DE3247238C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ebenheitsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ebenheitsmeßgräte ermöglichen eine berührungslose Messung der Ebenheit der Oberfläche eines Objektes. Zur Messung der Ebenheit werten Lichtinterferenzen ausgenutzt, die sich ergeben, wenn das Licht einer Lichtquelle mit dem von der Oberfläche reflektierten Licht, dessen Wellenlänge gleich derjenigen des Lichtes der Lichtquelle ist, zusammenfällt. An die Ebenheitsmeßgeräte werden hohe Anforderungen bezüglich der Präzision ihrer Komponenten, der exakten Justage und der Genauzigkeit bei der Durchführung der Messung gestellt.

In JA-OS 54-159258 ist ein optisches Verfahren zum Messen der Ebenheit einer Fläche beschrieben. Anhand von Fig. 1 soll dieses Meßverfahren nachfolgend kurz erläutert werden.

Zur Durchführung der Messung wird beispielsweise ein optisches Fizeau-Interferometer benutzt, um gemäß Fig. 1 Interferenzstreifen 1 zu erhalten, die durch die zu messende Ebene des Meßobjektes und eine Referenzebene, z. B. eine optische Fläche, erzeugt werden. Die hellen Streifen sind in Form durchgezogener Linien und die dunklen Streifen in Form gestrichelter Linien in der Zeichnung dargestellt. Neben dem Interferenzmuster ist ein linienförmiger, eindimensionaler Bildsensor 34 dar­ gestellt, dessen fotoelektrische Umwandlungselemente in einer quer zu den Interferenzstreifen bzw. in Richtung der Streifenbreite verlaufenden Reihe angeordnet sind und der das Muster der Interferenzstreifen 1 an drei Positionen a, b und c aufnimmt. Anhand des Ausgangs­ signals des Bildsensors 34 werden die Positionen Pa, Pb und Pc an den Stellen a, b und c der hellen (oder der dunklen) Streifen und der Abstand P der Interferenz­ streifen ermittelt. Die Ebenheit F läßt sich durch die folgende Gleichung berechnen:

Dabei ist λ die Wellenlänge des Lichtes, n die Ordnungs­ zahl der Interferenz (hier: n = 1) und für ΔP gilt:

Aus der in Patents Abstracts of Japan, Nr. 153 vom 22. 12. 1978, Vol. 2 veröffentlichten Zusammenfassung der japanischen Patentanmeldung Nr. 52-35789 ist eine Vor­ richtung zur Messung der Oberflächenrauhigkeit bekannt. Das auf einen Bilschirm od. dgl. übertragene Interfero­ gramm wird von einer TV-Kamera aufgenommen. Anschließend werden aus dem Fernsehbild die zur Bestimmung der Rauhig­ keit notwendigen Daten ausgelesen. Bei der Aufnahme des Interferogramms vom Bildschirm entstehen unvermeidlich Fehler aufgrund der Streuung der Schichtdicke der Bild­ röhre sowie deren Krümmung, so daß die mit dieser Vor­ richtung zu erzielende Meßgenauigkeit relativ gering ist.

Bei dem Ebenheitsmeßsystem, das aus der in Patents Ab­ stracts of Japan, Nr. 38 vom 30. März 1979, Vol. 3 ver­ öffentlichten Zusammenfassung der japanischen Patent­ anmeldung Nr. 52-81662 bekannt ist, wird das Interfero­ gramm von einer TV-Kamera aufgenommen, um anschließend die Ebenheit aufgrund der Daten des Fernsehbildes zu berechnen. Darüber hinaus verfügt dieses Meßsystem über eine Schwenkeinrichtung für die die Referenzebene dar­ stellende optische Fläche. In Abhängigkeit von der Position der Interferenzstreifen wird die optische Fläche geschwenkt, um die Lage der Interferenzstreifen zu optimieren. Eine solche Einrichtung verkompliziert das Meßsystem und wirkt sich darüber hinaus negativ auf die Meßgenauigkeit aus.

Aus der in Patents Abstracts of Japan, Nr. 161 vom 16. Oktober 1981, Vol. 5 veröffentlichten Zusammen­ fassung der japanischen Patentanmeldung 54-170848 ist eine Ebenheitsmeßvorrichtung bekannt, bei der das von einem Interferometer erzeugte Interferogramm auf einem Bildschirm sichtbar gemacht und von dort zur Verarbei­ tung der Information des Interferogrammes von einer beweglichen Kamera aufgenommen wird. Zur Ermittlung der Ebenheit werden auch hier die Daten eines Kamerabildes zugrundegelegt. Beim Aufnehmen des Interferogramms mit der Kamera sowie beim Auslesen der Daten aus dem Kamera­ bild entstehen relativ große Meßgenauigkeiten.

Bei der Ebenheitsmeßvorrichtung, die aus der in Patents- Abstracts of Japan, Nr. 2 vom 8. Januar 1982, Vol. 6 veröffentlichten Zusammenfassung der japanischen Patent­ anmeldung 55-28066 bekannt wird, wird ein Phasenmodula­ tor verwendet, mit dessen Hilfe die Meßgenauigkeit der Vorrichtung erhöht werden soll. Das mit Hilfe des Phasenmodulators aufbereitete Interferogramm wird von einer Aufnahmevorrichtung aufgenommen. Aus dieser werden dann die Daten des Interferogrammes ausgelesen, und die Ebenheit der Meßprobe bestimmt. Zur Erzielung einer hohen Meßgenauigkeit dieser Vorrichtung ist das äußerst exakte Justieren des Phasenmodulators notwen­ dig.

Bei den bekannten Ebenheitsmeßvorrichtungen wird das Interferogramm zur Ebenheitsberechnung jeweils aus einem von einer Kamera aufgenommenen Fernsehbild aus­ gelesen. Das Auslesen des Fernsehbildes und die Auf­ nahme des Interferogrammes mit der Kamera führen zu relativ großen Meßungenauigkeiten. Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit sind zusätzliche Vorrichtungen, die die Ebenheitsmeßgeräte verkomplizieren und einer äußerst präzisen Justage bedürfen, erforderlich. Außerdem ver­ teuert sich durch solche zusätzlichen höchst präzisen Vorrichtungen die Herstellung der Geräte.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Eben­ heitsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 zu schaffen, mit dem Ebenheitsmessungen mit extrem hoher Genauigkeit durchgeführt werden können.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß durch das Ebenheitsmeßgerät mit den Merkmalen des Patent­ anspruchs 1.

Bei dem erfindungsgemäßen Gerät wird das Interferogramm spaltenweise über einen um seine Längsachse drehbaren Spiegel an den eindimensionalen Bildsensor weiterge­ leitet. Die Ausgangssignale der einzelnen fotoelek­ trischen Umwandlungselemente entsprechen der Intensität des auf sie einfallenden Lichtes. Diese Ausgangssignale werden zur Ebenheitsberechnung weiterverarbeitet. Die Weiterverarbeitung der Ausgangssignale des Bildsensors geschieht spaltenweise, indem über den Drehspiegel stets eine Spalte des Interferogramms an den Bildsensor weitergeleitet wird. Aus den Ausgangssignalen einer Spalte werden die Spitzenwerte der Lichtintensität durch Vergleich der Signale dieser Spalte miteinander ermittelt und abgespeichert. Daraufhin wird der Dreh­ spiegel um einen bestimmten Winkel gedreht, um die dieser Spalte benachbarte Spalte des Interferogramms auf den Bildsensor zu werfen. Auch aus diesen Signalen werden die Spitzenwerte der Lichtintensität durch Ver­ gleich ermittelt, abgespeichert und mit den zugehörigen Spitzenwerten der vorherigen Spalte des Interferogramms verglichen. Dabei erfolgt eine eindeutige Identifizie­ rung der Verläufe der einzelnen Streifen mit einer Ge­ nauigkeit von einem Viertel der Wellenlänge des kohären­ ten Lichtes, indem ein Spitzenwert dieser Spalte einem Spitzenwert der vorherigen Spalte zugeordnet wird, wenn sich die Positionen dieser beiden Spitzenwerte um weniger als ein Viertel der Wellenlänge des kohärenten Lichtes unterscheiden. Somit ist eine zuverlässige Ermittlung des Verlaufs der Interferenzstreifen möglich, wodurch sich eine hohe Empfindlichkeit des Ebenheitsmeßgerätes ergibt.

