DE3710027A1 - Geraet zum ermitteln des lokalen abstandes einer pruefflaeche von einer referenzflaeche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Gerät zum Ermitteln des Abstandes einer Prüffläche von einer Referenzfläche gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruches 1.

Ein derartiges Gerät ist Gegenstand der Hauptanmeldung P 35 36 700.8-52.

Wird ein derartiges Gerät dazu verwendet, sehr kleine Ober­ flächenunebenheiten auszumessen, so muß man einen entspre­ chend sehr kleinen Lichtfleck auf der auszumessenden Ober­ fläche erzeugen. Da die mit einer Linse erzeugbare kleinste Lichtfleckgröße von der Linsenapertur abhängt, bedeutet die Forderung nach einem sehr kleinen Lichtfleck auf der Prüfflä­ che an sich die Verwendung von großen Durchmesser aufwei­ senden Objektiven. Bei einem gattungsgemäßen Gerät, bei dem das Objekt anders als in einer Kamera axial beweglich aufgehängt ist und diejenige Verstellung des Objektives, die notwendig ist, um den ausgeleuchteten Punkt der Prüf­ fläche scharf auf die Wandleranordnung abzubilden, als Maß für den Abstand zwischen Prüffläche und Referenzfläche ge­ nommen wird, wird durch die Vergrößerung der Apertur des Objektives und die so erhöhte mechanische Trägheit zwangs­ läufig eine Verkleinerung der Abtastgeschwindigkeit erhal­ ten. Für viele Anwendungsfälle, insbesondere das vollstän­ dige Ausmessen von Werkstückoberflächen in der Serienfer­ tigung ist jedoch eine rasche Abtastgeschwindigkeit sehr wichtig.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Gerät gemäß der Hauptanmeldung so weitergebildet werden, daß ohne Er­ niedrigung der Abtastgeschwindigkeit eine noch genauere Messung des Abstandes zwischen Prüffläche und Referenzflä­ che möglich ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Gerät gemäß Anspruch 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät kann ein Objektiv mit nur kleinem Durchmesser und damit sehr kleiner Masse weiterhin Verwendung finden. Ein solches Objektiv läßt sich durch einen Elektromagneten, der ähnlich wie ein Lautsprecher ausgebildet ist, sehr rasch axial verstellen. Die Erzeugung von Licht mit kleiner Wellenlänge erfolgt in dem erfindungs­ gemäßen Gerät unter geringem apparativem Aufwand, ohne die Verwendung störungsanfälliger oder erschütterungsanfälliger Bauteile und mit geringen Kosten. Sowohl in zur Prüffläche senkrechter Richtung als auch in in der Prüffläche liegen­ den lateralen Richtungen erhält man eine sehr hohe Meßge­ nauigkeit.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteran­ sprüchen angegeben.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 4 oder 6 wird erreicht, daß die Prüffläche gleichzeitig von zwei Lichtstrahlen unterschiedlicher Wellenlänge abgetastet wird. Bei Verwendung ein- und desselben Objektives bedeutet dies ein Abtasten der Prüffläche mit zwei unterschiedlich gro­ ßen Lichtflecken. Man erhält somit gemäß Anspruch 4 und 6 auf besonders einfache Weise ein gleichzeitiges Abtasten der Prüffläche mit sehr hoher Auflösung und einer Auflösung, wie sie bei einem Gerät nach der Hauptanmeldung erhalten wird.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 9 ist es möglich, diese beiden gleichzeitig erfolgenden Abtast­ vorgänge an seitlich versetzten Punkten der Prüffläche vorzunehmen oder den Unterschied in der Größe der Lichtflecke unterschiedlicher Wellenlänge noch zusätzlich über den Unterschied in der Brennpunktlage (scharfe bzw. unscharfe Abbildung jeweils eines der Lichtstrahl) zu beeinflussen.

