DE2059502B2 - Optische Tastvorrichtung zur Bestimmung der Lage einer ebenen oder sphärischen Oberfläche eines strahlenreflektierenden Objekts - Google Patents
Optische Tastvorrichtung zur Bestimmung der Lage einer ebenen oder sphärischen Oberfläche eines strahlenreflektierenden ObjektsInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Tastvorrichtung
zur Bestimmung der Lage einer ebenen oder sphärischen Oberfläche eines strahlenreflektierenden
Objekts, wobei das von einer Lichtquelle kommende Licht über einen Kondensator, einen
Lichtspalt und einen halbdurchlässigen Spiegel einem auf die abzutastende Objektfläche eingestellten Objektiv
zugeführt wird, so daß auf der reflektierenden Objektfläche ein Bild entsteht, das durch das Objektiv
auf einen Modulator fur den optischen Weg abgebildet wird, und wobei das modulierte optische Signal durch
foioelektrische Mittel ausgewertet wird.
Bei einer bekannten Vorrichtung ähnlicher Art (Fig 4 der deutschen Auslegeschrift I 103 050) zum
Scharfeinstellen optischer Systeme wird das das System durchsetzende Lichtbündel derart in zwei Teile
6ü /erlegt, daß die Trennebene der Teile die optische
Achse enthält, und ist eine längs der optischen Achse relativ /um System meßbar verschiebliche Foucaultsche
Schneide angeordnet. mit welcher diejenige Stelle aufgesucht werden kann, in der die Schneide
die Helligkeit dei beiden Teile in gleichem Verhältnis beeinflußt, was fotoelektrisch in bekannter Weise bestimmt
werden kann.
Bei dieser und ahnlichen Meßvorrichtunger
(USA.-Patentschrift 3 319 515) ist zur Erzeugung von
Interferenz zweier Strahlenbündel eine punktförmige Lichtquelle oder ein Gitter erforderlich.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vomchtung der eingangs genannCen Art zu schaffen,
bei der die Empfindlichkeit und Helligkeit der Meßvorrichtung wesentlich erhöhi ist und die trotz Verwendung
eines Interferometers auch auf sphärische oder zur Abtaststrahlenrichtung leicht geneigte Objekte
anwendbar ist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst,daß
dasdurch einen ersten Polarisator polarisierte Licht der Lichtquelle in einem in der Ebene des Zwischenbildes
der Objektfläche angeordneten doppelbrechenden Glied eine Zerlegung in zwei räumlich
versetzte Strahlenbündel erfährt, daß die beiden um 90° zueinander polarisierten Komponenten durch das
Objektiv hindurch auf die abzutastende Objektfläche fokussiert werden und die von dort reflektierenden
Strahlenbündel durch das Objektiv, das doppe/brechende Glied, den halbdurchlässigen Spiegel und
durch einen zweiten Polarisator auf einen fotoelektrischen Empfänger gelangen, der den dem gemeinsamen
Teil der durch das doppelbrechende Glied erzeugten beiden Bildern entsprechenden Lichtstrom
integriert, und daß zwischen der Austrittspupille des Objektivs und der Zwischenbildebene ein Modulator
angeordnet ist zum vorübergehenden Verändern des Abstands zwischen der Ebene der Austrittspupille und
dem doppelbrechenden Glied abwechseln 1 in der einen und in der entgegengesetzten Richtung
Bei der erfindungsgemäßen optischen Tastvorrich· tung wird die Änderung der Lage der abzutastenden
Objektfläche als Differenz zwischen zwei Wellenflächen der mit Hilfe eines doppelbrechenden Glieds erzeugten,
räumlich zueinander versetzten Strahlenbündel erfaßt. Die Meßgenauigkeit ist dadurch größer
als bei den bekannten Meßvorrichtungen der eingangs genannten Art. Sie wird auch nicht beeinträchtigt,
wenn die Objektfläche nicht eben ist oder eine kleine Neigung zur Richtung dtr Abtaststrahlenbündel besitzt.
