DE19721112A1 - Autofokussiereinrichtung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Autofokussiereinrichtung, bei der eine Objek­ tivlinse auf der Grundlage des Kontrasts eines Objektbilds derart bewegbar ist, daß die Objek­ tivlinse stets auf die Oberfläche eines zu messenden Objekts (bzw. auf die zu messende Objektoberfläche) fokussiert sein kann. Die vorliegende Erfindung ist bei optischen Meßgeräten wie etwa einem Bildmeßinstrument oder einem Mikroskop einsetzbar, bei denen eine Messung der Größen und Formen eines zu messenden Objekts unter Beobachtung eines Bilds des Objekts mit Hilfe eines optischen Beobachtungssystems durchgeführt wird.

Bei Autofokussiereinrichtungen, die an einem optischen Meßgerät wie etwa einem Bildmeßin­ strument oder einem Mikroskop vorgesehen sind, ist eine unter Ausnutzung des Bildkontrasts arbeitende Ausführungsform bekannt, bei der die Fokussierung auf der Grundlage des Kontrast der Abbildung einer zu messenden Objektoberfläche durchgeführt wird. Hierbei wird das Bild zunächst durch eine CCD-Kamera aufgenommen. Weiterhin ist eine mit Laser-Fokussierung arbeitende Ausführungsform bekannt, bei der die Fokussierung auf der Grundlage des von einer zu messenden Objektoberfläche reflektierten Lichts unter Einsatz eines Lasers durchgeführt wird.

Allerdings ergeben sich bei den vorstehend angegebenen, mit Hilfe des Kontrasts oder eines Lasers arbeitenden Ausführungsformen die nachstehend erläuterten Schwierigkeiten.

Bei der anhand des Kontrasts arbeitenden Ausführungsform ist es schwierig, eine korrekte Fokussierung auf eine mit relativ geringem Kontrast versehene Oberfläche wie etwa auf eine spiegelnd bearbeitete Oberfläche oder auf eine Glasoberfläche durchzuführen. Bei der mit Laser arbeitenden Fokussierungsmethode ist es zwar möglich, eine Fokussierung auf geringen Kontrast aufweisenden Oberflächen gemäß den vorstehenden Angaben durchzuführen, wobei jedoch eine Fokussierung lediglich an demjenigen Punkt stattfindet, der durch den Laser bestrahlt wird (die meisten dieser Punkte befinden sich an zentralen Abschnitten). Darüberhinaus ist das Gerät selbst sehr teuer.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung einer Autofokussiereinrichtung, bei der die Schwierigkeiten, die bei der herkömmlichen, mit Kontrastauswertung arbeitenden Ausführungsform oder der mit Laser arbeitenden Fokussierungsmethode auftreten, überwunden sind, so daß eine Fokussierung auf zu messende Objekte aus allen möglichen Materialarten möglich ist und eine Fokussierung auf beliebige gewünschte Punkte innerhalb eines beobachte­ ten Abbildes des zu messenden Objekts erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird mit den im Patentanspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

Bei der in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung stehenden Autofokussiereinrichtung ist zusätzlich eine Musterprojektionseinrichtung vorgesehen, die ein bestimmtes Muster auf die Oberfläche eines zu messenden Objekts projiziert. Die erfindungsgemäße Autofokussiereinrich­ tung enthält ferner eine Objektivlinse, die das Licht auf die Oberfläche des zu messenden Objekts bzw. auf die zu messende Objektoberfläche fokussiert, ein optisches Beobachtungssystem, das zur Betrachtung oder Beobachtung eines Abbildes des zu messenden Objekts auf der Grundlage von durch die Objektivlinse durchtretendem Licht ausgelegt ist, und eine Antriebseinrichtung, durch die die Objektivlinse entlang der optischen Achse auf der Grundlage des Kontrasts des mit Hilfe des optischen Beobachtungssystems erhaltenen Objektbilds verlagerbar ist.

Unter Verwendung des vorstehend erläuterten Aufbaus läßt sich ein bestimmtes, bzw. definiert ausgelegtes, Muster auf die Oberfläche des zu messenden Objekts projizieren, wobei die Objektivlinse auf der Grundlage des Kontrasts des Musters entlang der optischen Achse derart verlagert werden kann, daß eine Fokussierung auf der Oberfläche des zu messenden Objekts selbst dann stattfindet, wenn die Oberfläche durch ein ursprünglich geringen Kontrast aufwei­ sendes Material wie etwa durch eine spiegelnd bearbeitete Oberfläche oder durch eine Glasober­ fläche gebildet ist. Da das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verfahren zu den mit Kontrastauswertung arbeitenden Verfahren zählt, sind zugleich auch die Schwierigkeiten gelöst, die bei einer mit Lasereinsatz arbeitenden Fokussiermethode auftreten.

Bei dem vorstehend erläuterten Aufbau weist die Musterprojektionseinrichtung in bevorzugter Ausgestaltung eine Beleuchtungseinrichtung, eine Projektionslinse und eine Musterprojektionsta­ fel auf, die zwischen die Beleuchtungseinrichtung und die Projektionslinse eingeführt ist und mindestens ein bestimmtes bzw. definiertes Muster trägt.

