DE3247238A1

DE3247238A1 - Ebenheitsmessgeraet

Info

Publication number: DE3247238A1
Application number: DE19823247238
Authority: DE
Inventors: Toshiaki Osaka Wada
Original assignee: Sumitomo Special Metals Co Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 1981-12-25
Filing date: 1982-12-21
Publication date: 1983-07-14
Also published as: US4627733A; DE3247238C2

Description

VON KREISLER .^SCfrÖMWAlP* ^:..ij&tfOLD FUES VON KREISLER KELLER SELTING WERNER

5"

PATENTANWÄLTE

Sumitomo Special Metals CO. Ltd. Dr.-Ing. von Kreisler ti 973

_ _ ,,..!_ t- „1 Dr.-Ing. K. Schönwald, Köln

22, Kltahama-5-Chome, Dr.-Ing. K. W. Eishold, Bad Soden

Higashi-Ku, Osaka n-^r'.^J"S,^Rie\^lf^öilⁿ ν ·ι ν-\

Dipl.-Chem. Alek von Kreisler, Köln

Japan Dipl.-Chem. Carola Keller, Köln

Dipl.-Ing. G. Seifing, Köln Dr. H.-K. Werner, Köln

DEICHMANNHAUS AM HAUPTBAHNHOF

D-5000 KÖLN 1

20. Dezember 1982 Sg-Fe

Ebenheitsmeßgerät

Die Erfindung betrifft ein Ebenheitsmeßgerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Interferenzstreifen anhand einer Meßebene und einer Referenzebene und zur Ermittlung der Ebenheit der Referenzebene auf der Grundlage der Interferenzstreifen.

Derartige Geräte dienen zur Messung der Ebenheit der Oberfläche eines Objektes mit hypergroßer Genauigkeit und automatisch. Solche extrem präzisen Ebenheiten mit Abweichungen von maximal 0,0S μΐη oder weniger werden beispiels-ο weise bei den Gleitflächen von Magnetköpfen in Magnetband-Aufzeichnungsvorrichtungen benötigt. Zum Zwecke der kontaktlosten Messung der Ebenheit sind verschiedene Verfahren bekannt, die mit Lichtinterferenzen arbeiten, jedoch wurden diese Verfahren bisher wegen der zahlreichen auftretenden'Probleme bezüglich der Präzision ihrer Komponenten, der hyperfeinen Justage und der Genauigkeit

Telefon: (0221) 131041 · Telex: 8882307 άοοα d · Telearomm: Domnatent Köln

bei der Durchführung der Messungen sowie der Schwierigkeit, eine einfache und zeitlich stabile Messung mit der hohen Genauigkeit auszuführen, nicht praktisch realisiert. In der JA-OS 54-159258 ist ein optisches Ebenheitsmeßverfahren beschrieben, bei dem es jedoch in erster Linie auf die Durchführung einer automatischen Messung ankommt.

Zur Durchführung einer optischen Ebenheitsmessung wird beispielsweise ein optisches Fizeau-Interferometer benutzt, um gemäß Fig. 1 Interferenzstreifen 1 zu erhalten, die durch die Ebene des Meßobjieäctes und eine Referenzebene, z.B. eine optische Fläche, erzeugt werden. Die hellen Streifen sind in Form durchgezogener Linien und die dunklen Streifen in Form gestrichelter Linien in der Zeichnung dargestellt. Neben dem Interferenzmuster ist ein linienförmiger eindimensionaler Bildsensor 34 dargestellt, der quer zu den Interferenzstreifen bzw. in Richtung der Streifenbreite, verläuft und der das Muster der Interferenzstreifen 1 an drei Positionen a,b und c aufnimmt. Der Bildsensor 34 erkennt also die Positionen Pa,Pb und Pc quer zur Richtung der Interferenzstreifen an den Stellen a,b und c der hellen (oder der dunklen) Streifen und sein Ausgangssignal enthält ein Grundmaß P bzw. Abstandsmaß-der Interferenzstreifen. Die Ebenheit F läßt sich durch die folgenden Gleichungen ermitteln:

_{F =} _L _x ΔΡ
* 2n ^x P

wobei λ:-die Wellenlänge der Interferenzlichtquelle und η die-Ordnungszahl der Interferenz {hier: η = 1) sowie

ΔΡ = Pb - Pa_+_Pc _{2)

ist.

Der Erfinder hat das oben geschilderte Verfahren benutzt, um ein Interferenzmeßgerät zur Messung von Ebenheiten eines Objektes mit einer Genauigkeit von 0,05 μΐη oder weniger zu konzipieren, bei dem die Genauigkeit der Herstellung und Montage verschiedener Komponenten und optischer Teile extrem hoch war. Selbst wenn diese hohen Genauigkeitsanforderungen erfüllt sind, kann die geforderte Meßgenauigkeit infolge des Einflusses externen Vibrationen nicht erreicht werden, so daß die bisher vorgeschlagenen Gerät bei ihrer praktischen Anwendung große Schwierigkeiten bereiteten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ebenheitsmeßgerät der eingangs genannten Art zu schaffen, das imstande ist, berührungsfrei Ebenheitsmessungen mit extrem hoher Genauigkeit durchzuführen, wobei die einzelnen Komponenten lediglich die Genauigkeit üblicher Präzisionsinstrumente haben müssen und während des Gebrauchs und der Wartung keine hyperfeinen Justierungen vorgenommen werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist das erfindungsgemäße Gerät gekennzeichnet durch

ein optisches System zur Erzeugung der Interferenzstreifen;

einen eindimensionalen Bildsensor zur Aufnahme der Interferenzstreifen;

eine Datenverarbeitungseinheit, die auf der Basis der Ausgangssignale des Bildsensors die Ebenheit berechnet und

eine optische Einrichtung, die das Licht der von dem 5 optischen System erzeugten Interferenzstreifen über den Bildsensor leitet,

wobei der Bildsensor derart angeordnet ist, daß die Interferenzstreifen in Querrichtung (in Richtung ihrer Breite) längs des Bildsensors abgebildet werden, die optische Einrichtung derart angeordnet ist, daß das Bildfeld des Bildsensors bei Drehung der optischen· Einrichtung in Längsrichtung zu den Interferenzstreifen wandert und die Datenverarbeitungseinheit die Drehstellung der optischen Einrichtung als Information über das Bildfeld des Bildsensors bei der Ebenheitsberechnung verarbeitet.

Die Erfindung schafft ein Ebenheitsmeßgerät mit extrem hoher Meßgenauigkeit, bei dem die durch Vibrationen verursachten Fehler eliminiert werden. Das Gerät ermöglicht die Einstellung eines Meßbereichs am Meßobjekt durch einen einfachen Einstellvorgang. Die Interferenzstreifen, die von dem Bildsensor aufgenommen werden, können auf einfache Weise sichtbar gemacht und bestätigt werden, wodurch die Zuverlässigkeit des Gerätes erhöht wird.

Außerdem wird das Problem der Identifizierung von Fehlern der Interferenzstreifen während der Verarbeitung der von dem Bildsensor gelieferten Daten gelöst.

Das erfindungsgemäße Ebenheitsmeßgerät ist ferner imstande, Streuungen oder Veränderungen des Übertragungsverhaltens der fotoelektrischen Umsetzerelemente zu eliminieren, selbst wenn zahlreiche Umsetzerelemente in dem Bildsensor

sr -3

vorhanden sind. Schließlich werden auch solche Störeinflüsse auf die Ebenheitsmessung ausgeschaltet, die durch externe Vibrationen und Verschiebungen des optischen Systems nach gewisser Zeit auftreten können.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Meßprizips, Fig. '2 eine Ansicht des Ebenheitsmeßgerätes von außen, Fig. '3 eine Prizipdarstellung des optischen Systems,

Fig. '4 ein Blockschaltbild der elektronischen Schaltung, Fig. . 5 ein Flußdiagramm des Hauptprogramms zur Verdeutlichung des Steuerinhalts eines Mikrocomputers, Fig. 6 ein Flußdiagramm des Einlesens der Daten von dem Bildsensor,

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Spitzenadressenberechnung, Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Adressen-Identifizierungsprozesses,

Fig. 9 ein Flußdiagramm eines Kompensationsmodus, Fig. 10 ein Flußdiagramm des Einlesens von Daten in den Prozeß,

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Kalibriermodus und Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der Kalibrierdaten .

