DD259245A1 - Anordnung zur winkelaufgeloesten streulichtmessung - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur winkelaufgeloesten Streulichtmessung und dient zur Ermittlung des raeumlichen Lichtstreuverhaltens technischer Oberflaechen und damit ihrer Charakterisierung hinsichtlich Oberflaechenrauheit, Mikrodefekten, Kontaminationen. Das von einem Laser ausgehende Licht wird auf eine Prueflingsoberflaeche fokussiert und das von der Prueflingsoberflaeche ausgehende Streulicht mittels fotoelektrischer Empfaenger, die kontinuierlich auf einem Meridianviertelkreis angeordnet sind, empfangen. Der Meridianviertelkreis ist azimutal um 360 drehbar, wobei die Drehachse des Meridianviertelkreises mit der Symmetrieachse des einfallenden Laserlichtes identisch ist. Vor den Fotoempfaengern ist eine Schlitzblende zur Raumwinkelkorrektur vorgesehen. Die Drehung des Meridianviertelkreises erfolgt rechnergesteuert, der Rechner wird zur Messwertregistrierung, Messwertverarbeitung und Messwertdarstellung genutzt. Fig. 1
Description
Hierzu 1 Seite Zeichnungen
Die Erfindung ist anwendbar zur Ermittlung des räumlichen Lichtstreuverhaltens technischer Oberflächen.
Sie gestattet auf der Grundlage der Erfassung und Bewertung des räumlichen Lichtstreuverhaltens von Oberflächen deren Charakterisierung hinsichtlich Oberflächenrauheit, Mikrodefekten und Kontaminationen.
Die Prüfung feinstbearbeiteter Oberflächen auf ihre Rauheit sowie auf das Vorhandensein von Oberflächendefekten und deren Klassifikation erfolgt gegenwärtig durch manuelle, halbautomatische und vollautomatische Vorrichtungen. Die manuellen und halbautomatischen Vorrichtungen nutzen für den Prüfentscheid die sensorischen Fähigkeiten der Prüfperson. Prinzipiell lassen sich alle zur Größen- und Artenklassifikation von Oberflächendefekten sowie zur Rauheitsbestimmung notwendigen . Informationen aus der räumlichen Streulichtverteilung, die von einem beleuchteten Oberflächengebiet ausgeht, entnehmen. Voraussetzung dafür ist, daß der Charakter der Streulichtverteilung sowohl genügend detailfiert als auch in seiner Gesamtheit erfaßt und ausgewertet werden kann.
Bekannte automatische Meß- und Prüfanordnungen sind hierzu nicht in vollem Umfang fähig, sondern arbeiten nur auf der Grundlage der teilweisen Erfassung der räumlichen Streulichtverteilung.
Anordnungen wie in Gast, T. u.a.: „Optische Meßverfahren zur Bestimmung von Maß, Form und Oberflächengüte", VDJ-Berichte, Nr.408, München 1981, oder Schwab, G.: „Optisches Messen der Oberflächenrauhigkeit", Metalloberfläche 39 (1985) 2 S. 51, beschrieben, nutzen jeweils nur einen Teil der räumlichen Streulichtverteilung zur Ermittlung von Defektgröße und Defektart sowie der Oberflächenrauheit aus, oder sie verfassen das Streulicht nur integral.
Bei den bekannten TIS-Meßverfahren (TIS-total integrated Scattering), die ζ. B. in Elsen, J. M.: „Relationship of the total integrated Scattering from multilayer conted optics to angle of incidence, polarisation, correlation length and raughness crosscorrelation properties" Appl. Optics 22 (1983), S.3207, wird die gesamte räumliche Streulichtverteilung erfaßt, kann aber bezüglich ihrer Detailliertheit nicht analysiert werden. Dazu sind verschiedene ARS Meßanordnungen (ARS = angle resolved Scattering) in der Lage. Sie erlauben eine detaillierte Erfassung der räumlichen Streulichtverteilung mittels eines einzelnen durch zum Teil komplizierte mechanische Bewegungselemente in mindestens zwei Koordinaten zur Abtastung des gesamten Halbraumes bewegten Empfängers wie z.B. Orazio u.a.: „Instrumentation of a variable Angle Scatterometer (VAS)", Pwc. SPIE 384(1983), S. 123.
