DE2344743A1

DE2344743A1 - Abtastapparatur

Info

Publication number: DE2344743A1
Application number: DE19732344743
Authority: DE
Inventors: Robert Noel West
Original assignee: SIRA INST CHISLEHURST
Current assignee: SIRA INST CHISLEHURST
Priority date: 1972-09-02
Filing date: 1973-08-31
Publication date: 1974-04-04
Also published as: GB1441386A

Description

Sira Institute, South Hill, Chislehurst, Kent BR7 5EH(England)

Attastapparatur

Gegenstand der Erfindung ist eine Abtastapparatur, die insbesondere, jedoch nicht ausschliesslich, für automatische Einrichtungen zum Prüfen von Material auf darin enthaötene Fehler Anwendung finden kann.

Beim Bau und bei der Verwendung von Apparaturen zum Abtasten von Material entweder durch Bewegen eines Lichtstrahls über das Material oder durch Prüfen des Materials mit einem bewegten, optischen Weg zum Auffangen von vom Material reflektierter oder durchgelassener Strahlung kann es wichtig sein, sicherzustellen, dass kein Teil des abgetasteten Materials beim Abtastvorgang ausgelassen wird und dass aufeinanderfolgende Abtastungen genau nebeneinander angeordnet sind. Das ermöglicht eine stetige Relativbewegung zwischen

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dem Material und der Abtastapparatur, um in gleichen Abständen angeordnete Streifen des Materials abzutasten. In der Praxis können geometrische Fehler und Schwingungen bei einigen Abtastvorrichtungen Abweichungen von einem solchen Abtasten verursachen, dass gewisse Teile einer Abtastung einander überlappen können und dadurch Teile des Materials dem Abtastvorgang entgehen.

Diese Erfindung zeigt eine Abtastapparatur zum Abtasten einer Oberfläche, die besteht aus einem optischen System zum Leiten von Strahlung zu und/oder von einer zu prüfenden Oberfläche, wobei das optische System ein bewegliches, optisches Teil umfasst, und eine Fokussierungsvorrichtung zwischen der Oberfläche und dem beweglichen,, optischen Teil, so dass das bewegliche, optische Teil und die Oberfläche sich gegenüber der Fokussierungsvorrichtung in konjugierten Brennpunkten befinden.

Eine derartige Apparatur kann z.B. zur automatischen Prüfung von Materialien und Gegenständen benutzt werden, um darin enthaltene Fehler festzustellen, und zur Identifizierung charakteristischer Markierungen an Gegenständen, um dadurch die Gegenstände selbst zu identifizieren oder davon abhängige Prozesse zu steuern.

Der optische Weg kann Strahlung von einer eine Strahlungsquelle bildenden, optischen Vorrichtung zur zu prüfenden Oberfläche leiten oder kann Strahlung von der geprüften Ober-

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fläche zu einer optischen Vorrichtung zum Nachweisen oder anderweitigen Verarbeiten der Strahlung leiten, oder der Weg kann Strahlung in beiden Richtungen leiten, wobei eine Strahlteilungs-Vorrichtung benutzt werden mag, um in einer Richtung laufende Strahlung von der in der anderen Richtung laufenden Strahlung zu trennen. Bei der Strahlung kann es sich< um sichtbares Licht oder Ultrarotstrahlung oder UV-Strahlung handeln.

Vorzugsweise verschiebt das bewegliche, optische Teil den optischen Weg in einem veränderlichen Ausmass, um ihn zu veranlassen, die geprüfte Oberfläche abzutasten*

Bei einer vorzuziehenden Anordnung besteht das bewegliche, optische Teil aus einem drehbaren Spiegel. Mit z.B. einer Spiralabtasteinrichtung ist es zwar möglich, eine herkömmliche Fokussierungsvorrichtung zu benutzen; wenn jedoch geradlinig abgetastet werden soll, wird es normalerweise erforderlich sein, dass die Fokussierungsvorrichtung astigmatisch ist· In diesem Falle sind bewegliches, optisches Teil und geprüfte Oberfläche nur in einer Ebene konjugiert.