Bei der Messung eines aus Material mit geringem Kontrast bestehenden Objekts wird die Messung in einem solchen Zustand ausgeführt, daß das auf der Musterprojektionstafel befindli­ che Muster auf die Oberfläche des zu messenden Objekts über die Projektionslinse projiziert wird. Wenn demgegenüber ein aus Material mit hohem Kontrast bestehendes Objekt gemessen wird, wird die Musterprojektionstafel aus dem Lichtpfad entfernt, indem die die Musterprojek­ tionstafel enthaltende oder bildende Platte zurückgezogen wird. Das Gerät kann dann in der gleichen Weise wie bei der herkömmlichen Kontrast-Methode eingesetzt werden. Die Musterpro­ jektionstafel kann auch durch eine Platte ersetzt werden, die hinsichtlich der Form und der Qualität der Oberfläche des zu messenden Objekts ein noch geeigneteres Muster trägt.

Bei der erfindungsgemäßen Autofokussiereinrichtung ist in bevorzugter Ausgestaltung eine Einstelleinrichtung vorgesehen, die zur Justierung des Abstands und der Neigung der Musterpro­ jektionstafel mit Bezug zu der Projektionslinse der Musterprojektionseinrichtung ausgelegt ist, wobei diese Einstelleinrichtung zusätzlich zu der Beleuchtungseinrichtung, der Projektionslinse und der Musterprojektionstafel bereitgestellt ist.

Der Abstand und die Neigung der Musterprojektionstafel mit Bezug zu der Musterprojektionslinse sind somit einstellbar, so daß das auf der Musterprojektionstafel befindliche Muster scharf und genau auf die Oberfläche des zu messenden Objekts projiziert werden kann.

Der Aufbau der Einstelleinrichtung kann jede beliebige Gestaltung aufweisen. In bevorzugter Ausgestaltung ist die Einstelleinrichtung jedoch mit einer Schiebeplatte bzw. gleitverschieblich angeordneten Platte versehen, die im rechten Winkel zu der optischen Achse des von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandten Lichts angeordnet ist und für eine Positionierung in Richtungen verschieblich ist, die einander rechtwinklig kreuzen. Weiterhin ist die Einstelleinrich­ tung bei dieser Ausgestaltung mit einer drehbaren Platte, die an der gleitverschieblich angeordne­ ten Platte in einer um eine Achse, die parallel zu der optischen Achse des von der Beleuch­ tungseinrichtung ausgesandten Lichts verläuft, drehbaren Weise vorgesehen ist, mit einem Halter, der an der drehbaren Platte angeordnet ist und zum Halten der Musterprojektionstafel ausgelegt ist, mit einer Mehrzahl von Einstellschrauben, die in dem Halter mit in bestimmten Winkeln angeordneten Abständen vorgesehen sind und deren Köpfe sich in Anlageberührung an der drehbaren Platte befinden, und mit einer Mehrzahl von Zugschrauben bzw. Stellschrauben versehen, die an der drehbaren Platte zwischen den Einstellschrauben vorgesehen sind.

Die Musterprojektionstafel ist vorzugsweise durch eine Flüssigkristalltafel bzw. Flüssigkristall­ platte gebildet, deren Anzeigemuster durch entsprechende Zuführung von elektrischem Strom steuerbar ist. Hierbei wird als Beispiel ein Muster bei Zuführung von elektrischem Strom angezeigt, während bei Fehlen von elektrischem Strom das Muster ausgelöscht ist.

Das auf der Musterprojektionstafel dargestellte Muster läßt sich somit in einfacher Weise auslöschen, wenn das Meßgerät bzw. die Fokussiereinrichtung bei der Messung eines Objekts aus einem hohen Kontrast aufweisenden Material in herkömmlicher Weise eingesetzt wird.

Hinsichtlich der auf der Flüssigkristalltafel angezeigten Muster wird in bevorzugter Weise ein dreieckförmiges Muster verwendet, bei dem ein Satz aus zwei Dreiecken, die jeweils unter­ schiedliche Lichtdurchlässigkeit aufweisen, abwechselnd in den nach links und rechts weisenden Richtungen aneinander gereiht sind, wobei die Scheitelpunkte der beiden Dreiecke gleichfalls abwechselnd nach oben und nach unten zeigen. Dieser Satz aus dreieckförmigen Mustern ist weiterhin in der Vertikalrichtung ausgebreitet bzw. wiederholt vorgesehen, derart, daß alle Scheitelpunkte aller benachbarten Dreiecke jeweils in die entgegengesetzte Richtung weisen. Ein weiteres bevorzugtes Muster besteht aus einem Muster aus Quadraten, bei dem ein Satz aus zwei verkippten Quadraten mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit abwechselnd entlang der geneigten Randlinien, die einander mit rechten Winkeln schneiden, angeordnet sind. Das Muster kann zum Beispiel auch die Form von Wellen aufweisen, bei dem ein Satz aus zwei wellenförmi­ gen Streifen mit jeweils unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit abwechselnd bzw. wiederholt angeordnet ist.

Diese Muster sind zur Erzielung einer korrekten Fokussierung zweckmäßig, da jedes beliebige zu messende Objekt, das eine gerichtete Kante aufweist, leicht sichtbar ist, weil sich, anders ausgedrückt, eine solche Kante nicht hinter dem Muster verstecken kann bzw. durch das Muster deutlich wiedergegeben wird.

