DE2607850A1

DE2607850A1 - Geraet zum optischen messen des profiles einer oberflaeche

Info

Publication number: DE2607850A1
Application number: DE19762607850
Authority: DE
Inventors: Takeo Sawatari
Original assignee: Bendix Corp
Current assignee: Bendix Corp
Priority date: 1975-02-26
Filing date: 1976-02-26
Publication date: 1976-09-09
Also published as: JPS51109863A; GB1513611A; US4017188A; FR2302504A1; FR2302504B1

Description

Gerät zum optischen Messen des Profiles einer Oberfläche

'Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Messen des Profiles einer Oberfläche, insbesondere ein derartiges Gerät, das zur Messung der Rauhigkeit einer Oberfläche geeignet ist.

Es sind schon seit langem verschiedene optische Verfahren zum berührungsfreien Messen der Rauhigkeit einer Oberfläche bekannt, bei denen von der Lichtstreuung durch die Oberfläche Gebrauch gemacht ,wird und Interferometer, Laser u. dgl. Verwendung finden. Bei !vielen dieser Verfahren wird nur eine unzureichende Genauigkeit i ■ erhalten, die verwendeten Geräte haben einen viel zu komplizierten!

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j Aufbau oder man erhält nicht mit den gültigen Normen für die Rauhijj

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keit kompatible Ergebnisse, letzteres in dem Sinne, daß keine di- j

jrekte Anzeige des Oberflächenprofiles erhalten wird, wie dies für j die mechanischen Geräte typisch ist.

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Bei einem bekannten Verfahren wird auf der Oberfläche ein Lichtfleck erzeugt, und ein Bild des Lichtfleckes wird auf zwei auf Licht ansprechende Detektoren fokussiert, die zu beiden Seiten der Ebene des fokussierten Bildes angeordnet sind. Die von den Detektoren erzeugten Signale v/erden derart verarbeitet, daß ein Signal erhalten wird, das gleich dem Quotienten aus der Summe und der Differenz der beiden Signale ist und Höhenänderungen der Oberfläche entspricht. Wird dieses Verfahren verwendet, so erhält man jedoch große Fehler, die auf Verzerrungen des Bildes des Licht?-

fleckes zurückzuführen sind, v/elehe von mikroskopischen Verkippungen der Oberfläche herrühren.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher dieses Verfahren verbessert werden und ein Gerät geschaffen werden, bei dem das Ausmaß der Verzerrungen erheblich vermindert ist. '■

Ein erfindungsgemäßes Gerät weist auf: eine Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtfleckes auf der zu vermessenden Oberfläche, eine ι Objektivlinse zum Fokussieren eines Bildes des Lichtfleckes auf ! zwei auf Licht ansprechende Detektoren und einen mit einer öffnung !versehenen Schirm, der zwischen der Objektivlinse und einem der !Detektoren angeordnet ist. Vorzugsweise ist die in dem Schirm vorigesehene öffnung ein Schlitz, und der Schirm ist vor der Brennjebene der Objektivlinse angeordnet.

Das Gerät, bei dem die in dem Schirm ausgebildete Öffnung ein Schlitz ist, eignet sich besonders gut zu Messungen an Oberflächen

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[bei denen sich Erhebungen und Vertiefungen in einer einzigen Ri chjtung erstrecken. Durch die Verwendung des Schirmes wird die Verzerjrung des Bildes des Lichtfleckes vermieden und die Signale können !nach einem Verfahren verarbeitet werden, bei dem ein Signal erzeugt jwird, das dem Quotienten der von den beiden Detektoren bereitgeistellten Signale entspricht.

[Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles

;unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In

jdieser zeigen:

'Fig. 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsge-

; mäßen Gerätes zum optischen Messen des Profileg

einer Oberfläche;

iFig. 2 ein Blockschaltbild der dem in Fig. 1 zugeord-

j neten Schaltung zum Verarbeiten der Signale.

JDas erfindungsgemäße Gerät macht Gebrauch von einer bekannten Metholde zum optischen Messen von Abständen zwischen einer Bezugsebene

I ;

[und einer reflektierenden Ebene. Diese Methode ist als Simons Me- ί

i j

thode bekannt. j

! jBei dieser Methode wird das Bild eines beleuchteten Fleckes auf | der zu prüfenden Oberfläche durch eine Objektivlinse fokussiert, und im Strahlengang werden zwei auf Licht ansprechende Detektoren zu beiden Seiten der Ebene angeordnet, in der sich das fokussierte Bild befindet, wenn die Oberfläche sich in einem vorgegebenen