Verwendet man gemäß Anspruch 10 nur das frequenzgedoppelte Licht zur Abtastung der Prüffläche, so kann man eine zum Fokussieren verwendete holographische Linse besonders ein­ fach herstellen. Diese Linse kann ihrerseits mit dem fre­ quenzgedoppelten Licht hergestellt werden, und für die von gängigen Halbleiter-Lasern durch Frequenzdopplung erhalte­ nen Wellenlängen stehen lichtempfindliche Schichten guter Empfindlichkeit im Handel zur Verfügung.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Fig. 1 Ein Gerät zum mikroskopisch genauen Ausmessen ei­ ner Prüffläche auf einem Werkstück;

Fig. 2 Einen axialen Schnitt durch den Meßkopf des in Fig. 1 gezeigten Gerätes sowie ein Blockschalt­ bild der zugehörigen Auswerteschaltung; und

Fig. 3 bis 5 Schematische Ansichten des optischen Tei­ les abgewandelter Meßköpfe.

Fig. 1 zeigt ein Werkstück 10 auf einer Anreißplatte 12. Zum Ausmessen des Mikroprofiles der oberen Stirnfläche 14 des Werkstückes 10 ist über letzterer ein Meßkopf 16 vorge­ sehen, welcher einen Lichtstrahl 18 in vertikaler Richtung auf die Stirnfläche 14 schickt und einen von dieser reflek­ tieren Lichtstrahl 20 wieder aufnimmt. Einzelheiten des Meßkopfes 16 sowie einer elektronischen Auswerteschaltung erden weiter unten unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert.

Der Meßkopf 16 ist über ein Gleitstück 22 spielfrei auf einer horizontalen Führungsstange 24 verschiebbar. Letztere ist von einem weiteren Gleitstück 26 getragen, das spiel­ frei auf einer vertikalen Führungsstange 28 verschiebbar ist.

Zur Messung des Abstandes des Gleitstückes 22 von der Füh­ rungsstange 28 ist ein erster Entfernungsmesser vorgesehen, welcher einen vom Gleitstück 22 getragenen Spiegel 30 und eine mit letzteren zusammenarbeitenden optische Fühlerein­ heit 32 aufweist. Ähnlich ist zum Bestimmen des Abstandes des Gleitstückes 26 über der Oberseite der Anreißplatte 12 ein vom Gleitstück 26 getragener Spiegel 34 und eine auf der Anreißplatte 12 angeordnete Fühlereinheit 36 vorgesehen. Die beiden den Gleitstücken zugeordneten Entfernungsmesser können insgesamt wie Interferometer aufgebaut sein, wie an sich bekannt. Auch kann für die dritte Koordinatenrichtung eine senkrecht zur Zeichenebene wirksame Führungseinrich­ tung zusammen mit einem dritten Entfernungsmesser vorgese­ hen sein.

Der Meßkopf 16 ist über eine Leitung 38 mit einer Zentral­ einheit 40 verbunden, Leitungen 42, 44 dienen zum Verbin­ den der Fühlereinheiten 32 und 36 mit der Zentraleinheit. Letztere hat ein erstes Anzeigefeld 46 für das dem Mikro­ profil der Stirnfläche 14 zugeordnete Ausgangssignal des Meßkopfes 16, ein zweites Anzeigefeld 48 für den lokalen Gesamtabstand zwischen dem gerade ausgemessenen Bereich der Stirnfläche 14 und der Oberseite der Anreißplatte 12 sowie ein drittes Anzeigefeld 50 für die der Fühlereinheit 32 zugeordnete horizontale Koordinate.

Ein Tastenfeld 52 dient zur Voreinstellung der Arbeitsweise des Meßgerätes, zum Beispiel dessen, ob der Meßkopf 16 ei­ nen sehr kleinen Bereich der Stirnfläche 14 erfassen soll (Spotmessung) oder einen ausgedehnten Bereich der Stirnflä­ che 14 erfassen soll (Integralmessung). Außerdem können über das Tastenfeld 52 die Koordinatennullpunkte verschoben werden. An die Zentraleinheit 40 ist ferner ein Schreiber 54 angeschlossen, mit dem das Ausgangssignal des Meßkopfes 16 in Abhängigkeit von der horizontalen Meßkopfstellung aufgezeichnet werden kann.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, hat der Meßkopf 16 ein insge­ samt mit 56 bezeichnetes becherförmiges Gehäuse, von dessen Boden ein im wesentlichen quadratischen Querschnitt aufwei­ sender Rohrstutzen 58 in Fig. 2 nach links läuft. Beim Boden des Rohrstutzens ist eine Laserdiode 60 angeordnet, welche einen gestrichelt mit übertriebenem Durchmesser dargestellten Lichtstrahl 62 auf das Werkstück richtet.

