DE3688015T2 - Profilmesseinrichtung mit vom Lichtfleck überstreifter Apertur. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Oberflächen-Profilmeßeinrichtung und insbesondere eine Oberflächen-Profilmeßeinrichtung, die einen bewegten Lichtpunkt verwendet.
• Die Verwendung verschiedener Arten von industriellen optischen Bildsystemen ist weit verbreitet. Derartige Systeme werden häufig in Robotersystemen verwendet, beispielsweise in Roboterschweißsystemen, in denen die industriellen optischen Systeme oder Vorrichtungen dazu verwendet werden, einen Schweißkopf so zu steuern, daß er sich entlang einer Schweißnaht bewegt. Industrielle Bildsysteme werden auch für eine Vielzahl anderer Anwendungen verwendet, beispielsweise dazu, Daten von dem Profil einer Oberfläche zu erzeugen, die leicht elektronisch gespeichert werden können. Derartige industrielle Bildabtaster schließen Systeme ein, die Aufnahmekameras, lineare Abtastanordnungen und Lichtpunkt-Kameraanordnungen mit Lasern verwenden.
• Obwohl eindrucksvolle Verbesserungen bei optischen Abtastern mit Aufnahmekameras erzielt wurden, gibt es noch eine Anzahl von Nachteilen. Insbesondere ergeben sich Beschränkungen bei der Verwendung von Aufnahmekameras für industrielle Bildaufnahmen aufgrund der Empfindlichkeit, des Dynamikbereiches und der Fähigkeit der Aufnahmekameras, Hintergrundlicht oder Streulicht auszuschließen. Zieht man in Betracht, daß das richtungsabhängige Reflexionsvermögen von winkligen Metalloberflächen mit üblicher industrieller Oberflächenqualität leicht um einen Faktor von mehreren Tausend variieren kann, erkennt man, daß der Dynamikbereich, der bei einer herkömmlichen Aufnahmekamera in Abtastsystemen im Größenbereich von mehreren Hundert zu Eins liegt, weit überschritten wird. Darüber hinaus erfordert die beschränkte Empfindlichkeit von Aufnahmekameras normalerweise einen Laser mit großer Leistung, der sorgfältig überwacht und geregelt werden muß, um Sicherheitsgefährdungen auszuschließen.
• Verschiedene Systeme zur Profilermittlung mit strukturiertem Licht können dazu verwendet werden, ein Lichtmuster mit verschiedenen Wellenlängen zu erzeugen, das auf einer Oberfläche aufgebracht wird. Zum Beispiel ist es möglich, das reflektierte Licht von den Mustern mit Hilfe zweier Detektorreihen abzutasten (eine für jede der beiden Lichtwellenlängen), um so eine Profilabbildung der Oberfläche zu erzeugen. Ein derartiges Profilbestimmungssystem mit strukturiertem Licht ist in der US-PS 4 349 271 offenbart.
• Obwohl derartige optische Profilbestimmungssysteme mit strukturiertem Licht, die Lochmatrizen oder -spalten verwenden, im allgemeinen hilfreich sind, haben sie doch verschiedene Nachteile. Insbesondere ist die Auflösung von derartigen Systemen dadurch beschränkt, daß die Abtastelemente in der Abtastgruppierung sehr gedrängt angeordnet sind. Darüber hinaus führt das Erfordernis einer großen Anzahl Detektorelemente für eine annehmbare Auflösung und ein ausreichendes Sichtfeld dazu, die Qualität des Detektorelementes zu beschränken, das verwendet wird. D.h., daß ein Detektorelement wie z. B. eine Fotovervielfacher-Röhre, die sehr empfindlich ist und einen vergleichsweise guten Dynamikbereich hat, zu teuer für die Verwendung bei einer Lochmatrix in vielen Anwendungsfällen ist, die strukturiertes Licht verwenden. Ein Detektorelement wie beispielsweise eine Fotodiode, ist zwar weniger teuer und kann dazu verwendet werden eine vergleichsweise kostengünstige Anordnung zu verwirklichen; derartige Fotodioden haben jedoch nicht die Empfindlichkeit und den Dynamikbereich einer Fotovervielfacher-Röhre.
• Die bekannten Profilmeßsysteme mit bewegtem Lichtpunkt verwenden üblicherweise einen Laserstrahl, der zum Abtasten auf einer Oberfläche hin- und hergeführt ist. Das Bild des Strahles, der auf die Oberfläche auftrifft, wird von einer Detektorgruppe abgetastet, die gegenüber dem Winkel versetzt ist, mit dem der Strahl auf die Oberfläche gerichtet ist. Unter Kenntnis des Winkels, mit dem der Strahl auf die Oberfläche auftrifft und der Lage des Strahlabbildes auf der Oberfläche ist es unter Anwendung der optischen Triangulierungs-Technik möglich, das Oberflächenprofil zu bestimmen. Da derartige Systeme normalerweise Abtastergruppen verwendet haben, hängt ihre eingeschränkte Empfindlichkeit, ihr Dynamikbereich und ihre beschränkte Auflösung von den Abtastergruppen ab, die auch in Systemen verwendet werden, die mit strukturiertem Licht arbeiten. Darüber hinaus ist es möglich, daß die Schwankungen bzw. Abweichungen des richtungsabhängigen Reflexionsvermögens der Oberfläche die Verwendung eines vergleichsweise leistungsfähigen Lasers erforderlich machen, wobei eine Anzahl von besonderen Sicherheitsvorkehrungen getroffen werden muß, die sowohl wirtschaftlich als auch betrieblich nachteilig und hinderlich sind.
• US-PS 4 158 507 beschreibt eine andere Form eines Profilmeßsystems, das einen Laserstrahl verwendet, der zum Abtasten über eine Oberfläche geführt und dessen Abbild von einer einzelnen Fotovervielfacher-Röhre abgetastet wird. Um der Spur des über die Oberfläche hin- und hergeführten Strahles zu folgen, ist zwischen dem Abbild des Strahles und dem Fotovervielfacher ein optisches Gitter angeordnet. Wenn der Strahl die Oberfläche überstreicht, ist die Abtastzeit zwischen verschiedenen durchsichtigen Streifen des Gitters ein Anzeichen für die Neigung der Oberfläche. Ein derartiges System hat nur ein beschränktes Auflösevermögen. Zwar ist das System dazu in der Lage, kleine Veränderungen in der Oberflächenneigung zu entdecken, wenn das Gitter ziemlich fein ist, d. h. die miteinander abwechselnden durchsichtigen und lichtundurchlässigen Streifen sehr schmal sind. Allerdings können derartige schmale Gitterstreifen falsche oder in die Irre führende Abtastmuster erzeugen. Insbesondere bei einer scharfen Oberflächenveränderung oder einem vertikalen Sprung in der Oberfläche kann das Abbild des Strahles über mehr als einen Streifen in dem Gitter springen, so daß das Abtastsystem die Höhe dieser Stufe falsch anzeigt.
• In der US-Patentanmeldung Nr. 714 416 von C. Murray Penney mit dem Titel "Method and System for Determining Surface Profile Information", die dem Anmelder der vorliegenden Anmeldung übertragen ist, ist eine Profilmeßeinrichtung mit einem Lichtpunkt offenbart, auf die hiermit Bezug genommen wird. Diese Erfindung verwendet eine Rückkopplungsanordnung, um den Winkel zu verändern, unter dem ein Laserstrahl auf die zu testende Oberfläche gebracht wird, so daß das Abbild des Strahles auf der Oberfläche dazu neigt, in Bezug auf eine lineare Referenzlage konstant gehalten zu werden. Die Winkelveränderungen des Laserstrahles sind ein Anzeichen für die Oberflächenhöhe. Diese Anordnung vermeidet die Lageunsicherheiten, die bei der o.g. optischen Gitter- Profilmeßeinrichtung vorhanden sind.
• Hauptaufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein neues und verbessertes System und Verfahren zum Bestimmen von Profilinformationen anzugeben.
• Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, ein Profilbestimmungssystem mit hoher Empfindlichkeit anzugeben.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Bestimmung eines Oberflächenprofils zu ermöglichen, wobei Hintergrund- oder Streulicht in hohem Maße ausgeschlossen wird.
• Ein weiteres Ziel der Erfindung ist die Bestimmung eines Oberflächenprofils mit hoher Auflösung.
• Gegenstand der Erfindung ist es ferner, die Bestimmung eines Oberflächenprofils in vergleichsweise einfacher und wirtschaftlicher Art und Weise zu ermöglichen.
• Die oben beschriebene Aufgabe und weitere Ziele der Erfindung, die im weiteren Verlauf der Beschreibung offenbar werden, werden von einem System verwirklicht, das eine Quelle für optische Strahlen, beispielsweise einen Laser, aufweist, die einen optischen Strahl erzeugt, der zum Bestimmen von Profilinformationen wie z. B. der Oberflächenrauhigkeit oder der Streubreite der Toleranzen auf eine Oberfläche gerichtet wird. Das System weist eine X-Abtastvorrichtung auf, die von einem Abtast-Steuerungssignal gesteuert wird, um den Lichtstrahl über die Oberfläche in X-Richtung hinwegzubewegen. Die reflektierte, optische Energie, die einem Abbild des auf die Oberfläche auftreffenden Strahles entspricht, wird von einem Sensor abgetastet, der ein Ausgangssignal erzeugt. Aus der US-A-3 692 414 ist bereits ein optischer Meßfühler bekannt, mit dem der Abstand zu einer Oberfläche gemessen werden kann und der die genannten Merkmale aufweist. In dieser bekannten Anordnung sind der Sensor und andere Bauteile in einem Gehäuse angeordnet, das eine Lichteintrittsöffnung hat, an der eine Objektivlinse mit großem Durchmesser angeordnet ist, die einen beträchtlichen Lichtsammelwinkel hat.
• Die Erfindung hingegen ist dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor von einem optischen Schutzschild abgeschirmt ist, das im wesentlichen nur den reflektierten, optischen Energiestrahl durch eine Schutzschild-Öffnung hindurch läßt. Um das Zeitintervall zwischen einer Bezugsmarkierung im Antriebssignal für den Abtaster und dem Sichtbarwerden des Strahlenbildes in der Öffnung zu bestimmen, wird ein Untersystem zum Messen und Steuern verwendet. Das Abbild des Strahles erscheint während eines jeden Überstreichens in X-Richtung einmal in der Öffnung und erzeugt einen Impuls von dem Sensor. Der Zeitpunkt dieses Impulses, bezogen auf die Bezugsmarkierung, wird mit Hilfe der optischen Triangulation zum Bestimmen der Profilinformation (d. h. der Rauhigkeit oder der Z-Richtung) verwendet. Dieses Zeitintervall entspricht einem schnell errechneten Strahlenwinkel.
• Mit einer einfachen Ausführungsform der Erfindung kann die Höhenlage (d. h. der Toleranzbereich) eines einzelnen Oberflächenpunktes durch Abtasten in X-Richtung erfaßt werden.
• In bevorzugter Ausführungsform der Erfindung wird auch die Y-Richtung abgetastet, um ein Oberflächenprofil (d. h. eine Vielzahl von einzelnen Z-Werten für jeden Y-Wert) zu erhalten. Das Scannen in Y-Richtung wird durch einen Scanning/Descanning-Spiegel ermöglicht, der die von der Oberfläche reflektierte, optische Energie wieder aufnimmt, so daß sie unabhängig von den Schwankungen in Y-Richtung der optischen Energie ist, die auf die Oberfläche aufgebracht wird.
• Das Meß- und Kontroll-Untersystem weist einen Positionssignal-Haltespeicherkreis und einen Spitzenwertdetektor auf. Der Positionssignal-Haltespeicherkreis rastet bei dem Wert des Abtast-Steuerungssignals ein, bei dem der Spitzenwertdetektor ein maximales Ausgangssignal des Sensors bei einer bestimmten Strahlenauslenkung abtastet. Der Positionssignal-Haltespeicherkreis erzeugt für jeden Hin- und Herlauf des Strahles ein Positions- Ausgangssignal für jedes einzelne Bild, das ein Anzeichen für die Höhe der Oberfläche ist. Das optische Schutzschild sorgt hervorragend dafür, daß Hintergrund- oder Streulicht von dem Sensor ferngehalten wird, da durch die Öffnung nur ein Bereich von weniger als 0,1% des gesamten Blickfeldes betrachtet werden kann.
• In bevorzugter Ausgestaltung kann der Sensor ein Fotoelektronen-Vervielfacher oder eine Avalanche-Laufzeitdiode sein, die beide um Größenordnungen empfindlicher als Festkörperdioden mit ihren dazugehörigen Verstärkern sind.
• Diese und weitere Merkmale der Erfindung werden aus der folgenden, ausführlichen Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit den dazugehörigen Zeichnungen leicht erkennbar, wobei für einander entsprechende Teile gleichartige Bezugsziffern verwendet werden. Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematische, teilweise perspektivische Darstellung des erfindungsgemäßen Systems;
• Fig. 2 eine perspektivische Darstellung des Abtastmusters, wie es von der Erfindung auf einer Test- Oberfläche erzeugt wird;
• Fig. 3 eine Seitenansicht des Musters nach Fig. 2 mit einer schematischen Darstellung einiger Bauteile der Erfindung, zusammen mit Zeittafeln, die die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung erläutern;
• Fig. 4 eine schematische Darstellung einer vereinfachten Ausführungsform der Erfindung;
• Fig. 5a und 5b das Meß- und Steuer-Untersystem der Erfindung.
• Anhand von Fig. 1 wird das System 10 der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beschrieben werden. Das System 10 kann dazu verwendet werden, Aufschluß über das Profil einer Oberfläche 12 zu geben, die untersucht wird. Eine derartige Oberflächen-Profilinformation ist vorzugsweise die Höhe der Oberfläche, die im Vergleich mit anderen Oberflächenbereichen definiert sein kann. Es ist auch möglich, wenn die Höhe in Bezug auf den Abstand zwischen dem System 10 und der Oberfläche 12 definiert ist.
• Das System 10 nach der vorliegenden Erfindung weist einen Laser 14 auf, der einen Strahl aussendet, der durch einen opto-akustischen Deflektor 16 geleitet wird, der als X-Abtastvorrichtung dient. Der die X-Richtung bestreichende Ausgangsstrahl 17 des Deflektors 16 wird einer Linse 18 zugeführt und von einem Spiegel 20 auf einen Y-Scanner-Spiegel 22 reflektiert, der von einem Galvanometer 24 gesteuert wird.
• Der von dem Scanner-Spiegel 22 reflektierte optische Strahl wird in das eine Ende eines kohärenten Lichtwellenleiterbündels 28 eingespeist und durchläuft dieses zu einem Optik-Kopf 30, der am anderen Ende des Lichtwellenleiterbündels 28 angeordnet ist. Die Verwendung eines separaten Kopfes, der über Lichtleitfasern an eine Tragvorrichtung angeschlossen ist, ist kein notwendiges Merkmal der Erfindung, aber ermöglicht in vorteilhafter Weise die Beschützung und Miniaturisierung bei vielen Anwendungsfällen.
• Der Optik-Kopf 30, der lediglich schematisch dargestellt ist, weist eine Linse 32 auf, die das Licht von dem Lichtwellenleiterbündel 28 empfängt und es einem Spiegel 34 zuleitet, so daß das Licht als Lichtstrahl 35 auf die Oberfläche 12 gerichtet wird. Der gerichtete Lichtstrahl 35 kann mit Hilfe des Meßstellenabtasters in X-Richtung oder Deflektors 16 und des Y-Scanner-Spiegels 22 in X- und Y-Richtung auf der Oberfläche hin- und herbewegt werden.