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Ebenheitsmeßgerätes und Fig. 3 eine Prizipdarstellung des optischen Systems,wobei das optische System mit Ausnahme eines vertikal bewegbaren Probengestells 11, auf welchem das Meßobjekt mit nach oben gewandter Fläche positioniert wird, in einem abge-

ΊΟ

dunkelten Gehäuse 12 untergebracht ist. Ein Helium-Neon-Laser 21 (Wellenlänge 0,6328 um) als Interferenzlichtquelle ist in einem hinter dem Probengestell 11 angeordneten Zylinder 12a des Gehäuses 12 vertikal derart angeordnet, daß seine Strahlung nach oben gerichtet ist. Die Laserstrahlung gelangt über ein ND-Filter 22, eine Streulinse Und ein Lochblende 24 von 20 μπι Durchmesser zu einem total reflektierenden Spiegel 25. Der Spiegel 25 ist unter einem Winkel von 45° schräggestellt, so daß er den im Durchmesser sehr kleinen Laserstrahl von der Lochblende 24 aus horizontal und - bezogen auf das Gehäuse 12 - nach vorne ablenkt, über dem Probengestell 11 ist ein total reflektierender Spiegel 26 im optischen Weg des Laserstrahls angeordnet. Dieser Spiegel 26 ist ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen schräggestellt und lenkt den Strahl senkrecht nach unten ab, wodurch der Strahl auf das Probengestell 11 gerichtet wird. Der Strahl durchläuft hierbei einen zwischen dem Spiegel 26 und dem Probengestell 11 angeordneten Achromaten 27, einen halbdurchlässigen Spiegel 28 und eine optische Fläche (Fiat) als Objekt. Der Halbspiegel 28 ist unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen schräggestellt und er reflektiert das von der optischen Fläche 29 kommende Licht horizontal " und bezogen auf das Gehäuse 12 - nach links, so daß das Interferenzstreifenmuster, das durch die ebene Referenzfläche 29a und die zu untersuchende Objektebene 10a gebildet wird, horizontal ausgesandt wird.

Das von dem Halbspiegel 28 reflektierte Licht durchläuft zu einem Teil einen Halbspiegel 31, der sowohl in Querrichtung als auch in Längsrichtung des Gehäuses 12 unter einem Winkel von 45° schräggestellt ist,und erreicht einen total reflektierenden Spiegel 32, der um eine vertikale Achse herum horizontal rotiert. Der andere Teil des auf

den Halbspiegel 31 treffenden Lichts wird von diesem Halbspiegel reflektiert und erreicht einen fokussierenden Lichtsumpf 33 in der Nähe der Vorderseite des' Gehäuses 11. Der fokussierende Lichtsumpf 33 dient zur visuellen Beobachtung des Interferenzmusters und zu dessen Fotografierung. Hinter der vertikalen Achse des total reflektierenden Spiegels 32 befindet sich ein eindimensionaler Bildsensor 34, der eine vertikal ausgerichtete Reihe fotoelektrischer Umsetzer enthält. Wenn der total reflektierende Spiegel 32 bei seiner Drehung eine Stellung einnimmt/ bei der er unter einem Winkel von 45° in Längsrichtung und in Querrichtung zum Gehäuse 12 schräg steht, wird das Blickfeld des Bildsensors 34 gemäß Fig. 1 bei b abgebildet, d.h. in einer annähernd zentrischen Position des Interferenzmusters, und wenn der Spiegel 32 sich im Uhrzeigersinn (oder im Gegenuhrzeigersinn) dreht, wird das Blickfeld des Bildsensors 34 in die Stellung c (oder die Stellung a) verschoben.

Der Spiegel 32 ist an einem Rahmen 32a befestigt und rotiert auf einer drehenden Welle 32b, welche aus einem runden Stab besteht, der sich mittig von der Unterseite des Rahmens 32 aus nach unten erstreckt. Die Welle 32b trägt etwa auf der Mitte ihrer Länge ein Zahnrad 32c und ihr unteres Ende ist mit einem Drehkodierer 41 gekoppelt, der auf einem (nicht dargestellten) Sockel steht. Seitlich neben dem Winkelkodierer 41 ist ein Impulsmotor 42, dessen Ausgangswelle vertikal angeordnet ist, auf dem Sockel befestigt. Zwischen dem Zahnrad 32c und einem an der Ausgangswelle des Impulsmotors 42 angebrachten Zahnrad 42a läuft ein Zahnriemen 13 um, so daß der Impulsmotor 42 über den Zahnriemen 13 den Spiegel 32 dreht. Im Drehbereich des Rahmenteils 32a sind Endschalter 43

• # W if

ν * www

ι _w w · W · *f <ΰ · β ttUtoV

und 44 angebracht/ die die Grenzen des Rotationsbereichs steuern. Diese Grenzen sind derart bestimmt, daß das Blickfeld des Bildsensors 34 in einem etwa gleichen Winkel (10° oder weniger) im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeigersinn von der Stellung b aus rotiert.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der optische Interferenzweg und insbesondere das mit überlagertem Lichtfluß arbeitende optische System, das das Licht mit Hilfe des total reflektierenden Spiegels 32 (bei dem es sich um ein Prisma handeln kann) von dem Erkennungsort zum Bildsensor 34 leitet, so aufgebaut ist, daß die Stellen, an denen das Interferenzmuster durch die Rotation des Spiegels 32 abgetastet wird, sich ändern. Alternativ kann anstelle des Fizeau-Interferometers, das oben beschrieben wurde, auch eine andere optische Vorrichtung, z.B. ein Michelson-Interferometer zur Erzeugung des Interferenzmusters benutzt werden. Mit 14 sind Schrauben zur Veränderung der Stellung der optischen Ebene 29 bezeichnet und mit 3 ist die außerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Energiequelle für den Laser bezeichnet.

Der Hauptkörper 2 des Ebenheitsmeßgerätes, zu dem auch das Gehäuse 12 und das in ihm befindliche optische System gehören, ist so fest wie möglich konstruiert, um durch Vibrationen verursachte Meßfehler auszuschalten. Der Hauptkörper steht zur Ausschaltung von Vibrationen auf Beinen 15, die als Gummipuffer ausgebildet sind. Die Toleranzen der Montagepositionen des optischen Systems und die Toleranzen für die Bearbeitung der bewegbaren Komponenten liegen jeweils in der Größenordnung von 10 um. Ferner sind die Rückseiten der Halbspiegel 28 und 31 und der optischen Fläche 29 zur Vermeidung von Rückeninterferen-

zen um einige Grade schräggestellt.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Hauptteils der elektronischen Schaltung des Ebenheitsmeßgerätes, wobei eine Steuereinheit 4, mit Ausnahme des Bildsensors 34, des Drehwinkelkodierers 41, des Impulsitiotors 42 einschließlich der zugehörigen Antriebsschaltung 53/ der Endschalter 43 und 44, einer Antriebsschaltung 45 für den Bildsensor 34, eines Bildverstärkers 46, einiger anderer Funktionsteile und Anzeigelampen innerhalb eines Gehäuses 47 angeordnet ist.

Der Mikrocomputer 48 der Steuerschaltung 4 dient zur Steuerung und zur Durchführung von Berechnungen. Er enthält eine CPU (Central Processing Unit), einen Lesespeicher ROM (Read Only Memory), einen Schreib-Lese-Speicher RAM (Random Access Memory), eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstelle und einen Taktimpulsoszillator.