Darüber hinaus verfügt das Ebenheitsmeßgerät über eine Kompensationseinrichtung, mit der die Exemplarstreuungen der einzelnen fotoelektrischen Umwandlungselemente kom­ pensiert werden. Dadurch werden Fehler bei der Ermitt­ lung der Interferenzstreifenverläufe aufgrund unter­ schiedlicher Übertragungsverhalten der einzelnen foto­ empfindlichen Umwandlungselemente vermieden. Die Kor­ rekturdaten für die einzelnen Umwandlungselemente des Bildsensors werden in einem Abgleichvorgang bei im wesentlichen gleichem Lichteinfall auf alle Umwand­ lungselemente ermittelt und abgespeichert. Ein derarti­ ger Abgleichvorgang braucht nur einmal ausgeführt zu werden. Die Korrekturdaten stehen während der Berech­ nung der Ebenheit der Meßfläche zur Verfügung und gehen in die Ebenheitsberechnung mit ein.

Durch die Verwendung des eindimensionalen Bildsensors ergibt sich ein einfacheres Auslesen der Daten des Interferogramms, indem jeweils nur die Signale einer Spalte des Interferogramms durch den Bildsensor erfaßt und entsprechend der Drehposition des Spiegels verarbei­ tet werden. Das erfindungsgemäße Ebenheitsmeßgerät er­ möglichst das genaue Erkennen des Verlaufs der einzelnen Interferenzstreifen, wodurch eine zuverlässige Eben­ heitsmessung durchgeführt werden kann. Die maximale Empfindlichkeit liegt im Submikrometerbereich. Die hohe Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Meßgerätes wird trotz Verwendung von einzelnen lediglich die Genauig­ keit üblicher Präzisionselemente (µm-Bereich) aufwei­ senden Komponenten erreicht. Wegen der Möglichkeit, übliche Präzisionselemente einsetzen zu können, ver­ ringern sich die Herstellungskosten des Ebenheits­ meßgerätes.

In vorteilhafter Weiterbildung weist die Erfindung die Merkmale des Patentanspruchs 2 auf. Hierbei ist es mög­ lich, das Interferogramm über die Bildanzeigeeinheit zu beobachten bzw. mit einer Kamera aufzunehmen.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist das Ebenheitsmeßgerät die Merkmale des Patentanspruchs 3 auf. Gemäß dieser Weiterbildung der Erfindung können die von der optischen Einrichtung weitergegebenen Infor­ mation über die Interferenzstreifen abgespeichert werden.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung ist durch die Merkmale des Patentanspruchs 4 gekennzeichnet. Durch die Kalibriereinrichtung können die Unregelmäßig­ keiten im optischen System des Gerätes und auf das Gerät einwirkende Vibrationen eliminiert werden. Durch die Kalibrierung der einzelnen Komponenten untereinander sind an deren Genauigkeit geringere Anforderungen zu stellen. Auch dies reduziert die Herstellungskosten.

Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Zeichnungen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung näher erläutert. Im einzelnen zeigen:

Fig. 1 eine Darstellung zur Erläuterung des Meßprin­ zips,

Fig. 2 eine Ansicht des Ebenheitsmeßgerätes von außen,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des optischen Systems,

Fig. 4 ein Blockschaltbild der elektronischen Schal­ tung,

Fig. 5 ein Flußdiagramm des Hauptprogramms zur Verdeut­ lichung des Steuerinhalts eines Mikrocompu­ ters,

Fig. 6 ein Flußdiagramm des Einlesens der Daten von dem Bildsensor,

Fig. 7 ein Flußdiagramm einer Spitzenadressenberech­ nung,

Fig. 8 ein Flußdiagramm eines Adressen-Identifizie­ rungsprozesses,

Fig. 9 ein Flußdiagramm eines Kompensationsmodus,

Fig. 10 ein Flußdiagramm des Einlesens von Daten in den Prozeß,

Fig. 11 ein Flußdiagramm eines Kalibriermodus und

Fig. 12 eine Darstellung zur Erläuterung der Kalibrier­ daten.

Fig. 2 zeigt eine Ansicht des Ebenheitsmeßgerätes und

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des optischen Systems, wobei das optische System mit Ausnahme eines vertikal bewegbaren Probengestells 11, auf welchem das Meßobjekt mit nach oben gewandter Fläche positioniert wird, in einem abge­ dunkelten Gehäuse 12 untergebracht ist. Ein Helium-Neon- Laser 21 (Wellenlänge 0,6328 µm) als Interferenzlichtquelle ist in einem hinter dem Probengestell 11 angeordneten Zylinder 12 a des Gehäuses 12 vertikal derart angeordnet, daß seine Strahlung nach oben gerichtet ist. Die Laser­ strahlung gelangt über ein ND-Filter 22, eine Streulinse 23 und eine Lochblende 24 von 20 µm Durchmesser zu einem total reflektierenden Spiegel 25. Der Spiegel 25 ist unter einem Winkel von 45° schräggestellt, so daß er den im Durchmesser sehr kleinen Laserstrahl von der Lochblende 24 aus horizon­ tal und - bezogen auf das Gehäuse 12 - nach vorne ablenkt. Über dem Probengestell 11 ist ein total reflektierender Spiegel 26 im optischen Weg des Laserstrahls angeordnet. Dieser Spiegel 26 ist ebenfalls unter einem Winkel von 45° zur Horizontalen schräggestellt und lenkt den Strahl senkrecht nach unten ab, wodurch der Strahl auf das Proben­ gestellt 11 gerichtet wird. Der Strahl durchläuft hierbei einen zwischen dem Spiegel 26 und dem Probengestell 11 angeordneten Achromaten 27, einen halbdurchlässigen Spie­ gel 28 und eine optische Fläche 29 und trifft dann auf die Objektebene 10 a. Der Halbspiegel 28 ist unter einem Winkel von 45° zur Horizon­ talen schräggestellt, und er reflektiert das von der opti­ schen Fläche 29 kommende Licht horizontal - und bezogen auf das Gehäuse 12 - nach links, so daß das Interferenz­ streifenmuster, das durch Überlagerung des von der ebenen Referenzfläche 29 a und der zu untersuchenden Objektebene 10 a reflektierten Lichtes gebildet wird, horizontal ausgesandt wird.

Das von dem Halbspiegel 28 reflektierte Licht durchläuft zu einem Teil einen Halbspiegel 31, der sowohl in Quer­ richtung als auch in Längsrichtung des Gehäuses 12 unter einem Winkel von 45° schräggestellt ist, und erreicht einen total reflektierenden Spiegel 32, der um eine vertikale Achse herum horizontal rotiert. Der andere Teil des auf den Halbspiegel 31 treffenden Lichts wird von diesem Halb­ spiegel reflektiert und erreicht einen fokussierenden Lichtsumpf 33 in der Nähe der Vorderseite des Gehäuses 11. Der fokussierende Lichtsumpf 33 dient zur visuellen Be­ obachtung des Interferenzmusters und zu dessen Fotografie­ rung. Hinter der vertikalen Achse des total reflektieren­ den Spiegel 32 befindet sich ein eindimensionaler Bild­ sensor 34, der eine vertikal ausgerichtete Reihe fotoelektrischer Umsetzer enthält. Wenn der total reflektie­ rende Spiegel 32 bei seiner Drehung eine Stellung ein­ nimmt, bei der er unter einem Winkel von 45° in Längs­ richtung und in Querrichtung zum Gehäuse 12 schräg steht, wird das Blickfeld des Bildsensors 34 gemäß Fig. 1 bei b abgebildet, d. h. in einer annähernd zentrischen Posi­ tion des Interferenzmusters, und wenn der Spiegel 32 sich im Uhrzeigersinn (oder im Gegenuhrzeigersinn) dreht, wird das Blickfeld des Bildsensors 34 in die Stellung c (oder die Stellung a) verschoben.

