DE2718040C3 - Vorrichtung zum Darstellen und schnellen meßbaren Erfassen von in einem Streckenintervall eines Körpers vorhandenen Unebenheiten sowie deren statistische Verteilung im Streckenintervall - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Darstellen und schnellen meßbaren Erfassen von in einem Streckenintervall eines Körpers vorhandenen Unebenheiten, sowie deren statistische Verteilung im StreckenintervalL mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Zur Bestimmung und zur meßbaren Erfassung von Unebenheiten sind eine Vielzahl von Verfahren und Vorrichtungen bekannt Diese Verfahren lassen sich in drei Kategorien einteilen, nämlich einem mittels eines Lasers duriAgeführten Laserinterferenzverfahren unter schrägem Lichteinfall, z. B. gemäß den DE-OS 25 33 906 und 21 39 836, sowie einem sog. Lichtschnittverfahren, bei dem man das mittels eines bandförmigen Lichtbandes erzeugte Bild des Substrates analog in der Bildebene eines Meßmikroskopes darstellt und letztlich ein Tastschnittverfahren, bei dem die Oberfläche des Körpers bzw. eines Substrates mittels eines mit einem Fühlorgan verbundenen Meßgerät abtastet. Alle Verfahren haben die Nachteile gemeinsam, daß sie wegen der schwierigen, zeitaufwendigen und zum Teil unsicheren Erfassung und/oder Auswertung der Meßdaten sich nicht für Serienmessungen eignen. Auch ist eine Automatisierung der Auswertung der erfaßten Meßdaten nur mit einem erheblichen Aufwand realisierbar.

Durch das DE-Gbm 18 81 773 ist eine Vorrichtung zur kontinuierlichen, automatischen Prüfung der Oberfläche von Werkstücken bekanntgeworden, bei der mit Hilfe eines rotierenden Spiegels ein von einer Lichtquelle erzeugter Lichtstrahl auf das Werkstück geworfen wird. Hierbei fällt der von der Oberfläche des Werkstückes gerichtet reflektierte Lichtstrahl auf einen parallel zumindest einen Teil der kreisförmigen Bewegungsbahn des Lichtstrahles auf dem Werkstück angeordneten Hohlspiegel, welcher den Lichtstrahl in einem Punkt auf die Mattscheibe vor einem Wandler wirft. Der hinter der Mattscheibe angeordnete Wandler dient zur Auswertung der Lichtintensität. Mit dieser bekannten Vorrichtung kann wohl die Oberflächenbeschaffenheit geprüft bzw. überprüft werden, nicht jedoch die Ebenheitsabweichungen von plattenförmigen Werkstücken.

Ebenheitsabweichungen an plattenförmigen Keramiksubstraten wirken sich nachteilig aus; sind die Keramiksubstrate uneben, so können bei der Herstellung von Schichtschaltungen unterschiedliche Leiterbahnbreiten entstehen, welche die elektrischen Werte der Schaltung erheblich beeinflussen. Die Größe und Form der Ebenheitsabweichung bei derartigen bis zu 100 χ 100 Millimeter betragenden und 0,5 Millimeter dicken plattenförmigen Keramiksubstraten ist einer zufälligen Streuung unterworfen; aus dem vorstehend genannten Grund müssen die Keramiksubstrate mit einer hohen Genauigkeit über ihre gesamte Fläche einer Prüfung unterzogen werden. Für die Ebenheitsabweichung bei derartigen plattenförmigen Keramiksubstraten ist im wesentlichen nur die Kenntnis der größten

vorhandenen Abweichung sowie unter Umständen die Kenntnis der statistischen Verteilung von Unebenheiten über die Räche des Keramiksubstrates erforderlich. Die Form und genaue Lage der Ebenheitsabweichung sind indessen — wenn überhaupt — van sekundärer Bedeutung.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art, insbesondere für Keramiksabstrate zu schaffen, wobei die Vorrichtung einfach zu handhaben und von eingewiesenem Personal leicht bedienbar sein solL Außerdem soll die Vorrichtung zur Automatisierung geeignet sein.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst

Die erfindungsgemäße Vorrichtung erlaubt es, die in einem Streckenintervall gelegenen Unebenheiten schnell darzustellen und auch meßbar zu erfassen, aber auch die statistische Verteilung dieser im Streckenintervall gelegenen Unebenheiten zu erkennen. Bedingt dadurch, daß man das mittels eines Bandstrahles erzeugte Streckenintervall telezentrisch in eine Zwischenbildebene projiziert und dieses Zwischenbild sehr schnell periodisch auslenkt, entsteht in der reellen Bildebene eine nicht unterschiedliche Helligkeit aufweisendes Streifenbild. Sind im Intervall viele annähernd gleich hohe Unebenheiten vorhanden, so wird die Helligkeit zwischen zwei Begrenzungslinien des Streifenbildes größer sein als wenn im Intervall nur eine relativ schmale, jedoch gleich hohe Unebenheit vorhanden ist. Das Abtastmaß zwischen der oberen und unteren Begrenzungslinie ist daher ein Maß für die im Intervall vorhandene maximale Unebenheit. Die Intensität des Lichtes zwischen zwei Begrenzungslinien ist indessen ein Maß für die statistische Verteilung, in dem die Auswertung unterliegenden Streckenintervall des Körpers.

Der im telezentrischen Strahlengang zwischen der Projektionsoptik und der Abbildungsoptik gelegene schwingende Spiegel arbeitet vorzugsweise mit einer Frequenz von SO Hz. Mittels des Spiegels wird das Bild somit lOOmal in einer Sekunde durch die Bildebene bewegt. Dies hat zur Folge, daß durch die Abbildungsoptik ein für das menschliche Auge erfaßbares Sireiienuiiu enisiehi. Dadurch wird es ermöglicht, die in einem vergleichsweise größeren Streckenintervall gelegenen Unebenheiten in einem kleineren Bildausschnitt darzustellen. Zum Ermitteln des größten Wertes der Unebenheit ist beim Ausmessen des Streifenmusters die durch die Geometrie der Optik sich ergebende Korrekturgröße zu berücksichtigen. Wünscht man noch eine Aussage darüber, in welcher Verteilungsdichte das Maximum der größten Unebenheit im Streckeilintervall vorhanden ist, so empfiehlt es sich, einen in Richtung des Helligkeitsgradienten verlaufenden Bildschnitt auf einen elektrooptischen Bildwandler, vorzugsweise auf eine Fotodiodenzeile, abzubilden. Mittels eines derartigen Bildwandlers sind auch die Größen der maximal auftretenden Unebenheiten registrierbar und hinsichtlich ihrer statistischen Verteilung im Streckenintervall, und zwar durch das Erfassen der Helligkeit, auswertbar.

Weitere Einzelheiten der Erfindung sind aus den Unteransprüchen ersichtlich. Es zeigt

F i g. 1 ein aus einer Glasscheibe aufliegendes Substrat,

F i g. 2 den Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Ermitteln und Erfassen der Unebenheiten des Substrates gemäß der Fig. 1,

F i g. 3 ein Schema zur fotoelektrischen Erfassung der

maximalen Unebenheit Λ'des Substrates gemäß der Fig. 1.

Fig.4 bzw. 5 die Darstellung einer Unebenheit im Blickfeld eines Auswertemikroskopes,

F i g. 6 den Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung.

Gemäß Fig. 1 wird zum Ermitteln der Unebenheit hier z. B. ein aus keramischem Material bestehendes rechteckförmiges Substrat 1 auf eine ebene Glasplatte 2 aufgelegt Ist das Substrat uneben, so bildet sich zwischen der Oberfläche 2' — auch Bezugsebene genannt — der Glasplatte 2 und der Auflagefläche 1' des Keramiksubstrates 1 ein Luftspalt 3. Zum Erfassen der Größe a des Luftspaltes wird ein Lichtstrahl 4' unter einem spitzen Winkel IV auf die Unterseite 5 der Glasplatte projiziert Durch diese Schrägprojektion erfolgen — wie dargestellt — verschiedene Brechungen des Lichtstrahles, wobei ein Anteil des Lichtstrahles — ebenfalls unter einem Winkel W — an der Substratauflagefläche 1' reflektiert Der Reflexstrahl L 4 tritt an der Fläche S der Glasplatte wiederum aus. Die Abstandsdifferenz A zwischen den Reflexstrahlen der Bezugsebene 2', hier L 3, und der Auflagefläche Γ, hier L 4, ist ein proportionales Maß zur Größe a des Luftspaltes 3. Die Oberflächen von Keramiksubstraten zeigen unter einem bestimmten Auffallwinkel des Lichtes eine gute Reflexion. Unabhängig von der Art des keramischen Materials liegt der günstigste Reflexionswinkel zwischen 70 und 85°, man projiziert daher den Lichtstrahl 4' vorzugsweise unter einem Winkel W von 75° gegen die Fläche Sder Glasplatte Z

