DE2810025C2

DE2810025C2 -

Info

Publication number: DE2810025C2
Application number: DE2810025A
Authority: DE
Inventors: Shigeo Kubota; Tadao Ishihara; Masahiro Tokio/Tokyo Jp Kikuchi
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-03-08
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1989-02-09
Also published as: FR2383428A1; FR2383428B1; GB1588085A; US4289400A; CA1130554A; JPS6127682B2; AU513414B2; DE2810025A1; JPS53110553A; AU3381778A

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1) zur Messung der Neigung an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche einer optischen Linse.

Bei der Herstellung des Phosphorbildschirmes einer Farbfernseh-Bildröhre wird ein flüssiger Brei roten Phosphors auf die Innenseite der Frontplatte der Bildröhre aufgebracht. Eine Glaslinse, die die Elektronenlinse der Bildröhre simuliert, wird vor der inneren Frontplatte der Bildröhre angeordnet. Sodann wird Licht durch die Linse und ein Lochgitter auf die Bereiche der Phosphorschicht projiziert, an denen roter Phosphor sein soll. Das Licht läßt an den Auftreffpunkten den Brei roten Phosphors erhärten; im übrigen wird der rote Phosphorbrei dann abgewaschen. Dieser Vorgang wird sodann für die Bereiche grünen Phosphors und blauen Phosphors wiederholt.

Die geschilderte Arbeitsweise ist schematisch in Fig. 1 veranschaulicht. Auf die Innenseite der Frontplatte 1 der Bildröhre ist Phosphorbrei 2 aufgebracht. Das Lochgitter ist mit 3, die Lichtquelle mit 4 und die Linse mit 5 bezeichnet. Die Oberfläche 5 a der Linse 5 ist gekrümmt. Es ist nun sehr wichtig, daß die Krümmung der Oberfläche 5 a der Linse auf der dem Lochgitter 3 zugewandten Seite innerhalb enger Toleranzgrenzen liegt. Die Neigung der Oberfläche der Linse muß daher an den einzelnen Stellen genau gemessen und erforderlichenfalls korrigiert werden, um einen Phosphorbildschirm hoher Qualität zu erzeugen.

Es sind bereits verschiedene Einrichtungen bekannt, um die Oberflächenkontur eines Testobjektes, insbesondere die Neigung einer gekrümmten Linsenoberfläche, an verschiedenen ausgewählten Stellen direkt oder indirekt zu messen. Eine Methode besteht darin, die Dicke der Linse mechanisch unter Verwendung einer Meßlehre zu ermitteln. Die Umwandlung des gemessenen Dickenwertes in einen Neigungswert erweist sich jedoch als schwierig. Die Messung ist ferner nicht berührungsfrei, sondern bringt die Gefahr einer Beschädigung der Linsenoberfläche mit sich.

Es ist weiterhin ein optisches Winkelmeßverfahren unter Verwendung eines Autokollimators bekannt. Es erweist sich hierbei jedoch als schwierig, in dem kleinen Betrachtungsfeld die sehr geringe Neigung mit der notwendigen Genauigkeit zu messen.

Zur Qualitätsprüfung von optischen Linsen ist ferner eine Projektionsmethode unter Verwendung eines Laserstrahles bekannt. Dabei wird die Linse mit Ausnahme bestimmter, zu untersuchender Punkte mit einer Maske bedeckt, durch die der Laserstrahl hindurchtritt, um Abbildungen in einer fotografischen Schicht zu erzeugen. Nachteilig ist hierbei die Notwendigkeit der Verwendung einer Maske. Durch die Maske ist es ferner nicht möglich, beliebige Stellen der Linsenoberfläche zu prüfen.

Durch die DE-OS 25 02 941 ist weiterhin ein (im wesentlichen dem Oberbegriff des Anspruches 1 entsprechendes) Gerät zum Messen der Oberflächenkontur eines Testobjektes bekannt, bei dem die Nullposition der Detektoranordnung ausgenutzt wird. Der Detektor wird hierbei relativ zu der zu messenden Oberfläche bewegt, um den auf der Oberfläche des Detektors fokussierten Fleck der durch das Testobjekt reflektierten Strahlung in die Nullposition zu bewegen.

