DE2407562A1 - Verfahren und einrichtung zur globalen untersuchung von oberflaechen - Google Patents

Description

133/73 LU/SL

BBC Aktiengesellschaft Brown. Boveri & Cie._f Baden

Verfahren und Einrichtung zur globalen Untersuchung von Oberflächen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Einrichtung zur /globalen Untersuchung von Oberflächenbeschaffenheiten»

Zur punktweisen Untersuchung von Oberflächenbeschaffenheiten, z.B. bei metallischen, bearbeiteten, z.B. gesandstrahlten Oberflächen, oder bei metallischen, z.B. durch Erosion, Kavitation oder Korrosion beschädigten Oberflächen, sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei diesen bekannten Verfahren müssen jedoch eine grosse" Anzahl verschiedener b teilender zu untersuchenden Oberfläche punktweise ausgemessen werden, wenn die statistischen Eigenschaften solcher Oberflächen untersucht werden sollen.

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Diese grosse Zahl von Messpunkten ist nötig, um daraus die gesuchten statistischen Eigenschaften mittels Rechnung gewinnen zu können. Die gesuchten statistischen Eigenschaften sind z.B. die Ausdehnung und der Abstand von lichtstreuenden Elementen einer Oberfläche, die ursprünglich blank poliert war, und dann örtlich beschädigt wurde. Bei der Ausmessung der genannten grossen Zahl von Messpunkten ist dann eine Folge von Messoperationen notwendig, die sehr lang und ermüdend sind, ganz besonders dann, wenn man die Messpperationen fortlaufend wiederholen muss um eine grosse Zahl von Oberflächen verschiedener Charakteristiken untereinander zu vergleichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, statt einer punktweisen Untersuchung die globalen Untersuchung von Oberflächen zu ermöglichen, sodass die statistischen Eigenschaften einer zu untersuchenden Oberfläche durch eine kurze Folge standardi-' sierter Operationen festzustellen sind, deren Gesamtdauer erheblich kleiner ist als die der Messoperationen jdie bei punktweiser Untersuchung mittels der bekannten Verfahren notwendig sind. Die vorliegende Erfindung soll es also möglich machen, in einer vernünftigen Zeit eine grosse Zahl von Oberflächen unterschiedlicher Charakteristiken zu untersuchen, z.B. um sie miteinander zu vergleichen. Die Erfindung soll insbesondere mit Vorteil bei der Untersuchung der Oberflächen von bearbeiteten, z.B. gesandstrahlten Serienteilen angewendet werden, und auch für Vergleichsuntersuchungen der Beschaffenheiten ver-

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schiedener Oberflächen unterschiedlichen Beschädigungsgrades, z.B. bei der periodischen Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheiten von Maschinenteilen.

Die vorstehend aufgeführten Ziele werden erfindungsgemäss durch folgende Verfahrensschritte erreicht:

- die zu untersuchende Oberfläche wird mit einem ersten kohärenten, z.B. an einer Mattscheibe gestreuten Lichtbündel beleuchtet, vorzugsweise unter etwa senkrechtem Einfall,

- das an der zu untersuchenden Oberfläche reflektierte und/oder gestreute Licht wird auf einer photographischen Platte oder dgl. aufgezeichnet,

- die derart belichtete Platte oder dgl. wird entwickelt,

- das. dadurch erhaltene Negativ wird mit einem zweiten Lichtbündel durchleuchtet, wobei dieses Lichtbündel parallel und wenigstens teilweise kohärent ist, derart, dass sich in der Brennebene einer Linse das Raumfrequenzspektrum der photographischen Aufzeichnung ergibt,

- entlang mindestens einer Radialrichtung wird in der genannten Brennebene die Helligkeitsverteilung bestimmt, und schliesslich

-,werden die statistischen Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche aus der genannten Helligkeitsverteilung abgeleitet.

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Um die vorstehend aufgeführten, erfindungsgeraässen Verfahrensschritte auszuführen braucht man also lediglich das Licht, das von der zu untersuchenden Oberfläche herkommt, auf einer Photoplatte oder einem Film aufzuzeichnen, und zwar in der Art, wie das vorstehend angegeben wurde, die derart belichtete Platte bzw. den Film zu entwickeln, und dann die Helligkeitsverteilung studieren, die sich in der Brennebene einer Linse ergibt, vor welcher die entwickelte Platte bzw. der Film angeordnet ist.

Es ist unmittelbar ersichtlich, dass diese genannten Operationen mittels einer geeigneten Ausrüstung ausserordentlich schnell durchgeführt werden können. Insbesondere können sie auch systematisch wiederholt werden, ohne dass dazu eine spezialisierte Bedienungskraft eingeschaltet werden müsste.