F i g. 2 zeigt den Strahlengang der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Darstellung der größten Abweichung bei einem aus keramischem Material bestehenden, z. B. rechteckförmigen Keramiksubstrat 1, dessen Flächengröße etwa 100 χ 100 Millimeter beträgt. In Abweichung von F i g. 1 projiziert man hier einen bandförmigen Meßstrahl 4' mit einer Breite ß auf die Fläche S der Glasplatte 2, entsprechend wie in F i g. 1 dargestellt. Eine Lichtquelle 4 mit einem nachgeordneten Kondensorobjektiv 5 erzeugt den Lichtstrahl 4'. In der durch das Kondensorobjektiv erzeugten Brennebene y ist eine Spaltblende 6 gelegen. Um den unvermeidbaren Cffnüngsfehler der verwendeten Achromate zu korrigieren, ist die Spaltblende entsprechend dem öffnungsfehler gewölbt. Dies ist notwendig, da anderenfalls der bandförmige Meßstrahl 4' einen starken Randschärfenabfall aufweisen würde. Der Spalt wird mittels eines Achromaten 7 ins Unendliche abgebildet und durch einen weiteren Achromaten 10 auf die ebene Glasplatte 2, und zwar unter einem Einfallswinkel von 75° in die Zwischenbildebene y 1 reell abgebildet. Eine in der Brennebene liegende Blende 9 wirkt hier als Eintrittspupille; sie richtet die bildseitigen Hauptstrahlen parallel. Das an der Bezugsebene 2' (Fig. 2) der Planglasplatte 2 und an der Auflagefläche Γ des Keramiksubstrates 1 reflektierte Spaltblendenbild wird wiederum durch einen Achromaten 11 ins Unendliche abgebildet. In der optischen Achse O der Achromaten 10 und U ist ein Spiegel 12 zur Erzeugung eines telezentrischen Strahlengangs zwischen dem Achromaten 11 und einem Achromaten 13 angeordnet. Der Spiegel 12 schwingt in Richtung der Pfeile 12'. Seine Schwingungsfrequenz entspricht der Netzfrequenz; sie beträgt vorzugsweise 50 Hz. Vermittels dieses schnell schwingenden Spiegels wird bei jedem Hin- und Hergang das Bild des Streckenintervalls periodisch ausgelenkt und wiederum mittels des

Achromaten 13 in der Bildebene y 2 reell abgebildet. Bei einer Auslenkung des Spiegels erfolgt ein Durchgang des Schnittbildcs des Streckenintervalls B in der Ebene y2. Dieses Schnittbild wäre in einer Stellung des Spiegels 12 nur in einem Ausschnitt des Intervalls B im Okular 18 eines Mikroskops 14, 16 erkennbar. Durch den schnell schwingenden Spiegel 2 entsteht indessen ein Streifenbild. Im Strahlengang des Mikroskops ist ein Umlenkspiegel 15 angeordnet, der über ein Objektiv 17 die Bildebene y2 in eine Bildebene y3 abbildet. In der letztgenannten Bildebene ist ein fotoelektrischer Bildwandler 19 angeordnet. Wie ersichtlich, sind sowohl die Pupille S wie auch die Achromat« IG, üic Bildebene y i. der Achromat 11 und der Schwenkspiegel 12 im gleichen Brennweitenabstand F angeordnet. Die Gesamtoptik und somit der Strahlengang sind unveränderliche Größen. Zum Abtasten der gesamten Fläche Fdes Substrates 1 wird letzteres zunächst in Richtung der Koordinate X beidseitig der Bildebene y 1 verschoben. So erhält man die Schnittbilder in Richtung des Intervalls B an beliebigen Orten des Substrates. Darauf folgend wird das Substrat in Richtung Y verschoben, derart, daß nunmehr bei erneuter Verschiebung in Richtung des Pfeiles X die andere Flächenhälfte des Keramiksubstrates erfaßbar ist.

