DE2251915A1

DE2251915A1 - Vorrichtung zum feststellen von flekken oder fehlern in einer oberflaeche

Info

Publication number: DE2251915A1
Application number: DE19722251915
Authority: DE
Inventors: Graham Morley Clarke
Original assignee: Ferranti PLC
Current assignee: Ferranti International PLC
Priority date: 1971-10-27
Filing date: 1972-10-23
Publication date: 1973-05-03
Also published as: NO131850B; GB1407409A; NO131850C; FR2159021A6; JPS4852284A; NL7214522A

Description

l ι a ι ο

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eine Veränderung der abgetasteten Fläche eine Änderung der Intensität des reflektierten Lichtes bewirkt, herrührend von einer fleckigen Oberfläche.

Selbst bei Verwendung einer Lampe mit hoher Intensität, beispielsweise einer Xenon-Lampe, ist es nur möglich, einen kleinen Teil der Lichtenergie auf die Fläche zu fokussieren. Es ist daher notwendig, Licht von einem relativ großen Bereich, beispielsweise zwei Quadratmillimeter zu erhalten, um ein Ausgangssignal von dem Detektor zu erhalten, das größer ist als das elektrische Rauschen der Photo-Verstärker-Röhre. Wegen der Notwendigkeit, das Licht auf einen grossen Bereich zu fokussieren, sind die Ränder des Bildes nicht scharf begrenzt und eine Unterscheidung zwischen einem großen Fleck oder Fehler und mehreren kleinen Flecken oder Fehlern ist nicht möglich.

In der Deutschen Patentanmeldung P 22 06 126.3 ist ein Verfahren beschrieben, nach welchem die Fläche mit einem voll fokussierten Laserstrahl abgetastet wird. Dies ergibt eine kleinere beleuchtete Fläche, so daß jeder Fehler oder Fleck, der einen größeren Anteil des Lichtpunktes einnimmt, einen größeren Kontrast ergibt und die Sicherheit bei der Auffindung der Fehler oder Flecken verbessert.

Das Aufgreifen von Flecken oder Fehlern, nachfolgend wird der Einfachheit halber nur von Flecken gesprochen, in einer fläche folgt einer statistisch definierbaren Verteilung, so daß wenn eine größere Anzahl von Flecken bekannt sind oder man erwarten kann, daß sie vorhanden sind, es möglich ist, die Flecken eines bestimmten Bereiches auf der Fläche auszuzählen und die Gesamtzahl der Flecken auf der gesamten Oberfläche zu berechnen. Dies kann erfolgen indem die Fläche mit einer solchen Geschwindigkeit bewegt wird, daß aufeinanderfolgende Abtastungen die Fläche überkreuzen, wobei der Abstand dieser Abtastungen etwa das zehnfache der Breite eines Abtastbereiches beträgt, wobei die Geschwindigkeit der Fläche vergleichbar ist mit derjenigen bei Detektoren, die keine Laserstrahlen verwenden. Bei Geschwindig-

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keiten der abzutastenden Fläche, die wesentlich größer sind als diese sogenannte Geschwindigkeit, wird die statistische Verteilung bzw. Variation des Auftretens der Flecken unzuverlässig, es sei denndas Verhältnis von abgetasteter zu nicht abgetasteter Fläche bleibt derselbe.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Detektor zum Feststellen bzw. Auffinden von Flecken in einer Oberfläche zu schaffen, die sich relativ zu dem Detektor mit einer höheren Geschwindigkeit bewegt, als dies bisher möglich war.