• Die reflektierte, optische Energie, die dem Abbild des Strahles 35 auf der Oberfläche 12 entspricht, ist ein Reflexionsstrahl 37, der durch einen Filter 38 geleitet wird. Der Filter 38 kann dazu dienen, Hintergrundlicht auszufiltern, das nicht im Spektralbereich des Laserlichtes liegt. Der gefilterte Reflexionsstrahl läuft vom Filter 38 in eine Linse 40 und von dort in ein zweites, kohärentes Lichtwellenleiterbündel 42. Das Ausgangssignal des zweiten Lichtwellenleiterbündels 42 ist der Strahl 43, der am anderen Ende des Lichtwellenleiterbündels 42 austritt und der auf den Scanner-Spiegel 22 zum Descannen gerichtet ist. Der Y-Scanner-Spiegel 22 fügt also in den optischen Strahl eine Abtastbewegung in Y-Richtung ein, bevor dieser auf die Oberfläche 12 auftritt und ermöglicht es mit Hilfe der gezeigten Anordnung, daß die reflektierte optische Energie oder das Abbild des Strahles unabhängig von den Veränderungen in Y-Richtung ist. Der solcher Art wieder zusammengesetzte Strahl wird durch eine Linse 44 geführt, die er als Lichtstrahl 45 verläßt. Der Lichtstrahl 45 trifft dann auf eine Blende oder ein optisches Schutzschild 46, das eine Öffnung oder Apertur 48 hat. Wenn der Lichtstrahl 45 sich in einer Reihe mit der Apertur 48 befindet, tritt er durch diese hindurch und wird dann einem Fotoelektronenvervielfacher 50 zugeführt. Der Fotoelektronenvervielfacher 50 wird bevorzugt als Sensor verwendet, da er eine hohe Empfindlichkeit und einen großen Dynamikbereich hat; es ist jedoch unmittelbar klar, daß auch andere optische Sensoren verwendet werden können.
• Die schematisch dargestellte Blende 46 verhindert in der Praxis, daß außer dem Licht, das durch die Öffnung 48 hindurchtritt, kein weiteres Licht den Fotovervielfacher 50 erreicht. Die Öffnung oder Apertur 48 ist vorzugsweise ein kreisförmiges Loch oder ein Schlitz, durch das/den lediglich ein kleiner Bruchteil des abgetasteten Bereiches betrachtet wird. Da die Hin- und Herbewegung des Strahles 45 in Y-Richtung von dem Scanner/Descanner- Spiegel 22 wieder aufgehoben wird, entspricht sein über die Zeit integriertes Bild einer stationären, geraden Linie auf der Blende 46, die mit den Abtastungen bzw. den Hin- und Herläufen des Strahles in X-Richtung korrespondieren. In der in Fig. 1 gezeigten Anordnung würde sich dieses linienförmige Abbild zwischen zwei Punkten oberhalb und unterhalb der Öffnung 48 auf der Blende abzeichnen, wobei sich die Öffnung etwa in der Mitte des Linienbildes befinden würde, wenn die betrachtete oder gemessene Oberfläche 12 in der Mitte des Bereiches ist, über dem sie betrachtet werden kann.
• Wie aus Fig. 1 hervorgeht, ist an den Deflektor 16, der den Strahl in X-Richtung hin- und herbewegt, sowie an das Galvanometer 24 und den Fotoelektronenvervielfacher 50 ein Kontroll- und Meß-Untersystem 26 elektrisch angeschlossen. Zur einfacheren Darstellung ist jede der elektrischen Verbindungsleitungen als einfache Linie dargestellt; wenn nötig, können aber auch eine Vielzahl von Verbindungsdrähten verwendet werden.
• Anhand der Fig. 2 und 3 wird im weiteren das Streuungsmuster des Laser-Lichtpunktes oder des direkten optischen Strahles 35 erläutert. Fig. 2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer besonderen Test-Oberfläche 12, während Fig. 3 eine Vorderansicht der Test-Oberfläche und schematisch deren Verhältnis zu der Lochplatte 46 und dem Fotoelektronenvervielfacher 50 darstellt und zusätzlich verschiedene, damit in Zusammenhang stehende Zeittafeln zeigt, die im weiteren noch ausführlich beschrieben werden.
• Die spezielle Test-Oberfläche 12 hat ein erstes Oberflächenniveau 1, das von einem zweiten Oberflächenniveau 2 über einen Rand oder eine Stufe 54 getrennt ist. Der Strahl 35 wird sowohl in X- als auch in Y-Richtung über die Oberfläche hin- und hergeführt und erzeugt so ein Abtastmuster von Zick-Zack-Linien, die von oberen und unteren Musterrechtecken 52U bzw. 52L begrenzt werden. Die Rechtecke 52U und 52L dienen zur Illustration der äußeren Grenzen des Abtastmusters oder Abtastbereiches, wobei der gerichtete Strahl 35 die Oberfläche wiederholt hin und her überstreicht, wodurch Abtastungen wie 56S1, 56S2 und 56S3 erzeugt werden, die der Einfachheit halber als erster, zweiter und dritter Durchlauf bezeichnet werden.
• Das obere Rechteck 52U hat eine gedachte, linke Begrenzungslinie 60UL und eine obere, rechte Begrenzungslinie 60UR. In ähnlicher Weise hat das untere Muster-Rechteck 52L gedachte, linke und rechte untere Begrenzungslinien 60LL bzw. 60LR.
• Fig. 2 zeigt weiterhin einen gestrichelt gezeichneten Apertur-Sichtstreifen 58; in Fig. 3 ist ein oberer, auf dem oberen Niveau 1 liegender Punkt 58U und ein unterer, auf dem unteren Niveau 2 liegender Punkt 58L des Sichtstreifens 58 dargestellt. Wie in Fig. 3 schematisch dargestellt ist, ermöglicht es die Öffnung 48 dem Fotoelektronenvervielfacher 50 zu jedem einzelnen Zeitpunkt lediglich, einen Punkt auf dem Sichtstreifen zu "sehen", z. B. den Punkt 58U. Da das Hin- und Herlaufen des reflektierten Strahles in Y-Richtung durch das "Descannen" zum Erzeugen des Strahles 45 wieder aufgehoben wird (vgl. Fig. 1), tastet die Öffnung 48 jeden Punkt auf dem Streifen 58 während einer Y-Abtastperiode ab. Der Scanner/Descanner-Spiegel und andere Spiegel sowie Linsen und Lichtwellenleiterbündel sind in Fig. 3 nicht dargestellt, um die Wirkungsweise der vorliegenden Erfindung klarer darzustellen.
• Die Wirkungsweise wird am besten anhand des oberen Teiles der Fig. 3 erläutert. Der gerichtete Strahl 35 ist hier in verschiedenen Lagen gezeigt, die den Positionen des Abtastpunktes beim Durchlauf in X-Richtung entsprechen. Während der Strahl 35 über das obere Niveau 1 hin- und zurückbewegt wird, bestreicht er den Bereich zwischen den Begrenzungslinien 60UL und 60UR. Der Fotoelektronenvervielfacher 50 jedoch "sieht" das reflektierte Bild nur dann, wenn der Strahl 35 auf Punkte trifft, die sich auf dem Sichtstreifen 58 (Fig. 2) befinden, z. B. Punkt 58U (Fig. 3).
• Während der Strahl auf das untere Niveau 2 gerichtet ist, läuft sein Bild zwischen den unteren Begrenzungslinien 60LL und 60LR hin und her. Da der gerichtete Strahl 35 mit Winkelversatz bezüglich der Z-Achse auftrifft, ist die untere linke Begrenzungslinie 60LL in X-Richtung gegenüber der oberen linken Begrenzungslinie 60UL seitlich versetzt. In ähnlicher Weise ist auch die untere rechte Begrenzungslinie 60LR gegenüber der oberen rechten Begrenzungslinie 60UR seitlich versetzt. Der Fotoelektronenvervielfacher betrachtet die Oberfläche jedoch in Z-Richtung, so daß der Sichtstreifen 58 (Fig. 2) in X-Richtung keinen Versatz aufweist. Dementsprechend sieht der Fotoelektronenvervielfacher die diffuse Reflexion des Strahles 35, wenn dieser auf Punkte wie beispielsweise Punkt 58L auf dem Sichtstreifen auftrifft.