In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemässen Verfahrens werden die statistischen Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche von charakteristischen Punkten der in der Brennebene der Linse aufgenommenenHelligkeitsverteilung, d.h. fretf der Verteilung der Raumfrequenzen, abgeleitet.

Das erfindungsgemässe Verfahren kann in besonders einfacher und schneller Weise und insbesondere ohne :' Inanspruchnahme einer spezialisierten Arbeitskraft mittels folgender Einrichtung, die auch ein Gegenstand dieser Erfindung ist, durchgeführt werden:

Die Einrichtung umfasst einen ersten Dunkelraum und eine^zweiten Dunkelraum« In dem ersten Dunkelraum sind zunächst Mittel zur

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Erzeugung eines kohärenten Lichtbündels vorgesehen, und ferner Mittel zur Projektion dieses Lichtbündels auf die zu untersuchende Oberfläche, und zwar ein steuerbarer Verschluss, ein Objektiv, insbesondere ein Mikroskop-Objektiv, ein Diffusor, z.B. in Form einer Mattscheibe, ggfs. eine Blende, und schliesslich eine photographische Platte oder dergleichen, die derart ange ordnet ist, dass sie das von der zu untersuchenden Oberfläche !reflektierte Licht empfängt. Der zweite Dunkelraum weist auch Mittel zur Erzeugung eines parallelen, mindestens teilweise kohärenten Lichtbündels auf. Mit diesem Lichtbündel wird in denjzweiten Dunkelraum die zum Negativ entwickelte photographi- eche Platte oder dergleichen aus dem ersten Dunkelraum und dann eine Linse durchleuchtet, in deren Brennebene ein Photodetektor vorgesehen ist.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung weist der Photodetektor eine nahezu punktförmige Detektionsfläche auf und ist derart beweglich angeordnet, dass die Brennebene der Linse, insbesondere in mindestens einer Radialrichtung, damit abgetastet werden kann.

In. einer anderen Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung ist der Photodetektor eine Fernsehaufnahmeröhre, z.B. ein Vidicon, deren Ablenkorgane vorzugsweise von einem Radial-Abtastschaltkreis gesteuert werden.

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In einer dritten Ausführungsform der Einrichtung nach der Erfindung wird der Eingang des Photodetektors durch die Enden von aufeinanderfolgend in einer Radialrichtung der Brennebene der Linse angeordneten optischen Pasern gebildet, welche dann ungeordnet verlaufen und mit ihren anderen Enden die lichtempfindliche Fläche des Photodetektors bedecken, wobei Mittel vorgesehen sind, um die durch die erstgenannten Faserenden gebildete Reihe mittels einer schmalen Oeffnung in einer im übrigen undurchsichtigen, bewegliche Blende abzutasten.

In jedem Fall ist der Photodetektor der Einrichtung nach der Erfindung aber zweckraässigerweise mit einem automatischen Kurvensehreibgerät verbunden, dessen Vorschub von den Abtastbewegungen in der Brennebene der Linse gesteuert wird.

Schliesslich kann der Photodetektor aber auch mit einer elektror nischen Rechenmaschine zur Auswertung der Eigenschaften der in der Brennebene der Linse aufgenommenen Helligkeitsverteilung verbunden sein, und zwar direkt oder auch über ein Kurvenschreibgerät und ein Kurvenlesegerät.

Die angegebenen Ausführungsformen der Einrichtung nach der Erfindung gestatten eine globale > quasi--automatisehe Untersuchung von Oberflächen, insbesondere dann, wenn eine automatische Entwicklungsmaschine zur Entwicklung der photographischen Platte oder des Films zwischen dem ersten und dem zweiten Dunkelraum

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eingeschaltet ist.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei zeigen

- die Pig. 1 und 2 schematisch die einzelnen Komponenten des ersten und des zweiten Dunkelraums der Einrichtung nach der Erfindung, und

• die Fig. 3 bis 5 Diagramme zur Erläuterung der Auswertung der mittels der Einrichtung nach Pig. I und 2 erhaltenen Resultate.

Die Fig. 1 stellt im wesentlichen die Komponenten des ersten Dunkelraumes dar, dessen Wände nicht gezeichnet sind.