Einbau und Betrieb einer astigmatischen Fokussierungavorrichtung sind insbesondere dann oft erforderlich, wenn das bewegliche, optische 'Teil ein drehbarer Spiegel ist, damit der Abtaeteffekt des Weges nicht gleich Null wird, wie es der Fall sein könnte, wenn die Fokussierungsvorrichtung nicht

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astigmatisch wäre und Spiegel und geprüfte Oberfläche konjugiert wären.

Das optische System kann Spiegel oder gleichwertige Vorrichtungen umfassen. Die astigmatische Vorrichtung kann aus mehr als einer Teilvorrichtung bestehen. Wenn das System einen
Spiegel oder dessen Äquivalent enthält, die zwischen dem
beweglichen, optischen Teil und der geprüften Oberfläche
angeordnet sind, können sich die Teilvorrichtung entweder
auf der einen oder anderen oder auf beiden Seiten des Spiegels befinden·

Anschläge, Masken und andere Vorrichtungen können ganz allgemein eingebaut werden, um Breite oder Form des Weges abzugrenzen. Ist dies der Fall, dann ist der Ausdruck "Weg" so
zu verstehen, dass es sich um den so abgegrenzten Teil des
Weges handelt, auf dem Strahlung effektiv zwischen einer optischen Vorrichtung an einem Ende des Weges und der Oberfläche passieren kann. Eine derartige Abgrenzung wird im allgemeinen dann wichtiger sein, wenn Strahlung längs des Weges von einer voll bestrahlten Fläche zu einer optischen Empfängervorrichtung geleitet wird.

Eine einfache Form einer astigmatischen Vorrichtung, die benutzt werden kann, ist eine Zylinderlinse. Man stellt jedoch -insbesondere bei Weitwinkel-Abtastsystemen- fest, dass eine Zylinderlinse den Nachteil hat, dass die effektive Brennweite

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Mit sich änderndem Abtastwinkel unerwünschte Veränderungen aufweist. In dieser Hinsicht ist ein Zylinderspiegel vorzuziehen, da er eine genauere Einhaltung der oben erwähnten Konjugiertheit innerhalb eines weiten Bereichs von Abtastwinkeln ermöglicht·

Eine oder mehrere weitere astigmatische Vorrichtungen können eingebaut werden, um die Auswirkungen der ersterwähnten ästigmatischen Vorrichtung auf den Durchgang von Strahlung längs des gesamten Weges zwischen der Oberfläche und einer optischen Vorrichtung zu kompensieren.

Als besonders'zweckmässig hat sich eine Anordnung erwiesen, bei der sich das Bild auf der zu prüfenden Oberfläche, bezogen auf eine rechtwinklig zur Oberfläche liegende Ebene, ausserhalb des Brennpunktes befindet.

In Beispielen und anhand der beigefügten Schaubilder sollen nun Ausführungsformen der Erfindung beschrieben werden. Dabei zeigen die Schaubilder:

Figur 1 eine Seitenansicht eines Teils einer die Erfindung umfassenden Prüfapparatur mit einem überlagerten X-Y-Z-Koordinatensystem,

Figur 2 eine entwickelte Seitenansicht des optischen Weges (in der Y-X-Ebene) in der Apparatur, der der einfacheren Erklärung halber durch Weglassen von durch Spiegel verursachten Knicken im Wege begradigt worden ist,
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Figur 3 eine entwickelte Draufsicht, die Figur 2 entspricht (in der X-Z-Ebene),

Figur k eine Endansicht (in der Z-Y-Ebene) eines Teils

der Apparatur von Figur I₁ in Richtung des Pfeils 13 von Figur 1 gesehen,

Figur 5 eine Seitenansicht eines Teils eines anderen

Ausführungsbeispiels mit einer anderen Ausführung der astigmatischen Fokussierungsvorrichtung,

Figur 6 eine Figur 5 entsprechende Ansicht eines zum Ab» tasten von Metallzylindern benutzten Ausführungsbeispiels,

Figur 7 eine Vorderansicht eines weiteren, erfindungsgemässen, optischen System und

Figur 8 eine Seitenansicht des optischen Systems von Figur 7.