Ein Startschalter 49 und ein Stopschalter 50 in Form beleuchteter Druckknöpfe sind an der Vorderseite der Steuereinheit 4 angeordnet. Diese Schalter geben dem Mikrocomputer 48 die Befehle für Start, Stop oder Meßunterbrechnung, wenn sie gedrückt werden, und sie leuchten jeweils auf ein Signal des Computers hin auf. Ein digitaler Schalter 51 an der Vorderseite der Steuereinheit 4 weist zwei Ziffernräder (Daumenräder) auf, die die eihgestellten Zahlen an den Mikrocomputer 48 liefern. Diese Zahlen bezeichnen das Sichtfeld, in dem die Messung und Berechnung der Ebenheit des Meßobjektes 10 erfolgen soll, mit anderen Worten: sie geben die Drehwinkelposition des Spiegels 32 an, wenn die Stellung a oder c im Blickfeld eingenommen wird. Der Drehwinkelkodierer 41 ist so aus-

gebildet, daß er bei einem Drehwinkel von 1° des Spiegels 32 zehn Impulse erzeugt, die über die Schnittstelle 52 dem Mikrocomputer 48 zugeführt werden. Außerdem werden dem Mikrocomputer 48 der Schaltzustand des Endschalters 43, der den im Gegenuhrzeigersinn liegenden Rotationsbereich des Spiegels 32 reguliert und des Schalters 44, der den im Uhrzeigersinn liegenden Rotationsbereich des Spiegels 32 reguliert, zugeführt.

Die Betriebszustände der Endschalter 43 und 44 werden als Steuerinformationen für den Start oder Stop des Impulsmotors benutzt und dem Mikrocomputer 48 zugeführt. Im Anfangszustand befindet sich der total reflektierende Spiegel 32 im Zustand der Betätigung des Endschalters Wenn der Startschalter 49 in diesem Zustand gedrückt wird, gibt der Mikrocomputer 48 der Motorantriebsschaltung 53 ein Signal, um den Impulsmotor 42 normal zu drehen und den Spiegel 32 im Uhrzeigersinn zu drehen, wodurch der Spiegel 32 schließlich den Endschalter 44 betätigt. Wenn der Stoßschalter 50 gedrückt wird, schaltet der Mikro-0 computer 48 das Signal für die normale Drehung des Impulsmotors 42 ab und gibt der Motorantriebsschaltung 52 ein Signal, um den Impulsmotor 42 rückwärts anzutreiben und den Spiegel 32 im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Darauf hin dreht sich der Spiegel 32 so, daß schließlich der Endschalter 43 betätigt und das Signal für die Motorantriebsschaltung 53 abgeschaltet wird.

Der Mikrocomputer 48 ist mit einem Zähler zur Angabe der Blickfeldposition des Bildsensors 34 und der Drehstellung des Spiegels 32 versehen. Der Zähler wird von einem von dem Drehwinkelkodierer 41 erzeugten Nullpunktimpuls gelöscht. Die Drehwelle 32b und der Drehwinkelkodierer 41 sind so

-χ-

miteinander gekoppelt, daß der Nullpunktimpuls in einer Stellung erzeugt wird, in der der Spiegel 32 sich von der Stelle, in der der Endschalter 43 betätigt worden ist, geringfügig im Uhrzeigersinn gedreht hat» Es sei angenommen, daß die Stellung B, in die sich der Spiegel gedreht hat, wenn der Zählerstand des Zählers den Wert angenommen hat, der Blickfeldposition b entspricht, in der das Ausgangssignal des Bildsensors 34 zur dieser Zeit für die Ebenheitsberechnung benutzt werden soll,und daß die an dem Digitalschaiter 51 eingestellte Zahl X ist. Der Mikrocomputer 48 wählt für die Blickfeldposition a und c, an denen das Ausgangssignal des Bildsensors 34 für die Ebenheitsberechnung ausgewertet werden soll, die beiden Stellungen A und C des Spiegels 32 aus, in denen der Zähler die Zählwerte 90-X und 90+X annimmt. Der eingestellte Wert X gibt jedoch den Abstand zwischen den Positionen a und c in Millimetern an und errechnet sich zu X=(X/2)-0,2, weil das optische System so ausgebildet ist, daß ein Impuls des Drehwinkelkodierers 41 einem Abstand von 0,2 mm im Blickfeld entspricht.

Der Bildsensor 34 weist vorzugsweise 100 Bits für jeden der auf die oben beschriebene Weise erhaltenen Interferenzstreifen auf. Da jedoch die Länge λ/2 zwischen zwei benachbarten hellen Streifen (oder dunklen Streifen) mit einer Genauigkeit von 1/100 gemessen wird, kann man in diesem Fall die theoretische Genauigkeit wie folgt ermitteln:

(λ/2) χ (1/100) = 0,003 um ......... (3).

Die praktisch erzielbare Genauigkeit kann hierbei leicht auf 0,01 um gebracht werden. Bei dem vorliegenden Aus-

führungsbeispiel wird ein Metalloxid-Halbleitersensor aus 1024 Bits zur Überdeckung von zehn Interferenzstreifen benutzt. Der Mittenabstand der Fotodioden in dem Bildsensor beträgt 20μπι.

Nach dem Beginn des Datenleseprozesses erzeugt der Mikrocomputer 48 einen Startimpuls und Taktimpulse für die Antriebseinheit 45, die Impulse mit vorbestimmter Amplitude an den Bildsensor 34 liefert. Daraufhin wird der Bildsensor 34 sequentiell vom ersten Bit bis zum 1024. Bit abgetastet und er erzeugt Videosignale entsprechend den Intensitäten des von ihm empfangenen Lichtes. Das Videosignal wird von dem Bildverstärker 46 verstärkt und über einen Spitzenwert-Halteverstärker 55 mehreren Tiefpaßfiltern 56a,56b und 56c zugeführt. Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter gelangen über einen Abtast- und Halteverstärker 57 und einen Analog/Digital-Umsetzer 58 zum Mikrocomputer 48. Die Zyklusperioden der Abtast- und Haltefunktion und der Analog/Digital-Umwandlung sind den Zyklusperioden, der der Antriebsschaltung 45 zugeführten Taktimpulse angepaßt.

Die Tiefpaßfilter 56a,56b und 56c haben unterschiedliche Grenzfrequenzen von 500 Hz, 250 Hz und 100 Hz. Das jeweils wirksame Tiefpaßfilter wird an dem Wählschalter 59 eingestellt. Die Einstellung hängt von der durch Vibrationen o.dgl. erzeugten'Rauschfrequenz oder andren externen Rauscheinflüssen ab.

Auf der Basis der auf die oben beschriebene "Weise gespeicherten Daten wird die Ebenheit anhand von Gleichung (1)

ermittelt und das Rechenergebnis wird durch eine vierstellige Anzeigeeinheit, die an der Vorderseite der Steuereinheit 4 angeordnet ist, in um und bis auf drei Dezimalstellen hinter dem Komma angezeigt. Ferner dient eine an der Vorderseite des Gehäuses 47 vorgesehene Kathodenstrahlröhre 63 zur Anzeige der durch Drehen des Spiegels 32 an dem Bildsensor 34 erhaltenen Information des Gesamtblickfeldes. Die Anzeige durch die Kathoden-Strahlröhre (CRT) 63 wird mit der folgenden Schaltung durchgeführt.

Mit 64 ist ein Videospeicher bezeichnet, der dem Bildelement der Kathodenstrahlröhre 63 entspricht. In diesen Videospeicher wird die anzuzeigende Musterinformation .unter Steuerung durch den Mikrocomputer 48 eingeschrieben.