• Indem man das Zeitintervall mißt, in dem sich der gerichtete Strahl von 60UL (bzw. 60UR) bis zum Punkt 58U bewegt, wo das Strahlabbild von dem Fotovervielfacher 50 gesehen wird, ist es möglich, die Höhenlage der Oberfläche 12 (d. h. deren Abstand von dem System 10) zu bestimmen. Das Zeitintervall zwischen der Abtastgrenze 60LL und dem Sichtbarwerden des Abtaststrahlbildes durch die Öffnung 48, wenn der Strahl auf Punkt 58L oder unmittelbar daneben auftrifft, ist ein Anzeichen für die Höhe des Niveaus 2 der Oberfläche 12.
• Je nach Größe der Apertur 48 kann der Sichtstreifen 58 in vorteilhafter Weise vergleichsweise schmal sein. Typischerweise kann seine Ausdehnung in X-Richtung etwa 1% der Bildweite einer X-Abtastung betragen. Die Abmessung in Y-Richtung kann gleich groß sein, was zu einer runden oder quadratischen Öffnung führt; sie kann auch etwas größer gewählt werden, um das Ausrichten des Schutzschildes zu erleichtern, was dann zu einer schlitzförmigen Apertur führt. Im allgemeinen hat die Öffnung in X-Richtung vorzugsweise eine Abmessung von weniger als 500 Mikrometer, beispielsweise 100 Mikrometer. Abhängig von den relativen Sweep-Raten oder Wobbel-Geschwindigkeiten in X- und Y-Richtung, die von dem X-Scanner 16 und dem Y-Scanner-Spiegel 22 festgelegt werden, kann das Zick-Zack-Muster nach Fig. 2 enger zusammengepreßt sein, so daß jede einzelne Abtastung des Strahles 35 sehr nahe neben der vorhergehenden Abtastung liegt. Vorzugsweise beträgt die Wobbel- oder Durchlauffrequenz in X-Richtung zwischen 5 und 50 kHz und liegt damit vergleichsweise hoch, während das Abtasten in Y-Richtung bei einer niedrigeren Frequenz wie etwa zwischen 15 und 30 Hz durchgeführt wird. Ein derartiges Abtasten in zwei Richtungen erzeugt eine erleuchtete, rechteckige Fläche, die dem menschlichen Auge aufgrund der hohen Abtastgeschwindigkeit gleichmäßig und einheitlich angestrahlt erscheinen wurde.
• Bevor auf die Zeittafeln in Fig. 3 in Verbindung mit den Schaltkreiseinzelheiten nach Fig. 5A und B eingegangen wird, wird noch die vereinfachte Ausführungsform der Erfindung nach Fig. 4 erläutert. Die Vorrichtung 110 in Fig. 4 weist eine Anzahl von Bauteilen auf, die identisch oder wenigstens im wesentlichen identisch gleich mit entsprechenden Bauteilen der Ausführungsform nach Fig. 1 sind. Demgemäß wurden die Bauteile nach Fig. 4 in der 100-er Reihe bezeichnet, wobei die letzten beiden Ziffern jeweils mit den Bezugsziffern der entsprechenden Bauteile der Ausführungsform nach Fig. 1 übereinstimmen. Schwerpunktmäßig sollen die Unterschiede der Ausführungsformen nach Fig. 4 und Fig. 1 erläutert werden.
• Der Laser 114 sendet einen optischen Strahl an die akusto-optische Ablenkeinheit oder Deflektor 116 zum Scannen in X-Richtung aus. Dieser Deflektor 116 wiederum leitet einen gescannten Strahl 11- über eine Linse 118 einem kohärenten Lichtwellenleiterbündel 128 zu. Das Bündel 128 erstreckt sich zu einem schematisch dargestellten Optik-Kopf 130 und übermittelt den Strahl auf eine Linse 134. Das Ausgangssignal der Linse 134 ist dann der gerichtete Strahl 135, der in X-Richtung über die Oberfläche 112 hin- und herbewegt wird. Der von der Oberfläche 112 reflektierte Strahl 137 wird einer Linse 138 und einer Aperturblende 146 mit einer Öffnung 148 zugeleitet. Lediglich das Licht, das bereits durch die Öffnung 148 der Blende oder des optischen Schutzschirmes 146 durchgetreten ist, wird einem zweiten Lichtwellenleiterbündel 142 zugeführt. Da bei der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform die Aperturblende vor dem zweiten Lichtwellenleiterbündel 142 angeordnet ist, kann dieses auch ein inkohärentes Leiterbündel anstelle eines teureren, kohärenten Lichtwellenleiterbündels sein. Das Ausgangssignal des zweiten Lichtwellenleiterbündels 142 wird über eine Linse oder Optik 144 einem Fotoelektronenvervielfacher 150 zugeführt. Der Fotoelektronenvervielfacher 150 bzw. ein anderer optischer Sensor, der verwendet werden kann, ist abgeschirmt, so daß er nur Licht von dem Lichtwellenleiterbündel 142 aufnehmen kann. Das Sensorausgangssignal des Fotoelektronenvervielfachers 150 wird von einem Meß- und Steuer-Untersystem 126 empfangen, das die Ablenkeinheit 116 über elektrische Steuerleitungen steuert.
• Die prinzipielle Wirkungsweise der Anordnung nach Fig. 4 ist die gleiche wie die der Anordnung nach Fig. 1, abgesehen davon, daß bei jener kein Abtasten in Y-Richtung vorgesehen ist und daher auch kein "Descannen" der Y-Richtung notwendig ist. Die Vorrichtung 110 ermittelt die Höhenlage (d. h. die Toleranz) eines einzelnen Punktes (d. h. eines kleinen, kreisförmigen Sichtbereiches), der sich direkt unterhalb der Öffnung 148 befindet.
• Anhand der Fig. 5A und 5B werden die Einzelheiten des Kontroll- und Meß-Untersystems 26 aus Fig. 1 näher erläutert. Die Fig. 5A und 5B schließen aneinander an, um das Kontroll- und Meß-Untersystem 26 zu veranschaulichen.
• Über eine erste Zuleitung 200 wird ein Foto-Vervielfacher-Rücklaufsignal bzw. ein Ausgangssignal des Fotoelektronenvervielfachers 50 (Fig. 1) einem Fotovervielfacher-Verstärker und -Filter 202 zugeführt, dessen Ausgangssignal in einen Spitzenwertdetektor 204 eingespeist wird. Der Spitzenwertdetektor 204 stellt ein analoges "Peak"-Signal in einer zweiten Leitung 206 und ein digitales "Peak-Abtastung"-Signal in einer dritten Leitung 208 bereit. Das analoge "Peak"-Signal hat einen Wert, der dem höchsten Wert des Analogsignals entspricht, das dem Spitzenwertdetektor 204 von dem Verstärker- und Filterkreis 202 zugeführt wird, nachdem der Spitzenwertdetektor 204 über die vierte Leitung 210 zuletzt zurückgesetzt wurde. Das "Peak-Abtastung"- Signal, das an der dritten Leitung 208 anliegt, zeigt an, ob das derzeitige Eingangssignal des Spitzenwertdetektors 204 größer ist als das gespeicherte analoge Signal. Der Spitzenwertdetektor 204 ist ein bekannter Schaltkreis, der aus einem Abtast-Halteschaltkreis und einem Vergleicherschaltkreis bestehen kann.
• Der Unterschaltkreis 26 weist ferner einen zentralen Steuerkreis 224 auf, dem ein System-Initialisierungs- Signal zugeleitet wird, das das System in Betrieb setzt. Der zentrale Steuerkreis 224 erzeugt ein X-Taktsignal für die X-Richtung in der fünften Leitung 226 und ein Y-Taktsignal für die Y-Richtung in der sechsten Leitung 228. Das X-Taktsignal wird einem Vorwärts-Rückwärts- Zähler 212 zugeführt. Das Ausgangssignal des Zählers 212 wird in einen Digital/Analog-Wandler eingespeist, der wiederum sein Ausgangssignal einem akusto-optischen Treiberschaltkreis 216 zuführt. Das Ausgangssignal des Zählers 212 kann als digitales X-Scan-Treibersignal angesehen werden, das von dem Digital/Analog-Wandler 214 in ein analoges Abtast-Treibersignal mit dreieckförmiger Welle umgewandelt wird. Das analoge Abtast-Treibersignal wiederum wird von dem akusto-optischen Treiberschaltkreis 216 in ein Scan-Treibersignal mit hoher Frequenz umgewandelt. Der Treiber 216 kann beispielsweise ein spannungsgesteuerter Oszillator sein, der Schwingungen geeigneter Frequenz zum Steuern des lediglich in Fig. 1 gezeigten X-Deflektors 16 liefert.
