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Vorrichtung zur Erfassung der Neigung
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einer Fläche eines Gegenstandes Die vorliegende Erfindung betrifft
eine optische Vorrichtung zur Erfassung der Lage einer Fläche eines Gegenstandes
relativ zu einer Bezugsgröße, genauer gesagt eine optische Vorrichtung zur Erfassung
der Neigung einer Fläche eines Gegenstandes relativ zu einer Bezugsebene. Gemäß
einem anderen Aspekt bezieht sich die Erfindung auf eine optische Vorrichtung zur
Erfassung der Neigung und Lage einer Fläche eines Gegenstandes relativ zu einer
Bezugsebene.
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Es ist bereits eine Vielzahl von Brennweitenerfassungssystemen zum
Messen einer Entfernung zwischen einer Bezugsgröße und einer Fläche eines Gegenstandes
vorgeschlagen und entwickelt worden, um feststellen zu können, ob sich die Fläche
des Gegenstandes in einer vorgegebenen Lage relativ zu einem optischen System o.ä.
befindet oder nicht. Es existiert eine Vielzahl von Prinzipien zur Brennweitenerfassung,
da das bevorzugte Merkmal, das bei einem Brennweitenerfassungssystem zu realisieren
ist, von den erforderlichen Bedingungen abhängt. Beispielsweise sollte bei einem
automatischen Fokussiersystem von fotografischen Kameras ein optisches System der
Kamera auf einen Gegenstand fokussiert sein, dessen Position innerhalb eines breiten
Bereiches variabel ist, obwohl
die Toleranz für die Entfernungsmessung
groß ist, da das verwendete optische System eine große Tiefenschärfe besitzt. Im
Vergleich hierzu muß bei einer Brennweitenerfassung bei optischen Informationsaufzeichnungs/
Wiedergabe-Vorrichtungen für Videoplatten, optische Speicher, magnetooptische Speicher
etc. eine sehr genaue Brennweitenerfassung durchgeführt werden, obwohl der Bereich
der Brennweitenerfassung eng ist. In der offengelegten japanischen Patentanmeldung
208945/1983 des gleichen Anmelders ist ein Brennweitenerfassungssystem beschrieben,
das eine genaue Brennweitenerfassung sichert und das insbesondere für derartige
optische Informationsaufzeichnungs-/Wiedergabevorrichtungen geeignet ist.
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Andererseits wird eine Positions- oder Entfernungserfassung auch bei
der Herstellung von integrierten Halbleiterschaltungen benötigt, insbesondere während
eines Belichtungsvorganges zur flbertragung eines Musters einer integrierten Schaltung
auf ein Halbleiterplättchen.
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Mit anderen Worten, bei einem Belichtungsvorgang wird das auf einer
Maske ausgebildete Schaltungsmuster auf das Plättchen übertragen, während das Plättchen
in einer vorgegebenen Lage in einem vorgegebenen Abstand von der Maske (bei Nahbereich-Belichtungsvorrichtungen)
oder im Abstand von einem optischen Projektionssystem (bei Projektionsbelichtungsvorrichtungen)
gehalten wird. Um eine korrekte und genaue Obertragung des Schaltungsmusters sicherzustellen,
sollte vor Belichtungsbeginn die Lage des Plättchens relativ zur Maske oder dem
optischen Projektionssystem genau erfaßt werden.
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Das Prinzip der Brennweitenerfassung, das in der vor-
stehend
erwähnten japanischen Patentanmeldung beschrieben ist, ist auch bei der Erfassung
der Position der Plättchenoberfläche anwendbar. Zusätzlich zu der vorstehend beschriebenen
Positionierung des Plättchens besteht jedoch ein anderes Problem im Hinblick auf
eine korrekte und genaue Musterüberführung bei der Herstellung von Halbleitervorrichtungen.
Dieses Problem ist darin zu sehen, daß das Plättchen relativ zur Maske oder dem
optischen Projektionssystem keine konstante Oberflächenhöhe aufweisen kann. Mit
anderen Worten, die Plättchenoberfläche kann Unebenheiten (verteilte Neigung) aufweisen
und/oder als Ganzes relativ zur Maske oder dem optischen Projektionssystem geneigt
sein. Wenn das Plättchen als Ganzes in geneigter Lage gehalten wird, oder wenn die
Plättchenoberfläche eine Neigung aufweist, ist eine korrekte und genaue Musterübertragung
nur schwierig zu erreichen. Es ist daher wünschenswert, eine solche Neigung der
Plättchenoberfläche zu erfassen und die Lage der Plättchenoberfläche zu justieren.
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Dblicherweise wird eine solche Neigung der Plättchenoberfläche über
drei optische Entfernungsmeßsysteme erfaßt, von denen jedes zur Messung der Entfernung
zur Plättchenoberfläche dient. Aus den Meßergebnissen dieser drei optischen Entfernungsmeßsysteme
wird die Neigung der Plättchenoberfläche berechnet. Diese Neigungserfassungsvorrichtung
erfordert jedoch drei optische Entfernungsmeßsysteme, die die Vorrichtung kompliziert
und umfangreich machen. Darüberhinaus wird die Neigungserfassung auf der Basis der
Positionen oder Oberflächenhöhen an drei voneinander beabstandeten Punkten auf der
Plättchenoberfläche durch-
geführt und nicht dadurch, daß die Oberflächenkontur
erfaßt wird. Somit wird nur eine geschätzte Neigung eines Abschnittes der Plättchenoberfläche,
die einen beträchtlichen Bereich umfaßt, ermittelt. Irgendeine örtliche Neigung,
die in einem kleinen Bereich innerhalb einer solchen Zone der Plättchenoberfläche
enthalten ist, kann somit nicht erfaßt werden.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen,
mit der sich eine beliebige Neigung einer Fläche eines Gegenstandes genau erfassen
läßt.
