DE2850957A1 - Haertepruefgeraet - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Härteprüfgerät.

Die Vickers-Härteprüfung ist eine bekannte Prüfmethode zur Härtebestimmung. Bei dem üblichen Vickers-Früfverfahren wird eine Diamantpyramide mit einem halben Spitzenwinkel von 68 unter vorbestimmter Last in die
Oberfläche des Werkstoffs gedrückt, dessen Härte geprüft werden soll, und der entstandene Eindruck wird unter einem visuellen Mikroskop, das mit in der Bildebene des Objektivs liegenden beweglichen Meßblenden ausgerüstet ist, untersucht. Der Benutzer kann die Lage der Blenden mit Hilfe von Stellschrauben regulieren. Beim Gebrauch werden die Schrauben betätigt, bis die Kanten der Meßblenden mit diagonal
einander gegenüberliegenden Ecken des vergrößerten Bildes des Eindrucks zusammenfallen, wobei das Bild so ausgerichtet ist, daß eine Diagonale senkrecht auf den Kanten der Meßblende steht. Die Stellschrauben für die Meßblende sind

909*22/0770

ORIGINAL INSPECTED

- ν -■

mit einer mechanischen Zählvorrichtung verbunden, die die öffnungsweite der Neßblendenkanten anzeigt. Unter diesen Umständen ist die Offnungsweite der l^efeblendenkanten ein HaB für die Lange der Diagonale des Bildes, und diese Länge wird in der mechanischen Zählvorrichtung angezeigt.

Jer Heßvorgang wird dam: an der anderen Diagonalen des Bildes des Eindrucks wiederholt, und der Mittelwert der Diagonalenlänge wird aus der bekannten Vergrößerung des Mikroskops errechnet und in die Beziehung

■„„ 2F sind 68° π V = ö

eingeführt, worin HV die Vickershärte bedeutet,

P die von der Eindruckpyrarnide aufgebrachte Kraft (kg)

und d die mittlere Diagonalenlänge (mm) des

Eindrucks.

Dieses Verfahren ist weitverbreitet und liefert brauchbare Ergebnisse für eine große Zahl von Werkstoffen, ist aber zeitraubend und hängt hinsichtlich seiner Genauigkeit von der Fertigkeit des Untersuchers ab; bei Ermüdung können Fehler auftreten.

Gemäß der Erfindung ist ein Härteprüfgerät zum Abschätzen der als Ausgangsgröße für die Bestimmung eines Härtewertes dienenden Abmessungen eines Eindrucks vorgesehen, der unter Einhaltung bestimmter Bedingungen in der Oberfläche eines hinsichtlich seiner Härte zu untersuchenden Prüfkörpers erzeugt wird, ausgestattet mit einer Äbbildungsvorrichtung, die in einer Bildebene ein Bild des den Eindruck enthaltenden Oberflächenbereichs entwirft; das erfindungsgemäße Härteprüfgerät ist gekennzeichnet durch eine lichtempfindliche

0 9 8 2 2/0770 BAD ORIGINAL

Iachweiseinrichtung (1, 9; 18, 9} 100), die in der BiIdtsLt'-nti 'J-.a; 200; 20a; 51a; 54-a; 36a; 101a) angeordnet ist und elektrische Kachweissignale zu liefern vermag, die für die Helligkeitspegel innerhalb des Bildes des genannten ÜLerfiächenbereichs charakteristisch sind, sowie durch eine :;iskrimina torschal tun pt (10, 11; 10, 11, 28, 29, 30), die diese elektrischen I.achweissignale empfängt und elektrische I,acni<;eissi gnale, deren Pegel für die Helligkeit in einem Feldbereich innerhalt· des bildes (b; 20; 5oj 101) des Eindrucks charakteristisch ist, von Si mal en unterscheidet, deren legel für die Helligkeit in einem Rildbereich auiserhalb des RiLdes (6; 20; 5&; 101) des Eindrucks charakteristisch ist, wodurch die genannten Abmessungen bestimmbar sind.

Jie Ermüdbarkeit des Bedienungsmannes kann durch die ^rwendung den erfinciungsgemäßen Härteprüfgeräts vermindert, werden, und dadurch lassen sich Fehler vermeiden, die auf Ermüdung des Untersuchenden zurückzuführen sind; die Genauigkeit der !^v-essung wird dnnif verbessert.

^r'ei der. .msführungsbeispielen der Erfindung

werden in¹ Rahmen der lichtempfindlichen Kachweiseinrichtung optoelektronische Nittel eingesetzt, deren elektrische Kenngrüiicii von der auf ihnen herrschenden Beleuchtungsstärke abhängen, '/erartige Einrichtungen sind an sich bekannt und sind in einer '/ielzahl von Anwendungsfallen benutzt worden, wenn ihre beleuchtungsabhängigen Kenngrößen in Verbindung mit geeigneten elektronischen Schaltungen eingesetzt werden können, um elektrische Ausgangsgrößen für Feß- und Steuerzwecke zu erhalten. Zum Beispiel nimmt der elektrische Leitwert einer oiliziumphotodiode zu, wenn die auffallende Lichtenergie zunimmt, und beim Anlegen einer Batterie oder einer anderen Gleichspannung an die Siliziumphotodiode hängt der in der Photodiode fließende Strom von der auf die

BAD ORiQiNAL

90982 2/0770

Photodiode fallenden Lichtenergie ab. Diese Stromänderung läßt sich elektronisch verstärken und an einem geeigneten Meßgerät anzeip;en, so daß Lichtintensitäten "bin hinab zu sehr geringen Werten gemessen werden können.

Für die Messung niedriger Helligkeitspegel geeignete Photodioden lassen sich "bei dem erf indungsgemäisen Härteprüfgerät einsetzen, bei dem mindestens eine derartige, in der lichtempfindlichen Kachweiseinrichtung verwendete Photodiode mit ihrer lichtempfindlichen Fläche in der "Bildebene eines Mikroskopobjektivs angeordnet ist; das Mikroskop ist ein Teil der Abbildungsvorrichtung des Geräts. Das Bild des Eindrucks in der Oberfläche eines auf seine Härte zu untersuchenden Prüfkörpers erscheint normalerweise vergrößert. Die Photodiode(n), die in einer derartigen Ausführungsform der Erfindung angewandt wird (werden), hat (haben) eine Größe, die klein gegenüber der zu erwartenden Größe der zu untersuchenden vergrößerten Bilder von Eindrücken sind. Die Ausgangsgröße einer elektronischen Verstärkerschaltung für die Photodiode der lichtempfindlichen Nachweiseinrichtung bei einer Ausführungsform der Erfindung hängt von der Lage dieser Photodiode gegenüber dem Bilde eines gerade untersuchten beleuchteten Eindrucks ab. Wenn die Abbildungsmittel des Geräts so ausgebildet sind, daß ein Eindruk in der Normalenrichtung durch das Mikroskopobjektiv hindurch beleuchtet wird, erscheint das Bild des Eindrucks als dunkles Quadrat gegenüber einem helleren Hintergrund, und der Ausgang der Verstärkerschaltung hat einen niedrigen Wert, wenn die Photodiode sich innerhalb des Bildes des Eindrucks befindet, und einen hohen Wert, wenn sie außerhalb dieses Bildes steht.

Bei den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird ein Vielfacetten-Eindruck nicht in Normalenrichtung beleuchtet, sondern die Bilder des Eindrucks werden unter

90982 2/077 0

ORIGINAL

schräg einfallendem Licht erzeugt. Das heißt, die Eindrucke werden nicht aus der Kormalenrichtung sondern mit einem Licht beleuchtet, das in einem Winkel gegenüber der Kormalen einfällt, so daß bestimmte Facettenflächen des Eindrucks besonders hell erscheinen. Insbesondere wird der Eindruck irit mindestens einem Parallelstrahlen-Lichtbündel beleuchtet, das oder die auf entsprechende Facettenflächen des Eindrucks unter solchen Winkeln einfallen, daß der oder die Strahlenbündel von der zugeordneten Facettenfläche in die Kormalenrichtung spiegelnd reflektiert werden. Diese Beleuchtungsweise läßt helle hilder der Facetten des Eindrucks auf einem dunkleren Hintergrund entstehen; daraus können sich erhebliche Vorteile ergeben, wie weiter unten erläutert werden soll.

Zum besseren Verständnis der Erfindung und um ihre praktische Anwendung zu zeigen, werden nachstehend an Hand der Zeichnung mehrere Ausführungsformen beschrieben. Die Figuren stellen dar:

Fig. la eine schematische Ansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. Ib ein Wellenform-Diagramm|

Fig. Ic eine abgewandelte Ausführungsform des in Fip;. la gezeigten Aufbaus (schematisch); Fig. 2 ein Blockschaltbild;

Fig. 3a eine weitere Ausführungsform der Erfindung (schematisch);

Fig. 3b ein Wellenform-Diagramm5 Fig. 4a ein Blockschaltbild^ Fig. ^b ein Diagramm;

Fig. 5a, 5b» 5c Möglichkeiten für die Beleuchtung einer zu untersuchenden Fläche nach einer Ausführungsform der Erfindung (schematisch)5

909822/0770

Pig. 6a eine weitere Ausführungsform der Erfindung (schemati sch);

Fig. 6b ein Wellenform-DiagrammJ

Pig. 7 eine Schemadarstellung mit zahlreicheren Einzelheiten in einer teilweise im Schnitt gezeigten Seitenansicht einer Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8a, 8b, 8c Möglichkeiten für die Beleuchtung einer zu untersuchenden Fläche nach einer Ausführungsform der Erfindung (schematisch);

Fig. 9 Teile einer weiteren Ausführungsform der Erfindung (schematisch).

In einer schematisch in Fig. la dargestellten Ausführungsform der Erfindung wird eine lichtempfindliche Nachweiseinrichtung verwendet, die eine einzelne Photodiode 1 enthält, und es werden Abtastmittel eingesetzt, die eine relative Abtastbewegung der Photodiode 1 gegenüber dem Bild in einer Bildebene des zu dem Gerät gehörenden Mikroskops hervorrufen. Die Photodiode 1 wird mechanisch zu Schwingungen in der Bildebene des (nicht gezeichneten), zur Betrachtung eines in der zu untersuchenden Oberfläche erzeugten Eindrucks bestimmten Mikroskops angeregt; dazu wird in der Abtasteinrichtung beispielsweise eine schwingende Zunge 2 verwendet, die durch schematisch bei 2a angedeutete mechanische oder elektromagnetische Mittel, beispielsweise durch Zupfen, zum Schwingen gebracht wird, und die Schwingungsamplitude wird so groß gewählt, daß sie das größte zu erwartende Bild bedeckt» Die Abbildungseinrichtungen des Geräts sorgen für die Beleuchtung des Eindrucks und die Erzeugung eines Bildes des zu untersuchenden Oberflächenteils, in dem der Eindruck erzeugt wird, in der Bildebene. Im vorliegenden Falle dient als Abbildungsvorrichtung ein (nicht gezeichnetes) Mikroskop. Die Zunge 2 ist an einem verschiebbaren Zungenhalter 3 angebracht, und wenn die Zunge 2 und damit die Photodiode 1

909822/ö?7Ö

schwingen, wird der Zungenhalter 3 in Richtung des Pfeils ^ (quer zur Richtung der Schwingbewegung der Photodiode 1) "bewegt, wozu beispielsweise eine Spindel 5 verwendet wird, die von einem (nicht gezeichneben) Motor angetrieben wird, uie Schwingungsfrequenz der Zunge 2 und die Vorschubgeschwindigkeit des Zungenhalters 3 sind so aufeinander abgestimmt, daß der in Richtung des Pfeils 4 während einer Schwingungsperiode der Zunge 2 zurückgelegte Weg der verlangten Auflösung des Meßvorgangs entspricht. Die Photodiode tastet somit ein Bild 6 eines in der Bildebene 6a entworfenen Bildes eines Eindrucks auf einer Bahn ab, die durch die gestrichelte Linie 7 angedeutet ist. Der Ausgang einer mit der Photodiode 1 elektrisch verbundenen (nicht gezeichneten) Verstärkerschaltung liefert elektrische Nachweissignale, die je nach der Lage der Photodiode gegenüber dem Bilde 6 des Eindrucks variieren. Während einer typischen halben Schwingungsperiode 8 ändern sich die elektrischen Nachweissignale im allgemeinen gemäß dem in Pig. Ib dargestellten Verlauf. Nan sieht, daß die elektrischen Nachweissignale zwischen Pegelwerten schwanken, die anzeigen, daß die Photodiode sich innerhalb des Bildes 6 des Eindrucks oder außerhalb des Bildes 6 des Eindrucks befindet. Bei Schwingungsbewegungen der Photodiode 1, die das Bild des Eindrucks nicht überschneiden, tritt natürlich keine Änderung des Pegels des Nachweissignals aus der Verstärkerschaltung der Photodiode auf. Dieser Unterschied bildet den Ausgangspunkt der bei dieser Ausführungsform der Erfindung angewandten Nachweistechnik; die Differenz kann zur Beeinflussung einer geeigneten Meßvorrichtung verwendet werden, die mit dem Verschiebemechanismus des Geräts verbunden ist.