Ebenso wie die bekannten, als Interferometer arbeitenden
Vorrichtungen kann auch die erfindungsgemäße Vorrichtung dazu dienen, ein Mikroskop oder
ein optisches Vergrößerungsgerät selbsttätig scharf auf ein Oöjekt einzustellen. Ferner kann das Profil
einer Oberfläche selbsttätig registriert weiden und können Abstände zwischen Objekt-Oberflächen ermittelt
werden.
Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Vorrichtung werden nachstehend schematised und beispielsweise
an Hand der Zeichnungen beschrieben, und zwar zeigt
Fig. 1 eine Ausführungsform, bei der der Modulator
ein schwingender Spiegel ist.
Fig. 2 eine abgeänderte Ausfuhrungsform, bei der
der Modulator ein schwingendes Prisma ist,
Fig. 3 a die durch ein doppelbrechendes Prisma erzeugten
zwei Austrittspupillen des Objektivs nach Fig. 1 für den Fall, daß kein Fehler in der Scharfeinsteilung
vorliegt,
Fig. 3b die zwei Austiittspupillen des Objektivs
für den Fall, daß ein Fehler in der Scharfeinstellung vorliegt,
Fig. 4 eine Ausfiihrungsform. bei der das doppelbrechende
Prisma mit einem schwingenden Träger verbunden ist und den Modulator bildet.
Fig. 5 eine Ausführungsform zur Bestimmung der Lagekoordinaten streuender Flächen, bei der der
Lichtspalt durch eine punkiförmige Lichtquelle oder eine von der Lichtquelle über einen Kondensor beleuchtete
Lochblende ersetzt ist.
Fig. 6 eine Abwandlung der Ausführung nach Fig. 5, wobei das doppelbrechende, als Interferometer
arbeitende Glied durch zwei hintereinander geschaltete Wollaston-Prismer.ersetzt ist, die eine seitii-
ehe Aufteilung des Lichtstroms in ein ordentliches und
ein außerordentliches Strahlenbündel bewirken, und wobei der Modulator aus einer sich drehenden zylindrischen
Linse besteht,
Fi g. 7 a und 7 b je eine Abwandlung des Interfero-
meterteils der Ausführung nach Fig. 6. wobei die Aufteilung des. Lichtstroms durch zwei Linsen veränderlich
einstellbar ist, die als Interferometer und als Modulator dienen, und
Fig. 8 ein Blockschema zur Darstellung prakti-
scher Anwendungsfälle der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
Zur besseren Erläuterung der Erfindung sei zunächst auf die Fig. 1 bis Fig. 4 Bezug genommen.
Gemäß Fig. 1 sei angenommen, daß ein Objektiv
as Ob eine Gegenstandsebene A und eine Bildebene Ä
habe. In die Ebene des Zwischenbildes A' ist ein doppelbrechendes Prisma W, z. B. von der Wollaston-Bauart,
eingebracht. Zwischen der Pupille P des Objektivs und der Zwischenbildebene A' ist ein
Spiegel M eingebracht, der als Modulator der Tubuslänge des Geräts dient. Zu diesem Zweck wird der
Spiegel mit einer sinusförmigen Schwingbewegune. und zwar nut einer Amplitude X1' und einer Frequenz
/ angetrieben. Diese Schwingbewegung kann
in an sich bekannter Weise erzeugt werden, in dem in der Zeichnung dargestellten Fall z. B. dadurch, daß
man den Spiegel fest mit einem piezoelektrischen keramischen Stab K verbindet, der an seinem einen
Ende fest eingespannt ist. Man kann für die Erzeugung
der Schwingbewegung auch andere elektrodynamische oder elektromagnetische Mittel verwenden, z. B.
indem man den Spiegel fest mit einem piezoelektrischen Keramikrohr oder mit einer elektromagnetischen
Spule verbindet. Das von einer Lichtquelle /.
