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Vorrichtung zum Vergleichen eines Prüflings mit einem
Meisterstück
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Vergleichen eines Prüflings mit einem Meisterstück mittels zweier beweglicher Abtaststrahlenbündel, von denen eines das Meisterstück und eines den Prüfling zeilenweise abtastet und die auf eine photoelektrische Empfängeranordnung fallen, die auf die Differenz der Bündelintensitäten anspricht. Bei bekannten photoelektrischen Vergleichsvorrichtungen dieser Art erfolgt die Abtastung von Prüfling und Meisterstück durch getrennte synchron angetriebene Zerleger, wie sie aus der Fernsehtechnik bekannt sind.
Die genaue Synchronisierung der beiden Abtaststrahlenbündel bereitet dabei ; insbesondere bei hohen Abtastfrequenzen, erhebliche Schwierigkeiten, wenn man nicht zur Überwachung der Synchronisierung zusätzliche, mit grossem Aufwand verbundene Einrichtungen anwenden will. Anderseits kann eine solche Vergleichsprüfung mit synchron bewegten Abtaststrahlenbündeln in wesentlich kürzerer Zeit erfolgen als mit ruhenden Strahlenbündeln, unter denen in bekannter Weise das Werkstück und der Prüfling bewegt werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Vorteile synchron-bewegter Abtaststrahlenbündel zur Herabsetzung der Prüfdauer auszunutzen, dabei aber die Synchronisierungsschwierigkeiten zu vermeiden und weitere Fehlerquellen auszuschalten, die mit der Anwendung synchron bewegter Abtaststrahlenbündel zusammenhängen.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass beide Abtaststrahlenbündel durch ein gemeinsames Ablenkglied (Spiegelrad oder Schwingspiegel) periodisch ablenkbar sind. Spiegelräder und Schwingspiegel sind zur periodischen Ablenkung eines Strahlenbündels natürlich an sich bekannt. Für die Erfindung ist jedoch wesentlich, dass zwei zur synchronen Abtastung von Prüfling und Meisterstück bestimmte Strahlenbündel von einem solchen spiegelnden Ablenkglied gemeinsam, d. h. bei gleicher Phasenlage des Ablenkgliedes abgelenkt werden. Dadurch wird ohne komplizierte Überwachungseinrichtung ein Synchronismus der Abtaststrahlenbündel erzielt, auf den es bei solchen Vergleichsprüfungen entscheidend ankommt.
Die Erfindung kann auf verschiedenste Weise verwirklicht werden. Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren schematisch dargestellt und im folgenden beschrieben : Fig. 1 zeigt schematisch schaubildlich die einfachste Ausführungsform einer Anordnung mit schwingenden Abtaststrahlenbündeln, bei welcher für beide Abtaststrahlenbündel getrennte optische Systeme vorgesehen sind und eine Lochscheibe zur abwechselnden Unterbrechung der Strahlenbündel im Feld vorgesehen ist. Fig. 2 zeigt eine Abwandlung der Anordnung nach Fig. 1 im Grundriss, bei welcher statt der Lochscheibe im Feld ein Halbspiegel-Zerhacker in der Pupille angeordnet ist. Der Strahlengang hinter dem Schwingspiegel oder Spiegelrad ist in Fig. 2 nicht dargestellt und, entspricht dem von Fig. 1. Fig. 3 zeigt den HalbspiegelZerhacker.
Fig. 4 zeigt schematisch schaubildlich eine Ausführungsform ähnlich Fig. 1, bei welcher für beide Strahlenbündel ein gemeinsames Objektiv vorgesehen ist, Fig. 5 zeigt diese Anordnung im Grundriss und Fig. 6 im Seitenriss. Der Strahlengang der Bündel hinter dem Spiegelrad entspricht dem von Fig. 1.
Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung im Aufriss, bei welchem nur die Felder getrennt sind. Fig. 8 ist ein Schnitt längs der Linie IX-IX von Fig. 7. Fig. 9 ist ein Grundriss der Ausführungsform nach Fig. 7. Fig. 10 zeigt schematisch schaubildlich eine Ausführungsform der Erfindung, bei welcher die Trennung der Strahlenbündel in der Pupille erfolgt. Fig. 11 zeigt eine Ausführungsform, bei, welcher die beiden Abtaststrahlenbündel hinter einem Polygonspiegel aus einem über diesen geleiteten Strahlenbündel mittels eines geneigten halbdurchlässigen Spiegels erzeugt werden und ein Zerhacker zum
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abwechselnden Unterbrechen der beiden Strahlenbündel im Strahlengang hinter den Tastebenen vorgesehen ist.