In Figur 1 ist eine Lichtquelle in Form eines Laser 1 (Lichtquellen anderer Art können in Verbindung mit zusätzlichen bekannten Arten einer optischen Vorrichtung benutzt werden) dargestellt, die einen Lichtstrahl 2 liefert. Der Strahl 2 wird durch eine Zylinderlinse 3 und eine Kugellinse '* geleitet und durch einen feststehenden Planspiegel 5 zu einer Abtastvorrichtung 6 reflektiert, die einen Polygonspiegel umfasst, der durch eine Antriebsvorrichtung wie etwa einen Elektromotor gedreht werden kann. Von der Abtastvorrichtung 6 wird der Strahl längs eines drehbaren Teils seines Weges durch eine weitere Zylinderlinse 8 geleitet. Wenn er aus

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dieser austritt, gelangt er zu einer Oberfläche 9 des zu prüfenden Materials. Licht, das von der geprüften Oberfläche reflektiert wird, durch die geprüfte Oberfläche hindurchgeht oder auf andere Weise aus dem auf die geprüfte Oberfläche auffallenden Licht entsteht, kann durch andere Bestandteile der Apparatur wie etwa nicht dargestellte Photozellen aufgefangen und dann in verschiedener, bekannter Weise dazu benutzt werden, Signale zu erzeugen, die Art oder Zustand der Oberfläche kennzeichnen· So kann z.B. Licht, das durch die geprüfte Oberfläche hindurchgeht, aufgefangen werden, um Fehler in einem Material anzuzeigen (siehe britisches Patent 1.003.771) oder Licht, das durch eine rückreflektierende Oberfläche hinter der geprüften Oberfläche reflektiert wird, kann dazu benutzt werden, Fehler in einem Material anzuzeigen (siehe britisches Patent I.O77.33O).

Die Zylinderachse der Zylinderlinse 3 liegt in der Ebene X-Y und rechtwinklig zum Lichtstrahl 2. Die Zylinderachse der Zylinderlinse 8 liegt in der Ebene X-Z.

Die Fokussierung der optischen Teile in der Ebene von Figur 1 (der Ebene X-Y) entspricht in folgender Weise der im vereinfachten Schaubild Figur 2 dargestellten: Die Zylinderlinse 3 hat keinen Einfluss auf die Fokussierung in der Ebene (X-Y). Die Kugellinse 4 fokussiert den Strahl 2 auf die Spiegeloberfläche der Abtastvorrichtung 6 (in Figur 2 durch eine Linie dargestellt). Ein Bild dieser Spiegeloberfläche wird durch

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die Zylinderlinse 8 auf der Oberfläche 9 abgebildet. Somit sind die Spiegeloberfläche der Abtastvorrichtung 6 und die geprüfte Oberfläche 9, bezogen auf die Linse 8, konjugiert. Wenn sich infolgedessen die Achse der Abtastvorrichtung um die Z-Achse senkrecht zur Ebene von Figur 1 neigt, wie es durch mechanische Fehler z.B. in den Lagern, in denen die Abtastvorrichtung 6 gelagert ist, veranlasst werden kann, so kann zwar der von Vorrichtung 6 reflektierte Strahl verschoben werden, wie es in Figur 2 durch die gestrichelt gezeichneten Strahlenwege angedeutet ist, jedoch wird der Strahl trotzdem denselben Punkt auf der Oberfläche 9 erreichen, den er erreicht hätte, wenn keine Verschiebung stattgefunden hätte.

Die Angabe, dass die Spiegeloberfläche der Abtastvorrichtung 6 und die geprüfte Oberfläche 9 konjugiert sind, trifft genaugenommen nicht zu. Man kann sehen, dass der Lichtweg durch den Spiegel in einer Weise über die geprüfte Oberfläche bewegt wird, die den Lichtweg veranlasst, um eine an den Spiegel angrenzende Achse eine Drehung in der Ebene Z-X auszuführen; man kann zeigen, dass diese Achse sich zwar in unmittelbarer Nähe der Spiegeloberfläche befindet, jedoch hinter der letzteren. Diese Achse, um die sich der optische Weg während der Abtastung dreht, ist es nun, die vorzugsweise so angeordnet wird, dass sie, bezogen auf die Fokussierungsvorrichtung 8, mit der geprüften Oberfläche konjugiert ist. Der Einfachheit halber wollen wir jedoch auch weiterhin die