ausgesandte Licht beleuchtet durch einen Kondensor C hindurch eine Feldblende D1 und eine Blendenöffnung
D1,, die z. B. vermöge der optischen Gruppen L-, bzw. L1 zu A' bzw. zu P konjugiert sind. Das Licht
der Lichtquelle wird durch einen Polarisator P1 pola-
risiert. der in einem Winkel von 45° zu den Achser des Wollaston-Prismas W ausgerichtet ist. In dem
Beispielsfall der Fig. 1 bewirkt der keramische, pie-/'oelektrische
Körper K eine geringe Drehung de1 Strahlenbündels. Dm keine Störung des untersuchter
I nlerferogramms hervorzurufen, muß man das WoIIaston-Prisma W derart ausrichten, daß seine Polkanu
(d. h das eigentliche Streifensvstem) parallel zu der jenieen Ebene \erläuft, in der sich die vorgenannte
Drehung vollzieht. Um diesen Fehler zu vermeiden kann man auch den schwingenden keramischen Kör
per λ' fest mit einem Spiegel Q verbinden (Fig. 2)
der die Form eines rechtwinkligen Keils hat, dann
das reflektierte Strahlenbündel dem einfallender Strahlenbündel parallel verbleibt. Das Strahlenbünde
gelangt nach seiner Reflexion an den Gegenstand /
und nachdem es wieder durch das Objektiv Ob um das Interferometer (^hindurchgegangen ist. zu einerr
iotoempfindlichen Empfänger R. wobei es zuvo;
durch eine halblichtdurchlässige Scheibe G und einen
Annlysator Ax hindurchgegangen ist, der zu dem Polarisator
P1 gekreuzt angeordnet ist.
Liegt ein Fehler in der Fokussierung (s. Fig. 3)
nicht vor. so teilt das Interferometer W das Strahlenbündel in zwei rechtwinklig zueinander polarisierte
Strahlenbündel auf, nämlich ein außerordentliches Strahlenbündel E und ein ordentliches Strahlenbündel
O. Die Austrittspupille P des Objektivs wird verdoppelt
bzw. in zwei Pupillen, eine außerordentliche Pupille P1 und eine ordentliche Pupille P0 aufgeteilt,
und die auf den Punkt A' zentrierte Welle wird verdoppeil bzw. in eine außerordentliche Welle 2", und
eine ordentliche Welle Ση aufgeteilt, die gleichfalls auf
den Punkt A' zentriert sind.
Nimmt man an, daß die Ebene der Ausgangspupille P des Objektivs mit der hinteren Brennebene
des Objektivs zusammenfallt, damit das Bild der Pupille P, das z. B. durch das Objektiv zusammen mit
dem el:C::-in Spiegel entworfen wird, in der Ebene P
entsteht, und wenn man außerdem annimmt, daß das Objektiv Ob vollkommen und das Punktepaar A und
A' stigmatisch ist, so sind die Wellen Xt und I0 kugelförmig.
Da das Interferometer W zwischen gekreuzte Polarisatoren eingebracht ist. sind die beiden vorgenannten
Wellen, wenn man den Punkt A als eine punktförmige Lichtquelle betrachtet, kohärent miteinander
und können in dem Teil, der bei der Verdoppelungbzw. Trennung ihnen gemeinsam ist. miteinander
interferieren Da die Interferenzen subtraktiv il.iJ, beobachtet man also, wenn das Objektiv als vollkommen
angenommen wird, in dem gemeinsamen Teil des durch die Verdoppelung getrennten Strahlengangs
ein farbiges, dunkles, durch Kreisbogen begrenztes Feld. In diesem Fall erhalt der f'otoelektrische
Empfänger R einen Lichtstrom, der theoretisch Null und praktisch sehr klein ist (die Beleuchtung des gemeinsamen
Teil·.; der geteilten Wellenzüge ist nicht vollkommen Null, und zwar infolge der Eigenschaften
der optischen Elemente, insbesondere der Polarisatoren, und der fotoeleUtrische Empfänger erhält dann
gegebenenfalls auch Lichtströme, die den Teilen entsprechen, die den Wellenoberflächen nicht gemeinsam
sind). Es ist zu bemerken, daß diese Überlegung unter der Annahme angestellt wird, daß ein einziger
Punkt A des Feldes beleuchtet ist. In Wirklichkeit ist die Phasenverschiebung, die von der Doppelbrechung
in einem Punkt des Wollaston-Prismas herrührt, dem Abstand dieses Punktes vom Mittelpunkt proportional.