Fig. 12 zeigt eine Anordnung, bei welcher ein Strahlenbündel mit veränderlicher Polarisationsrichtung polarisiertwird und aus diesem mittels eines geneigten halbdurchlässigen Spiegels die beiden Abtaststrahlenbündel erzeugt werden, und bei welcher in den Strahlengängen der beiden Abtaststrahlenbündel zueinander gekreuzt angeordnete Polarisationsfilter vorgesehen sind. Fig. 13 zeigt einen Polarisator bei der Ausführung nach Fig. 12. Die Fig. 14 und 15 zeigen eine andere Form des Polarisators. Fig. 16 zeigt eine zweite Abwandlung der Anordnung nach Fig. 12. Fig. 17 zeigt eine Anordnung ähnlich Fig. 12, bei welcher eine periodische Drehung der Polarisationsebene mittels einer Kerr-Zelle bewirkt wird.
Fig. 1 zeigt schaubildlich eine Anordnung, bei welcher die beiden Abtaststrahlenbündel periodisch über den Prüfling bzw. das Meisterstück geführt werden. Prüfling und Meisterstück werden dabei in nicht dargestellter Weise senkrecht zur Bewegungsrichtung der Bündel unter diesen hindurchgeführt und so punktweise abgetastet. Es erfolgt also nur eine Verschiebung von Prüfling und Meisterstück in einer Koordinate.
Die periodische Bewegung der Abtaststrahlenbündel kann sehr schnell erfolgen, so dass eine vollständige Abtastung von Prüfling und Meisterstück in relativ kurzer Zeit erfolgen kann.
Bei der Ausführung nach Fig. 1 werden von einer Lichtquelle 36 zwei Strahlenbündel M und V er- zeugt und über Spiegel 37 und 38 parallel zueinander auf einen Strahlenunterbrecher 39 gelenkt, der hier als Lochscheibe dargestellt ist. Linsen 41 und 42 erzeugen Bilder der Lichtquelle (Lampenwendel) in der Ebene der Lochscheibe 39. Durch Objektive 43,44 und Linsen 45, 46 werden Bilder der Lichtquelle 39 in den Tastebenen 47,48 erzeugt. Der Strahlengang geht über einen Schwingspiegel oder ein Spiegelrad (Polygonspiegel) 49, so dass die Bildpunkte in den Tastebenen 47,48 oszillieren.
Um die Strahlenbündel absolut synchron abzulenken, werden sie über einen gemeinsamen Schwingoder Polygonspiegel 49 geleitet. Dieser kann wieder nicht übermässig gross ausgebildet werden, weil es sonst schwierig ist, die erforderliche Genauigkeit des Spiegels einzuhalten. Infolgedessen liegen die vom Spiegel 49 kommenden Strahlenbündel M und V verhältnismässig dicht beieinander. Es ist aber natürlich erwünscht, dassdie Tastebenen 47 und 48 einen gewissen räumlichen Abstand voneinander haben. Zu diesem Zweck ist die in Fig. 1 dargestellte Spiegelanordnung vorgesehen. Durch zwei zueinander gekreuzt angeordnete Spiegel 51,52 wird das Strahlenbündel M nach oben, das Strahlenbündel V nach unten abgelenkt. Spiegel 53 und 54 lenken die Bündel dann wieder so um, dass sie parallel zueinander verlaufen.
Durch Umlenkspiegel 55, 56 und gekreuzte Spiegel 57,58 werden die Bündel M, V dann hinter den Tastebenen in ganz analoger Weise wieder zusammengeführt.
Die Brennpunkte der Linsen 45 und 46 liegen auf dem Schwing- oder Polygonspiegel 49. Das bewirkt, dass sich die Strahlenbündel M und V in den Tastebenen parallel zu sich selbst hin-und herbewegen. Es ist zu beachten, dass im unteren Teil von Fig. 1 (von den Linsen 43 und 44 ab) nicht mehr die vollstän - digen Bündel M und V eingezeichnet sind, wie im linken oberen Teil der Fig. l, sondern nur noch die Bündelachsen. Diese Bündelachsen bewegen sich beim Schwingen oder Drehen des Spiegels 49 von einer Stellung M bzw. V in eine Stellung M bzw. V.
Die wieder zusammengeführten Bündel M und V werden von den Spiegeln 57 und 58 auf eine Linse 59 gelenkt, in deren Brennpunkt eine Photozelle 61 angeordnet ist.