Gegenstand der FR-PS 21 06 824 ist ferner eine Abstandsmeßvorrichtung mit zwei Fotodetektoren, die eine Amplitudenmodulation des Lichtstrahles erfassen und deren Ausgänge mit einem Differentialverstärker verbunden sind. Die Eingänge eines Synchrondetektors sind dabei einerseits mit dem Ausgang des Differentialverstärkers und mit einem Bezugssignalgenerator verbunden.

Gegenstand der US-PS 38 57 637 ist schließlich eine Vorrichtung zur Bestimmung des Profiles einer Glasoberfläche, die mit konstanter Geschwindigkeit relativ zu einer Lichtquelle und einem Fotosensor bewegt wird. Die vom Sensor erzeugten Signale erzeugen ein Oberflächenprofil, das die konkave oder konvexe Krümmung der Oberfläche sowie den Krümmungsradius erkennen läßt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 so auszubilden, daß eine besonders genaue und kontinuierliche Messung der Neigung an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche einer optischen Linse durchgeführt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das kennzeichnende Merkmal des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird der Differentialfotosensor so bewegt, daß seine Mitte mit der Mitte des Auftreffpunktes des zum Differentialfotosensor reflektierten Lichtstrahles übereinstimmt. Der Sensor wird also auf das Maximum des Lichtstrahles eingestellt. Die zur Herstellung dieser Übereinstimmung erforderliche Bewegung des Differentialfotosensors steht mit der zu messenden Neigung der Linsenoberfläche an der gerade betrachteten Stelle und mit der Länge des Lichtweges in einer festen Beziehung. Mißt man daher die Bewegung des Differentialfotosensors, so kann man hieraus die Neigung der Linsenoberfläche an der gerade betrachteten Stelle ermitteln. Bewegt man ferner mittels der Antriebssteuerung die Tischplatte, die die Linse trägt, so fällt der Lichtstrahl auf unterschiedliche Punkte der Linsenoberfläche, was eine Messung der Neigung an unterschiedlichen Stellen der Linsenoberfläche ermöglicht. Die erfindungsgemäße Meßvorrichtung zeichnet sich dabei durch besonders hohe Genauigkeit aus.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung der Herstellung der Phosphorbeschichtung einer Farbfernseh-Bildröhre,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Oberflächenneigung an verschiedenen Stellen, und

Fig. 3 einen Differentialfotosensor, der in der Vorrichtung der Erfindung verwendet wird.

Wie Fig. 2 schematisch zeigt, ist ein Laserstrahlgenerator 11, zum Beispiel ein He-Ne-Gaslaser, an einer festen Stelle vorgesehen. Die zu prüfende optische Linse 12 ist auf einem Tisch 13 in einer bestimmten Lage angeordnet, die in X- und Y- Koordinaten ausgedrückt wird. Der Tisch 13 ist auf einer Tischplatte 14 eines numerisch steuerbaren Tisches 15 angeordnet. Die Bewegung der Tischplatte 14 erfolgt unter der Steuerung des Tisches 15 derart, daß die Linse 12 an einer bestimmten, durch X-Y-Koordinaten ausgedrückten Stelle angeordnet wird. Die Linse kann somit in einer Ebene in X- und Y-Richtung entsprechend Steuersignalen einer Antriebssteuerung 16 bewegt werden. Der Laserstrahlgenerator 11 erzeugt einen Strahl 17, der eine Linse 18 durchläuft. Danach wird der Strahl von einem Spiegel 19 in Richtung des Tisches 13 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl durchläuft dann einen Halbspiegel 20, bis er auf die Oberfläche 12 a der Linse 12 trifft. Der Strahl wird dann von der Linse reflektiert, wobei er unter einem Winkel gegenüber dem einfallenden Lichtstrahl 19 a abgelenkt wird, bis er auf den Halbspiegel 20 trifft. Der reflektierte Laserstrahl der Linse 12 wird von dem Halbspiegel 20 so reflektiert, daß er auf einen Spiegel 23 trifft. An dieser Stelle wird der Lichtstrahl wie bei 17 a nach unten abgelenkt und bildet einen Punkt auf einer Ebene des X-Y-Schreibers 21. Ein Differentialfotosensor 22 ist auf einem beweglichen ebenen Tisch 22′ des X-Y-Schreibers 21 angeordnet. Der Tisch 22′ ist so ausgebildet, daß er durch einen Antriebsregler 24 in der X- oder der Y-Richtung bewegt wird, bis die Mitte des Differentialfotosensors 22 mit der Mitte des durch den reflektierten Laserstrahl gebildeten Punktes übereinstimmt.