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bestimmten Abstand befindet, der als Bezugsgröße dient. Die auf Licht ansprechenden Detektoren erzeugen elektrische Signale, die dem auf sie auffallenden Lichtstrom entsprechen. Diese Signale ändern sich mit Änderungen des Abstandes der Oberfläche, da solche zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Fehlfokussierung führen, die erhalten wird, wenn die Lage der Oberfläche bezüglich der Vergleichslage dadurch geändert wird, daß die Oberfläche näher an die Vergleichslage heranbewegt oder weiter von dieser wegbewegt wird.Werden die von den Detektoren bereitgestellten Signale elektrisch derart verarbeitet, daß man ein Signal erhält, das gleich ;dem Quotienten aus der Summe und der Differenz dieser Signale ist so erhält man ein Signal, das der Änderung des Abstandes der Oberfläche vom Bezugspunkt entspricht und deshalb einen verhältnismäßig großen linearen dynamischen Bereich hat, weil sich der nichtlineare Charakter der beiden Signale gegenseitig aufhebt.

Wird dieses Verfahren bei Oberflächen mit verhältnismäßig großer Rauhigkeit, z.B. maschinell bearbeiteten metallischen Oberflächen : ^:verwendet, so führt die Verzerrung des Bildes des Lichtfleckes \

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infolge mikroskopischer Verkippung der Oberfläche zu einem großen ;

Fehler, da hierdurch die von den beiden auf Licht ansprechenden ■

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!Detektoren empfangene Lichtmenge in einer Weise geändert wird, J jbei der die Beziehung zwischen der Beleuchtungsstärke und dem Ab- !stand verfälscht wird.

Erfindungsgemäß wird die bekannte Anordnung derart abgeändert, daß dieser Fehler erheblich vermindert wird. Damit kann dieses

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Verfahren insbesondere auch auf das Messen des Profiles derartiger, <rauher Oberflächen übertragen werden, die eine charakteristische, in einer Richtung verlaufende Oberflächenstruktur aufweisen, d.h. auf solche Oberflächen, bei denen sich die Erhebungen und Vertiefungen längs einer einzigen Richtung erstrecken.

In Fig. 1 ist ein Gerät zum optischen Messen des Profiles einer Oberfläche insgesamt mit Io bezeichnet. Es weist eine Einrichtung zum Beleuchten eines Fleckes 12 einer zu untersuchenden Oberfläche 14 auf, zu der eine Mikroskopleuchte 16 mit einem Diffusor 18 und eine Kondensorlinse 2o gehören. Die letztere fokussiert den so erhaltenen Lichtstrahl auf die einen Durchmesser von o,25 mm (Io Mil) aufweisende öffnung einer Blende 22. Der Lichtstrahl läuft dann divergierend auf einen ersten Strahlteiler 24 zu, der den divergierenden Lichtstrahl zu einer Hikroskopobjektivlinse 26 hin reflektiert. Die letztere fokussiert den Lichtstrahl auf der Oberfläche 14.

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;Der Lichtstrahl wird von der Ober fische 14 wieder zur MikroskopobjeJp

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tivlinse 26 zurückgeworfen, die durch den ersten Strahlteiler 24 '

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und einen zweiten Strahlteiler 3o hindurch ein Bild des beleuchte-;

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:ten Fleckes auf einen großflächigen, auf Licht ansprechenden De- i

[tektor 34 wirft. Der großflächige, auf Licht ansprechende Detektor j34 erzeugt infolge seiner Auslegung und Anordnung elektrische Signale, die der gesamten Lichtmenge des auf ihn projizierten Bildes

des beleuchteten Fleckes 12 entspricht. Es muß eine verhältnismäßig stark vergrößernde Mikroskopobjektivlinse (z.B. 21fach und größer)

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verwendet werden, um die Versetzung des reflektierten Strahles aus der Pupillenebene der Mikroskopobjektivlinse 26 möglichst klein zu halten und damit wiederum die Verzerrung des Bildes des Lichtflekkes und die sich hieraus ergebenden Fehler möglichst klein zu halten.

Der zweite Strahlteiler 3o reflektiert einen Teil des reflektierten Lichtstrahles auf einen mit einem Schlitz zusammenarbeitenden, auf Licht ansprechenden Detektor 36, der vor der Brennebene 38 angeordnet ist und auf das Licht anspricht, das einen Spalt 4o (Abmessungen 5 mm χ o,15 mm) durchsetzt, und ein entsprechendes Signal erzeugt.