Diese Musterinformation wird anschließend ausgelesen und an der Kathodenstrahlröhre 63 angezeigt. Das anzuzeigende Muster besteht aus der längslaufenden Linie, die den hellen Streifen und den Blickfeldpositionen a,b und c entspricht, die jeweils in Weiß angezeigt werden. Der Mikrocomputer 48 gibt über einen Multiplexer 65 an den Videospeicher 64 Daten, die das an der Kathoden strahl-' röhre weiß anzuzeigende Bildelement angeben, als Schreib-Adresseninformation WAD. Die Schreibdaten geben ihrerseits einen aus einem Bit bestehenden Wert, der Schwarz oder Weiß angibt, direkt an den Speicher 64. Der Multiplexer 65 selektiert, wenn er ein Schreibbefehlsignal WE vom Mikrocomputer 48 erhält, das Schreib-Adressensignal WAD und gibt dieses in den Videospeicher 64 ein. Das Schreibbefehlssignal WE wird ferner dem Videospeicher 64 zugeführt, so daß dieser dadurch in den das Schreiben ermöglichenden Zustand versetzt wird.

Λ 2

Ein Zeitsignalgenerator 66, der einen Oszillator und einen Frequenzteiler enthält, wird von einem vom Mikrocomputer 48 ausgegebenen Signal gestartet. Er erzeugt dann ein Vertikal-Synchronisiersignal VS und ein Horizontal-Synchronisiersignal HS. Diese Synchronisiersignale VS und HS werden der Kathodenstrahlröhre 63 und einem Lese-Adressengenerator 6 7 zugeführt. Der Zeitsignalgenerator 6 6 erzeugt Taktimpulse CLK, deren Anzahl in einer Zyklusperiode des Horizontal-Synch'ronisiersignals HS gleich der Anzahl der horizontalen Bildelemente der. Kathoden-

trahlröhre 63 ist. Die Taktimpulse CLK werden dem Lese-Adressengenerator 67 zugeführt. Der Lese-Adressengenerator 67 bildet Leseadressen RAD für den Videospeicher zur Durchführung des Auslesevorganges entsprechend dem die Kathodenstrahlröhre durchlaufenden Strahl. Die Adresse der (horizontalen) Hauptabtastrichtung wird von dem Horizontal-Synchronisiersignal HS rückgesetzt und von dem Taktsignal CLK erhöht. Die Adresse der (vertikalen) Unterabtastrichtung wird von dem Vertikal-Synchronisiersignal VS rückgesetzt und von dem Horizontal-Synchronisiersignal HS inkrementiert.

Ferner erzeugt der Zeitsignalgenerator 66 während der vertikalen Rücklaufzeit des Strahles der Kathodenstrahlröhre 63 das vorbestimmte Signal, das von dem Mikrocomputer 48 empfangen wird und dieser erzeugt das schon genannte Schreibbefehlsignal WE zur Durchführung der Dateneinschreibung unabhängig von dem Zustand der Kathodenstrahlröhre 63. Alternativ kann eine Schnittstelle vorgesehen sein, die einen Koordinatenschreiber oder Drukker steuert, um eine dauerhafte Kopie des von der Kathodenstrahlröhre 63 angezeigten Bildes zu erhalten. In diesem Fall sind die in dem Videospeicher 64 gespeicherten Daten unmittelbar auswertbar. Der Koordinatenschrei-

ber oder Drucker können auch an der Steuereinheit 4 montiert sein.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, das den Steuerinhalt des Mikrocomputers 48 darstellt und im folgenden erläutert wird. Der Startschalter 49 wird betätigt, um die normale Rotation des Impulsmotors 42 durchzuführen.

Der eingestellte Inhalt X des Digitalschalters 51 wird ausgelesen, um den Wert P₁ = 90 - X und den Wert P₃ =90 + X zu erhalten. Der Wert P₃ = 90. Die Werte ρ , ρ und die Position B werden in dem vorbestimmten Register gehalten und die den Wert P₁, P_ und P entsprechenden Blickfeldpositionen a, b und c werden in den Videospeicher 64 eingeschrieben, um an der weißen Längslinie angezeigt zu werden, in der die Horizontaladressen jeweils mit der Schreibadresse übereinstimmen. Nach dem Start des Impulsmotors 42 wird von dem Drehwinkelkodierer 41 kurze Zeit später der Nullpunktimpuls erzeugt, durch den der Zähler, der die Ausgangsimpulse des Drehwinkelkodierers 41 zählte rückgesetzt wird, um die Blickfeldposition des Blickfeldes des Bildsensors 34 zu definieren. Dann werden die Daten vom Bildsensor 34 in noch zu erläuternder Weise ausgelesen und die Spitzenadresse wird in noch zu erläuternder Weise berechnet. Die Spitzenadresse entspricht denjenigen Bitadressen 1 bis 1024 des Bildsensors 34, die die hellen Streifen enthalten, und denjenigen Informationen, die für die Berechnung der oben erwähnten Werte P und ΔΡ benutzt werden. Die berechnete Spitzenadresse {die zahlenmäßig den hellen Streifen entspricht) wird in den Videospeicher 64 für die Anzeige eingeschrieben. Auf diese Weise wird die Horizontaladresse für die Schreibadresse WAD so bestimmt, daß dasjenige

ZO

Erkennungsergebnis im Blickfeld, das sich ergibt, wenn der Zählerstand 0 ist, an der Kathodenstrahlröhre 63 in der Nähe des linken Endes des Rasters angeordnet wird, wobei festgelegt wird, daß die Vertikaladressen, die die genannte Horizontaladresse gemeinsam haben, der Spitzenadresse zugeordnet sind.

Wenn der Impuls von dem Drehwinkelkodierer 41 abgegeben wird, wird der Wert vom Bildsensor 34 wiederum gelesen und die Spitzenadresse wird berechnet und in den- Videospeicher eingeschrieben. Danach wird der Zähler inkrementiert. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Zählerstand des Zählers mit dem Wert P. im Register übereinstimmt. Zusätzlich werden in der von dem Einschreiben unabhängigen Zeitperiode die nacheinander eingeschriebenen Werte von dem Videospeicher 64 ausgelesen und kontinuierlich an der Kathodenstrahlröhre 63 angezeigt.

Wenn der Zählerstand des Zählers den Wert P₁ erreicht, werden die Spitzenadressen P₁₁/ ^i?' *"" ^1 ' k^erecnnet, in einem Schreib-Lese-Speicher (RAM) im Mikrocomputer 48 festgehalten und in dem Bildspeicher 64 eingeschrieben. In diesem Fall erfolgt das Einschreiben in den RAM separat in zwei Speicherbereiche, von denen einer zur Berechnung von P und ΔΡ und der andere für die entsprechenden Spitzenadressen, d.h. zur Identifizierung der hellen Streifen, benutzt wird. Das Einschreiben von Daten des Bildsensors 34 und die Erhöhung des Zählerstandes des Zählers werden jedesmal durchgeführt, wenn der Drehwinkelkodierer 41 einen Impuls erzeugt. Dabei werden die von dem Bildsensor 34 beschriebenen Daten zur Berechnung der Spitzenadressen und zum Einschreiben dieser Spitzenadressen in den Videospeicher 64 benutzt. Die berechneten

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Spitzenadressen werden zunächst mit denjenigen Spitzenadressen P₁₁/ P₁₉ ·.. P₁. verglichen, die einen Vorgang zuvor erhalten worden sind, so daß die Aufzeichnung in bezug auf diejenigen Spitzenadressen, die neu aufgetretenen oder verschwundenen hellen Streifen entsprechen, zusammen mit den Adressen in dem RAM erfolgt. Die in dem RAM festgehaltenen Spitzenadressen werden als Vergleichsdaten für die bei dem .nächstfolgenden Vorgang berechneten Spitzenadressen benutzt und dieser Vorgang wird fortgesetzt bis der Zählerstand den Wert P» erreicht; Der geschilderte sequentielle Vergleich der Spitzenadressen führt zur Identifizierung heller Streifen und hat zur Folge, daß selbst wenn das Interferenzmuster komplex ist, jeweils benachbarte helle Streifen, die sich in der Wellenlänge um" λ/2 unterscheiden, niemals falsch zugeordnet oder verwechselt werden»

α ο ρ ο α

Wenn der Zählerstand den Wert P„ erreicht, werden wie bei dem obigen Vorgang die Spitzenadressen

'P

_?2

P-. errechnet und zur Anzeige in den Videospeicher 64 eingeschrieben und für die Ebenheitsberechnung oder die Identifizierung der hellen Streifen in dem RAM festgehalten.