Es ist ein Laser 1 vorgesehen (der natürlich auch ausserhalb des Dunkelraumes angeordnet sein kann), welcher ein kohärentes Lichtbündel 2 mit parallelen Strahlen und der Wellenlänge X erzeugt* Dieses parallele kohärente Lichtbündel 2 durchtritt einen Verschluss 3 und dann ein Mikroskop-Objektiv¹!, aus welchem es als divergentes Lichtbündel 2a austritt. Die Oeffnung dieses divergenten Lichtbündels 2a wird begrenzt durch die Blende 5» welche bewirkt, dass das divergente Lichtbündel 2a auf die Mattscheibe 6 in einer kreisförmigen Zone des Durchmessers d auftrifft. In einem Abstand L ist von der Mattscheibe 6 eine reflektierende und /oder streuende Oberfläche 7 derart angeord-' net, dass sie von dem Lichtbündel, welches die Mattscheibe 6 durchtreten hat, unter einem Einfallswinkel i beaufschlagt wird.

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Der Wert des Einfallwinkels i ist vorzugsweise klein, z.B. von der Grössenordnung 10 . Senkrecht zu der Richtung, in welcher die Oberfläche 7 mindestens einen Teil des auffallenden Lichtbündels reflektiert, ist auf einem Halter 9 eine photographische Platte oder ein photographischer Film 8 vorgesehen. In dem an der Oberfläche 7 reflektierten Licht ist eine halbdurchlässige Platte 10 angeordnet, welche einen Bruchteil des von der Oberfläche 7 reflektierten Lichtes auf ein Photometer 11 lenkt. Dieses Photometer 11 steuert über einen Lichtintegrator, der durch den Block 12 schematisch angedeutet ist, den Verschluss derart, dass die Oeffnungszeit des Verschlueses 3 die je Zeiteinheit von der Oberfläche 7 empfangene Lichtmenge und die Empfindlichkeit der Photoplatte oder des kinematographischen Filmes 8 berücksichtigt.

In der Fig. 2 sind im wesentlichen die Komponenten des zweiten Dunkelraumes der Einrichtung nach der Erfindung dargestellt.

Auch hier ist als kohärente Strahlenquelle ein Laser vorgesehen, der mit der Ziffer 13 bezeichnet ist. Der Laser 13 erzeugt ein paralleles Lichtbündel 14, in welchem ein Photonegativ 8a zentrisch bezüglich der optischen Achse einer Linse 15 angeordnet ist. Die durch das Photonegativ 8a gestreuten Lichtstrahlen werden durch die Linse 15 in deren Brennebene 15f gesammelt. Hinter der Linse 15 ist ein Photodetektor 16 mit nahezu punktformiger Detektionsfläche vorgesehen. Er ist derart

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beweglich in der Brennebene 15 f der Linse 15 angeordnet, dass man mit ihm mindestens eine Radialrichtung der Brennebene 15f abtasten kann. Die Mittel zur Bewegung des Photodetektors 16 in einer Radialrichtung der Brennebene 15f sind, da bekannt, nicht eigens dargestellt. Vorzugsweise wird der Photodetektor automatisch mittels eines Motors bewegt, jedoch sind selbstverständlich auch andere Ausfuhrungsformen möglich. Jedenfalls .. werden die Abtastmittel vorzugsweise so ausgebildet, dass man je nach Bedarf unterschiedliche Richtungen der Radialbewegung des Photodetektors 16 einstellen kann. Die in dem Photodetektor 16 erzeugten elektrischen Signale werden von dessen Ausgang zu einem Kurvenschreibgerät 17 geleitet, vorzugsweise über geeignete Verstärkerelemente. Dieses Kurvenschreibgerät 17 muss bezüglich seines Vorschubes natürlich von den Bewegungen des Photodetektors 16 gesteuert werden. Da dies mit bekannten Mit- , teln geschieht, sind diese nicht eigens dargestellt.

Die beschriebene Einrichtung kann beispielsweise zur Untersuchung der Oberflächenbeschaffenheit eines Korrosionserscheinungen aufweisenden Maschinenteils in folgender Weise verwendet werden:

Das Maschinenteil wird zunächst in den ersten Dunkelraum gebracht derart, dass seine zu untersuchende Oberfläche die Position/ü der Oberfläche 7 der Fig. 1 einnimmt. Das zu untersuchende Maschinenteil wird sorgfältig auf der Achse des durch

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die Mattscheibe 6 gestreuten Lichtbündels zentriert. Dann wird eine unbelichtete photographische Platte 8 auf dem Halter 9 befestigt. Sodann wird der Verschluss 3 betätigt, wobei dessen Oeffnungszeit von den Komponenten 11 und 12 unter Berücksichtigung der Empfindlichkeit der Photoplatte 8 eingestellt wird. Die Photoplatte 8 wird dann entwickelt und das erhaltene Negativ 8a in den zweiten Dunkelraum gebracht. Nun werden die oben erwähnten automatischen Abtastmittel in Tätig-

Iceit gesetzt, sodass die mit Ou bezeichnete Radialrichtung in der Brennebene 15f der Linse 15 von dem Photodetektor 16 abgetastet wird.