• Die Zählimpulse des Zählers 212 werden nicht nur dem Digital/Analog-Wandler 214 zugeleitet, sondern auch über eine siebte Leitung 218 als ein die momentane Lage anzeigendes Eingangssignal einem Lage-Schaltschloß 220 (latch) zugeführt. Das Schaltschloß 220 dient als Lage-Speicherschaltkreis. Darüber hinaus erzeugt der Zähler 212 ein Abtast-Endsignal für die X-Richtung, das über die vierte Leitung 210 dem Spitzenwertdetektor 204 zugeleitet wird und diesen am Ende eines jeden Überstreichens der Oberfläche in X-Richtung zurücksetzt. Das Lage-Schaltschloß 220 erzeugt ein Ausgangssignal auf einen Datenbus 222. Das Ausgangssignal im Datenbus 222 am Ende jedes Überstreichens in X-Richtung ist ein Bild- Lage-Ausgangssignal, das mit dem Zeitintervall zwischen dem Beginn eines Strahlenhinlaufes und dem von dem Fotovervielfacher 50 abgetasteten Erscheinen des Strahlenbildes korrespondiert.
• Das Y-Taktsignal, das in die sechste Leitung 228 eingespeist ist, steuert einen Y-Ablenkgenerator 230 für die Y-Koordinate, der dem Y-Abtastungsgalvanometer 24 (Fig. 1) über die Steuerleitung 236 passende Y-Scan-Treibersignale zuführt. Der Y-Ablenkgenerator 230 kann auch Seitenauswahlleitungen 232A und 232B für die Seiten A und B eines Speichers mit wahlfreiem Zugriff (RAM) versorgen, die dazu dienen, eine der Seiten des Speichers mit wahlfreiem Zugriff für den Empfang von Daten aus zuwählen.
• Der zentrale Steuerkreis 224 leitet ein Taktsignal an einen RAM-Adressengenerator 234, der passende Speicheradressen erzeugt und über einen zweiten Bus 238 einem RAM-Adress-Schaltschloß 248 zuleitet. Das RAM-Adress- Schaltschloß 248 stellt auf einem FSI-RAM-Adressbus 250 eine Adresse bereit, die dazu verwendet wird, auf die RAM-Seiten A oder B 268A, 268B zuzugreifen. Es ist anzumerken, daß zur Vermeidung von Unübersichtlichkeiten in den Figuren durch Überkreuzen der Linien der FSI-RAM- Adressbus 250 und einige andere Datenbusse und Leitungen an mehreren Stellen gezeigt sind.
• Die zweite Leitung 206 läuft vom Spitzenwertdetektor 204 zu einem Abtast-Halte-Schaltkreis 240, der seinen Haltebefehl von dem Abtastendsignal für die X-Richtung in der vierten Leitung 210 erhält. Die vierte Leitung 210 verläuft auch zu einem sequentiellen Logikschaltkreis 242, der das Schreiben von Daten in den Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) über die achte Leitung 252 steuert und einen der Puffer über die neunte Leitung 254 auswählt. Zusätzlich liefert der sequentielle Logikschaltkreis 242 noch ein "Start-Umsetzungssignal" an einen Analog/Digital-Wandler, der ein die Bereitschaft anzeigendes Signal an den sequentiellen Logikschaltkreis 242 zurückgibt. Der Analog/Digital-Wandler 244 empfängt ein analoges Eingangssignal vom dem Abtast-Halte-Schaltkreis 240 und gibt ein Ausgangssignal an ein Größen-Schaltschloß 246 aus. Das Größen-Schaltschloß 246 wird von einem "Schaltende"-Signal von dem sequentiellen Logikschaltkreis 242 gesteuert und liefert ein Größen- Ausgangssignal über einen Größen-Datenbus 256 an zwei Daten-Leit-Puffer 258A und 258B. Diese Puffer 258A und 258B empfangen ebenfalls das Bild-Lage-Ausgangssignal von dem Lage-Datenbus 222. Die Ausgangssignale der Daten-Leit-Puffer 258A, 258B werden über Empfangsbusse den RAM-Seiten 260A bzw. 260B zugeführt. Die Adresse, bei der Daten in die RAM-Seiten 260A oder 260B eingelesen werden, hängt von dem Signal im FSI-RAM-Adressbus 250 ab.
• Die RAM-Seiten 260A und 260B sind ebenfalls mit einem CPU-Datenbus und einem CPU-Adressbus verbunden. Dadurch kann ein Computer auf die gespeicherten Informationen in an sich bekannter Weise Zugriff nehmen. Die Auswahlleitungen 232A und 232B für die Seiten A und B können auch als Unterbrechungen (Schnittstellen) für die zentrale Steuereinheit (CPU) verwendet werden.
• In Verbindung mit den Fig. 1, 2, 5A, 5B und insbesondere Fig. 3 einschließlich der dort gezeigten Zeittafeln soll im weiteren die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung ausführlich erläutert werden.
• Wenn der zentrale Steuerschaltkreis 224 das System- Initialisierungs-Signal empfängt, beginnt er damit, die passenden Taktsignale an den Zähler 212, den Y-Ablenkgenerator 230 und den RAM-Adressgenerator 234 zu leiten. Der Zähler 212, der Digital/Analog-Wandler 214 und der akustooptische Treiber 216 umfassen gemeinsam einen "X-Scan"- Treiberschaltkreis oder Ablenkgenerator, der bewirkt, daß der Lichtpunkt oder Laserstrahl 35 in einem Zick- Zack-Muster wie in Fig. 2 hin- und herbewegt wird, wobei der Y-Scanner-Spiegel 22 bewirkt, daß sich der Strahl 35 von hinten (d. h. vom oberen Rechteckmuster 52U in Fig. 2) nach vorne (d. h. zum unteren Rechteckmuster 52L) bewegt.
• Mit besonderem Bezug auf die Durchläufe 56S1, 56S2 und 56S3 (Fig. 2) und die Zeittafeln nach Fig. 3 soll die Funktionsweise der Schaltkreise nach Fig. 5A und 5B erläutert werden. Während des ersten Durchlaufes 56S1 zählt der Zähler 212 zwischen 0 und 255 und der Lichtpunkt oder der gerichtete Strahl 35 bewegt sich zwischen den oberen Begrenzungslinien 60UL und 60UR, um diesen ersten Abtastdurchlauf zu erzeugen. Das digitale Scan- Treiber-Ausgangssignal des Zählers für den ersten Durchlauf 56S1 ist in der oberen Zeittafel von Fig. 3 dargestellt, wobei die Zeit zwischen 0 und einem Ende der Abtastzeit bei t&sub1; läuft.
• Während des ersten Abtastdurchlaufes 56S1 liefert der Fotoelektronenvervielfacher ein Sensorausgangs- oder Fotovervielfacher-Antwortsignal an den Verstärker und Filter 202, dessen Ausgangssignal wiederum in den Spitzenwertdetektor 204 eingespeist wird. Der Spitzenwertdetektor 204 ermittelt, ob sein momentanes Eingangssignal größer ist als jedes vorhergehende Eingangssignal während dieses bestimmten Abtastdurchlaufes. Wenn das derzeitige Eingangssignal des Spitzenwertdetektors 204 einen Maximalwert für diesen bestimmten Durchlauf darstellt, bewirkt das "Peak-Abtastung"-Signal in der dritten Leitung 208, daß das Schaltschloß 220 in seiner derzeitigen Stellung einrastet. Somit bildet das "Peak- Abtastung"-Signal ein Speichereingangssignal, das bewirkt, daß der Lage-Speicherschaltkreis oder auch Schaltschloß 220 bei dem Lageeingangssignal, das die aktuelle Lage anzeigt, in der siebten Leitung einrastet, das der Lage des Strahles beim maximalen Ausgang des Fotovervielfachers 50 entspricht. Bei dem ersten Durchlauf 56S1 hat das Fotovervielfacher-Ausgangssignal einen Spitzenwert (Peak) 62U, der dann auftritt, wenn der gerichtete Strahl 35 auf den Punkt 58U auftrifft, wo er von dem Fotoelektronenvervielfacher gesehen werden kann. Dieser Spitzenwert tritt nach einer Zeit th1 auf, bei der der Zählerausgang 127 Zählimpulse hat, also in der Mitte seines Bereiches angelangt ist. Dementsprechend wird das Lage-Schaltschloß am Ende des ersten Abtastdurchlaufes ein Ausgangssignal von 127 haben, das ein Bild-Lage-Ausgangssignal ist, das mit der Zeit ab einer Referenzmarkierung in dem digitalen Abtast-Treiber- Signal korrespondiert, in diesem Falle bei t = 0. Wenn das Ausgangssignal des Zählers 212 sein Abtastende bei t = 255 erreicht