Der Spiegel 32 ist an einem Rahmen 32 a befestigt und ro­ tiert auf einer drehenden Welle 32 b, welche aus einem runden Stab besteht, der sich mittig von der Unterseite des Rahmens 32 aus nach unten erstreckt. Die Wellen 32 b trägt etwa auf der Mitte ihrer Länge ein Zahnrad 32 c und ihr unteres Ende ist mit einem Drehkodierer 41 ge­ koppelt, der auf einem (nicht dargestellten) Sockel steht. Seitlich neben dem Winkelkodierer 41 ist ein Impulsmotor 42, dessen Ausgangswelle vertikal angeordnet ist, auf dem Sockel befestigt. Zwischen dem Zahnrad 32 c und einem an der Ausgangswelle des Impulsmotors 42 angebrachten Zahnrad 42 a läuft ein Zahnriemen 13 um, so daß der Impuls­ motor 42 über den Zahnriemen 13 den Spiegel 32 dreht. Im Drehbereich des Rahmenteils 32 a sind Endschalter 43 und 44 angebracht, die die Grenzen des Rotationsbereichs steuern. Diese Grenzen sind derart bestimmt, daß das Blick­ feld des Bildsensors 34 in einem etwa gleichen Winkel (10° oder weniger) im Gegenuhrzeigersinn oder im Uhrzeiger­ sinn von der Stellung b aus rotiert.

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß der optische Interferenzweg und insbesondere das mit überlagertem Licht­ fluß arbeitende optische System, das das Licht mit Hilfe des total reflektierenden Spiegels 32 (bei dem es sich um ein Prisma handeln kann) von dem Erkennungsort zum Bildsensor 34 leitet, so aufgebaut ist, daß die Stellen, an denen das Interferenzmuster durch die Rotation des Spiegels 32 abgetastet wird, sich ändern. Alternativ kann anstelle des Fizeau-Interferometers, das oben beschrieben wurde, auch eine andere optische Vorrichtung, z. B. ein Michelson-Interferometer zur Erzeugung des Interferenz­ musters benutzt werden. Mit 14 sind Schrauben zur Ver­ änderung der Stellung der optischen Ebene 29 bezeichnet und mit 3 ist die außerhalb des Gehäuses 12 angeordnete Energiequelle für den Laser bezeichnet.

Der Hauptkörper 2 des Ebenheitsmeßgerätes, zu dem auch das Gehäuse 12 und das in ihm befindliche optische System gehören, ist so fest wie möglich konstruiert, um durch Vibrationen verursachte Meßfehler auszuschalten. Der Haupt­ körper steht zur Ausschaltung von Vibrationen auf Beinen 15, die als Gummipuffer ausgebildet sind. Die Toleranzen der Montagepositionen des optischen Systems und die Tole­ ranzen für die Bearbeitung der bewegbaren Komponenten liegen jeweils in der Größenordnung von 10 µm. Ferner sind die Rückseiten der Halbspiegel 28 und 31 und der optischen Fläche 29 zur Vermeidung von Rückeninterferen­ zen um einige Grade schräggestellt.

Fig. 4 zeigt ein schematisches Blockschaltbild des Haupt­ teils der elektronischen Schaltung des Ebenheitsmeßgerätes, wobei eine Steuereinheit 4, mit Ausnahme des Bildsensors 34, des Drehwinkelkodierers 41, des Impulsmotors 42 ein­ schließlich der zugehörigen Antriebsschaltung 53, der Endschalter 43 und 44, einer Antriebsschaltung 45 für den Bildsensor 34, eines Bildverstärkers 46, einiger an­ derer Funktionsteile und Anzeigelampen innerhalb eines Gehäuses 47 angeordnet ist.

Der Mikrocomputer 48 der Steuerschaltung 4 dient zur Steue­ rung und zur Durchführung von Berechnungen. Er enthält eine CPU (Central Processing Unit), einen Lesespeicher ROM (Read Only Memory), einen Schreib-Lese-Speicher RAM (Random Access Memory), eine Eingabe/Ausgabe-Schnittstel­ le und einen Taktimpulsoszillator.

Ein Startschalter 49 und ein Stopschalter 50 in Form be­ leuchteter Druckknöpfe sind an der Vorderseite der Steuer­ einheit 4 angeordnet. Diese Schalter geben dem Mikro­ computer 48 die Befehle für Start, Stop oder Meßunter­ brechung, wenn sie gedrückt werden, und sie leuchten jeweils auf ein Signal des Computers hin auf. Ein digi­ taler Schalter 51 an der Vorderseite der Steuereinheit 4 weist zwei Ziffernrädern (Daumenräder) auf, die die einge­ stellten Zahlen an den Mikrocomputer 48 liefern. Diese Zahlen bezeichnen das Sichtfeld, in dem die Messung und Berechnung der Ebenheit des Meßobjektes 10 erfolgen soll, mit anderen Worten: sie geben die Drehwinkelposition des Spiegels 32 an, wenn die Stellung a oder c im Blickfeld eingenommen wird. Der Drehwinkelkodierer 41 ist so aus­ gebildet, daß er bei einem Drehwinkel von 1° des Spiegels 32 zehn Impulse erzeugt, die über die Schnittstelle 52 dem Mikrocomputer 48 zugeführt werden. Außerdem werden dem Mikrocomputer 48 der Schaltzustand des Endschalters 43, der den im Gegenuhrzeigersinn liegenden Rotationsbe­ reich des Spiegels 32 reguliert und des Schalters 44, der den im Uhrzeigersinn liegenden Rotationsbereich des Spiegels 32 reguliert, zugeführt.

Die Betriebszustände der Endschalter 43 und 44 werden als Steuerinformationen für den Start oder Stop des Im­ pulsmotors benutzt und dem Mikrocomputer 48 zugeführt. Im Anfangszustand befindet sich der total reflektierende Spiegel 32 im Zustand der Betätigung des Endschalters 43. Wenn der Startschalter 49 in diesem Zustand gedrückt wird, gibt der Mikrocomputer 48 der Motorantriebsschaltung 53 ein Signal, um den Impulsmotor 42 normal zu drehen und den Spiegel 32 im Uhrzeigersinn zu drehen, wodurch der Spiegel 32 schließlich den Endschalter 44 betätigt. Wenn der Stopschalter 50 gedrückt wird, schaltet der Mikro­ computer 48 das Signal für die normale Drehung des Im­ pulsmotors 42 ab und gibt der Motorantriebsschaltung 52 ein Signal, um den Impulsmotor 42 rückwärts anzutreiben und den Spiegel 32 im Gegenuhrzeigersinn zu drehen. Darauf­ hin dreht sich der Spiegel 32 so, daß schließlich der Endschalter 43 betätigt und das Signal für die Motoran­ triebsschaltung 53 abgeschaltet wird.

Der Mikrocomputer 48 ist mit einem Zähler zur Angabe der Blick­ feldpositon des Bildsensors 34 und der Drehstellung des Spiegels 32 versehen. Der Zähler wird von einem von dem Drehwinkelkodierer 41 erzeugten Nullpunktimpuls gelöscht. Die Drehwelle 32 b und der Drehwinkelkodierer 41 sind so miteinander gekoppelt, daß der Nullpunktimpuls in einer Stellung erzeugt wird, in der der Spiegel 32 sich von der Stelle, in der der Endschalter 43 betätigt worden ist, geringfügig im Uhrzeigersinn gedreht hat. Es sei angenommen, daß die Stellung B, in die sich der Spiegel 32 gedreht hat, wenn der Zählerstand des Zählers den Wert 90 angenommen hat, der Blickfeldposition b entspricht, in der das Ausgangssignal des Bildsensors 34 zu dieser Zeit für die Ebenheitsberechnung benutzt werden soll, und daß die an dem Digitalschalter 51 eingestellte Zahl X ist. Der Mikrocomputer 48 wählt für die Blickfeldposition a und c, an denen das Ausgangssignal des Bildsensors 34 für die Ebenheitsberechnung ausgewertet werden soll, die beiden Stellungen A und C des Spiegels 32 aus, in denen der Zähler die Zählwerte 90-X und 90+X annimmt. Der einge­ stellte Wert X gibt jedoch den Abstand zwischen den Posi­ tionen a und c in Millimetern an und errechnet sich zu X=(X/2)-0,2, weil das optische System so ausgebildet ist, daß ein Impuls des Drehwinkelkodierers 41 einem Abstand von 0,2 mm in Blickfeld entspricht.

