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Verfahren und Vorrichtung zum Betrachten von Gegenständen -Zusatz
zu P 20 41 825.1 Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrachten von Gegenständen
und eine Vorrichtung zum Durchfübr'en des Verfahrens, die eine Verbesserung zu P
20 41 825.1 sind. Die Erfindung betrifft insbesondere, jedoch nicht ausschließlich
die Betrachtung ebener Oberflächen von bahnförmigen oder plattenförmigen Gegenständen,
um Oberflächenfehler festzustellen, und außerdem die Betrachtung dünn er Bleche
oder ähnlicher Materialien, um an der Oberfläche nicht sichtbare innere Behler aufzuspüren.
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Beispiele für Gegenstände, auf die die vorliegende Anmeldung vorzugsweise
anzuwenden ist, sind Bleche, Kacheln, Folien aus Kunststoff oder Gummi, Papier,
Glaskörper, flagnetbänder und Emulsionen bzw. mit Emulsionen beschichtete Materlaien.
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Unter dem Begriff "Behler" werden Risse, Fehlerstellen, Löcher, innere
Ungleichförmigkeiten, Oberflächenrauhigkeit und auch örtliche Farbfehler und dgl.
verstanden. Eine andere Anwendung der Erfindung besteht darin, die Tiefe von beim
Walsen eingeformten Markierungen eines Metallgegenstandes festzustellen.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, das Verfahren und die Vorrichtung
zum Betrachten von Gegenständen aus dem Hauptpatent zu verbessern.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung ein Verfahren zum
Betrachten von Gegenständen zum Feststellen von Fehlern geschaffen, wobei wenigstens
ein Teil des zu untersuchenden Gegenstandes einem Strahl elektromagnetischer Strahlung
ausgesetzt bzw. von einem derartigen Strahl abgetastet wird, wodurch man ein elektrisches
Prüfsignal als Funktion der Fourierreihe der vom untersuchten Gegenstand reflektierten
und/oder durchgelassenen Strahlung erhält, woraufhin man das Prüf signal mit einem
Vergleichssignal oder einem Äquivalent desselben vergleicht, um das Vorhandensein
von die Fehler anzeigenden Informationen im Früf signal aufzuzeigen.
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Weiterhin wird durch die Erfindung eine Vorrichtung zum Durchführen
des geschilderten Verfabrens vorgeschlagen, die eine Einrichtung zum Erzeugen eines
Strahls elektromagnetischer Strahlung, eine Einrichtung zum Lenken dieses Strahles
auf den zu untersuchenden Gegenstand, eine Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen
Prüfsignals, das eine Funktion der Fourierreihe der im wesentlichen vom zu untersuchenden
Gegenstand reflektierten und/oder durchgelassenen Strahlung ist, und eine Einrichtung
zum Feststellen der Anwesenheit von fehleranzeigenden Informationen im Prüf signal
aufweist.
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Die zum Abtasten verwendete räumliche Frequenz kann konstant oder
veranderbar sein, um entsprechend der vom zu untersuchenden Gegenstand reflektierten
oder durch denselben hindurchgelassenen Strahlung einen Teil oder eine vollständige
Bourierreihe zu erzeugen.
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Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung wird die Strahlung abgetastet,
um ihre Intensität periodisch zu verändern, bevor oder nachdem sie auf oder durch
den zu untersuchenden Gegenstand gelenkt worden ist, wobei das Prüf signal von der
Abtaststrahlung abgeleitet wird.
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Die verwendete Strahlung ist vorzugsweise sichtbares Licht, obwohl
auch Infrarot- oder Ultraviolett strahlung und sogar Röntgen- oder Atomstrahlung
bzw. sonstige harte Strahlung verwendet werden kann.
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Wenn auf der Außenfläche eines Gegenstandes Fehler ermittelt werden
sollen, kann diese Außenfläche normalerweise eine Spiegelreflektion oder eine diffuse
Reflektion erzeugen.
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Im letztgenannten Fall e kann die von der untersuchten Oberfläche
diffus reflektierte Abtasstrahlung gesammelt und in das Prüf signal umgewandelt
werden. Wenn die untersuchte Oberfläche eine Spiegelreflektion erzeugt, kann entweder
die spiegelreflektierte Abtaststrahlung gesammelt und in das Prüf signal umgewandelt
werden oder die von den Oberflächenfehlern diffus reflektierte Abtaststrahlung wird
gesammelt und in das Prüfsignal umgewandelt, das in diesem Falle nur dann auftaucht,
wenn Fehler vorhanden sind.