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Die Erfindung bezweckt ferner die Schaffung einer Vorrichtung zur
genauen Erfassung einer beliebigen Neigung in einem kleinen Bereich auf der Oberfläche
eines Gegenstandes.
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Ferner soll durch die Erfindung eine Vorrichtung zur genauen Erfassung
der Neigung und Position einer Fläche eines Gegenstandes relativ zu einer Bezugsebene
zur Verfügung gestellt werden.
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Gemäß einem Aspekt der Erfindung wird die vorstehend genannte Aufgabe
durcheine optische Vorrichtung gelöst, die die folgenden Bestandteile umfaßt: Eine
Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahles, der eine vorgegebene Querschnittsform
besitzt, ein optisches System zum Zusammenführen des von der Erzeugungseinrichtung
erzeugten Lichtstrahles und zum Richten des konvergentenctrahles auf eine zu prüfende
Fläche, eine fotoelektrische Umwandlungseinrichtung, die zum Empfang des von der
zu prüfenden Fläche reflektierten Lichtstrahles angeordnet ist und eine Lichtempfangsfläche
aufweist,
die in eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Lichtempfangsabschnitten aufgeteilt
ist, und eine Einrichtung zum Empfang eines Ausgangssignales von jedem der Lichtempfangsabschnitte
der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung, um die Neigung der zu prüfenden Fläche
relativ zu einer vorgegebenen Bezugsebene auf der Basis der Ausgangssignale von
den Lichtempfangsabschnitten zu erfassen.
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Gemäß einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird die vorstehend
genannte Aufgabe durch eine optische Vorrichtung gelöst, die die nachfolgenden Bestandteile
umfaßt: Eine Einrichtung zur Erzeugung eines Lichtstrahles, der eine vorgegebene
Querschnittsform besitzt, ein optisches System zum Zusammenführen des von der Erzeugungseinrichtung
erzeugten Lichtstrahles und zum Richten des konvergenten Strahles auf eine zu prüfende
Fläche, eine fotoelektrische Umwandlungseinrichtung, die zum Empfang des von der
zu prüfenden Fläche reflektierten Lichtstrahles angeordnet ist und eine Lichtempfangsfläche
aufweist, die in eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Lichtempfangsabschnitten
unterteilt ist, und eine Einrichtung zum Empfang eines Ausgangssignales von jedem
Lichtempfangsabschnitt der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung, um die Neigung
und Position der zu prüfenden Fläche relativ zu einer vorgegebenen Bezugsebene auf
der Basis der Ausgangssignale von den Lichtempfangsabschnitten zu erfassen.
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Weiterbildungen des Erfindungsgegenstandes gehen aus den Unteransprüchen
hervor.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von bevorzugten
Beispielen
in Verbindung mit der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigen: Figur 1 eine
Schnittansicht, die die optische Anordnung einer Erfassungsvorrichtung gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung darstellt; Figur 2 eine Vorderansicht,
die schematisch eine fotoelektrische Umwandlungseinrichtung zeigt, die bei der Erfassungsvorrichtung
der Figur 1 Verwendung findet; Figur 3 eine schematische Ansicht eines Inzidenzbereiches
der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung der Figur 2 eines von einer zu prüfenden
Fläche reflektierten Lichtstrahles in Koinzidenz mit einer vorgegebenen Bezugsebene;
Figur 4 ein Diagramm, in dem die von der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung
der Figur 2 erhältliche Ausgangssignalkurve bezüglich der Positionsabweichung einer
zu prüfenden Fläche relativ zu einer vorgegebenen Bezugsebene dargestellt ist; Figur
5 eine schematische Darstellung einer elektrischen Schaltung zur Erfassung der Neigung
und Position einer zu erfassenden Fläche in der in den Figuren 1 und 2 dargestellten
Ausführungsform der Erfassungsvorrichtung; Figur 6 eine schematische Darstellung
einer elektrischen Schaltung zur Erfassung der
Neigung und Position
einer zu erfassenden Fläche in einer ERfassungsvorrichtung gemäß einer anderen Ausführungsform
der Erfindung; und Figur 7 eine schematische Ansicht einer elektrischen Schaltung
zur ERfassung der Neigung und Position einer zu erfassenden Fläche in einer Erfassungsvorrichtung
gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
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In Figur 1 ist eine optische Vorrichtung gemäß einer Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Wie man dieser Figur entnehmen kann, umfaßt die Vorrichtung eine Laserquelle
1, die einen Laserstrahl zur Verfügung stellt, der sichtbar oder unsichtbar ist.
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Bei dieser Ausführungsform findet beispielsweise ein linear polarisierter
Laserstrahl Verwendung. Die Vorrichtung umfaßt desweiteren eine Kollimatorlinse
2 zum Parallelrichten des von der Laserquelle 1 abgegebenen Laserstrahles, einen
ersten konischen Spiegel 3 mit einer auf einer Außenfläche desselben ausgebildeten
Spiegelfläche und einen zweiten konischen Spiegel 4 mit einer auf einer Innenfläche
desselben ausgebildeten Spiegelfläche. Dieser erste und zweite Spiegel wirken zusammen,
um den Durchmesser des parallel gerichteten Laserstrahles zu vergrößern und einen
Laserstrahl zu definieren, der eine ringförmige oder ringähnliche Querschnittsform
besitzt (ein solcher Lichtstrahl mit ringähnlicher Querschnittsform wird hiernach
ebenfalls als "ringförmiger Strahl" bezeichnet). Anstelle der Kombination von
konischen
Spiegeln kann auch ein Prisma o.ä. Verwendung finden.
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Die Vorrichtung umfaßt ferner einen Polarisationsstrahlenteiler 5,
der in der Lage ist, durch Transmission und Reflektion eine Aufteilung in linear
polarisierte Strahlen herbeizuführen, deren Polarisationsebenen senkrecht aufeinander
stehen. Der vom zweiten konischen Spiegel 4 reflektierte parallele Laserstrahl mit
ringförmiger Querschnittsform verläuft durch den Polarisationsstrahlenteiler 5.