Als optisches Beobachtungssystem ist eine CCD-Kamera bevorzugt.

In bevorzugter Ausgestaltung ist die Antriebseinrichtung mit einem Magneten, der an einer Seite, das heißt entweder an einem Gehäuse und einem die Objektivlinse in beweglicher Weise in Richtung der optischen Achse haltenden Halter angeordnet ist, und mit einer Spule versehen, die an der anderen Komponente, das heißt an dem Linsenhalter oder an dem Gehäuse, angeordnet ist.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Aufrißansicht eines Bildmeßgeräts bzw. eines mit Abbildung arbeitenden Meßgeräts, das mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Verbindung steht,

Fig. 2 zeigt eine Schnittansicht, die entlang der Linie 2-2 in Fig. 1 gesehen ist,

Fig. 3 zeigt eine vergrößerte Ansicht, in der eine Positioniereinrichtung bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel dargestellt ist,

Fig. 4 zeigt eine Schnittansicht, die entlang der Linie 4-4 in Fig. 3 gesehen ist,

Fig. 5(A) und (B) zeigen eine Draufsicht auf eine bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzte Flüssigkristalltafel und eine schematische Ansicht der Oberfläche eines zu messenden Objekts, auf der das durch die Flüssigkristalltafel gebildete Muster proji­ ziert ist,

Fig. 6 zeigt eine Draufsicht auf eine bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzte Einstelleinrichtung,

Fig. 7 zeigt eine Schnittansicht der in Fig. 6 dargestellten Einstelleinrichtung,

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild eines bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eingesetzten Steuersystems,

Fig. 9 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Flüssigkristalltafel,

Fig. 10 zeigt eine Draufsicht auf eine andere Ausführungsform einer Flüssigkristalltafel,

Fig. 11 zeigt eine Draufsicht auf ein abgeändertes Ausführungsbeispiel der Flüssigkristalltafel,

Fig. 12 zeigt eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform einer Flüssigkristalltafel,

Fig. 13(A) und 13(B) zeigen Draufsichten auf eine Flüssigkristalltafel, die ein Gittermuster trägt, und auf ein projiziertes Muster, und

Fig. 14 zeigt eine seitliche Aufrißansicht einer mit Abbildung arbeitenden Meßeinrichtung, bei der ein weiteres Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung eingesetzt ist.

Fig. 1 zeigt eine seitliche Aufrißansicht eines Bildmeßgeräts bzw. eines mit Abbildung oder Bildgabe arbeitenden Meßgeräts, das mit einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ausgestattet ist. In Fig. 2 ist eine Schnittansicht dargestellt, die entlang der in Fig. 1 gezeigten Linie 2-2 geschnitten ist. Das mit Abbildung arbeitende Meßgerät weist einen Tisch 10, der in Richtung der Achsen X und Y (nach links und rechts weisende Richtung gemäß Fig. 1 sowie eine rechtwinklig zu der Zeichnungsoberfläche der Fig. 1 verlaufende Richtung) beweglich angeordnet ist und zur Auflage eines zu messenden Objekts dient, und eine optische Systemeinheit 11 auf, die dem Tisch 10 gegenüberliegend angeordnet ist und sich nach oben und unten in Richtung der Achse Z (vertikale Richtung in Fig. 1) entlang einer in den Zeichnungen nicht gezeigten Säule bewegen kann.

Die optische Systemeinheit 11 umfaßt ein Gehäuse bzw. einen Kasten 12. In einem Zylinder bzw. zylindrisches Element 12A an der Bodenfläche des Gehäuses 12 ist eine Objektlinse bzw. Objektivlinse 14 vorgesehen, die durch einen Objektivlinsenhalter 13 gehalten ist, der in Richtung der optischen Achse L verlagerbar ist. Ein Betätigungselement 15 ist zwischen dem zylindrischen Element 12A und dem Objektivlinsenhalter 13 vorgesehen und dient als Antriebseinrichtung für die Bewegung des Objektivlinsenhalters 13 entlang der optischen Achse L. Das Betätigungselement 15 ist durch einen Magnet 16, der an dem zylindrischen Element 12A fest angebracht ist, und eine Spule 17 gebildet, die an dem Objektivlinsenhalter 13 fest montiert ist. Eine CCD-Kamera 24 und eine Beleuchtungseinrichtung 25 sind an der Oberseite des Gehäuses 12 angebracht. Die CCD-Kamera ist an der optischen Achse der Objektivlinse 14 angeordnet und bildet ein optisches Beobachtungssystem, das das Bild des zu messenden Objekts, das durch das von der Objektivlinse 14 ausgehende Licht gebildet wird, beobachten bzw. aufnehmen kann.

