DE3020044C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens.

Ein Verfahren dieser Art ist in einem Aufsatz von R. A. Sprague, "Surface Roughness Measurement using White Light Speckles", in Applied Optics 11 (1972), Seiten 2811-16, beschrieben. Dieses vorbekannte Meßverfahren liefert praktisch verwertbare Ergebnisse aber nur innerhalb eines eng begrenzten Rauheitsbereiches, welcher im wesentlichen nur mittels eines Feinpolierverfahrens hergestellte Oberflächen, nicht jedoch im Zuge einer normalen industriellen Fertigung entstehende Oberflächenrauheiten erfaßt.

Durch G. Schmalz, "Technische Oberflächenkunde", Springer Verlag 1936, Seite 95, ist ein berührungslos arbeitendes Meßverfahren für rauhere Oberflächen bekannt geworden. Dabei werden jedoch lediglich die Helligkeitswerte eines direkt und eines unter Einschaltung der zu untersuchenden Oberfläche beleuchteten Mattscheibenabschnittes miteinander verglichen, wodurch sich weder ausreichend schnelle noch für die vorliegenden Zwecke ausreichend genaue Meßergebnisse gewinnen lassen.

Gemäß der DE-OS 21 28 533 sowie der DE-OS 26 07 850 wird die Topographie einer reflektierenden Oberfläche in relativ aufwendiger und zeitraubender Weise mittels eines auf diese Oberfläche fokussierten optischen Abtaststrahles vermessen.

Die DE-OS 26 58 399 hat ein interferometrisches Verfahren zum Gegenstand, welches lediglich ein visuell auswertbares Bild der zu untersuchenden Oberfläche liefert.

Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein berührungslos arbeitendes Meßverfahren der vorstehenden Art in der Weise weiter zu entwickeln, daß es zur schnellen und genauen Vermessung industriell erzeugter Oberflächen in praktisch interessierenden Rauheitsbereichen eingesetzt werden kann.

Gemäß der Erfindung wird die gestellte Aufgabe mittels der im kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung, worin im folgenden anhand der Zeichnung mehrere Ausführungsbeispiele erörtert werden. Es zeigt

Fig. 1 ein erfindungsgemäßes Meßgerät in schematischer Darstellung,

Fig. 2-5 andere Ausführungsformen der Erfindung,

Fig. 6 einen Schnitt durch die Anordnung gemäß Fig. 5 entlang der Linie VI-VI,

Fig. 7 und 8 die Verwendung von Glasfasern zur Übertragung des Meßlichtes,

Fig. 9-11 Anordnungen zur Veränderung des Gleichlichtanteiles, und

Fig. 12 ein Diagramm des Zusammenhanges zwischen arithmetrischem Mittenrauhwert, Phasenkontrast und Gleichlichtanteil.

Gemäß Fig. 1 wird das Licht einer teilkohärenten Meßlichtquelle 1, beispielsweise einer Glühlampe, mittels eines Kollektors 2 und eines Kondensors 4 auf eine Bildfeldebene 5 konzentriert. Die Intensität des an der Bildfeldblende 5 entstehenden Lichtfleckes läßt sich mit Hilfe einer Aperturblende 3 variieren.

Das von der Meßlichtquelle 1 ausgehende Meßlicht wird durch eine Linse 6 und einen Strahlenteiler 7 zur Oberfläche 8 a eines Prüflings 8 geleitet. Das von der Oberfläche 8 a reflektierte Meßlicht wird vom Strahlenteiler 7 zur Linse 11 umgelenkt, welche ein Bild der zu prüfenden Oberflächenstruktur in der Bildebene 16 entwirft. Hinter der Linse 11 ist eine Aperturblende 12 angeordnet.

Die im Raum hinter der Aperturblende 12 entstehende Hell-Dunkelverteilung wird in der Abtastebene durch mindestens eine Abtastöffnung 13 mittels mindestens eines Detektors 15 abgetastet, wobei der Prüfling 8 eine hin- und hergehende Bewegung in Pfeilrichtung A-B ausführt.

Ein Teil des auf den Strahlenteiler 7 treffenden Meßlichtes wird zu einer reflektierenden Fläche 9 gelenkt. Nach der Reflexion an dieser Fläche durchdringt es den Strahlenteiler und gelangt ebenfalls auf den Detektor 15, wodurch sich dem Meßergebnis des Detektors ein mittels eines Lichtschwächers 10 variierbarer Gleichlichtanteil addiert. Der Lichtschwächer 10 wird in bekannter Weise von zwei gegeneinander verdrehbaren Polarisationsfiltern P 1 und P 2 gebildet.