Der Bildsensor 34 weist vorzugsweise 100 Bits für jeden der auf die oben beschriebene Weise erhaltenen Interfe­ renzstreifen auf. Da jedoch die Länge λ/2 zwischen zwei benachbarten hellen Streifen (oder dunklen Streifen) mit einer Genauigkeit von 1/100 gemessen wird, kann man in diesem Fall die theoretische Genauigkeit wie folgt er­ mitteln:

(λ/2) × (1/100) = 0,003 µm. (3)

Die praktisch erzielbare Genauigkeit kann hierbei leicht auf 0,01 µm gebracht werden. Bei dem vorliegenden Aus­ führungsbeispiel wird ein Metalloxid-Halbleitersensor aus 1024 Bits zur Überdeckung von zehn Interferenzstrei­ fen benutzt. Der Mittenabstand der Fotodioden in dem Bild­ sensor beträgt 20 µm.

Nach dem Beginn des Datenleseprozesses erzeugt der Mikro­ computer 48 einen Startimpuls und Taktimpulse für die Antriebseinheit 45, die Impulse mit vorbestimmter Ampli­ tude an den Bildsensor 34 liefert. Daraufhin wird der Bildsensor 34 sequentiell vom ersten Bit bis zum 1024sten Bit abgetastet, und er erzeugt Videosignale entsprechend den Intensitäten des von ihm empfangenen Lichtes. Das Videosignal wird von dem Bildverstärker 46 verstärkt und über einen Spitzenwert-Halteverstärker 55 mehreren Tief­ paßfiltern 56 a, 55 b und 56 c zugeführt. Die Ausgangssignale der Tiefpaßfilter gelangen über einen Abtast- und Halte­ verstärker 57 und einen Analog/Digital-Umsetzer 58 zum Mikrocomputer 48. Die Zyklusperioden der Abtast- und Halte­ funktion und der Analog/Digital-Umwandlung sind den Zyklus­ perioden, der der Antriebsschaltung 45 zugeführten Takt­ impulse angepaßt.

Die Tiefpaßfilter 56 a, 55 b und 56 c haben unterschiedliche Grenzfrequenzen von 500 Hz, 250 Hz und 100 Hz. Das jeweils wirksame Tiefpaßfilter wird an dem Wählschalter 59 einge­ stellt. Die Einstellung hängt von der durch Vibrationen od. dgl. erzeugten Rauschfrequenz oder anderen externen Rausch­ einflüssen ab.

Auf der Basis der auf die oben beschriebene Weise gespei­ cherten Daten wird die Ebenheit anhand von Gleichung (1) ermittelt und das Rechenergebnis wird durch eine vier­ stellige Anzeigeeinheit, die an der Vorderseite der Steuereinheit 4 angeordnet ist, in µm und bis auf drei Dezimalstellen hinter dem Komma angezeigt. Ferner dient eine an der Vorderseite des Gehäuses 47 vorgesehene Ka­ thodenstrahlröhre 63 zur Anzeige der durch Drehen des Spiegels 32 an dem Bildsensor 34 erhaltenen Information des Gesamtblickfeldes. Die Anzeige durch die Kathoden- Strahlröhre (CRT) 63 wird mit der folgenden Schaltung durchgeführt.

Mit 64 ist ein Videospeicher bezeichnet, der dem Bild­ element der Kathodenstrahlröhre 63 entspricht. In diesen Videospeicher wird die anzuzeigende Musterinformation unter Steuerung durch den Mikrocomputer 48 eingeschrieben. Diese Musterinformation wird anschließend ausgelesen und an der Kathodenstrahlröhre 63 angezeigt. Das anzuzeigen­ de Muster besteht aus der längslaufenden Linie, die den hellen Streifen und den Blickfeldpositionen a, b und c entspricht, die jeweils in Weiß angezeigt werden. Der Mikrocomputer 48 gibt über einen Multiplexer 65 an den Videospeicher 64 Daten, die das an der Kathodenstrahl­ röhre weiß anzuzeigende Bildelement angeben, als Schreib- Adresseninformation WAD. Die Schreibdaten geben ihrer­ seits einen aus einem Bit bestehenden Wert, der Schwarz oder Weiß angibt, direkt an den Speicher 64. Der Multi­ plexer 65 selektiert, wenn er ein Schreibbefehlsignal WE vom Mikrocomputer 48 erhält, das Schreib-Adressensignal WAD und gibt dieses in den Videospeicher 64 ein. Das Schreibbefehlssignal WE wird ferner dem Videospeicher 64 zugeführt, so daß dieser dadurch in den das Schreiben ermöglichenden Zustand versetzt wird.

Ein Zeitsignalgenerator 66, der einen Oszillator und einen Frequenzteiler enthält, wird von einem vom Mikrocomputer 48 ausgegebenen Signal gestartet. Er erzeugt dann ein Vertikal-Synchronisiersignal VS und ein Horizontal- Synchronisiersignal HS. Diese Synchronisiersignale VS und HS werden der Kathodenstrahlröhre 63 und einem Lese- Adressengenerator 67 zugeführt. Der Zeitsignalgenerator 66 erzeugt Taktimpulse CLK, deren Anzahl in einer Zyklus­ periode des Horizontal-Synchronisiersignals HS gleich der Anzahl der horizontalen Bildelemente der Kathoden­ strahlröhre 63 ist. Die Taktimpulse CLK werden dem Lese- Adressengenerator 67 zugeführt. Der Lese-Adressengene­ rator 67 bildet Leseadressen RAD für den Videospeicher 64 zur Durchführung des Auslesevorganges entsprechend dem die Kathodenstrahlröhre durchlaufenden Strahl. Die Adresse der (horizontalen) Hauptabtastrichtung wird von dem Horizontal-Synchronisiersignal HS rückgesetzt und von dem Taktsignal CLK erhöht. Die Adresse der (vertika­ len) Unterabtastrichtung wird von dem Vertikal-Synchro­ nisiersignal VS rückgesetzt und von dem Horizontal- Synchronisiersignal HS inkrementiert.

Ferner erzeugt der Zeitsignalgenerator 66 während der vertikalen Rücklaufzeit des Strahles der Kathodenstrahl­ röhre 63 das vorbestimmte Signal, das von dem Mikrocom­ puter 48 empfangen wird und dieser erzeugt das schon ge­ nannte Schreibbefehlsignal WE zur Durchführung der Daten­ einschreibung unabhängig von dem Zustand der Kathoden- Strahlröhre 63. Alternativ kann eine Schnittstelle vor­ gesehen sein, die einen Koordinatenschreiber oder Drucker steuert, um eine dauerhafte Kopie des von der Katho­ denstrahlröhre 63 angezeigten Bildes zu erhalten. In diesem Fall sind die in dem Videospeicher 64 gespeicher­ ten Daten unmittelbar auswertbar. Der Koordinatenschrei­ ber oder Drucker können auch an der Steuereinheit 4 mon­ tiert sein.

Fig. 5 zeigt ein Flußdiagramm, das den Steuerinhalt des Mikrocomputers 48 darstellt und im folgenden erläutert wird. Der Startschalter 49 wird betätigt, um die normale Rotation des Impulsmotors 42 durchzuführen.

Der eingestellte Inhalt X des Digitalschalters 51 wird ausgelesen, um den Wert P ₁ = 90 - X und den Wert P ₃ = 90 + X zu erhalten. Der Wert P ₂ = 90. Die Werte P ₁, P ₃ und die Position B werden in dem vorbestimmten Register gehalten und die den Wert P ₁, P ₂ und P ₃ ent­ sprechenden Blickfeldpositionen a, b und c werden in den Videospeicher 64 eingeschrieben, um an der weißen Längs­ linie angezeigt zu werden, in der die Horizontaladressen jeweils mit der Schreibadresse übereinstimmen. Nach dem Start des Impulsmotors 42 wird von dem Drehwinkelkodie­ rer 41 kurze Zeit später der Nullpunktimpuls erzeugt, durch den der Zähler, der die Ausgangsimpulse des Dreh­ winkelkodierers 41 zählt, rückgesetzt wird, um die Blick­ feldposition des Blickfeldes des Bildsensor 34 zu defi­ nieren. Dann werden die Daten vom Bildsensor 34 in noch zu erläuternder Weise ausgelesen und die Spitzenadresse wird in noch zu erläuternder Weise berechnet. Die Spitzen­ adresse entspricht denjenigen Bitadressen 1 bis 1024 des Bildsensors 34, die die hellen Streifen enthalten, und denjenigen Informationen, die für die Berechnung der oben erwähnten Werte P und Δ P benutzt werden. Die berechnete Spitzenadresse (die zahlenmäßigen hellen Streifen ent­ spricht) wird in den Videospeicher 64 für die Anzeige eingeschrieben. Auf diese Weise wird die Horizontaladres­ se für die Schreibadresse WAD so bestimmt, daß dasjenige Erkennungsergebnis im Blickfeld, das sich ergibt, wenn der Zählerstand 0 ist, an der Kathodenstrahlröhre 63 in der Nähe des linken Endes des Rasters angeordnet wird, wobei festgelegt wird, daß die Vertikaladressen, die die genannte Horizontaladresse gemeinsam haben, der Spitzen­ adresse zugeordnet sind.