Die Kurve 18, die daraufhin von dem Kurvenschreibgerät 17 gezeichnet wird, wird dann in einer weiter unten näher beschriebenen Weise ausgewertet.

Das Verfahren nach der Erfindung, dessen Durchführung vorstehend anhand der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung beschrieben wurde, gründet auf folgenden üeberlegungen:

Wie in Fig. 1 dargestellt, wird ein Laserstrahlenbündel, das kohärente Lichtbündel 2a, also ein homogenes Strahlenbündel aus monochromatischenv kohärentem Licht der Wellenlänge X , mittels eines Diffusors, z.B. die Mattscheibe 6,in ein heterogenes Lichtbündel transformiert, welches bezüglich seiner Kohärenz eine Kornstruktur("Speckle-Strukturⁿ) aufweist. Die "Körner¹¹ dieses heterogenen, strukturierten Lichtstrahlenbün-

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dels weisen auf der Oberfläche 7 eine mittlere Ausdehnung der Grössenordnung g auf. Dabei ist

Die Grossen L und d sind weiter oben beschrieben und in Pig· I dargestellt.

man den "Radius" des Photonegativs 8a, der parallel ist 2Jura Radius Ou der Brennebene 15f der Linse 15, mit Oz bezeichnet, und den "Radius" der zu untersuchenden Oberfläche 7, der in derselben ,zur Oberfläche 7 senkrechten ifcene liegt wie Oz, mit Oy, dann ändert sich der Wert der Helligkeitsverteilung auf der zu untersuchenden Oberfläche 7 längs des Radius Oy nach folgender Punkt ion:

2) e = P(y).

Die Funktion 2) ist keine Konstante, da, wie oben erläutert, die Struktur des durch den Diffusor gestreuten Lichtbündels heterogen ist. Nachdem die Oberfläche 7 kein idealer Spiegel ist, verhält sie sich so, als ob sie einen komplexen Reflexione- und Streukoeffizienten hätte, dessen Verlauf' längs der Richtung Oy durch folgende Punktion ausgedrückt werden kann:

3) R= S(y)

Das an dem Diffusor6gestreute Licht trifft also die Oberfläche

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und wird dann mindestens teilweise in Richtung der Photoplatte 8 gestreut, wobei dann die \te Helligkeitsschwankung des von dieser empfangenen Lichtes in der Richtung Oz durch

ÖL

folgende Punktion beschrieben werden

G(z) = T ["p(y) . S(y) J .

Dabei steht T für die Pourier-Transformation der Punktion in den eckigen Klammern.

Nach der Entwicklung der Photoplatte 8 weist das erhaltene Ph'otonegativ 8a (Fig. 2) in der Richtung Oz eine Transparenz auf, die durch folgende Funktion beschrieben werden kann:

5) t(z) = A + B |g(z)j ².

Dabei sind A uniB Konstante, die von der verwendeten photographischen Emulsion und deren Behandlung abhängen.

In dem zweiten Dunkelraum werden die Lichtstrahlen nach ihrem Durchgang durch das Photonegativ 8a von neuem gestreut; jedoch dann in der Brennebene 15f der Linse 15 gesammelt. Die Werte der Helligkeit oder auch Lichtintensität in dieser Brennebene in der Radialrichtung Ou ändern sich dann gemäss folgender Formel:

6) H(u) = T

Aus den Formeln 2) bis 6) kann man, mit u f 0 , folgende Beziehung ableiten:

Oo

7) Η(μ) = C. \ P(y).S(y).P*(y+u).S*(y+u>dy

Oq

β C. jrF(y).S(y)*F(y).S(y)J .

Dabei ist C ein Proportionalitätsfaktor, während P* und S* die Künjugiert-Komplexen der Punktionen P und S sind. Wie ersichtlich, ist also die Funktion H(u), welcher der Wert der Lichthelligkeit im Abszissenpunkt u der Brennebene 15f der Pig. 2,entspricht, proportional zu der Auto-Korrelationsfunktion des Produktes der Punktionen P(y).S(y), welches die Helligkeitsschwankung des von der Oberfläche 7 in Pig. I gestreuten Lichtes beschreibt. Die Kurve 18, welche von dem Kurvenschreibgerät 17 der Fig. 2 unter den obengenannten Bedingungen aufgezeichnet wird, und die in vergrössertem Massstab in der Fig. 3 dargestellt ist, folgt exakt folgender Gleichung:

8) E = |h(u)| ².