Der parallele Laserstrahl, der den Polarisationsstrahlenteiler 5 passiert hat, dringt
in eine V4-Platte 6 ein, um den linear polarisierten Laserstrahl in einen kreisförmig
polarisierten Laserstrahl umzuwandeln. Der parallele Laserstrahl, der die / /4-Platte
6 passiert hat, wird über eine Sammel-Objektivlinse 7 zusammengeführt und gegen
eine zu prüfende Oberfläche gerichtet, die mit 8a bezeichnet ist. Im Zustand der
Figur 1 befindet sich die Oberfläche 8a exakt in der Brennpunktsebene der Linse
7, die bei dieser Ausführungsform eine Bezugsebene bildet. Datüberhinaus stellt
bei dieser Ausführungsform die zu prüfende Oberfläche 8a die Oberfläche eines Plättchens
dar, die als Spiegelfläche angesehen werden kann.
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Die Vorrichtung umfaßt desweiteren ein fotoelektrisches Umwandlungselement
9, das in einer Lage angeordnet ist, in der es einen von dem Polarisationsstrahlenteiler
5 reflektierten Lichtstrahl empfangen kann. In Abhängigkeit vom Lichtempfang gibt
das fotoelektrische Umwandlungselement 9 ein elektrisches Signal ab, das der Menge
des empfangenen Lichtes entspricht. Figur 2 ist eine Vorderansicht des fotoelektrischen
Umwandlungs-
elementes 9.
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Das fotoelektrische Umwandlungselement 9 besitzt eine Lichtempfangsfläche
einer allgemein ringförmigen Gestalt, wie sie beispielsweise in der Vorderansicht
der Figur 2 gezeigt ist. Wie ferner in dieser Figur dargestellt ist, ist die Lichtempfangsfläche
des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9 konzentrisch so aufgeteilt, daß zwei,
ein innerer und ein äußerer, konzentrische Lichtempfangsbereiche gebildet werden.
Die Lichtempfangsfläche ist ferner in vier radialen Richtungen so aufgeteilt, daß
schließlich acht Lichtempfangsabschnitte Dll-D14 und D21-D24 gebildet werden. Jeder
dieser Lichtempfangsbereiche Dll-D24 wird beispielsweise durch eine Si-Fotodiode
gebildet und ist unabhängig von den anderen Bereichen betreibbar, so daß ein elektrisches
Signal von jedem der Lichtempfangsbereiche Dll-D24 erhältlich ist, und zwar unabhängig
voneinander.
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Wenn die zu überprüfende Oberfläche 8a mit der vorgegebenen Bezugsebene
zusammenfällt, wie dies im Zustand der Figur 1 der Fall ist, d.h. wenn die zu überprüfende
Oberfläche 8a eine Ebene ist, die den Brennpunkt der Linse 7 enthält und senkrecht
zur optischen Achse der Linse 7 verläuft, ist der von der Linse 7 austretende parallele
Laserstrahl korrekt auf der zu überprüfenden Oberfläche 8a fokussiert. Danach tritt
der von der Oberfläche 8a reflektierte Laserstrahl wieder in der entgegengesetzten
Richtung in die Abbildungslinse 7 ein, so daß er wiederum in einen parallelen Strahl
mit ringförmiger Querschnittsform umgewandelt wird. Der von der Objektivlinse 7
austretende parallele Laserstrahl fällt wieder auf die h/4-Platte 6, durch die er
in einen
linear polarisierten Strahl umgewandelt wird, der eine
Polarisationsebene aufweist, die im Vergleich zu der des linear polarisierten Strahles,
der von oben in Figur 1 auf die 3/4-Platte 6 gefallen ist, um 900 gedreht ist.
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Daher wird der von der //4-Platte 6 nach oben austretende linear polarisierte
Strahl von der Lichtteilerfläche des Polarisationsstrahlenteilers 5 reflektiert,
so daß er nach rechts in Richtung auf die Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen
Umwandlungselementes 9 geführt wird. Folglich fällt der von der zu überprüfenden
Oberfläche 8a reflektierte Laserstrahl, der eine ringförmige Querschnittsform besitzt,
auf die Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9.
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Bei dieser Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist die kreisförmige
Grenze, die konzentrisch die Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes
9 in die äußeren Lichtempfangsbereiche Dll-D14 und die inneren Lichtempfangsbereiche
D21-D24 unterteilt, so festgelegt, daß der von der Plättchenoberfläche reflektierte
ringförmige Laserstrahl - wenn die Oberfläche mit der vorgegebenen Bezugsebene zusammenfällt-
auf einen ringförmigen Bereich LB (siehe Figur 3) der Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen
Umwandlungselementes 9 trifft, der sich auf gegenüberliegenden Seiten der kreisförmigen
Grenze befindet, die zwischen den äußeren und inneren Lichtempfangsbereichen Dll-D14
und D21-D24 ausgebildet ist. Genauer gesagt, die kreisförmige Grenze ist so festgelegt,
daß bei einem Auftreffen der von der Plättchenoberfläche - wenn diese mit der vorgegebenen
Bezugsebene zusammenfällt - reflektierten Laserstrahlen auf die Lichtempfangsfläche
des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9 das Ausgangssignal eines jeden
äußeren
Lichtempfangsbereiches Dll-D14 im wesentlichen dem Ausgangssignal des dazu passenden
(radial zugehörigen) Bereiches der inneren Lichtempfangsbereiche D21-D24 entspricht.
