DE886531C

DE886531C - Process for the optical determination of surface roughness and device for carrying out the process

Info

Publication number: DE886531C
Application number: DEB4980D
Authority: DE
Inventors: Helmut Dr Naumann
Original assignee: EMIL BUSCH A G OPTISCHE IND
Current assignee: EMIL BUSCH A G OPTISCHE IND
Priority date: 1943-05-27
Filing date: 1943-05-27
Publication date: 1953-08-13

Description

Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten und Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens Die Erfindung geht von dem Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung aus und bezweckt eine derartige Ausgestaltung desselben, daß die Messung mit geringerem Zeitaufwand und unter Verwendung einfacherer ATorrichtungen als bisher durchgeführt werden kann.Process for the optical determination of surface roughness and Device for carrying out the method The invention proceeds from the method for the optical determination of surface roughness from the intensity ratio from diffuse and specularly reflected radiation and aims to do so Design of the same that the measurement with less expenditure of time and using simpler A devices than before can be carried out.

Bei einem bekannten Verfahren dieser Art l (Heyes & Lueg, Veröffentlichungen KWI. XXIV, Nr. 430, S. 3I) wird ähnlich dem Verfahren der Dunkelfeldauflichtmikroskopie die zu prüfende Oberfläche einmal im Hellfeld und anschließend im Dunkelfeld beleuchtet und die Intensität der reflektierten Strahlungen jeweils durch die Zeit bestimmt, die ein Kondensator zur Entladung durch eine von der reflektierten Strahlung beleuchtete Photozelle benötigt. Die Nachteile dieser bekannten Methode liegen darin, daß zwei Messungen zeitlich hintereinander stattfinden müssen, so daß besondere Maßnahmen zur Konstanthaltung der Beleuchtungslichtquelle während der gesamten Meßzeit vorgesehen werden müssen. Fernerhin muß der Kennwert für die Rauhigkeit durch eine Rechenoperation aus den beiden Entladungszeiten ermittelt werden. In a known method of this type 1 (Heyes & Lueg, publications KWI. XXIV, No. 430, p. 3I) is similar to the method of dark field reflected light microscopy the surface to be tested is illuminated once in the bright field and then in the dark field and the intensity of the reflected radiation is determined by time, which illuminated a capacitor for discharge by one of the reflected radiation Photocell required. The disadvantages of this known method are that two Measurements must take place one after the other, so that special measures intended to keep the illuminating light source constant during the entire measuring time Need to become. Furthermore, the characteristic value for the roughness must be calculated by means of an arithmetic operation can be determined from the two discharge times.

Diese Nachteile sind bei den Verfahren zur optischen Bestimmung von Oberflächenrauhigkeiten aus dem Intensitätsverhältnis von diffus und spiegelnd reflektierter Strahlung nach der Erfindung dadurch behoben, daß die beiden Strahlungen mit Hilfe von Unterschieden in der Erscheinungsform, z. B. Frequenz, Modulation, oder durch Anwendung unterschiedlicher Beobachtungsrichtungen gleichzeitig verglichen werden. Infolge des gleichzeitigen Vergleichs braucht auf die Konstanz der Lichtquelle wenig Wert gelegt zu werden. Außerdem kann man die Auswertungsmittel so ausgestalten, daß sie eine direkte Ablesung des Rauhigkeitkennwertes ermöglichen. These disadvantages are in the method for the optical determination of Surface roughness from the intensity ratio of diffuse and specularly reflected Radiation according to the invention resolved that the two radiations with the help of differences in appearance, e.g. B. frequency, modulation, or by use different observation directions at the same time be compared. As a result of the simultaneous comparison needs to be constant Little importance is attached to the light source. You can also use the evaluation means designed so that they allow a direct reading of the roughness parameter.

Für die Durchführung des'Verfahrens gibt es verschiedene Möglichkeiten und insbesondere Vorrichtungen. There are various options for carrying out the process and particularly devices.