Danach werden zwischen P„ und P die Spitzenadressen in den Bildspeicher 64 eingegeben und zur Identifizierung der hellen Streifen in dem RAM gespeichert. Auch wenn der Zählerstand den Wert P. annimmt, werden sie in gleicher Weise wie im Falle von ^
64 und dem RAM eingegeben.

und P_ in den Videospeicher

Anschließend erfolgt das Auslesen der Daten, die Berechnung der Spitzenadressen und das Einschreiben der Spitzen-

adressen in den Videospeicher 64 repetierend bis der Endschalter 44 betätigt wird, wodurch der Impulsmotor 42 in Rückwärtsrichtung angetrieben wird. Dadurch werden _;> die Spitzenadressen unter denjenigen Adressen an P₁, P ;_v und P₃, die sich auf die gemeinsamen hellen Streifen be- " ziehen, berechnet und hieraus wird die Ebenheit berechnet und an der numerischen Anzeigeeinheit 60 angezeigt.

Hierdurch erhält man durch Drehen des Spiegels 32 an dem Bildsensor 34 Informationen über das gesamte Blickfeld, beginnend an der Stelle, an der der Nullpunktimpuls des Drehwinkelkodierers 41 erzeugt wird, und zwar in Richtung der Blickfeldpositionen a, b und c. Die Spitzenadressen für die Daten der hellen Streifen werden in den Videospeicher 64 eingeschrieben. Danach zeigt die Kathoden-Strahlröhre 63 ein vergrößertes Streifenmuster, das gleich demjenigen ist, das an dem Lichtsumpf 33 abgebildet wird, und die längslaufenden Linien zeigen jeweils die verschie-r denen Blickfeldpositionen a, b und c an.

Als nächstes wird das Auslesen von Daten aus dem BiIdsensor 34 anhand des Flußdiagramms der Fig. β erläutert. Wenn die vorbestimmten Bedingungen erfüllt sind, wie z.B. das Eingeben des Impulses des Drehwinkelkodierers zum Starten der Dateneinlesung, wird ein mit der Antriebsschaltung 45 verbundenes und dieser einen Startimpuls zuführendes Ausgangstor auf Hochsignal gesetzt, der Zähler im Mikrocomputer 48 wird auf den Wert 3 gestellt und dann wird der Antriebsschaltung 45 ein Impulstakt zugeführt. Der Impulstakt zählt den Zählerstand herunter, so daß das Ausgangstor auf Tiefsignal gesetzt wird, nachdem der Zählerstand Null geworden ist, d.h. der Startimpuls bricht ab. Dieser Prozeß dient dazu,eine kompen-

324723

sierende Zeitverzögerung (für drei Impulse) vom Empfang

des Startimpulses durch den Bildsensor 34 bis zum Erzeuger?' des ersten Ausgangsbits hervorzurufen=

Als nächstes wird die Anfangsadresse K in dem für die : ' Datenauslesung bestimmten inneren Bereich des Speichers RAM an dem Adressenzähler eingestellt und an dem vorbestimmten Zähler wird die Bitzahl von 1024 des Bildsensors J"¹ 34 eingestellt. Dann wird das analoge Ausgangssignal des Bildsensors 34 synchron mit dem Impulstakt in ein Digitalsignal umgewandelt, der Digitalwert wird in die Adresse K eingespeichert und der Adressenzähler wird inkrementiert, während der oben geschilderte Zähler dekrementiert wird. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis der Zählwert des Zählers Null wird, und dann werden die Daten in die Adressen κ bis K + 1023 des RAM eingespeichert.

Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm des Prozeßinhalts für die Spitzenadressenberechnung. Zuerst wird an einem ersten Adressenzähler der Wert K + 50 (K ist die Anfangsadresse des Speicherbereichs des RAM, in der der Wert von 1024 für das Verarbeitungsobjekt gespeichert ist) und an einem anderen Zähler die Zahl 900 eingestellt. Dies dient dazu, die oberen 51 Bits und die unteren 124 Bits der insgesamt 1024 Bits von der Datenverarbeitung auszunehmen. Als nächstes wird die Anfangsadresse in demjenigen Speicher-'bereich des RAM, in dem die berechneten Spitzenadressen gespeichert werden sollen/ an einem zweiten Adresssen- . zähler auf K^J eingestellt. An einem Spitzenzähler zum Zählen der berechneten Spitzenadressen wird schließlich der Wert Null eingestellt.

Als nächstes werden der Wert DATA 0 der Adresse (zuerst der Adresse K + 50), die im ersten Adressenzahler steht, und der Wert DATA

der nächsten "Adresse (als erstes der Adresse K + 51) aus- \*_% gelesen und miteinander verglichen. Wenn beiden Werte gleich sind (was bedeutet, daß die Lichtstärken beider Bits gleich sind), wird der Inhalt des ersten Adressen-Zählers um +1 erhöht und der Inhalt des Zählers um -1 " erniedrigt. Dann werden die nachfolgenden Adressen demselben Prozeß unterzogen.

Wenn andererseits der Wert DATA 0 > DATA 1 ist (was be- · *■ deutet, daß das (K+51)te Bit dunkler ist als das (K+50)te Bit), wird der Inhalt des ersten Adressenzählers um +1 erhöht und der Inhalt des Zählers um -1 erniedrigt. Unter dieser Bedingung werden die Werte DATA 1 (Adresse K+20) und DATA 0 (Adresse K+51) ausgelesen und miteinander verglichen, so daß wenn DATA 1 nicht größer DATA 0 ist, die Tendenz besteht, daß das Bild mit größer werdender Adresse dunkler wird. Danach wird der gleiche Prozeß wiederholt. Wenn bei diesem Prozeß der Zustand DATA 0 < DATA 1 auftritt, beginnt der spezifische Spitzenadressenschritt gemäß nachfolgender Erläuterung.

Mit anderen Worten: Wenn bei dem Prozeß der sequentiellen Inkrementierung der erste Adressenzähler K+50 ist oder DATA 0 < DATA 1 auftritt, wird festgestellt, daß das Bild mit im Zuge der Datenverarbeitung größer werdender Adresse heller wird. In diesem Fall wird der Prozeß der Erhöhung des ersten Adressenzählers um +1 und der Verringerung des Zählerstandes des Zählers um -1 wiederholt bis DATA 0 > DATA 1 -ist, mit anderen Worten: bis die Adresse des hellsten Bits gleich dem Inhalt des ersten Adressenzählers wird. In dieser Stufe wird der Inhalt des ersten Adressenzählers als Spitzenadresse in die durch den zweiten Adressenzähler angegebene RAM-Adresse (zuerst die Adresse K¹) eingegeben, so daß der zweite

324723

2S

Adressenzähler den Inhalt +1 hat und der Inhalt des Spitzenzählers um +1 verändert wird. Dann wird der Vergleich von DATA 0 mit DATA 1 wiederholt. Der oben angege- ." bene Prozeß wird so lange ausgeführt, bis der Inhalt des I Zählers 0 wird.

Auf diese Weise erhält man durch den oben geschilderten Prozeß die Spitzenadressen als Positionsdaten für die Mitten der hellen Interferenzstreifen, die von dem Bildsensor eingefangen werden. Diese Information wird in der nachfolgend angegebenen Weise zur Berechnung der Ebenheit benutzt und an der Kathodenstrahlröhre 63, wie oben dargelegt, angezeigt. Ferner ist aus Gründen der einfacheren Erläuterung in der obigen Beschreibung angegeben, daß die Spitzenadressen zur Anzeige in den Videospeicher 64 eingeschrieben werden, jedoch werden die hellen Streifen so dünn, daß sie nicht sichtbar sind, wodurch ebenfalls die Spitzenadressen und die Adressen an ihren beiden Seiten berücksichtigt werden, und die weiß anzuzeigenden Daten werden in den Videospeicher 64 eingespeichert.