Die mittels der erfindungsgemäßen Anordnung ausgewertete Hell-Dunkelverteilung ist durch die rauhe Oberfläche des ein Phasenobjekt bildenden Prüflings bedingt. Sie läßt sich im Prinzip auf die aus der Mikroskopie bekannte Phasenkontrastierung durch Defokussierung zurückführen. Mit zunehmendem Kohärenzgrad des Lichtes und kleiner werdenden Abbildungsaperturen geht sie in die bekannte Speckle-Struktur über. Wenn gemäß bevorzugten Merkmalen der Erfindung große Abbildungsaperturen und gleichzeitig relativ große Abtastöffnungen verwendet werden, wird die sehr feine Speckle-Struktur durch die große Abtastöffnung ausgemittelt bzw. integriert, sodaß im wesentlichen nur die vorstehend beschriebene Phasenkontrastierung durch Defokussierung zur Auswertung gelangt.

Diesem Muster wird eine gleichförmige Helligkeit, die durch geometrische oder physikalische Strahlenteilung gewonnen wird, überlagert. Da der Gleichlichtanteil stets unvermindert durch die Aperturblende 12 hindurchgeht, das an der rauhen Oberfläche 8 a des Prüflings 8 diffus reflektierte Licht durch die Aperturblende 12 jedoch umso stärker beschnitten wird, je rauher die Oberfläche ist, führt dies zu einer weiteren Kontrastabnahme des Hell-Dunkelmusters, die jedoch für Prüflingsoberflächen mit großer Oberflächenrauheit stärker ist, als für Prüflingsoberflächen mit kleiner Rauheit.

Dadurch wird der Meßbereich beträchtlich erhöht und die Steilheit der Meßkurve (Fig. 12) ebenfalls erhöht. Der örtliche Intensitätsverlauf wird durch die Relativbewegung von Hell-Dunkelmuster und Photodetektor 15 in zeitlich veränderliche Signale umgesetzt. Der Durchmesser der Abtastblende 13 kann wesentlich größer als der Speckle-Durchmesser bei den bekannten Speckle-Kontrastverfahren sein. Da außerdem die Beleuchtungs- und Abbildungsaperturen groß sind, wird schon mit einfachen Lichtquellen, vorzugsweise Glühlampen, Leuchtdioden oder Halbleiterlasern aus der optischen Nachrichtenübertragungstechnik, ein genügend großer Lichtstrom an den Photodetektoren erreicht. Die Notwendigkeit zur Verwendung von teuren Lasern oder zeitlich unstabilen nichtlinearen Photodetektoren entfällt, soweit nicht eine Simulation der Gleichlichtüberlagerung bei der Auswertung des Phasenkontrastmusters in der Recheneinheit vorgenommen werden soll. Durch die stark integierende Wirkung der Abtastung bleibt die zeitliche Variation des Signals bei gegebener Abtastgeschwindigkeit wesentlich kleiner als beim Speckle-Kontrastverfahren, so daß bei gegebener Verarbeitungsgeschwindigkeit wesentlich größere Abtastgeschwindigkeiten und damit kleinere Meßzeiten möglich sind, oder daß bei gegebener Meßzeit eine wesentlich größere Abtaststrecke auf der Oberfläche möglich wird.

Mit Hilfe eines Minicomputers oder eines Mikroprozessors werden aus dem digitalisierten elektrischen Signal I die Kontraste Cq oder Ca berechnet:

wobei I der Intensitätsmittelwert und Ii die augenblickliche Intensität ist.

Die Kurven a)-d) in Fig. 12 zeigen den eindeutigen Zusammenhang zwischen gemessenem Kontrast Cq und arithmetischem Mittenrauhwert Ra geschliffener Oberflächen. Durch die variablen Lichtschwächer 10 kann die Intensität der überlagerten Helligkeit variiert werden. Die Kurvea) gilt ohne Überlagerung eines Gleichlichtanteiles. Die Kurven b)-d) entsprechen einer zunehmend stärkeren Gleichlichtüberlagerung bis zu einem Anteil der Intensität des Gleichlichtes an der Gesamtintensität am Detektoreingang von etwa 20%. Der nutzbare Meßbereich für den arithmetischen Mittenrauhwert beträgt dabei etwa 0,05µm bis ca. 10 µm.