Wenn Prüfling und Meisterstück die Bündel M und V in gleicher Weise durchlassen, so erhält die Zelle 61 stets konstante Strahlungsintensität. Wenn aber beispielsweise der Prüfling das Bündel M abdeckt, das Meisterstück dagegen das Bündel V durchlässt, dann erhält die Photozelle Wechsellicht und liefert ein Wechselstromsignal mit der Frequenz der Zerhackerscheibe 39. Dieses Signal kann beispielsweise eine Signalvorrichtung auslösen, welche anzeigt, dass Prüfling und Meisterstück in diesem Punkt voneinander abweichen.
Es ist wesentlich, dass die Wechselfrequenz, mit welcher die Strahlenbündel durch die Lochscheibe 39 unterbrochen werden, gross ist gegen die Schwingfrequenz, mit welcher die Strahlenbündel durch den Spiegel 49 hin-und herbewegt werden. Wenn das nicht der Fall wäre, dann würde jeweils ein Punkt des Prüflings mit einem Punkt des Meisterstückes verglichen, der einem zu dem ersten benachbarten Punkt des Prüflings entspricht.
Bei der Ausführungsform nach Fig. 1 erfolgt die Unterbrechung der Strahlenbündel durch eine Lochscheibe im Feld, also in einer Ebene, in welcher die Lichtquelle 36 abgebildet wird. Durch ungleichmässige Lichtverteilung der Lichtquelle können dabei unter Umständen Störungen oder Fehler hervorgerufen werden. Diese werden bei der Anordnung nach Fig. 2 und 3 vermieden, bei welchen die Unterbrechnng in der Pupille, u. zw. mittels eines Halbspiegel-Zerhackers erfolgt.
Eine Lichtquelle 62 wird mittels einer Linse 63 in einet Ebene 64 abgebildet. In der Ebene 64 ist eine Linse 65 angeordnet, welche die Linse 63 auf einem Halbspiegel-Zeihacker 66 abbildet, der von einem Motor 67 angetrieben wird.
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Der Halbspiegel-Zerhacker 66 ist am besten aus Fig. 3 ersichtlich. Er besteht aus einer zur Hälfte verspiegelten und zur Hälfte durchlässigen Scheibe, welche das Strahlenbündel S abwechselnd reflektiert oder durchlässt. Der
Halbspiegel-Zerhacker 66 ist gegen die Achse des Bündels S geneigt, so dass das reflektierte Bündel M seit- lich umgelenkt wird, während das durchgelassene Bündel V gerade weiterläuft. Durch Spiegel 68, 69 und 71 werden die beiden Bündel M und V so umgelenkt, dass sie nach gleichen optischen Weglängen parallel zueinander auf eine Spaltblende 72 treffen.
Durch Linsen 73 im gemeinsamen Strahlengang und
74 bzw. 75 in den getrennten Strahlengängen der Bündel M und V hinter dem Zerhacker 66 werden die
Bündel M und V auf der Spaltblende 72 fokussiert. Die Anordnung kann so getroffen werden, dass die Bil- der der Lampenwendel 62 gekreuzt zuden Spalten 72a und 72b der Blende 72 liegen, so dass praktisch punkt- förmige Lichtquellen entstehen.
Diese werden durch Objektive 76,77 über einen Schwing- oder Polygonspiegel 78 in den Tastebenen abgebildet. Der Strahlengang kann dem von Fig. 1 entsprechen, wobei das Objektiv 76 dem Objektiv 43 von Fig. 1 entspricht und das Objektiv 77 dem Objektiv 44.
Diese Art der Strahlenteilung mittels eines rotierenden Halbspiegels ist an sich z. B. bei Spektro- photometern bekannt.
Die Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 erfordern zwei praktisch gleiche Objektive 43,44 bzw. 76,
77, die speziell ausgesucht werden müssen. Bei der Anordnung nach Fig. 4 - 6 werden beide Strahlen- bündel durch ein einziges Objektiv 79 in den Tastebenen 47,48 fokussiert. Im übrigen entspricht der op- tische Aufbau der Anordnung nach Fig. 1 und es sind für die entsprechenden Teile die gleichen Bezugszeichen vorgesehen wie dort. Der Vorschub von Prüfling und Meisterstück erfolgt in den Ebenen 47,48 (Fig. 6) senkrecht zur Papierebene, während die Bündel M und V parallel zur Papierebene oszillieren.