hat, gibt er ein X-Abtast-Ende-Signal auf dem vierten Signalweg 210 aus, das den Spitzenwertdetektor 204 zurücksetzt. Zusätzlich wird dieses Abtast- Ende-Signal über die vierte Leitung 210 als Haltebefehl an den Abtast-Halteschaltkreis 240 geleitet, der den Analogwert des "Peak"-Signales speichert, das in der zweiten Leitung 206 anliegt. Das X-Abtast-Ende-Signal wird ebenfalls der sequentiellen Logikschaltung 242 zugeleitet. Der Lage-Schaltschloßkreis 220 hält jetzt den Wert "127" fest, der das Zeitintervall zwischen dem Anfang der Abtastung bei 60UL (Fig. 3) und dem Moment anzeigt, bei dem das Bild des Strahles 35 für den Fotovervielfacher 50 bei Punkt 58U sichtbar ist. Die sequentielle Logik 242 wirkt auf den Analog/Digital-Wandler 244 ein, der ein digitales Signal in das Größen-Schaltschloß 246 einspeist, das das maximale Ausgangssignal des Fotovervielfachers darstellt. Lage und Größe können dann einer passenden RAM-Seite zugeleitet werden, entweder auf Seite 260A oder Seite 260B, je nach Auswahlleitung 232A oder 232B. Die Schreibreihenfolge wird von dem sequentiellen Logikschaltkreis 242 über die achte und neunte Leitung 252 bzw. 254 gesteuert.
• Die Lagedaten, die in dem Speicher mit wahlfreiem Zugriff (RAM) gespeichert wurden, entsprechen dem Spitzenwert-Ausgang des Fotoelektronenvervielfachers 50 für einen bestimmten Abtastdurchlauf des gerichteten Strahles 35 in X-Richtung. Diese Daten wären jedoch ungültig, wenn die Oberfläche 12 nicht ausgerichtet wäre. D.h., daß die Daten ungültig sind, wenn die Oberfläche in einer Position ist, in der der Fotovervielfacher 50 nicht dazu in der Lage ist, das Bild des Strahles 35 an irgendeiner Stelle während seines X- Durchlaufes zu sehen. Um dies zu vermeiden, werden die Größendaten mit einem Ansprechwert verglichen. Wenn die Größendaten unterhalb des Ansprechwertes liegen, kann die zentrale Steuereinheit (CPU, nicht dargestellt), die an die RAM-Seiten 260A und 260B angeschlossen ist, sicher anzeigen, daß die Daten ungültig sind.
• Auch wenn die Funktionsweise der Schalttechnik für den seitendurchlauf 56S2 im wesentlichen identisch mit der für den ersten Durchlauf ist, soll die Funktionsweise für ein anderes Niveau als Niveau 1 anhand von Fig. 3 und dort gezeigten graphischen Darstellungen erläutert werden, wobei auf die Ausgangssignale des Zählers und des Fotovervielfachers für den dritten Abtast-Durchlauf 56S3 Bezug genommen wird. Während der Strahl zwischen den Begrenzungslinien 60LL und 60LR abtastet, zählt der Zähler wiederum zwischen 0 und 255. Der Fotovervielfacher gibt einen Spitzenwert oder Peak 62L nach einer Zeit th2 aus, die einem Zählerausgangssignal von "63" entspricht. Hierzu ist anzumerken, daß die Zeit gleichsam mit dem Zurücksetzen des Zählers zurückgesetzt wurde. Dementsprechend wird der Strahl 35, wenn er sich über das untere Niveau 2 bewegt, bewirken, daß das Lageschaltschloß 220 ein Bild-Lage-Ausgangssignal ausgibt, wenn der Fotovervielfacher das Bild des Strahles 35 bei Punkt 58L sieht. Da der Winkel des einfallenden Strahles 35 und seines reflektierten Strahles 37 bekannt ist, kann man durch optische Triangulation leicht die Höhenlage erhalten, vorausgesetzt, daß die Größendaten anzeigen, daß die Oberfläche 12 richtig ausgerichtet ist (d. h., daß das Bild des Strahles vom Fotovervielfacher 50 wenigstens an einer Stelle während eines bestimmten Abtastdurchlaufes "gesehen" wird).
• Der Winkel des Strahles 35, gesehen in Y-Richtung (d. h. in Richtung wie in Fig. 3), in Bezug auf den diffusen reflektierten Strahl 37 wird von dem X-Scanner 16 in Abhängigkeit von dem digitalen Abtast-Treibersignalausgang vom Zähler 212 bestimmt. Da man das Bild-Lage-Ausgangssignal des Schaltschlosses 220 beim Einrasten auf einen Wert vom Zähler 212 erhält, entspricht dieses Ausgangssignal dem Winkel des Strahles, bei dem ein Peak abgetastet wird.
• Wenn die X-Dimension konstant gehalten wird (entsprechend dem Sichtstreifen 58 nach Fig. 2), speichert das System 10 nacheinander Z-Werte für verschiedene Y-Werte, wobei die verschiedenen Y-Werte verschiedenen Abtast-Durchläufen wie beispielsweise den Durchläufen 56S1, 56S2 und 56S3 entsprechen. Die Funktionsweise der vereinfachten Ausführungsform nach Fig. 4 ist im wesentlichen identisch mit der nach Fig. 1, mit der Ausnahme, daß jene keinen Y-Auslenkungsgenerator hat und keine "Scan/Descan"-Funktion (Strahlzerlegung und -zusammensetzung) durchführt.
• Obwohl die "Scan/Descan"-Abfolge als solche nicht neu ist, ist ihre Anwendung in der vorliegenden Erfindung in hohem Maße vorteilhaft. Insbesondere erlaubt sie die Verwendung einer kleinen Öffnung 48, was die Empfindlichkeit des Detektors gegenüber Hintergrundlicht stark verringert. Zu jeder Zeit betrachtet der Fotoelektronenvervielfacher lediglich einen kleinen, kreisförmigen Bereich auf der Oberfläche, anstelle eines Streifens, wie dies bei Verwendung eines langgestreckten Schlitzes der Fall wäre. Ein weiterer, wichtiger Vorteil der Scan/Descan-Methode bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß sie die Empfindlichkeit des Systems, Streulicht zu vervielfältigen, verringert. Viele der bekannten Profilmeßeinrichtungen, z. B. TV-Profilmeßeinrichtungen, neigen dazu, falsche Profilinformationen zu liefern, wenn sie eine Nute oder Furche betrachten, da das Licht sich von einer Seite der Nute zu einer zweiten Seite ausbreitet und von dieser zweiten Reflexionsstelle mit großer Leuchtstärke zur Kamera zurückkommt. Das vorliegende System beobachtet diese vielfache Streuung von einer falschen Y-Lage nicht, da vielfach gestreutes Licht den Sensor oder Fotovervielfacher 50 durch die Apertur nicht erreichen kann.
• Wenn es gewünscht ist, kann die vorliegende Vorrichtung dazu verwendet werden, eine Schweißvorrichtung oder ein anderes Roboterwerkzeug zu steuern. In diesem Falle könnte die Vorrichtung 10 bzw. 110 eine Rückkopplungsanordnung aufweisen, um die Höhe der Oberfläche 12 bzw. 112 (d. h. den Abstand zwischen der Oberfläche und dem Optik-Kopf 30 bzw. 130) konstant zu halten. D.h., daß die Abweichung des Abstandes zwischen dem Optik-Kopf 30 bzw. 130 und der Oberfläche 12 bzw. 112 dazu verwendet wird, den optischen Kopf und/oder die Oberfläche so zu bewegen, daß der dazwischen liegende Abstand konstant gehalten wird. Der optische Kopf 30 bzw. 130 kann beweglich sein, um Profilinformationen von verschiedenen Bereichen einer Oberfläche zu geben.
• Wenn es gewünscht ist, kann eine zusätzliche Zurückweisung von Hintergrundlicht durch Amplituden-Modulation im Laserstrahl erreicht werden, der auf die Oberfläche gerichtet ist. Dieses Anti-Rausch-Merkmal ist ausführlich in der o.g. Patentanmeldung von Penney beschrieben. In-ähnlicher Weise kann auch ein Steuerkreis mit automatischem Verstärkungsfaktor bei der Erfindung verwendet werden, um die Intensität des Strahles zu verändern, so daß Veränderungen der gerichteten Reflektivität der Oberfläche ausgeglichen werden. Diese Anordnung ist ebenfalls in der Patentanmeldung von Penney beschrieben.