Das Blockschaltbild Fig. 2 ist ein Beispiel für die Möglichkeit einer Ausnützung der Änderungen der elektrischen Nachweissignale. Die Ausgangsgröße eines elektrischen Nachweissignals in einer Photodiodenverstärker-

909822/0770

schaltung 9 wird einer Diskriminatorschaltung zugeführt, die einen Komparator 10 aufweist, in dem sie mit einem vorgegebenen feststehenden elektrischen Schwellwertsignal verglichen wird, das aus einem BezugsStromkreis 11 kommt. Dieses feststehende elektrische Schwellwertsignal liegt mit seinem Betrage ungefähr in der Mitte zwischen dem oberen und dem unteren Pegel (vgl. Pig. Ib) des elektrischen Ausgangs der Photodiodenverstärkerschaltung 9, und der Ausgang des Komparators 10 liefert Diskriminatorsignale, bei denen es sich um positive oder negative elektrische Signale handelt, je nachdem, ob die Photodiode 1 (Fig. la) sich innerhalb oder außerhalb des Bildes des Eindrucks befindet (Fig. la). Zum Abschätzen der Abmessungen des Eindrucks werden die Diskriminatorsignale in eine Korrelationseinrichtung geführt, die einen Abtast- und Haltekreis 12 enthält, der nur auf positive Diskriminatorsignale (verhältnismäßig hoher Pegel) aus dem Komparator 10 anspricht und eine elektrische Ausgangsgröße liefert, die während eines Zeitintervalls, das einer Halbschwingung der Zunge 2 (Fig. la) entspricht, nach einem letzten positiven Diskriminatorsignal aus dem Komparator aufrechterhalten wird. Während die Photodiode 1 (Fig. la) über das Bild 6 des Eindrucks (Fig. la) hinweg schwingt, wird die elektrische Ausgangsgröße des Abtast- und Haltekreises 12 konstant und verhältnismäßig hoch gehalten, aber wenn der Vorschub in Richtung des Pfeils 4 (Fig. la) die Photodiode gerade über das Bild des Eindrucks hinaus bewegt, verschwindet die elektrische Ausgangsgröße des Abtast- und Haltekreises 12 innerhalb einer Halbschwingung der Zunge 2 (Fig. la). Diese elektrische Ausgangsgröße kann dann benutzt werden, um eine Torschaltung

13 zu erregen, die elektrische Meßsignale von einem Umformer

14 zu einem kompatiblen Meßkreis 15 nur 2uläßt, während der elektrische Ausgang des Abtast- und Haltekreises 12 konstant und verhältnismäßig hoch gehalten wird. Der Meßkreis 15 mißt somit nur die Signale von dem Umformer 14, während die Photodiode 1 (Fig. la) das Bild 6 des Eindrucks

909822/0770

(Pig. la) in jeder Halbperiode der Schwingung der Zunge 2 (Pig. la) überstreicht.

Bei dem Umformer I^ kann es sich um eine Vorrichtung handeln, die auf einem feststehenden Tragteil 1? angeordnet und mit der Vorschubspindel 5 (Pig. la) verbunden ist, um eine Folge von elektrischen Impulsen oder Meßsignalen zu erzeugen, die unmittelbar der Drehung dieser Spindel relativ zu dem feststehenden Tragteil 17 entsprechen. Eine derartige, üblicherweise als Analog/Digital-Umsetzer bezeichnete Vorrichtung kann über die Torschaltung 13 mit dem Meßkreis 15 verknüpft werden, bei dem es sich hier um einen elektrischen Zähler handeln kann, der die Impulse zählt, die von dem Analog/Digital-Umsetzer auf Grund der Drehung der Spindel 5 erzeugt werden. Wenn die Torschaltung nach Maßgabe des Photodiodenausgangs in der obenbeschriebenen Weise arbeitet, werden Impulse nur gezählt, wenn die schwingende Photodiode 1 über das vergrößerte Bild 6 des Eindrucks in der durch den Pfeil k angegebenen Richtung hinwegstreicht. Die Zahl der während einer derartigen Vorschubbewegung gezählten Impulse ist somit ein Maß für die Diagonalerstreckung 16 des Eindrucks. Die positiven und negativen Diskriminatorsignale werden somit in Beziehung zu entsprechenden Bildflächen innerhalb und außerhalb des Bildes 6 des Eindrucks gesetzt, um eine Abschätzung der Abmessungen des Eindrucks zu ermöglichen.

Der Umformer 14 kann auch als linear variabler Differentialumsetzer (LVDT) ausgebildet sein, der Teil eines Wechselstromkreises ist und unmittelbar mit dem Zungenhalter 3 und dem feststehenden Tragteil 17 verbunden ist. Die elektrische Ausgangsgröße des mit dem LVDT verknüpften WechselStromkreises kann direkt in Werten der Lage des Zungenhalters 3 in Richtung des Pfeils 4 relativ zu dem feststhenden Tragteil 17 geeicht werden, und der Meßkreis

909822/0770

kann so ausgebildet werden, daß er die Diagonalstrecke 16 als Differenz zwischen dem Anfangsstellungssignal, wenn die Photodiode 1 zum ersten Male eine Ecke des Bildes 6 des Eindrucks feststellt, und dem Endstellungssignal angibt, wenn die Photodiode 1 das Bild 6 des Eindrucks nicht mehr nachweist, nachdem sie die volle Strecke einer Diagonalen des Bildes 6 des Eindrucks in Richtung des Pfeils 4 durchlaufen hat.

Der Umformer 14 kann auch als optische, eine lineare Verschiebung bewirkende Vorrichtung mit Beugungsgittern zur Erzeugung von Moire-Fransen ausgebildet sein, wobei optoelektronische Mittel zum Nachweis der Verschiebung dieser Fransen vorgesehen sind. Eine mit dem Zungenhalter und dem feststehenden Tragteil 17 verbundene Vorrichtung erzeugt eine Folge von elektrischen Impulsen (Meßsignalen), die sich unmittelbar auf die Verschiebung des Zungenhalters 3 gegenüber dem feststehenden Tragteil 17 in Richtung des Pfeils 4 beziehen. Durch Verknüpfung des elektrischen Ausgangs eines Umformers dieser Art über die Torschaltung 13 mit dem Meßkreis 15, der als elektronischer Impulszähler ausgeführt sein kann, läßt sich die Diagonalstrecke 16 in Impulszahlen angeben, die während einer Bewegung in Richtung des Pfeils 4 in der gleichen Weise wie oben für den Analog/ Digitäl-Umsetzer beschrieben wurde, gezählt werden.

Die oben erwähnten Umformer sind an sich bekannt und werden hier nur beispielshalber erwähnt. Man kann auch andere Arten einer Verschiebungs- oder Wegmessung anwenden, sofern diese Verfahren mittelbar oder unmittelbar ein elektrisches Signal liefern, das zur Übertragung durch die Torschaltung 13 in den Meßkreis geeignet ist. Natürlich kann außerdem die Ausführung der Torschaltung 13 wie des Meßkreises 15 variiert werden, um sie der Form des elektrischen Signals anzupassen, das von einer beliebigen Art

909822/077G

von Verschiebungsumformern übertragen wird.

Die Vorrichtung nach Fig. la wird der Vollständigkeit halber beschrieben, es handelt sich aber dabei nicht um die für diese spezielle Anwendung bevorzugte Ausführungsform, denn, wie ohne weiteres erkennbar, muß eine geeignete Einrichtung vorgesehen werden, mit der die Zunge 2 in der richtigen Frequenz zum Schwingen gebracht wird, während die Photodiode 1 genau in der Bildebene gehalten wird. Zu diesem Zweck stehen zwar einige Methoden zur Verfügung, beispielsweise das Zupfen der Zunge 2 mit nachfolgendem Schwingen in der Eigenfrequenz der Zunge oder der Antrieb der Zunge 2 mit einer gewählten Frequenz mittels mechanischer oder elektromagnetischer Einrichtungen; es wird aber angesichts der vorhandenen unterschiedlichen Arten von Vielfachphotodiodenanordnung ein anderer Vorschlag gemacht. Mit diesen Vielfachanordnungen können zahlreiche Photodioden in der Bildebene des Mikroskops längs einer senkrecht zu der zu messenden Diagonalen verlaufenden Geraden angeordnet werden. Eine mögliche Abänderung des Geräts nach Fig« la mit einer einzelnen Photodiode soll jedoch erwähnt werden. Bei dieser Abwandlung wird eine einzelne Photodiode auf einer starren verschiebbaren Halterung statt auf der schwingenden Zunge 2 angebracht, und eine optomechanische Einrichtung läßt das Bild des Eindrucks über die Photodiode in einer senkrecht zu der von dem Pfeil k- in Fig. la angezeichneten Vorschubrichtung schwingen. Zu diesem Zweck kann ein Schwingspiegel verwendet werden, sof ern seine Bewegung gut definiert ist, wie es bei Spiegelgalvanometern der Fall ist, die üblicherweise in UV-Registriergeräten verwendet werden.

Fig. Ic stellt eine derartige Anordnung schematisch als Abwandlung des Ein-Photodiodengeräts nach Fig. la

909822/0770

dar. Nach Fig. Ic ist eine einzelne Photodiode 201 an dem einen Ende eines starren Bauteils 202 angeordnet, dessen anderes Ende an einer Halterung 203 angebracht ist, die in Hichtung des Pfeils 20^ mittels einer Gewindespindel 205 verschoben werden kann, die von einem (nicht gezeichneten) Motor angetrieben wird. Die Spindel 205 ist auf einem feststehenden Tragteil 217 angebracht.

Die Photodiode 201 bewegt sich in einer Bildebene des Geräts, die in der Figur schematisch mit 200a bezeichnet ist und ein Bild 200 eines Eindrucks enthält.

Das Bild wird in der Bildebene beispielsweise durch die in der Fig. mit 195 bis 199 bezeichneten Elemente hin und her bewegt.

Ein Teil der Oberfläche eines Probekörpers 199, in den ein zu untersuchender Eindruck gedrückt ist, wird mittels eines Mikroskopobjektivs 198, eines Prismas 197 und eines Spiegels 196 in die Bildebene 200a abgebildet. Der Spiegel 196 wird schwingend hin und her bewegt, wozu eine Antriebseinrichtung 195 vorgesehen ist. Auf diese Weise entsteht ein schwingendes Bild in der Bildebene 200a.

Eine Anordnung mit einer lichtempfindlichen Nachweiseinrichtung aus einer Vielfach-Photodiodenanordnung ist in Fig. 3a wiedergegeben, nach welcher eine lineare (eindimensionale) Anordnung 18 auf einem die Anordnung tragenden Schlitten 19 in der Weise angebracht ist, daß die Photodioden der Anordnung in der Ebene eines vergrößerten Bildes 20 eines Eindrucks liegen. Die lineare Anordnung 18 ist so ausgeführt, daß ihre Längserstreckung mit den Abmessungen des Bildes 20 des größten zu erwartenden Eindrucks vergleichbar ist, und der Abstand zwischen benach-

909822/0770

285095?

harten Photodioden der Anordnung ist praktisch konstant und mit der Auflösung vergleichbar, die für die Messung der üiagonalstrecke des Bildes 20 verlangt wird.