Bei der in Fig. 1 gezeigten Anordnung ist das Prisma von selbst mit einer Vergrößerung von + 1 in
bezug auf das System konjugiert, das aus dem Objektiv Ob und dem ebenen Spiegel zusammengesetzt ist,
der das Objekt A bildet. Jeder der Punkte des endgültigen Feldes liefert also auf eigene Rechnung ein Interferogramm,
und die Gesamtheit der Interfero- gramme verursacht die in der gemeinsamen Zone der
Wellentrennung beobachtete Störungsfigur. Um dieser Erscheinung abzuhelfen, bringt man zwischen das
Interferometer und die Pupille eine dünne Scheibe, deren Dicke ein Viertel der Wellenlänge λ beträgt und
die unter einem Winkel von 45° zu den Achsen des Wol'aston-Prismas orientiert ist, wobei die dünne
Scheibe zweimal vom Licht, d. h. über einen Weg durchquert wird, der einer halben Wellenlänge ent
spricht, wodurch das außerordentliche Strahlenbündel in ein ordentliches Strahlenbündel und das ordentliche
Strahlenbündel in ein außerordentliches Strahlenbündel umgewandeli wird. Auf diese Weise ergibt sich
eine selbsttätige Kompensation des Interferometers. Dieses kann nun mit einer Lichtquelle für weißes Licht
arbeiten, und man kann ein begrenztes Feld bzw. endliches Feld in dem Fall verwenden, daß das Objekt
durch einen ebenen Spiegel gebildet wird.
Liegt ein Fehler in der Fokussierung (Fig. 3b) vor.
so befindet sich der Bildpunkt A' nicht mehr in der
ίο Ebene des Interferometers lfund wird daher das Bild
in zwei Bilder aufgeteilt, nämlich das außerordentliche Bild Α) und ein ordentliches Bild A'„. In erster Annäherung
sei noch angenommen, daß die in diesen Punkten /.enirierten bzw. entstehenden Wellenflächen ku~
gelfönnig sind. Das Inierferogramm. das in der bei
der Aufteilung der Pupille gemeinsamen Zone lokalisiert
ist, ist einem Interferogramm ähnlich, das man mit zwei Youngschen Löchern bzw. lochlormigeu
Lichtquellen A'K und A'n erhält. In der gemeinsamen
ίο Zone erscheint also ein System von Streifen, fur zwei
Wellen mit Sinusprofi!, wobei die Streifen in erster Annäherung geradlinig verlaufen und der mittlere
Streife:-! achromatisch ist, d. h keine farbigci Ränder
zeigt.
Es ist darauf hinzuweiser., daß man, um die Modulation
des Abstandes zwischen Bildebene und Interferometer zu erhalten, gleichwertig mit diesci Modulation
die Lage der Bildebene in bezug auf das Interferometer oder umgekehrt modulieren bzw. verändern
kann. Man kann also eine der F1 g. 4 entsprechende Vorrichtung anwenden, bei der das Interferometer
fest mit dem schwingenden Element verbunden ist. Gemäß den F1 g. 2 und 4 stellt das Interferometer
eine Weiterentwicklung des Wollaston-Prismas dar.
die man vorzugsweise anwendet, um die starken Aufteilungswinkel
ε des Lichtstroms anzuwenden, die einen großen Prismenwinkel erfordern; denn bei diesem
Interferometer ergibt sich ein klares und geeignetes System von Streifen, die senkrecht zur optischen
Achse verlaufen.