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Das Abtasten kann durch eine drehbare, Strahlungen übertragende Scheibe
mit auf ihr angebrachten radialen Gitter-oder Brechungslinien durchgeführt werden.
Anstatt einer Abtasteinrichtung zum Erzeugen des Präfsignals zu verwenden, kann
auch ein Prüf signal dadurch erzeugt werden, daß man eine feststehende Reihe von
fotoelektrischen Elementen verwendet, die so angeordnet sind, daß sie eine sinusförmige
Veränderung der Strahlungsempfindlichkeit in einer vorbestimmten Richtung zeigen.
Fotografische Malaken oder Moire-Gitter können über den Elementen angeordnet sein,
um diese
gewuuschte Ansprechbarkeit zu erzeugen.
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Die zu untersuchenden Gegenstände können bewegt werden, woraus sich
ergibt, daß die Erfindung insbesondere für die automatische Betrachtung oder Inspektion
von Gegenständen der obenbeschriebenen Art geeignet ist.
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Zur weiteren Erläuterung der Erfindung und den zahlreichen jusführiingsmöglichkeiten
derselben dient die nachfolgende Beschreibung und die Zeichnung, in der einige Ausf
t ngsbeispiele zur Durchführung der Erfindung schematisch dargestellt sind, und
zwar zeigt Big. 1 ein Blockdiagramm einer erfindungsgemäß ausgebildeten Vorrichtung,
Fig. 2 ein Blockdiagramm einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, Fig. 3 ein
Blockdiagramm-noch einer anderen erfindung sgemäßen Vorrichtung, Fig. 4 ein Blockdiagramm
noch einer anderen erfindungsgemäßen Vonichtung und Fig. 5 ein Blockdiagran einer
Vorrichtung nach einer noch anderen Ausführungsform der Erfindung.
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Die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ist besonders zum Uatersuchen
von Gegenständen mit einer oder mehreren diffus reflektierenden Oberflächen wie
ebene Papierbögen bestimmt, obwohl diese Vorrichtung mit einigen unten beschriebenen
Abwandlungen auch zum Untersuchen von Gegenständen mit einer oder mehreren spiegelref/lektierenden
Oberflächen wie einige
Arten von Metallblech verwendet werden kann.
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Wie Fig. 1 zeigt, besitzt die Vorrichtung eine Lichtquelle 10 großer
eigener Helligkeit, welche beispielsweise ein Laser sein kann. Die von der Lichtquelle
10 ausgehende Strahlung wird auf ein radiales Gitter geworfen, das aus einer drehbaren
Scheibe 11 mit einer großen Anzahl Gitter-oder Brechungslinien besteht. Die Scheibe
11 wird von einem Antrieb 12, der ein Synchronmotor sein kann, mit konstanter Geschwindigkeit
gedreht. Die optische Hauptachse 51 der Vorrichtung und die Drehachse 50 der Scheibe
11 können relativ zueinander bewegt werden. Die allgemeine Ausbildung und die Arbeitsweise
der Scheibe 11 ist beispielsweise in der britischen Patentschrift 970 769 beschrieben.
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Das Bild der radialen Brechungs- oder Gitterlinien aufier Scheibe
11, die von dem von der Lichtquelle 10 ausgehenden Lichtstrahl abgetastet wird,
wird mittels einer Linse 13 gebündelt und in eine Schlitzblende 15, die sich in
einer Platte 15' befindet, geworfen. Die Schlitzblende erstreckt sich senkrecht
zur Zeichnungsebene. Zwischen der Linse 13 und der Schlitzblende 15 befindet sich
ein Strahlspalter 14, beispielsweise ein Halbspiegel od. dgl. Vom Strahlspalter
14 reflektiertes Licht fällt in ein Loch 16, das die Einfallöffnung einer fotoelektrischen
Zelle 17 ist. Diese fotoelektrische Zelle 17 kann ein Foto-Nultiplier sein. Das
elektrische usgangssignal der fotoelektrischen Zelle 17 erscheint an einem Ausgang
18.
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Das Bild der Schlitzblende wird von einer Linse 19 gebündelt und auf
eine weitere Blende 60 geworfen, die sich dicht vor einem zu untersuchenden Objekt
0 befindet. Die schlitzförmige Blende 60 erstreckt sich wiederum senkrecht zur Zeichnungsebene.
Sie kann bei verschiedenen Anwendungsfällen auch weggelassen werden.
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Das gebündelt auf die Blende 60 geworfene Licht geht durch einen Kollektor
in Form eines integrierenden Rahmens 21 und wird vom Objekt O im allgemeinen diffus
reflektiert.