Unmittelbar hinter der Laserdiode 60 ist ein Frequenzdopp­ ler 64 in Form eines Kristalles aus LiNbO₃ angeordnet, welcher einen Teil des im Roten liegenden Laserlichtes in blaues Licht umsetzt. Der frequenzgedoppelte Lichtstrahl 66 ist in der Zeichnung ausgezogen wiedergegeben.

Die Wellenlänge des von der Laserdiode 60 abgegebenen Lichtes überlappt sich naturgemäß nicht mit dem Spektrum des vom Frequenzdoppler 64 erzeugten Lichtstrahls 66.

Beim offenen Ende des Gehäuses 56 ist ein Objektiv 68 vorge­ sehen, welches den Lichtstrahl 62 und den Lichtstrahl 66 auf die Stirnfläche 14 des Werkstückes 10 abbildet. Das Objektiv 68 sitzt in einer Fassung 70, die ihrerseits in einer magnetischen Stellhülse 72 positioniert ist. Hierzu hat die Innenfläche der Magnethülse 72 einen radial nach innen stehenden Positionierbund 74, welcher zwei ringför­ mige Anschlagschultern vorgibt.

An der rechts gelegenen Anschlagschulter des Positionier­ bundes 74 kann zur Ausmessung stark geneigter Oberflächen­ abschnitte ein kreisförmiger Spiegel 76 positioniert sein, welcher einen lichtdurchlässigen, plattenförmigen Grundkörper 78 aufweist, auf dessen vom Objektiv abgelegener Oberfläche eine Metallschicht 80 aufgebracht ist, wobei die Metall­ schicht 80 eine kreisförmige mittige Öffnung 82 hat.

Die Stellhülse 72 ist bei ihren axialen Enden durch kegeli­ ge ringförmige Federelemente 84, 86 gelagert, deren radial innen liegende Enden in die Außenfläche der Stellhülse 72 eingreifen und deren außen liegende Ränder in der Umfangs­ wand des Gehäuses 56 festgelegt sind. Die kegeligen Berei­ che der Federelemente 84, 86 sind mit Schlitzen 88 versehen, so daß man eine Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilter Fe­ derarme erhält, und die Federelemente eine besser lineare Federcharakteristik bekommen. Die Federelemente 84, 86 zen­ trieren so die Stellhülse 72 und damit auch das Objektiv 68 auf die Geräteachse, also die Achse des Rohrstutzens 58, und den auf dieser von der Laserdiode 60 abgegebenen Licht­ strahl 62 sowie den Lichtstrahl 66.

Im Rohrstutzen 58 sind hintereinander liegend zwei insge­ samt mit 90 bzw. 92 bezeichnete Kombi-Prismen angeordnet. Letztere bestehen jeweils aus einem der Laserdiode 60 zuge­ wandten 90-Grad-Prisma 94, an dessen Basisfläche ein modi­ fiziertes 90-Grad-Prisma 96 angesetzt ist, welches auf ei­ ner seiner Kathetenflächen zwei zusammen ein Strahlteiler­ prisma bildende, einen stumpfen Winkel einschließende Be­ grenzungsflächen 98, 100 aufweist. Beim Kombi-Prisma 90 weisen die Begrenzungsflächen 98, 100 in Fig. 2 nach unten, während diese Flächen beim Kombi-Prisma 92 in Fig. 2 nach oben weisen.

An den Rohrstutzen 58 angeformte Zwischenwände 102, welche senkrecht auf der Zeichenebene von Fig. 2 stehen, untertei­ len den den Rohrstutzen 58 umgebenden Gehäuseinnenraum in einen oberen Gehäuseraum 104 und einen unteren Gehäuseraum 106, die optisch entkoppelt sind.