Der Differentialfotosensor 22 ist vorgesehen, um die Auslenkung des Strahlpunktes gegenüber der sogenannten Schreibstelle des X-Y-Schreibers zu ermitteln, d. h. derjenigen Stelle, an der der Lichtpunkt sein sollte, wenn die Neigung an der Stelle, die untersucht wird, die gewünschte Neigung ist. Der Differentialfotosensor 22 wird in eine Stellung bewegt, in der die Mitte des Sensors mit der Mitte des Lichtpunktes übereinstimmt. Diese Bewegung wird durch Rückkoppelung der Signale hervorgerufen, die die Auslenkung des Lichtpunktes gegenüber dem Sensor über eine Servoschaltung angeben, die in dem Antriebsregler 24 für den X-Y-Schreiber 21 enthalten ist. Der Differentialfotosensor 22 besteht aus vier Photodioden D₁ bis D₄ (Fig. 3). Dabei wird ein Differenzsignal zwischen den Photodioden D₁ und D₂ bei einer Auslenkung des Lichtpunktes in X-Richtung in den X-Eingang des X-Y-Schreibers rückgekoppelt, der die Bewegung des Sensors in der X-Richtung steuert. In ähnlicher Weise wird ein Differenzsignal zwischen den Photodioden D₃ und D₄ zu dem Y-Eingang des X-Y-Schreibers rückgekoppelt, der die Bewegung des Sensors in der Y-Richtung steuert. Wenn daher die Ausgangslagebeziehung zwischen dem Sensor 22 und dem Lichtpunkt 25 (Fig. 3) bei Auftreffen des Laserstrahles auf dem Sensor 22 durch durchgehende Linien in Fig. 3 dargestellt wird, wird der Sensor 22 durch Verstellen des Tisches 22′, der den Sensor trägt, in die durch gestrichelte Linien in Fig. 3 gezeigte Lage bewegt, in der das Differenzsignal in der X-Richtung, das von den Photodioden D₁ und D₂ erhalten wird, und das Differenzsignal in der Y-Richtung, daß von den Photodioden D₃ und D₄ erhalten wird, jeweils zu Null wird. Dies bedeutet, daß der Sensor 22 in eine Lage bewegt wird, in der die Mitte O₁ des Sensors und die Mitte O₂ des Lichtstrahlauftreffpunktes miteinander übereinstimmen.

Bei dieser Anordnung ist die Verstellung Δ X des Sensors zwischen dem Strahlpunkt der Meßstelle auf der Linse 12 und dem Strahlpunkt der Bezugsstelle auf der Linse proportional der Neigung der gekrümmten Fläche an der Meßstelle, solange der reflektierte Strahl der Bezugsstelle senkrecht zur Ebene verläuft, auf der sich der Sensor bewegt, d. h. der Ebene, auf der die Verstellung Δ X gemessen wird. Diese Beziehung wird wie folgt dargestellt:

|Δ X | = L tan 2 R ≃ 2 L R (R « 1)

wobei L die Länge des Lichtweges zwischen der Bezugsstelle auf der Linse und dem Sensor ist, der dem Strahlpunkt der Bezugsstelle entspricht. R ist die Neigung der Linsenoberfläche an der Meßstelle. Die Beziehung ist leicht verständlich, wenn man sich eine Spiegelabbildung (durch den Spiegel 20) der Bezugsstelle und der Stelle vorstellt, die der Messung unterworfen wird, ferner Spiegelabbildungen (durch den Spiegel 23) der Lichtpunkte von den Stellen aus, die der Messung unterworfen sind, und von den Bezugsstellen.

