DE2810025A1

DE2810025A1 - Vorrichtung zur messung der neigung einer flaeche

Info

Publication number: DE2810025A1
Application number: DE19782810025
Authority: DE
Inventors: Tadao Ishihara; Masahiro Kikuchi; Shigeo Kubota
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1977-03-08
Filing date: 1978-03-08
Publication date: 1978-09-21
Also published as: FR2383428A1; CA1130554A; US4289400A; AU513414B2; JPS6127682B2; JPS53110553A; FR2383428B1; AU3381778A; DE2810025C2; GB1588085A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Torrichtung zur kontinuierlichen Messung der Neigung einer Fläche mit hoher Genauigkeit.

Bei der Herstellung eines Phosphorbildschirmes einer Farbfernseh-Bildröhre wird ein flüssiger Brei roten Phosphors auf die Innenseite der Frontplatte der Bildröhre aufgebracht. Eine Glaslinse, die die tatsächliche Elektronenlinse der Bildröhre simuliert, wird vor der inneren Frontplatte der Bildröhre angeordnet und Licht wird dann durch die Linse projiziert, so daß es auf die Bereiche des Phosphors und eines Farbwählgitters (Lochgitter oder Lochblende) fällt, wo es auf die Bereiche der Phosphorschicht trifft, an denen roter Phosphor sein soll. Das Licht bewirkt, daß der Brei roten Phosphors erhärtet, und der restliche Brei wird dann abgewaschen. Der Vorgang wird dann durch Aufbringen eines grünen Breis auf die Innenseite der Frontplatte wiederholt. Die Bereiche, an denen grüner Phosphor in der endgültigen Ausführungsform erscheinen soll, werden dann durch Projektion von Licht durch die gleiche Linse gehärtet und die restlichen Teile des grünen Breis, die noch nicht gehärtet sind, werden abgewaschen. Der Vorgang wird dann ein drittes Mal für blauen Phosphor wiederholt. Dies ist schematisch in Figur 1 gezeigt, wo Phosphorschlamm 2 auf die Innenseite der Frontplatte 1 der Bildröhre aufgebracht wird. 5 stellt die Linse und 4 die Lichtquelle dar. Die Oberfläche ^a der Linse 5 ist gekrümmt, so daß Licht auf die Phosphorbereiche nach Durchgang durch eine Gitterelektrode oder Lochblende 3 fällt. Es ist sehr wichtig, daß die Krümmung der Stirnseite der Linse vor der Gitterelektrode bzw. Lochblende eine Flächenneigung innerhalb sehr enger Grenzen hat. Bei der Vahl einer Linse 5 für diesen Vorgang ist es wichtig, daß die Oberfläche untersucht

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wird, um ihre Qualität zu untersuchen. Es ist ersichtlich, daß es wichtig ist, den Fehler zu korrigieren, der durch die Näherungslösung durch Licht anstelle der Elektronenstrahlbahn sehr genau erfolgt.

Beim Stand der Technik war es bisher sehr schwierig, die Neigung eines beliebigen Punktes auf der gekrümmten Fläche zu messen, und es war nicht möglich, die Qualität der Korrekturlinse ausreichend zu steuern, um die richtige Qualität des Bildschirmes zu schaffen.

Es sind zahlreiche Techniken bekannt, um die physikalischen Abmessungen bezüglich der Neigung einer gekrümmten Fläche an verschiedenen ausgewählten Stellen direkt oder indirekt zu messen. Eine Methode besteht darin, die Dicke der Linse mechanisch unter Verwendung einer Meßuhrlehre zu messen. Dabei ist es zur Umwandlung des gemessenen dicken Wertes in einen Neigungswert notwendig, eine sehr hohe Dichte und eine genaue Abtastung anzuwenden, was bei solchen mechanischen Messungen nicht leicht ist. Außerdem berührt bei dieser Methode eine Nadel direkt die gekrümmte Fläche der Linse, wodurch die Antireflexionsschicht auf der Oberfläche der Linse durch die Nadel beschädigt werden kann.