Wie in Fig. 2 gezeigt, ist die auszumessende Stirnfläche 14 nicht exakt eben, sondern rauh. Die Normale desjenigen Oberflächenabschnittes, auf welchen der Lichtstrahl 66 auf­ fällt, ist in der Zeichnung mit 108 bezeichnet. Sie ist gegen die Geräteachse stark verkippt, so daß der Lichtstrahl 66 von dem beleuchteten Oberflächenabschnitt in den Randbe­ reich des Objektives 68 reflektiert wird. Da das Objektiv 68 so steht, daß der beleuchtete Oberflächenabschnitt der Stirnfläche 14 im Brennpunkt liegt oder diesem benachbart ist, wird der reflektierte Lichtstrahl 66 vom Objektiv 68 im wesentlichen parallel zur Geräteachse gebrochen und fällt im wesentlichen senkrecht auf den senkrecht auf der Geräte­ achse stehenden Spiegel 76. Von dort kehrt der Lichtstrahl wie gestrichelt angedeutet zum Objektiv 68 zurück und wird wieder auf denjenigen Oberflächenabschnitt der Stirnfläche 14 fokussiert, zu dem die Normale 108 gehört. Bei der nun erfolgenden zweiten Reflexion des Lichtstrahles 66 an die­ sem Oberflächenabschnitt wird der Lichtstrahl wieder im wesentlichen in die Geräteachse zurückgelegt und läuft zum Kombi-Prisma 90 zurück. Dort wird ein Teil des zurückkeh­ renden Lichtstrahles von der Spiegelfläche des Kombi-Pris­ mas in Fig. 2 nach unten umgelenkt und durch das angeformte Dachkant-Prisma in zwei Teilstrahlen 110, 112 aufgespalten. Diese gelangen über ein schmalbandiges Interferenz-Durchlaß­ filter 114 auf zwei optoelektrische Wandler 116, 118, wel­ che bei exakter Lage des reflektierenden Oberflächenab­ schnittes der Stirnfläche 14 im Brennpunkt des Objektives 68 symmetrisch bezüglich der Teilstrahlen 110, 112 liegen und damit gleiche Ausgangssignale bereitstellen. Wird der Abstand zwischen dem Objektiv 68 und dem reflektierenden Oberflächenabschnitt der Stirnfläche 14 geändert, so wan­ dern die Teilstrahlen 110, 112 in entgegengesetztem Sinne in seitlicher Richtung auf den Wandlern 116, 118, so daß sich deren Ausgangssignale gegensinnig ändern.

Die Ausgänge der Wandler 116, 118 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 120 verbunden. Dessen Ausgang ist über einen Umschalter 122 und ein Verzögerungsglied 124 mit den einen Eingängen eines UND-Gliedes 126 bzw. ei­ nes NAND-Gliedes 128 verbunden, deren zweite Eingänge über ein weiteres UND-Glied 130 mit dem Ausgang eines freilau­ fenden Taktgebers 132 verbunden sind. Wie später noch ge­ nauer beschrieben werden wird erhält ein zweiter Eingang des UND-Gliedes 130 immer dann ein Aufsteuersignal, wenn der Meßkopf 16 keinen unzulässigen Erschütterungen ausge­ setzt ist.

Der Ausgang des UND-Gliedes 126 ist mit der Aufwärtszähl­ klemme eines Auf/Ab-Zählers 134 verbunden. Die Abwärts­ zählklemme des letzteren ist mit dem Ausgang des NAND-Glie­ des 128 verbunden. Das Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 134 wird auf den Eingang eines Digital/Analog-Wandlers 136 gegeben, dessen Ausgangssignal durch einen Verstärker 138 verstärkt wird und zur Erregung einer ringförmigen Magnet­ spule 140 dient. Letztere umgibt in enger Spielpassung die magnetische Stellhülse 72 und ist an der Umfangswand des Gehäuses 56 festgelegt.