Wenn der Impuls von dem Drehwinkelkodierer 41 abgegeben wird, wird der Wert vom Bildsensor 34 wiederum gelesen und die Spitzenadresse wird berechnet und in den Video­ speicher eingeschrieben. Danach wird der Zähler inkre­ mentiert. Dieser Vorgang wird wiederholt, bis der Zähler­ stand des Zählers mit dem Wert P ₁ im Register überein­ stimmt. Zusätzlich werden in der von dem Einschreiben unabhängigen Zeitperiode die nacheinander eingeschriebe­ nen Werte von dem Videospeicher 64 ausgelesen und kon­ tinuierlich an der Kathodenstrahlröhre 63 angezeigt.

Wenn der Zählerstand des Zählers den Wert P ₁ erreicht, werden die Spitzenadressen P ₁₁, P ₁₂, . . . P _1i berechnet, in einem Schreib-Lese-Speicher (RAM) im Mikrocomputer 48 festgehalten und in dem Bildspeicher 64 eingeschrieben. In diesem Fall erfolgt das Einschreiben in den RAM sepa­ rat in zwei Speicherbereiche, von denen einer zur Berech­ nung von P und Δ P und der andere für die entsprechenden Spitzenadressen, d. h. zur Identifizierung der hellen Streifen, benutzt wird. Das Einschreiben von Daten des Bildsensors 34 und die Erhöhung des Zählerstandes des Zählers werden jedesmal durchgeführt, wenn der Drehwinkel­ kodierer 41 einen Impuls erzeugt. Dabei werden die von dem Bildsensor 34 beschriebenen Daten zur Berechnung der Spitzenadressen und zum Einschreiben dieser Spitzenadres­ sen in den Videospeicher 64 benutzt. Die berechneten Spitzenadressen werden zunächst mit denjenigen Spitzen­ adressen P ₁₁, P ₁₂ . . . P _1i verglichen, die einen Vorgang zuvor erhalten worden sind, so daß die Aufzeichnung in bezug auf diejenigen Spitzenadressen, die neu aufgetrete­ nen oder verschwundenen hellen Streifen entsprechen, zu­ sammen mit den Adressen in dem RAM erfolgt. Die in dem RAM festgehaltenen Spitzenadressen werden als Vergleichs­ daten für die bei dem nächstfolgenden Vorgang berechneten Spitzenadressen benutzt und dieser Vorgang wird fortge­ setzt bis der Zählerstand den Wert P ₂ erreicht. Der ge­ schilderte sequentielle Vergleich der Spitzenadressen führt zur Identifizierung heller Streifen und hat zur Folge, daß selbst wenn das Interferenzmuster komplex ist, jeweils benachbarte helle Streifen, die sich in der Wel­ lenlänge um λ/2 unterscheiden, niemals falsch zugeordnet oder verwechselt werden.

Wenn der Zählerstand den Wert P ₂ erreicht, werden wie bei dem obigen Vorgang die Spitzenadressen P ₂₁, P ₂₂ . . . P _2i errechnet und zur Anzeige in den Videospeicher 64 eingeschrieben und für die Ebenheitsberechnung oder die Identifizierung der hellen Streifen in dem RAM festgehal­ ten.

Danach werden zwischen P ₂ und P ₃ die Spitzenadressen in den Bildspeicher 64 eingegeben und zur Identifizierung der hellen Streifen in dem RAM gespeichert. Auch wenn der Zählerstand den Wert P ₃ annimmt, werden sie in gleicher Weise wie im Falle von P ₁ und P ₂ in den Videospeicher 64 und dem RAM eingegeben.

Anschließend erfolgt das Auslesen der Daten, die Berech­ nung der Spitzenadressen und das Einschreiben der Spitzen­ adressen in den Videospeicher 64 repetierend bis der End­ schalter 44 betätigt wird, wodurch der Impulsmotor 42 in Rückwärtsrichtung angetrieben wird. Dadurch werden die Spitzenadressen unter denjenigen Adressen an P ₁, P ₂ und P ₃, die sich auf die gemeinsamen hellen Streifen be­ ziehen, berechnet und hieraus wird die Ebenheit berech­ net und an der numerischen Anzeigeeinheit 60 angezeigt.

Hierdurch erhält man durch Drehen des Spiegels 32 an dem Bildsensor 34 Informationen über das gesamte Blickfeld, beginnend an der Stelle, an der der Nullpunktimpuls des Drehwinkelkodierers 41 erzeugt wird, und zwar in Richtung der Blickfeldpositionen a, b und c. Die Spitzenadressen für die Daten der hellen Streifen werden in den Video­ speicher 64 eingeschrieben. Danach zeigt die Kathoden- Strahlröhre 63 ein vergrößertes Streifenmuster, das gleich demjenigen ist, das an dem Lichtsumpf 33 abgebildet wird, und die längslaufenden Linien zeigen jeweils die verschie­ denen Blickfeldpositionen a, b und c an.

Als nächstes wird das Auslesen von Daten aus dem Bild­ sensor 34 anhand des Flußdiagramms der Fig. 6 erläutert. Wenn die vorbestimmten Bedingungen erfüllt sind, wie z. B. das eingeben des Impulses des Drehwinkelkodierers zum Starten der Dateneinlesung, wird ein mit der Antriebs­ schaltung 45 verbundenes und dieser einen Startimpuls zuführendes Ausgangstor auf Hochsignal gesetzt, der Zähler im Mikrocomputer 48 wird auf den Wert 3 gestellt und dann wird der Antriebsschaltung 45 ein Impulstakt zugeführt. Der Impulstakt zählt den Zählerstand herunter, so daß das Ausgangstor auf Tiefsignal gesetzt wird, nach­ dem der Zählerstand Null geworden ist, d. h. der Start­ impuls bricht ab. Dieser Prozeß dient dazu, eine kompen­ sierende Zeitverzögerung (für drei Impulse) vom Empfang des Startimpulses durch den Bildsensor 34 bis zum Erzeugen des ersten Ausgangsbits hervorzurufen.

Als nächstes wird die Anfangsadresse K in dem für die Datenauslesung bestimmten inneren Bereich des Speichers RAM an dem Adressenzähler eingestellt und an dem vorbe­ stimmten Zähler wird die Bitzahl von 1024 des Bildsensors 34 eingestellt. Dann wird das analoge Ausgangssignal des Bildsensors 34 synchron mit dem Impulstakt in ein Digital­ signal umgewandelt, der Digitalwert wird in die Adresse K eingespeichert und der Adressenzähler wird inkrementiert, während der oben geschilderte Zähler dekrementiert wird. Dieser Prozeß wird fortgesetzt, bis der Zählwert des Zäh­ lers Null wird, und dann werden die Daten in die Adressen K bis K + 1023 des RAM eingespeichert.

Fig. 7 zeigt ein Flußdiagramm des Prozeßinhalts für die Spitzenadressenberechnung. Zuerst wird an einem ersten Adressenzähler der Wert K + 50 (K ist die Anfangsadresse des Speicherbereichs des RAM, in der der Wert von 1024 für das Verarbeitungsobjekt gespeichert ist) und an einem anderen Zähler die Zahl 900 eingestellt. Dies dient dazu, die oberen 51 Bits und die unteren 124 Bits der insgesamt 1024 Bits von der Datenverarbeitung auszunehmen. Als nächstes wird die Anfangsadresse in demjenigen Speicher­ bereich des RAM, in dem die berechneten Spitzenadressen gespeichert werden sollen, an einem zweiten Adressen­ zähler auf K′ eingestellt. An einem Spitzenzähler zum Zählen der berechneten Spitzenadressen wird schließlich der Wert Null eingestellt.