Wie die vorstehend dargestellten Formeln 7) und 8) deutlich zeigen, hängt die von dem Kurvenschreibgerät 17 unter den vorstehend genannten Bedingungen aufgezeichnete Kurve 18 nicht nur von den lokalen Streu- und 'Reflexionseigenschaften der Oberfläche 7 ab, die durch die Funktion S(y) beschrieben werden, sondern auch von der Energieverteilung innerhalb des am Diffusor gestreuten, einfallenden kohärenten Lichtbündels, welches durch die Funktion F(y) beschrieben wird. Um nun aus den Resultaten für die Untersuchung der Beschaffenheit der Oberfläche 7

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nach dem erfindungsgemässen Verfahren den Einfluss von Aparategrössen, also der verschiedenen Parameter der in den Figuren 1 und 2 dargestellten Einrichtung, weitestgehend zu eliminieren, vergleicht man, nach einem Gedanken dieser Erfindung, "die von dem Kurvenschreibgerät 17 aufgezeichnete Kurve 18 der zu untersuchenden Oberfläche 7 mit einer Kurve 19, die durch die gleichen Massnahmen erhalten wird wie vorstehend beschrieben, wobei jedoch die zu.untersuchende Oberfläche 7 durch einen idealen Spiegel ersetzt wird. Die derart aufgezeichnete Kurve 19 ist in Fig. 4 gestrichelt dargestellt. Kurve 19 ist eine Gaus&Kurve, deren Halbwertsbreite S proportional zur mittleren Ausdehnung der "Speckle-Körner" des Lichtes ist. Die Formel für diese mittlere Ausdehnung ist oben als Formel 1) angegeben.

Die geeignete Auswertung der Kurven 18 und 19, die in der vorstehend genannten Weise aufgenommen worden sind, kann im Rahmen dieser Erfindung auf verschiedene Arten geschehen.

In allen Fällen ist es jedoch notwendig, zu diesem Zweck ein mathematisches Modell der beschädigten Oberfläche zu verwenden.■ Dieses mathematische Modell muss der Art der Beschädigung der zu untersuchenden Oberfläche angepasst werden, und auch an deren ursprünglichen Zustand. Nachfolgend wird als den Rahmen der Erfindung nicht beschränkendes Beispiel ein relativ einfaches mathematisches Modell beschrieben, welches aber in sehr weiten Grenzen angewandt werden kann. Dieses mathematische Modell soll

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als ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Verfahrens gelten.

Nach dem mathematischen Modell wird die beschädigte Oberfläche, die ursprünglich blank poliert gewesen sein soll, durch eine zufällige Verteilung von streuenden Elementen auf einerq ideal reflektierenden Untergrund dargestellt. Unter diesen Annahmen kann man schreiben:

9) S(y) = M(y) + D(y).

Dabei beschreibt M(y) die Verteilung ".der Elemente des Untergrundes, die ideal reflektierend geblieben sind, in der Richtung Oy, während D(y) die zufällige Verteilung in derselben Richtung der Streuelemente beschreibt, welche den Fehlern auf der zu untersuchenden Oberfläche entsprechen. Da zwischen den Funktionen F(y).M(y) und F(y).D(y) keine Korrelation besteht, ergibt sich, mit den Bezeichnungen nach der obigen Formel 7):

10) H(u) = H₁(U) + H₂(u), mit:

11) H₁(U) = F(y). <£>(y).M(y)*F(y). φ (y).M(y),

12) H₂(U) = F(y). φ (y).D(y)*F(y). φ (y).D(y).

φ (y) ist eine "Pupillen-Funktion", die einen konstanten, von Null verschiedenen Wert auf'den^Teil der Achse Oy hat, welcher von denxdurch den Diffusor gestreuten Licht beleuchtet wird,

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und den Wert Null ausserhalb dieses Teiles,

Aus den obigen Formeln 10) bis 12) ergibt sich, dass die Helligkeit E auf dem Radius Ou in der Brennebene der Linse 15 der Fig. 2 gleich der Summe der zwei Terme ist, deren erster, "H₁(U) I , sich gemäss der ausgezogenen Kurve 20 der Fig. k ändert, und deren zweiter Term |H₂(u)| , sich gemäss der ausgezogenen Kurve 21 der Fig. 5 ändert. So wie die Kurve 19, welche einem idealen Spiegel entspricht, ist auch die Kurve

II 2
H₁(U) i eine Gauss-Kurve, deren Halbwertsbreite G'jedoch grosser ist als diejenige, S, der genannten Kurve 19. Zwischen den genannten Grossen besteht die Beziehung:

13) &

[i/s²

In der Formel 13) bezeichnet OV, den mittleren Abstand der Streuelemente des betrachteten mathematischen Modells. Die Kurve 21 der Fig. 5 mit der Gleichung E = [Hp(u)[ hat einen allgemein fallenden Verlauf, weist jedoch eine bedeutende Absenkung mit einem Mini>mum nahe Null zwischen den AbszissenwerterT\ c*_D +C _M auf, wobei (J die mittlere Ausdehnung der Streuelemente des betrachteten mathematischen Modells bezeichnet.