Eine derartige Anordnung 18 kannteispielsweise 250 Photodioden umfassen, die auf einer Geraden im Abstand von 0,025 mrn (0,001 inch) angeordnet sind; es sind aber auch andere Anordnungsarten bekannt, die bis zu 102^ Photodioden im Abstand von 0,0125 mm (0,0005 inch) aufweisen. Derartige Anordnungen bestehen im allgemeinen aus einem einzelnen Siliziumchip, auf dem photomechanisch eine Reihe von Photodioden erzeugt wurde, und nach dem gleichen Prinzip kann auf dem gleichen Chip eine Schaltung hergestellt werden. Eine derartige Anordnung, beispielsweise die Anordnung 256Ι-Ί von Integrated Photomatrix Ltd., umfaßt eine Abtastschaltung, mit der der Beleuchtungsaustand jeder Photodiode der Reihe nach Maßgabe einer Folge von elektronischen Ädreiäimpulsen (Adreßsignalen) abgefragt werden kann, die in einer vor- der Anordnung getrennten und mit ihr durch Leiterdrähte verbundenen Schaltung erzeugt werden. Den Pegel der Beleuchtung, die eine vorgegebene Photodiode empfängt, führt zu einem entsprechenden Betrag des elektrischen Leitwerts an der Photodiode und zu einem Verlust elektrischer Ladung aus einer mit der Photodiode verbundenen und auf dem gleichen Siliziumchip angebrachten Schaltung. V.'enn eine Photodiode von den aus der getrennt angebrachten Schaltung herrührenden elektronischen Impulsen angesteuert wird, führt das Abfließen elektrischer Ladung durch die beleuchtete Photodiode zu einem abnehmenden Spannungspegel an der Photodiode und zu einer stärkeren Zuführung elektrischer Ladung, um die Spannung auf einer vorbestimmten Höhe zu halten. Einer dieser Parameter kann überwacht werden, um den Pegel der Beleuchtung abzuschätzen, der an der speziellen Photodiode herrscht, und die Anordnung liefert dann eine entsprechende kurzdauernde Signalausgabe,

909822/0770

Dieser Vorgang läuft nacheinander für alle Photodioden der Anordnung der Reihe nach ab, und die Ausgabegrö.Ce besteht somit aus einer Aufeinanderfolge von kurzen Impulsen, die für den Beleuchtungspegel charakteristisch sind, der an jeder einzelnen uiode der Anordnung¹ besteht. Die für die Abtastung der anordnung in dieser Form erforderliche Zeit läßt sich ändern, indem die Frequenz der in der getrennten Schaltung erzeugten Adretöimpulse geändert wird, sie kann beispielsweise 10 ms betragen. Die Abtastschaltung für die Anordnung 18 ist bei HBa in Fig. 3a schematisch angedeutet.

Der serielle bignalausgang während einer einzelnen Abtastung der Anordnung 18 stellt ein gestückeltes Änalogon zu dem kontinuierlichen Signal dar, das von der einzelnen Photodiode 1 nach Fig. la während einer einzelnen Halbschwingung der Zunge 2 ausgeht, und wenn die Ausgangsgröße der Anordnung 18 mit den üblichen elektronischen Mitteln verstärkt wird, haben die entstehenden elektrischen Nachweissignale am Verstärkerausgang die in Fig. yc angedeutete Form. Diese elektrischen Nachweissignale können in Diskriminatorschaltungen und Korrelationseinrichtungen in der im Zusammenhang mit Fig. 2 bereits erörterten Weise benutzt werden, abgesehen davon, daß der Verstärker 9 nun mit dem Ausgangssignal der Anordnung 18 verträglich sein muß und der Abtast- und Halte-Kreis 12 der Korrelationsanordnung jetzt jedes positive Signal aus dem Komparator 10 während der Dauer einer Abtastung aller Photodioden in der Anordnung aufrechterhalten muß. Die Torschaltung I3 kann dann,wie bereits erwähnt, benutzt werden, um Meßsignale von dem Umformer I^ in die Meßschaltung 15 zu überführen.

In dem Gerät nach Fig. 3a bildet der Schlitten einen Teil der Abtasteinrichtung des Geräts, und die geradlinige Verschiebung des Schlittens 19 längs der feststehenden

909822/0770

B'ührungen 21 laut die Photodiodenanordnung 18 in Richtung des Pfeils 22 über das in der Bildebene 20a entworfene vergrößerte HiId 20 des Eindrucks wandern. Die Bewegung kann mit Hilfe einer Gewindespindel 23 erfolgen, die in einer feststehenden Halterung 2Ά- angeordnet ist und mit einer Gewindebohrung 25 in dem Schlitten 19 zusammenwirkt. Die (Gewindespindel 23 kann von einem (nicht gezeichneten) Motor oder einer anderen geeigneten Einrichtung angetrieben werden, so daß der Schlitten 19 und die Anordnung 18 in Richtung des Pfeils 22 mit einer Geschwindigkeit in Bewegung gesetzt werden, die von der verlangten Meßauflösung beim Nachweis der gegenüberstehenden Ecken 26, 27 des Bildes des Eindrucks und der Geschwindigkeit der elektronischen Abtastung der Photodioden in der Anordnung 18 abhängt. Wenn beispielsweise eine Messungsauflösung von 0,025 nun (Oj 001 inch) verlangt wird, muß die Anordnung 18 in Richtung des Pfeils 22 um 0,025 mm (0,001 inch) in dem Zeitabschnitt vorgeschoben werden, der für eine vollständige elektronische Abtastung aller Photodioden in der Anordnung 18 erforderlich ist. Wenn dieser Zeitabschnitt 10 ms beträgt, muß der Schlitten 19 mit der Anordnung 18 gegenüber dem Bilde 20 des Eiindrucks in Richtung des Pfeils 22 um 2,5 mm/s (0,1 inch/sec) bewegt werden, und die Drehzahl und die Steigung der Gewindespindel 23 sind entsprechend zu wählen. Sofern diese Kriterien erfüllt sind, können auch andere Einrichtungen für den Vorschub des Schlittens 19 und der Anordnung 18 verwendet werden.

Die Messung des Vorschubs kann mit allen den Mitteln vorgenommen werden, die im Zusammenhang mit der Pig. 2 angegeben worden sind. In Verbindung mit dem Gerät nach Fig. 3a könnte ein (nicht gezeichneter) geeigneter Umformer eingeschaltet werden, der elektrische Meßsignale liefert, die der Verschiebung oder der Lage des Schlittens in Richtung des Pfeils 22 gegenüber dem feststehenden Tragteil 24- entsprechen. Stattdessen kann auch ein Umformer

90 9 822/0770

285095?

verwendet werden, der elektrische Meßsignale liefert, die von der Drehung der Gewindespindel 23 relativ zu dem feststehenden Tragteil 24- abhängig sind. Beim Betriet des Geräts würde der Umformer 14 (Fig. 2) elektrische Meissignale liefern, die in definierter Beziehung zu dem linearen Vorschub der Anordnung 18 stehen. Zu Beginn ihrer Bewegung steht die Anordnung in der Lage 18a (gestrichelt gezeichnet) mit keinem Abschnitt des Bildes 20 des Eindrucks in Koinzidenz, und das serielle Ausgangssignal der Anordnung wäre praktisch konstant und läge oberhalb des Bezugsschwellenpegels, der in der Bezugsschaltung 11 nach Fig. 2 eingestellt ist. Unter diesen Umständen wurden keine Signale aus dem Umformer 14 in die Keßschaltung 15 nach Fig. 2 gelangen. Während der Vorschubbewegung in Richtung des Pfeils 22 trifft die Anordnung 18 aber auf die Ecke 26 des Bildes, und mindestens eine Photodiode wurde weniger hell beleuchtet werden als die übrigen, und das Ausgangssignal bzw. die Ausgangssignale dieser Photodiode(n) würden infolgedessen unter den allgemeinen Pegel fallen sowie unter den in der Bezugsschaltung 11 nach Fig. 2 eingestellten Bezugspegel. Unter diesen Umständen würden Meßsignale aus dem Umformer 14 in die Meßschaltung 15 nach Fig. 2 aufgenommen werden, und die Funktion des Abtast- und Haltekreises 12 würde bewirken, daß diese Signale weiterhin während des Zeitraums einer vollständigen elektronischen Abtastung der Photodioden in der Anordnung"18 angenommen würden, nachdem das letzte der Ausgangssignale unter dem allgemeinen Pegel an dem Komparator 10 empfangen wurde (d.h. nach dem letzten positiven oder relativ hohen Diskriminator signal ), während welcher Zeit in Richtung auf die Mitte der Anordnung; gelegene Photodioden wiederum unter dem Bezugspegel liegende Signale abgeben würden, wodurch bewirkt würde, daß Messungssignale aus dem Umformer 14 weiterhin in die Meßschaltung 15 nach Fig. 2 einliefen. Dieser Vorgang würde sich wiederholen, da die Anordnungselemente in zyk-

909822/0770

-Zk-

2860957

lischer Wiederholung abgetastet, würden und weiterhin ständig limformersignale in die Meidschaltung nach Fig. 2 eingingen, bis die Anordnung 18 das Bild 20 in Richtung des Pfeils 22 vollständig überstrichen hätte. Während einer vollständigen Bewegung der Anordnung von der Position 18a bis zur Position 18b würden somit Umformersignale in die 1''6Uschaltung entsprechend der Länge der Diagonalen des bildes 20 des Eindrucks aufgenommen werden.

Bei einer abgeänderten Ausführungsform, bei der kein Umformer 14 verwendet wird, werden Impulse, die zum Adressieren einer Photodiode der Anordnung benutzt werden, anstelle der von dem Umformer ausgehenden Signale als Meßsignale in die Pie is se haltung 15 eingeführt. Beispielsweise können Impulse, die zum Adressieren der ersten Photodiode der Anordnung verwendet werden, in entsprechenden Abtastungen der Anordnung eingesetzt werden.

Es ist ohne weiteres einzusehen, daß die in der Bezugsschaltung 11 nach Fig. 2 erzeugte Schwe11wertspannung zwischen den Spannungen liegen nuß, die sich aus der Verstärkung von Anordnungssignalen ergeben, die Photodioden entsprechen, die hohen und niedrigen Beleuchtungspegeln in der Bildebene ausgesetzt sind, wobei die hohen Pegel die Beleuchtung der den Eindruck umgebenden Oberfläche des Härteprüfkörpers wiedergeben, und die niedrigen Pegel dem Eindruck selbst zuzuordnen sind. Im Prinzip wäre es erwünscht, die in der Bezugsschaltung 11 nach Fig= 2 erzeugte Bezugsspannung so nahe wie möglich der höheren Spannung einzustellen, die der Beleuchtung der den Eindruck umgebenden Oberfläche des Härteprüfkörpers entspricht, um Meßsignale aus dem Umformer Ik der Meßschaltung 15 so schnell wie möglich zuzuführen, nachdem irgendeine Photodiode in der Anordnung nach Fig. 3 einen niedrigeren Beleuchtungspegel nach dem Eintritt in das Bild des Eindrucks empfangen hat. Auf diese

909822/077Ö

Weise würde die Nachweisempfindlichkeit in dem Bilde erhöht werden, wodurch die Genauigkeit der Messung der Diagonalstrecke verbessert werden würde. Es ergeben sich jedoch Schwierigkeiten, wenn die Bezugssehaltung 11 aus Pig. 2 auf diese V/eise benutzt würde, weil die höhere Spannung, die sich aus der Beleuchtung der den Eindruck umgebenden Prüfkörperoberfläche ergibt, nicht festliegt sondern in Undefinierter Weise von Prüfkörper zu Prüfkörper wechselt. Bei festliegender Bezugsspannung würde sich dann die Empfindlichkeit des Bildnachweises von einem Prüfkörper zum anderen ändern, und die Meßgenauigkeit würde daher wechseln.