Die Anordnung nach Gilsen, Vorburger: „Surface Ranghness Metrology by Angular Distribution of Scathred fight", Proc. SPIE 525 (1985) S. 2, ist zur detaillierten Erfassung der räumlichen Streulichtverteilung des gesamten Halbraumeä in der Lage, versagt aber für den Spezialfall des senkrechten Lichteinfalls und der Streulichtmessung in der Einfallsebene.
Ziel der Erfindung ist eine Anordnung, die die räumliche Streulichtverteilung, auch bei senkrechten Lichteinfall auf die Probenoberfläche in ihrer Gesamtheit detailliert erfaßt. ,
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung zu schaffen, die die Erfassung der räumlichen Streulichtverteilung, ausgehend von einem durch ein Laserbündel beleuchteten Oberflächengebiet, winkelaufgelöst realisiert. Damit soll es möglich sein, technische Oberflächen auf der Basis ihrer räumlichen Streulichtgeometrie und Streulichtintensität zu charakterisieren.
Insbesondere soll die Erfassung der räumlichen Streuwirkung von Mikrodefekten auf feinstbearbeiteten Oberflächen möglich
Die Aufgabe löst eine Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Strahlenleiter zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahles in einen Meß-und einen Vergleichsstrahl und einem im Vergleichsstrahl angeordneten fotoelektrischen Empfänger, weiterhin bestehend aus einem im Meßstrahl befindlichen Prüfling und einer mit einem Rechner gekoppelten fotoelektrischen Empfangseinrichtung für von der Prüflingsoberfläche ausgehendes Streulicht, wobei zwischen Lichtquelle und Strahlenteiler sowie zwischen Strahlenteiler und Prüfling Mittel zur Beeinflussung des Lichtstrahles vorgesehen sind, und bestehend aus einem fotoelektrischen Empfänger zur Messung der Intensität des von der Prüflingsoberfläche direkt reflektierten Lichtstrahles, erfindungsgemäß dadurch, daß die fotoelektrische Empfangseinrichtung aus auf einem Meridianviertelkreis kontinuierlich angeordneten diskreten Fotoempfängern besteht, daß der Meridianviertelkreis azimutal um 360° über ein Getriebe mittels eines durch den Mikrorechner gesteuerten Schrittmotors drehbar ist, wobei die Drehachse des Meridianviertelkreises mit der Symmetrieachse des auf die Prüflingsoberfläche einfallenden Lichtstrahles identisch ist, daß vor den auf dem Meridianviertelkreis benachbart angeordneten Fotoempfängern eine Schlitzblende zur Raumwinkelkorrektur angeordnet ist, daß alle auf dem Meridianviertelkreis angeordneten Fotoempfänger über einen vom Rechner gesteuerten Analogmultiplexer mit einem Meßverstärker gekoppelt sind und dem Meßverstärker ein.
Analog-Digital-Wandler und der Mikrorechner nachgeschaltet sind.
Es ist auch möglich, daß die Fotoempfänger der fotoelektrischen Empfangseinrichtung außerhalb des Meridianviertelkreises angeordnet und auf dem Meridianviertelkreis optische Mittel zur Erfassung des Streulichts vorgesehen sind. Die Fotoempfänger sind optischen Mitteln zugeordnet. Hierbei können jegliche Fotoempfänger verwendet werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung erfaßt das von der Prüflingsoberfläche ausgehende Streulicht durch die entlang des Meridianviertelk'reises kontinuierlich angeordneten diskreten Fotoempfänger. Die vor den auf dem Meridianviertelkreis angeordneten Fotoempfängern befindliche Schlitzblende dient der Raumwinkelkorrektur.