Fig. 7,8 und 9 zeigen eine ähnliche Anordnung wie Fig. 4,5 und 6. Hier wird durch eine Linse 81 eine Lichtquelle 82 in der Ebene einer Lochscheibe 83 (ähnlich 39 in Fig. 1) abgebildet. Dieses Bild der
Lichtquelle 82 wird mittels eines in der Pupille unmittelbar hinter dem Objektiv 81 angeordneten Bi-
Prismas 84 in zwei Teilbilder 85 und 86 aufgespalten. Durch die Lochscheibe 83 werden diese beiden Teilbilder abwechselnd abgedeckt und von den beiden Teilbildern gehen die Abtaststrahlenbündcl M, V aus. Die beiden Teilbilder werden ähnlich wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 4,5 und 6 durch ein einziges Objektiv 87 über ein Spiegelrad 88 in den Tastebenen 47,48 abgebildet.
Unmittelbar hinter der Lochscheibe 83, also praktisch im Feld, ist jedoch hier ein zweites Bi-Prisma 89 und eine Linse 91 angeordnet. Die Linse 91 bildet die Linse 81 auf das Spiegelrad 88 ab und das BiPrisma 89 bewirkt, dass die aufgespaltenen Bündel an dem Spiegelrad 88 zur Deckung kommen. Auf die Lage der Bilder, die von den Punkten 83 und 86 in den Tastebenen durch das Objektiv 87 erzeugt werden, hat das keinen Einfluss, da die Linse 91 und das Bi-Prisma 89 praktisch im Feld angeordnet sind. Es ergibt sich aber der Vorteil, dass ein schmäleres Spiegelrad verwendet werden kann, welches sich leichter mit der erforderlichen Genauigkeit herstellen lässt, und dass die Bündel besser von dem dicht vor dem Spiegelrad angeordneten Objektiv 87 erfasst werden, ohne dass dieses eine übermässig grosse Apertur zu haben braucht.
Hinter dem Spiegelrad 88 sind die Strahlenbündel vom Punkt 92 (Fig. 8) an getrennt und können nach Art der Fig. 1 oder Fig. 6 weitergeleitet werden.
Fig. 10 zeigt schematisch schaubildlich eine Anordnung, bei welcher die beiden Abtaststrahlenbündel M und V in der Pupille getrennt werden.
Eine Lichtquelle 93 leuchtet mittels eines Kondensors 94 einen Spalt 95 aus. Der Spalt 95 liegt im Brennpunkt einer Linse 96, die ein paralleles Strahlenbündel P erzeugt. Das Bündel P wird dann im Brennpunkt Fder Linse 97 gesammelt und dieser wird durch ein Objektiv 98 über einen Schwing- oder Polygonspiegel 99 abgebildet. In dem parallelen Strahlengang zwischen den Linsen 96 und 97 ist eine umlaufen-
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PBündels Pabdeckt. In einer zur Ebene der Trommel 101 optisch konjugierten Ebene hinter dem Spiegel 99 ist ein Bi-Prisma 100 vorgesehen, welches das Bild des Punktes F in zwei Teilbilder aufspaltet, die von getrennten Strahlenbündeln M und V erzeugt werden.
Die Bündel M und V können ebenfalls in der in Fig. 1 dargestellten Weise in die räumlich voneinander getrennten Tastebenen umgelenkt werden.
Die Anordnung hat den Vorteil, dass nur ein relativ schmaler Schwing-oder Polygonspiegel vorgesehen zu werden braucht, weil die Strahlenbündel erst hinter dem Spiegel 99 durch das Bi-Prisma 100 aufgespalten und auseinandergezogen werden. Ebenfalls ist nur eine Optik 98 für beide Abtaststrahlenbündel erforderlich. Die abwechselnde Abblendung der Strahlenbündel in der Pupille gewährleistet eine gleichmässige Intensität und Unabhängigkeit von den räumlich ungleichmässigen Ausstrahlungseigenschaften der Lichtquelle.
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Bei der Ausführungsform nach Fig. 11 erfolgt die Trennung in die beiden Abtaststrahlenbündel mit- tels eines halbdurchlässigen Spiegels. Von einer Lampe 102 wird mittels einer Linse 103 ein Spalt 104 ausgeleuchtet. Der Spalt 104 wird von einem Objektiv 105 über ein Spiegelrad 106 in den Tastebenen abgebildet. Das abbildende Strahlenbündel wird mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 107 in zwei
Strahlenbündel M, V aufgespalten. Eines M tritt durch den Spiegel 107 hindurch und erzeugt ein Spalt- bild in der Tastebene 108 ; das andere wird reflektiert und erzeugt ein Spaltbild in der Tastebene 109 über einen Umlenkspiegel 110.
. Der letztere sorgt dafür, dass die Bündel M und V in den Tastebenen parallel zueinander verlaufen.