Wie oben schon dargelegt, ist das Ausgangssignal des Diffe­ renzverstärkers 120 proportional zum Abstand des momentan reflektierenden Oberflächenabschnittes der Stirnfläche 14 vom Brennpunkt des Objektives 68. Über die durch das UND- Glied 126 und das NAND-Glied 128 gebildete elektronische Weiche wird gemäß dem Vorzeichen des Ausgangssignales des Differenzverstärkers 120 unter Verwendung der vom Taktgeber 132 bereitgestellten Impulse der Stand des Auf/Ab-Zählers 134 derart verändert, daß der Speisestrom für die Magnet­ spule 140 so erhöht oder erniedrigt wird, daß durch axiale Verstellung der mit der Magnetspule 140 zusammenarbeitenden Stellhülse 72 der Brennpunkt des Objektives 68 exakt auf den momentan reflektierenden Oberflächenabschnitt der Stirn­ fläche 14 gelegt wird. Der Stand des Auf/Ab-Zählers 134 ist somit ein Maß für den Abstand des momentan reflektierenden Oberflächenabschnittes des Werkstückes von einer Referenz­ fläche, zum Beispiel der vorderen oder hinteren Stirnfläche des Gehäuses 56 des Meßkopfes 16.

Da die Federelemente 84, 86 für sehr große Auslenkungen der Stellhülse 72 nicht mehr exakt lineare Federcharakteristik haben, wird das Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 134 auf einen Kennlinienkreis 146 gegeben, welcher zum Beispiel in durch das Ausgangssignal des Auf/Ab-Zählers 134 adressier­ ten Speicherzellen die bezüglich der Nichtlinearität der Federelemente 84, 86 korrigierten Objektiv-Verstellwege ent­ hält.

Das Ausgangssignal des Kennlinienkreises 146 wird zur An­ steuerung des Anzeigefeldes 46 verwendet und über eine Lei­ tung 148 zur Ansteuerung des Schreibers 54 oder zu anderwei­ tiger Datenverarbeitung bereitgestellt. Mit dem Ausgangssig­ nal des Kennlinienkreises 146 ist ferner der eine Eingang eines Summierkreises 150 verbunden, dessen zweiter Eingang das Ausgangssignal eines Auf/Ab-Zählers 152 erhält, der ein­ gangsseitig mit der Fühlereinheit 36 verbunden ist. Das Aus­ gangssignal des Summierkreises 150 entspricht somit dem Ge­ samtabstand des gerade ausgemessenen Oberflächenabschnittes der Stirnfläche 14 von der Oberseite der Anreißplatte 12 und wird am Anzeigefeld 48 ausgegeben.

Durch das Kombi-Prisma 92 wird der durch Reflexion des Lichtstrahls 66 erhaltene rücklaufende Lichtstrahl in Fig. 2 nach oben umgelenkt und in zwei Teilstrahlen 154, 156 zer­ legt. Letztere gelangen auch zu wiederum symetrisch zu den Sollachsen der Teilstrahlen angeordneten opto-elektrischen Wandlern 158, 160, vor denen jeweils ein Filter 162 ange­ ordnet ist, welches die Wellenlänge des Lichtstrahles 66 sperrt und die Wellenlänge des Lichtstrahls 62 durchläßt.

Die Ausgänge der Wandler 158, 160 sind mit den Eingängen eines Differenzverstärkers 164 verbunden, dessen Ausgang mit dem zweiten Kontakt des Umschalters 122 verbunden ist. Durch Umlegen des Umschalters 122 kann man somit die Brenn­ punktnachführung durch axiales Verstellen des Objektives 68 wahlweise auch in Abhängigkeit vom gemittelten Abstand eines größeren ausgeleuchteten Oberflächenbereiches der Stirnfläche 14 vom Brennpunkt des Objektives 68 durchführen, da bei gegebener Apertur des Objektives 68 die Größe des auf der Prüffläche erzeugten Lichtfleckes mit der Wellen­ länge des Lichtes wächst und somit der kurzwellige Lichtstrahl einen kleinen, der langwellige Lichtstrahl einen demgegen­ über großen Lichtfleck ergibt.