Ein weiteres bekannten optisches Winkelmeßverfahren besteht ,in der Verwendung eines Autokollimators, jedoch wurde bei diesem Verfahren festgestellt, daß es schwierig ist, eine Abbildung der Oberfläche mit ausreichendem Licht zu erhalten, da es notwendig ist, das Betrachtungsfeld auf einen kleinen Bereich zu begrenzen, um die gekrümmte Oberfläche zu messen, in der sich die Neigung kontinuierlich ändert. Dies gilt insbesondere, wenn die Korrekturlinse beim optischen Drucken eines Phosphorbildschirmes einer Farbfernseh-Bildröhre verwendet wird, da der Neigungswert im Bereich

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eines Faktors von + 10 Radianten verteilt ist. Handelsüblich, erhältliche Autokollimatoren sind nicht verwendbar, da die Erfassungswinkel der Messung unterschiedlich sind.

Eine Projektionsmethode zur Verwendung eines kollimierten Laserstrahles ist ebenfalls zur Qualitätsprüfung einer Linse bekannt. Dabei wird die Linse mit Ausnahme bestimmter zu untersuchender Punkte mit einer Maske bedeckt, durch die der Laserstrahl verläuft, um Abbildungen einer photographischen Emulsion zu erzeugen. Dabei ist es jedoch notwendig, eine Maske vorzusehen, und es nicht möglich, jede Fläche einzeln zu prüfen, da Licht verwendet wird, das die Linse durchläuft.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Torrichtung zur Messung der Neigung einer gekrümmten Fläche an mehreren unterschiedlichen Stellen zu messen. Weiterhin soll eine Neigungsmeßvorrichtung geschaffen werden, die zur genauen, kontinuierlichen und automatischen Messung der Neigung dieser verschiedenen Flächenstellen verwendet werden kann, und die insbesondere zur Qualitätssteuerung einer Korrekturlinse geeignet ist, die in einem optischen Drucksystem bei der Herstellung von Leuchtstoff- bzw. Phosphorbildschirmen einer Farbfernseh-Bildröhre verwendet wird.

Die Vorrichtung gemäß der Erfindung hat eine Lichtstrahlquelle, wie eine Quelle zur Erzeugung eines Laserstrahles, der auf eine ausgewählte Stelle auf der Oberfläche eines Körpers, wie einer Linse, fokusiert ist, deren Neigung an dieser Stelle gemessen werden soll. Der Strahl wird auf eine Stelle auf der Oberfläche des Körpers projeziert, dessen Neigung bestimmt werden soll; dabei wird ein Teil des Lichtstrahles reflektiert, um einen Strahlpunkt auf einer Ebene entfernt von der Oberfläche zu bilden. Ein Photosen-

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sor ist an dieser Ebene vorgesehen, der dem Lichtpunkt folgt, bis der Photosensor und der Lichtpunkt miteinander übereinstimmen. Eine Anzeigeeinrichtung ist vorgesehen, die Signale anzeigt, die die Lage des Lichtpunktes auf der Ebene darstellen, die in eine Neigung der ausgewählten Stelle bezüglich der Bezugsebene umzuwandeln sind.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Linse, die untersucht wird, auf einem numerischen Steuertisch angeordnet, wo sie in solchen Eichtungen bewegt werden kann, daß der Laserstrahl auf verschiedene ausgewählte Stellen auf der gekrümmten Oberfläche der Linse fallen kann, wo die Neigung gemessen werden soll. Der reflektierte Laserstrahl wird veranlaßt, auf einen Halbspiegel und auf einen zweiten Spiegel zu treffen, wo er dann einen Photosensor erreicht, der auf einem X-Y-Schreiber angeordnet ist, der in zwei Eichtungen, nämlich der X-Eichtung und der Y-Eichtung, beweglich ist. Ein Antriebsregler bewegt den Photosensor, bis der reflektierte Lichtstrahl mit der Mitte des Photosensors übereinstimmt. Eine Spannung, die eine Funktion der Neigung der Stelle ist, von der der Laserstrahl reflektiert wird, wird aufgezeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Figuren 1 bis beispielsweise erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine schematische Darstellung, aus der eine optische Druckeinrichtung zur Herstellung eines Phosphorfarbmusters auf der Innenseite der Frontplatte einer Farbfernsehbildröhre hervorgeht, wobei in der optischen Druckeinrichtung eine Korrekturlinse verwendet ist, deren Oberflächenneigungen an verschiedenen Stellen durch die Vorrichtung der Erfindung zu messen sind,

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

Figur 3 schematisch einen Photosensor, der in der Vorrichtung der Erfindung verwendet wird.