F i g. 3 zeigt einen elektrischen Bildwandler 19, der — wie in Fig.2 dargestellt — in der Bildebene ^3 angeordnet ist. Durch den in Richtung der Koordinate y schwingenden Spiegel 12 erhält man eine Abbildung, wie bei 20 dargestellt. Verschiebt man das Substrat, so erhält man andere Schnittbilder. Bei jeder Auslenkung des Spiegels 12 durchläuft das Bild 20 die Bildebene 21. Da der Abstand der Dioden bekannt ist, ist auch der summarische Abstand aller vom Licht beaufschlagten Dioden D erkannt: diese Größe ist ein proportionaler Faktor zum Luftspalt a gemäß F i g. 1.

In den Fig.4 und 5 ist ein beliebiges vom Spiegel 12 in der Bildebene y2 oder y$ erkennbares Schnittbild dargestellt. Das sich gemäß der F i g. 5 darstellende Schnittbild im Intervall B sei durch den Kurvengang 22 gegeben. Es sei bemerkt, daß dieser Kurvengang die Unebenheit eines beliebigen flächigen Objektes darstellt Würde man die Darstellung der F i g. 5 mit einer Geschwindigkeit von 50 Hz durch die Bildebene 21 bewegen, so ergäbe sich das in F i g. 4 dargestellte Bild über die Intensitätsverteilung der Reflexstrahlen im Intervall B. Die genaue Kontur des Schnittbildes ist somit nicht mehr erkennbar, hingegen zeichnet sich die größte Unebenheit 23 durch einen schmalen Streifen 23' im Okular ab. Die durch den Reflexionsstrahl L 3 (F i g. 1) von der Glaspiattenoberfiäche 2^: erzeugte Bezugskante 24 ist ebenfalls gut sichtbar. Die Höhen und Tiefen 25, 26... und deren statistische Verteilung im Intervall B zeichnen sich durch die unterschiedlichen Lichtintensitäten — wie in F i g. 5 durch die unterschiedliche Schraffnrdichte angezeigt — in der Bildebene bzw. auf der Diodenzeile 19 ab. Das an den einzelnen Dioden gemessene Spannungssignal ist somit auch ein Maß über die Verteilungsdichte der Unebenheiten im Intervall.

Der Aufbau der erfindung*gemäßen Vorrichtung zur Darstellung und Messung von Unebenheiten, z. B. von Keramiksubstraten, ist in Fig.6 dargestellt. Die zum Schutz der Optiken erforderlichen Schutzkappen sind hier abgenommen. Auf einer Basisplatte 27 sind bei 4 die in der Fig.2 dargestellten Elemente, nämlich die Lichtquelle, bestehend beispielsweise aus einer 6 Volt, 20 Watt Halogen-Glühlampe, sowie die Spaltblende mit Kondensorobjektiv angeordnet. Mittels der Spiegel 28 und 8 wird das Licht gegen die Unterseite der Glasplatte 2 projiziert, wobei der von der Auflagefläche des Keramiksubstrates 1 reflektierte Lichtstrahl mittels des Achromaten 11 auf einen Umlenkspiegel 29 projiziert wird. Der Umlenkspiegel lenkt das Lichtband auf den Schwingspiegel 12, der seinerseits über den Achromaten 13 und einem — hier nicht dargestellten Umlenkprisma — das Reflexionsbild reell über die Zwischenoptik 14,16 in der Bildebene des Okulars 18 abbildet. Die Glasplatte 2 ist mittels Justierelemente 31 auf einen mittels einer Handhabe 32 betätigbaren Kreuzschlitten 35 gelagert. Der Kreuzschlitten ist in den beiden ebenen Koordinatenrichtungen stellbar. In einem Gehäuse 34 befindet sich der Oszillatorantrieb für den Schwingspiegel 12. Mit Ausnahme der Lichtöffnungen für die Achromaten 10 und 11 ist die gesamte Optik mittels hier nicht dargestellter Schutzkappen abdeckbar. Im Rahmen der Erfindung besteht indessen auch die Möglichkeit, den Längsschlitten 30 oder den Querschlitten 30' in einer oder in beiden Bewegungsrichtungen mittels einer Mikrometerschraube zu stellen und einzurichten, derart, daß eine genaue Aussage über den jeweiligen Ort einer bestimmten gemessenen Ebenheitsabweichung möglich ist. Hierzu ist der Schwingspiegel 12 bei abgeschaltetem Oszillator mittels einer Handhabe 38 einstellbar. Das Substrat 1 ist hier auf der Glasplatte mittels Anschläge 36 fixiert gehalten. Zur Messung der Ebenheitsabweichung wird das Substrat mit der zu prüfenden Seite auf die Glasplatte gelegt und das Mikroskop 14, 15, 18 mittels des Handrades 37 auf das Lichtband scharf eingestellt Sodann wird die Substratoberfläche durch Bewegen des Kreuzschlittens in Längs- bzw. Querrichtung über die gesamte Oberfläche abgetastet und dabei die Stelle der größten Ebenheitsabweichung a bzw. der größten Lichtbandbreite Λ'(Fig. 5) im Okular gesucht. An dieser Stelle wird der Kreuzschlitten angehalten und das Maß Λ 'mittels des Okularmikrometers — hier nicht dargestellt — durch Antasten des Okularmikrometer-Fadenstriches ermittelt