Aus der Fig. 3, in welcher die Kurve 20 der Fig. 4 punktiert

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dargestellt ist, ist klar ersichtlich, dass die Kurve 18 der H(u)\ erhalten wird durch die Addition der Ordinatenwerte der Kurven 20 (Fig.¹!) und 21 (Fig.5). Nach^dem die Kurve, die von dem Kurvenschreibgerät 17 der Fig. 2 aufgezeichnet wird, einen ähnlichen Verlauf hat wie die Kurve 18 der Pig. 3» heisst das einerseits, dass die untersachte Oberfläche, für welche diese Kurve aufgezeichnet /worden ist, dem oben be-

^chriebenen mathematischen Modell entspricht, und man anderer-

seit von den charakteristischen Punkten der Kurve die statistischen Eigenschaften der untersuchten Kurve ableiten kann. In dem gewählten mathematischen Modell werden diese charakteristischen Punkte durch die Parameter <5r_D und SV, angegeben. Tatsächlich sieht man in Fig. 3» dass C>_D die Halbwertsbreite zu dem Hauptmaximum bei u = 0 der Kurve 18 ist, während die Summe (J*. + GLr. derÄBtszissenwerc dem relativen Maximum der Kurve 18 ist.

In der Praxis hat man nun aber oft festgestellt, dass die von de» Kurvenschreibgerät 17 aufgezeichnete Kurve oftmals eher den glatten Verlauf der Kurve 20 der Fig. 3 aufweist als den der Kurve 18, wenn die Korn-Struktur des ersten Lichtbündels der Pig. !,insbesondere die mittlere Ausdehnungξ(Formel 1) der Körner, nicht dem mittleren Abstand or_M der Streuelemente der zu untersuchenden Oberfläche angepasst ist, d.h. wenn das Verhältnis O /'ST'« irgend einen beliebigen Wert hat. Wenn aber

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die vom Kurvenschreibgerät 17 aufgezeichnete Kurve wie die Kurve 20 der Fig. 3, und nicht wie die Kurve 18 verläuft, so ist die oben beschriebene Methode der Bestimmung von G^ und (Γ., nicht verwendbar. Doch selbst wenn das Kurvenschreibgerät 17 eine Kurve wie die Kurve 18 der Fig. 3 aufzeichnet, ergibt das Hauptmaximum (also bei u = 0) dieser Kurve oftmals eine so kleine Halbwertsbreite, dass diese praktisch nicht verwendbar ist für die Ermittlung von G"^.

Nach einem besonderen Gedanken der Erfindung können diese Nachteile jedoch durch die Anwendung des folgenden Verfahrens vermieden werden:

Zunächst zeichnet man die Kurve 18 mit der zu untersuchenden Oberfläche auf. Wenn ihr Verlauf mehr dem der Kurve 20 der Figuren 3 und 4 gleicht, und die oben beschriebene Methode der Bestimmung von GT-. und ^„also nichtjangewendet werden kann, zeichnet man die Kurve daraufhin nochmal auf, wobei die zu untersuchende Oberfläche jedoch durch einen idealen Spiegel ersetzt wird. Es ergibt sich also die Kurve 19 der)· Fig. 4. Man bestimmt dann die Halbwertsbreiten C und S der beiden nunmehr vorliegenden Kurven, die also den Kurven 20 und 19 der Pig. Ί entsprechen. Dann errechnet man den Wert CT_M durch Anwendung der oben· angegebenen Formel 13):

H γ

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Durch Veränderung der Parameter L und d (Pig.l) passt man dann

die Kornstruktur des ersten kohärenten Lichtbündels derart an, dass das Verhältnis ο/ CT einen Wert von mindestens 1 und höchstens etwa 10 hat. Dadurch wird erreicht, dass jedes "Speckle-Lichtkorn" mit Sicherheit einige der Streuelemente der zu untersuchenden Fläche überdeckt. Mit der angepassten Lichtstruktur wird dann die Kurve 18 für die zu untersuchende Oberfläche nochmal aufgezeichnet. Diese Kurve weist nun einen Verlauf wie die Kurve 18 der Fig. 3 auf.und man kann aus dieser Kurve nun die Summe (Γ~ + GY. bestimmen, aus welcher man dann den Wert von (J_D gewinnt, selbst wenn die Halbwertsbreite des Hauptmaximums der genannten Kurve 18 zu klein ist, um eine direkte Bestimmung von G~_D zu gestatten.