Eine Meßtechnik, bei der diese Schwierigkeit ausgeschaltet werden könnte, arbeitet mit einer Meßschaltung gemäß Pig. ^a. Das von der Photodiodenanordnung einlaufende Signal wird in der Eingangsverstärkerschaltung 9 verstärkt, und die sich ergebenden elektrischen Nachweissignale werden der Diskriminatorschaltung zugeleitet, die aus einer Komparatorschaltung 10 und einer parallel liegenden Torschaltung besteht. Diese Torschaltung wird eingeschaltet beim Fehlen eines positiven Diskriminatorsignals aus dem Ausgang der Komparatorschaltung 10 und läßt dann elektrische Kachweissignale aus der Verstärkerschaltung 9 in einen Mittelwertbildungskreis 29 eintreten. Der Spannungsmittelwertausgang aus dem Kreise 29 wird einem Summierverstärker 30 zugeleitet, in dem er zu der Bezugsspannung aus der Bezugsschaltung 11 addiert wird, und die Summe dieser beiden Spannungen wird der Komparatorschaltung 10 als Schwellwertspannung zugeführt. Die Komparatorschaltung 10 empfängt also ein gleichförmiges elektrisches Signal, das dem mittleren Photodiodenausgang entspricht, der von der Allgemeinbeleuchtung der Oberfläche des gerade untersuchten speziellen Probekörpers und der Bezugsspannung von der Bezugsschaltung

909822/0770

11 herrührt, wobei diese letztere Spannung innerhalb enger Grenzen und entgegengesetzt dem Ausgang des Mittelwertkreises 29 eingestellt werden kann. Das ist in der Kurvenzeichnung I¹Ig. 4-b dargestellt, in der Spannungspegel, die den Ausgangsgrößen von Mittelwertkreis 29 bzw. Bezugsschaltung 11 bzw. Summierverstärker 30 entsprechen, als Linien 3I bzw» 32 wiedergegeben sina. In Punktion der Schaltung ergibt sich, während aufeinanderfolgende Signale von Ihotodioden in der Anordnung, verstärkt durch den Eingangsverstärker 9, den Spannungspegel 33 überschreiten, eine negative Ausgangsgröße an dem Komparator 10, und die Torschaltung 28 läßt Eingangssignale in den Mittelwertbildungskreis 2y eintreten, wodurch ein aktueller Wert des Signals 31 aufrechterhalten wird, der der Allgemeinbeleuchtung der Prüfkörperoberfläche entspricht. Wenn eine beliebige Photodiode in der Anordnung einem niedrigeren Beleuchtungspegel ausgesetzt ist, fällt die Ausgangsgröße des Verstärkers 9 unter den durch die Linie 33 angezeigten Pegel, und in dem Komparator 10 wird ein positives Ausgangssignal erzeugt. Durch dieses Ausgangssignal wird die Torschaltung 28 veranlaßt, das Einlaufen von Photodiodensignalen in den Mittelwertbildungskreis 29 zu unterbinden, wodurch das Absinken des Allgemeinbeleuchtungs-Signals 31 verhindert wird; dieses Signal wird beim Ausbleiben von EingangsSignalen für den Mittelwertbildungskreis 29 praktisch konstant gehalten. Das positive Ausgangssignal des Komparators erregt auch den Abtast- und Haltekreis 12 und von dort aus die Torschaltung 13, so daß Signale aus dem Umformer 14- in die Meßschaltung 15 gelangen, wie oben beschrieben.

In der vorstehenden Beschreibung wird zwar von positiven und negativen Spannungspegeln für spezielle Signale gesprochen, jedoch können die Polaritäten geändert werden, um eine Anpassung an bestimmte Erfordernisse der

909822/0770

elektronischen Schaltung zu erreichen, vorausgesetzt daß
die Betriebsweise dadurch nicht verändert wird. Beispielsweise können die beiden Eingänge zu dem Sumrniervorstärker 30 über einen invertierenden und einen nicht-invertierenden Anschluß erfolgen; in diesem Falle können die Signale aus dem hittelwertbildungskreis 29 und der Bezugssehaltung 11 dfe gleiche Polarität haben und brauchen nicht, wie bisher beschrieben, entgegengesetzte Polarität zu haben.

Ein weiterer wesentlicher Gesichtspunkt für den Gebrauch der beschriebenen Anordnungen zum Messen der
Diagonalstrecke eines pyramidenartigen Eindrucks ist die
Zurückweisung aller Oberflächenmerkmale, die nicht den in Frage stehenden Eindruck darstellen. Das braucht mit den
bisher beschriebenen Systemen nicht immer ohne weiteres
möglich zu sein, weil diese Systeme so ausgebildet sind, daß Kontraste in dem vergrößerten Bilde der Prüfkörperoberfläche nachgewiesen werden, und bei der Beleuchtungsmethode, die normalerweise für Kessungen der Vickershärte angewandt werden, können Schleifspuren und poröse Stellen oder sonstige Oberflächenerscheinungen Kontrastbereiche
in dem Bilde entstehen lassen, die vergleichbar denen sind, die von dem Eindruck der Prüfpyramide selbst herrühren.

Bei Verfahren, die diese Schwierigkeit beheben
sollen, wird versucht, Eigenschaften des Eindrucks zu ermitteln, die bei anderen Oberflächenmerkmalen, die im
Gesichtsfeld des Mikroskops auftreten können, nicht ausgeprägt sind. Die offensichtliche Besonderheit des Härteeindrucks ist dessen geometrische Form, die von dem
Eindrücken einer Pyramide mit quadratischer Grundfläche
und einem halben Spitzenwinkel von 68° Größe in die Prüfkörperoberfläche verursacht wird, und es ist möglich, die Diskriminatorschaltung, die Korrelationseinrichtung und die

?8S0957

Lei;-schaltungen, wie sie oben beschrieben worden sind, so aufzuführen, daIa Messungen zurückgewiesen werden, die dem erwarteten geometrischen Γ-'uster nicht entsprechen. BeispielEwe j r-e können bei der Anordnung nach Fig. '}& die i^requeni-. der ^:>iodenabtastung in der Anordnung I^ und die /orschubreschwindigkeit in Richtung des Ffeils 22 so gewählt werde··, dal·-; bei jeder abtastung der Anordnung 18 eine ganzzanlif-'.fc Anzahl, beispielsweise zwei Photodioden mehr in der Ia.fe sind das "UId 20 des Eindrucks nachzuweisen als bei jeder vorhergehenden Abtastung; nach dem Fassieren der i.ittellinie 34 des Bildes 20 ist die Situation umgekehrt und zwei i-hotod leder; woniger sind in der Lage, das Bild nachzuweisen als in jeder vorausgegangenen abtastung. Dieses /erhalten la ist sich durch Einschalten eines (nicht gezeichneten) >/orwärts-/RückwärtsZählers erreichen, der beim Vorliegen eines positiven Signals aus dem Komparator 10 die Photodiodenadreisimpulse zählen würde, die von der (nicht gezeichneten) getrennten Schaltung, die die Anordnung versorgt, erzeugt werden. Eine (nicht gezeichnete) Grenzwertschaltung würde Signale aus dem Vorwärts-ZRückwärtsschalter aufnehmen, die der Zahl der der Photodioden entsprechen, die den Eindruck auf jeder Abtastung der Anordnung nachweisen, und diese Schaltung wäre so ausgebildet, daß sie die [-'einschaltung 15 (Fig. Ό sperrt und zurückstellt, wenn der Absolutwert der .Änderung der Zahl der Fhotodioden, die bei aufeinanderfolgenden elektronischen Abtastungen der Anordnung gezählt werden, sich merklich von der erwarteten Zuwachsrate unterschiede. Wenn beispielsweise die erwartete Zuwachsrate 2 betrüge, könnte die Begrengungsschaltung so ausgeführt werden, daß sie die Meßschaltung 15 beim Auftreten von Zuwachsraten sperrte und zurückstellte, die außerhalb des Bereichs von 1 bis 3 lägen, womit geringere Abweichungen von der idealen Bildgeometrie zugelassen würden, zweifelhafte Kessungen, die auf das Vorhandensein anderer Oberflächenmerkmale im Gesichtsfeld zurückzuführen wären, aber

BAD ORiGiMAL

909822/0 770

ausgeschaltet wurden.

Diese Methode ist zwar technisch ausfuhrbar, sie könnte aber die nachteilige Folge haben, dab keine Messungen an Prüfkörpern gemacht werden, die eine merkliche Anzahl Oberflächenfehler neben dem Diamantpyramideneindruck aufweisen, weil die Messung verhindert wird, wenn die Anordnung an irgendeiner Stelle während ihres Vorsohutjb über das Bild des Eindrucks auf das bild eines weiteren Überflächenmerkmals stöi3t. ι,-em läßt sich begegnen, indem eine zusätzliche digitale elektronische Schaltung vorgesehen wird, die weiterhin die von der Ihotodiodenanordnung ausgehenden Signale analysiert und dabei zugunsten der Eindruck-Geometrie aussondert, aber es können erheblich zusätzliche Schwierigkeiten bei der elektronischen signalverarbeitenden Schaltung auftreten, wenn weitere Kriterien für die Annahme der Diagonalenmessung eingebaut werden.

Eine einfachere Methode wird in einer augenblicklich bevorzugten Ausführungsform der Erfindung angewandt, wobei eine Abbildungsvorrichtung verwendet wird, die ein von der oben beschriebenen Beleuchtung in iMormalenrichtung abweichende Methode der Beleuchtung vorsieht, um bestimmte Facetten des Eindrucks besonders hell erscheinen zu lassen und dabei einen verbesserten Kontrast in dem Bilde zu erzielen, während gleichzeitig der Kontrast aller anderen Oberflächenmerkmale in den Bildern herabgesetzt wird. Ein dazu angewandtes Verfahren beruht auf der Tatsache, daß Eindrücke, die mit den vielflächigen Eindruckkörpern der angegebenen Form (z.B. pyramidenförmige Diamanteindruckkörper) in einem homogenen verformbaren Werkstoff hergestellt werden, die Geometrie des Eindruckkörpers sehr genau nachbilden und vier im wesentlichen ebene Facetten besitzen, die wie gut spiegelnde Lichtreflektoren wirken. Außerdem

§09822/0770

ORIGINAL INSPECTED

ist bei ρ /Ickers-Härtetest der Halbwinkel U>8°) eines von der Eindruckpyramide mit quadratischer Grundfläche erzeugten Eindrucks ausreichend groß, um ein paralleles Lichtbündel, das auf eine beliebige vorgegebene Facette unter geeignetem Winkel auftrifft, von der gesamten Oberfläche dieser Facette in Richtung der Normalen auf die Kennfläche des Härteprüfkürpor& spiegelnd reflektieren zu lassen. Dieses Verfahren ist in Fig. 5a dargestellt, in der ein Eindruck 35 im rechtwinkligen Schnitt eines Prüfkörpers 36 gezeichnet ist, wobei eine der i-'acetten 37 des Eindrucks 35 von einem Farallelstrahlenbündel 3<% 38a getroffen wird. Da die Facette 37 annähernd spie^lnd refleKt-iert, wird der größere Anteil des reflektierten Lichts als Paral]elstrahlenbündel 39, 39a unter einem Winkel 40 gegenüber der Kormalen 41 auf die Facette 37 weitergeleitet, wobei der Winkel 40 gleich dem Einfallwinkel 42 des Strahlenbündels 38, 38a ist. Da außerdem der Haltwinkel 43 des Eindrucks 35 größer als der doppelte Komplementsrwinkel (d.h. größer als 60 ) ist, kann der Winkel 44 des einfallenden Strahlenbündels 38, 3Ba gep;eriüber der Normalen 45 auf die Oberfläche 46 des irufkörpers 36 so gewählt werden, daß das reflektierte Strahlenbündel 39, 39a längs der Normalen 45 verläuft. Bei einem Halbwinkel 43 von 68 hat der Winkel 44 des einfallenden otrahlenbündels 38, 38a gegenüber der Normalen 45 die Größe von 44°. Man sieht, daß ein (nicht gezeichnetes), einen Teil der Äbbildungsvorrichtung des Härteprüfgeräts bildendes I-.ikroskop oder ein anderes, zur Betrachtung des Eindrucks geeignetes optisches Gerät, dessen optische Achse praktisch χ λ Richtung der Kormalen 45 verläuft, ein Bild des in der angegebenen Weise beleuchteten Eindrucks liefert, bei dem eine Facette sehr viel heller als die anderen Facetten und die übrigen Teile der Prüfkörperoberfläche erscheinen wird. Andere Oberflächenmerkmale, wie Bearbeitungsspuren oder poröse Stellen, können nur dann helle Bilder liefern, wenn sie beträchtliche Flächenanteile

§09822/0??Ö

aufweisen, deren Ausrichtung gegenüber dem Einfallslichtbündel 38, 38a ganz ähnlich derjenigen der hell beleuchteten Facette 37 ist. In dem seltenen Falle ganz ähnlicher Ausrichtung ist es unwahrscheinlich, daß die heflexionseigenschaften eines solchen Bereichs denen der Facette 37 gleichen, und die Helligkeit des Bildes eines solchen Bereichs würde im Vergleich zu derjenigen der Facette 37 des Eindrucks 35 niedrig sein. Das konnte bei zahlreichen Versuchen bestätigt werden, und es hat sich gezeigt, dai-i dieses Beleuchtungsverfahren bei gleichzeitiger Betrachtung in Richtung der Linie der spiegelnden Reflexion von einer Facette, in dem BiIa dieser Facette eine besonders große Helligkeit hervorruft, womit eine Möglichkeit gefunden ist, diese Facette von anderen Oberflächenmerkmalen zu unterscheiden.