Der erfindungsgemäße Detektor umfaßt eine Abtasteinrichtung, die relativ zu der abzutasteten Fläche bewegbar ist und einen Laser aufweist, der eine kontinuierliche Strahlung aussendet, ferner mit einem optischen System, das unterschiedliche Brennweiten in zwei senkrecht zueinanderliegenden Ebenen hat, von denen eine parallel zur Bewegungsrichtung verläuft, ferner mit Einrichtungen, um den Strahl auf die Oberfläche in der anderen der beiden Ebenen zu fokussieren, Abtasteinrichtungen mit einem Reflektor, der in der Bahn des Strahles drehbar ist, um den Strahl auf die abzutastende Fläche zu lenken und diese abzutasten senkrecht zu dieser einen Ebene, ferner mit einer Einrichtung, die auf Änderungen der Intensität der empfangenen Strahlung anspricht, die von der Oberfläche diffus reflektiert oder übertragen wird, um ein Ausgangssignal abzugeben.

Obwohl die erfindungsgemäßen Detektoren hauptsächlich mit einer elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Teil des Spektrums arbeiten, kann der Detektor auch mit einem Laser versehen sein, der eine infrarote oder ultraviolette Strahlung abgibt, wobei entsprechende Empfangseinrichtungen für diese Strahlung vorgesehen sind. Aus Gründen der Einfachheit wird in der nachfolgenden Beschreibung die von dem Laser abgegebene Strahlung als optische Strahlung oder Licht bezeichnet.

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Zweckmäßigerweise ist die Abtasteinrichtung ein drehbarer Spiegel mit einer Vielzahl von reflektierenden Facetten.

Es kann ferner vorteilhafterweise eine Vielzahl von Abtaststationen angrenzend aneinander angeordnet werden, um eine größere Anzahl von Abtastungen auf irgendeine gegebene Länge der Oberfläche bei irgendeiner gegebenen Geschwindigkeit der Fläche und bei einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit zu erreichen. Vorteilhafterweise können die Abtaststationen nebeneinander und senkrecht zur Bewegungsrichtung der Fläche angeordnet werden, um für jede Station eine kürzere Abtastlänge zu erreichen.

Beispielsweise Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnung erläutert, in der

Fig. 1 schematisch im Schnitt eine bevorzugte Ausfuhrungsform der Erfindung zeigt.

Fig. 2 ist ein Schnitt längs der Linie II-II von Fig. 1.

Fig. 3a, 3b und 3c zeigen Draufsichten auf die Oberfläche und auf Bereiche, die vom Abtaststrahl überstrichen werden.

Fig. 4a, 4b und 4c zeigen Ansicht und Draufsichten auf das optische System der Vorrichtung .

Fig. 5 zeigt Wellenformen von Signalen, die von der Empfangseinrichtund während verschiedener Stufen der Messung der Anzahl der Flecken empfangen werden.

Der Detektor nach Fig. 1 umfaßt einen Laser 1 und einen Photoverstärker 2, die beide nebeneinander an einem Ende einer Abtasteinrichtung 3 angeordnet sind. In der Mitte der Abtasteinrichtung 3
angrenzend an eine öffnung ist ein drehbarer Spiegel 4 mit zwölf

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Facetten angeordnet. Der Spiegel ist auf einer Spindel 5 befestigt, die parallel zur Bewegungsrichtung einer bewegten Fläche 6 liegt und sie wird von einem Motor 7 (Fig. 2) mit konstanter Drehzahl angetrieben. Der Spiegel ist in der Abtasteinrichtung 3 so positioniert, daß im Betrieb das von dem Laser abgegebene Licht, das durch ein optisches System 8 hindurchläuft,, (das am Ende der Abtasteinrichtung angeordnet ist und später beschrieben wird) auf eine der Facetten auftrifft von der es auf die Fläche 6 zu reflektiert wird. Die Bewegungsrichtung der Fläche 6 ist senkrecht zur Ebene der Zeichnung. Das optische System .8 formt den im wesentlichen parallelen Strahl, der aus dem Laser austritt, in einen Strahl, der auf die Fläche 6 zu konvergiert. Da die Facette des Spiegels 4, die den konvergierten Strahl reflektiert, rotiert, läuft der reflektierte Strahl über die Oberfläche senkrecht zu ihrer Bewegungsrichtung und tastet diese zwischen Grenzen ab, die durch gestrichelte Linien 9 dargestellt sind und einen Winkel von z.B. 60° einschließen. Die Bahnlänge des Strahles verändert sich im Lauf der Abtastung weshalb der Brennpunkt des Strahles eine große Tiefe haben soll, um ein scharfes Bild auf der Oberfläche zu erzeugen.