Dadurch, daß eine einstellbare Feldblende D, vorgesehen
ist. kann man die Abmessungen des Feldes mehr oder weniger in Abhängigkeit von der für die
Lokalisierung der Gegenstandsebene (mittlere Lokalisierung dieser Ebene oder sehr genaue Lokalisierung
eines Punktes) verlangten Genauigkeit begrenzen. Man erkennt ferner, daß man auch einen Punkt einer
zerstreuenden Oberfläche lokalisieren kann bzw. in seinen Ortskoordinaten festlegen kann. Dadurch. daG
eine Blende D11 mit einstellbarer Öffnung vorgeseher
ist, kann man für ein Interferometer mit einem gege benen Aufteilungswinkel ε das Verhältnis der Verdoppelung
bzw. Trennung in der Pupillenebene zu de ren Radius derart regeln, daß man die Empfindlichkei
des Gerätes mit Hilfe der Beträge der Modulation de; fotoelektrischen Signals beeinflußt bzw. abstimmt
Dies macht es ferner möglich, die Störmodulationei zu unterdrücken, die dann auftreten, wenn der Fokus
sierungsfehler eine Größe hat, bei der er eine Anzah von Streifen in der den getrennten Bündeln gemeinsa
men Zone erzeugt, die größer als 1 ist. Die Blend D0 erlaubt ferner, die numerische Öffnung (Blenden
zahl) auf die Rauhigkeit des Objekts einzustellen, un
sie erlaubt selbst im Grenzfall die Ortskoordinate eines Punktes einer nicht spiegelartig reflektierender
sondern zerstreuenden Fläche festzustellen.
Es sei in Fig. 5 eine punktförmige Lichtquelle betrachtet, die zur Pupille des Geräts konjugiert is
Von dieser Lichtquelle liefert das Interferometer W,
dessen Strahlenbündel gleichfalls auf einen Punkt zusammengefaßt z. B. durch eine Blende abgeblendet
ist, zwei punktförmige Bilder SE und S11. Da das Objekt
A durch eine streuende Oberfläche gebildet wird, deckt das Lichtbündel die ganze Austrittspupille und
kann man in der Ebene der Pupille ein Interferogramm beobachten; denn, weil der Gegenstand
punktförmig ist, bestellt für jede Richtung ein Paar »on Strahlen, nämlich ein ordentlicher und ein außerordentlicher
Strahl, von denen in der Zeichnung nur ein Paar gezeigt ist.
Man kann auch bei diesem Gerät das Interferometer zur Aufteilung des Lichtstroms in zwei Ströme in
Winkelrichtung durch ein Interferometer mit seitlicherTrennung der Lichtbündel ersetzen, wie es Fig. 6
fceigt. Das Interferometer ist hier aus zwei Wollaston-Prismen
oder Weiterentwicklungen solcher Prismen, W1 und W2, zusammengesetzt, die einander gleich
sind und deren Achsen gemäß Fi g. 6 gerichtet verlaufen, wobei eine seitliche Aufteilung in zwei Strahlenbündel,
ein ordentliches und ein außerordentliches Strahlenbündel erzeugt wird. In diesem Fall hegt das
eigentliche System von Streifen des Interferometers im Unendlichen und erfordert der Selbstausgleich des
Gerätes außer der Anwendung einer dünnen Scheibe bzw. Platte mit einer Dicke von '/4-Wellenlänge, daß
das verwendete Objektiv Ob einen Objektpunkt abbildet, der in seinem Brennpunkt liegt. Da in diesem
Fall die Länge des Tubus unendlich ist, kann sie durch Reflexion nicht mehr moduliert werden. Man verwendet
dann als Modulator eine zylindrische Linse D mit schwacher Brechkraft, die sich in der Ebene der Austrittspupille
des Objektivs Ob mit einer Drehzahl bzw. Frequenz / dreht oder mit einer sinusförmigen
Schwingbewegung angelrieben wird. Für dieses System ist zu beachten, daß man leicht ein Interferometer
zu variabler Aufteilung des Lichtstroms in zwei Lichtströme herstellen kann, das die Empfindlichkeit
des Gerätes einzustellen erlaubt, indem man den zwischen den beiden Wollaston-Prismen vorhandenen
Abstand beeinflußt.