Das Bild des Eindrucks 35 bei Beleuchtung gemäß Fig. 5a und von einem Mikroskop oder einem anderen, einen Bestandteil des Geräts bildenden geeigneten optischen System entworfen, dessen optische Achse praktisch parallel zu der Normalen 45 verläuft, hat das Aussehen der Darstellung in Figo 5t>» wobei die beleuchtete Facette 37 als helles Dreieck 47 und die anderen drei Facetten als verhältnismäßig dunkle Dreiecke 48, 49, 50 erscheinen. Das Bild 5I der den Eindruck 35 umgebenden Oberfläche 46 in der Bildebene 51a ist im allgemeinen wegen der diffusen Reflexion etwas heller als die Bilder der nichtbeleuchteten Facetten des Eindrucks, aber die Bildhelligkeit in diesem Bereich liegt erheblich unter derjenigen in dem hellen Dreieck 47.

Wenn das in Fig. 5a dargestellte Verfahren zur Beleuchtung von zwei nebeneinanderliegenden Facetten benutzt wird, so hat das von einem Mikroskop oder einem anderen geeigneten optischen System, dessen optische Achse parallel

909822/0770

ORIGINAL INSPECTED

zu der kormalen 45 verläuft, entworfene Bild ein sehen Komäij rig. 5c ι wobei die beiden beleuchteten Facetten als einheitliches helles Dreieck 52 und die beiden nichtbeleuchteten Facetten als verhältnismäßig aunkles Dreieck 53 erscheinen. Jas in der Bildebene ^k-a entworfene Bild 5^ der den Eindruck umgebenden Oberfläche? des I rufkörpers ist heller, als wenn nur eine einzige Facette; beleuchtet würde, bleibt aber deutlicn dunkler als das Dreieck 52. Patürlich ist diese Beleuchtungsart·, r.ei der ein Bild gemäß Pip. 5c entsteht, für die J)iagonalenausmesflunr bei der Vickers-Härteprüfung besonders geeignet, weil eine linie von 55 nach 55a an der Grenzlinie zwischen dem hellen Dreieck 52 und dem dunklen Dreieck 53 gerade die Diagonale- aes Kind rucks darstellt, und dank der Helligkeit des .OreiecKs 52 läßt sich diese Diagonale besonders leicht mit optoelektronischen Iiitteln nachweisen, während die üieseun iieleuchtungsverfahren eigentümlichen Vorzüge hinsichtlich der Unterscheidung von anderen Oberflächenmerkmal on erhalten bleiben.

äugh unter anderen Gesichtspunkten erscheint die Anwendung der in Verbindung mit den Fig. 5a tis 5c beschriebenen Beleuchtungsmethode bei den Ausführungsformen der Erfindung besonders günstip. üie einzelnen Photodioden der Anordnung IH, beispielsweise nach Fig. 3a, haben natürlich geringe Größe, damit die verlangte Auflösung eines in der Bildebene, in der die Anordnung 18 vorgesehen ist, entworfenen ^T:ildes eines Eindrucks gewährleistet ist. Die Kleinheit der Photodioden kann dazu führen, dais ihre E,':pfindlichkeit gegenüber Änderungen des Helligkeitspegels verhältnismäßig niedrig ist. Wenn das zutrifft, kann es erforderlich werden, dafür zu sorgen, daß fur die Untersuchung durch die Anordnung 18 ein ausreichend helles Bild erzeugt wird, damit die Bestimmungen der Abmessungen eines

9098??/0770 OBiGSMAL INSPECTED

Eindrucks ausreichend schnell ausgeführt xverden können. Ein derart ausreichend helles Bild ist durch die Beleuchtungsmethode, die im Zusammenhang mit den Fig. 5a bis 5c beschrieben ist und "bei der von spiegelnder Reflexion an Facetten des Eindrucks Gebrauch gemacht wird, leicht zu erzielen.

Fig. 6a gibt ein mit der Darstellung in Fig. Ja vergleichbares Gerät zur Untersuchung eines Bildes 56 eines Eindrucks wieder, der wie zu Fig. 5c beschrieben beleuchtet wird. Die verstärkten Ausgangssignale (elektrische Nachweis-Signale) während einer einzelnen elektronischen Abtastung der Photodiodenanordnung lö in der Ebene 56a des Bildes 56 erscheinen wie die Darstellung 57 in Fig. 6b, woraus sich das starke Ansprechen derjenigen Photodioden der Anordnung erkennen läßt, die mit dem Bild der hell beleuchteten Facetten des Eindrucks zusammenfallen. Dieses Gerät kann in der schon beschriebenen Weise in Verbindung mit den elektronischen Schaltungen nach Fig. 4-a benutzt werden, die zum Nachweis von AnordnungsSignalen benutzt werden, die einer größeren Helligkeit uiu! nl;;:ib einer geringeren Helligkeit entsprechen. Der Komparator 10 der i;iskriminat or schaltung gibt daher ein positives Signal zur Einleitung der Messund von Meßsignalen aus dem Umformer 1^4· nur dann, wenn die Spannungen verstärkter Fhotodiodensignale aus dem Eingangsverstärker 9 über der Ausgangsspannung des Summierverstärkers 30 liegen, der in diesem Falle die positive Summe des Ausgangs des Mittelwertbildungskreises 29 und der Bezugsschaltung 11 wiedergibt. Die ungefähren Beziehungen zwischen diesen Spannungen können den in Fig. 6b gezeigten Verlauf besitzen; dort zeigt die Linie 58 den Bezugsschaltungsausgang, die Linie 59 den Ausgang des Mittelwertbildungskreises und die Linie 60 den Ausgang des Summierverstärkers, alle bezogen auf 0 V, angedeutet durch die Gerade 61. Jedes verstärkte

909822/0770

9850957

Photodiodensignal (elektrisches Nachweissignai) 57> das größer ist als der Ausgangswert 6O des Summierverstärkers, löst den Fe 13vorhang aus; diese Verhältnisse liegen während der gesamten Bewegung der Anordnung 18 über das Bild $6 des Eindrucks in Richtung des Pfeils 22 (Fig. 6a) vor, und sofern die Diagonale 62, 62a des Bildes 56 parallel zu der Pfeilrichtung 22 verläuft, kann die Länge des Bildes der Diagonalen o2, 62a bestimmt werden, indem der Umformer 14-der heinschaltung nach .Fig. 4a so eingerichtet wird, daß die Signalabgabe entsprechend der genannten überquerenden Bewegung der Anordnung erfolgt. (Verschiedene Arten und Anwendungsweisen von Umformern 14- für die vorliegende Aufgabe sind im Zusammenhang mit Fig. 2 kurz beschrieben worden.)

Bei dieser Standardausführung verlangt die

Vickershärteprüfung die Fessung der Länge beider Diagonalen des Eindrucks der von dem pyramidenförmigen Diamenteindruckkörper hervorgerufen wird. Die Anordnung nach Fig. 6a in Verbindung mit der Beleuchtungsmethode nach Fig. 5c und der elektronischen Schaltung nach Fig. 4a (wie oben beschrieben) stellt die im Augenblick bevorzugte Methode zum Messen einer einzelnen Diagonalenlänge dar. Da der Diamanteindruckkörper als regelmäßige Pyramide mit quadratischer Grundfläche ausgebildet ist, stehen die Daigonalen senkrecht aufeinander, wenn die Blickrichtung relativ zu dem Prüfkörper die gleiche ist wie die Richtung, die beim Herstellen des Eindrucks auf der Prüfkörperoberfläche eingehalten wird. Wenn das Mikroskop oder ein anderes geeignetes optisches System der Abbildungsvorrichtung so ausgerichtet ist, daß der Eindruck auf diese Weise betrachtet wird, stehen die Diagonalen in dem vergrößerten Bilde aufeinander senkrecht. Wenn bei der praktischen Arbeit der Eindruckkörper in Normalenrichtung abwärts in die Oberfläche des Prüfkörpers gedrückt wird, braucht der Eindruck nur in Normalenrichtung

909822/0 770

betrachtet zu werden, damit diese Bedingung erfüllt ist, sofern die Ausrichtung des Trüfkörpers unverändert geblieben ist. Mt der Vorrichtung nach Fig. f-a können dann Messungen der Länge "beider Diagonalen in dem Bilde des Eindrucks vorgenommen werden, wenn eine geeignete I-iontierung eine Drehung um einen rechten Winkel um eine ^chse erlaubt, die senkrecht auf der Bildebene steht und durch deren hitte verläuft, während die Anordnung 18 in der Bildebene verbleibt, was läwt sich beispielsweise mit der in Fig. ? gezeichneten Einrichtung erzielen, nach welcher eine Vorschubeinrichtung (verschiebbare Anordnungshaiterimg) 63, die mit der in Fig. ta gezeichneten Einrichtung vergleichbar ist, auf Führungen 21 in einem Gehäuse 6^ angebracht ist, in weichern eine kombinierte Radial- und Axiallagerung 05 die gesamte Einrichtung auf dem Tubus 66 eines Iakroskops 67 oder eines entsprechenden optischen Systems hält, das ein vergrößertes Bild 68 eines (nicht gezeichneten) Eindrucks entwirft, der in der Oberfläche eines Prüfkörpers 69 angebracht ist.

Das Mikroskop "bzw. das geeignete anderweitige optische System sind Teil der Abbildungsvorrichtung des Geräts, flit dem anderen Teil der Abbild impfvorrichtung wird der Prüfkörper 69 beleuchtet. Zur Beleuchtung können elektrische Lichtquellen oder Spiegel, wie beispielsweise schematisch durch 671 in Fig. 7 angedeutet,benutzt werden.

Dank der Lagerung 65 kann das Gehäuse t>4 um eine Hittelachse 70 des Mikroskops 67 bei starrer Positionierung längs dieser Achse 70 geschwenkt werden, wodurch die Ihotodiodenanordnung 18 in der Bildebene 68 verbleibt. Der Schwenkwinkel des Gehäuses 64 wird durch eine Anschlagplatte 71 begrenzt, die starr mit dem Tubus 66 verbunden ist und am Umfang zwei Vorsprünge 72 aufweist, die mit einem fest in dem Gehäuse 64 angebrachten Stift 73 zusammenwirken, um

909822/07

den Schwenkwinkel des Gehäuses 64 relativ zu dem Tubus 56 auf genau einen rechten Winkel zu begrenzen. Die Winkelstellung der Anschlagplatte 71 gegenüber der f-ittelachse 70 wird so vorgenommen, daß die Vorschubeinrichtung 63 beim Anschlag des Gehäuses 64 an der einen Schwenkbegrenzung von der Gewindespindel 23 längs der Führung 21 in einer zu der einen Diagonalen des vergröberten Bildes 68 des Eindrucks parallen Richtung gesteuert wird und beim anliegen an der anderen Schwenkbegrenzung des Gehäuses 64 in einer parallel zu der anderen Diagonalen des Bildes 68 parallelen Richtung.