Der Ausgang des Differenzverstärkers 164 ist ferner mit einem Sperrsteuerkreis 166 verbunden. Letzterer überprüft das Ausgangssignal des Differenzverstärkers 164 darauf hin, ob in diesem Signal höherfrequente Anteile enthalten sind. lst dies nicht der Fall, so erzeugt der Sperrsteuerkreis 166 an seinem Ausgang ein hochpegeliges Signal; werden hoch­ frequente Anteile im Ausgangssignal des Differenzverstär­ kers 164 festgestellt, ist der Ausgang des Sperrsteuerkrei­ ses 166 niederpegelig. Da die Wandler 158, 160 mit Licht beaufschlagt sind, welches einer optischen Mittelung über einen größeren Oberflächenbereich entspricht, bedeuten Wech­ selanteile im Ausgangssignal des Differenzverstärkers 164, daß der Abstand zwischen Objektiv und auszumessender Ober­ fläche durch Störeinflüsse wie Erschütterungen verändert worden ist. Da unter derartigen Bedingungen der zweite Ein­ gang des UND-Gliedes 130 nicht mehr mit Signal beaufschlagt ist, wird die automatische Brennpunktnachstellung so lange unterbunden, wie mechanische Störeinflüsse vorliegen. Da das Verzögerungsglied 124 vorgesehen ist, kann der Sperr­ steuerkreis 166 das UND-Glied 130 sperren, bevor erschüt­ terungsbedingte Änderungen des Ausgangssignales des Diffe­ renzverstärkers 120 wirksam werden.

Der Sperrsteuerkreis 166 kann zusätzlich über eine Leitung 168 ein Signal erhalten, welches anzeigt, ob der Meßkopf 16 in einer zur Stirnfläche 14 parallelen Ebene verschoben wird, wobei dann für die Dauer der Verschiebung ein kleiner Anteil von Wechselkomponenten im Ausgangssignal des Diffe­ renzverstärkers 164 toleriert wird, wie er möglicherweise übrig bleibt, wenn die größere Fläche, über die der Licht­ strahl 62 mittelt, sehr große Unregelmäßigkeiten enthält. Der Sperrsteuerkreis 166 kann zum Beispiel aus einem Hoch­ paßfilter mit nachgeschaltetem Gleichrichter und Inver­ ter bestehen.

Das Ausgangssignal des Sperrsteuerkreises 166 wird auch auf einer Leitung 169 bereitgestellt und kann so z. B. dazu ver­ wendet werden, Motoren zum Verfahren des Meßkopfes 16 über der Stirnfläche 14 solange anzuhalten, bis nach Abklingen von Erschütterungen am jeweiligen Standpunkt des Meßkopfes ein korrektes Meßsignal gewonnen wurde.

Steht vor dem in Fig. 2 gezeigten Meßkopf ein Oberflächen­ abschnitt der Stirnfläche 14, dessen Normale zur Geräteachse gar nicht oder nur wenig verkippt ist, so gelangt der re­ flektierte Lichtstrahl durch das Objektiv und die Öffnung 82 in der Metallschicht 80 direkt zurück zum Detektionssy­ stem.

In Fig. 2 sind von den durch Aufteilung des Lichtstrahles 62 bzw. des Lichtstrahles 66 erhaltenen Teilstrahlen bzw. Teilbündeln zur besseren Übersichtlichkeit nur diejenigen eingezeichnet, welche für das Erhalten des Meßergebnisses relevant sind. Für den größere Wellenlänge aufweisenden Lichtstrahl 62 sind auch nur die Strahlen für senkrecht auf der Geräteachse stehende Reflexionsflächen des Werkstückes eingezeichnet; es versteht sich, daß bei den sehr vielen, unterschiedlich zur Geräteachse stärker verkippten vom Lichtstrahl 62 beleuchteten Oberflächenabschnitten der Stirnfläche 14 jeweils ähnliche Strahlengänge erhalten werden, die nach Reflexion an der Metallschicht 80 wieder im wesentlichen auf die Geräteachse zurückführen, wie dies im einzelnen für den Lichtstrahl 66 eingezeichnet ist.

Wird bei einem gegenüber Fig. 2 vereinfachten Meßkopf 16 auf die Möglichkeit einer Integralmessung verzichtet, so kann man den Eingang des Sperrsteuerkreises 166 auch an den Ausgang des Differenzverstärkers 120 anschließen. In weiterer Abwandlung des in Fig. 2 gezeigten Ausführungs­ beispieles kann man den in Fig. 2 oberen Eingang des UND- Gliedes 130 auch unter Verwendung eines am Gehäuse 56 be­ festigten, Beschleunigungen in Richtung der Gehäuseachse messenden Beschleunigungsfühlers beaufschlagen.