Das von der Fläche 6 reflektierte Licht wird durch den Photoverstärker 2 gesammelt und aufgenommen, entweder direkt oder über ein Reflektorsystem 2'.

In Fig. 3a ist eine Draufsicht auf die Fläche 6 gezeigt, die sich in Richtung des Pfeiles 10 bewegt. Ein voll fokussierter Strahl ist in Form eines kreisförmigen Punktes 11 auf der Fläche dargestellt, der sich über die Fläche quer zu iher Bewegungsrichtung bewegt. Die von dem Strahl abgetasteten Bereiche der Fläche sind durch die schmalen Streifen 12 dargestellt, wobei die Bereiche zwischen diesen Streifen nicht abgetastet werden. Die Breite der nicht abgetasteten Bereiche hängt von der Geschwindigkeit der Fläche ab. Wenn es notwendig ist, Fehler oder Flecken zwischen benachbarten Abtaststreifen zu suchen und festzustellen, obwohl die Geschwindigkeit der Fläche

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beibehalten wird, ist es notwendig, die Breite des Bildpunktes zu vergrößern, bis die nacheinander abgetasteten Bereiche aneinander angrenzen. Eine Lösung ist in Fig. 3b gezeigt, in der der Lichtpunkt weniger fokussiert worden ist, um den erforderlichen Bereich in jeder Abtastung zu überdecken. Jedoch ist die Intensität des Lichtes, das a .f die Oberfläche fällt, so weit reduziert, daß die Empfindlichkeit des Detektors mit einem solchen vergleichbar ist, der eine konventionelle Lichtquelle verwendet, wobei die unscharfen Ränder des Lichtpunktes zu Fehlern bzw. Irrtümern führen können. Das optische System 8 von Fig. 1 wird verwendet, um den Laserstrahl zylindrisch zu fokussieren. Fig. 3c zeigt die Ausdehnung der beleuchteten Fläche bzw. die Form des Lichtpunktes auf der Oberfläche bei 11. Der beleuchtete Bereich hat im wesentlichen die Form einer Linie, die sich in Bewegungsrichtung der Fläche über eine bestimmte Entfernung erstreckt, die es ermöglicht, daß aufeinanderfolgende Abtastungen die Gesamtoberfläche überdecken, wobei der Strahl in Richtung der Abtastung jedoch voll fokussiert ist, d.h., in Richtung senkrecht zur Bewegungsrichtung der abzutastenden Fläche. Da der belichtete Bereich wesentlich kleiner ist als derjenige des weniger stark fokussierten Strahles nach Fig. 3b, jedoch beträchtlich breiter als der voll fokussierte Lichtpunkt nach Fig. 3a, wird die Intensität des Lichtes auf einem relativ hohen Wert in dem beleuchteten Bereich gehalten, der es ermöglicht, scharf begrenzte Ränder beizubehalten.

In Fällen, in denen ein Abtastverhältnis von z.B. 10:1 ausreicht, um die Anzahl der Fehler oder Flecken zu berechnen, kann die Geschwindigkeit der Fläche nach der Abtasteinrichtung um den Faktor Zehn vergrößert werden.

Das optische System 8 ist in den Fig. 4a und 4b im einzelnen in Ansicht und Draufsicht gezeigt. Aus Gründen der Darstellung ist die Umlenkung des Strahles durch den Spiegel 4 in diesen Figuren weggelassen, obgleich der Spiegel strichpunktiert angedeutet ist.