Die Spaltbilder führen bei der Umdrehung des Spiegelrades 106 eine oszillierende Bewegung in den Ebe- nen 108 und 109 aus. Die Linsen 111 und 112 haben wie die Linsen 45 und 46 in Fig. 1 und Fig. 6 den
Zweck, dafür eine Verschiebung der Bündelachsen parallel zu sich selbst zu erzielen. Über Spiegel 113,
114 werden die Bündel dann auf eine Linse 115 geleitet, in deren Brennpunkt die Photozelle 116 liegt,
Die Linse 155 wirkt in der gleichen Weise wie die Linse 59 in Fig. 1 und Fig. 6. Vor der Linse 115 ist ein Zerhacker 117 angeordnet, welcher die Bündel M und V abwechselnd unterbricht.
Die Anordnung hat den Vorteil, dass die Strahlenbündel sich vollständig synchron bewegen und glei- che Intensität besitzen, weil die Teilung rein physikalisch, nämlich mittels eines halbdurchlässigen Spie- gels erfolgt, so dass keine Unterschiede durch die Geometrie der Anordnung auftreten können.
Dieser Gedanke ist bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 12-17 noch weiterentwickelt. Bei diesen Ausführungsbeispielen wird ein Strahlenbündel mit zeitlich veränderlicher Polarisationsrichtung polarisiert, physikalisch, nämlich mittels eines teildurchlässigen Spiegels getrennt, und es werden im Strahlengang der beiden so erhaltenen Teilstrahlenbündel zwei zueinander gekreuzte Polarisationsfilter angeordnet.
Von einer Lampe 118 geht ein Strahlenbündel aus, das mittels einer Linse 119 auf einer Filterscheibe fokussiert wird, die von einem Motor 122 angetrieben wird. Die Filterscheibe 121 ist am besten aus Fig. 13 ersichtlich. Sie enthält zwei Polarisationsfilter 123,124 mit zueinander senkrechten Polarisationsrichtungen, die abwechselnd in den Strahlengang gebracht werden. Das Bündel wird dann mittels eines Objektivs 105 über ein Spiegelrad 106 in den Tastebenen 108,109 fokussiert, nachdem durch einen halbdurchlässigen Spiegel 107 eine Teilung des Bündels stattgefunden hat. Der Strahlengang entspricht geometrisch vollständig dem von Fig. 11, und es sind entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen wie dort.
Statt des Zerhackers 117 sind hier jedoch in den Strahlengängen der beiden Abtaststrahlenbündel M und V zwei Polarisationsebenen vorgesehen. Je nachdem, welches Filter 123 oder 124 sich als Polarisator im Strahlengang befindet, wird das Bündel M durch das Filter 125 durchgelassen und das Bündel V durch das Polarisationsfilter 126 abgedunkelt oder umgekehrt.
Bei der Ausführung nach Fig. 14 und 15 wird statt der zwei abwechselnd durch den Strahlengang laufenden Filter 123,124 ein um die optische Achse rotierendes Polarisationsfilter 127 vorgesehen, so dass die Polarisationsebene des Polarisators rotiert. Im übrigen ist die Anordnung die gleiche wie in Fig. 12.
Um die Unterbrecherfrequenz sehr hoch zu machen, was für die vorliegenden Zwecke, wie oben schon erwähnt wurde, sehr vorteilhaft ist, kann man die in Fig. 16 dargestellte Anordnung wählen. Hier wird der Strahlengang von der Lichtquelle 118 über einen geneigten Spiegel 128 mit einem zentralen Loch 129 geleitet. Durch das Loch 129 ist die Welle 130 eines Motors 131 geführt, auf deren Ende senkrecht dazu das Filter 127 sitzt. Der übrige Strahlengang entspricht Fig. 12.
Eine noch höhere Unterbrecherfrequenzerhältman mit der Anordnung nach Fig. 17. Der Strahlengang entspricht bis auf den Polarisator der Anordnung nach Fig. 12. Als Polarisator ist hier ein feststehender Polarisator 132 in Verbindung mit einer Kerr-Zelle vorgesehen, die eine periodische Drehung der Polari- sationsebene bewirkt.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zum Vergleichen eines Prüflings mit einem Meisterstück mittels zweier beweglicher Abtaststrahlenbündel, von denen eines das Meisterstück und eines den Prüfling zeilenweise abtastet und die auf eine photoelektrische Empfängeranordnung fallen, die auf die Differenz der Bündelintensitäten anspricht, dadurch gekennzeichnet, dass beide Abtaststrahlenbündel (M, V) durch ein gemeinsames spiegelndes Ablenkglied (Spiegelrad oder Schwingspiegel) periodisch ablenkbar sind.