Hin weiteres Kennzeichen des Geräts nach Fig. 7 ist das Verfahren, nach dem die Dreh- und die Vorschubbewegung ausgeführt x^erdenj für beides ist ein eintouriger Umkehrelektromotor 74 vorgesehen, der mittels eines Tragarms 75 starr mit dem Mikroskop 67 verbunden ist. Der Motor 74, bei dem es sich um einen niedrigtourigen I-iotor oder einen mit Übersetzungsgetriebe versehenen hochtourigen Motor handeln kann, trägt auf seiner Antriebswelle 77 ein Zahnritzel 76. Das Kitzel 76 arbeitet mit einem Zahnrad 78 groben Durchmessers zusammen, das sich auf einer Radiallagerung 79 frei um die Achse 7Odss Fikroskoptubus 65 drehen kann, in axialer Richtung aber durch eine (nicht gezeichnete) Axiallagerung an einer Lageveränderung gehindert wird. Ein weiteres Ritzel 80 ist an dem einen Ende einer Welle 81 befestigt, die durch das Gehäuse 64 verlauft und sich in diesem frei drehen kann; die Welle wird in einer Lagerhülse 82a gehalten. Das Ritzel 80 kämmt mit dem Zahnrad 78 und überträgt die drehbewegung auf ein Kegelrad 82 am anderen Ende der Welle 81, das mit einem weiteren Kegelrad l·'3 kämmt, das auf einer Welle 84 befestigt ist, deren eines Ende als Gewindespindel 23 ausgebildet ist. Der Aufbau ist se ausgeführt, daß das Drehmoment, das dem Zahnrad 78

909822/0 770 ____

ORIGINAL INSPECTED

zugeführt werden mub, um die Rotationsreibung zu überwinden, die an dem Ritzel 8C, der Welle 81, der Lagerung 82a, den Kegelrädern 82, 83, der Welle 8^ in ihren (nicht gezeichneten) Lagerungen in dem Gehäuse 6k und der mit dem (nicht gezeichneten) Gewindeteil der Vorschubeinrichtung 63 zusammenwirkenden Gewindespindel 23 auftritt, viel größer ist als das für die Überwindung der durch die Drehung des Gehäuses 6k um den mikroskoptubus 66 an der Lagerung 65 entstehenden Reibung erforderliche Drehmoment. Wenn der Motor 7k gespeist wird, so daß das Ritzel 76 sich dreht und dadurch das Zahnrad 78 in Drehung versetzt, werden in erster Linie das Gehäuse bk und die daran angebrachten Teile um die Achse 70 geschwenkt, bis der Stift 73 an einem der beiden Vorsprünge 72 anschlägt und dadurch ein V/eiterschwenken verhindert. Nun nimmt der Motor 7^- weitere Leistung auf und gibt ein höheres Drehmoment ab, das dann die Drehungsreibung überwindet, die an den Teilen ?6, 78, 80, 81, 82, 82a, 83 und 8k auftritt, und versetzt die Leitspindel 23 in Drehung, wodurch die Einrichtung 63 längs der Führ-ungen 21 in einer Richtung parallel zu der einen Diagonalen in dem Bilde 68 verschoben wird.

Wenn die Vorschubeinrichtung 63 am Ende ihrer Bewegung (63a) in der einen Richtung angekommen ist, berührt sie einen (nicht gezeichneten) Mikroschalter, der ein (nicht gezeichnetes) Relais betätigt, das den Motor 7k umsteuert. Wegen des oben erwähnten Unterschieds der Drehungsreibung wird zunächst das Gehäuse bk geschwenkt, bis der Stift den anderen Vorsprung 72 berührt und damit die Schwenkung beendet.

Die Gewindespindel 23 wird jetzt in der vorigen Bewegung entgegengesetzter Richtung angetrieben, so daß die Vorrichtung 63 sich in der vorigen Bewegung entgegengesetzter

909822/0770

Hichtung parallel zu der anderen Diagonalen des Bildes längs der Führungen 21 bewegt. Am Ende ihrer Bewegung (63t) in dieser Sichtung berührt die Vorrichtung 63 einen zweiten (nicht gezeichneten) Mikroschalter, der das (nicht gezeichnete) Kelais in seinen Anfangszustand zurückstellt, so daß der Motor 74 wieder in der ursprünglichen Drehrichtung läuft und das gesamte Arbeitsspiel von neuem beginnen kann. Bei einer praktisch ausgeführten Konstruktion des Geräts empfiehlt es sich, eine Vorrichtung anzubringen, die den Speisestrom für den Motor 74 nach dem Abtasten der beiden Diagonalen des Bildes 68 abschaltet. Diese Abschaltung kann mit einem der beiden erwähnten Mikroschalter vorgenommen werden, der ein (nicht gezeichnetes) zweites Relais betätigt, das die Stromversorgung des Motors 7^ unterbricht, wenn die Vorschubbewegung der Vorrichtung 63 das eine der beiden Enden erreicht hat. Ein (nicht gezeichneter) außenliegender Schalter kann dann zum Wiedereinschalten des Motors 74· und zum Einleiten eines weiteren vollständigen Arbeitsspiels der beschriebenen Art benutzt werden. Als Alternative für das System von Mikroschaltern und Relais zur Steuerung des Motors 74 kann ein opto-elektronisches Umschaltsystern eingerichtet werden, sofern die wesentlichen angegebenen Funktionen ausgeübt werden.

Bei dem Aufbau nach Fig. 7 ist eine mögliche Ausführungsform des Umformers 14 (Fig. 4a) vorgesehen, ausgestattet mit einem an einem Ansatz der Welle 84 angebrachten Zahnrad 85 und einer Lichtemitter/Detektor-Anordnung 86, die eine Festkorperlichtquelle und einen Lichtdetektor aufweist und die so aufgebaut ist, daß die Lichtquelle auf den Detektor gerichtet ist. Beim Anlegen einer geeigneten Niederspannung wird durch ein von der Lichtquelle ausgehendes Lichtbündel 87 der elektrische Leitwert des Detektors erhöht, und ein Strom fließt durch die Leiter 88, 89, deren

909822/0770

andere Enden an einer (nicht gezeichneten) Niederspannungsquelle liegen. Derartige Emitter/Detektor-Einrichtungen sind an sich bekannt und im Handel erhältlich. Wenn der Lichtstrahl 8? von einem undurchsichtigen Gegenstand unterbrochen wird, verringert sich der Leitwert des Detektors, und der in den Leitern 88, 89 fließende Strom wird erheblich herabgesetzt. Die gegenseitige Lage des Zahnrads 85 und der Emitter/Detektor-Anordnung »6 sowie die Abmessungen der Zähne am Kranz des Zahnrades 85 sind so gewählt, dab das Lichtbündel 87 regelmäßig periodisch unterbrochen wird, wenn die Welle 84 mit gleichbleibender Drehzahl umläuft. Infolgedessen entsteht eine gleichmäßige periodische Folge von Stromimpulsen in den Leitern 88, H9 mit einer unmittelbar von der Drehzahl der Welle 84 und damit von der v'orschubgeschwindigkeit der Einrichtung 63, die die Photodiodenanordnung 18 über das Bild 68 des Eindrucks hinwegführt, abhängigen Frequenz. Diese Stromimpulsfolge in den Leitern 88, 89 kann dann der Torschaltung I.3 nach Fig. 4a zugeführt werden, die mit Hilfe einer geeigneten Mela schaltung 15 in der oben beschriebenen Weise nur dann zählt, wenn das Bild 68 des Eindrucks nachgewiesen wird, so dais eine Nessung der Länge der Diagonalen in dem Bilde 68 erfolgt.

Bei der Anordnung nach Fig. 7 kann jeder geeignete Umformer eingesetzt werden, so dais diese Anordnung in Verbindung mit einer kompatiblen heu schaltung 15 verschiedene Möglichkeiten zur Messung der Diagonalenlänge im Bilde 68 bietet. Die in Fig. 7 gezeichnete spezielle Ausbildung eines Umformers ist im Rahmen der vorliegenden Anwendung jedoch besonders gut geeignet, weil die Erzeugung einer regelmäßigen Folge von Impulsen zur Übertragung auf die Meßschaltung 15 (Fig. 4a) die Anwendung elektronischer Digitaltechnik in der Schaltung 15 sowie in den nachgeordneten Schaltungen erlaubt, die die Vickershärtezahl aus den in Impulszählungen ausgedrückten Längen der beiden

90 9 822/0770

ORIGINAL INSPECTED

- it C -

Diagonalen berechnen und anzeigen sollen. Der Standardausdruck für die Berechnung der Vickershärte kann dann umgeformt werden zu

HV = 2F sin 68°

*n

worin ρ die festgelegte LoLl \oa Impulsen je Millimeter Vorschub der Vorschubvorrichtung 63,

rn die feststehende Linearvergrößerung des Bildes 68 und

η das Kittel aus den beiden Impulszählungen, die den Längen der beiden Diagonalen in dem Bilde des Eindrucks zugeordnet sind,

bedeuten.

Lach auf dem Gebiet der elektronischen Datenverarbeitung an sich bekannten Nethoden kann der Wert der Vickershärte aus den in Form von Impulszählungen vorliegenden Längen der beiden Diagonalen in dem Bilde 68 berechnet werden, wenn die Werte von ρ und m vorgegeben sind und die bei der Herstellung des Eindrucks aufgewandte Kraft gemessen ist. Bei derartigen Einrichtungen xverden verschiedenartige geeignet programmierte elektronische Rechner, auf die spezielle Anwendung abgestimmte Mikroprozessoren und schließlich zxveckbe stimm te integrierte elektronische Rechnerschaltungen eingesetzt. Mit einem von einer derartigen Anordnung ausgegebenen digitalen Härtewert können Automaten gespeist werden, die Prüfkörper nach Maßgabe der für diese Prüfkörper vorgesehenen Hörte automatisch sortieren.

Der Aufbau nach Fig. 7 kann zur Abschätzung von Eindrücken bei jeder geeigneten Beleuchtungsart benutzt werden, jedoch wird die in Fig. 5c angegebene Beleuchtung

909872/0770

ORIGINAL INSPECTED

bevorzugt, wobei zwei nebeneinanderliegende Facetten des Eindrucks gleichzeitig beleuchtet werden.

Die Fig. Ba, 8b und 8c zeigen zwei mögliche Arten, nach denen die Facetten des Eindrucks stark beleuchtet werden können und ein Bild gemäß Fig. 5c zu erhalten ist. Fig. 8a zeigt eine Draufsicht auf ein System aus drei genau gleichen Lichtquellen 90, 91 > 92 einer übbildungsvorrichtung für ein Härteprüfgerätj die Lichtquellen sind so angeordnet, daß drei Facetten eines Eindrucks beleuchtet werden, der innerhalb eines kleinen Bereichs 93 in einer Oberfläche 94 eines Härteprüfkörpers angeordnet ist, wobei der Bereich

93 das Gesichtsfeld des (nicht gezeichneten) Mikroskops 67 in dem Aufbau nach Fig. 7 darstellt.

Die drei Lichtquellen 90 bzw. 91 bzw. 92 liefern gleichartige, im wesentlichen parallele Heleuchtungsbündel

94 bzw. 95 bzw. 9b, die nacheinander eingeschaltet werden können, um wie ziivor beschrieben nebeneinanderliegende Facetten zu beleuchten.