Wie Figur 2 schematisch zeigt, ist ein Laserstrahlgenerator 11, zum Beispiel ein He-Fe-Gaslaser, an einer festen Stelle vorgesehen. Die zu prüfende Linse 12 ist auf einem Tisch 13 in einer bestimmten Lage angeordnet, die in X- und Y-Koordinaten ausgedrückt wird. Der Tisch 13 ist auf einer Drehplatte 14- eines numerischen Steuertisches 15 angeordnet. Die Bewegung der Drehplatte erfolgt unter der Steuerung des Steuertisches derart, daß die Linse 12 an einer bestimmten, durch X-Y-Koordinaten ausgedrückten, Stelle angeordnet wird. Die Linse kann somit in einer Ebene in X- und Y-Richtung entsprechend Steuersignalen eines Antriebsreglers 16 bewegt werden. Der Lasergenerator 11 erzeugt einen Strahl 17, der eine Linse 18 durchläuft. Danach wird der Strahl von einem Spiegel 19 in Richtung des Tisches 13 reflektiert. Der reflektierte Lichtstrahl durchläuft dann einen Halbspiegel, bis er auf eine Stelle auf der Oberfläche 12a der Linse 12 trifft. Der Strahl wird dann von der Linse reflektiert, wobei er unter einem Winkel gegenüber dem nach unten abgelenkten Lichtstrahl 19a abgelenkt wird, bis er auf den Halbspiegel 20 trifft. Der reflektierte Laserstrahl der Linse 12 wird von dem Halbspiegel 20 in einer Richtung reflektiert, daß er auf einen Spiegel 23 trifft. An dieser Stelle wird der Lichtstrahl wie bei 17a nach unten abgelenkt und bildet einen Punkt auf einer Ebene des X-Y-Schreibers 21. Ein Photosensor 22 ist auf einem beweglichen ebenen Tisch 22' des

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X-Y-Schreibers 21 angeordnet. Der Tisch 22' ist so ausgebildet, daß er in der X- oder der Y-Richtung unter der Steuerung eines Antriebsreglers 24 bewegt wird, bis die Mitte des Photosensors 22 mit der Mitte des durch den reflektierten Laserstrahl gebildeten Punktes übereinstimmt .

Der Photosensor 22 ist vorgesehen, um die Verstellung des Strahlpunktes an einer sogenannten Schreibstelle des X-Y-Schreibers zu ermitteln, die diejenige Stelle ist, an der der Lichtpunkt sein sollte, wenn die Neigung an der Stelle, die untersucht wird, die gewünschte Neigung ist. Der Photosensor 22 wird in eine Stellung bewegt, in der die Mitte des Sensors mit der Mitte des Lichtpunktes beim Empfanges des Lichtpunktes auf der Oberfläche des Photosensors übereinstimmt. Diese Bewegung wird durch die Rückkoppelung der Signale hervorgerufen, die die Verstellung des Lichtpunktes aus dem Sensor über eine Servoschaltung angeben, die in dem Antriebsregler 24 für den X-Y-Schreiber 21 enthalten ist. Der Photosensor 22 ist zur Ermittlung der Verstellung des Lichtpunktes zum Beispiel ein Differenzial-Photosensor, der aus vier Photodioden D^ bis D^ (Figur 3) besteht. Dabei wird ein Differenzsignal zwischen den Photodioden D. und Do auf der Grundlage der Verstellung des Lichtpunktes in den X-Eingang des X-Y-Schreibers rückgekoppelt, der die Bewegung des Photosensors in der X-Richtung steuert. In ähnlicher Weise wird ein Differenzsignal zwischen den Photodioden D, und Dn zu dem Y-Eingang des X-Y-Schreibers rückgekoppelt, der die Bewegung des Photosensors in der Y-Richtung steuert. Wenn daher die Ausgangslagebeziehung zwischen dem Photosensor 22 und dem Lichtpunkt 25 (Figur 3) bei Ankunft des Laserstrahles am Photosensor 22 durch durchgehende Linie in Figur

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dargestellt wird, wird der Photosensor durch Verstellen des Tisches 22', der den Photosensor trägt, in die Lage bewegt, in der das Differenzsignal in der X-Richtung, das von den Photodioden D. und D~ erhalten wird, und das Differenzsignal in der Y-Richtung, das von den Photodioden D^ und D^ erhalten wird, Null. Dies bedeutet, daß der Photosensor 22 in eine Lage bewegt wird, in der die Mitte O^j des Photosensors und die Mitte Op der Lichtverteilung miteinander übereinstimmen, wie durch die gestrichelten Linien'in Figur 3 gezeigt ist.