Das Ebenheitsmeßgerät benutzt die zuvor erwähnten Spitzenadressen P₁₁/ ?₁₂ ··· P-i· ···/ ^P21' ^P22 °°° ^P2i °°° ^uru3 P_.j, P_» und P_. ... als Daten für die Ebenheitsberechnung, jedoch wird der helle Streifen (z.B. der helle Streifen in der untersten durchgezogenen Linie in Fig. 1), der auf dem Weg zwischen den Adressen P.(=90 - x) und P₃(=90 + x) erscheint oder verschwindet, von der Verarbeitung ausgenommen. Dieser Streifen wird nach Durchführung der oben geschilderten Spitzenadressenberechnung durch Vergleich mit der vor einem Ausgangsimpuls des Drehwinkelkodierers 41 berechneten Spitzenadresse identifiziert und seine Aufzeichnungsinformation wird dem RAM

zugeführt.

Die Identifizierung der hellen Streifen durch die Spitzen-adressen wird wie folgt durchgeführt: ;-

Die letzten (spätesten) Spitzenadressen werden nach dem I^ Flußdiagramm der Fig. 8 durch P. _Λ, P, _ ... P. gebil- ·· det (s ist der Zählerstand des Spitzenzählers) und die jeweils vorhergehende Spitzenadresse eines Ausgangs des Drehwinkelkodierers 41 ist P·«/ 1; P._₂/· 2; ... . Zuerst wird (P. „ - P. )/4 = P_n, + 1/4 des Streifengrundmaßes P berechnet, so daß entschieden wird/ ob der Zustand der Streifenidentifizierung kleiner ist als das Rechenergebnis.

Die Differenzen ΔΡ.. und ΔΡ,, zwischen P. ₁ und P. _{Λ Λ} und

τ δ 3/ι j-1 /ι

zwischen P. _i und P. . „ werden berechnet, um Streifen,

3/ ι J~ιr*

die in Kombination kleiner sind als P_ als solche identifizieren. Im Falle der Identifizierung von P. _Λ mit

3 t ' P. _Λ „ wird P. _{Λ Λ} als für die Ebenheitsberechnung ver-

3~ ''^ D"ι/ι
nachlässigbar oder unnötig abgespeichert» Dann werden die Differenzen ΔΡ, .. ΔΡ. und ΔΡ . zwischen der k(2, 3 ... s)ten Spitze P. , und P. _Λ, k-1; P. . und

P. _Λ und P. . und P.,., ·>. jeweils so ermittelt, daß 3- ι,κ 3,κ 3^+|/^K

die kombinierten Streifen- wenn die Differenzen nicht mehr als P_ betragen, als solche identifiziert werden.

Mit anderen Worten: In dem Fall, daß die Differenz ΔΡ, zwischen P. . und P. _Λ ■ '.-. kleiner ist als P_n, werden 3/k 3-1/ k-1 0'

P. , und P. als Spitzenadressen für denselben hel-

JfK. 3"~ ' / -K""'
len Streifen identifiziert. Wenn ΔΡ, zwischen P. -, und

■K J , K.

P₁₁ w kleiner ist als P_n, werden P. , und P. _Λ . als

J-IfK U J,K J— I , JC .

Spitzenadressen desselben hellen Streifens identifiziert

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- 25* ■ 2% .

und wenn ΔΡ, . zwischen P.' und P. , kleiner ist als P_n, werden P. , und P. _{1 1} als Spitzenadressen

V J ,K J- l , K-r !

desselben hellen Streifens identifiziertο

Wenn irgendein Wert von AP_7-1J, AP₁ und ΔΡ₇ _Λ größer ist als P- wird die Identifizierung für das neue Auftreten eines hellen Streifens P. durchgeführt»

J ι s

Auf diese Weise werden von den Spitzenadressen

Xf

ir

,.. ^₁₁ ..., ^₂₁, ^₂₂ ... ^₂₁ .._β/ __w ^₃₁, ^₃₂ ... *_3i ..., mit Ausnahme solcher, von denen aufgezeichnet ist, daß sie auf dem Wege auftauchen oder verschwinden, die numerischen Werte jeweils eines Satzes aus drei in abfallender Reihenfolge kombinierten-Spitzenadressen als Spitzenadressen, die demselben hellen Streifen angehören, •identifiziert. Die Daten einer Gruppe aus drei Spitzenadressen werden berechnet, um die Ebenheit durch folgende Gleichung (1) zu erhaltens

X ^Ρ2Γ^(Ρ1
2E^X~P₂^

/2

- P

21

^P22 " ^(P12 *^P32^)/2

P — P

* 23 22

Vi

^P2m-T- i^P1m-1 -^P3m~T^)/2

p—p -2m 2m-1

Auf diese Weise ergibt sich die Ebenheit F = (F + Fp + .o„ + F _.. , ^₁. , wobei m die Gesamtzahl der Streifen .ist, die sich über die Blickfeldpositionen a, b und c erstrecken. .

- 24" -

-28

Die Ebenheit F in der oben angegebenen Form wird an der Anzeigeeinrichtung 60 angezeigt. In dem Fall, daß ein ·' Wert von m nicht mehr als 2 oder nicht weniger als 16 beträgt, erfolgt eine Fehleranzeige, weil der erste Wert I" von m zu einer zu geringen Zahl von Werten führen kann : und der zweite Wert zu einer zu geringen Zuverlässigkeit. « Alternativ können auch der höchste und der niedrigste Wert unter den Werten F bis F _.. von der Berechnung der ;* Ebenheit F ausgeschlossen werden, um zu weit abliegende Daten auszuschließen. Ferner ist das oben geschilderte Verfahren ebenso wie für helle Streifen auch für die Auswertung der dunklen Streifen anwendbar.

Bei Verwendung einer Diodenreihe, welche zahlreiche fotoelektrische Umsetzer enthält, die so aneinandergereiht sind, daß sie den eindimensionalen Bildsensor 34 ergeben, können normalerweise Variationen im Übertragungsverhalten der jeweiligen Elemente von etwa 10 bis 15% den Meßfehler derart hoch werden lassen, daß die oben geschilderte ausserordentlich feine Messung undurchführbar wird. Zur Ausschaltung derartiger Variationen des Übertragungsverhaltens und zur Durchführung einer Messung mit hoher Genauigkeit braucht von dem Mikrocomputer 48 lediglich der folgende Prozeß ausgeführt zu werden:

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm des Steuer Inhalts des Mikrocomputers 48, wenn dieser im Kompensationsmodus arbeit. Dieser Operationsmodus braucht lediglich irgendwann und bei Bedarf ausgeführt zu werden. Für die Operation wird das Meßobjekt 10 nicht benötigt und es wird ein Stellschalter für den Kompensationsmodus (nicht dargestellt) betätigt, um an den Mikrocomputer 48 einen entsprechenden Ausführungsbefehl zu geben.