Das wird in Fig. 8b erläutert, wo in vergrößerter Ansicht der Eindruck, beleuchtet durch die Lichtbündel 94 und 95» dargestellt ist. Unter der Beleuchtung durch die Lichtbündel 94 und 96 erscheint der Eindruck wie in Fig. 8c dargestellt. Las Schalten der Lichtquellen 90, 91 und 92 phasenrichtig zu dem in Fig. 7 gezeigten System kann mit beliebigen Mitteln erfolgen, so daß die I'iessung beider Diagonalen abwechselnd vorgenommen werden kann. Dafür eignen sich Vorrichtungen zum wechselnden Einschalten der elektrischen Lichtquellen 90, 91, 92 oder ein System beweglicher Blenden bei ständig eingeschaltet gehaltenen Lichtquellen, oder schließlich auch ein geeignetes optisches System mit mindestens einem beweglichen Spiegel, um die Lichtstrahlenbündel, wie in den Fig. 8b und 8c angedeutet, auszurichten.

909S22/0770

Bei aer Anwendung beweglifher Blenden oder Spiegel können mechanische oder elektromechanische Betätigungshilfen verwendet vjerden, um die erforderlichen Phasenbeziehungen zwischen dem Beleuchtungssystem und dem Meüsystein nach Fig. 7 aufrechtzuerhalten.

bislang beschriebenen verschiedenartigen Systeme betreffen die Abschätzung der Hprte gemäß den verschiedenen Standarddefinitionen für die Bestimmung der tfickershärte, die sämtlich auf der obengenannten Beziehung basieren. Die Standardbe Ziehung verknüpft die Härte mit der belastung durch den Eindruckkörper, dividiert durch das Quadrat der mittleren Diagonalenlänge, wobei das letztgenannte Glied die doppelte Oberflächenausdehung des Härteeindrucks unter der Voraussetzung bedeutet, daß diese Fläche wie vorgesehen quadratisch ist. Wenn man die Oberf lächengröise mit & bezeichnet, geht die H;.r te be Ziehung über

_T/ , F sin 68
Ην" - _τ

was ein Ausdruck für den mittleren Druck ist, der auf die Facetten bei .Beendigung des Eindrückvorgangs durch den Eindruckkörper ausgeübt wird.

Die Standardbeziehung wird im Interesse der Genauigkeit normalerweise in ihrer Anwendung beschränkt auf Eindrücke, bei denen die Kanten einigermaßen geradlinig verlaufen, aber es besteht die Möglichkeit, die wie oben abgewandelte Beziehung für die Abschätzung bei weniger regelmäßig ausgefallenen Eindrücken anzuwenden, wenn beispielsweise die Ränder wegen der Bildung eines hochstehenden Grats gebogen sind, vorausgesetzt es ließe sich eine geeignete Methode für die genaue Bestimmung der Flächengröße der Eindruckfläche finden. Das ist von Bedeutung für die obige Beschreibung der verschiedenen Systeme zum optoelektronischen Messen der Diagonallängen, weil sehr ähnliche Anordnungen für

909822/0770

das Messen der Oberflächengröße vorgesehen werden können. Das in Fig. 6a gezeichnete System könnte beispielsweise für diese Aufgabe herangezogen werden, wenn eine zusätzliche Beleuchtung vorgesehen wäre, mit der alle vier Facetten des Eindrucks gleichzeitig hell beleuchtet werden könnten, wobei von einer Erweiterung des in den Fig. 5&, 5b und 5c erläuterten Verfahrens Gebrauch gemacht würde. Das Bild des Eindrucks in Fig. 6a würde'dann als Quadrat mit praktisch gleichmäßiger Helligkeit erscheinen, und jede elektronische Abtastung der Anordnung IH viürde höhere Signalpegel von denjenigen Photodioden liefern, die in der Ebene des hellen Bildes liegen.

Zu diesem Zweck kann eine angepaßte Heßschaltung nach Fig. 4a für die Signalverarbeitung eingesetzt \ierden, wobei der Abtast- und Haltekreis 12 abgewandelt und der Umformer 14 weggelassen werden kann. Anstelle des Umformers 14 können Signale (Adreßsignale) aus der (nicht gezeichneten) Schaltung in der Abtastschaltung des Geräts, die für den Antrieb der Photodiodenanordnung benutzt wird, verwendet werden. In dieser Schaltung wird ein regelmäßiges, periodisch gepulstes elektronisches Signal erzeugt, und die Frequenz dieser sogenannten Taktimpulse bestimmt unmittelbar die Geschwindigkeit, mit der aufeinanderfolgende Photdioden in der Anordnung adressiert werden. Das Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen (und damit den Adreßsignalen) ist somit gleich dem zeitlichen Intervall zwischen den nebeneinanderliegenden Dioden zugeordneten Ausgangssignalen der Anordnung, und die Abtastzeit der Gesamtanordnung ist demnach bestimmt durch das Produkt aus diesem Zeitintervall und der Zahl der Dioden in der Anordnung. Die Leitspindel 23 nach Fig. 6a kann irittels eines (nicht gezeichneten) Motors mit gleichbleibender Geschwindigkeit oder mit einem vergleichbaren Gerät auge-

909822/0770

trieben werden, dar.it der Schlitten 19 und. die auf ihm befindliche Anordnung 18 F¹It gleichbleibender Geschwindigkeit über das Bild des Eindrucks in Richtung- des Ifeils hinwegbewe/:;t wird. Jie '/orschubgeschwindigkeit kann so groß pevii'ihlt werden, el als von der Anordnung 18 während einer vollständigen elektronischen Abtastung durchlaufene strecke gleich .,er /ibmessungsauflösung ist, die für die hessung des Bildes des Eindrucks verlangt wird.

Unter diesen Bedingungen kann ein stärkeres Signal aus irgendeiner bestimmten Photodiode während einer gegebenen elektronischen Abtastung der Anordnung 18 als Wiedergabe eines Teiles des hellen Bildes des Eindrucks auf einer irr: wesentlichen rechteckigen Fläche angesehen werden, deren Größe durch das Produkt der Abmessungsauflösung· und der Abstandswerte der Photodioden in der Anordnung bestimmt ist. Diese Fläche, multipliziert mit der Gesamtzahl größerer Photodiodensignale, die während des mechanischen Vorschubs der Anordnung über das vergrößerte Bild des Eindrucks empfangen werden_} liefert somit einen Meßwert für die PeStimmung der Gesamtfläche des Eindrucks.

Die Meisschaltung nach Fig. ^a kann in der oben beschriebenen Weise benutzt werden, wenn der Abtast- und Haltekreis 12 derart verändert wird, daß jedes Diskriminatorsignal aus dem Komparator 10 während eines Zeitabschnitts festgehalten wird, der dem Zeitintervall zwischen aufeinanderfolgenden Taktimpulsen während der Abtastung entspricht (d.h. der Periode zwischen dem Abtasten eines Elements der Anordnung und dem nächsten). Eine Aufeinanderfolge von größeren Photodiodensignalen hat eine gleichmäßige Serie von Diskriminatorsignalen aus dem Komparator 10 zur Folge,

so daß ein zusammenhängendes elektronisches Signal aus dem At)tast- und Haltekreis 12 entsteht, das zum Erregen der Torschaltung 13 benutzt wird, so daß Taktimpulse oder

909822/0770

Adreßsignale anstelle von Signalen aus dem lii former I^ in die Zähl- oder leerschaltung 15 geleitet werden. Lie Gesamtzahl h der während einer vollständigen mechanischen Verschiebung der Anordnung aber das Bild des Eindrucks gezählten Impulse entspricht der Gesamtzahl von aufgenommenen gröberen Fhotodiodensignalen, und sie kann eingesetzt werden in die Beziehung

-,ι- F sin 68° m^{2
nV =} KI

ο
worin ha/m = A = Gesamteberfläche des Eindrucks, m = Linearvergrößerung des Bildes des Eindrucks und a = inkrementale Fläche, gegeben durch das Produkt aus der Abmessungsauflösung und dem Fhotodiodenabstand in der anordnung.

Mit den obenerwähnten Einrichtungen vergleichbare Mittel können zur Berechnung der Härtezahl HV aus den obigen Vierten eingesetzt werden, und HV kann automatisch als Zahlenwert angezeigt werden.

Dieses Verfahren bietet einige Vorteile gegenüber dem oben beschriebenen Verfahren, und die Möglichkeit, Eindrücke mit gekrümmten Seitenrändern zu untersuchen, ergibt sich ohne weiteres. Es entstehen auch praktische Vorteile, weil die Messung lediglich eine einzige mechanische Vorschubbewegung erfordert, bei der keine Einrichtung zum Drehen der Meßvorrichtung um 90 erforderlich ist und die Ausrichtung der Vorschubrichtung gegenüber dem Eindruck unkritisch ist. Ein zusätzlicher Vorteil ist, daß die Messung in weniger als der halben Zeit durchgeführt werden kann.

Anstelle von linearen Photodiodenanordnungen, wie

9098??/D77Ü BADORIGINAi.

sie in dem oben beschriebenen Jystem verwendet werden, können zweidiraensioriaie Anordnungen mit zahlreichen parallellaufenden Photodiodenzeilen eingesetzt werden. Mechanische Vorrichtungen fur die Ausübung von Vorschubbewegungen sind dann nicht mehr erforderlich, und die Informationen ergeben sich durch elektronische Abtastung aller Dioden in der ersten Zeile nacheinander, dann aller Dioden in der zweiten Zeile und so fort, bis ajle Photodioden in der Anordnung abgetastet sind, was serielle Ausgangssignal aus einer derartigen nnordnung kann auf zweierlei ./eise benutzt werden, -wird eine Diagonalenmessunp; verlangt, so kann die Ausgangsgröße in die Schaltung nach Fig. 4a eingeleitet werden, und elektronische ttdreLsignale, die ixi ein«r außerhalb der Anordnung liegenden Schaltung erzeugt werden und zur ansteuerung von 1hotodiodenreihen nacheinander benutzt werden, lassen sich eier Torschaltung 13 anstelle von Signalen aus dem vorher beschriebenen Un former 14 zuleiten. Die Diagonalenmessung wird dann in dem Zähler 15 als Zahl der Zeilen von irhotodioden angesammelt, in denen ein größeres Signal erzeugt wird, weil ein Teil des hellen Bildes des Eindrucks von mindestens einer Photodiode in jeder Zeile nachgewiesen ist. Die Diagonalenlänge ist das Produkt aus der Anzahl derartiger Zeilen und dem Abstand der I'iittellinien aufeinanderfolgender Zeilen voneinander» Die zweite Diagonalenmessung kann in ähnlicher Weise vorgenommen werden, nachdem die Anordnung um 90° um eine senkrecht durch die Nitte der Bildebene verlaufende Achse geschwenkt worden ist, und die Härtezahl kann dann automatisch errech,· net und angezeigt werden.

Der andere Weg zur Anwendung des seriellen Ausgangs von einer vollständigen elektronischen Abtastung einer zweidimensionalen Photodiodenanordnung entspricht genau demjenigen, der für die Nessung der Oberflächengröße

909822/Π770

BAD ORSGiNAL

A angegeben ist, mit der Ausnahme, daß die Anordnung; in fester Stellung gegenüber dem Bild des Eindrucks gehalten werden kann und mechanische Vorschubmethoden entbehrlich sind. Die inkrementale Fläche a wird hier als das Produkt aus dem Zeilenabstand und dem Photodiodenabstand in jeder Zeile der Anordnung definiert, und diese False sind bei den heutigen Photodiodenanordnungen dank der Präzision bei der Herstellung unter Anwendung photomechanischer Methoden praktisch konstant.

Fig. 9 zeigt schematise ι cine zwei dither:;.! ι.i al-. Anordnung 100 und das Bild 101 eines Eindrucks in einer Prüfkörperoberfläche 102 in einer Bildebene 101a, in der sich die Anordnung 100 befindet. 103 soll die Abtastschaltung für die Ihotodiodenanordnung versinnbildlichen.