Eine seitliche Versetzung kann man auch dadurch herstellen, daß man ein Polariskop nach Savart verwendet,
bei dem die Aufteilung in zwei Strahlenbündel veränderlich ist. wenn es aus zwei Prismen zusammengesetzt
ist, die in bezug aufeinander in gradliniger Richtung verschiebbar sind und zusammen eine
Scheibe mit einander parallelen Stirnflächen und mit veränderlicher Dicke bilden.
Ferner kann man bei jedem der vorstehenden Ausführungsbeispiele jedes der Interferometer oder eines
der Interferometer für sich durch je ein doppelbrechendes Glied ersetzen, das mit variabler Aufteilung
in zwei Lichtbündel arbeitet. Fi g. 7 a zeigt eine mögliche Lösung dieser Aufgabe. Das Interferometer ist
aus zwei ihrerseits einstückig zusammengesetzten Teilen W, und W4 zusammengesetzt, deren äußere
Stirnflächen eben und parallel zueinander sind und von denen einer aus einer zylindrischen oder sphärischen
plankonvexen Linse und einer zylindrischen oder sphärischen plankonkaven Linse zusammengesetzt
ist, deren Achsen zueinander gekreuzt sind. Verschiebt man die beiden Einheiten translatorisch in bezug
aufeinander in einer zur Achse tier Zylinder senkrecht, oder im Falle sphärischer Oberflächen zu
einer der Achsen parallel verlaufenden Richtung, so ist diese Linsenanordnung äquivalent zu einem WoI-laston-Prisma
mit veränderlichem Winkel und erzeugt somit eine veränderliche Aufteilung in zwei Lichtströme.
Fig. 7 zeigt eine andere Vorrichtung, bei der zwei
einander gleichende Wollaston-Prismen W5 und W^
symmetrisch zu einer dünnen Scheibe mit einer Dicke von V, angeordnet sind, die in einem Winkel von
45° zu den Prismenachsen orientiert ist. Dreht man die beiden Prismen ausgehend von dieser Lage in ihren
Ebenen um einander gleiche oder entgegengesetzt gleiche Winkel, so erhält man ein System, das einem
Prisma mit veränderlichem Winkel äquivalent ist und das eine veränderliche Aufteilung des Lichtbündels
erzeugt.
Fig. 8veranschaulicht einige Anwendungsfälle der
vorstehend beschriebenen Vorrichtung. Die Vorrichtung I, die mit der Lichtquelle L, dem Modulator M,
dem Empfänger R und dem Objektiv Ob versehen ist. ist zur Eirniittlung der in Longitudinalrichtung verlaufenden
Ortskoordinaten des Objektes A bestimmt. Die Geräteteile II. III und IV sind die Einheiten, die
den Modulator bzw. die Lichtquelle bzw. den Empfänger speisen. Um Störmodulationen zu vermeiden,
wird zur Speisung der Lichtquelle vorzugsweise eine Gleichspannung verwendet, kann aber auch eine mit
der Modulationsfrequenz periodisch schwankende Spannung verwendet werden. Diese Frequenz ist im
allgemeinen die Resonanzfrequenz des Modulators, um eine Modulation mit einer reinen Frequenz, einem
Minimum an Störung und einem Minimum an Energieverbrauch zu erhalten. Das von dem Modulator
ausgesendete Signal wird in einen Synchrondetektor VII eingeführt und dort mit dem fotoeleklrischen Signal
zusammengebracht und verglichen, das nach vorläufiger Verstärkung durch einen Verstärker VI vom
Empfänger R ausgesandt wird. Diese beiden Signale sind mittels eines Phasenschiebers V in Phase miteinander
gebracht. Alles vorstehend für Fig. 10 Ausgeführte betrifft die Formung des fotoelektrischen Signais
und die Ermittlung des Fehlersignals. Ausgehend von diesem Fehlersienal sind mehrere Anwendungsmöglichkeiten
gegeben. Diese seien nur beispielsweise und nicht einschränkend wie folgt ausgeführt:
1. Das Fehlersignal kann mit Hilfe eines Galvanometers VIII empfangen und gemessen werden.
Wie weiter oben ausgeführt, ist die Amplitude des Fehlersignals proportional dem Fokussierungsfehlcr.