Als nächstes werden der Wert DATA 0 der Adresse (zuerst der Adresse K + 50), die im ersten Adressenzähler steht, und der Wert DATA 1 der nächsten Adresse (als erstes der Adresse K + 51) aus­ gelesen und miteinander verglichen. Wenn beiden Werte gleich sind (was bedeutet, daß die Lichtstärken beider Bits gleich sind), wird der Inhalt des ersten Adressen­ zählers um +1 erhöht und der Inhalt des Zählers um -1 erniedrigt. Dann werden die nachfolgenden Adressen dem­ selben Prozeß unterzogen.

Wenn andererseits der Wert DATA 0 < DATA 1 ist (was be­ deutet, daß das [K+51]te Bit dunkler ist als das [K+50]te Bit), wird der Inhalt des ersten Adressenzählers um +1 erhöht und der Inhalt des Zählers um -1 erniedrigt. Unter dieser Bedingung werden die Werte DATA 1 (Adresse K+50) und DATA 0 (Adresse K+51) ausgelesen und mitein­ ander verglichen, so daß wenn DATA 1 nicht größer DATA 0 ist, die Tendenz besteht, daß das Bild mit größer werden­ der Adresse dunkler wird. Danach wird der gleiche Prozeß wiederholt. Wenn bei diesem Prozeß der Zustand DATA 0 < DATA 1 auftritt, beginnt der spezifische Spitzenadres­ senschritt gemäß nachfolgender Erläuterung.

Mit anderen Worten: Wenn bei dem Prozeß der sequentiel­ len Inkrementierung der erste Adressenzähler K+50 ist oder DATA 0 < DATA 1 auftritt, wird festgestellt, daß das Bild mit im Zuge der Datenverarbeitung größer werden­ der Adresse heller wird. In diesem Fall wird der Prozeß der Erhöhung des ersten Adressenzählers um +1 und der Verringerung des Zählerstandes des Zählers um -1 wieder­ holt bis DATA 0 < DATA 1 ist, mit anderen Worten: bis die Adresse des hellsten Bits gleich dem Inhalt des er­ sten Adressenzählers wird. In dieser Stufe wird der In­ halt des ersten Adressenzählers als Spitzenadresse in die durch den zweiten Adressenzähler angegebene RAM-Adres­ se (zuerst die Adresse K′) eingegeben, so daß der zweite Adressenzähler den Inhalt +1 hat und der Inhalt des Spitzenzählers um +1 verändert wird. Dann wird der Ver­ gleich von DATA 0 mit DATA 1 wiederholt. Der oben angege­ bene Prozeß wird so lange ausgeführt, bis der Inhalt des Zählers 0 wird.

Auf diese Weise erhält man durch den oben geschilderten Prozeß die Spitzenadressen als Positionsdaten für die Mitten der hellen Interferenzstreifen, die von dem Bild­ sensor eingefangen werden. Diese Information wird in der nachfolgend angegebenen Weise zur Berechnung der Ebenheit benutzt und an der Kathodenstrahlröhre 63, wie oben dar­ gelegt, angezeigt. Ferner ist aus Gründen der einfacheren Erläuterung in der obigen Beschreibung angegeben, daß die Spitzenadressen zur Anzeige in den Videospeicher 64 eingeschrieben werden, jedoch werden die hellen Streifen so dünn, daß sie nicht sichtbar sind, wodurch ebenfalls die Spitzenadressen und die Adressen an ihren beiden Sei­ ten berücksichtigt werden, und die weiß anzuzeigenden Daten werden in den Videospeicher 64 eingespeichert.

Das Ebenheitsmeßgerät benutzt die zuvor erwähnten Spitzen­ adressen P ₁₁, P ₁₂ . . . P _1i . . . , P ₂₁, P ₂₂ . . . P _2i . . . und P ₃₁, P ₃₂ und P _3i . . . als Daten für die Ebenheitsberechnung, jedoch wird der helle Streifen (z. B. der helle Streifen in der untersten durchgezogenen Linie in Fig. 1), der auf dem Weg zwischen den Adressen P ₁(=90 - x) und P ₃(=90 + x) erscheint oder verschwindet, von der Verar­ beitung ausgenommen. Dieser Streifen wird nach Durchfüh­ rung der oben geschilderten Spitzenadressenberechnung durch Vergleich mit der vor einem Ausgangsimpuls des Dreh­ winkelkodierers 41 berechneten Spitzenadresse identifi­ ziert und seine Aufzeichnungsinformation wird dem RAM zugeführt.

Die Identifizierung der hellen Streifen durch die Spitzen­ adressen wird wie folgt durchgeführt:

Die letzten (spätesten) Spitzenadressen werden nach dem Flußdiagramm der Fig. 8 durch P _j,1, P _j,2 . . . P _j,s gebil­ det (s ist der Zählerstand des Spitzenzählers) und die jeweils vorhergehende Spitzenadresse eines Ausgangs des Drehwinkelkodierers 41 ist P _j-1, 1; P _{j-2, 2}; . . . Zuerst wird (P _j,2 - P _j,1)/4 = P ₀, ± 1/4 des Streifengrundmaßes P berechnet, so daß entschieden wird, ob der Zustand der Streifenidentifizierung kleiner ist als das Rechenergeb­ nis.

Die Differenzen Δ P ₁ und Δ P ₂ zwischen P _j,1 und P _j-1,1 und zwischen P _j,1 und P _j-1,2 werden berechnet, um Streifen, die in Kombination kleiner sind als P ₀, als solche zu identi­ fizieren. Im Falle der Identifizierung von P _j,1 mit P _j-1,2 wird P _j-1,1 als für die Ebenheitsberechnung vernachlässigbar oder unnötig abgespeichert. Dann werden die Differenzen Δ P _k-1, Δ P _k und Δ P _k+1 zwischen der k(2, 3 . . . s)ten Spitze P _j,k und P _{j-1, k-1}; P _j,k und P _{j-1, k} und P _{j+1, k} jeweils so ermittelt, daß die kombinierten Streifen, wenn die Differenzen nicht mehr als P ₀ betragen, als solche identifiziert werden.

Mit anderen Worten: In dem Fall, daß die Differenz Δ P _k-1 zwischen P _j,k und P _{j-1, k-1} kleiner ist als P ₀, werden P _j,k und P _{j-1 k-1} als Spitzenadressen für denselben hel­ len Streifen identifiziert. Wenn Δ P _k zwischen P _j,k und P _{j-1, k} kleiner ist als P ₀, werden P _{j-1, k} als Spitzenadressen desselben hellen Streifens identifiziert und wenn Δ P _k+1 zwischen P _j,k und P _{j-1, k-1} kleiner ist als P ₀, werden P _j,k und P _{j-1, k+1} als Spitzenadressen desselben hellen Streifens identifiziert.

Wenn irgendein Wert von Δ P _k-1, Δ P _k und Δ P _k+1 größer ist als P ₀ wird die Identifizierung für das neue Auftreten eines hellen Streifens P _j,s durchgeführt.

Auf diese Weise werden von den Spitzenadressen P ₁₁, P ₁₂, . . . P _1i . . . , P ₂₁, P ₂₂ . . . P _2i . . . ; und P ₃₁, P ₃₂ . . . P _3i . . . , mit Ausnahme solcher, von denen aufgezeichnet ist, daß sie auf dem Wege auftauchen oder verschwinden, die numerischen Werte jeweils eines Satzes aus drei in ab­ fallender Reihenfolge kombinierten Spitzenadressen als Spitzenadressen, die demselben hellen Streifen angehören, identifiziert. Die Daten einer Gruppe aus drei Spitzen­ adressen werden berechnet, um die Ebenheit durch folgende Gleichung (1) zu erhalten:

Auf diese Weise ergibt sich die Ebenheit F = (F ₁ + F ₂ + · · · + F _m-1)/(m-1), wobei m die Gesamtzahl der Streifen ist, die sich über die Blickfeldpositionen a, b und c erstrecken.

Die Ebenheit F in der oben angegebenen Form wird an der Anzeigeeinrichtung 60 angezeigt. In dem Fall, daß ein Wert von m nicht mehr als 2 oder nicht weniger als 16 beträgt, erfolgt eine Fehleranzeige, weil der erste Wert von m zu einer zu geringen Zahl von Werten führen kann und der zweite Wert zu einer zu geringen Zuverlässigkeit. Alternativ können auch der höchste und der niedrigste Wert unter den Werten F ₁ bis F _m-1 von der Berechnung der Ebenheit F ausgeschlossen werden, um zu weit abliegende Daten auszuschließen. Ferner ist das oben geschilderte Verfahren ebenso wie für helle Streifen auch für die Aus­ wertung der dunklen Streifen anwendbar.