In dem Gehäuse 12 sind ein Spiegel 26, der von der Beleuchtungseinrichtung 25 ausgesandtes Licht in Richtung zu der optischen Achse L in einem rechten Winkel reflektiert, ein Strahlteiler 27, der das von dem Spiegel 26 reflektierte Licht auf die optische Achse L reflektiert bzw. umlenkt, Tubuslinsen 28A, 28B und 28C, die unterschiedliche Vergrößerungen aufweisen (zum Beispiel 1X, 2X und 6X), eine Wähleinrichtung 29, die selektiv eine der Tubuslinsen 28A bis 28C austauschen bzw. in die optische Achse L einbringen kann, und eine Musterprojektionsein­ richtung 20 vorgesehen, die ein bestimmtes Muster auf die Oberfläche des zu messenden Objekts projiziert. Die Wähleinrichtung 29 umfaßt einen Revolver bzw. Revolverkopf 32, der um eine Achse 31 herum drehbar angeordnet ist, die parallel zu der optischen Achse L verläuft, sich jedoch von dieser unterscheidet, wobei der Revolverkopf 32 die Tubuslinsen 28A bis 28C mit gleichen Winkelabständen (jeweilige Winkelintervalle von 120 Grad) entlang des Umfangs eines Kreises trägt, dessen Radius dem Abstand zwischen der Achse 31 und der optischen Achse L entspricht. Weiterhin enthält die Wähleinrichtung 29 eine Positioniereinrichtung 33, durch die der Revolverkopf 32 in einem jeweiligen Winkel, bei dem eine jeweilige Tubuslinse 28A bis 28C mit der optischen Achse L übereinstimmt, positioniert wird, und einen Revolverkopf-Antriebsmotor 44, der mit der Achse 31 des Revolverkopfes 32 über eine Kupplung 43 verbunden ist. Mit dem Bezugszeichen 35 ist ein Sensor bezeichnet, der die Drehwinkel bzw. die Drehwinkellage des Revolverkopfes 32 erfaßt.

Die Positioniereinrichtung 33 weist drei hohle Abschnitte 51A, 51B und 51C, die entlang des Umfangs des Revolverkopfes 32 an dessen Oberfläche als Kerben mit Winkelabständen von 120 Grad eingebracht sind, und ein Lager bzw. ein Eingriffselement 52 auf, das stets derart vorge­ spannt ist, daß es sich in Berührung mit der Oberfläche am Außenumfang des Revolverkopfes 32 befindet, so daß das Lager bzw. Eingriffselement 52 mit den hohlen Abschnitten 51A bis 51C in Eingriff treten kann. Das Eingriffselement 52 wird durch einen L-förmigen Halter 53 abgestützt, der an der Oberseite des Gehäuses 12 befestigt ist, wobei die Abstützung des Eingriffselements 52 an dem Halter 53 mittels einer seitlich offenen bzw. mindestens einseitig seitlich nicht eingespannten Flachfeder erfolgt, wie es in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist.

Die Musterprojektionseinrichtung 20 ist durch die Beleuchtungseinrichtung 25, eine Projektions­ linse 21, die zwischen dem Spiegel 26 und dem Strahlteiler 27 vorgesehen ist, eine Musterpro­ jektionstafel oder -Platte 22, die zwischen die Beleuchtungseinrichtung 25 und den Spiegel 26 an einer mit einer Objektoberfläche der Beleuchtungseinrichtung 25 konjugierten Position eingefügt ist und mit einem bestimmten Muster versehen ist, und die Einstelleinrichtung 23 zur Einstellung des Abstands und der Neigung der Musterprojektionstafel 22 gegenüber der Projek­ tionslinse 21 gebildet. Die Musterprojektionstafel 22 ist durch eine Flüssigkristalltafel bzw. einen Flüssigkristallschirm 22A gebildet, der ein Muster aus Dreiecken gemäß der Darstellung in Fig. 5(A) anzeigt, wobei die Anzeige durch Zuführung von elektrischem Strom bewirkt wird. Das dreieckförmige Muster ist ein Muster, bei dem jeweils zwei Dreiecke mit unterschiedlichen Lichtabsorptionsraten, das heißt genauer gesagt zwei regelmäßige bzw. gleichseitige Dreiecke, von denen eines lichtdurchlässig ist und das andere undurchlässig ist, abwechselnd entlang der Richtung der Achse X (in den nach links und rechts weisenden Richtungen) mit jeweils umge­ kehrter Richtung des Scheitelpunkts der Dreiecke angeordnet sind, wobei die Dreiecke auch entlang der Richtung der Achse Y (das heißt in vertikaler Richtung) in der gleichen Weise angeordnet sind (siehe Fig. 5(A)).

Die Einstelleinrichtung 23 ist durch eine Schiebeplatte bzw. verschiebliche Platte 60, die entlang der Achse X und der Achse Y gleitverschieblich zur Positionierung in dem Gehäuse 12 angeord­ net ist und mittels Stellschrauben bzw. Justierschrauben 60A festgelegt ist, eine drehbare Platte 61, die in drehbarer Weise um die Achse Z herum drehbar an der verschieblichen Platte 60 vorgesehen ist und durch eine Justierschraube 61A in jeder gewünschten Winkelposition festlegbar ist, einen Halter 62, der an der drehbaren Platte 61 vorgesehen ist und die Flüssigkri­ stalltafel 22A hält, drei Stell- bzw. Justierschrauben 63, die an dem Halter 62 in Winkelabstän­ den von 120 Grad angebracht sind, wobei die Köpfe der Justierschrauben in Berührung mit der drehbaren Platte 61 stehen, und drei Aushebeschrauben bzw. Ziehschrauben 64 gebildet, die an der drehbaren Platte 61 zwischen den drei Justierschrauben angebracht sind, bzw. in die drehbare Platte 61 eingeschraubt sind. Es ist daher möglich, die Position der Flüssigkristalltafel 22 entlang der Achsenrichtungen X und Y durch Einstellen der Position der verschieblichen Platte 60 zu justieren, die Winkel (Winkel bezüglich der Achse Z) der Flüssigkristalltafel 22A durch Drehung der drehbaren Platte 61 einzustellen, und den Abstand und die Neigung der Flüssigkristalltafel 22A bezüglich der Projektionslinse 21 durch Einstellen der Justierschrauben 63 und der Aushebe- bzw. Anhebeschrauben 64 zu justieren.