2. Das Fehlersignal kann an ein Servosystem IX abgegeben
werden, durch das mittels eines Motors XI eine Platte oder Platine X geschoben werden
kann, die das Objeki A trägt, um auf diese Weise die Fokussierung einzustellen oder aufrechtzuerhalten.
Dies ist ein Beispiel für eine Ausführung einer selbsttätigen Fokussierung bzw. Scharfeinstellung. Statt die Platine zu verschieben,
kann man gleichfalls das Objektiv verschieben, wobei der Motor aus einem piezoelcktrisehen
keramischen Zylinder oder aus einer Elektromagnet-Spule bestehen kann.
3. Wenn die Platine oder Platte X mit einer zur optischen Achse senkrechten Translationsbewegung mittels eines Motors XII angetrieben wird, kann dieser Motorden Umlauf bzw. die Abwicklung einer Trommel eines Registriergerätes antreiben, dessen Schreibstift durch einen Motor XIlI verschoben wird, der durch das Fehlersignai
3. Wenn die Platine oder Platte X mit einer zur optischen Achse senkrechten Translationsbewegung mittels eines Motors XII angetrieben wird, kann dieser Motorden Umlauf bzw. die Abwicklung einer Trommel eines Registriergerätes antreiben, dessen Schreibstift durch einen Motor XIlI verschoben wird, der durch das Fehlersignai
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gesteuert wird. Auf diese Weise schafft man eine Profilaufzeichnung.
4. Man kann drei Geräte der vorstehend beschriebenen
Art, die vorläufig eingeregelt sind, auf einer horizontalen Fläche (z. B. auf einem Quecksilberbad)
mittels dreier Motoren XI einander zuordnen, die auf je eine von drei selbsthemmenden
Spindeln einwirken, welche die waagerechte Lage der Platine herstellen. Die Wahl der
Orientierung dieser Platine unterliegt keinen Beschränkungen, vorausgesetzt, daß eine Voreinregelung
der drei Geräte bewerkstelligt wurde.
Jede der drei unter 1. bis 4. beschriebenen Vorrich-
10
tungen zur Lageeinstellung kann ferner die Verschiebung von angeschlossenen Vorrichtungen, z. B. von
Werkzeugen von Werkzeugmaschinen steuern.
Das Verfahren und die Vorrichtung nach der Erfindung
können immer dann angewendet werden, wenn in der Industrie oder in Laboratorien die Tiefenlage
von spiegelnd reflektierenden Flächen oder diffusen Flächen oder der mittleren Teile reflektierender sphärischer
Flächen ermittelt werden soll.
Besonders interessante Anwendungsgebiete ergeben sich bei der selbsttätigen Fokussierung eines Mikroskops
oder Vergrößerungsgerätes auf eine Fläche, bei der Registrierung eines Oberflächenprofils und bei
der Messung von Abständen zwischen Flächen.