24723

Nach Betätigung des Schalters für den Kompensationsbefehl liest der Mikrocomputer 48 die Signale aller fotoelektrischen Umsetzer des Bildsensors 34 ab, d.h. die Ausgangssignale OP _± des ersten bis 1024sten Bits, während der Zählerstand von 1 auf 1024 verändert wird, und speichert die in einem bestimmten Bereich des Speichers RAM» In diesem Fall empfängt der Bildsensor - anders als bei der oben beschriebenen Ebenheitsmessung - an allen fotoelektrischen Umsetzern das gleichförmige katoptrische Licht von der Referenzebene 29a °

Als nächstes wird nach Berechnung des Ausgangssignals 0P_± {i = 1 bis 1024) vom Speicher RAM der.Mittelwert ÖP aller fotoelektrischer Umsetzerelemente nach der folgenden Gleichung ermittelt;

1024

OP = Σ OP./1024 ........... (3) „

Eine Differenz CP. zwischen dem Mittelwert OP und dem Äusgangssignal OP. errechnet sich zu

Die Differenz CP. wird als Kompensationswert für die Dif ferenzen oder Variationen der fotoelektrischen Umsetzung des jeweiligen Umsetzerelementes zusammen mit der Information x, die dieses Umsetzerelement kennzeichnet,, in dem Speicher RAM gespeicherte woraufhin die Operationsserie des Kompensationsmodus beendet ist= ;

Die Kompensationswerte CP. ₇ die auf diese Weise gespeichert sind,- werden auf die folgende Weise beim Auslese-

ZO

prozeß der Daten aus dem Bildsensor 34 benutzt: Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm des Datenausleseprozesses., der als Ersatz für den in Fig. 6 dargestellten Prozeß genommen wird. Nachdem die Daten, ähnlich wie vorher beschrieben, in den Adressen K bis K+1023 des Speichers RAM gespeichert worden sind, erfolgt das Auslesen und Addieren der Kompensationswerte CP.. Kurz gesagt: Der Wert K wird an dem ersten Adressenzähler eingestellt und der Wert K" (die Anfangsadresse des die Kompensationswerte CP. speichernden Bereichs des Speichers RAM) wird an dem zweiten Adressenzähler eingestellt und außerdem wird an dem Zähler die Zahl 1024 eingestellt. Die Daten aus dem Bildsensor 34 werden entsprechend dem Inhalt des ersten Adressenzählers und die Kompensationwerte CP. werden entsprechend dem Inhalt des zweiten Adressenzählers ausgelesen, so daß beide Daten addiert werden. Man beachte, daß in Gleichung (4) der Wert CP. positiv ist, wenn das Ausgangssignal des fotoelektrischen Umsetzerelementes kleiner ist als der Mittelwert OP. Die sich bei der Addition ergebende Summe wird entsprechend dem Inhalt des ersten Adressenzählers in den Speicher RAM eingespeichert. Dann wird der Prozeß des Erhöhens der Inhalte des ersten und zweiten Adressenzählers um +1 und des Erniedrigens des Inhalts des Zählers um -1 wiederholt, bis der Inhalt des Zählers 0 wird. Auf diese Weise wird das Addieren der Kompensationwerte CP. zu den von dem Umsetzer gelieferten Signalen durchgeführt, wodurch die Streuungen im Übertragungsverhalten der -jeweiligen fotoelektrischen Umsetzerelemente des Bildsensors 34 kompensiert werden. Auf diese Weise erfolgt die Messung mit hoher Genauigkeit, ohne durch Exemplarsteuungen oder zeitliche Veränderungen des Übertragungsverhaltens beeinträchtigt zu werden, selbst

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wenn solche Streuungen oder Veränderungen des Übertragungsverhaltens der fotoelektrischen Uinsetzereleinente auftreten,,

Die Komponenten der oben beschriebenen Ebenheitsmeßeinrichtung sind so fest wie möglich ausgebildet und montiert,, um Meßfehler infolge externer Vibrationen zu verhindern» Außerdem dienen die Gummipuffer 15 und die Tiefpaßfilter 56a, 56b und 56c, die das durch externe Vibrationen verursachte Rauschen durch die jeweilige Grenzfrequenz abschneiden, zur Verhinderung von Störeinflüssen. Wenn noch weitere Fehler eliminiert werden sollen/ die durch externe Vibrationen oder durch Verschiebungen am optischen System auftreten, nachdem eine gewisse Zeit verstrichen ist, können zur Sicherstellung der hohen Genauigkeit der Sbenheitsmessung die folgenden Maßnahmen ergriffen werden»

Die optische Fläche 29 ist an ihrer Oberseite (der Referenzebene 29a) mit einer in Fig= 3 strichpunktiert dargestellten dünnen Eichlinie 29b versehen, die durch metallische Aufdampfung o-dgl. gebildet ist, so daß der Reflexionsfaktor an der Eichlinie 29b kleiner ist als an den anderen Stellen der Referenzebene 29a« Der dünne Eichstrich 29b ist geradlinig und er verläuft - vom Bildsensor 34 aus betrachtet - rechtwinklig zur Längsrichtung des Bildsensors ο Der Eichstrich ist auf der optischen Fläche 29 so angeordnet, so daß er seitlich an einem Längsende des Bildsensors 34 abgebildet wird, genau gesagt: an derjenigen Stelle, an der die unten noch erläuterte Bitadresse größer ist als 52» Der Eichstrich 29b ist fer- ner lang genug, um von dem Bildsensor 34 auch dann noch erfaßt zu werden, wenn der Spiegel 32 die beiderseitigen

BAD ORIGINAL

β ν ·

2-sr 32

Endstellungen im Drehbereich einnimmt^ und seine Breite ist etwas größer (z.B. 30 μΐη) als das Grundmaß der einzelnen fotoelektrischen Umsetzer im Bildsensor 34 (hier: 20 |im) , so daß der Eichstrich stets von mindestens einem Bit des Bildsensors 34 erfaßt wird.

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerinhalts des Mikrocomputers 48 während der Durchführung des Kalibriermodus. Eine derartige Operation braucht nur gelegentlich und bei Bedarf ausgeführt zu werden. Bei ihr wird, ohne daß ein Meßobjekt 10 vorhanden ist, der (nicht dargestellte) Schalter zur Durchführung des Kalibriermodus betätigt und dem Mikrocomputer 48 wird ein Befehl zur Durchführung dieses Modus zugeführt. Wenn dies geschieht/ setzt der Mikrocomputer 48 den Impulsmotor 42 in Betrieb.

Der (für die nachfolgende Messung) an dem Digitalschalter 51 eingestellte Inhalt X wird ausgelesen, um die Werte P= 90 - X und P₃ = 90 + X zu ermitteln (P₃ = 90). Hierdurch werden die Werte P₁ und P_ sowie die B-Position in das hierfür vorsehene Register eingespeichert. Kurze Zeit nach dem Start der Drehung des Impulsmotors 42 wird von dem Drehwinkelkodierer 41 der Nullpunktimpuls geliefert, der den die Ausgangsimpulse des Drehwinkelkodierers 41 zählenden Zähler rücksetzt, um die Bildfeldposition des Bildsensors 34 zu definieren. Das Zählen der Ausgangsimpulse des Drehwinkelkodierers 41 wird fortgesetzt und wenn der den in dem Register gespeicherte Wert P₁ erreicht ist, werden aus dem Bildsensor 34 die Daten zur Errechnung der untersten Adresse P₁ bottom (nachfolgend erläutert) ausgelesen. Die unterste Adresse wird von derjenigen Bitadresse 1 bis 1024 des Bildsensors 34 gebildet, die die'dünne Linie 29b erkennt (wo das katoptrische Licht von der Referenzebene 29a der optischen Flache 29

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auf den Bildsensor 34 trifft, wobei die dünne Linie 29b den einzigen Teil des Bildfeldes mit niedrigem Reflexionsfaktor darstellt und dunkel erscheint) .

Als nächstes wird P _Λ - ρ bottom - ? berechnet (s.

CIl S

Fig= 12), worin P der Referenzwert ist, der zuvor, beispielsweise bei der Montage des Gerätes, in den Mikrocomputer 48 eingeschrieben worden ist. Zu jener Zeit ist diejenige Bitadresse des Bildsensors 34, die die dünne Linie 29b erfaßt, bei vollständig justiertem optischem System und unter idealen Bedingungen ohne jegliche Vibration festgelegt worden.

Als nächstes wird der AbsolutwertfP J mit einem zuvor in den ROM eingegebenen zulässigen Fehler (z.B. zwei Bits) verglichen, so daß eine 0 in den RAM eingespeichert wird, wenn IP J nicht größer ist als E, und wenn fp J E übersteigt» j df I elf

wird der Wert IP J , der genau gleich dem berechneten Wert

I I

ist, als Kalibrierwert P~7 eingespeichert.