Bei der frequenzmäßigen Unterscheidung der beiden reflektierten Strahlungen muß man im Beleuchtungsstrahlengang und im Beobachtungsstrahlengang gleidiartige Frequenzsiebe anordnen, also bei Verwendung von Liehtstrahlung Farbfilter, die vorzugsweise komplementärfarbig für die beiden Strahlenarten gewählt werden. So kann Ibeispielsweise die Beleuchtung im Hellfeld mit grünem und die im Dunkelfeld mit rotem Licht durchgefülhrt werden. Für kupferfarbene Werkstoffe z. B., die Grün wesentlich schlechter spiegeln als Rot, kann rotes und ultrarotes Licht für die Unterscheidung benutzt werden. With the frequency-based differentiation of the two reflected radiations one has to be identical in the illumination beam path and in the observation beam path Arrange frequency filters, so when using light radiation color filters, preferably complementary colors can be chosen for the two types of rays. For example, I can the lighting in the bright field with green and that in the dark field with red light will. For copper-colored materials e.g. B. that reflect green much worse as red, red and ultra-red light can be used for the distinction.

Man verwendet beispielsweise eines der üblichen Auflichtmikroobjektive für Hellfeld- und Dunkelfeldbeleuchtung, durch das in üblicher Weise ein Ausschnitt der zu prüfenden Oberfläche reell vergrößert abgebildet wird. Der Strahlengang enthält also ein Hellfeldbild in beispielsweise grüner und ein Dunkelfeldbild in beispielsweise roter Farbe. One uses, for example, one of the usual reflected-light micro-lenses for brightfield and darkfield lighting, through which a cutout is made in the usual way the surface to be tested is shown enlarged in real terms. The beam path contains thus a bright field image in, for example, green and a dark field image in, for example red color.

Zur messungsmäßigen Auswertung der Lichtstärke beider Bilder wird die Strahlung einer Trennfläche zugeführt, die den einen Teil durch ein Grünfilter, den anderen Teil durch ein Rotfilter je einer Empfangseinrichtung, beispielsweise einer Photozelle oder einem Sperrschichtelement, zuleitet. Hierbei kann die halbdurchlässig spiegelnde Trennfläche so ausgebiLdet sein, daß sie die Filterwirkung unterstützt, indem beispielsweise ein an sich bekannter Gold- oder Fuchsinspiegel benutzt wird; ersterer reflektiert vorwiegend Rot und läßt vorwiegend Grün hindurch, während bei Letzterem die Verhältnisse umgekehrt liegen.For the measurement-based evaluation of the light intensity of both images, the radiation is fed to a separating surface, one part of which is passed through a green filter, the other part by a red filter of a receiving device, for example a photocell or a barrier element. Here, the semi-permeable reflective interface must be designed in such a way that it supports the filter effect, by using, for example, a gold or fuchsin mirror known per se; the former reflects predominantly red and lets through predominantly green, while at For the latter, the situation is reversed.

Eine besondere Ausführungsform der Erfindung bei Verwendung von Strahlung unterschiedlicher Frequenz besteht darin, daß die Frequenz der einen reflektierten Strahlung vor der Auswertung durch einen Frequenzwandler der Frequenz der anderen reflektierten Strahlung angeglichen wird. Bei Anwendung von Lichtstrahlen und visuellem Vergleich der beiden Strahlungen kann als Frequenzwandler beispielsweise ein fluoreszierender Stoff dienen. A particular embodiment of the invention when using radiation different frequency is that the frequency of the one reflected Radiation before evaluation by a frequency converter of the frequency of the other reflected radiation is adjusted. When applying light rays and visual Comparison of the two radiations can use a fluorescent frequency converter, for example Serve fabric.