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Spiegeloberfläche und die geprüfte Oberfläche als konjugierte Punkte bezeichnen·

D<ie Fokussierung der optischen Teile in der Ebene Z-X ist wie in der Figur 3 gezeigt. Die Zylinderlinse 3 konzentriert den Lichtstrahl 2 in einem Punkt 10 (Brennpunkt), von dem durch die Linse k ein Bild 11 auf der Oberfläche 9 gebildet wird. Die astigmatisehe Zylinderlinse 8 hat keinen Einfluss auf diesen Vorgang. Infolgedessen veranlasst die Verschiebung des Strahls 2 durch Drehung der Vorrichtung 6 das Bild 11, sich über die Oberfläche 9 in einer Richtung zu bewegen, die rechtwinklig zur Ebene von Figur 1 verläuft; das ist bei der Darstellung in Figur 2 eine vertikale Bewegung.

Eine weitere Achse, um die die Abtastvorrichtung 6 wahrscheinlich kippen wird, ist die Y-Achse. Der Einfluss einer Neigung um die Y-Achse besteht darin, dass der Fleck auf der geprüften Oberfläche 9 veranlasst wird, sich längs der Abtastlinie hin und her zu bewegen. Das sollte zwar, wenn möglich, vermiden werden, hat jedoch in der Praxis nur geringe Auswirkungen und -das ist sehr wichtig- führt nicht dazu, dass beim Abtasten der Oberfläche 9 auch nur ein kleiner Teil davon ausgelassen wird, wie es der Fall wäre, wenn die Abtastvorrichtung 6 ohne die erfindungsgemässe Anordnung sich um die Z-Achse neigt.

IAn einen gross en Abtastwinkel zu erhalten, kann eine lange Zylinderlinse benutzt werden, wie dies die Figur k zeigt·

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Figur h zeigt den geometrischen Ort 12 des Brennpunktes 11, wenn er so bewegt wird, wie es die Richtung des Pfeile 13 in Figur 1 zeigt. Wie man sieht, ist der geometrische Ort eine Kurve, die die Oberfläche 9 nur in einem Punkt berührt. Vorzugsweise soll der geometrische Ort 12 jedoch auf der Oberfläche 9 liegen. Um das zu erreichen, ist es möglich, die Zylinderlinse 8 z.B. dadurch zu korrigieren, dass man die Zylinderachse der Linse 8 biegt. Dies verursacht wahrscheinlich jedoch hohe Kosten.

Eine vorzuziehende Ausführungsform der Apparatur erreicht auch für grosse Abtastwinkel eine praktisch richtige Fokussierung dadurch, dass die Zylinderlinse 8 durch einen konkaven Zylinderspiegel ersetzt wird. Eine derartige Apparatur ist auf Figur 5 dargestellt, wo die Bezugszahlen Teile bezeichnen, die denen entsprechen, die in den Figuren 1, 2 und 3 durch gleiche Bezugszahlen bezeichnet sind und wo die Zylinderlinse 8 durch einen Zylinderspiegel 80 ersetzt worden ist. Arbeitsweise und Aufbau dieser Apparatur gehen aus Figur 5 und aus der Beschreibung der vorherigen Apparatur hervor.

Es dürfte ohne weiteres klar sein, dass zwar bei der Beschrei· bung der Apparatur die Lichtquelle 1 erwähnt worden ist, die einen Lichtstrahl 2 erzeugt, der auf die Oberfläche 9 fällt, die Apparatur jedoch bei einer anderen Ausführungsform anstelle der Quelle 1 auch einen Photoemissionsdetektor aufweisen könnte, dem Licht selektiv von der Oberfläche 9 auf ent-

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sprechenden optischen Wegen zugeführt wird .