Die Abbildung der Bezugsstelle und der Stelle, die der Messung unterworfen ist, ist im wesentlichen identisch, da der Laserstrahl fest ist und die Meßstelle bei der Messung zur Position der Bezugsstelle bewegt wird. Es ist zwar ein sehr geringer Höhenunterschied zwischen der Bezugsstelle und der Meßstelle der Linse vorhanden, jedoch ist diese Abweichung vernachlässigbar klein. Drei Stellen, die durch die obigen Abbildungen der Stelle auf der Linse und die beiden Strahlpunkte gebildet werden, ergeben ein rechtwinkliges Dreieck mit einem Winkel an der Spitze von 2 R und einer Länge L und Δ X der beiden Seiten an dem rechten Winkel.

Wenn sich der Sensor auf einer Ebene bewegt, die um einen Winkel γ gegenüber der Ebene senkrecht zu dem von der Bezugsstelle reflektierten Laserstrahl geneigt ist, wird die Verschiebung Δ X außerdem mit einem Korrekturkoeffizienten multipliziert, der eine Funktion von γ und R ist. Die Lage des Lichtpunktes an der Meßstelle wird durch die Eingangsspannung des X-Y-Schreibers angegeben, wenn der Lichtpunkt mit der Mitte des Sensors übereinstimmt; die Lage wird von einem Monitor 26 angezeigt und aufgezeichnet. Aufgrund der vorher ermittelten Beziehung zwischen dem Neigungswert und der Eingangsspannung, die der Lage des Lichtpunktes entspricht, wird die Neigung der Linsenoberfläche an der Meßstelle bestimmt.

Ein Signal, das die Beendigung der Bestimmung der Lage des Strahlpunktes auf dem X-Y-Schreiber anzeigt, bewirkt eine Eingangsspannung im X-Y-Schreiber, die die Koordinaten (d. h. die Verschiebung) des Sensors angibt; ein Signal, das die Beendigung der Ausgabe der Eingangsspannung für den X-Y-Schreiber anzeigt, ist ein Startsignal für die Lagebewegung des Tisches 15, um die nächste Meßstelle der Linse 12 einzustellen.

Bei dieser Anordnung wird die zu untersuchende Linse 12 zunächst durch den Tisch 15 in eine bestimmte Lage bezüglich des einfallenden Laserstrahles gebracht; der Laserstrahl 17 fällt dann auf eine bestimmte erste Stelle auf der gekrümmten Fläche 12 a der Linse 12, wird reflektiert und erzeugt einen Strahlpunkt auf dem Sensor 22, der auf der Oberfläche des X-Y-Schreibers 21 vorgesehen ist. Der Sensor 22 folgt dem Strahlpunkt, bis die Mitte des Sensors mit der Mitte des Auftreffpunktes übereinstimmt. Die Lage des Strahlpunktes wird dann als Eingangssignal für den X-Y-Schreiber 21 abgelesen. Auf diese Weise wird die Neigung der ersten Stelle auf der Oberfläche der Linse 12 gemessen.

Nachdem die Messung dieser ersten Stelle beendet ist, verschiebt der Tisch 15 automatisch die zu messende Linse 12, so daß der Laserstrahl 17 auf eine zweite Stelle auf der Oberfläche der Linse trifft. In der beschriebenen Weise wird dann die Neigung der zweiten Stelle gemessen. Durch Fortsetzung des obigen Vorganges, d. h. Abtastung der Oberfläche der Linse durch den Laserstrahl, wird die Neigung der einzelnen Stellen auf der gekrümmten Fläche 12 a kontinuierlich gemessen.

Auf diese Weise ist es möglich, die Neigung der gekrümmten Fläche ohne Beschädigung zu messen, und es ist auch möglich, die Neigung beider Seiten der Linse unabhängig zu messen. Außerdem kann durch Bestimmung der Lagebeziehung zwischen der Linse und dem Laserstrahl durch Verwendung einer numerischen Steuerung eine beliebige Stelle auf der zu messenden Oberfläche leicht und genau ausgewählt werden.

Von Vorteil ist auch, daß ein Strahlpunkt ausreichender Lichtintensität ohne Verwendung eines Laserstrahlgenerators mit großem Ausgangssignal erhalten werden kann.