Dieser kann gegebenenfalls auf der Wiedergabe.-fläche eines elektronenoptischen Bildwandlers angeordnet sein. Die Bildwandleranordnung kann hierbei gleichzeitig zur Durchführung des Intensitätsvergleichs verwendet werden.This can, if necessary, on the reproduction surface of an electron-optical Imager be arranged. The image converter arrangement can at the same time can be used to carry out the intensity comparison.

An Stelle von Strahlung unterschiedlicher Fre quenz kann man auch frequenzgleiche Strahlung unterschiedlicher Modulation verwenden. Der Modulationsunterschied kann entweder in der Frequenz, vorzugsweise aber in Ider Phase bestehen. Man kann bei dieser Verfahrensart die an sich bekannten Methoden der Flimmerphotometrie in sinngemäßer Abwandlung anwenden. Instead of radiation of different frequencies you can also Use radiation of the same frequency with different modulation. The modulation difference can consist either in the frequency, but preferably in the phase. One can in this type of procedure the known methods of flicker photometry in apply analogous modification.

Man kann auch als unterschiedliche Erscheinungsform der beiden Strahlungen ihren Polarisationszustand verwenden, ist aber hierbei ersichtlich auf diejenigen Anwendungsfälle beschränkt, in denen die Prüfdberfläche keine Beeinflussung des Polarisationszustandes der einen oder anderen Strahlung hervorruft. One can also think of the two radiations as having different manifestations use their polarization state, but this can be seen on those Limited use cases in which the test surface does not affect the The polarization state of one or the other radiation causes.

Der zweite grundsätzliche Weg zur Trennung der beiden reflektierten Strahlungen, nämlich die Beobachtung derselben aus unterschiedlichen Richtungen, läßt sich in besonders einfacherWeisedurchführen. Eine geeignete Vorrichtung besteht aus zwei konzentrischen Strahlenführungsmitteln, von denen das eine zur Beleuchtung und zur Beobachtung der spiegelnd reflektierten Strahlung und das andere zurBeobachtung der diffus reflektiertenStrahlung dient. Ein solches Gerät ähnelt also in seinem grundsätzlichen Aufbau den bekannten Hellfeld-Dunkelfelgd-Illuminatoren der Auflichtmikroskopie und enthält darüber hinaus Mittel, um das in Richtung des Dunkelfelldbeleuchtungsstrahlenganges diffus reflektierte Licht der Messung zugänglich zu machen. Morzugsweise ordnet man im Gang dem diffus reflektierten Strahlengang ringförmige optische Sammelglieder an, die diese Strahlung in zentrischer oder exzentrischer Anordnung in bezug auf die spiegelnd reflektierte Strahlung an den Strahlenvergleichsort leiten. The second fundamental way to separate the two reflected Radiations, namely the observation of them from different directions, can be carried out in a particularly simple manner. A suitable device exists from two concentric beam guiding means, one of which is for illumination and for observation of the specularly reflected radiation and the other for observation serves for the diffusely reflected radiation. Such a device is similar in its basic structure of the well-known brightfield-darkfield illuminators of reflected light microscopy and furthermore contains means for that in the direction of the dark skin illumination beam path to make diffusely reflected light accessible for measurement. Morally arranges one in the corridor of the diffusely reflected beam path ring-shaped optical collecting members to which this radiation in a centric or eccentric arrangement with respect to direct the specularly reflected radiation to the radiation reference point.

Der Vergleich der beiden reflektierten Strahlenaren erfolgt in Anpassung an die Strahlungsart mit den in der Strahlenvergleichstechnik, insbesondere Photometrie, üblichen Verfahren und Hilfsmitteln. Die Auswertung kann visuell oder objektiv durchgeführt werden. The comparison of the two reflected arrows takes place in adaptation the type of radiation with those used in radiation comparison technology, in particular photometry, usual procedures and tools. The evaluation can be carried out visually or objectively will.

In der Zeichnung sind einige Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt. Some exemplary embodiments of the invention are shown schematically in the drawing shown.

