DE2059502B2

DE2059502B2 - Optische Tastvorrichtung zur Bestimmung der Lage einer ebenen oder sphärischen Oberfläche eines strahlenreflektierenden Objekts

Info

Publication number: DE2059502B2
Application number: DE2059502A
Authority: DE
Inventors: Georges Bourg La Reine Nomarski; Gerard Ivry S.Seine Roblin
Original assignee: Agence National de Valorisation de la Recherche ANVAR
Current assignee: Bpifrance Financement SA
Priority date: 1969-12-05
Filing date: 1970-12-03
Publication date: 1974-06-27
Also published as: DE2059502C3; FR2070474A5; US3706492A; CH546414A; DE2059502A1

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 A_x 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 Σ_η 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 X_t 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 S_E 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

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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-

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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

Patentansprüche:

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 (O_b) 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.