Es dürfte klar sein, dass es bei einer praktischen Ausführungs· form nicht zweckmässig ist, den Brennpunkt 11 in allen Richtungen so klein wie möglich zu halten, da die Abtastlinien sehr nahe beieinanderliegen, um das gesamte Material zu erfassen, wenn das gesamte Material durch aufeinanderfolgende Abtastlinien abgetastet werden soll. Es ist daher vorzuziehen, den Brennpunkt 11 in einer Richtung quer zu den Abtastlinien zu verbreitern, so dass weniger Abtastlinien benötigt werden. Auf besonders einfache Weise kann das dadurch erreicht werden, dass man den Punkt 11 nicht in den Brennpunkt in der X-Y-Ebene legt, denn die X-Y-Ebene verläuft quer zur Abtastlinien. Das dann auf der Oberfläche 11 erzeugte Bild hat die Form einer¹ Linie, da es in der X-Z-Richtung im Brennpunkt liegt, jedoch in der X-Y-Richtung ausserhalb des Brennpunktes. Man wird sofort erkennen, wie dies erreicht werden kann. So ist es bei der Darstellung von Figur 2 nur notwendig, die optischen Systeme so einzustellen, dass die Linse k den Lichtstrahl in der Ebene X-Y nicht auf die Oberfläche des Spiegels 6 fokussiert, sondern auf einen unmittelbar angrenzenden Punkt, so dass das Bild auf der Oberfläche des Spiegels 6 in der X-Y-Richtung ein wenig ausserhalb des Brennpunktes liegt. Da der Spiegel 6 und die Oberfläche 9 konjugierte Punkte sind, folgt daraus, dass das Bild in der X-Y-Ebene ein wenig ausserhalb des Brennpunktes auf der Oberfläche 9 liegt. Im allgemeinen ist es unerheblich,

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ob die Linse 'i so angeordnet ist, dass sie den Lichtstrahl in der X-Y-Ebene vor oder hinter die Oberfläche des Spiegels 6 fokussiert. Bei dem auf Figur 6 dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Lichtstrahl im Punkt 8l fokussiert dargestellt, der hinter der Oberfläche des Spiegels 6 liegt.

Diese Anordnung hat nebenher noch Vorteile beim Abtasten von Metallzylindern, wie es oft erforderlich ist. In diesem Falle ist die Oberfläche 9 die Aussenfläche des Metallzylinders 82. Beim Abtasten von Metallen besteht eine Schwierigkeit darin, dass an der Oberfläche eine Spiegelreflexion stattfindet. Wenn dann das Licht von z.B. einem Photoemissionsdetektor 83 aufgefangen werden soll, muss gewährleistet sein, dass das gesamte reflektierte Licht vom Photoemissionedetektor aufgefangen wird. Wenn das nicht der Fall ist, da sich die Linie, längs der eine Spiegelreflexion stattfindet, vom Photoemissionsdetektor 83 wegbewegt, kann ein Falschsignal erzeugt werden.

Wie die Figur 6 zeigt, wird durch Fokussieren des Lichtstrahle in der X-Y-Ebene bei 8l hinter dem Spiegel 6 das vom Spiegel 80 auf die Fläche 9 reflektierte Licht konvergent, wenn es die Oberfläche 9 erreicht. Hat der Zylinder einen kleinen Radius, so ist es vorzuziehen, diesen Konvergenzgrad so gross wie möglich zu machen, indem man den Spiegel 80 so nahe wie möglich an der Oberfläche 9 anordnet. Wenn in diesem Falle die Konvergenz des Strahls an der Oberfläche 9 des Metall-

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Zylinders 82 in der X-Y-Ebene ausreichend gross ist, so ist auch bei Spiegelreflexion von dieser Oberfläche der von dieser Oberfläche 9 reflektierte Strahl immer noch konvergent und kann dazu gebracht werden, bis zum Photoemissionsdetektor 93 konvergent zu sein, welch letzterer dadurch das gesamte von der Oberfläche 9 reflektierte Licht auffängt. Da die Krümmung der Oberfläche.9 nicht besonders genau sein kann, wird der Photoemissionsdetektor vorzugsweise so angeordnet, dass er Licht von einer Zone auffängt, die den theoretischen Brennpunkt umgibt.