Bei dieser Anordnung ist die Verstellung Δ X zwischen dem Strahlpunkt aus einer Stelle, die der Messung auf der Linse 12 unterworfen wird, und dem Strahlpunkt aus der Bezugsstelle auf der Linse proportional der Neigung der gekrümmten Fläche an dieser Stelle, solange der reflektierte Strahl der Bezugsstelle senkrecht zur Ebene ist, auf der sich der Photosensor bewegt, d.h. der Ebene, auf der die Verstellung Λ Χ gemessen wird. Diese Beziehung wird wie folgt dargestellt:

|δχ| = L tan 2Θ = 2LO (θ« 1)

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

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Die Abbildung der Bezugsstelle und der Stelle, die der Messung unterworfen ist, ist im wesentlichen identisch, da der Laserstrahl fest ist und die Meßstelle zur Position der Bezugsstelle bei der Messung der Stelle bewegt wird. Es tritt zwar eine sehr geringe Höhenabweichung der Linse zwischen der Bezugsstelle und der Stelle auf, die der Messung unterworfen ist, jedoch ist diese Abweichung vernachlässigbar klein. Drei Stellen, die durch die obigen Abbildungen der Stelle auf der Linse'und die beiden Strahlpunkte gebildet wird, ergeben ein rechtwinkliges Dreieck mit einem Winkel an der Spitze von 20 und einer Länge L und Δ X der beiden Seiten an dem rechten Winkel«

Wenn sich der Photosensor auf der Ebene beilegt, die um einen Winkel f bezüglich der Ebene senkrecht zu dem reflektierten Laserstrahl von der Bezugsstelle aus geneigt ist, wird die Verschiebung /\ X außerdem um einen Korrekturkoeffizienten multipliziert, der eine Punktion von 7 und θ ist. Die Lage des Lichtpunktes an der Stelle, die der Messung unterworfen ist, wird durch die Eingangsspannung des X-Y-Schreibers angegeben, wenn der Lichtpunkt mit der Mitte des Photosensors übereinstimmt, von einem Kontrollgerät 26 kontrolliert und aufgezeichnet. Durch vorherigen Erhalt der Beziehung zwischen dem Neigungswert und der Eingangsspannung, die der Lage des Lichtpunktes entspricht, wird die Neigung der Linsenfläche an der ausgewählten Stelle auf der Linse 12 gemessen.

Ein Signal, das die Beendigung der Bestimmung der Lage des Strahlpunktes auf dem X-Y-Schreiber anzeigt, bewirkt eine Eingangsspannung im X-Y-Schreiber, die die Koordinaten des Photosensors (d.h. die Verschiebung wird

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abgelesen) angibt, und ein Signal, das die Beendigung der Ausgabe der Eingangsspannung für den X-Y-Schreiber anzeigt, was ein Startsignal für die Lagebewegung des Tisches 15 ist, um die Korrekturlinse zur nächsten Meßstelle zu bewegen.

Bei der obigen Konstruktion wird die zu untersuchende Linse 12 zunächst in einer bestimmten Lage bezüglich des einfallenden Laserstrahles durch den Tisch 15 angeordnet, und der Laserstrahl 17 erreicht eine bestimmte erste Stelle auf der gekrümmten Fläche 12a der Linse 12 und wird reflektiert, um den Strahlpunkt auf dem Photosensor 22 zu veranlassen, der auf der Oberfläche des X-Y-Schreibers 21 vorgesehen ist. Der Photosensor 22 folgt dem Strahlpunkt, bis die Mitte des Photosensors mit der Mitte des Strahlpunktes auf der Grundlage des Signals, das die Verstellung des Photosensors angibt, übereinstimmt. Die Lage des Strahlpunktes wird dann als Eingangssignal für den X-Y-Schreiber 21 abgelesen. Auf diese Weise wird die Neigung der ersten Stelle auf der Oberfläche der Linse 12 gemessen.

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

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Wie zuvor erwähnt wurde, ist es durch Anwendung der Reflektion des Laserstrahles möglich, die Neigung der gekrümmten Fläche ohne Beschädigung zu messen, und es ist auch möglich, die Neigung beider Seiten der Linse unabhängig zu messen. Außerdem kann durch Bestimmung der Lagebeziehung zwischen der Linse und dem Laserstrahl durch Verwendung einer numerischen Steuerung eine beliebige Stelle auf der zu messenden Oberfläche leicht und genau ausgewählt werden.