Bei der Verwendung einer Diodenreihe, welche zahlreiche foto­ elektrische Umsetzer enthält, die so aneinandergereiht sind, daß sie den eindimensionalen Bildsensor 34 ergeben, können normalerweise Variationen im Übertragungsverhalten der jeweiligen Elemente von etwa 10 bis 15% den Meßfehler derart hoch werden lassen, daß die oben geschilderte außer­ ordentlich feine Messung undurchführbar wird. Zur Aus­ schaltung derartiger Variationen des Übertragungsverhal­ tens und zur Durchführung einer Messung mit hoher Genauig­ keit braucht von dem Mikrocomputer 48 lediglich der folgende Prozeß ausgeführt zu werden:

Fig. 9 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerinhalts des Mikrocom­ puters 48, wenn dieser im Kompensationsmodus arbeitet. Die­ ser Operationsmodus braucht lediglich irgendwann und bei Bedarf ausgeführt zu werden. Für die Operation wird das Meßobjekt 10 nicht benötigt und es wird ein Stellschal­ ter für den Kompensationsmodus (nicht dargestellt) be­ tätigt, um an den Mikrocomputer 48 einen entsprechenden Ausführungsbefehl zu geben.

Nach Betätigung des Schalters für den Kompensationsbefehl liest der Mikrocomputer 48 die Signale aller fotoelektri­ schen Umsetzer des Bildsensors 34 ab, d. h. die Ausgangs­ signale OP _i des ersten bis 1024sten Bits, während der Zählerstand von 1 auf 1024 verändert wird, und speichert die in einem bestimmten Bereich des Speichers RAM. In diesem Fall empfängt der Bildsensor - anders als bei der oben beschriebenen Ebenheitsmessung - an allen fotoelek­ trischen Umsetzern das gleichförmige katoptrische Licht von der Referenzebene 29 a.

Als nächstes wird nach Berechnung des Ausgangssignals OP _i (i = 1 bis 1024) vom Speicher RAM der Mittelwert aller fotoelektrischer Umsetzerelemente nach der folgenden Gleichung ermittelt:

Eine Differenz CP _i zwischen dem Mittelwert und dem Ausgangssignal OP _i errechnet sich zu

CP _i = - OP _i (4)

Die Differenz CP _i wird als Kompensationswert für die Dif­ ferenzen oder Variationen der fotoelektrischen Umsetzung des jeweiligen Umsetzerelementes zusammen mit der Infor­ mation i die dieses Umsetzerelement kennzeichnet, in dem Speicher RAM gespeichert, woraufhin die Operations­ serie des Kompensationsmodus beendet ist.

Die Kompensationswerte CP _i , die auf diese Weise gespei­ chert sind, werden auf die folgende Weise beim Auslese­ prozeß der Daten aus dem Bildsensor 34 benutzt: Fig. 10 zeigt ein Flußdiagramm des Datenausleseprozesses, der als Ersatz für den in Fig. 6 dargestellten Prozeß genom­ men wird. Nachdem die Daten, ähnlich wie vorher beschrie­ ben, in den Adressen K bis K+1023 des Speichers RAM ge­ speichert worden sind, erfolgt das Auslesen und Addieren der Kompensationswerte CP _i . Kurz gesagt: Der Wert K wird an dem ersten Adressenzähler eingestellt und der Wert K″ (die Anfangsadresse des die Kompensationswerte CP _i spei­ chernden Bereichs des Speichers RAM) wird an dem zweiten Adressenzähler eingestellt und außerdem wird an dem Zäh­ ler die Zahl 1024 eingestellt. Die Daten aus dem Bild­ sensor 34 werden entsprechend dem Inhalt des ersten Ad­ ressenzählers und die Kompensationswerte CP _i werden ent­ sprechend dem Inhalt des zweiten Adressenzählers ausge­ lesen, so daß beide Daten addiert werden. Man beachte, daß in Gleichung (4) der Wert CP _i positiv ist, wenn das Ausgangssignal des fotoelektrischen Umsetzerelementes kleiner ist als der Mittelwert . Die sich bei der Ad­ dition ergebende Summe wird entsprechend dem Inhalt des ersten Adressenzählers in den Speicher RAM eingespeichert. Dann wird der Prozeß des Erhöhens der Inhalte des ersten und zweiten Adressenzählers um +1 und des Erniedrigens des Inhalts des Zählers um -1 wiederholt, bis der Inhalt des Zählers 0 wird. Auf diese Weise wird das Addieren der Kompensationwerte CP _i zu den von dem Umsetzer gelie­ ferten Signalen durchgeführt, wodurch die Streuungen im Übertragungsverhalten der jeweiligen fotoelektrischen Umsetzerelemente des Bildsensors 34 kompensiert werden. Auf diese Weise erfolgt die Messung mit hoher Genauigkeit, ohne durch Exemplarstreuungen oder zeitliche Veränderungen des Übertragungsverhaltens beeinträchtigt zu werden, selbst wenn solche Streuungen oder Veränderungen des Übertra­ gungsverhaltens der fotoelektrischen Umsetzerelemente auftreten.

Die Komponenten der oben beschriebenen Ebenheitsmeßein­ richtung sind so fest wie möglich ausgebildet und mon­ tiert, um Meßfehler infolge externer Vibrationen zu ver­ hindern. Außerdem dienen die Gummipuffer 15 und die Tief­ paßfilter 56 a, 56 b und 56 c, die das durch externe Vibra­ tionen verursachte Rauschen durch die jeweilige Grenz­ frequenz abschneiden, zur Verhinderung von Störeinflüssen. Wenn noch weitere Fehler eliminiert werden sollen, die durch externe Vibrationen oder durch Verschiebungen am optischen System auftreten, nachdem eine gewisse Zeit verstrichen ist, können zur Sicherstellung der hohen Ge­ nauigkeit der Ebenheitsmessung die folgenden Maßnahmen ergriffen werden.

Die optische Fläche 29 ist an ihrer Oberseite (der Re­ ferenzebene 29 a) mit einer in Fig. 3 strichpunktiert dargestellten dünnen Eichlinie 29 b versehen, die durch metallische Aufdampfung od. dgl. gebildet ist, so daß der Reflexionsfaktor an der Eichlinie 29 b kleiner ist als an den anderen Stellen der Referenzebene 29 a. Der dünne Eichstrich 29 b ist geradlinig und er verläuft - vom Bild­ sensor 34 aus betrachtet - rechtwinklig zur Längsrichtung des Bildsensors. Der Eichstrich ist auf der optischen Fläche 29 so angeordnet, so daß er seitlich an einem Längs­ ende des Bildsensors 34 abgebildet wird, genau gesagt: an derjenigen Stelle, an der die unten noch erläuterte Bitadresse größer ist als 52. Der Eichstrich 29 b ist fer­ ner lang genug, um von dem Bildsensor 34 auch dann noch erfaßt zu werden, wenn der Spiegel 32 die beiderseitigen Endstellungen im Drehbereich einnimmt, und seine Breite ist etwas größer (z. B. 30 µm) als das Grundmaß der ein­ zelnen fotoelektrischen Umsetzer im Bildsensor 34 (hier: 20 µm), so daß der Eichstrich stets von mindestens einem Bit des Bildsensors 34 erfaßt wird.