Fig. 8 zeigt ein Blockschaltbild einer Steuereinrichtung für das mit Abbildung arbeitende Meßgerät gemäß dem vorliegenden Ausführungsbeispiel. Die Steuereinrichtung ist mit einer Zentraleinheit CPU 71 versehen. Mit der Zentraleinheit 71 sind jeweils eine Kathodenstrahlröh­ renanzeige 73 über eine Anzeigesteuereinheit 72, die Beleuchtungseinrichtung 25 über eine Beleuchtungssteuereinheit 74, die CCD-Kamera 24 über eine zur Einzelbildgewinnung dienende Einrichtung (frame grabber) 75, die Flüssigkristalltafel 22A über eine die Stromzuführung steuernde Steuereinheit 76, das Betätigungselement 15 über eine Betätigungselementsteuerein­ heit 77, und der Revolverkopfantriebsmotor 44 über eine Revolverkopf-Antriebssteuereinheit 78 verbunden. Weiterhin sind mit der Zentraleinheit 71 jeweils ein X-Achsen-Codierer 79X zur Erfassung der Position des Tisches 10 entlang der Achse X, ein Y-Achsen-Codierer 79Y für die Erfassung der Position des Tisches 10 entlang der Achse Y, ein Z-Achsen-Codierer 79Z für die Erfassung der Position der optischen Systemeinheit 11 (der Objektivlinse 14) entlang der Achse Z, und eine Befehlseingabeeinheit 80 verbunden.

Wenn bei dem vorstehend beschriebenen Aufbau eine Messung begonnen wird, wird eine der Tubuslinsen 28A bis 28C in die optische Achse L eingebracht. Der Motor 44 wird hierzu in einem entsprechenden Winkel gedreht, wobei die Kupplung 43 geschlossen ist, und dann angehalten. Eine der Tubuslinsen 28A bis 28C hat hierbei aufgrund der Drehung des Motors 44 eine Lage nahe bei der optischen Achse L erreicht, wobei das Eingriffselement 52 beginnt, in einen entsprechenden hohlen Abschnitt 51A bis 51C hineinzuwandern. Wenn die Kupplung 43 zu diesem Zeitpunkt freigegeben wird, ist der Motor 44 von dem Revolverkopf 32 entkoppelt, so daß der durch den Motor 44 ausgeübte Drehwiderstand beendet ist. Der Revolverkopf 32 wird dann automatisch so weit gedreht, bis seine Winkelposition mit einer Position übereinstimmt, bei der das Eingriffselement 52 vollständig in den entsprechenden hohlen Abschnitt 51A bis 51C hineingetreten ist, wodurch der Revolverkopf 32 positioniert ist.

Wenn von der Beleuchtungseinrichtung 25 dann Licht ausgesandt wird, wird dieses Licht durch den Spiegel 26 reflektiert, erneut durch den Strahlteiler 27 umgelenkt und bestrahlt unter Durchlaufen der Objektivlinse 14 ein Objekt auf dem Tisch 20. Das von dem Objekt reflektierte Licht läuft durch die Objektivlinse 14 hindurch, und wird dann entsprechend der Vergrößerung der ausgewählten Tubuslinse 28 und des Strahlteilers 27 vergrößert oder verkleinert, so daß ein Bild auf der CCD-Kamera ausgebildet wird.

Hierbei erfaßt die Zentraleinheit 71 den Kontrastwert jedes Bildelements, das durch die CCD- Kamera aufgenommen ist, und führt der Flüssigkristalltafel 22A elektrischen Strom über die Stromzuführungs-Steuereinheit in einem Fall zu, bei dem der Kontrastwert unterhalb eines vorbestimmten Werts liegt. Es wird dann ein aus Dreiecken bestehendes Muster, wie es in Fig. 5(A) gezeigt ist, auf der mit Strom gespeisten Flüssigkristalltafel 22A angezeigt, das dann über die Projektionslinse 21 auf die Oberfläche des zu messenden Objekts fokussiert wird. Die Zentraleinheit 71 treibt dann das Betätigungselement 15 in Abhängigkeit von dem Kontrastwert jedes durch die CCD-Kamera 24 aufgenommenen Bildelements über die Betätigungselement- Steuereinheit 77 an und verlagert die Objektivlinse 14 entlang der optischen Achse L derart, daß eine korrekte Fokussierung erzielt wird, bzw., anders ausgedrückt, die Objektivlinse 14 durch die Zentraleinheit 71 in eine Position gebracht wird, bei der sich der maximale Kontrastwert für die Bildelemente ergibt. In diesem Fall wird auch ein Ende bzw. ein Rand des zu messenden Objekts sichtbar gemacht, so daß eine korrekte Fokussierung erhalten wird.