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Das ref,lektierte Licht wird gestreut in den integrierenden Rahmen
21 zurückgeworfen und von demselben gesammelt. Das gesammelte Licht wird mit Hilfe
einer fotoelektrischen Zelle 22, die wiederum ein Foto-Multiplier sein kann, in
ein elektrisches Signal umgewandelt. Das von der Zelle 22 erzeugte Ausgangssignal
erscheint an einem Ausgang 23 und kann in die verschiedensten elektronischen Schaltungen
oder Stromkreise eingespeist und dort verarbeitet werden. Das am Ausgang 23 erscheinende
Signal ist eine Funktion der Fourierreihe des von dem durch die Blende 60 beleuchteten
Teiles des Objektes 0 reflektierten Lichtes und somit eine Anzeige für die Qualität
der Oberfläche dieses Teiles des Objektes.
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Das Objekt 0 kann kontinuierlich in Richtung desPSeiles A bewegt werden,
so daß man die gesamte Oberfläche des Objektes 0 untersuchen kann.
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Die Vorrichtung kann so arbeiten, daß das optische Verhältnis zwischen
den Achsen 50 und 51 einen konstanten Wert behält. Dann sind Abweichungen des am
Ausgang 23 erscheinenden Signales von einem Vergleichswert, die von einem Vergleichskreis
oder einer Vergleichsschaltung festgestellt werden, Anzeichen für einen Oberflächenfehler.
Gemäß einer abgewandelten Arbeitsweise wird die räumliche Abtastfrequenz verändert,
indem man das optische Verhältnis zwischen den Achsen 50 und 51 ändert. Auf diese
Weise kann man eine Antwort in Form einer vollständigen Fourier-Gleichung oder Fourier-Reihe
des von der Oberfläche des untersuchten Objektes refxlektierten Lichtes erhalten,
indem man die Veränderung des am Ausgang 23 erscheinenden Signals als entsprechende
Änderung der Raumfrequenz bestimmt. Das an Ausgang 18 erscheinende Signal ist ein
Vergleichssignal, da seine Phase
unter vorgegebenen Bedingungen
konstant bleibt. Somit können die an den Ausgängen 18 und 23 erscheinenden Signale
phasenverglichen werden, wenn dies aus irgendwelchen Gründen erwünscht - sein sollte.
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Wenn das zu untersuchende Objekt 0 derartige Eigenschaften aufweist,
daß es auffallendes Licht eher in Form von Spiegelreflektionen als diffus reflektiert,
kann die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung ebenfalls verwendet werden, jedoch wird
das im integrierenden Rahmen 21 gesammelte Licht eine diffuse Reflektion anzeigen
und somit eine Anzeige für die Fehler anstatt für die Oberfläche selbst sein. Es
ist aber ebenso unmöglich, das spiegelreflektierte Licht direkt zu analysieren.
Fig. 2 zeigt eine zu diesem Zweck geeignete Vorrichtung.
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Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung ist in vieler Hinsicht ebenso
wie die in Fig. 1 dargestellte Vorrichtung aufgebaut, besitzt jedoch gewisse Unterschiede.
Hier wird das Bild der Schlitzblende 15 von einer Linse 19 in eine Blende 60 gebündelt
geworfen4 und es ist zwischen der Schlitzblende 15 und der Linse 19 ein zweiter
Strahlspalter 30 angeordnet.
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Wiederum kann die Blende 60 in einigen Fällen ganz weggelassen werden.
Das auf das zu untersuchende Objekt 0 fallende Licht wird spiegelnd reflektiert
und fällt durch die Linse 19 zurück, um vom Strahlspalter 30 in einen integrierenden
Rahmen 31 abgelenkt zu werden. Das vom Rahmen 31 gesammelte Licht wird mittels einer
fotoelektrischen Zelle 32, die wiederum ein Boto-Multiplier sein kann, in ein elektrisches
Signal umgewandelt. Dieses Signal erscheint am Ausgang 33.
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Jeder Fehler. an der Oberfläche des durch die Blende 60 erleuchteten
Objektes 0 neigt dazu, das einfallende Licht zu absorbieren oder zu streuen und
verringert somit die Intensität des in den integrierenden Rahmen 31 fallenden reflektierten
Lichtstrahles. Wie bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1
kann auch hier
die räumliche Frequenz konstant gehalten oder verändert werden,und das Objekt 0
wird vorzugsweise in Richtung eines Pfeiles A bewegt, so daß seine gesamte Oberfläche
kontinuierlich auf Fehler abgetastet bzw. untersucht werden kann.