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Wenn die zu überprüfende Oberfläche relativ zur Bezugsebene geneigt
ist, wie dies durch die gestrichelte Linie 8b in Figur 1 dargestellt ist, wird der
von der Sammellinse 7 zusammengeführte Laserstrahl durch die geneigte Oberfläche
8b in geneigter Weise reflektiert, wie dies durch die gestrichelten Linien in Figur
1 dargestellt ist (die gestrichelten Linien zeigen den Verlauf der Mittelstrahlen
des von der geneigten Oberfläche 8b reflektierten Laserstrahles). Mit anderen Worten,
der von der geneigten Oberfläche 8b reflektierte Laserstrahl dringt durch die Sammellinse
7 und die 3/4-Platte 6 und wird von der Lichtteilerfläche des Polarisisationsstrahlenteilers
5 reflektiert und trifft schließlich auf das fotoelektrische Umwandlungselement
9. Die Einfallsposition des ringförmigen Laserstrahles auf dem fotoelektrischen
Umwandlungselement 9, d.h. der Abschnitt der Oberfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes
9, der von dem ringförmigen Laserstrahl angestrahlt wird, ist jedoch relativ zu
der ringförmigen Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9
exzentrisch. Wenn beispielsweise der angestrahlte Bereich auf dem fotoelektrischen
Umwandlungselement 9, der von dem auftreffenden ringförmigen Laserstrahl definiert
wird, relativ zu der ringförmigen Lichtempfangsfläche abweicht, und zwar aufgrund
der Neigung der zu überprüfenden Oberfläche in einer Richtung vom Lichtempfangsbereich
D21 zum Lichtempfangsbereich D23, nimmt die von jedem der Lichtempfangsbereiche
D13 und D21 empfangene Lichtmenge zu, während die
von jedem der
Lichtempfangsbereiche D23 und Dll empfangene Lichtmenge abnimmt. Von den verbleibenden
Lichtempfangsbereichen weisen die Lichtempfangsbereiche D12 und D14 im wesentlichen
die gleichen Ausgangssignalveränderungen auf. Auch die Lichtempfangsbereiche D22
und D24 weisen im wesentlichen die gleichen Ausgangssignaländerungen auf. Wenn andererseits
der angestrahlte Bereich des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9, der von dem
auftreffenden ringförmigen Laserstrahl definiert wird, aufgrund der Neigung der
Oberfläche in einer Richtung von links nach rechts in Figur 2 abweicht, nimmt die
von jedem der Lichtempfangsbereiche Dll, D12, D23 und D24 empfangene Lichtmenge
zu, während die von jedem der verbleibenden Lichtempfangsbereiche D21, D22, D13
und D14 empfangene Lichtmenge abnimmt.
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Aus vorstehendem geht hervor, daß die Vielzahl der Lichtempfangsbereiche
Dll-D24 ein variables Ausgangssignalschema erzeugt, das in Abhängigkeit von der
Exzentrizität des Einfallsbereiches des von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierten
Laserstrahles auf das fotoelektrische Umwandlungselement 9 variiert.
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Es folgt somit, daß die Richtung der Exzentrizität und damit die Neigungsrichtung
der zu überprüfenden Oberfläche auf der Basis der Ausgangssignale der Lichtempfangsbereiche
Dll-D24 erfaßt werden kann. Auch kann der Grad oder die Größe der Neigung aus dem
Grad der Exzentrizität, d.h. aus dem Unterschied der Lichtmenge, die von den Lichtempfangsbereichen
Dll-D24 erfaßt wird, ermittelt werden.
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Während bei dieser Ausführungsform die ringförmige Lichtempfangsfläche
des fotoelektrsichen Umwandlungselementes 9 in Radialrichtung in vier Bereiche unterteilt
ist, kann die Anzahl der radial unterteilten Lichtempfangsbereiche je nach der erforderlichen
Genauigkeit auch verändert werden.
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Es wird nunmehr in Verbindung mit Figur 1 beschrieben, wie die Lage
einer Fläche relativ zu einer Bezugsebene erfaßt wird.
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Wenn die in Figur 1 dargestellte Oberfläche 8a von der vorgegebenen
Bezugsebene abweicht, so daß die Strecke zwischen der Oberfläche 8a und der Objektivlinse
7 von einem vorgegebenen Wert abweicht, und wenn beispielsweise die Oberfläche 8a
unter dem Brennpunkt der Sammellinse 7 liegt, wie in Figur 1 gezeigt, werden die
Mittelstrahlen des von der Oberfläche 8a reflektierten ringförmigen Laserstrahles
von der Lichtteilerfläche des Polarisationsstrahlenteilers 5 konvergierend reflektiert,
so daß sie in einem konvergenten Zustand auf das fotoelektrische Umwandlungselement
9 treffen. Als Folge davon wird die Summe der Ausgangssignale der äußeren Lichtempfangsbereiche
Dll-D14 geringer als die Summe der Ausgangssignale der inneren Lichtempfangsbereiche
D21-D24. Wenn andererseits sich die Oberfläche 8a über dem Brennpunkt der Linse
7 in Figur 1 befindet, werden die Mittelstrahlen des von der Oberfläche 8a reflektierten
ringförmigen Laserstrahles von der Lichtteilerfläche des Polarisationsstrahlenteilers
5 divergierend reflektiert, so daß sie in einem divergierenden Zustand auf das fotoelektrische
Umwandlungselement 9 treffen. Folglich wird die Summe der Ausgangssignale der äußeren
Lichtempfangsbereiche Dll-D14 größer als die Summe der Ausgangs-
signale
der inneren Lichtempfangsbereiche D21-D24. Je nach der Lage des Brennpunktes der
Objektivlinse 7 relativ zur Oberfläche 8a treten daher drei Arten von Ausgangssignalschemata
auf, nämlich ein Schema, bei dem die äußeren Lichtempfangsbereiche erhöhte Ausgangssignale
erzeugen, ein Schema, bei dem die inneren Lichtempfangsbereiche erhöhte Ausgangssignale
erzeugen, und ein Schema, bei dem die Ausgangssignale der inneren und äußeren Lichtempfangsbereiche
ausgeglichen sind.