Bei dem in Fig. 3 schematisch wiedergegebenen Meßkopf ist hinter dem Frequenzdoppler 64 ein Filter 170 angeordnet, welches nur das frequenzgedoppelte Licht, nicht jedoch das von der Laserdiode 60 erzeugte Licht hindurchläßt. Das frequenzgedoppelte Licht durchsetzt einen unter 45 Grad angestellten halbdurchlässigen Spiegel 172 und wird von einer holographischen Linse 174 auf die Prüffläche 14 abgebildet. Das reflektierte Licht gelangt über den halb­ durchlässigen Spiegel auf eine nur schematisch angedeutete Detektoranordnung 176, welche z. B. durch ein Interferometer und eine elektrische Wandleranordnung zum Ausmessen des vom Interferometer erzeugten Hell/Dunkelmusters bestehen kann.

Da die holographische Linse 174 nur das vom Frequenzdopp­ ler 64 erzeugte, in der Praxis im Blauen liegende Licht abbilden muß, kann man diese Linse direkt mit solchem Licht herstellen, nachdem im Blauen empfindliche Fotoschichten ohne weiteres herstellbar und erhältlich sind. Holografi­ sche Linsen für das von der Laserdiode ausgesandte Licht mussen dagegen mit kurzwelligerem Licht hergestellt werden, da es direkt für dieses Laserlicht empfindliche fotographi­ sche Schichten nicht gibt. Damit die Linse trotz Herstel­ lung mit der "falschen" Wellenlänge richtig arbeitet, müs­ sen bei der Linsenherstellung die Wellenfronten in kompli­ zierter Weise verzerrt werden, was die Herstellung verteu­ ert.

Die in den Fig. 4 und 5 gezeigten Ausführungsbeispiele für Meßköpfe haben abgewandelte holographische Linsen 178, 180, die Bifokallinsen sind. Bei der in Fig. 4 verwende­ ten Linse 178 liegen die beiden Brennpunkte F 1 und F 2 für das Original-Laserlicht bzw. das frequenzgedoppelte Licht seitlich nebeneinander. Es werden also zwei nebeneinander­ liegende Stellen der Prüffläche 14 simultan abgetastet, wobei zudem der Lichtfleck der durch Abbildung des Origi­ nal-Laserlichtes erhalten wird, größer ist als der Licht­ fleck des frequenzgedoppelten Lichtes.

Bei dem Meßkopf nach Fig. 5 sind dagegen die beiden Brenn­ punkte F ₁ und F₂ durch entsprechende Abwandlung der Linse 180 in Strahlrichtung gegeneinander versetzt, wobei der Brennpunkt F ₂ in der Prüffläche 14 liegt. Durch diese Ver­ setzung des Brennpunktes F ₁ erhält man eine nur unscharfe Abbildung des Original-Laserlichtes auf die Prüffläche und damit einen noch größeren Lichtfleck als aperturbedingt gegeben. Bei dem Meßkopf nach Fig. 5 wird somit gleich­ zeitig ein Punkt der Prüffläche 14 und ein diesen umgeben­ der kreisförmiger Bereich der Prüffläche abgetastet.

Zur Trennung des zum punktförmigen Abtasten verwendeten Meßlichtes vom zur Kleinbereichs-Abtastung verwendeten Meß­ licht ist in den reflektierten Strahlengang hinter dem halb­ durchlässigen Spiegel 172 ein Interferenzfilter 182 ge­ stellt, welches das frequenzgedoppelte Licht hindurchlau­ fen läßt, das Originallicht dagegen spiegelt. Das frequenz­ gedoppelte Licht gelangt auf die Detektoranordnung 176, während für das Original-Laserlicht eine weitere Detektor­ anordnung 184 vorgesehen ist.