Es ist möglich, eine Messung mit hoher Genauigkeit durchzuführen und eine Neigung von nur etwa 0,1 Milliradienten zu messen. Dies bedeutet, daß eine Verschiebung des Phosphormusters der Linse von weniger als 1 µ ermittelt wird. Es ist damit möglich, eine hohe Qualitätssteuerung zu erreichen und dadurch eine geeignete Linse auszuwählen. Unter Berücksichtigung der Meßergebnisse kann man ferner einen Phosphorbildschirm hoher Genauigkeit herstellen.

Die Vorrichtung zur Messung der Neigung der gekrümmten Oberfläche kann zur Messung der Korrekturlinse benutzt werden, die bei der Herstellung des Phosphorbildschirmes einer Farbkathodenstrahlröhre verwendet wird; es ist jedoch offensichtlich, daß diese Vorrichtung auch für die Messung der Neigung verschiedener Stellen der gekrümmten Oberfläche anderer Gegenstände anwendbar ist, von denen Licht reflektiert werden kann.

Bei dem angegebenen Beispiel wurde ein Laserstrahl verwendet; jedoch können andere Arten von Lichtquellen verwendet werden, wenn sie in der Lage sind, einen parallelen Lichtstrahl mit geringem Durchmesser und ausreichender Intensität zu projizieren. Ein Beispiel einer solchen anderen Lichtquelle ist die Kombination von Quecksilberlicht und einer Schlitz- und Linseneinrichtung.

Claims

1. Vorrichtung zur Messung der Neigung an unterschiedlichen Stellen der Oberfläche (12 a) einer optischen Linse (12), enthaltend

a) einen numerisch gesteuerten Tisch (15) mit einer die Linse (12) tragenden, in einer Ebene drehbaren Tischplatte (14),
b) eine Antriebssteuerung (16) für die Bewegung der drehbaren Tischplatte (14) an x- und y-Richtung
c) einen Differentialfotosensor (22),
d) einen Schreiber (21) mit einem den Differentialfotosensor (22) tragenden, in x- und y-Richtung bewegbaren Tisch (22′) sowie mit Einrichtungen zur Aufzeichnung der Position dieses Tisches (22′) in einem x-y-Koordinatensystem,
e) Einrichtungen (11, 18, 19) zur Erzeugung eines auf den zu prüfenden Punkt der Linsenoberfläche (12 a) gerichteten, parallelgebündelten Lichtstrahles,
f) einen im Weg des Lichtstrahles angeordneten Halbspiegel (20),
g) einen weiteren Spiegel (23), der den von der Linsenoberfläche (12 a) reflektierten und durch den Halbspiegel (20) abgelenkten Lichtstrahl zum Differentialfotosensor (22) reflektiert,

gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

h) es ist ein Antriebsregler (24) vorgesehen, der die Bewegung des Tisches (22′) derart steuert, daß die Mitte (O₁) des Differentialfotosensors (22) mit der Mitte (O₂) des Auftreffpunktes des zum Differentialfotosensor (22) reflektierten Lichtstrahles übereinstimmt, wobei die zur Herstellung dieser Übereinstimmung erforderliche Bewegung des Differentialfotosensors (22) gemessen und hieraus die Neigung (R ) der Linsenoberfläche an der gerade betrachteten Stelle ermittelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Differentialfotosensor (22) aus vier Fotodioden (D₁ bis D₄) besteht, die paarweise einander gegenüberliegen und die die Auslenkung der Mitte (O₂) des Strahl-Auftreffpunktes in der x- und y-Richtung erfassen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ermittlung der Neigung (R ) der Linsenoberfläche (12 a) an der gerade betrachteten Stelle der optischen Linse (12) nach der Beziehung erfolgt: wobei|Δ x | die zur Herstellung der Übereinstimmung von Mitte des Differentialfotosensors und Mitte des Auftreffpunktes erforderliche Bewegung des Differentialfotosensors undL die Länge des Lichtweges von der Bezugsstelle auf der Linsenoberfläche bis zur Ebene des Differentialfotosensors ist.