Ferner v/erden die Ausgangsimpulse des Drehwinke Ikodierer s 41 gezählt bis der Zählerstand den Wert P₉ erreicht hat.

Zu dieser Zeit wird die unterste Adresse P„ bottom in der oben angegebenen Weise errechnet, um den Wert P~T zu erhalten, der in dem RAM gespeichert wird= Auch wenn der Zählerstand den Wert P_ annimmt, wird in gleicher Weise P ' ermittelt und in dem RAM gespeichert= Im vorliegenden Fall werden zur·Berechnung von P „ und p" _" P und E von gleichem Wert benutzt= Dann wird der Impulsmotor 42 in Rückwärtsrichtung angetrieben und bei Betätigung des Endschalters 43 angehalten. Auf diese Weise wird die Operationsserie des Kalibriermodus beendet.

- 3-e- -

Die Kalibrierdaten P .., P ~ und P ₇ die während des Kalibriermodus in dem RAM gespeichert worden sind, werden für die Ebenheitsberechnung F , F ... F_-1 benutzt. Mit anderen Worten: Die Spitzenadressen in einer Dreiergruppe

^(P11' ^P21' ^P31^{)/ (E>}12' ^P22' ^P32⁾ *'* ^(P1i' ^P2i' ^P3i⁾ "" die an den Positionen a, b und c gemeinsam erhalten wurde,

werden zur Durchführung der Berechnung von F , F ...

F _Λ und der Ebenheit F wie folgt benutzt: m— ι

(P^₀-P₀J}/2

_F = _λ/2η χ

22

KP₀₉-P₀ ) - { (P₁₀-P. ) + (Po₀-P, )}/2

F = λ/2η χ -^ — ^ 1| — ^

23 ~ 22

W_2n
- λ/2η

Ebenheit F= (F₁ + F₃ + ... + F )/(m-1).

In den obigen Gleichungen entsprechen die Nenner der Multiplikatoren in den Gleichungen für F und F dem Wert P in Gleichung (1) und ebenso entsprechen die Zähler den Größen ΔΡ in Gleichung (1) oder (2). Da P nur unter Benutzung der Daten in der Bildfeldposition b und der annähernd gleichzeitig erhaltenen Daten berechnet wird, ist die Kompensation einer Verschiebung im optischen System oder von Vibrationen nicht erforderlich. Da ΔΡ dagegen unter Verwendung von Daten in den Bildfeldpositionen a,

bund c berechnet wird, werden die Kalibrierdaten P₁ , P_ und P benutzt, um die Unregelmäßigkeiten im opti-

sehen System an jeder Bildfeldposition bzw» etwaige Verschiebungen unter dem Vibrationseinfluß zu eliminieren. Wenn diese Werte gleich sind, haben die Kompensationsdaten natürlich keinen Einfluß auf die Berechnung der Ebenheit F«

Claims

ANSPRtiCHE

Ebenheitsmeßgerät mit einer Einrichtung zur Erzeugung von Interferenzstreifen anhand einer Meßebene und einer Referenzebene und zur Ermittlung der Ebenheit der Referenzebene auf der Grundlage der Interferenzstreifen, gekennzeichnet durch die folgenden Einrichtungen:

ein optisches System zur Erzeugung der Interferenzstreifen;

einen eindimensionalen Bildsensor (34) zur Aufnahme der Interferenzstreifen;

eine Datenverarbeitungseinheit (4), die auf der Basis der Ausgangssignale des Bildsensors (34) die Ebenheit berechnet und

eine optische Einrichtung (32) , die das Licht der von dem optischen System erzeugten Interferenzstreifen über den Bildsensor (34) leitet,

wobei der Bildsensor (34) derart angeordnet ist, daß die Interferenzstreifen in Querrichtung (in Richtung ihrer Breite) längs des Bildsensors (34) abgebildet werden, die optische Einrichtung derart angeordnet ist, daß das Bildfeld des Bildsensors (34) bei Drehung der optischen Einrichtung in Längsrichtung zu den Interferenzstreifen wandert, und die Datenverarbeitungseinheit (4) die Drehstellung der optischen Einrichtung (32) als Information über das Bildfeld des Bildsensors bei der Ebenheitsberechnung verarbeitet.

φ α « «
2. Ebenheitsmeßgerät nach Anspruch 1/ dadurch gekennzeichnet, daß eine numerische Dateneingäbeeinrichtung (51) vorgesehen ist und daß die Datenverarbeitungseinheit (4) die Daten der numerischen Dateneingabeein richtung (51) als kennzeichnende Information über das Bildfeld benutzt/ wobei die Signale des Bildsensors in Abhängigkeit von der numerischen Information zur Berechnung der Ebenheit ausgewählt werden.
3. Ebenheitsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch eine Bildanzeigeeinheit (33;63) zur zweidimensionalen Wiedergabe der durch eine Drehung der optischen Einrichtung (32) aufgenommenen Information der Interferenzstreifen.
4. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Erzeugung einer bleibenden zweidimensionalen Aufzeichnung der von der optischen Einrichtung (32) aufgenommenen zweidimensionalen Interferenzstreifen.
5. Ebenheitsmeßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß eine Bildanzeigeeinheit (33;63) zur Anzeige der bei einer Drehung der optischen Einrichtung (32) von dieser aufgefangenen Information der Interferenzstreifen vorgesehen ist.
6. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet; daß die Ausgangssignale des Bildsensors (34) der Datenverarbeitungseinheit (4) in Abhängigkeit von der Drehposition der optischen Einrichtung (32) zugeführt werden, daß die Datenverarbeitungseinheit (4) die auf die Interferenzringe bezogenen und jeweils anhand eines der Ausgangs-

Signale des Bildsensors (34) errechneten Daten vergleicht, daß die Ausgangssignale nacheinander der Datenverarbeitüngseinheit zugeführt werden und daß die Datenverarbeitüngseinheit (4) auf der Basis des Vergleichsergebnisses Daten zur Berechnung der Ebenheit selektiert.
7. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangssignale des Bildsensors (34) der Datenverarbeitungseinheit'- (4) in Abhängigkeit von der Drehstellung der optischen Einrichtung (32) zugeführt werden, daß die Daten-Verarbeitungseinheit (4) die auf die Interferenzringe bezogenen und auf der Basis der einzelnen Ausgangssignale des Bildsensors (34) errechneten Daten vergleicht und daß die Ausgangssignale nicht gleichzeitig an die Datenverarbeitungseinheit (4) gegeben werden, wodurch auf der Basis des Vergleichsergebnisses Daten zur Berechnung der Ebenheit selektiert werden .
8. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildsensor (34) eine Anzahl von in einer Reihe angeordneten fotoelektrischen ümwandlungselementen zur Aufnahme des Interferenzmusters aufweist.
9. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Datenverarbeitungseinheit (4) eine Funktion zur Berechnung und Speicherung von Daten zur Kompensation der unterschiedlichen Übertragungsverhalten der fotoelektrischen Umsetzerelemente auf der Basis jeweils eines Ausgangssignales der einzelnen fotoelektrischen Umsetzer-

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elemente des Bildsensors (34) während eines im wesentlichen gleichmäßigen Lichtempfangs sämtlicher Umsetzer elemente aufweist, und daß ferner eine Funktion zur Korrektur des Ausgangssignals des Bildsensors anhand der gespeicherten Daten während der Berechnung der Ebenheit vorgesehen ist.
10. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System eine Referenzebene (29a) aufweist, die mit einem örtlichen Kalibrierbereich (29b) versehen ist, dessen Reflexionsfaktor von dem übrigen Teil der Referenzebene abweicht, daß die Datenverarbeitungseinheit (4) eine Kalibrierinformation zum Vergleichen der Ausgangssignale des Bildsensors (34) und zur Kenntlichmachung des Kalibrierbereichs mit der Referenzinformation aufweißt, so daß die Kalibrierinformation während der Ebenheitsberechnung verfügbar ist.