Die Größen und die Formen des Objekts werden anhand des Bilds des zu messenden Objekts ermittelt, das durch die CCD-Kamera 24 bei dem vorstehend beschriebenen Zustand, das heißt bei scharfer Fokussierung, erhalten wird.

Bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel kann somit ein Muster auf die Oberfläche des Objekts projiziert werden, da die Musterprojektionseinrichtung 20 zum Projizieren des Musters auf die Oberfläche des zu messenden Objekts vorgesehen ist. Weiterhin kann die Objektivlinse 14 in Richtung der optischen Achse L in Abhängigkeit von dem Kontrast des Musters verlagert werden, so daß das Licht auf der Oberfläche des Objekts gesammelt wird. Es ist daher möglich, auf ein ursprünglich geringen Kontrast aufweisendes Material, wie etwa auf eine spiegelnde Oberfläche oder eine Glasoberfläche, zu fokussieren. Da das bei der vorliegenden Erfindung eingesetzte Verfahren zu der Kontrast-Methode rechnet, treten hierbei die Schwierigkeiten bei der Laser-Fokussierungsmethode nicht auf.

Da die Musterprojektionseinrichtung 20 durch die Beleuchtungseinrichtung 25, die Projektions­ linse 21, die Musterprojektionstafel 22, die ein projiziertes bzw. gezielt erzeugtes Muster aufweist und zwischen die Beleuchtungseinrichtung 25 und die Projektionslinse 21 eingefügt ist, und die Einstelleinrichtung 23 zur Einstellung des Abstands und der Neigung der Musterprojek­ tionstafel 22 bezüglich der Projektionslinse 21 gebildet ist, kann das auf der Musterprojektionsta­ fel 22 vorhandene Muster scharf und exakt auf die Oberfläche des messenden Objekts fokussiert werden.

Da die Musterprojektionstafel durch die Flüssigkristalltafel 22A gebildet ist, durch die ein Muster mit Hilfe der Durchleitung von elektrischem Strom angezeigt wird, kann die erfindungsgemäße Einrichtung auch als Gerät für die herkömmliche Kontrastmethode eingesetzt werden, indem lediglich das Muster auf der Flüssigkristalltafel beseitigt bzw. abgeschaltet wird, so daß das Gerät zum Messen eines Objekts eingesetzt werden kann, das aus einem hohen Kontrast zeigenden Material besteht. Folglich läßt sich ein Ersatz für, bzw. eine Arbeitsweise wie bei einem herkömmlichen Kontrast-Verfahren in einfacher Weise erzielen.

Da auf der Flüssigkristalltafel 22A bei der Zuführung von elektrischem Strom ein Muster von Dreiecken angezeigt wird, ist es möglich, eine korrekte Fokussierung selbst dann zu erhalten, wenn das Ende bzw. der Rand des zu messenden Objekts eine bestimmte Richtung bzw. Ausrichtung aufweisen sollte, da der Rand sichtbar gemacht wird. Wenn hierbei, wie in Fig. 13(A) gezeigt ist, eine Flüssigkristalltafel 22F eingesetzt wird, auf der ein schlitzförmiges Muster angezeigt wird, können die Schlitze mit dem Rand des zu messenden Objekts in dem Fall, daß sie die gleiche Richtung aufweisen, wie es in Fig. 13(B) gezeigt ist, überlappt sein, so daß der benötigte Rand für die Fokussierung verborgen bleibt.

Da das Gerät durch den Revolverkopf 32 mit den drei Tubuslinsen 28A bis 28C mit unterschied­ lichen Vergrößerungsfaktoren, die entlang des Umfangs in drehbarer Weise zwischen der Objektivlinse 14 und der CCD-Kamera 24 angeordnet sind, und durch die Wähleinrichtung 29 für die Auswahl einer der Tubuslinsen 28A bis 28C für deren Einbringung in die optische Achse L gebildet ist, ist das Gerät im Vergleich mit einem Gerät mit Objektivlinsen-Revolverkopf kosten­ günstig, da keine Notwendigkeit hinsichtlich einer Mehrzahl von Objektivlinsen besteht und eine außerhalb angebrachte Beleuchtung wie etwa eine ringförmige Beleuchtung eingesetzt werden kann.

Die Wähleinrichtung 29 enthält den Revolverkopf 32, der um die Achse 31 herum drehbar angeordnet ist, die parallel zu der optischen Achse L der Objektivlinse 14 verläuft, jedoch in einer unterschiedlichen Lage liegt. Der Revolverkopf 32 umfaßt die Tubuslinsen 28A bis 28C, die an dem Umfang eines Kreises angeordnet sind, dessen Radius gleich dem Abstand zwischen der Achse 31 und der optischen Achse L der Objektivlinse ist. Ferner enthält die Wähleinrichtung 29 die Positioniereinrichtung 33 für die Positionierung des Revolverkopfes 32 in jeweiligen Winkel­ positionen, bei denen eine jeweilige Tubuslinse 28A bis 28C mit der optischen Achse L der Objektivlinse 14 übereinstimmt. Der Revolverkopf 32 kann durch die Positioniereinrichtung 33 in jeweiligen Winkelpositionen, bei denen jeweils eine Tubuslinse 28A bis 28C mit der optischen Achse L der Objektivlinse 14 übereinstimmt, durch Drehen des Revolverkopfes 32 eingebracht werden, so daß es einfach ist, eine jeweilige Tubuslinse 28A bis 28C mit der optischen Achse L der Objektivlinse 14 auszurichten.