Der Patentanwalt:

909822/0770 BADORiGiNAL

Claims (15)

1J Härteprüfgerät zum Abschätzen der Abmessungen eines unter festgelegten Bedingungen in einer Oberfläche eines Prüfkörpers, dessen Härte zu prüfen ist, angebrachten Eindrucks, aus welchen Abmessungen ein Härtewert für den Prüfkörper abgeleitet werden kann, mit einer Abbildungsvorrichtung, die in einer Bildebene ein Bild des Oberflächenbereichs entwirft, in dem der Eindruck angebracht i s t,

gekennzeichne t durch eine in der Bildebene (6a,· 200a; 20a$ 5^a; 51a; 5^a; lüla) angebrachte lichtempfindliche Kachweiseinrichtung (1, 9$ 18, 9; 100), die so betreibbar ist, daß elektrische Kachweissignale geliefert werden, die für Helligkeitspegel innerhalb des Bildes des genannten Oberflächenbereichs charakteristisch sind, und durch eine Diskriminatorschaltung (10, 11; 10, 11, 28, 29, 30), die diese elektrische Kachweissignale empfängt und elektrische Nachweissignale, deren Pegel für die Helligkeit in einem Bildbereic.l. innerhalb des Bildes (6; 20; 56; 101) des Eindrucks charakteristisch ist, von Signalen unterscheidet, deren Pegel für die Helligkeit in einem

909822/077 0

ORIGINAL INSPECTED

Bildbereich auberhalL de.s Hildes (6; 20; 56; 101) des Eindrucks charakteristisch ist.

2. Härteprüfgerät nach Anspruch 1 mit einer Abbildungsvorrichtung, in der eine Beleuchtungseinrichtung zum Beleuchten des genannten "'ereichs vorgesehen ist, dadurch rekennzeichnet , daß die genannte "eleuchtungseinrichtung (671; 90, 91, 92) ^en genannten Bereich mit schr^V pinfallenclerr. I.iclil :.:.<. beleuchten vermag.

3. ilärteprüfgerät nach Rnspruch 2, mit f^nem Eindruckkörper in Form einer Dianantpyramide mit quadratischer Pasis und einem Halbwinkel von 68° sowie einer Einrichtung; zum Eindrücken des Eindruckkörpers in die Oberfläche des Prüfkörpers, wodurch der genannte Eindruck mit einer zu der Form des Eindruckkörpers komplementären Pyramidenform entsteht,

dadurch gekennzeichnet ,.daß die Beleuchtungseinrichtung (671J 90, 91, 92) so angeordnet ist, daß das von ihr ausgehende Beleuchtungslicht von mindestens einer der Facetten (37, ^7j 52) des Eindrucks normal zu der Oberfläche des Früfkörpers reflektiert wird.

4. Härteprüfgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3i dadurch gekennzeichnet , daß die genannte liohtempfindliche Kachweiseinrichtung ein einzelnes lichtempfindliches Element (1; 201) aufweist, und daß das Gerät ferner eine Abtasteinrichtung (2, 3, k-, 5j 202, 203, 204, 205) aufweist, die eine Abtastrelativbewegung zwischen dem genannten einzelnen lichtempfindlichen Element (1; 201) und dem Bilde (6; 200) des Oberflächenbereichs, in dem der Eindruck angebracht ist, ausführt, wenn das Gerät für die Abschätzung von abmessungen des Eindrucks benutzt wird.

BAD ORIGINAL

909822/0770

5. Härteprüfgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3> dadurch gekennzeichnet , daß die genannte lichtempfindliche Nachweiseinrichtung eine eindimensionale Anordnung (18) von lichtempfindlichen Elementen aufweist, und daß das Gerät ferner eine Abtasteinrichtung (IBa, 19, 21, 23, 2k, 25; 21, 23, 70 tis 84) besitzt, die bei der Benutzung des Geräts zur Abschätzung von Abmessungen des Eindrucks eine senkrecht zu der geradlinigen Anordnung (18) verlaufende Äbtastrelativbewegung zwischen der Anordnung (18) und dem Bilde (2C) des Oberflächenbereichs, in dem der Eindruck angebracht ist, herbeiführt.

6. Härteprüfgerät nach Anspruch 1, 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet , daß die genannte lichtempfindliche Nachweiseinrichtung eine zweidimensionale Anordnung (100) von lichtempfindlichen Elementen aufweist.

7. Härteprüfgerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Abtasteinrichtung eine Zunge (2) mit dem genannten lichtempfindlichen Element (1) an ihrem einen Ende, ferner eine Zungenhaiterung (3, 4), a.n der das andere Ende der Zunge (2) befestigt ist und die geradlinig in der Weise bewegbar ist, daß das lichtempfindliche Element (1) über das PiId (6) des Oberflächenbereichs, in dem der Eindruck angebracht ist, geführt wird, sowie eine Einrichtung aufweist, die das genannte eine Ende der Zunge (2) quer zu der genannten Bewegungsrichtung hin und her schwingen läßt.

8. Härteprüfgerät nach Anspruch 4,

dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung eine bewegbare Halterung (202 bis 205) aufweist, an der das genannte einzelne lichtempfindliche Element (201) befestigt und geradlinig in der Weise bewegbar ist, daß das

909822/0770

lichtempfindliche Element (201) über das Bild des Oberflächenbereichs, in dem der Eindruck angebracht ist, geführt wird, sowie eine opto-mechanische Einrichtung (196, 195), die das genannte Bild (200) über das lichtempfindliche Element (201) quer zu der genannten Bewegungsrichtung hin una her schwingen läßt.

9. Härteprüfgerät nach Anspruch 8,

dadurch gekennzeichnet , daß die genannte opto-mechanische Einrichtung einen Spiegel (196) aufweist, der zum Schwingen gebracht werden kann, und auf diese Weise das genannte Bild (200) hin und her bewegt.

10. Härteprüfgerät nach Anspruch 5,

dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Abtasteinrichtung eine senkrecht zu der linearen Erstreckung der Anordnung (18) bewegbare Halterung (19; 63) für die Anordnung (18) sowie eine Abtastschaltung (118a) aufweist, die die genannten Kachweissignale von den jeweiligen lichtempfindlichen Elementen der Anordnung (18) ableitet, wobei die Elemente zur Erzeugung der Nachweissignale in zyklisch wiederholter Reihenfolge nacheinander abgetastet werden.

11. Härteprüfgerät nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Abtastschaltung (103), die die genannten Nachweissignale von den jeweiligen lichtempfindlichen Elementen der Anordnung (100) ableitet, wobei die Elemente jeder Zeile der Anordnung der Reihe nach nacheinander und die Zeilen der Anordnung (100) der Reihe nach nacheinander in zyklisch wiederholter Folge abgetastet werden.

12. Härteprüfgerät nach Anspruch 7, 8, 9, 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte

Diskriminatorschaltung einen Komparator (10) aufweist, der die genannten Kachweissignale empfängt und die empfangenen Nachweissignale mit einem dem Komparator zugeführten Schwellwertsignal vergleicht und nach Maßgabe der Ergebnisse des Vergleichs Vergleichssignale abgibt, die entweder eine erste Pegelhöhe haben, die kennzeichnend ist für ein Nachweissignal, das die Helligkeit in einem Bildbereich innerhalb des Bildes (6, 20, 56, 101) des Eindrucks charakterisiert, oder eine zweite Pegelhöhe, die kennzeichnend ist für das Nachweissignal, das die Helligkeit in einem Bildbereich außerhalb des Bildes (6, 20, 56, 101) des Eindrucks charakterisiert, und daß"die Diskriminatorschaltung außerdem einen Abtast- und Halte-Kreis (12) aufweist, der die genannten Vergleichssignale empfängt und auf die Vergleichssignale mit der genannten ersten Pegelhöhe in der Weise reagiert, daß ein Abtastausgangssignal bestimmter Höhe abgegeben wird, das nach dem Verschwinden des Vergleichssignals mit erster Pegelhöhe während eines Zeitabschnitts aufrechterhalten wird, der je nachdem gleich einer halben Periode der Relativschwingung zwischen dem Bild und dem lichtempfindlichen Element (1, 201) gemäß Anspruch 7, 8 oder 9 oder gleich einer ganzen Abtastperiode der Anordnung (18) gemäß Anspruch 10 oder gleich der Zeitspanne ist, die erforderlich ist, eine Zeile der Anordnung (100) gemäß Anspruch 11 abzutasten.

13. Härteprüfgerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß eine Torschaltung (13) vorgesehen ist, die mit dem genannten Abtast- und Haltekreis (12) verbunden ist und das genannte Abtastausgangssignal empfängt und ferner Meßsignale aufnimmt, die in dem Gerät erzeugt werden und je nachdem kennzeichnend sind für Bewegungen der genannten bewegbaren Halterung (3, k\ 202 bis 205) gemäß Anspruch 7, 8

822/0770

2850357

oder y oder für Bewegungen der bewegbaren Anordnungshai terung (19; 63) gernäß Anspruch 10 oder für die jeweiligen aufeinanderfolgenden Abtastungen der Anordnung (18) gemäß Anspruch 10 oder für die Abtastung von jeweiligen aufeinanderfolgenden Zeilen der Anordnung (100) gemalt Anspruch 11, und die weiterhin jene Meßsignale in eine He Id se haltung (15) des Geräts nur dann weiterleitet, wenn das genannte Abtastausgangssignal den genannten ausgewählten Wert besitzt.

14. Härteprüfgerät nach Anspruch 12,

dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Diskriminatorschaltung eine weitere Torschaltung (2B) aufweist, die die genannten Nachweissignale und die genannten Vergleichssignale empfängt, die die genannten Nachweissignale weiterleitet, wenn die Vergleichssignale die genannte zweite Pegelhöhe haben, ferner einen Mittelwertbildungskreis (29), der die von der genannten weiteren Torschaltung (28) weitergeleiteten Kachweissignale empfängt, sowie eine Summierschaltung (30)> die ein in der Diskriminatorschaltung erzeugtes Bezugspegelsignal sowie ein gemitteltes Signal aus dem Mittelwertbildungskreis empfängt und dem genannten Komparator (10) die Summe des Bezugspegelsignals und des genannnten gemittelten Signals als das genannte Schwellwertsignal weiterleitet.

15. Härteprüfgerät nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die genannte Diskriminatorschaltung einen Komparator (10) aufweist, der die genannten Nachweissignale empfängt und die empfangenen Nachweissignale mit einem dem Komparator (10) zugeführten Schwellwertsignal vergleicht und nach Maßgabe der Ergebnisse des Vergleichs Vergleichssignale abgibt, die entweder eine erste Pegelhöhe haben, die kennzeichnend ist für ein Nachweissignal, das die Heiligkeit in einem Bildbereich

909822/077Ö

2BS0957

innerhalb des Bildes (6, 20, 56, 101) des Eindrucks charakterisiert, oder eine zweite Pegelhöhe, die kennzeichnend ist für das Nachweissignal, das die Helligkeit in einem Bildbereich außerhalb des Bildes (b_s 20, 56, 101) des Eindrucks charakterisiert, ferner einen Abtast- und Halte-Kreis (12), der die genannten Vergleichssignale empfängt und auf die Vergleichssignale mit der ersten Pegelhöhe in der Weise reagiert, daß ein Abtastausgangssignal bestimmter Höhe abgegeben wird, das während eines Zeitabschnitts aufrechterhalten wird, der gleich der Laufzeit zwischen dem Abtasten eines einzelnen Elements der Anordnung (18, 100) und des nächsten ist, und schließlich eine Torschaltung (13), die mit dem genannten Abtast- und Halte-Kreis verbunden ist und das genannte Abtastausgangssignal aufnimmt und ferner Adreßsignale aufnimmt, die in der genannten Abtastschaltung (118a, 103) erzeugt werden, damit die jeweiligen Elemente der Anordnung (18, 100) abgetastet werden, wobei ein einzelnes Element der Anordnung (18, 100) ein Nachweissignal immer dann liefert, wenn der Anordnung ein Adreßsignal zugeführt wird, und die schließlich jene Adreßsignale einem Zähler (15) des Geräts nur dann zuleitet, wenn das genannte Abtastausgangssignal den genannten gewählten Wert besitzt.

§09822/0776