Lichtelektrische Einrichtung zur soll oder halbautomatischen Erfassung von Strichmarken oder dergleichen
Im Rahmen der Automatisierung von Präzisions mess- und -werkzeugmaschinen kommt der objektiven Einstellung auf Strich- oder ähnliche Marken steigende Bedeutung zu.
Mit lichtelektrischen Einstellmitteln, die eine objektive Einstellung ermöglichen, wird nicht nur eine physische Entlastung bei serienmässigen Einstellvorgängen erreicht, sondern es ergeben sich rein messtechnische Fortschritte, die durch Herabsetzung der benötigten Einstellzeiten und Fernhaltung des Bedienenden von der Messeinrichtung sowie feinmesstechnische Grundsätze bedingt sind. Gewisse Störeinflüsse lassen sich auch deshalb automatisch berücksichtigen, weil ein ganzes Messprogramm bei automatisiertem Ablauf in zeitlich gut bestimmter Weise durchgeführt wird, so dass unter Umständen auch eine Regelmässigkeit in zeitlichen Verlauf der Störgrössen, wie z. B. Temperaturänderungen, auftritt.
Noch wesentlicher dürfte jedoch sein, dass sich mit hochempfindlichen lichtelektrischen Einstellmitteln die Probleme, die bei Präzisionsteilungen auftreten, besonders bei langen Massstäben, erleichtern lassen. Auch die Bauweise von digital registrierenden Geräten und Maschinen kann bei Anwendung derartiger Einstellmittel vereinfacht werden.
Die Konstruktionen solcher Geräte können gestaltet werden, ohne auf die direkte Zugänglichkeit visuell benutzter Mikroskope Rücksicht nehmen zu müssen, wodurch gegebenenfalls eine bessere Verwirklichung feinmesstechnischer Grundsätze ermöglicht wird (Komparatorprinzip, Beseitigung von Temperatureinflüssen).
Ferner kann bei Verwendung objektiver Einstellmittel die Anwendungsmöglichkeit von Metallmassstäben erweitert werden, da hierbei das Strichbild nicht mehr die Rolle spielt wie bei visueller Betrachtung. Hierdurch kann vor allem die Anwendung längerer Massstäbe günstig beeinflusst werden. Auch die zeitliche Beständigkeit dürfte bei polykristallinem Gefüge der Teilungsträger zuverlässiger sein als bei glasartigem Gefüge.
Die genannten Gesichtspunkte haben dazu geführt, dass bereits verschiedene Vorschläge für lichtelektrische Mikroskope zum Einstellen auf Strichmarken gemacht worden sind. Diese den Stand der Technik charakterisierenden Vorschläge beruhen im wesentlichen darauf, dass man durch geeignete schwingende optische Mittel das oszillierende Bild der Strichmarke periodisch einen Parallelspalt passieren lässt und die lichtelektrische Symmetrie dieses Schwingungsvorganges als Einstellkriterium benutzt.
Aus der Astronomie ist weiterhin bekannt, einen Leitstern auf der Spitze eines pyramidenförmigen Glasprismas, welches sich in der optischen Achse eines Fernrohres befindet, abzubilden und die Symmetrie aller vier Teillichtströme, die von den vier Pyramidenflächen auf Photozellen reflektiert werden, als Kriterium für die richtige automatisch gehaltene Zielrichtung des Fernrohres zu benutzen.
Die Anwendung der zuerst beschriebenen Schwingmethode hat einige Nachteile, wenn z. B. äusserste Erschütterungsfreiheit und Gleichmässigkeit des Modulationsvorganges angestrebt wird. Auch der Aufbau von Servokreisen wird bei dieser Impulsmethode technisch komplizierter, als wenn die im Beispiel der automatischen Nachführung von astronomischen Fernrohren genannte Differenzmethode zur Einstellung auf ein ruhendes Strichbild benutzt wird. Beim Einstellen auf Strichbilder in der Längen-Feinmesstechnik wird jedoch im allgemeinen nicht das ganze Mikroskop um die Messstrecke nachgestellt, sondern meist nur ein besonderes Messglied. Hierbei tritt allgemein eine Neigung des Hauptstrahles der Abbildungsbüschel zur optischen Achse auf, die bei visuell benutzten Feinmessmikroskopen nicht stört, wohl aber bei lichtelektrischen Mikroskopen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, bei einer derartigen Einrichtung ein zuverlässige objektive Einstellung auf eine Marke unter Berücksichtigung der vorstehend dargelegten Gesichtspunkte bei verhältnismässig geringem technischem Aufwand zu ermöglichen. Dabei wird von einer solchen Einrichtung ausgegangen, bei der das Abbildungsstrahlenbündel der mittels eines Mikroprojektionssystems abgebildeten Marke in zwei je für sich die Austrittspupille des Mikroprojektionssystems in die Ebene einer Modulationsblendenscheibe abbildende Teilstrahlenbündel zerlegt wird und beide Teilstrahlenbündel über entsprechende optische Mittel nach dem Wechsellichtverfahren auf eine einzige Photozelle einwirken.