Da der Motor 44 mit der Achse 31 des Revolverkopfes 32 über die Kupplung 43 gekoppelt ist, kann der Revolverkopf 32 automatisch in die jeweils angegebene Winkelposition gedreht werden. Wenn der Revolverkopf 32 in der vorgegebenen Winkelposition ankommt, wird der Motor 44 durch Lösen der Kupplung 43 von dem Revolverkopf 32 abgekoppelt, so daß der von dem Motor 44 ausgeübte Drehwiderstand nicht länger wirksam ist und die Position des Revol­ verkopfes 32 somit exakt in die jeweils gewünschte Winkelposition durch die Positioniereinrich­ tung 33 gebracht werden kann.

Die Positioniereinrichtung 33 enthält die hohlen Abschnitte 51A bis 51C, die kerbförmig an der Oberfläche um den Umfangsbereich des Revolverkopfes 32 herum eingebracht sind, das Lager bzw. Eingriffselement 52 und die flache Feder 54, die das Eingriffselement 52 stets in Richtung auf eine Berührung mit der Oberfläche des Außenumfangs des Revolverkopfes 32 vorspannt. Wenn der Revolverkopf 32 die gewünschte Winkelposition erreicht, das heißt wenn das Eingriffselement gerade damit beginnt, in einen der hohlen Abschnitte 51A bis 51C einzupassen bzw. einzugreifen, wird der Motor 44 von dem Revolverkopf 32 durch Freigeben der Kupplung 43 entkoppelt, wonach der Revolverkopf 32 sich unabhängig vom Motor zu drehen beginnt. Folglich kann der Revolverkopf 32 exakt mit Hilfe eines einfachen Aufbaus positioniert werden.

Bei dem vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiel ist die Musteranzeigetafel 22 durch die Flüssigkristallplatte 22A gebildet, auf der das durch die Dreiecke gebildete Muster bei Zuführung von elektrischem Strom ausgebildet wird. Jedoch liegen auch Flüssigkristalltafeln mit anderen Mustern im Rahmen der vorliegenden Erfindung, die nicht auf Dreiecks-Muster beschränkt ist.

Wie zum Beispiel in Fig. 9 gezeigt ist, kann auch eine Flüssigkristalltafel 22B vorgesehen sein, die bei Zuführung von elektrischem Strom ein aus Quadraten bestehendes Muster ausbildet und anzeigt. Das in der Flüssigkristalltafel 22B gebildete Muster ist eine Abfolge eines Quadrat- Paares, das aus zwei verkippten Quadraten mit unterschiedlicher Durchlässigkeit bzw. Transpa­ renz besteht. Genauer gesagt ist jeweils eines der Quadrate transparent und das andere nicht transparent, wobei diese Quadrate abwechselnd in schräger Ausrichtung entlang der schräg verlaufenden Randlinien, die einander rechtwinklig schneiden, angeordnet sind.

Es können auch Flüssigkristalltafeln 22C, 22D und 22E vorgesehen sein, wie sie in den Fig. 10, 11 und 12 gezeigt sind, die wellenförmige Muster bei Zuführung von elektrischem Strom bzw. Anlegen von elektrischer Spannung erzeugen. Bei diesen Mustern handelt es sich jeweils um eine Abfolge eines Paares aus zwei wellenförmigen Bändern, die unterschiedliche Lichtdurchlässigkeit aufweisen, wobei, genauer gesagt, jeweils ein Band, das lichtdurchlässig ist, und ein anderes Band, das lichtundurchlässig ist, abwechselnd entlang der horizontalen Richtung, der vertikalen Richtung oder entlang einer schräg verlaufenden Richtung angeordnet sind.

Wie in Fig. 14 gezeigt ist, ist es auch möglich, Muster dadurch zu projizieren, daß entweder die Beleuchtungseinrichtung 25 oder eine Beleuchtungseinrichtung 25A ausgewählt wird, wobei die Beleuchtungseinrichtung 25A, die sich von der Beleuchtungseinrichtung 25 der Musterprojek­ tionseinrichtung 20 unterscheidet, an einer der Projektionslinse 21 gegenüberliegenden Seite derart angeordnet ist, daß sich der Spiegel 26 zwischen diesen Komponenten befindet. Der Spiegel 26 ist hierbei in schwenkbarer Weise angeordnet, wie es aus Fig. 14 ersichtlich ist.

Die Musterprojektionstafel 22 ist nicht auf die Flüssigkristalltafeln 22A bis 22F beschränkt, sondern kann auch eine Tafel wie etwa eine Strichplatte oder eine Zielmarke sein, auf der ein bestimmtes Muster ausgebildet ist. In einem solchen Fall kann die Tafel in abnehmbarer Weise angebracht sein und wird abgenommen, wenn ein hohen Kontrast aufweisendes Objekt gemes­ sen wird.