Bei der Ausführungsform nach Fig. I wird die zu prüfende Oberfläche I durch das Mikroobjektiv2 etwa in der Ebene 3 abgebildet und durch die Licht quelle 4 und den Kondensor 5 über den Planspiegel 6 und den Hohlspiegel 7 im Dunkelfeld, über die halbdurchlässige Platte 8 durch das Objektiv 2 hindurch im Hellfeld beleuchtet. Im Strahlengang befindet sich eine Filterscheibe 9, deren zentraler Teil 91 grün und d deren Randteil 92 rot gefärbt ist. Im Abbildungsstrahlengang befindet sich bei IO ein Prisma mit einer halb durchlässig spiegelnden Schicht 101 aus Gold; sie reflektiert vorwiegend die rote Strahlung, die durch das Rotfilter ii dem Sperrschichtelement 12 zugeleitet wird. Die durch die Schicht 101 hindurchgehende, vorwiegend grüne Strahlung durchsetzt das Grünfilter I3 und wird von dem Sperrschichtelement 14 aufgenommen. Die von den Elementen 12 und 14 erzeugten Ströme werden zwei Spiegelgalvanometern I5, I6 zugeführt, die einen von der Lichtquelle I7 kommenden Lichtstrahl koordinatenmäßig auf der Auffangfläche I8 so führen, daß aus dem Verhältnis der Koordinaten auf das Verhältnis der von der Prüffläche reflektierten Lichter und damit auf deren Oberflächenbeschaffenheit geschlossen werden kann. In the embodiment according to FIG. I, the surface to be tested is I imaged through the micro-objective2 approximately in level 3 and through the light source 4 and the condenser 5 via the plane mirror 6 and the concave mirror 7 in the dark field, Illuminated via the semitransparent plate 8 through the lens 2 in the bright field. In the beam path there is a filter disk 9, the central part 91 of which is green and d the edge portion 92 of which is colored red. In the imaging beam path is at IO a prism with a semi-transparent reflective layer 101 made of gold; she mainly reflects the red radiation that passes through the red filter ii the barrier element 12 is fed. The predominantly green one passing through the layer 101 Radiation passes through the green filter I3 and is absorbed by the barrier layer element 14. The currents generated by elements 12 and 14 become two mirror galvanometers I5, I6 supplied, which coordinate a light beam coming from the light source I7 on the collecting surface I8 in such a way that the ratio of the coordinates to the Ratio of the lights reflected from the test surface and thus to their surface properties can be closed.

Die Teile IO bis 14 können durch ein Okular ersetzt werden, um die zu untersuchende Oberflächenstelle aufzufinden und scharf einzustellen. The parts IO to 14 can be replaced by an eyepiece to get the Find the surface point to be examined and focus it.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 entsprechen die zu prüfende Oberfläche I, das Objektiv 2, die Lichtquelle 4, der Kondensor 5, die Spiegel 6 und 7, die Platte 8 und das Filterg den in Fig. 1 dargestellten Teilen. An ruder Stelle des reellen Bildes 3 befindet sich eine Sammellinse hoher Apertur I9, die von der Austrittspupille des Objektivs 2 ein kleines, aber sehr helles Bild 20 in einer aus Rhodamin bestehenden Schicht 21I entwirft. Zwischen den Teilen 19 und 21 ist ein Grünfilter 22 angebracht. Das Rhodamin wird durch die grünen Strahlen zu roter Fluoreszenz angeregt; das rotleuchtende Bildchen 20 wird durch die Okularlinsen 23, 24 der Eintrittspupille 25 des Gerätes zugeleitet. Zur Beseitigung restlicher Grünstrahlung befindet sich im Strahlengang ein Rotfilter 26. In the embodiment according to FIG. 2, the surfaces to be tested correspond I, the lens 2, the light source 4, the condenser 5, the mirrors 6 and 7, the Plate 8 and the filter g the parts shown in FIG. At the top of the Real image 3 is a converging lens of high aperture I9 that of the exit pupil of the lens 2 a small but very bright image 20 in one consisting of rhodamine Layer 21I designs. A green filter 22 is attached between the parts 19 and 21. The rhodamine is stimulated to red fluorescence by the green rays; the red glowing one The image 20 becomes the entrance pupil 25 of the device through the ocular lenses 23, 24 forwarded. To eliminate residual green radiation is located in the beam path a red filter 26.