Das Verfahren und die Einrichtung nach der Erfindung können noch in verschiedenen Ausführungsformen realisiert werden, von denen nachstehendnoch einige beschrieben werden sollen, ohne dass jedoch dadurch der Rahmen der Erfindung beschränkt würde.

In dem zweiten Dunkelraum kann z.B. der Laser 13 ersetzt werden durch eine nur teilweise kohärente, jedoch hoch monochromatische Lichtquelle.

Der Photodetektor 16 der Fig.2, mit einer quasi punktförmigen Detektionsfläche, kann durch eine Fernsehaufnahmeröhre ersetzt werd.en. z.B. durch ein Vidicon. Diese Röhre ist dann so angeordnet, dass ihre lichtempfindliche Oberfläche in der Brenn-

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ebene 15f der Linse 15 liegt, und sie sorgfältig auf die Achse der genannten Linse 15 zentriert ist. Diese Ausführ.ungsform ist besonders deswegen angenehm, weil sie eine radiale Abtastung in allen beliebigen Radialrichtungen, z.B. auch Ou in der Brennebene 15f zulässt, und die Richtung des abgetasteten Radius leicht geändert werden kann, sodass mit Hilfe des Kurvenschreibgerätes 17 eine ganze Serie von Kurven wie die Kurve 18 erhalten wird, die die gesamte Helligkeitsverteilung in der Brennebene 15f wiedergibt. Statt der vorteilhaften radialen Abtastung ist es jedoch auch möglich, in der beim Fernsehen üblichen Weise in übereinanderliegenden Zeilen abzutasten.

Weiter kann der Photodetektor in der Brennebene 15f, weise er nun eine quasi punktförmige Detektionsfläche auf oder sei er vom Typ Vidicon, noch an eine elektronische Rechenanlage angeschlossen sein, welche die statistischen Eigenschaften der zu · untersuchenden Oberfläche aus der aufgezeichneten Helligkeitsverteilung in der Brennebene 15f der Linse 15 ableitet.

Die Rechenanlage kann direkt an den Photodetektor angeschlossen sein, aber auch über ein· Kurvenschreibgerät und ein an.diesem angebrachtes Kurvenlesegerät.

Im Rahmen der Erfindung kann man weiterhin auch den Photodetekr tor ausserhalb der Brennebene 15f der Linse 15 der Fig. 2 anordnen. Man sieht dann ungeordnete optische Fasern vor, deren eine Enden dicht aneinandergereiht längs des Radius Ou der

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Brennebene 15f angeordnet sind. Die von den Faserenden gebildete Reihe wird dann mittels einer schmalen Oeffnung in einer beweglichen, sonst undurchsichtigen Blende abgetastet. Das diese Oeffnung durchtretende Licht wird dem Photodetektor dann über die anderen Enden der optischen Pasern zugeführt, welche so angeordnet sind, dass sie die empfindliche Fläche des Photodetektors bedecken.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   1.^Verfahren zur globalen Untersuchung von Oberflächenbeschaffenheiten, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:

   -" die zu untersuchende Oberfläche (7) wird mit einem ersten kohärenten, z.B. an einer Mattscheibe (6) gestreuten Lichtbündel (2,2a) beleuchtet, vorzugsweise unter etwa senkrechtem Einfall,

   - das an der zu untersuchenden Oberfläche (7) reflektierte und/oder gestreute Licht wird auf einer photographischen Platte (8) oder dgl. aufgezeichnet,

   - die derart belichtete Platte (8) oder dgl. wird entwickelt,

   - das dadurch erhaltene Negativ (8a) wird mit einem zweiten Lichtbündel (14) durchleuchtet, wobei dieses Lichtbündel (IM) parallel und wenigstens teilweise kohärent ist, derart, dass sich in der Brennebene (15f) einer Linse (15) das Raumfrequenzspektrum der photographischen Aufzeichnung ergibt ,

   - entlang mindestens einer Radialrichtung (Ou) wird in der genannten Brennebene (15f) die Helligkeitsverteilung (18) bestimmt, und schliesslich

   - werden die statistischen Eigenschaften der zu untersuchenden

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   Oberfläche (7) aus der genannten Helligkeitsverteilung ab-ϊ geleitet.

   2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die statistischen Eigenschaften der zu untersuchenden Oberfläche (7) von charakteristischen Punkten der Helligkeitsverteilung in der Brennebene (15f) der Linse (15)» d.h: also der Verteilung der Raumfrequenzen, abgeleitet werden.