Die Einstelleinrichtung 23 ist ebenfalls nicht auf den vorstehend beschriebenen Aufbau beschränkt. So kann zum Beispiel die Anzahl von Justierschrauben 63 oder von Zugschrauben bzw. Verstellschrauben 64 beliebig sein. Auch das Betätigungselement 15 kann anders ausgebil­ det sein und zum Beispiel umgekehrt wie die vorstehend beschriebene Gestaltung ausgeführt sein, das heißt es kann die Spule 17 an dem zylindrischen Abschnitt 12A angeordnet sein, während der Magnet 16 an dem Objektivlinsenhalter 13 vorgesehen ist.

Mit der erfindungsgemäßen Autofokussiereinrichtung ist es möglich, auf zu messende Objekte zu fokussieren, die aus allen Materialarten hergestellt sein können, ohne daß sich irgendeine Einschränkung hinsichtlich der Qualität des Materials oder hinsichtlich der Position in dem von dem Objekt erhaltenen Beobachtungsbild ergibt.

Claims (10)

1. Autofokussiereinrichtung mit
einer Objektivlinse (14) zum Konzentrieren von Licht auf der Oberfläche eines zu mes­ senden Objekts,
einem optischen Betrachtungssystem (24), durch das ein Objektbild betrachtbar ist, das durch das durch die Objektivlinse (14) hindurchgetretene Licht erzeugt ist,
einer Antriebseinrichtung (15) für die Objektivlinse (14) für deren Verlagerung entlang einer optischen Achse (L) in Abhängigkeit von dem Kontrast des durch das optische Betrach­ tungssystem (24) gewonnenen Objektbilds, und
einer Musterprojektionseinrichtung (20) zum Projizieren eines bestimmten Musters auf die Oberfläche des zu messenden Objekts.

2. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterprojektionseinrichtung (20) eine Beleuchtungseinrichtung (25, 25A), eine Projektionslinse (21) und eine Musterprojektionstafel (22; 22A bis 22F) aufweist, die zwischen die Beleuch­ tungseinrichtung (25, 25A) und die Projektionslinse (21) eingefügt ist und mindestens ein bestimmtes Muster ausbildet.

3. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Musterprojektionstafel (22; 22A bis 22F) eine Flüssigkristalltafel enthält, deren Musteranzeige durch Zuführung von elektrischem Strom steuerbar ist.

4. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs­ sigkristalltafel (22) ein Muster aus Dreiecken ausbildet, die derart angeordnet sind, daß jeweils zwei Dreiecke mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit alternierend in der nach links und rechts weisenden Richtung sowie in der nach oben und unten führenden Richtung angeordnet sind, wobei die Ausrichtung der Dreiecke alternierend umgekehrt ist, so daß alle Scheitelpunkte jeweils benachbarter Dreiecke in entgegengesetzte Richtungen weisen.

5. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs­ sigkristalltafel (22B) ein Muster aus Quadraten ausbildet, wobei die Quadrate derart angeordnet sind, daß jeweils zwei Quadrate mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit abwechselnd in schräg verlaufenden Richtungen sowie entlang gerader Linien ausgerichtet sind, die die Randlinien der Quadrate rechtwinklig schneiden.

6. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüs­ sigkristalltafel (22C bis 22E) ein Muster aus bandförmigen, wellenförmigen Streifen ausbildet, wobei die wellenförmigen Streifen derart angeordnet sind, daß jeweils zwei Streifen mit unterschiedlicher Lichtdurchlässigkeit abwechselnd Seite an Seite angeordnet sind.

7. Autofokussiereinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einstelleinrichtung (23) zur Einstellung des Abstands und der Neigung der Musterprojek­ tionstafel (22; 22A bis 22E) in bezug zu der Projektionslinse (26).

8. Autofokussiereinrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstelleinrichtung (23) eine gleitverschiebliche Platte (60), die rechtwinklig zur optischen Achse des von der Beleuchtungseinrichtung (25) ausgehenden Lichts angeordnet ist und für eine Positionierung entlang zweier sich rechtwinklig schneidender Richtungen gleitverschieblich ist, eine drehbare Platte (61), die an der gleitverschieblichen Platte (60) derart drehbar angeordnet ist, daß sie um eine parallel zu der optischen Achse des von der Beleuchtungseinrichtung (25) ausgehenden Lichts parallelen Achse herum drehbar ist, einen Halter (62), der an der drehbaren Platte vorgesehen ist und die Musterprojektionstafel (22; 22A bis 22E) hält, eine Mehrzahl von Justierschrauben (63), die in den Halter (62) in bestimmten Winkelabständen eingebracht sind und deren Köpfe sich in Berührung mit der drehbaren Platte (61) befinden, und eine Mehrzahl von Zug- bzw. Einstellschrauben (64) enthält, die an der drehbaren Platte (61) angreifen und sich zwischen den Justierschrauben (63) befinden.

9. Autofokussiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Betrachtungssystem (24) eine CCD-Kamera aufweist.

10. Autofokussiereinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebseinrichtung (15) einen Magnet (16), der an einem Gehäuse (12) oder an einem Objektivlinsenhalter (13), der die Objektivlinse (14) in einer entlang der optischen Achse (L) bewegbaren Weise hält, angeordnet ist, und eine Spule (17) aufweist, die an dem Objektivlinsenhalter (13) bzw. an dem Gehäuse (12) angeordnet ist.