Claims (25)

1. System zur Gewinnung einer Profilinformation von der Oberfläche eines Objektes, ausgestattet mit:

(a) einer optischen Strahlenquelle zur Erzeugung eines ersten, auf die Oberfläche gerichteten optischen Strahles;

(b) einer X-Abtastvorrichtung, die, gesteuert von einem Abtast-Steuerungssignal mit Bezugsmarkierungen, den vorgenannten Strahl in X-Richtung über die Oberfläche hinwegbewegt;

(c) einem Sensor, der die reflektierte optische Energie eines Strahles, welcher ein Bild des von der Oberfläche zurückgeworfenen ersten Strahles darstellt, erfaßt und über einen Sensorausgang verfügt;

(d) gekennzeichnet durch eine optische Abschirmung, die den vorgenannten Sensor weitgehend abschirmt und eine Apertur aufweist, die so ausgebildet ist, daß der Sensor im wesentlichen jeweils nur einen einzigen Punkt einer Abtastlinie erfaßt und somit im wesentlichen nur reflektierte optische Energie von diesem einen Punkt zu dem Sensor gelangen kann, sowie

(e) ein mit dem Sensor und der X-Abtastvorrichtung verbundenes, Meß- und Steuerfunktionen ausführendes Untersystem mit einem Positionsspeicherkreis, der eine die jeweilige Position des genannten Strahles angebende Positionseingabe sowie ein vom Sensorausgang abhängiges Speichereingangssignal zu empfangen vermag, wobei das Speichereingangssignal die Speicherung der Positionseingabe durch den Positionsspeicherkreis bewirkt, wenn das Bild des genannten Strahles an der Abschirmung zu deren Apertur zentriert ist, wobei der genannte Bildpositionsausgang maßgebend ist für die Profilinformation über die genannte Oberfläche.

2. System gemäß Anspruch 1, wobei die genannte Apertur die einzige Öffnung in der optischen Abschirmung darstellt, durch die die reflektierte optische Energie einfallen kann, und wobei das Bildpositions- Ausgangssignal die Höhe der Oberfläche angibt.

3. System gemäß Anspruch 2, wobei es sich bei dem genannten Positionsspeicherkreis um einen Positionssignal-Haltespeicher und bei dem diesem Haltespeicher zugeführten Positionseingangssignal um das vorgenannte Abtast-Steuersignal handelt.

4. System gemäß Anspruch 3, wobei das genannte Untersystem über einen Spitzenwertdetektor verfügt, der den Spitzenwert des Sensorausgangs für jede Strahlenauslenkung ermittelt und dem Speichereingang ein Spitzenwert-Erfassungssignal zuführt.