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Bei beiden Ausführungsformen wird das Objekt, wenn die Raumfrequenz
verändert wird, wirkungsvoll auf Fehler aller Größen untersucht. Wenn nur Fehler
einer bestimmten Größe von Interesse sind, ist es vorzuziehen, die Untersuchung
bei einer feststehenden Raumfrequenz oder in einem begrenzten Bereich von Raumfrequenzen
durchz;uführen, Wenn man gleichzeitig zwei oder mehr Rawifrequenzen verwendet, können
Fehler bestimmter Größen getrennt voneinander aufgezeigt werden. Zu diesem Zwecke
können zwei oder mehr Scheiben 11 verwendet werden, von denen jede Brechungslinien
mit einer bestimmten Oharakteristik trägt, jedoch ist es auch möglich, nur eine
einzige scheibe 11 zu verwenden, die mehrere-verschiedene Brechungslinien oder Brechungsgitter
aufweist.
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Es ist ersichtlich, daß die Erfindung zur selbsttätigen Untersuchung
oder Inspektion von Objekten verwendet werden kann, wobei die Objekte einzelnacheinander
untersucht werden und :des Objekt in einem bestimmten Bereich seiner Oberfläche
oder auch auf seiner ganzen Oberfläche abgetastet wird. Jeder Fehler, der eine Veränderung
der an den Ausgängen 23 oder 33 erscheinenden Signale bewirkt', kann als Abweichung
von einem Standardwert aufgezeigt werden, so daß man eine geeignete optisch sichtbare
Markierung auf dem zu untersuchenden Objekt in diesem Bereich anbringt, die bei
der weiteren Bearbeitung oder Behandlung des Objek tes berücksichtigt wird.
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Viele Objekte können zu groß oder aus anderen Gründen für eine direkte
Inspektion ungeeignet sein. In derartigen Fällen kann das Objekt fotografiert werden,
woraufhin man die dabei erhaltenen Negative auf Fehler in der obenbeschriebenen
Weise untersucht.
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Die vorstehende Beschreibung befaßt sich im wesentlichen mit der Inspektion
von Oberflächen, jedoch sei darauf hingewiesen, daß die Erfindung auch auf die Inspektion
oder Untersuchung innerer Strukturen von Objekten anwendbar ist, indem man das durch
das Objekt hindurchfallende Licht untersucht. Fig. 3 zeigt eine Vorrichtung zum
Untersuchen von Papier oder ähnlichen Objekten, wobei die Messung auf Grund der
Lichtdurchlässigkeit oder Strahlendurchlässigkeit des Objektes durchgeführt wird.
Bei dieser abgewandelten AusfUhrungsform wirft die Linse das Bild der Schlitzblende
15 gebündelt auf das Objekt 0, und das durch dieses Objekt 0 hindurchtretende Licht
gelangt durch eine oeffnung 71 in eine fotoelektrische Zelle 70. Diese fotoelektrische
Zelle 70 erzeugt ein am Ausgang 72 erscheinendes Signal, das in einen elektronischen
Stromkreis oder eine elektronische Schaltung eingegeben werden kann und dort verarbeitet
wird, um das Vorhandensein von inneren Fehlern im Objekt O in der obenbeschriebenen
Weise aufzuzeigen. In einigen Fallen kann es wünschenswert sein, die durch das Objekt
hindurchgehende und die von demselben reflektierte Strahlung zu sammeln. In diesem
Falle können beispielsweise die fotoelektrischen Zellen 22 und 70 aus Fig. 1 und
3 gemeinsam verwendet werden.
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Anstatt die Scheibe 11 zum Abtasten des Lichtes zu verwenden, bevor
es auf oder durch das Objekt 0 geworfen wird, kann die Scheibe 11 auch benutzt werden,
um das Licht abzutasten oder zu zerlegen, nachdem es auf oder durch das Objekt geworfen
wurde. Eine in dieser Weise arbeitende Vorrichtung ist in
Fig.
4 dargestellt. Diese Vorrichtung ist besonders geeignet, um kleine Schmutzflecken
in Papier oder Papiermaterialien zu finden.
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Wie aus Fig. 4 zu erkennen, wird das Objekt 0, das in diesem Falle
ein Papierblatt ist, mittels zwei getrennter Lichtquellen 73 und 74, die Wolfram-Gluhdrahtlampen
sein können, durch diesen Lichtquellen zugeordnete Linsen 75 bzw.