Die Lösung der gestellten Aufgabe wird bei einer derartigen Einrichtung dadurch erreicht, dass gemäss der Erfindung als Mittel zur Strahlenteilung eine Kombination aus einem Parallelspalt mit einer symmetrisch zur Spaltmitte liegenden Prismen- oder Spiegel anordnung dient und dass ferner optische Kompensationsmittel angeordnet sind zum Ausgleichen von durch änderungen des Einfallswinkels des Abbildungsstrahlenbündels verursachten photometrischen Unsymmetrien in den beiden Teilstrahlenbündeln. Zur Kompensation unsymmetrischer Lichtschwächungen der Strahlenbündel innerhalb des Prismen- oder Spiegelsystems ist z.
B. vorteilhaft jedes Teilstrahlenbündel unter Mehrfachreflexion in der Weise geführt, dass Abweichungen des Einfallswinkels bei den einzelnen Reflexionen eine solche Anderung der Reflexionsgrade bewirken, dass das Produkt aller beteiligten Reflexionsgrade in beiden Teilstrahlenbündeln gleich bleibt.
Es ist aber auch möglich, Mittel vorzusehen, durch die Änderungen des Einfallswinkels des Abbildungsstrahlenbündels in den Parallelspalt kompensiert werden. Diese Mittel können beispielsweise aus einem Spiegel bestehen, der um eine Achse in der Ebene der Austrittspupille schwenkbar ist. Ferner kann die Kompensation des Einfallswinkels mit Hilfe einer Schiebelinse durchgeführt werden, deren vordere Hauptebene in der hinteren Brennebene des auf unendlich korrigierten Objektivs des Mikroprojektionssystems liegt.
In den Abbildungen sind mehrere Ausführungsbeispiele für die erfindungsgemässe Einstelleinrichtung schematisch dargestellt. Dabei zeigt Fig. 1 das prinzipielle Schema für eine gemäss der Erfindung ausgebildete lichtelektrische Einstelleinrichtung, während anhand der Fig. 2 gezeigt ist, wie mit einer derartigen Einrichtung die Kompensation des Einflusses der Lichteinfallsrichtung auf den Reflexionsgrad durchgeführt werden kann. Ein weiteres Ausführungsbeispiel für die erfindungsgemässe Einrichtung ist in Fig. 3 dargestellt. Die Fig. 4 und 5 zeigen Beispiele, wie Änderungen der Einfallsrichtung des Abbildungsstrahlenbündels in den Parallelspalt kompensiert werden können.
In Fig. 1 ist mit 1 die Austrittspupille eines nicht dargestellten Mikroprojektionssystems bezeichnet, das zur Abbildung einer zu lokalisierenden Strichmarke dient. Das Abbildungsstrahlenbündel fällt über einen Parallelspalt 2 auf zwei symmetrisch zur Spaltmitte angeordnete Prismen 3 und 3' und wird dabei in zwei Teilstrahlenbündel 4 und 4' aufgeteilt. Jedes der beiden Teilstrahlenbündel bildet die Austrittspupille 1 des Mikroprojektionssystems mit Hilfe eines Objektives 5 bzw. 5' in der Ebene einer mittels eines Synchronmotors 6 drehbaren Blendenscheibe 7 ab.
Die Blendenscheibe lässt abwechselnd den einen und den anderen der beiden Strahlengänge über sammelnde optische Glieder 8 bzw. 8' sowie über die Spiegel 9; 9' und 10; 10' auf die Photozelle 11 fallen, die über einen nicht dargestellten Verstärker einen Verstellmotor für die Einstelleinrichtung oder ein empfindliches Anzeigeorgan steuert. Die Teile 2 bis 11 können in einem gemeinsam als Tastkopf ausgebildeten Gehäuse untergebracht sein. Die Beleuchtungseinrichtung ist zweckmässig so zu wählen, dass ihre Apertur in Strichrichtung möglichst gross ist. Hierdurch ergibt sich ein kräftiges Nutzsignal. Senkrecht zum Strich soll sie jedoch klein sein, um die Schärfentiefe der Abbildung gross zu erhalten. Dies lässt sich z.