Die erftndungsgemäBe Vorrichtung kann für anders geartete Prüfteile eine entsprechende Anwendung finden. Voraussetzung ist lediglich, daß die Oberfläche des Meßobjektes bei einem Einfallwinkel des Lichtes IV zwischen 70 und 85" noch eine hinreichende Reflexion aufweist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zum Darstellen und schnellen meßbaren Erfassen von in einem Streckenintervall eines Körpers vorhandenen Unebenheiten sowie deren statistische Verteilung im StreckenintervalL bestehend aus einer Beleuchtungsoptik mit nachgeordneter Schlitzblende, einer Projektionsoptik zum telezentrischen Projizieren eines von der Schlitzblende erzeugten Lichtbandes auf eine spiegelfähige Fläche des Meßobjektes. einer den Reflexstrahl reell auf eine Bildebene projezierende Optik, einer die Reflexstrahlen auf einen schwingenden Spiegel projizierenden Optik sowie einer im Strahlengang gelegenen, dem schwingenden Spiegel nachgeordneten und das von diesem periodisch ausgelenkte Zwischenbild reell in eine Bildebene abbildenden Optik, dadurch gekennzeichnet, daß eine ebene Glasplatte (2) als Auflagefläche (2') für das Meßobjekt (1) vorgesehen ist und die einen Achromat aufweisende Projektionsoptik (10) das Lichtband (4') gegen die von der Auflagefläche (2') abgekehrten Flächen (S,! der Glasplatte (2) unter einem Winkel (W) zwischen 70 und 85° zur Fläche r Glasplatte (2) richtet.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß eine ein Lichtband (4') erzeugende Spaltblende (6) in der Brennebene (y) eines Achromaten (5) angeordnet und sphärisch gekrümmt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet daß zur Erzeugung eines telezentrischen Strahlengangs ein vorzugsweise mit 50 Hz schwingender Spiegel (12) zwischen einem Achromaten (11) und einem Achromaten (13) angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet daß zwischen einem Achromaten (7) und einem Achromaten (10) eine einen telezentrischen Strahlengang erzeugende Pupillenblende (9) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweiten (F) zwischen der Pupillenblende (9) und der Projektionsoptik, nämlich dem Achromaten (10) sowie zwischen letzterem und der unter dem Meßobjekt (1) gelegenen Bildebene (yi), aber auch zwischen der letzteren und der Projektionsoptik, nämlich dem Achromaten (11) sowie dem Schwingspiegel (12) untereinander gleich sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwingspiegel (12) über den Achromaten (13) das Schnittbild der Zwischenbildebene (yi) eines Intervalls (B) auf eine weitere Zwischenbildebene (y2) reell abbildet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Meßobjekt (1) auf einer justierbaren Glasplatte (2) durch ihr Eigengewicht aufliegt und in Anschlägen (36) gehalten ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Projektionsoptik (5 bis 10) den Spalt der Spaltblende (6) durch die Glasplatte (2) und die Auflagefläche (V) des Meßobjektes (1) abbildet.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Lichtbandes (B) mindestens der halben Breite des Meßobjektes (1) entspricht.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 9, dadurch

gekennzeichnet daß ein Bildwandler (19) in der Bildebene (yi) des vom Schwingspiegel (12) periodisch ausgelenkten Schnittbildes gelegen ist

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet daß der Bildwandler (19) mit einem eine Anzeige aufweisenden Auswerterechner verbunden ist