Durch die Verwendung des Spaltes 4o v/erden die Schwierigkeiten ausgeräumt, die auf die Versetzung des Lichtstrahles durch mikroskopische Oberflächen-verkippungen zurückzuführen sind, während immer noch ein Signal erzeugt wird, das Änderungen des Abstandes der Oberfläche bezüglich der Bezugslage entspricht. Dies gilt insbesondere bei Oberflächen mit solchen Strukturen, bei denen die Erhebungen und Vertiefungen in einer einzigen Richtung verlaufen. Die Oberfläche 14 muß dann auf das Gerät3o so ausgerichtet werden, daß sie in zu dieser Vorzugsrichtung senkrechter Richtung abge- !tastet wird.

[Aus Fig. 2 ist ersichtlich, daß die von den auf Licht ansprechende^ Detektoren berextgestellten Signale in anderer Weise zusammengefaßt werden als bei dem Simonschen Verfahren. Die Signale wurden in Vorverstärkern 4 2 und Verstärkern 44 verstärkt, und mit Hilfe

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einer analog arbeitenden Divisionsschaltung 46 wird aus den so erhaltenen Signalen ein Ausgangssignal erzeugt, das dem Verhältnis

iA/B entspricht, wobei A das von dem großflächigen Detektor 34 be-

ireitgestellte Signal und B das von dem durch den Spalt abgedeckten

j Detektor 36 bereitgestellte Signal ist.

Das Ausgangssignal wird mittels eines Schreibers 48 in Abhängigkeit von der Lage des Meßpunktes aufgezeichnet, wobei ein entsprechende^, der Stellung des Meßpunktes entsprechendes Signal von einer Abtastvorschubeinrichtung 5o bereitgestellt ist, die zur Bewegung der
Oberfläche 14 bezüglich des Gerätes Io dient.

Damit wird in ganz ähnlicher Weise wie bei den gängigen mechanisch I Abtastverfahren des Profils eine graphische Darstellung des Profil der Oberfläche erhalten.

Es sei darauf hingewiesen, daß der Spalt 4o und der hinter dem
Spalt angeordnete, auf Licht ansprechende Detektor 36 - wie in

Fig. 1 gezeigt - vor der Brennebene angeordnet sind, so daß Signale erzeugt werden, die ständig proportional zu Höhenänderungen j der Oberfläche sind. Die genaue Aufstellung des hinter dem Spalt j angeordneten, auf Licht ansprechenden Detektors 36 sollte ferner
so gewählt werden, daß der lineare dynamische Bereich der erzeugten Signale möglichst groß wird. Ist der Abstand der Brennebene
von der Mikroskopobjektivlinse 27 cm, so kann der Detektor 36
in einem Abstand von etwa 7 cm vor der Brennebene 38 angeordnet

werden.

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iBei dem erfindungsgemäßen Gerät ist zwar der dynamische Bereich !verglichen mit dem Simonschen Verfahren etwas vermindert,- die
großen Fehler werden jedoch klein gehalten , die sowohl auf die oben beschriebenen Verzerrungen als auch auf die bei den beiden kleinen öffnungen vorliegenden unterschiedlichen Vergrößerungen zurückzuführen sind. Der lineare dynamische Bereich ist den Änderungen der Oberflächenrauhigkeit angemessen, wenn der Prüfling
bezüglich des Gerätes Io in flacher Lage gehalten wird.

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Claims

Patentansprüche

1.) Gerät zum optischen Messen des Profiles einer Oberfläche mit einer Einrichtung zum Erzeugen eines Lichtfleckes auf der Oberfläche, mit einer Linsenanordnung zum Fokussieren eines Bildes des Lichtfleckes auf zwei auf Licht ansprechende Detektoren, mit einer Einrichtung zum Verarbeiten der von den Detektoren \ bereitgestellten Signale, die ein Signal erzeugt, das den Höhen-r

■ änderungen der Oberfläche entspricht und einen großen im wesentlichen linearen dynamischen Bereich hat, dadurch gekennzeichnet\ daß zwischen der Linsenanordnung (26) und einem der auf Licht an- [

ι sprechenden Detektoren (36) ein mit einer Öffnung (4o) versehener i Schirm angeordnet ist, so daß dieser Detektor (36) mit dem durch ^; die Öffnung des Schirmes hindurchgehenden Licht bestrahlt wird.■

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die in dem \

Schirm ausgebildete Öffnung ein Spalt (4o) ist. j

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der , Licht durch die Öffnung (4o) des Schirmes erhaltende lichtempfindliche Detektor vor der Brennebene (38) der Linsenanordnung angeordnet ist.

J4. Verfahren zum optischen Messen des Profiles einer Oberfläche, ί

unter Verwendung eines Gerätes nach einem der Ansprüche 1 bis 3

- Io -

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- Io -

dadurch gekennzeichnet, daß die von den lichtempfindichen Detektoren (34,36) bereitgestellten Signale derart verarbeitet werden, daß ein Signal erhalten wird, das dem Quotienten aus den beiden Signalen entspricht.

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