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Das System 8 umfaßt zwei positive (konvexe) sphärische Linsen 13 und 14 und eine negative (konkave) zylindrische Linse 15. Licht, das vom Laser 1 in Form eines Strahles mit parallelen Seiten ausgesendet wird, wird von der Linse 13 bei 16 fokussiert, worauf es von diesem Punkt 16 aus auf die Linse 14 zu divergiert. Die Linse

14 hat eine relativ große Brennweite und eine geeignete Apertur, um die Mindestgröße des Lichtpunktes auf der Oberfläche 6 zu erzeugen. Die Linse 15 ist in der Bahn des Strahles zwischen den Linsen 13 und 14 angeordnet, wobei die Ebene ihrer gekrümmten Flächen parallel zur Spindel 5 liegt, um die der Spiegel 4 rotiert.

Wenn die zylindrische Linse 15 am Brennpunkt 16 angeordnet wird, so wird trotzdem ein kreisförmiger Lichtpunkt auf der Fläche erzeugt. Wird die Linse 15 längs der Bahn des Lichtstrahles in Richtung auf die Positionen 17 oder 18 verschoben, so wird der Strahl in der Ebene der Figur 4b etwas divergiert wenn er durch die linse

15 hindurchtritt, während der Strahl in der Ebene der Fig. 4a unverändert bleibt, abgesehen von einer kleinen Verschiebung seines scheinbaren Ursprungspunktes aufgrund der Brechung. Diese Verschiebung ist unwichtig, da sie für jede Position der Linse konstant ist. In Fig. 4b konvergiert der Strahl nach dem Durchgang durch die Linse 14 in einem Brennpunkt 19 hinter der Fläche 6. Auf der Fläche 6 ist der beleuchtete Bereich eine Linie 20, die parallel zur Ebene der Linse 15, die die gekrümmten Flächen enthält, und senkrecht zur Abtastrichtung des Strahles verläuft. Die Länge der Linie 20 hängt nur von der Verschiebung der Linse 15 vom Punkt 16 weg ab und die Orientierung der Linie auf der Fläche hängt von der Orientierung der Linse 15 um die Strahlachse ab.

Fig. 4c zeigt, daß eine positive zylindrische Linse 15" anstelle der negativen Linse 15 verwendet werden kann. Die Linse dient dazu, den Strahl in der Ebene bei 19' zu fokussieren ehe er auf die Oberfläche trifft, wobei er nach dem Brennpunkt bis zum Auftreffen auf die Fläche 6 in Form einer Linie 20' divergiert. Diese Anordnung ist

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weniger leistungsfähig als diejenige nach Fig. 4b, da je stärker der Strahl sich der Parallelität nähert, die Tiefe des Brennpunktes des Strahles umso größer ist. Es kann ferner eine andere, nicht gezeigte Anordnung benutzt werden, bei der eine der Linsen 13 und oder beide in senkrechten Ebenen unterschiedliche Stärken haben, wobei diese Stärken in einer Ebene ausgeglichen werden, um den Strahl voll auf der Oberfläche zu fokussieren, während sie in der anderen Ebene differieren, um eine Linie zu erzeugen.

Fig. 2 zeigt noch Seitenwände 12, 13, die dazu dienen, den Eintritt von Streulicht in die Detektoreinrichtung zu verhindern. Hierdurch wird die Unterscheidung zwischen dem reflektierten Laserlicht und Streulicht unterstützt indem das Betrachtungsfeld der Detektoreinrichtung in Bewegungsrichtung der Fläche, die durch den Pfeil 23 angegeben ist, eingeengt wird. Als Alternative kann auch eine schwarze Fläche verwendet werden, die die abzutastende Fläche überlappt, außer im Bereich bzw. in der Nähe des Abtaststrahles. Zusätzlich hierzu oder anstelle kann auch ein Filter für den Photoverstärker vorgesehen werden.