Das Laserbündel kann durch eine zwischen Laser und Prüflingsoberfläche angeordnete λ/4-Platte und einem zwischen Teilerspiegel und Prüfling befindlichen Polarisator.in seinen Polarisationseigenschaften definiert beeinflußt und durch das optische System vor dem Teilerspiegel mit variablem Durchmesser des Laserspots auf die Prüflingsoberfläche fokussiert werden. Durch den Teilerspiegel für die Aufspaltung in einen Meß- und einen Vergleichsstrahl und je einem Fotoempfänger im Vergleichsstrahl sowie im Reflexionsstrahlengang wird die Intensität sowohl des einfallenden als auch des von der Prüflingsoberfläche direkt reflektierten Laserbündels fotometrisch bestimmt.
Der Mikrorechner dient sowohl zur Meßwertregistrierung, -verarbeitung und -darstellung.
Während des rechnergesteuert ablaufenden Meßvorganges wird die räumliche Streulichtverteilung ,durch polares und azimutales Scannen ermittelt.
Das polare Scannen erfolgt durch serielle Abfrage der Fotoempfänger des Meridianviertelkreises und das azimutale durch schrittweise Rotation des Meridianviertelkreises um die Symmetrieachse.
Durch Softwarealgorithmen können die im Mikrorechner gespeicherten Meßwerte in geeigneter Weise bewertet und über Display bzw. Plotter als polare oder azimutale Streulichtverteilungsfunktion ausgegeben werden. Damit lassen sich spezielle Oberflächenrauheits-oder-defekteigenschaften aus der räumlichen Streulichtverteilung ermitteln.
Ausführungsbeispiel
Die Erfindung wird anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben.
Fig. 1 zeigt die optisch-mechanische Anordnung,
Fig. 2 die Steuer-und Meßwerterfassungselektronik, die von einem Mikrorechner kontrolliert wird.
Ein vom einem Laser 1 ausgehendes Lichtbündel 2 gelangt zu einem aus den Linsen 3,4 und 5 bestehenden optischen System, mit dem der Durchmesser des Lichtbündels 6 variiert werden kann.
Das Laserbündel 6 gelangt durch eine λ/4-Platte 7 über einen Teilerspiegel 8 zu einem Polarisator 9 und zu einer Fokussierlinse 10 sowie zu einer Vergleichsfotodiode 11. Der variabel einstellbare Durchmesser des Laserbündels 6 bewirkt einen einstellbaren Durchmesser des Laserspots 12 auf der Oberfläche eines Prüflings 13.
Derauf der Prüflingsoberfläche 13 vom Laserspot 12 ausgehende, durch die Oberflächeneigenschaften des Prüflings 13 bestimmte Streulichtstrom 14 gelangt in einem durch eine Schlitzblende 15 begrenzten Raumwinkelbereich auf auf einem Meridianviertelkreis 16 unmittelbar benachbart angeordnete Fotodioden 17.
Der Meridianviertelkreis 16 ist durch einen Schrittmotor 18 in definierten Winkelschritten um die Symmetrieachse 19 des fokossierten Laserbündels 20 drehbar. <
Der von der Prüflingsoberfläche 13 ausgehende direkte Reflex gelangt durch den Teilerspiegel 8 und über einen Umlenkspiegel 21 in einen aus Feldlinse 22, Projektor 23, Okular 24 und Kameraansatz 25 bestehenden Abbildungsstrahlengang. Durch einen Teilerwürfel 26 wird der direkte Reflex zu einer Fotodiode 27 ausgekoppelt und kann meßtechnisch erfaßt werden. Ein Mikrorechner 28 steuert die Meßwerterfassung. Zur Meßwerterfassung werden die Fotoempfänger 17 auf den Meridian viertel kreis 16 und die Fotoempfänger 11, 27 für die Intensitätsmessung des einfallenden und des von der Prüflingsoberfläche.13 direkt reflektierten Lichtbündels über einen Analogmulitplexer 29 seriell auf einen Meßverstärker 30 geschältet. Die dem empfangenen Lichtanteil entsprechende verstärkte Fotospannung wird einem Analog-Digital-Umsetzer 31 zugeführt und über eine Ein-/Ausgabebaugruppe 32 als digitaler Wert im Mikrorechner 28 gespeichert. Der Empfindlichkeitsbereich des Meßverstärkers 30 ist so ausgelegt, daß als untere Grenze das Streulicht Meiner feinstbearbeiteten Prüflingsoberfläche 13 im Fernwinkelbereich erfaßt wird. Die Laserintensitätsschwankungen werden durch den Fotoempfänger 11 erfaßt und durch den Mikrorechner 28 kompensiert. Die thermische Drift der Elektronikbaugruppen wird durch Dunkelstrommessungen vor und nach dem eigentlichen Meßvorgang erfaßt und zur rechentechnischen Meßwertkorrektur genutzt. Nach Aufnahme alier Meßwerte einer azimutalen Stellung des Meridianviertelkreises 16 steuert der Mikrorechner 28 über die EinVAusgabebaugruppe 32 und eine Schrittmotoransteuerung 33 die Bewegung des Schrittmotors 18 so, daß sich die neue Meßposition raumwinkeimäßig direkt an die vorhergehende anschließt.