   3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ausser der von der zu untersuchenden Oberfläche (7) verursachten Helligkeitsverteilung (18/20) in mindestens einer Radialrichtung (Ou) der Brennebene (15f) der Linse (15), in der bzw. den gleichen Radialrichtungen (Ou) der Brennebene (15f) der Linse (15) auch die von einem am Ort der zu untersuchenden Oberfläche (7) statt dieser angeordneten idealen Spiegel verursachte Helligkeitsverteilung (19) aufgenommen wird, dass sodann die Halbwertsbreiten (c; S) der beiden Helligkeitsverteilungskurven (20,19) bestimmt werden,dass sodann der mittlere Abstand CrV, der streuenden Elemente der zu untersuchenden Oberfläche (7) nach der Formel

   /er« =

   ^M n/

   bestimmt wird, dass sodann die Speckle-Struktur des z.B. an der Mattscheibe (6) gestreuten kohärenten Lichtes dem gefundenen

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   Wert von ^„ angepasst wird, dass sodann erneut die von der zu ■ untersuchenden Oberfläche (7) verursachte Helligkeitsverteilungskurve (18) aufgenommen wird, und dass endlich aus dieser Kurve (18) die mittlere Ausdehnung GT der streuenden Elemente der zu untersuchenden Oberfläche (7) bestimmt werden.

   4. Verfahren nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere Ausdehnung" G"_D aus dem Abszissenwert G^ + Gr^ des relativen Maximums der zuletzt aufgenommenen Helligkeitsverteilungskurve (18) bestimmt wird.

   5. Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass sie einen ersten Dunkelraum umfasst, welcher im wesentlichen aufweist:

   - Mittel (1) zur Erzeugung eines kohärenten Lichtbündels (2,2a)

   - Mittel zur Projektion diesesLichtbündels (2,2a) auf die zu untersuchende Oberfläche (7)» und zwar

   — einen steuerbaren Verschluss (3),

   -- ein Objektiv, vorzugsweise eine Mikroskop-Objektiv (4)_;

   — einen Diffusor, z.B. in Form einer Mattscheibe (6),

   — gegebenenfalls eine Blende,

   - und eine photographische Platte (8) oder dgl., die derart angeordnet ist, dass sie das von der zu untersuchenden Oberflä-

   i;.che (7) reflektierte Licht empfängt,

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   und dass die Einrichtung einen zweiten Dunkelraum umfasst, welcher Mittel (13) zur Erzeugung eines parallelen, mindestens teilweise kohärenten Lichtbündels (14) aufweist, welches zunächst die zum Negativ (8a) entwickelte photographische Platte oder dgl. und dann eine Linse (15) durchtritt, und in der Brenneben (15f) dieser Linse (15) ein Photodetektor (16) vorgesehen

   Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, dass sie auch Mittel umfasst, mittels welcher von dem an der zu untersuchenden Oberfläche (7) reflektierten Licht ein Bruchteil auf ein Photometer (11) ableitbar ist, und das Photometer (11) mit dem steuerbaren Verschluss (3) zu dessen Betätigung in bekannter Weise verbunden ist.

   7. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (16) eine nahezu punktförmige Detektionsfläche aufweist, und beweglich derart angeordnet- ist, dass damit die Brennebene (15f) der Linse (15),vorzugsweise in mindestens einer Radialrichtung (Ou), abtastbar ist.

   8. Einrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (16) eine Fernseh-Aufnahmeröhre ist, z.B. ein Vidicon, deren Ablenkorgane vorzugsweise von einem Radial-Abtastschaltkreis gesteuert werden.

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   9. Einrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Photodetektors (16) durch die Enden von aufeinanderfolgend in einer Radialrichtung (Ou) der Brennebene (15f) der Linse (15) angeordneten optischen Pasern gebildet wird, und die im übrigen ungeordnet verlaufenden optischen Pasern mit ihren anderen Enden die lichtempfindliche Fläche des Photodetektors (16) bedecken, und dass Mittel vorgesehen sind,um die durch die erstgenannten Faserenden gebildete Reihe mittels einer kleinen Oeffnung abzutasten.

   10. Einrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (16) an ein automatisches Kurvenschreibgerät (17) angeschlossen ist, dessen Vorschub von den Abtastbewegungen in der Brennebene (15f) der Linse (15) gesteuert wird.

   11. Einrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Photodetektor (16) mit einem Rechner zur Auswertung der Eigenschaften der in der Brennebene (15f) der Linse (15) aufgenommenen Helligkeitsverteilung verbunden ist, und zwar direkt oder über ein Kurvenschreibgerät (17) und ein Kurvenlesegerät.

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