Fig. 11 zeigt ein Flußdiagramm des Steuerinhalts des Mikrocomputers 48 während der Durchführung des Kalibrier­ modus. Eine derartige Operation braucht nur gelegentlich und bei Bedarf ausgeführt zu werden. Bei ihr wird, ohne daß ein Meßobjekt 10 vorhanden ist, der (nicht darge­ stellte) Schalter zur Durchführung des Kalibriermodus be­ tätigt und dem Mikrocomputer 48 ein Befehl zur Durchführung dieses Modus zugeführt. Wenn dies geschieht, setzt der Mikrocomputer 48 den Impulsmotor 42 in Betrieb. Der (für die nachfolgende Messung) an dem Digitalschalter 51 eingestellte Inhalt X wird ausgelesen, um die Werte P ₁ = 90 - X und P ₃ + X zu ermitteln (P ₂ = 90). Hier­ durch werden die Werte P ₁ und P ₃ sowie die B-Position in das hierfür vorgesehene Register eingespeichert. Kurze Zeit nach dem Start der Drehung des Impulsmotors 42 wird von dem Drehwinkelkodierer 41 der Nullpunktimpuls geliefert, der den die Ausgangsimpulse des Drehwinkelkodierers 41 zählenden Zähler rücksetzt, um die Bildfeldposition des Bildsensors 34 zu definieren. Das Zählen der Ausgangs­ impulse des Drehwinkelkodierers 41 wird fortgesetzt und wenn der den in dem Register gespeicherte Wert P ₁ er­ reicht ist, werden aus dem Bildsensor 34 die Daten zur Errechnung der untersten Adresse P ₁ bottom (nachfolgend erläutert) ausgelesen. Die unterste Adresse wird von der­ jenigen Bitadresse 1 bis 1024 des Bildsensors 34 gebil­ det, die die dünne Linie 29 b erkennt (wo das katoptrische Licht von der Referenzebene 29 a der optischen Fläche 29 auf den Bildsensor 34 trifft, wobei die dünne Linie 29 b den einzigen Teil des Bildfeldes mit niedrigem Reflexions­ faktor darstellt und dunkel erscheint).

Als nächstes wird P _c1 = P ₁ bottom - P _s berechnet (s. Fig. 12), worin P _s der Referenzwert ist, der zuvor, bei­ spielsweise bei der Montage des Gerätes, in den Mikro­ computer 48 eingeschrieben worden ist. Zu jener Zeit ist diejenige Bitadresse des Bildsensors 34, die die dünne Linie 29 b erfaßt, bei vollständig justiertem optischem System und unter idealen Bedingungen ohne jegliche Vibra­ tion festgelegt worden.

Als nächstes wird der Absolutwert |P _c1| mit einem zuvor in den ROM eingegebenen zulässigen Fehler (z. B. zwei Bits) verglichen, so daß eine 0 in den RAM eingespeichert wird, wenn |P _c1| nicht größer ist als E, und wenn |P _c1| E übersteigt, wird der Wert |P _c1|, der genau gleich dem berechneten Wert ist, als Kalibrierwert eingespeichert.

Ferner werden die Ausgangsimpulse des Drehwinkelkodierers 41 gezählt bis der Zählerstand den Wert P ₂ erreicht hat. Zu dieser Zeit wird die unterste Adresse P ₂ bottom in der oben angegebenen Weise errechnet, um den Wert zu erhalten, der in dem RAM gespeichert wird. Auch wenn der Zählerstand den Wert P ₃ annimmt, wird in gleicher Weise ermittelt und in dem RAM gespeichert. Im vor­ liegenden Fall werden zur Berechnung von und P _s und E von gleichem Wert benutzt. Dann wird der Impuls­ motor 42 in Rückwärtsrichtung angetrieben und bei Betäti­ gung des Endschalters 43 angehalten. Auf diese Weise wird die Operationsserie des Kalibriermodus beendet.

Die Kalibrierdaten , und , die während des Kali­ briermodus in dem RAM gespeichert worden sind, werden für die Ebenheitsberechnung F ₁, F ₂ . . . F _m-1 benutzt. Mit anderen Worten: Die Spitzenadressen in einer Dreiergruppe (P ₁₁, P ₂₁, P ₃₁), (P ₁₂, P ₂₂, P ₃₂) . . . (P _1i , P _2i , P _3i ) . . . , die an den Positionen a, b und c gemeinsam erhalten wurde, werden zur Durchführung der Berechnung von F ₁, F ₂ . . . F _m-1 und der Ebenheit F wie folgt benutzt:

Ebenheit F = (F ₁ + F ₂ + · · · + F _m-1)/(m-1).

In den obigen Gleichungen entsprechen die Nenner der Mul­ tiplikatoren in den Gleichungen für F ₁ und F ₂ dem Wert P in Gleichung (1) und ebenso entsprechen die Zähler den Größen Δ P in Gleichung (1) oder (2). Da P nur unter Be­ nutzung der Daten in der Bildfeldposition b und der an­ nähernd gleichzeitig erhaltenen Daten berechnet wird, ist die Kompensation einer Verschiebung im optischen System oder von Vibrationen nicht erforderlich. Da Δ P dagegen unter Verwendung von Daten in den Bildfeldpositionen a, b und c berechnet wird, werden die Kalibrierdaten , und benutzt, um die Unregelmäßigkeiten im opti­ schen System an jeder Bildfeldposition bzw. etwaige Ver­ schiebungen unter dem Vibrationseinfluß zu eliminieren. Wenn diese Werte gleich sind, haben die Kompensationsdaten natürlich keinen Einfluß auf die Berechnung der Ebenheit F.

Claims (4)

1. Ebenheitsmeßgerät mit einer kohärentes Licht aussendenden Lichtquelle (21), deren Licht durch einen vor einer Referenzebene (29 a) angeordneten halbdurchlässigen Spiegel (28) auf eine Meßfläche (10) fällt, wobei durch Überlagerung von reflektiertem Licht der Referenzebene (29 a) und reflektiertem Licht der Meßfläche (10 a) ein Interferogramm entsteht, einem die Interferenzstreifen erfassenden Bildsensor (34), der mehrere in einer einzigen Reihe angeordnete fotoelektrische Umwandlungselemente aufweist und einer die Signale des Bildsensors (34) verarbeitenden Auswerteeinheit (4) zur Ebenheitsberechnung der Meßfläche (10 a), dadurch gekennzeichnet,
daß sich im Strahlengang zwischen der Referenzebene (29 a) und dem Bildsensor (34) eine drehbare optische Einrichtung (32) befindet. die das reflektierte Licht in der Hauptrichtung der Interferenzstreifen über den Bildsensor (34) bewegt, so daß der Bildsensor (34) nacheinander quer zu der Hauptrichtung der Interferenzstreifen verlaufende Abtastspalten des Interferogramms erfaßt,
daß die drehbare optische Einrichtung (32) mit einem Drehwinkeldetektor (41) gekoppelt ist,
daß der Drehwinkeldetektor (41) den jeweiligen Drehwinkel der optischen Einrichtung (32) an die Auswerteeinheit (4) liefert,
daß über eine numerische Dateneingabeeeinrichtung (51) ein Meßgebiet (a-c) der Meßfläche auswählbar ist,
wobei die Auswerteeinheit (4) nur die das Meßgebiet (a-c) betreffenden Signale des Bildsensors (34) verarbeitet,
daß die Auswerteeinheit (4) für jede Abtastspalte aus den Signalen des Bildsensors (34) Spitzenwerte der Lichtintensität ermittelt und abspeichert, die bei zwei aufeinanderfolgenden Abtastspalten gewonnenen Spitzenwerte miteinander vergleicht und einen Spitzenwert der nachfolgenden Abtastspalte einem Spitzenwert der vorhergehenden Abtastspalte zuordnet, wenn die Positionen dieser Spitzenwerte quer zur Streifenrichtung um weniger als ein Viertel der Wellenlänge des kohärenten Lichtes voneinander abweichen, und
daß die Auswerteeinheit (4) eine Kompensationseinrichtung aufweist, die in einem Abgleichvorgang bei im wesentlichen gleichmäßigem Lichtempfang sämtlicher Umwandlungselemente des Bildsensors (34) Korrekturdaten für das Übertragungsverhalten der einzelnen Umwandlungselemente ermittelt und speichert.

2. Ebenheitsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bildanzeigeeinheit (33; 63) zur zweidimensionalen Wiedergabe der durch die Drehung der optischen Einrichtung (32) aufgenommenen Information der Interferenzstreifen vorgesehen ist.

3. Ebenheitsmeßgerät nach Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung zur Erzeugung einer bleibenden zweidimensionalen Aufzeichung der von der optischen Einrichtung (32) aufgenommenen zweidimensionalen Interferenzstreifen vorgesehen ist.

4. Ebenheitsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Referenzebene (29 a) mit einem örtlichen Kalibrierbereich (29 b) versehen ist, desssen Reflektionsfaktor von dem übrigen Teil der Referenzebene (29 a) abweicht, und daß die Auswerteeinheit (4) eine Kalibriereinrichtung aufweist, die in einem Abgleichvorgang aufgrund der Signale des Bildsensors (34) und eines vorher festgelegten Referenzwertes Kalibrierdaten erzeugt und diese für die Ebenheitsberechnung abspeichert.