B. durch eine Einfadenlampe oder eine schlanke Wendel erreichen, die parallel zum Strich ausgerichtet ist.
Dabei soll die Leuchtdichte, die eine Invariante in einem verlustlosen optischen System ist, möglichst gross sein. Bei dieser Anwendung kommt der Vektorcharakter der Leuchtdichte besonders zum Ausdruck.
Es ist wichtig, dass die Austrittspupille des Mikroprojektionssystems in die Ebene der lichtempfindlichen Schicht der Photozelle nicht zu klein abgebildet wird. Dabei soll die Abbildung durch die beiden im Gegentakt wirkenden Teilstrahlenbündel möglichst an der gleichen Stelle der lichtempfindlichen Schicht erfolgen, um lokale Empfindlichkeitsschwankungen der Schicht auszuschalten.
Wenn der Tastkopf gegenüber dem Projektionssystem nicht fest angeordnet bleibt, sondern zu Messungen in der Bildebene benutzt wird, oder wenn mittels einer optischen Planparallelglasplatte als Stellelement im bildseitigen Strahlengang des lichtelektrischen Mikroskopes das Bild der seitlich der optischen Achse befindlichen Strichmarke auf den in der optischen Achse des lichtelektrischen Mikroskopes feststehenden Spalt zurückgeführt wird, treten die aus der ortsfesten Austrittspupille des Projektionssystems kommenden Strahlen unter gegensinnig veränderlichen Winkeln für die beiden Spalthälften in das optische Teilungssystem des Parallelspaltes ein. In diesem Falle entsteht eine Nullpunktverschiebung, deren Ausgleich im folgenden näher betrachtet werden soll.
Der Reflexionsfaktor ist u. a. eine Funktion des Einfallswinkels. Bei durchsichtigen, schwach absorbierenden Medien ist diese Abhängigkeit in einfacher Weise durch die Fresnelschen Gleichungen gegeben.
Bei stark absorbierenden Medien (z. B. Metallen) wird der Zusammenhang in etwas komplizierter Weise durch das Hauptazimut und den Haupteinfallswinkel bestimmt. Lässt sich die Richtungsänderung der in der Bildebene eintreffenden Abbildungsbündel nicht vermeiden, wie dies z. B. der Fall ist, wenn eine Messung durch Verschiebung des Tastkopfes selbst erfolgt, dann muss die photometrische Symmetrie der beiden Teilkanäle innerhalb des Tastkopfes durch bestimmte Massnahmen gewahrt werden. Eine solche Massnahme ist die Einschaltung von Reflexionen, bei denen z. T. gegensinnige Änderungen der Einfallswinkel auftreten, so dass die Bedingung erfüllt werden kann, dass das Produkt aller sich einzeln ändernden Reflexionsfaktoren innerhalb eines Kanals in brauchbarem Bereich nur sehr schwach von der Richtungsänderung des einfallenden Bündels abhängt.
Ein Beispiel einer derartigen Anordnung zeigt Fig. 2.
Das durch den Spalt 2 über die Prismen 12 und 12' einfallende Strahlenbündel ist hier in drei verschiedenen Einfallsrichtungen A, B, C dargestellt.
Durch mehrfache Reflexion an den Flächen der Prismen 12 und 12' ergibt sich der gezeichnete Verlauf für die verschiedenen Strahlengänge, wobei sich auch für von der senkrechten Richtung abweichende Einfallswinkel bei entsprechender Lage der reflektierenden Flächen in beiden Teilstrahlengängen gleiche Lichtschwächungen erzielen lassen.
Die angestrebte Symmetrie in beiden Vergleichskanälen des ein spezielles Gleichheitsphotometer darstellenden Tastkopfes, hinsichtlich der Gleichheit der Lichtschwächung infolge Richtungsänderungen in beiden Kanälen, die etwa auf t/2µ/0 Genauigkeit zu fordern ist, hat aber nur dann Sinn, wenn sonstige störende Einflüsse ebenfalls unterhalb dieser Fehlergrenze bleiben. Je nach dem sonstigen Aufbau des Tastkopfes, z. B. mit Differenzphotoelement oder mit nur einem lichtelektrischen Empfänger, müssen hierzu besondere Massnahmen ergriffen werden.