Ein anderer Teil der vom Objektiv 2 kommenden Strahlung wird durch die Prismen 27, 28 direkt dem Okularteil 24 bzw. zudem Auge 29 zugeleitet; die Abstände der Teile 24 und 28 sind so gewählt, daß die als Photometerkante dienende Prismenkante 28I scharf gesehen wird. über die Prismen 27 und 28 kann nur das durch die Randzone 92 und über die Spiegel 6 und 7 geführte, der Dunkelfeldbeleuchtung dienende rote Licht im Auge wirksam werden. Another part of the radiation coming from the lens 2 is through the prisms 27, 28 are fed directly to the eyepiece part 24 or to the eye 29; the distances of parts 24 and 28 are chosen so that the prism edge serving as the photometer edge 28I is seen sharply. Via the prisms 27 and 28, only that can be done through the edge zone 92 and led over the mirrors 6 and 7, the dark field illumination serving red Light become effective in the eye.

Durch einen Kreiskeil 3I von grüner Färbung, der den gesamten Strahlengang zwischen dem Objektiv2 und der Linse 19 bzw. dem Prisma 27 erfaßt, können die Helligkeiten beider Strahlengänge einander gleichgemacht und aus der Stellung des einen oder anderen Keiles die Rauhigkeit der Oberfläche I bestimmt werden.By a circular wedge 3I of green coloring, which covers the entire beam path detected between the objective 2 and the lens 19 or the prism 27, the brightness both beam paths are made equal to each other and from the position of one or other wedge the roughness of the surface I can be determined.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 3 wird die zu prüfende Oberfläche I durch den Kondensor 5 über den halbdurchlässigen Spiegel 8 hinweg und durch das Objektiv 2 von der Lichtquelle 4 her beleuchtet. Die spiegelnd reflektierten Strahlen liefern ein Bild der Oberfläche I durch das Objektiv 2, die Mitte der Linse 32 und das Prisma 33 am Ort des ringförmigen Graukeiles 3I. Die diffus reflektierten Strahlen werden von dem Ringspiegel 7 aufgefangen und liefern über die Randteile der Linse 32 ein Bild der Oberfläche I am Ort 34. Durch Drehen des Keiles 3I kann die Helligkeit beider Bilder einander angeglichen werden. Mit Hilfe der Feldlinsen 35 und 36 werden die Strahlendurchtrittsflächen der Linse 32 in etwas verschiedenem Maßstab so in der Ebene 37 abgebildet, daß das zentrale Bündel sich lückenlos dem pheripheren einfügt. Die Ebene 37 wird durch die Lupe 24 vom Auge 29 betrachtet. In the embodiment of FIG. 3, the surface to be tested I through the condenser 5 across the semi-transparent mirror 8 and through the Objective 2 illuminated by the light source 4. The specularly reflected rays provide an image of the surface I through the objective 2, the center of the lens 32 and the prism 33 at the location of the annular gray wedge 3I. The diffusely reflected rays are picked up by the annular mirror 7 and deliver over the edge parts of the lens 32 an image of the surface I at location 34. By turning the wedge 3I, the brightness both images are aligned with one another. With the help of the field lenses 35 and 36 the beam passage surfaces of the lens 32 on a slightly different scale as in of level 37 shown that the central bundle is seamlessly connected to the peripheral one inserts. The plane 37 is viewed by the eye 29 through the magnifying glass 24.