Claims (3)
1. Anordnung zur winkelaufgelösten Streulichtmessung, bestehend aus einer Lichtquelle, einem Strahlenteiler zur Aufspaltung des von der Lichtquelle ausgehenden Strahles in einen Meß- und einen Vergleichsstrahl und einem im Vergleichsstrahl angeordneten fotoelektrischen Empfänger, weiterhin bestehend aus einem im Meßstrahl befindlichen Prüfling und einer mit einem Rechner gekoppelten fotoelektrischen Empfangseinrichtung für von der Prüflingsoberfläche ausgehendes Streulicht, wobei zwischen Lichtquelle und Strahlenteiler sowie zwischen Strahlenteiler und Prüfling Mittel zur Beeinflussung des Lichtstrahles vorgesehen sind, und bestehend aus einem
' fotoelektrischen Empfänger zur Messung der Intensität des von der Prüflingsoberfläche direkt reflektierten Lichtstrahles, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrische Empfangseinrichtung auf einem Meridianviertelkreis (16) kontinuierlich angeordneten diskreten Fotoempfängern (17) besteht, daß der Meridianviertelkreis (16) azimutal um 360° über ein Getriebe mittels eines durch den Mikrorechner (28) gesteuerten Schrittmotors (18) drehbar ist, wobei die Drehachse des Meridianviertelkreises (16) mit der Symmetrieachse (19) desauf die Prüflingsoberfläche (13) einfallenden Lichtstrahles (2) identisch ist, daßvorden auf dem Meridianviertelkreis (14) benachbart angeordneten Fotoempfängern (17) eine Schlitzblende (15) zur Raumwinkelkorrektur angeordnet ist, daß alle auf dem Meridianviertelkreis (16) angeordneten Fotoempfängern (17) über einen vom Rechner (28) gesteuerten Analogmultiplexer (29) mit einem Meßverstärker (30) gekoppelt sind und dem Meßverstärker (30) ein Analog-Digital-Wandler (31) und der Mikrorechner (28) nachgeschaltet sind.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erfassung des vom Prüfling (13) ausgehenden Streulichtes (14) auf dem Meridianviertelkreis (16) optische Mittei angeordnet und diesen Fotoempfänger (17) außerhalb des Meridianviertelkreises (16) zugeordnet sind.
3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl zwischen Laser (1) und Strahienleiter (8) als auch zwischen Strahlenteiler (8) und Prüfling (13) poiarisationsoptische Bauelemente (7, 9) vorhanden sind.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| DD30109487A DD259245A1 (de) | 1987-03-25 | 1987-03-25 | Anordnung zur winkelaufgeloesten streulichtmessung |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE4105509A1 (de) * | 1991-02-22 | 1992-08-27 | Univ Schiller Jena | Streulichtmessanordnung zur untersuchung der oberflaechenrauheit |
-
1987
- 1987-03-25 DD DD30109487A patent/DD259245A1/de active Search and Examination
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