Die Wellenform eines typischen Signalausganges der Detektoreinrichtung 2 für eine einzige Abtastung über die Fläche ist in Fig. 5a gezeigt, wobei die Darstellung aus Gründen der Übersichtlichkeit gröber gewählt wurde. Gegen Ende jeder Abtastung entsteht ein Abfall der Signalhöhe auf etwa die Hälfte der Höhe in der Mitte. Dieser Abfall entsteht aufgrund der umgekehrt quadratischen Beziehung hinsichtlich der zunehmenden Bahnlänge des Lichtes im Bereich der Enden jeder Abtastung und aufgrund des Winkels von der Normalen zu der Oberfläche, in welchem das reflektierte Licht gesammelt und zur Detektoreinrichtung fokussiert wird, wobei die Menge des in der Detektoreinrichtung empfangenen Lichtes proportional zum Kosinus dieses Winkels ist. Eine Niederfrequenz-Komponente des Ausgangssignales wird zum Eingang der Detektoreinrichtung zurückgeführt, um den Pegel des Signales, das an den Enden der Abtastung erhalten

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wird, zu erhöhen und um über die gesamte Abtastung ein Ausgangssignal mit konstantem Hintergrundpegel zu erzeugen»

Der Abfall des Ausgangssignales kann auch durch andere Methoden kompensiert werden, z.B. durch Variation der Empfindlichkeit der Detektoreinrichtung synchron mit der Abtastung, durch Erzeugung eines wiederholten Signales geeigneter Charakteristiken, das an die Detektoreinrichtung gelegt wird; oder es können geeignet geformte durchschimmernde Gegenstände in der Bahn des Lichtes zwischen dem optischen System 8 und der Detektoreinrichtung 2 angeordnet werden, um mehr Licht im Mittelbereich der Abtastung als an den Endbereichen der Abtastung zurückzuhalten. Schließlich kann der Pegel, bei dem durch die Abtastung Fehler festgestellt werden, verändert werden, indem ein Filter mit abgestufter Dichtheit in die Bahn des Lichtes gebracht wird, das von der Fläche reflektiert wird.

Zu Beginn der Abtastung werden Tastsignale getriggert, die auf unterschiedliche Abtastlängen eingestellt sein können,, um zu verhindern, daß Fehler an den Rändern der Fläche abgetastet werden oder daß Signale von außerhalb dieser Ränder erzeugt und gemessen werden.

Die Erfindung kann z.B. dazu verwendet werden, um die Gesamtzahl von Flecken oder Fehlern in Flächen mit unterschiedlichen Größen über ein bestimmtes Zeitinterval auszuzählen. Die Zählung kann hierbei mittels ansich bekannter Digitalmethoden erfolgen, auf die im einzelnen hier nicht eingegangen wird, es wird jedoch auf die Fig. 5b bis 5d hingewiesen, die die Wellenformen der Ausgangssignale zeigen, die von der Detektoreinrichtung in verschiedenen Stufen der Zählung empfangen werden. Niederfrequenz-Variationen werden aus dem Signal (Fig. 5a) ausgefiltert, wobei Impulse die von den Fehlern herrühren und Hintergrundimpulse zurückbleiben (Fig. 5b), Sämtliche Schwankungen unterhalb einem Pegel, der eingestellt wird, um die Hintergrundimpulse auszuschließen, werden in einem Komparator entfernt, der Impulse konstanter Höhe aber unterschiedlicher Breite