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

Es ist möglich, eine Messung mit hoher Genauigkeit und einer Neigung von nur etwa 0,1 Milliradienten zu erreichen» Dieser Wert bedeutet, daß die Verschiebung des Phosphormusters von weniger als 1/U durch die Korrekturlinse 12 ermittelt wird. Wenn die Vorrichtung zur Messung der Neigung der Korrekburlinse verwendet wird, ist es möglich, durch Wahl einer geeigneten Linse eine hohe Qualitätssteuerung zu erreichen. Nach Betrachtung der Meßergebnisse ist es möglich, einen Phosphorbildschirm hoher Genauigkeit herzustellen.

Die Vorrichtung zur Messung der Neigung der gekrümmten Oberfläche wird auf die Messung der Korrekturlinse angewandt, die bei dem Herstellungsvorgang des Phosphorbildschirmes einer-3Farbkathodenstrahlröhre verwendet wird, es ist jedoch offensichtlich, daß diese Vorrichtung auch für die Messung der Neigung verschiedener Stellen der gekrümmten Oberfläche anderer Gegenstände anwendbar ist, von denen Licht reflektiert werden kann.

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

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Claims

Patentansprüche

1. Vorrichtung zur Messung der Neigung einer Fläche an ausgewählten Stellen, bestehend aus einer Einrichtung zur Erzeugung eines parallelen Lichtstrahles, einer Einrichtung, um den Lichtstrahl zu einer Bezugsstelle auf der Fläche zu richten, der an der Bezugsstelle auf der Fläche reflektiert wird, um einen Strahlpunkt auf einer von dieser Fläche entfernten Ebene zu bilden, einer Einrichtung, um den Lichtstrahl zu einer ausgewählten Stelle auf der Fläche zu richten, der an dieser ausgewählten Stelle auf dieser Fläche reflektiert wird, und einen Strahlpunkt auf der Ebene bildet, und einem Photosensor auf dieser Ebene, g e kennz eichnet durch eine Bewegungseinrich-

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tung, um den Photosensor derart zu bewegen, daß er dem Strahlpunkt folgt, bis der Photosensor und der Strahlpunkt übereinstimmen, eine Anzeigeeinrichtung zur Anzeige eines Signals, das die Lage des Strahlpunktes auf der Ebene darstellt, so daß eine Verstellung zwischen den Strahlpunkten von der Bezugsstelle aus und der ausgewählten Stelle aus in die Neigung der ausgewählten Stelle bezüglich der Bezugsstelle umgewandelt wird.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensor den Strahlpunkten folgt, bis die Mitte des Photosensors und die Mitte des Strahlpunktes übereinstimmen.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensor ein Differenzialphotosensor ist, der aus zwei Paaren von Photosensoreinrichtungen besteht.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Anordnung und Bewegung der Fläche bezüglich des Lichtstrahles.

5· Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist, der von einem Laserstrahlgenerator erzeugt wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß auf dem Strahlweg zwischen dem Laserstrahlgenerator und er Fläche ein Halbspiegel vorgesehen ist, und daß der Laserstrahl von der Fläche und dann von dem Halbspiegel reflektiert wird.

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7· Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Photosensor auf einem ebenen Tisch eines X-Y-Schreibers vorgesehen ist, um den Photosensor zu bewegen, und daß die Anzeigeeinrichtung ein Steuersignal vom X-Y-Sehreiber aufnimmt .

8. Verfahren zur Messung der Neigung einer Fläche, wobei ein Objekt, dessen Flächenneigung gemessen werden soll, angeordnet und eine ausgewählte Stelle auf der Fläche durch einen Lichtstrahl beleuchtet wird, der an dieser ausgewählten Stelle reflektiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß ein Photosensor auf einer Ebene entfernt von der Fläche angeordnet wird, der die Verschiebung auf der Ebene zwischen einem Strahlpunkt des reflektierten Lichtstrahles an der ausgewählten Stelle und einem Strahlpunkt eines reflektierten Lichtstrahles von einem Bezugspunkt mißt, indem er jedem der Strahlpunkte folgt, und daß die Verstellung in die Neigung der ausgewählten Stelle zum Bezugspunkt umgewandelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Ebene von der Fläche um eine Länge L längs des Lichtweges des reflektierten Lichtstrahles von der Bezugsstelle entfernt ist und senkrecht zu dem reflektierten Strahl der Bezugsstelle verläuft, und daß die Verstellung entsprechend der folgenden Gleichung umgewandelt wird:

= 2L9
wobei Λ X die Verschiebung und θ die Neigung ist.

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