Wird z. B. mit einem Differenz-Photoelement gearbeitet, so wird es zweckmässig, den Parallelspalt auf dieses abzubilden. Hierdurch wird eine Ortsver änderung auf der lichtempfindlichen Schicht vermieden, wenn sich die Einfallsrichtung der den Spalt passierenden Lichtbündel ändert. Andernfalls würde das Bild der durch die Bündel Ax Bx C" vermittelten Austrittspupille auf jeder Schichthälfte des Differenz Photoelementes in gleicher Richtung wandern, wie die rückwärtigen Verlängerungen von A"R"C" in Fig. 2 zeigen. In diesem Falle würde also die Symmetrie durch den viel stärkeren Effekt der lokalen Empfindlichkeits änderung des lichtelektrischen Empfängers gestört werden.
Bei Anwendung nur eines lichtelektrischen Empfängers für beide optischen Kanäle des Tastkopfes sind neben den Reflexionen an den Teilungsprismen auch solche im weiteren Abbildungsverlauf in beiden Kanälen zu beachten und in entsprechender Weise in die Kompensation einzubeziehen.
Fig. 3 zeigt als Beispiel den Aufbau eines mit nur einer Photozelle arbeitenden Tastkopfes, bei dem die beiden letzten Reflexionen jedes Kanals gegensinnige Einfallswinkeländerungen ergeben, wenn das eintretende Strahlenbündel sich neigt. Die sonstigen ungewollten Reflexionen an den Abbildungselementen verlaufen in erster Näherung ohne Differenzfehler.
In der Fig. 3 sind für die einzelnen Teile der Anordnung die gleichen Bezugszeichen gewählt wie in den Fig. 1 und 2. Lediglich die Spiegel 10 und 10' sind hier durch ein Prisma 13 ersetzt, das die von den Spiegeln 9 und 9' kommenden Teilstrahlenbündel auf die Photozelle 11 fallen lässt. In diesem Falle kann jedoch die Abbildung der Austrittspupille des optischen Projektionssystems auf der lichtempfindlichen Schicht des Empfängers erfolgen, weil die Bilder beider Kanäle des Tastkopfes sich gegensinnig verlagern und somit immer dieselbe Stelle der Schicht für den photometrischen Vergleich beider Bündel benutzt wird.
Die Anwendung eines lichtelektrischen Tastkopfes zur objektiven Einstellung auf Strichmarken kann, wie bereits festgestellt wurde, gestört werden, wenn die Lichtverluste in beiden Kanälen sich ändern. Für den Einfluss des Reflexionsgrades in Abhängigkeit von den Winkelverhältnissen wurden bereits Be trachtungen angestellt, die zur Kompensation innerhalb des Tastkopfes führten. Die an sich ebenfalls denkbare chromatische Unsymmetrie wird im allgemeinen schwach sein und durch die Selektivität des lichtempfindlichen Empfängers reduziert. Sie kann weiterhin durch Verwendung von Filtern klein gehalten werden.
Die wirksamste Massnahme, die Winkelabhängigkeit zu vermeiden, wäre jedoch die Verhinderung einer Änderung der Einfallsrichtung der Strahlenbündel in den Tastkopf.
Fig. 4 zeigt eine Anordnung, die in exakter Weise Änderungen des Einfallswinkel zu kompensieren gestattet. Hierzu wird ein ebener Spiegel 14, der um eine in der Ebene der Austrittspupille 1 liegende Achse 15 schwenkbar ist, verwendet. Die Stellbewegung dieses Spiegels ist ein Mass für die gesuchte Messgrösse. Sie lässt sich durch den seitlichen Abstand der Strichmarke von der optischen Achse bestimmen. Legt man den Spiegel selbst möglichst nahe an die Austrittspupille heran, so wird die hierbei auftretendeVerlän- gerung der Bildstrahlen, die einer Defokussierung gleichkommt, ebenfalls gering.
Eine andersartige Anordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Sie arbeitet mit einer Schiebelinse 16 und wirkt dann exakt, wenn die angedeutete vordere Hauptebene H der Schiebelinse in der hinteren Brennebene des auf oo korrigierten Objektives 17 liegt, in der sich ausserdem eine Blende 18 zur Verwirklichung des erforderlichen telezentrischen Strahlenganges befindet.