Bei den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2, 4 und 5 erfolgte die Trennung des Original-Laser­ lichtes vom frequenzgedoppelten Licht unter Verwendung ent­ sprechender Durchlaß- oder Reflexionsfilter. Stattdessen kann man auch die Trennung unter Verwendung von Polarisa­ toren durchführen, wozu dann unmittelbar hinter den Fre­ quenzdoppler 64 eine erste Polarisatoranordnung steht, welche das Original-Laserlicht und das frequenzgedoppelte Licht um unterschiedlich große Winkel dreht. Anstelle des Interferenzfilters 182 wird dann in den reflektieren Strah­ lengang eine zweite Polarisatoranordnung gestellt, welche im reflektierten Licht das Original-Laserlicht vom frequenz­ gedoppelten Licht trennt, so daß wieder beide Lichtarten auf getrennte Detektoranordnungen gegeben werden können.

Claims (10)

1. Gerät zum Ermitteln des lokalen Abstandes einer Prüf­ fläche von einer Referenzfläche, mit einer kleinen Durchmesser aufweisenden Lichtquelle, mit einem Objektiv zum Abbilden der Lichtquelle auf einen lokalen Bereich der Prüffläche und zum Abbilden des dort von der Lichtquelle erzeugten Lichtfleckes auf eine photoelektrische Wandler­ anordnung, mit einer Umlenkeinrichtung zum räumlichen Tren­ nen des von der Prüffläche zurückgeworfenen Lichtes vom auf sie auffallenden Licht, die auf der optischen Achse des Gerätes zwischen dem Objektiv und der Lichtquelle an­ geordnet ist, mit einem Strahlteiler, welcher im Lichtweg hinter der Umlenkeinrichtung angeordnet ist und das zurück­ geworfene Licht in zwei Teilstrahlen aufspaltet, von denen jeweils einer auf einen zugeordneten Wandler der Wandler­ anordnung fällt, und mit einem Differenzverstärker, der mit den Ausgangssignalen der beiden Wandler beaufschlagt ist, wobei das Objektiv in eine axiale Stellung vorgespannt ist und durch einen Elektromagneten entgegen der Vorspann­ kraft axial verlagerbar ist, wobei eine Speiseschaltung den Speisestrom des Elektromagneten in Abhängigkeit vom Vorzeichen des Ausgangssignales des Differenzverstärkers erhöht oder erniedrigt, wobei ein dem Speisestrom zugeord­ netes Signal als dem zu messenden Abstand zugeordnetes Meß­ signal bereitgestellt wird, nach Patentanmeldung P 35 36 700.8-52, dadurch gekennzeichnet, daß die Licht­ quelle einen Halbleiterlaser (60) und einen mit dem Laser­ licht beaufschlagten Frequenzdoppler (64) aufweist.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzdoppler (64) ein z. B. aus LiNbO₃ bestehender Kristall ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzdoppler (64) direkt hinter dem Halb­ leiterlaser (60) angeordnet ist.

4. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch zwei mit dem von der Prüffläche (14) reflektier­ ten Licht beaufschlagte Detektoranordnungen (116, 118 bzw. 158, 160; 176, 184), von denen eine für das Original- Laserlicht, die andere für das frequenzgedoppelte Licht empfindlich ist.

5. Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoranordnungen (116, 118 bzw. 158, 160; 176, 184) jeweils eine breitbandige Wandleranordnung und eine dieser vorgeschaltete Filteranordnung (114; 162; 182) auf­ weisen, von denen die eine jeweils für das Laserlicht und die andere für das frequenzgedoppelte Licht durchlässig ist.

6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine hinter dem Frequenzdoppler (64) angeordnete erste Polarisatoranordnung, welche das Laserlicht und das frequenzgedoppelte Licht unterschiedlich stark dreht, und durch eine mit dem von der Prüffläche reflektierten Licht beaufschlagte zweite Polarisatoranordnung, welche das Laserlicht zu einer ersten Detektoranordnung und das frequenzgedoppelte Licht zu einer zweiten Detektoranord­ nung durchlaufen läßt.

7. Gerät nach einem der Ansprüch 4 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Detektoranordnungen (176, 184) Inter­ ferometer aufweisen.

8. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Objektiv eine holographische Linse (174; 178; 180) umfaßt.

9. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennpunkte (F₁, F₂) der holographischen Linse (178, 180) für das Laserlicht und das frequenzgedoppelte Licht nebeneinander oder hintereinander liegen.

10. Gerät nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß hin­ ter dem Frequenzdoppler (64) ein das Originallicht sperrendes Filter (170) angeordnet ist.