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Somit kann die Lage der Oberfläche 8a in einer Richtung der optischen
Achse der Objektivlinse 7 auf der Basis der Ausgangssignale der Lichtempfangsbereiche
Dll-D24 ermittelt werden.
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Figur 3 zeigt experimentelle Ergebnisse in bezug auf die Beziehung
zwischen der Positionsabweichung der Oberfläche 8a vom Brennpunkt der Objektivlinse
7 und einem Signal, das die Lage des Brennpunktes der Objektivlinse 7 relativ zur
Oberfläche 8a verkörpert. Wie aus dieser Figur hervorgeht, wird über einen breiten
Bereich einer Positionsabweichung eine imYesentlichen lineare Beziehung erhalten.
Das System kann daher in wirksamer Weise zur genauen Erfassung der Lage der Oberfläche
relativ zu einer vorgegebenen Bezugsebene eingesetzt werden.
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Es versteht sich, daß das Ausgangssignalschema infolge einer Neigung
der zu überprüfenden Fläche und das Ausgangssignalschema in-folge irgendeiner Positionsabweichung
der gleichen Fläche relativ zum Brennpunkt der Objektivlinse klar voneinander verschieden
sind.
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Daher können die durch die Neigung und die Positionsabweichung verursachten
Ausgangskomponenten selbst bei gleichzeitiger Erzeugung klar voneinander getrennt
werden.
Selbst wenn daher die zu überprüfende Oberfläche relativ zur Bezugsebene geneigt
ist und zur gleichen Zeit die Oberfläche von der Bezugsebene abweicht, kann sowohl
die Neigung als auch die Positionsabweichung in ausgeprägter Waise erfaßt werden.
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Aufgrund der Ergebnisse dieses Erfassungsvorganges wird der Gegenstand,
wie beispielsweise das mit der zu überprüfenden Oberfläche versehene Plättchen,
so bewegt, daß die Neigung der Oberfläche relativ zur Bezugsebene und die Positionsabweichungen
von der Bezugsebene beseitigt werden. Hierbei wird die Positionierung der Oberfläche
in Richtung der optischen Achse der Linse 7 und die Positionierung der Oberfläche
in Horizontalrichtung automatisch durchgeführt. Obwohl dies in der Zeichnung nicht
dargestellt ist, kann eine solche Positionseinstellung der Oberfläche mit Hilfe
irgendeines geeigneten Antriebsmechanismus zum Antrieb eines Trägerelementes, auf
dem der Gegenstand angeordnet ist, der die zu überprüfende Oberfläche aufweist,
verwirklicht werden.
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Figur 5 ist eine schematische Ansicht eines elektrischen Schaltungssystems
zur Weiterverarbeitung der Ausgangssignale der Lichtempfangsbereiche Dll-D24 zur
Erfassung der Neigung und Position der zu überprüfenden Fläche.
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Wie in dieser Figur gezeigt ist, umfaßt das System vier Subtrahierglieder
10a - 10d, von denen jedes an einen zugehörigen inneren und äußeren LIchtempfangsabschnitt
der vier Paare der radial aufeinander abgestimmten Lichtempfangsabschnitte Dll und
D21, D12 und D22, D13 und D23 und D14 und D24 angeschlossen ist, um den Unterschied
zwischen den Ausgangssignalen der
radial zusammenpassenden Lichtempfangsbereiche
zu erfassen. Die Subtrahierglieder 10a - 10d erzeugen Ausgangssignale C4, C1, C2
und C3, die jeweils den Unterschied zwischen den Ausgangssignalen der inneren und
äußeren Lichtempfangsbereiche eines zugehörigen Paares der vier Paare dieser Bereiche
repräsentieren. Die Ausgangssignale der Subtrahierglieder 10a - 10d werden an eine
Exzentrizitätsberechnungseinheit 11 angelegt. Mit dieser Exzentrizitätsberechnungseinheit
11 werden die Richtung und das Ausmaß der Exzentrizität des Einfallbereiches des
von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierten ringförmigen Laserstrahles auf
die ringförmige Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes 9
(Figur 1) berechnet. Ein Ausgangssignal der Exzentrizitätsberechnungseinheit 11,
das die Ergebnisse der Berechnung verkörpert, wird zu einer Neigungserfassungseinheit
12 geführt, mittels der die Neigung der Oberfläche relativ zur Bezugsebene erfaßt
wird. Die entsprechenden Rechenvorgänge der Exzentrizitätsberechnungseinheit 11
und der Neigungserfassungseinheit 12 werden mit Hilfe von entsprechenden vorprogrammierten
Algorithmen durchgeführt.
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Das System umfaßt ferner zwei Addierglieder 10e und 10f.
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Das Addierglied 10e ist an die vier äußeren Lichtempfangsbereiche
Dll - D14 angeschloseen, während das Addierglied 10f an die vier inneren Lichtempfangsbereiche
D21 - D24 angeschlossen ist. Die Ausgangssignale der Addierglieder l0e und 10f werden
einem Differentialverstärker 13 zugeführt, der die Summe der Ausgangssignale der
äußeren Lichtempfangsbereiche Dll - D14 mit der Summe der Ausgangssignale der inneren
Lichtempfangsbereiche D21 - D24 vergleicht. Die auf diese
Weise
erfaßte Differenz zwischen der Summe der Ausgangssignale der äußeren Lichtempfangsbereiche
und der Summe der Ausgangssignale der inneren Lichtempfangsbereiche wird in eine
Positionserfassungseinheit 14 eingegeben, die die Position der zu überprüfenden
Oberfläche relativ zur Bezugsebene in Richtung der optischen Achse der Linse 7 (Figur
1) in der vorstehend beschriebenen Weise erfaßt.