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76 beleuchtet. Eine einzige Lichtquelle kann ausreichen, wenn dieselbe
in der Lage ist, eine genügend helle Beleuchtung zu bewirken. Das von der Oberfläche
des Objektes O reflektierte Licht wird mittels einer Linse 77 gebündelt in eine
Blende 78 geworfen. Diese Blende 78 befindet sich in einer Platte 79. Das Bild der
Blende 78 wird mittels einer Linse 80 gebündelt auf die Scheibe 11 geworfen, wobei
das durch die Scheibe 11 hindurchfallende Licht von einer fotoelektrischen Zelle
81 oder einer sonstigen fotoelektrischen Vorrichtung gesammelt wird, die an einem
Ausgang 82 elektrische Signale abgibt, welche in der obenbeschriebenen Weise weiterverarbeitet
werden.
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Gemäß einem speziellen Ausführungsbeispiel der Erfindung kann mit
einer Vorrichtung aus Fig. 4 Papier mit einer Geschwindigkeit von etwa 350 m/min
mit hoher Qualität optisch auf Schmutzflecken untersucht werden. Ein verhältnismäßig
schmaler Streifen des Papiers wird als Muster untersucht und die Anzahl der auf
dem Streifen festgestellten Schmutzflecken wird als repräsentativ für die gesamte
Anzahl der vorhandenen Schmutzflecken-aufgefaßt. Die Größe der festgestellten Schmutsflecken
bewegte sich zwischen 0,05und 0,13 mm, Jedoch können Flecken mit einer Größe von
über 0,13 mm getrennt registriert werden. Zu diesem Zweck ist es, wie oben erwähnt,
möglich, zwei Scheiben 11 vorzusehen, die Brechungslinien oder Gitterlinien mit
unterschiedlichem Abstand bzw. unterschiedlicher Charakteristik aufweisen und
somit
verschiedene Raumfrequenzen erzeugen. Ebenso ist es aber möglich, eine einzige Scheibe
11 zu verwenden, die zwei verschiedene Brechungsgitter mit Gitterlinien oder Brechungslinien
unterschiedlichen Abstandes trägt. Das am Ausgang 82 erscheinende elektrische Signal
enthält dann Komponenten, die den zwei Raumfrequenzen entsprechen und somit getrennt
voneinander weiterverarbeitet werden können.
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Anstatt einzelne Oberflächenfehler festzustellen, kann durch die Erfindung
auch eine Vorrichtung geschaffen werden, die zur Untersuchung der gesamten Oberflächenrauhigkeit
von blattförmigen Materialien wie Papier oder Blechen geeignet ist odedie Tiefe
von Walzmarkierungen oder sonstiger Markierungen in der Oberfläche eines Gegenstandes
festzustellen. Ein Beispiel für eine derartige Vorrichtung ist in Fig. 5 dargestellt,
die zahlreiche auch bei den Vorrichtungen aus Fig. 1 und 2 vorhandene Bauteile aufweist.
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Das Objekt 0 ist in diesem Falle geneigt zur optischen Hauptachse
51 angeordnet, so daß das auf die Oberfläche des Objektes auffallende Licht von
der Oberflächenstruktur des zu untersuchenden Objektes gestreut reflektiert wird.
Der in einer bestimmten Richtung reflektierte Anteil des gestreut reflektierten
Lichtes wird in eine Öffnung 85 einer fotoelektrischen Zelle 87 oder einer sonstigen
fotoelektrischen Zelle geworfen. Die Zelle 87 erzeugt wiederum ein elektrisches
Signal, das am Ausgang 88 erscheint und in der obenbeschriebenen Weise weitervrerarbeitet
werden kann.
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Durch Bewegung der gemeinsamen Achse 84 der Zelle 87 und der Linse
86 gegenüber der optischen Hauptachse 51 und durch Veränderung der zum Abtasten
verwendeten Rauifrequenz für jede Lage der Achse 84 können die Eigenheiten der Oberflächenstrutur
des Objektes 0 festgestellt werden. Ein typischer Winkel zwischen den optischen
Achsen 51 und 84 liegt in der Größenordnung von 500
Wie bei den
Ausführungsbeispielen gemäß Fig. 1 bis 3 kann ein Phasen-Vergleichssignal am Ausgang
18 auch bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 gewonnen werden. Gegenüber den Ausführungsformen
aus Fig. 1 bis 3 unterscheidet sich die Vorrichtung gemaß Fig. 5 noch dadurch, daß
das von der Lichtquelle 10 ausgehende Licht von einer Linse 83 auf die Scheibe 11
gebündelt geworfen wird.
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Fatentänsprüche: