung (24) eine monostabile Kippstufe als Referenzpulsgenerator (35) enthält, die vom ersten Nulldurchgang des zweimal differenzierten Photodetektorsignals (32') gesetzt wird, und eine Triggerschaltung (34) enthält, die vom ersten Nulldurchgang des zweimal differenzierten Photodiodensignals (32') gesetzt und von zweiten Nulldurchgang dieses Signals (32') zurückgesetzt wird, daß die Signale (34', 35') der Triggerschaltung (34) und der monostabilen Kippstufe (35) voneinander subtrahiert werden, wobei die Breite des Differenzsignals (36') ein direktes Maß für die Größe der Krümmung und die Polarität dieses Differenzsignals (36') eine Angabe für konkave oder konvexe Krümmung darstellt. (Fig. 6).

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Differenzsignale (36') integriert und verstärkt werden und entweder einem anzeigenden Gerät oder einem schreibenden Gerät zugeführt werden, wobei gegebenenfalls durch eine oleranzbegrenzerschaltung (38) eine Klassifizierung der untersuchten Oberfläche (12) vorgenommen werden kann.

7. Anordnung nach Anspruch 4 dadurch gekennzeichnet, daß das zweimal differenzierte Signal (32'') der Photodiodenanordnung (23, 29) gleichgerichtet, aus diesem Signal ein mittelwert (41') gebildet und dieser Wert auch integriert wird, wobei das Integrationssignal (42') ein Meßsignal (A) für die Krümmung darstellt (Fig. 9).

8. Anordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Referenzsignal (B) dadurch gewonnen wird, daß das Ausgangssignal (23', 29') der Photodetektoranordnung (23, 29) zusätzlich (verstärkt) gleichgerichtet und integriert wird, daß dieses Referenzsignal (B) vom Meßsignal (A) subtrahiert wird, der erhaltene Differenzwert (A - B) in einem Dividierverstärker (47) durch das Referenzsignal (B) dividiert wird und daß dieses Signal (47'), gegebenenfalls nochmals gleichstromverstärkt, als Meßsignal verwertbar ist (Fig. 9).

9. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der zu untersuchenden Oberfläche (12) reflektierte Laserstrahl (6', 11') mittels einer Zylinderlinse (25) geweitet und auf eine rotierende Scheibe (26) mit mehreren Schlitzen gelenkt wird, hinter der eine Photodiode (23) als Photodetektoranordnung angeordnet ist (Fig. 4).

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der von der zu untersuchenden Oberfläche (12) reflektierte Laserstrahl (6', 11') auf einen rotierenden Polygonspiegel (20) gelenkt wird und von dort auf eine Schlitzanordnung (21) mit dahinter befindlicher Photodiode (23) als Photodetektoranordnung (Fig. 3).

11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzanordnung (21) aus einer Schlitzmaske (28) mit mehreren Schlitzen (30) besteht, hinter denen sich Photodioden (29) befinden und daß diese Anordnungen konzentrisch zum Umfangskreis des Polygonspiegels (20) angeordnet sind (Fig. 5).

L e e r s e i t e