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Ein von der Neigungserfassungseinheit 12 erzeugtes Neigungssignal
Co, das die Neigung der Oberfläche relativ zur Bezugsebene verkörpert, und ein von
der Positionserfassungseinheit 14 erzeugtes Positionssignal Fo, das die Position
der zu überprüfenden Oberfläche relativ zur Bezugsebene verkörpert, werden einer
Verarbeitungseinheit 15 zugeführt. In Abhängigkeit von dem zugeführten Neigungssignal
Co und/oder Positionssignal Fo gibt die Verarbeitungseinheit 15 ein geeignetes Signal
an eine Informationsanzeigeeinheit, beispielsweise ein Display, oder an die Antriebseinrichtung
ab, die mit dem Träger für den Gegenstand in Verbindung steht, der die zu überprüfende
Oberfläche aufweist, so daß die Lageinformation angezeigt und/oder die entsprechende
Lagebeziehung korrigiert wird.
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Obwohl bei dieser Ausführungsform ein Polarisationsstrahlenteiler,
wie bei 5 gezeigt, verwendet wird, um den von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierten
Laserstrahl von dem auf die gleiche Oberfläche auftreffenden Laserstrahl zu trennen,
kann dieser Strahlenteiler auch durch einen Strahlenteiler vom Amplitudenteilungstyp
ersetzt werden. In einem solchen Fall kann die 3/4-Platte 6 entfallen. Darüberhinaus
kann das fotoelektrische Umwandlungselement 9 durch Reihen von
Fotosensoren
ersetzt werden, die radial angeordnet sind, um die Expansion, Kontraktion und Exzentrizität
eines ringförmigen angestrahlten Bereiches zu erfassen, auf den der von der zu überprüfenden
Oberfläche reflektierte Laserstrahl trifft. Es kann ferner auch ein Bereichssensor,
wie beispielsweise eine Festkörper-Bildaufnahmevorrichtung, verwendet werden, um
den Durchmesser und die Exzentrizität des auftreffenden ringförmigen Laserstrahles
zu erfassen.
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Eine andere Ausführungsform der Erfindung wird nunmehr in Verbindung
mit Figur 6 beschrieben. Diese Ausführungsform stellt eine Modifikation der in Verbindung
mit den Figuren 1 - 5 beschriebenen ersten Ausführungsform dar, und zwar insofern,
daß die Subtrahierglieder 10a - l0d (Figur 5) jeweils durch Addierglieder 10a' -
10d' ersetzt sind und daß die Abmessung der ringförmigen Lichtempfangsfläche des
fotoelektrischen Umwandlungselementes, wie bei 9 in Figur 1 gezeigt, und/oder der
Querschnittsdurchmesser des ringförmigen Laserstrahles, der mit Hilfe der Kombination
der konischen Spiegel 3 und 4 in Figur 1 erzeugt wurde, so ausgewählt sind, daß
der von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierte ringförmige Laserstrahl, wenn
die Oberfläche mit der Bezugsebene zusammenfällt, auf im wesentlichen den gesamten
Bereich der ringförmigen Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes
trifft und in diesen Bereich fällt. Abgesehen von diesen Punkten entspricht der
Aufbau der vorliegenden Ausführungsform im wesentlichen dem der ersten Ausführungsform.
Daher wird auf eine detaillierte Beschreibung von entsprechenden Teilen der vorliegenden
Ausführungsform zur Vereinfachung der Erläuterung verzichtet. Entsprechende Teile,
die entsprechende
Funktionen besitzen, wie die der ersten Ausführungsform,
weisen gleiche Bezugsziffern auf.
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Bei der Ausführungsform der Figur 6 ist jedes der Addierglieder 10a'
- 10d' an zwei äußere und innere Lichtempfangsbereiche eines zugehörigen Paares
der vier Paare der radial angepaßten Lichtempfangsbereiche Dll und D21, D12 und
D22, D13 und D23 und D14 und D24 angeschlossen. Bei dieser Anordnung werden die
Ausgangssignale der radial angepaßten Fotosensoren Dll und D21 durch das Addierglied
10b' addiert. Die Ausgangssignale der radial angepaßten Fotosensoren D12 und D22
werden durch das Addierglied 10c' addiert. Die Ausgangssignale der radial angepaßten
Fotosensoren D13 und D23 werden durch das Addierglied 10d' addiert und die Ausgangssignale
der radial angepaßten Fotosensoren D14 und D24 werden durch das Addierglied 10a'
addiert. Die von den vier Addiergliedern 10a' - 10d' erzeugten Ausgangssignale C4,
C1, C2 und C3 werden der Exzentrizitätsberechnungseinheit 11 zugeführt. Wenn die
zu überprüfende Oberfläche relativ zur Bezugsebene geneigt ist, wird der Mittelpunkt
des auf das fotoelektrische Umwandlungselement 9 treffenden ringförmigen Laserstrahles
in bezug auf die ringförmige Lichtempfangsfläche, die sich aus den Lichtempfangsbereichen
Dll - D24 zusammensetzt, exzentrisch, und zwar in Abhängigkeit vom Grad und der
Richtung der Neigung der überprüften Oberfläche. Ein solches exzentrisches Auftreffen
des ringförmigen Laserstrahles auf die Lichtempfangsbereiche Dll- D24 bewirkt Unterschiede
in den Ausgangssignalen C4, C1, C2 und C3 von den Addiergliedern 10a' - 10d'. Da
die Veränderungen in den Ausgangssignalen C4 - C3 der Addierglieder l0a' - l0d'
zur Richtung und zum Grad der Exzentrizität des ringförmigen Laserstrahles, der
auf
das fotoelektrische Umwandlungselement 9 auftrifft, korreliert
sind, erfaßt die Exzentrizitätsberechnungseinheit 11 über Rechenvorgänge die Richtung
und den Grad der Exzentrizität auf der Basis der Ausgangssignale C4 - C3, die von
den Addiergliedern 10a' - 10d' zugeführt werden. Die Ausgangssignale der Exzentrizitätsberechnungseinheit
11, die die Richtung und den Grad der Exzentrizität verkörpern, werden an eine Neigungserfassungseinheit
12 angelegt, über die die Richtung und der Grad der Neigung der zu überprüfenden
Oberfläche in der gleichen Weise ermittelt werden, wie dies bei der ersten Ausführungsform
der Fall ist.