Die Figuren 7 und 8 zeigen die Einrichtung eines praktischen Ausführungsbeispiels des optischen Systems, das schematisch auf den Figuren 5 und 6 dargestellt ist, wobei gleiche Bezugszahlen benutzt worden sind. Wie man sieht, liegen die Planspiegel 91_t 92, 93, 94 im optischen Weg, damit das optische System leicht in ein geeignetes Gehäuse eingebaut werden kann. Die Linse k besteht aus zwei Teilen 4¹ und 4¹¹; eine Zylinderlinse 95 ist zusätzlich vorhanden.

Es ist vorgesehen, dass die Erfindung vorteilhafterweise beim Abtasten von Innenflächen langer, dünner Bohrungen eingesetzt werden kann, was die Umkehrung der beim Abtasten der Aussenfläche von Zylindern vorliegenden Situation darstellt. In diesem Falle ist es schwieriger, rotierende Abtasteinrichtungen zu konstruieren, die keine mit Schwingungen und Ungenauigkeiten zusammenhängenden Probleme mit sich bringen, die durch geometrische Zwänge verursacht werden,

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welche auf die die Abtasteinrichtungen tragenden Bauelemente ausgeübt werden. Somit ist in diesem Falle die Anwendung dieser Erfindung ganz besonders wichtig.

Beim Abtasten der Innenfläche einer hohlen Bohrung ist es vorzuziehen, eine Anordnung zu benutzen, wie sie in Figur dargestellt ist, jedoch mit der Abweichung, dass die Linse so angeordnet ist, dass der Brennpunkt des Lichts vor den Spiegel 6 liegt und nicht dahinter. Das Bild in der X-Y-Ebene, das auf die Innenfläche der hohlen Bohrung gelangt, ist dann divergent und nicht wie auf Figur 6 konvergent. Die Spiegelreflexion lässt sich dann durch geeignete Anordnung des Photoemissionsdetektors 83 leicht auffangen.

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Claims

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1. Abtastapparatur ztun Abtasten einer Oberfläche, bestehend aus einem optischen System zum Leiten von Strahlung zu und/ oder von einer zu prüfenden Oberfläche, wobei dieses optische System ein bewegliches, optisches Teil umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Oberfläche und dem beweglichen, optischen Teil eine Fokussierungsvorrichtung so angeordnet wird, dass sich das bewegliche, optische Teil und die Pberfläche gegenüber der Fokussierungsvorrichtung in konjugierten Brennpunkten befinden.

2, Apparatur nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche, optische· Teil so angeordnet ist, dass es den optischen Weg in einem veränderlichen Grade verschiebt, um ihn zu veranlassen, sich über die geprüfte Oberfläche zu bewegen.

3· Apparatur nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das bewegliche, optische Teil einen drehbaren Spiegel umfasst.

km Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsvorrichtung astigmatisch ist, so dass bewegliches, optisches Teil und geprüfte Oberfläche nur xn einer Ebene konjugiert sind.

5« Apparatur nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Fokussierungsvorrichtung mehr als ein optisches Teil umfasst.

6. Apparatur nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die astigmatische Fokussierungsvorrichtung aus einer

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Zylinderlinsen besteht.

7· Apparatur nach Anspruch h oder 5» dadurch gekennzeichnet! dass die astigmatische Fokussierungsvorrichtung aus einem Zylinderspiegel besteht.

8. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn« zeichnet, dass sie eine Lichtquelle und einen lichtempfindlichen Detektor umfasst.

9. Apparatur nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Teile so angeordnet sind, dass auf der geprüften Oberfläche ein Bild entsteht, das sich, bezogen auf eine Ebene quer zur geprüften Oberfläche und die Abtastlinie, ausserhaIb des Brennpunktes befindet.

10. Verfahren zum Abtasten einer Oberfläche durch Bewegen des optischen Weges über die Oberfläche mit Hilfe eines beweglichen, optischen Teils, dadurch gekennzeichnet, dass man in das optische System eine Fokussierungseinrichtung zwischen dem beweglichen, optischen Teil und der Oberfläche einbaut, wobei die Fokussierungseinrichtung so eingestellt wird, dass das bewegliche, optische Teil und die Oberfläche, bezogen auf die Einrichtung, konjugiert sind.

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