Gemäß Fig. 2 ist bei sonst gleichen Verhältnissen wie in Fig. 1 anstelle des physikalischen Strahlenteilers 7 ein geometrischer Strahlenteiler in Form eines im Abbildungsstrahlengang angeordneten Prismas 17 vorgesehen. Das Gleichlicht wird in diesem Fall mittels eines teilverspiegelten Plättchens 20 eingespiegelt, welches nach Art eines variablen Strahlenteilers einen variablen Reflexionsgrad aufweist. Die Wahl des Reflexionsgrades erfolgt durch Verschiebung des Plättchens 20 in Pfeilrichtung C-D.

Gemäß Fig. 3 ist die Abtastöffnung 13 an einer Glasfaser 21 ausgebildet. Die Einspiegelung des Gleichlichtanteiles erfolgt in diesem Fall mittels eines ohne Zwischenschaltung eines Strahlenteilers im Lichtstrom der Meßlichtquelle 1 liegenden Umlenkspiegels 9, welchem eine Streukammer 22 nachgeschaltet ist. Der Streukammer 22 wird das Gleichlicht mittels einer weiteren Glasfaser 23 entnommen und einem Detektor 15 zugeleitet.

Fig. 4 zeigt eine mit geometrischer Strahlenteilung arbeitende Meßanordnung, bei welcher der Gleichlichtanteil einen Referenzphotoempfänger 18 belichtet. Dem Referenzphotoempfänger 18 ist ein Lichtschwächer 10 vorgeschaltet.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 5 wird der Detektor, wie aus Fig. 6 ersichtlich, von einer Photoempfängerzeile 15 a-15 d gebildet, welcher eine Abtastmaske 33 mit mehreren Abtastöffnungen 13 a-13 d vorgelagert ist. Die Photoempfängerzeile 15 a-15 d liefert mehrere voneinander unabhängige Intensitätsverläufe, aus denen durch Mittelwertbildung eine geringe Streuung der Meßgröße erreicht werden kann.

Gemäß Fig. 7 geschieht die Mitteilung der Intensitätsmessung durch eine Anordnung von mehreren Lichtleiterfasern 24-26, welche mehrere voneinander unabhängige Detektoren 15 a-15 c beleuchten. Zur Beleuchtung des Prüflings 8 dienen mehrere Lichtleitfasern 27-29, welche von mehreren voneinander unabhängigen Lichtquellen 1 a-1 c beleuchtet werden. Durch die Verwendung mehrerer Lichtquellen, insbesondere Lasern, ist eine Beeinflussung der räumlichen und zeitlichen Kohärenz des Meßlichtes möglich.

Als Anordnung zur Gleichlichtüberlagerung ist in Fig. 7 ein teilverspiegeltes Plättchen 20 dargestellt, wie es auch in Fig. 2 vorgesehen war. Es ist grundsätzlich auch möglich, eine der in Fig. 1, 3-5 oder 9-11 dargestellten Anordnungen zur Einleitung des Gleichlichtanteiles zu verwenden.

Fig. 8 zeigt eine weitere Vereinfachung des erfindungsgemäßen Meßgerätes, bei welcher die Abbildungslinse 11 entfällt. Zur Beleuchtung, Abtastung und Gleichlichtübertragung kann dabei eine der in den Fig. 1-5 oder 9-11 dargestellten Anordnungen vorgesehen sein.

Die Fig. 9-11 zeigen verschiedene Möglichkeiten zur Ausbildung des der Gleichlichteinspiegelung dienenden Spiegels 9 und des variablen Lichtschwächers 10.

Eine weitere, in den Figuren nicht dargestellte Vereinfachungsmöglichkeit besteht darin, dem Signal der abgetasteten Lichtintensität eine geeignet dimensionierte Gleichspannung zu überlagern. Hierzu muß allerdings dafür gesorgt werden, daß keine Änderungen des Lampenlichtstromes oder der Empfindlichkeit der Photoempfänger auftreten können.