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Auch jede Positionsabweichung der zu überprüfenden Oberfläche relativ
zur Bezugsebene in Richtung der optischen Achse der Linse 7 (s. Figur 1) wird von
der Positionserfassungseinheit 14 in der gleichen Weise erfaßt wie in Verbindung
mit der ersten Ausführungsform beschrieben.
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In Verbindung mit Figur 7 wird nunmehr eine weitere Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung erläutert.
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Gemäß dieser Ausführungsform besitzt ein fotoelektrisches Umwandlungselement
zum Empfang eines von der zu erfassenden Fläche reflektierten LIchtstrahles eine
kreisförmige, d.h. keine ringförmige, Lichtempfangsfläche, die konzentrisch und
radial unterteilt ist, wie in Figur 7 gezeigt, so daß vier bogenförmige Lichtempfangsbereiche
Dll - D14 und vier fächerförmige Lichtempfangsbereiche D21 - D24 gebildet werden,
von denen jeder aus einer Si-Fotodiode besteht. Auch bei
dieser
Ausführungsform trifft ein von der zu überprüfenden Oberfläche reflektierter ringförmiger
Laserstrahl, wenn die Oberfläche mit der Bezugsebene zusammenfällt, auf im wesentlichen
den gesamten Bereich der Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes,
der zwischen dessen Außenumfang und einer kreisförmigen Grenzlinie zwischen den
äußeren LIchtempfangsbereichen Dll - D14 und den inneren Lichtempfangsbereichen
D21 - D24 gebildet wird.
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Zur Erfassung der Neigung besitzt die Vorrichtung der vorliegenden
Ausführungsform vier Addierglieder 20a, 20b, 20e und 20f, von denen jedes an zwei
Lichtempfangsbereiche, einen äußeren und einen inneren, eines zugehörigen Paares
der vier Paare der radial angepaßten Lichtempfangsbereiche Dli und D21, D12 und
D22, D13 und D23 und D14 und D24 angeschlossen ist. Zur Erfassung der Lage der zu
überprüfenden Oberfläche relativ zur Bezugsebene sind zwei zusätzliche Addierglieder
20c und 20d vorgesehen. Das Addierglied 20c ist an die vier äußeren Lichtempfangsbereiche
Dll - D14 angeschlossen, während das Addierglied 20d an die vier inneren Lichtempfangsbereiche
D21 - D24 angeschlossen ist. Sämtliche Addierglieder 20a - 20f sind an eine gemeinsame
Positions- und Neigungserfassungseinheit 26 angeschlossen.
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Im Betrieb bewirkt jedwede Exzentrizität des auf das fotoelektrische
Umwandlungselement, das die Lichtempfangsbereiche Dll - D24 aufweist, treffenden
ringförmigen Laserstrahles aufgrund irgendeiner Neigung der Oberfläche relativ zur
Bezugsebene eine Differenz in den Ausgangssignalen der Addierglieder 20a, 20b, 20e
und 20f, wie dies bei der Ausführungsform der'Figur 6 der Fall ist.
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Somit wird die Neigung der Oberfläche relativ zur Bezugs-
ebene
durch die Einheit 26 in der gleichen Weise erfaßt, wie dies in Verbindung mit der
Ausführungsform der Figur 6 beschrieben wurde. Andererseits bewirkt jedwede Positionsabweichung
der zu überprüfenden Oberfläche relativ zur Bezugsebene in Richtung der optischen
Achse der Linse 7 (s. Figur 1) eine Expansion oder Kontraktion des ringförmigen
Laserstrahles, der auf das mit den Lichtempfangsbereichen Dll - D24 versehene fotoelektrische
Umwandlungselement trifft. Eine solche Anderung des Durchmessers des ringförmigen
Laserstrahles kann als Anderung im Ausgangssignal des Addiergliedes 20c und/oder
20d beobachtet werden. Somit werden die Richtung und das Ausmaß der Positionsabweichung
der zu überprüfenden Oberfläche relativ zur Bezugsebene mittels der Positions-und
Neigungserfassungseinheit 26 in der gleichen Weise erfaßt, wie in Verbindung mit
der vorstehend beschriebenen Ausführungsform erläutert wurde.
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Da der verbleibende Teil dieser Ausführungsform im wesentlichen dem
der Ausführungsform der Figur 6 entspricht, wird aus Gründen einer Vereinfachung
der ErLäuterung auf eine weitere Beschreibung dieses Teils verzichtet.
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Der bei dieser Ausführungsform zur Oberprüfung der Oberfläche eines
Gegenstandes, beispielsweise eines Plättchens, verwendete ringförmige Strahl kann
durch einen punktförmigen Strahl ersetzt werden, der eine kreisförmige Querschnittsform
aufweist. In einem solchen Fall wird der Durchmesser des punktförmigen Strahles
und/oder der Durchmesser des inneren kreisförmigen Bereiches des fotoelektrischen
Umwandlungselementes,
der durch die vier Lichtempfangsbereiche
D21 - D24 festgelegt ist, so ausgewählt, daß der von der zu überprüfenden Oberfläche
reflektierte punktförmige Strahl, wenn die Oberfläche mit der Bezugsebene zusammenfällt,
auf im wesentlichen die gesamte Zone der inneren Lichtempfangsbereiche D21 - D24
fällt, die innerhalb der kreisförmigen Grenzlinie zwischen den äußeren Lichtempfangsbereichen
Dll - D14 und den inneren Lichtempfangsbereichen D21 - D24 ausgebildet ist.
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Es versteht sich, daß in einem solchen Fall jedwede Neigung der zu
überprüfenden Oberfläche relativ zur Bezugsebene in im wesentlichen der gleichen
Weise erfaßt werden kann, wie dies bei einem ringförmigen Lichtstrahl der Fall ist.
Während das Ausmaß der Positionsabweichung relativ zur Bezugsebene in Richtung der
optischen Achse ebenfalls erfaßt werden kann, wird mit dem punktförmigen Strahl
die Richtung der Abweichung nicht erfaßt, da der auf das fotoelektrische Umwandlungselement
treffende punktförmige Strahl infolge einer Defokussierung unabhängig von der Richtung
der Abweichung der zu überprüfenden Oberfläche expandiert.
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Bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen ist die ringförmige
oder kreisförmige Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes
radial und konzentrisch unterteilt, um sowohl die Neigung als auch die Lage der
zu überprüfenden Fläche relativ zur Bezugsebene erfassen zu können. Wenn jedoch
nur die Neigung der zu überprüfenden Fläche erfaßt werden soll, kann eine Unterteilung
der Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes in der konzentrischen
Weise zur Ausbildung von äußeren und inneren Lichtempfangsbereichen nicht notwendig
sein. Dies
geht am besten aus den Ausführungsformen der Figuren
6 und 7 hervor. Bei jeder dieser Ausführungsformen werden die Ausgangssignale der
äußeren und inneren Lichtempfangsbereiche eines jeden Paares der vier radial angepaßten
Paare der Lichtempfangsbereiche Dll und D21, D12 und D22, D13 und D23 und D14 und
D24 über die entsprechenden Addierglieder 10a' - 10d', 20a, 20b, 20e und 20f addiert.
Diesbezüglich können die äußeren und inneren Lichtempfangsbereiche eines jeden Paares
der vier Paare dieser Bereiche als Einheit angesehen werden.
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Mit anderen Worten, die Lichtempfangsfläche des fotoelektrischen Umwandlungselementes
kann so angesehen werden, als ob sie nur in radialer Richtung in vier Lichtempfangsbereiche
unterteilt wäre.
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Dort, wo ein Lichtstrahl eingesetzt wird, der eine ringförmige Querschnittsform
besitzt, ist eine genauere Erfassung möglich, da die Auswirkungen der'Aberrationen
des optischen Systems geringer sind und da nur eine geringfügige Veränderung im
Status der zu überprüfenden Oberfläche eine große Veränderung des Lichtstrahles,
der auf das fotoelektrische wandlungselement trifft, bewirkt. Diesbezüglich wird
jeder Lichtstrahl, der im Querschnitt hohlförmig ausgebildet ist, entsprechende
Effekte liefern. In einem solchen Fall kann das fotoelektrische Umwandlungselement
eine Lichtempfangsfläche einer entsprechenden Form aufweisen.
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Die Art und Weise der Signalverarbeitung zur Erfassung der Neigung
und Lage der zu überprüfenden Fläche ist nicht auf die vorstehend beschriebene begrenzt.
Beispielsweise kann das System so ausgebildet sein, daß
jedes der
Signale von den Lichtempfangsbereichen über eine Schnittstelle an eine Verarbeitungseinheit
angelegt wird, die an eine zentrale Recheneinheit angeschlossen ist, in der die
Signale gemäß einem vorgegebenen Programm verarbeitet werden.
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Erfindungsgemäß kann somit jedwede Neigung einer zu überprüfenden
Fläche durch eine Erfassungsvorrichtung mit einem einfachen und kompakten Aufbau
genau erfaßt werden. Der Erfassungsbereich ist sehr klein, wodurch der Einbau der
Erfassungsvorrichtung in beliebige Gesamtvorrichtungen erleichtert wird. Darüberhinaus
kann auch der Bereich der Fläche eines Gegenstandes,der tatsächlich erfaßt wrden
soll, erfaßt werden. Die Gesamtgenauigkeit der Erfassung kann somit verbessert werden.
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Gemäß einem anderen Aspekt der Erfindung kann ferner sowohl die Lage
als auch die Neigung der zu überprüfenden Fläche mit einer einfachen Einheit erfaßt
werden. Auch in einem solchen Fall ist der Bereich der Erfassung sehr gering. Wenn
daher die Erfassung der Lage der zu überprüfenden Fläche relativ zu einer Bezugsebene
an mehreren Punkten auf der Fläche des Gegenstandes wiederholt durchgeführt wird,
kann die Neigungsverteilung der Fläche, d.h. die Variation in der Oberflächenhöhe
des Gegenstandes, genau ermittelt werden.
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Erfindungsgemäß wird somit eine optische Vorrichtung vorgeschlagen,
die die folgenden Bestandteile aufweist, ein System zur Erzeugung eines Lichtstrahles,
der eine vorgegebene Querschnittsform besitzt, ein optisches System zur Zusammenführung
des erzeugten Lichtstrahles und zum Richten des konvergenten Strahles auf eine zu
überprüfende
Fläche, ein fotoelektrisches Umwandlungselement, das zur Aufnahme des von der zu
überprüfenden Fläche reflektierten Lichtstrahles geeignet ist und eine Lichtempfangsfläche
aufweist,die in eine Vielzahl von voneinander unabhängigen Lichtempfangsabschnitten
aufgeteilt ist, und ein Erfassungssystem zum Empfang eines Ausgangssignales von
jedem Lichtempfangsabschnitt der fotoelektrischen Umwandlungseinrichtung, um die
Neigung und/oder Position der zu überprüfenden Fläche relativ zu einer vorgegebenen
Bezugsebene auf der Basis der Ausgangssignale der Lichtempfangsabschnitte zu ermitteln.