Hierzu 2 Blatt Zeichnungen
Claims (7)
1. Optische Tastvorrichtung zur Bestimmung der Lage einer ebenen oder sphärischen Oberfläche
eines strahlenreflektierenden Objekts, wobei das von einer Lichtquelle kommende Licht über
einen Kondensator, einen Lichtspalt und einen halbdurchlässigen Spiegel einem auf die abzutastende
Objektfläche eingestellten Objektiv zugeführt wird, so daß auf der reflektierenden Objektfläche
ein Bild entsteht, das durch das Objektiv auf einen Modulator für den optischen Weg abgebildet
wird, und wobei das modulierte optische Signal durch fotoeiektrische Mittel ausgewertet
wird, dadurch gekennzeichnet, daß das durch einen ersten Polarisator (P1) polarisierte
Licht der Lichtquelle (L) in einem in der Ebene des Zwjschenbildes (A') der Objektfläche (A) angeordneten
doppelbrechenden Glied (W) eine Zerlegung in zwei räumlich versetzte Strahlenbündel
(E, O) erfährt, daß die beiden um 90° zueinander polarisierten Komponenten durch das
Objektiv (Ob) hindurch auf die abzutastende Objektfläche
(A) fokussiert werden und die von dort reflektierten Strahlenbündel durch das Objektiv,
das doppelbrechende Glied (W), den halbdurchlässigen Spiegel (G) und durch einen zweiten Polarisator
(A1) auf einen fotoelektrischen Empfänger (R) gelangen, der den dem gemeinsamen Teil
der durch das doppelbrechende Glied (W) erzeugten beiden Bildern entsprechenden Licht strom
integriert, und daß zwischen der Austrittspupille (P) des Objektivs und der Zwischenbildebene
(A') ein Modulator (M) angeordnet ist zum vorübergehenden Verändern des Abstandes zwischen
der Ebene der Austriitspupille (P) und dem doppelbrechenden Glied ( W) abwechselnd in der
einen und in der entgegengesetzten Richtuni;
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Modulator (M) für die räumliche Modulation der Lage des reellen Bildes
der abzutastenden Oberfläche in bezug auf das doppelbrechende Kirstallglied ( HO einen schwingungsfähigen
angeordneten Spiegel (M) aufweist, der an dem freien Ende einer dünnen biegsamen
Plane (K) aus polykristallinem keramischem, piezoelektrischem
Material befestigt ist, auf die mittels eines an sich bekannten Antriebs, vorzugsweise
mittels eines Wechselstroms, hin und hergehende Biegeschwingungen übertragbar sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß der Modulator (M) fur die räumliche Modulation der Lage des reellen Bildes
der abzutastenden Oberflache in bezug auf das doppelbrechende Kristallglied (W) ein gleichschenkliges,
rechtwinkliges Prisma aufweist, das am freien Ende einer dünnen biegsamen Platte
(K) aus polykristallinen! piezoelektrischem keramischem
Material befestigt ist, die durch einen Wechselstrom derart biegbar ist, daß an dem beweglichen
Glied das einfallende und das reflektierende Strahlenbündel parallel zueinander verlaufen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die räumliche Modulation der
Lage des reellen Bildes der abzutastenden Obeifläche durch rein optische Mittel ( Wl, H'2), mii-
tels einer dünnen, um die Achse des Objektivs (Ob) drehbaren zylindrischen Glaslinse (D) erzeugt
wird.
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Glied
( W) ein von einem Wollaston-Prisma abgeleitetes Kristallglied ist, das aus drei Prismen (W, WS,
W6) aus doppelbrechendem Material symmetrisch zusammengesetzt ist und das diesem Dreifachprisma
zugeordnete System von Interferenzstreifen in einer Fläche lokalisierbar ist, die
senkrecht zur optischen Achse des Objektivs (Ob) verläuft.
6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das doppelbrechende Glied als
Mittel zur Herstellung einer veränderlichen Winkelversetzung der austretenden Strahlenbündel
zueinander ausgebildet ist und aus zwei mit variabler Exzentrizität zusammengesetzten doppelbrechenden
Linsen (Wi, W4) oder aus zusammengesetzten Wollaston-Prismen (WS, W6)
besteht, die durch eine doppelbrechende λ/2-Platte voneinander getrennt angeordnet und gegensinnig
zueinander um die Achse des Objektivs drehbar sind.
7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das doppelbrechende Glied ( Wl, Wl) als Mittel zur Herstellung einer veränderlichen
seitlichen Versetzung der Strahlenbündel zueinander ausgebildet ist, vorzugsweise derart,
daß diese Bündel zueinander parallel verlaufen, wobei zwei Wollaston-Prismen (Wl, Wl),
deren Winkelverdopplung ausgeglichen ist, ein Mittel zur Erzeugung einer seitlichen (parallelen)
Versetzung der Strahlenbündel bilden, die proportional zum Abstand der beiden Prismen voneinander
(und auch zur Winkelversetzung jedes der Prismen) ist.
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