Claims (15)

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Oberflächenrauheit, bei welchem mittels des an der zu vermessenden Oberfläche reflektierten Lichts einer Meßlichtquelle ein Phasenkontrastmuster der Oberfläche erzeugt und dessen Kontrastverteilung ermittelt wird, und bei welchem die so ermittelte Kontrastverteilung zur Bestimmung des dieser Kontrastverteilung entsprechenden Mittenrauhwertes vorzugsweise in digitalisierter Form in eine Recheneinheit eingegeben wird, dadurch gekennzeichnet, daß dem Phasenkontrastmuster ein der Lichtquelle entnommener, mit dem Meßlicht inkohärenter, von der Oberflächenrauheit nicht beeinflußter Gleichlichtanteil überlagert wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichlichtanteil mittels einer Spiegelfläche dem Meßlicht entnommen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtasten des überlagerten Phasenkontrastmusters durch eine Relativbewegung zwischen dem Objekt oder dessen Bild und dem Photodetektor oder durch eine selbstabtastende Detektormatrix erfolgt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Gleichlichtanteil zur Einstellung eines dem Mittenrauhwert der jeweils untersuchten Oberfläche angepaßten Meßbereichs in seiner Intensität variiert wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Meßlicht das Licht einer teilkohärenten Lichtquelle, beispielsweise das Licht einer normalen Glühlampe, verwendet wird.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Auswertung des Phasenkontrastmusters in der Recheneinheit dem Signal des zeitlichen Intensitätsverlaufs am Detektorausgang Signale zur Simulation eines Gleichlichtanteils hinzugefügt werden.

7. Gerät zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1-6, mit einem eine Aperturblende (12) enthaltenden Abbildungssystem zur Abbildung der zu vermessenden Oberfläche (8) in eine Abbildungsebene (16) mit wenigstens teilkohärentem Licht aus der Lichtquelle (1), einer in der Nähe der Abbildungsebene (16) angeordneten, mindestens eine Abtastblende (13, 14) umfassenden Detektoranordnung (15) zur Ermittlung der Kontrastverteilung in dem von der Abbildungsanordnung erzeugten Phasenkontrastmuster, und mit einer Recheneinheit zur Bestimmung des der ermittelten Kontrastverteilung entsprechenden Mittenrauhwertes der untersuchten Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel (7, 9) zur Überlagerung eines zusätzlichen, von der Oberflächenrauheit des Prüflings (8) nicht beeinflußten Gleichlichtanteils in der Abbildungsebene (16) vorgesehen sind.

8. Gerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß in den Strahlengang der Meßlichtquelle (1) ein Spiegel (9) eingeschaltet ist, welcher einen Teil des Meßlichtes direkt der Detektoranordnung (13, 15) zuführt.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß in das Abbildungssystem ein Strahlenteiler (7) eingeschaltet ist, dessen teilverspiegelte Fläche so gegenüber der Abbildungsachse geneigt ist, daß das von der Meßlichtquelle kommende Licht teils zu einem das Meßlicht reflektierenden Spiegel (9) umgelenkt und teils zu der zu untersuchenden Oberfläche (8 a) hindurchgelassen wird, und daß das vom Spiegel (9) reflektierte Meßlicht zur Detektoranordnung (13, 15) durchgelassen und das von der Oberfläche (8 a) reflektierte Meßlicht zu dieser Detektoranordnung umgelenkt wird.

10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Abbildungsstrahlengang ein Umlenkprisma (17) zum Ausspiegeln des von der Prüfungsoberfläche (8 a) reflektierten Meßlichtes in Richtung auf den Detektor (15) und eine teilverspiegelte Fläche (20) zum Zurückspiegeln des Meßlichtes zum Umlenkprisma (17) angeordnet ist.

11. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Gleichlichtanteil ausspiegelnden Spiegel (9) eine Streukammer (22) nachgeschaltet ist.

12. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßlichtquelle (1 a-1 c) und/oder die Detektoren (15 a-15 c) mittels einer Glasfaser (24-29) mit dem Abbildungsstrahlengang verbunden sind.

13. Gerät nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung einer ausreichenden Bandbreite des Meßlichtes mehrere mit jeweils einer einheitlichen Wellenlänge strahlende Lichtquellen (1 a-1 c) mittels je einer Glasfaser 27-29) mit dem Abbildungsstrahlengang verbunden sind.

14. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abschwächung des Gleichlichtanteiles ein vorzugsweise von zwei gegeneinander verdrehbaren Polarisationsfilter (P 1, P 2) gebildeter Lichtschwächer (10) vorgesehen ist.

15. Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des Meßlichtes mehrere voneinander unabhängige Detektoren (15 a-15 c) vorgesehen sind.