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für Fehler mit unterschiedlicher Größe erzeugt. Diese Ausgangsimpulse werden dann als Angaben für die Gesamtzählung und für die Zählung der großen Fehler benutzt. Die Gesamtzählung wird erreicht, indem der Ausgang des Komparators auf Dekaden-Zähler gegeben wird, die die Gesamtzahl der Fehler beispielsweise innerhalb einer Periode von IJ Sekunden anzeigen. Die großen Fehler, beispielsweise mit Durchmessern von 0,3 mm, werden gezählt indem der Ausgang des Komparators über eine geeignete Zeitdauer unterdrückt wird, ehe er auf die Dekadenzähler gegeben wird. Die genannte geeignete Zeitdauer ist diejenige, die für den fokussierten Strahl erforderlich ist, auf der abzutastenden Fläche einen Fehler mit 0,3 mm Durchmesser zu überqueren. Durch Unterdrückung dieses Ausganges erreichen nur solche Impulse den Zähler und zeigen Fehler an, die aufgrund von Fehlern auf der Fläche entstehen, die größer sind als 0,3 mm Durchmesser, wie in Fig. 5d gezeigt ist. Von den Zählern kann ein analoger Ausgang abgenommen werden, falls eine permanente Aufzeichnung gewünscht ist.

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Claims

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Ansprüche

Vorrichtung zum Feststellen von Fehlern in einer Fläche, mit einer Abtasteinrichtung, die relativ zu der Fläche bewegbar ist und einen Laser aufweist, der einen kontinuierlichen Strahl abgibt, ferner mit einer Abtasteinrichtung, die einen Reflektor aufweist, der in der Bahn des Strahles drehbar ist, um diesen auf die Fläche senkrecht zu der Bewegungsrichtung zu reflektieren, und mit einer Detektoreinrichtung, die auf Änderungen der Intensität des empfangenen Strahles anspricht, der diffus von der abzutastenden Oberfläche reflektiert oder von ihr abgegeben wird, um ein Ausgangssignal zu erzeugen, gekennzeichnet durch eine optische Einrichtung (8) mit unterschiedlichen Brennweiten in zwei senkrecht zueinanderstehenden Ebenen, von denen eine parallel zur Bewegungsrichtung liegt, ferner mit einer Einrichtung zum Fokussieren des Strahles auf die Oberfläche in der anderen der beiden Ebenen.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (3) zwei Linsen (13, 14)- aufweist, die unterschiedliche Brennweiten in den beiden senkrecht zueinanderstehenden Ebenen besitzen.

Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System (8) zwei sphärische Linsen in der Bahn des Strahles aufweist, von denen die erste einen divergierenden Strahl für die zweite Linse erzeugt, daß ferner eine zylindrische Linse (15) in der Bahn des Strahles zwischen den sphärischen Linsen (13, 14) angeordnet ist, um die Divergenz des Strahles für die zweite sphärische Linse in der einen der beiden senkrecht zueinanderstehenden Ebenen zu variieren.

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4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Position der zentrischen Linse (15) zwischen den sphärischen Linsen (13 , 14) verstellbar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden sphärischen Linsen positive Linsen sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet , daß die zylindrische Linse (15) eine negative Linse ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung (2) einen Spiegel (4) mit einer Vielzahl von ebenen Reflektor-Facetten aufweist.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung (2) eine Strahlungs-Sammeleinrichtung aufweist, die Reflektorflächen an jeder Seite und an jedem Ende des Abtastweges aufweist, die sich zwischen der abzutastenden Fläche und der Detektoreinrichtung (2) erstrecken.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung (2) eine Strahlungs-Sammeleinrichtung aufweist, die mit diffusen Flächen an jeder Seite und an jedem Ende des Abtastweges versehen ist, die sich zwischen der abzutastenden Fläche und der Detektoreinrichtung (2) erstrecken.

10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß eine Mehrzahl von Abtasteinrichtungen (3) angrenzend aneinander angeordnet ist, um die

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Anzahl der Abtastungen in einem gegebenen Abschnitt der Fläche, bei einer gegebenen Geschwindigkeit der Fläche und bei einer gegebenen Abtastgeschwindigkeit zu erhöhen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtasteinrichtungen (2) senkrecht zu der relativen Bewegungsrichtung zwischen den Abtasteinrichtungen und der abzutastenden Fläche angeordnet sind, um eine kürzere Abtastlänge für jede Abtasteinrichtung (2) zu schaffen.

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