Gegebenenfalls verwendete zusätzliche Mittel zum einwandfreien Aneinanderfügen der beiden hinsichtlich der Intensität miteinander zu vergleichenden Lichtbündel wurden nicht gezeichnet.If necessary, additional means used for perfect joining of the two light bundles to be compared with one another in terms of intensity were not drawn.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform der Erfindung dargestellt, die sich der Flimmermethode bedient. In Fig. 4, an embodiment of the invention is shown, the uses the flicker method.

Die Oberfläche I wird über das Objektiv 2 und den halbdurchlässigen Spiegel 8 von der Lichtquelle 4 durch den unteren Teil des Kondensors 5 im Hellfeld und von dem durchbohrten Planspiegel 6 und dem Ringhohlspiegel 7 über den oberen Teil des Kondensor 5 im Dunkelfeld beleuchtet. Die um die Achse 41 drehbare Scheibe 42 (Fig. 4 a) gibt durch ihre entsprechend gestalteten Ausschnitte abwechselnd den Hellfeld- und den Dunkelfeldstrahlengang frei. Von der Achse ÇI wird weiterhin ein Exzenter 43 angetrieben, der einer um die Achse 44 kippbaren Planparallelplatte 45 jeweils eine Neigung nach links oder rechts erteilt, je nachdem der Hellfel-d- oder Dunkelfeldstrahlengang freigegeben ist. Dementsprechend entwirft das Objektiv 2 ein Bild der Oberfläche abwechselnd in den Abschnitten 46 und 47 des Gesichtsfeldes, das durch eine nicht dargestellte Lupe vergrößert dem Auge dargeboten wird. Zur Angleichung der Intensität beider Strahlengänge ist ein streifen- oder ringförmiger Graukeil 3I im Hellfeldbeleuchtungsstrahlengang angebracht. Die Achse 4I mit der Scheibe 42 und dem Exzenter 43 läuft in an sich bekannter Weise so schnell um, daß das Flimmern in beiden Gesichtsfeldhälften 46, 47 unsichtbar wird.The surface I is over the lens 2 and the semitransparent Mirror 8 from the light source 4 through the lower part of the condenser 5 in the bright field and from the perforated plane mirror 6 and the annular concave mirror 7 via the upper one Part of the condenser 5 illuminated in the dark field. The disc rotatable about axis 41 42 (Fig. 4 a) are alternately the through their appropriately designed cutouts Brightfield and darkfield beam path free. From the ÇI axis, a Eccentric 43 driven, of a plane parallel plate that can be tilted about axis 44 45 each is inclined to the left or to the right, depending on the Hellfel-d- or dark field beam path is released. Accordingly, the lens designs 2 an image of the surface alternately in sections 46 and 47 of the field of view, which is presented to the eye enlarged by a magnifying glass (not shown). To the Alignment of the intensity of both beam paths is a strip-shaped or ring-shaped one Gray wedge 3I attached in the bright field illumination beam path. The axis 4I with the Disk 42 and the eccentric 43 revolves in a manner known per se so quickly that the flicker in both halves of the field of view 46, 47 becomes invisible.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Method for the optical determination of surface roughness from the intensity ratio of diffuse and specularly reflected radiation, characterized in that the two radiations with the help of differences in the appearance, e.g. B. frequency, modulation, or by applying different Observation directions can be compared at the same time.

2 The method according to claim I, characterized in that when using of illuminating radiation of different frequency is the frequency of the one reflected Radiation before evaluation by a frequency converter of the frequency of the other reflected radiation is adjusted.

3. The method according to claim I or 2 when using light rays, characterized in that a fluorescent substance is used as the frequency converter.

4. Apparatus for performing the method according to claim I, characterized by two concentric radiation guiding means, of which the one for illuminating and observing the specularly reflected radiation and the other is used to observe the diffusely reflected radiation.