5. System gemäß Anspruch 2, wobei der Positionsspeicherkreis für jede Auslenkung des genannten Strahles nur ein einziges Bildpositions-Ausgangssignal liefert.

6. System gemäß Anspruch 1, zusätzlich ausgestattet mit einer Y-Abtastvorrichtung, mit der sich der genannte Strahl an der Oberfläche in Y-Richtung abtasten läßt.

7. System gemäß Anspruch 6, wobei die genannte Apertur die einzige Öffnung in der optischen Abschirmung darstellt, durch die reflektierte optische Energie einfallen kann, und wobei das genannte Bildpositions-Ausgangssignal eine Anzeige für die Höhe der Oberfläche liefert.

8. System gemäß Anspruch 7, wobei es sich bei der Y-Abtastvorrichtung um eine Scanning/Descanning- Vorrichtung handelt, die ein nicht-abgetastetes optisches Ausgangssignal auf der Grundlage der optischen Energie des von der Oberfläche zurückgeworfenen Strahles liefern kann, wobei dieses Ausgangssignal unabhängig von Schwankungen des Strahles in der Y-Richtung ist.

9. System gemäß Anspruch 8, wobei die Apertur ein Loch mit einer Öffnungsweite von unter 500 u ist.

10. System gemäß Anspruch 8, wobei der genannte Sensor den einzigen Sensor darstellt, der zur Erfassung der reflektierten optischen Energie vorgesehen ist.

11. System zur Gewinnung einer Profilinformation von der Oberfläche eines Objektes, ausgestattet mit

(a) einer optischen Strahlenquelle zur Erzeugung eines ersten, auf die Oberfläche gerichteten Strahles;

(b) einer X-Abtastvorrichtung, die, gesteuert von einem Abtast-Steuerungssignal mit Bezugsmarkierungen, den vorgenannten Strahl in X-Richtung über die Oberfläche auslenkt;

(c) einem Sensor, der die reflektierte optische Energie eines Strahles, welcher ein Bild des von der Oberfläche zurückgeworfenen ersten Strahles darstellt, erfaßt und über einen Sensorausgang verfügt;

(d) gekennzeichnet durch eine optische Abschirmung, die den vorgenannten Sensor weitgehend abschirmt und über eine Apertur verfügt, die so ausgebildet ist, daß der Sensor im wesentlichen jeweils nur einen einzigen Punkt einer Abtastlinie erfaßt und somit im wesentlichen nur reflektierte optische Energie von diesem einen Punkt zu dem Sensor gelangen kann, sowie

(e) ein mit dem Sensor und der genannten Abtastvorrichtung gekoppeltes, Meß- und Steuerfunktionen ausführendes Untersystem mit einem Positionsspeicherkreis, der eine die jeweilige Position des genannten Strahles angebende Positionseingabe sowie ein vom Sensorausgang abhängiges Speichereingangssignal zu empfangen vermag, wobei der genannte Speichereingang die Speicherung der Positionseingabe durch den Positionsspeicherkreis bewirkt, und wobei dieser Positionsspeicherkreis einem Bildpositionsausgang entsprechend der Strahlenposition beim Erscheinen des Strahlenbildes in der Apertur liefert und der genannte Bildpositionsausgang die Höhe der genannten Oberfläche anzeigt.

12. System gemäß Anspruch 11, wobei das Bildpositions- Ausgangssignal dem Zeitintervall zwischen einer der Bezugsmarkierungen des Abtast-Steuersignals und dem Einfall des Strahlenbildes durch die Apertur entspricht.

13. System gemäß Anspruch 11, wobei das Untersystem für jede Strahlenauslenkung nur ein einziges Bildpositions-Ausgangssignal liefert.

14. System gemäß Anspruch 11, wobei das Positionseingangssignal des Positionsspeicherkreises das genannte Abtast-Steuersignal ist.

15. System gemäß Anspruch 11, wobei das genannte Untersystem über einen Spitzenwertdetektor verfügt, der den Spitzenwert des genannten Sensorausgangs für jede Strahlenauslenkung erfaßt und der dem Speichereingang ein Spitzenwert-Signal zuführt.

16. System gemäß Anspruch 15, wobei es sich bei dem genannten Positionsspeicherkreis um einen Positionssignal-Haltespeicher und bei dem diesem Haltespeicher zugeführten Positionseingangssignal um das vorgenannte Abtast-Steuersignal handelt.

17. System gemäß Anspruch 11, zusätzlich ausgestattet mit einer Y-Abtastvorrichtung, mit der sich der Strahl an der Oberfläche in Y-Richtung abtasten läßt.

18. System gemäß Anspruch 17, wobei es sich bei der Y-Abtastvorrichtung um eine Scanning/Descanning- Vorrichtung handelt, die ein nicht-abgetastetes optisches Ausgangssignal auf der Grundlage der optischen Energie des von der Oberfläche zurückgeworfenen Strahles liefert, wobei dieses Ausgangssignal unabhängig von Schwankungen des Strahles in der Y-Richtung ist.

19. Verfahren zur Gewinnung einer Profilinformation über eine Oberfläche, umfassend folgende Schritte:

a) Erzeugung eines optischen Strahles, der auf die Oberfläche gerichtet wird;

b) Auslenkung dieses Strahles, gesteuert durch ein Abtast-Steuersignal mit Bezugsmarkierungen, um den Strahl in X-Richtung über die Oberfläche aus zulenken;

c) Erfassung mittels eines Sensors die reflektierte optische Energie, die einem Bild des von der Oberfläche zurückgeworfenen Strahles entspricht und so durch die Apertur einer optischen Abschirmung geführt wurde, daß im wesentlichen jeweils nur ein einziger Punkt einer Abtastlinie von dem Sensor erfaßt wird, so daß im wesentlichen nur eine Erfassung reflektierter optischer Energie von diesem einen Punkt erfolgt, und

d) Erzeugung eines Bildpositions-Ausgangssignals, das dem Einfall des Strahlbildes an der Apertur entspricht, wobei dieses Bildpositions- Ausgangssignal Angaben über das Profil der abgetasteten Oberfläche liefert.

20. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei zusätzlich der Spitzenwert der reflektierten optischen Energie für jede Auslenkung des Strahles ermittelt wird.

21. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei für jede Strahlenauslenkung nur ein Bildpositions-Ausgangssignal erzeugt wird.

22. Verfahren gemäß Anspruch 19, wobei die Erzeugung des Bildpositions-Ausgangssignals erfolgt, indem

einem Positionsspeicherkreis ein Positionseingangssignal entsprechend der jeweiligen Position des abgetasteten Strahles zugeführt wird sowie ein Speichereingangssignal, das von der erfaßten reflektierten optischen Energie abhängt.

23. Verfahren gemäß Anspruch 22, mit dem zusätzlichen Schritt, daß der Größenwert des erfaßten Strahlenbildes gespeichert wird.

24. Verfahren gemäß Anspruch 19, mit dem zusätzlichen Schritt, daß der Strahl an der Oberfläche in einer Y-Richtung abgetastet wird, die im rechten Winkel zur X-Richtung verläuft.

25. Verfahren gemäß Anspruch 24, mit zusätzlichem Schritt, daß reflektierte optische Energie des Strahles in nicht-abtastender Form auf die Oberfläche geworfen wird, um ein nicht-abtastendes optisches Ausgangssignal zu erhalten, das unabhängig von Strahlenschwankungen in der Y-Richtung ist.