Optische Einrichtung zur Prüfung der Ebenheit von Oberflächen
Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Einrichtung zur Prüfung der Ebenheit von Oberflächen, welche einen Messwagen mit einem Mikroskop, eine Beleuchtungseinrichtung und über die zu prüfende Fläche gleitende Fühler sowie ein optisches System, dessen Achse bei der Prüfung der Fläche als Referenzlinie dient, enthält.
Bekanntlich wird die Prüfung der Ebenheit von Oberflächen durch Vergleich mit der optischen Systemachse durch Anvisieren von Marken, die in verschiedenen Entfernungen längs der optischen Achse eines Fernrohres angeordnet sind, durchgeführt. Ein ernstlicher Nachteil dieser bekannten Methode ist die Erfordernis der Fokussierung auf die in verschiedenen Entfernungen angeordneten Marken, und dies verursacht Fehler, die durch die Ungenauigkeiten der zur Fokussierung erforderlichen Verschiebemittel bedingt sind. Ein weiterer Nachteil ist die starke Empfindlichkeitsänderung bei grösser werdender Messstrecke.
Es ist versucht worden, diese Nachteile zu beseitigen. So ist z. B. ein afokales Kollimationssystem bekannt geworden, das in einem in Frankreich hergestellten optischen Instrument verwendet ist. Dieses Instrument weist jedoch ernsthafte Nachteile auf. So wird z. B. zur Superposition von Gegenstand und Bild in diesem Instrument ein optisches Zweilibellensystem vom Diffraktionstyp verwendet. Zur Diffraktion werden in diesem System zwei Prismenpaare aus hochwertigem Glas verwendet, wobei die Objektive in verschiedenen Niveaus gelagert sind.
Zur Erhöhung der Genauigkeit des Instrumentes werden üblicherweise Objektive mit grossem Durchmesser verwendet, was eine erhebliche Zunahme der Prismengrössen und damit eine Verschlechterung der Bildqualität und eine erhöhte Empfindlichkeit des Instrumentes auf Biegungs- und Temperaturdeforma- tionen bedingt, was wiederum zu häufigen optischen Verzerrungen führt und schliesslich noch einen beträchtlichen Anstieg der Instrumentkosten mit sich bringt.
Die bisherigen Versuche zur Beseitigung der oben erwähnten Nachteile durch Konstruktion einer optischen Einrichtung zur Kontrolle der Ebenheit von Oberflächen erbrachten keine positiven Resultate.
Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist eine optische Einrichtung zur Kontrolle der Ebenheit von Oberflächen, die eine höhere Genauigkeit hat als die bisherigen Instrumente dieser Art.
Die erfindungsgemässe Einrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass das optische System ein einachsiges afokales Autokollimations-Umkehrsystem ist, welches die Referenzlinie durch zwei gleiche koaxiale Spiegel-Linsen-Objektive erzeugt, deren Brennpunkte im rückläufigen Strahlengang zusammenfallen, wobei jedes der Objektive aus einer positiven Linse und einem Dieder oder Tetraeder besteht, dessen Kante bzw. Scheitel auf der Linsenachse liegt.
Das beschriebene Instrument liegt in zwei Versionen vor: mit einem Messbereich bis 3-4 Meter und mit einem Messbereich bis 10-15 Meter.
Die Kontrolle der Ebenheit von Oberflächen wird im Instrument mit dem Messbereich bis 10-15 Metern mit Spiegel-Linsen-Objektiven durchgeführt, die miteinander keine starre Verbindung in Form eines Tubus haben, sondern an den Enden der Fläche, die zwischen diesen Objektiven kontrolliert wird, montiert sind.
Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend an Hand der beigefügten Zeichnung erläutert, in welcher:
Fig. 1 die Anlage des Instruments mit einem permanenten Messbereich bis maximal 4 Meter schematisch darstellt,
Fig. 2 einen Querschnitt längs der Linie A-A der Fig. 1 zeigt,
Fig. 3 die Anlage des gleichen Instruments, aber mit einem Messbereich über 10-15 Meter schematisch wiedergibt und
Fig. 4 das Instrument der Fig. 3 in Blickrichtung des Pfeiles 3 darstellt.
Das Instrument zur Kontrolle der Ebenheit von Oberflächen (Fig. 1 und 2) enthält einen glatten Tubus 1 mit einem afokalen Autokollimations-Umkehr- system 2, das aus zwei Spiegel-Linsen-Objektiven 3 und 3a zusammengesetzt ist, einen Messwagen 4 mit der Beleuchtungsquelle 5, ferner ein Projektionsmikroskop 6 und einen Fühler 7.
Die optischen Eigenschaften des Systems 2 sind derart, dass, wenn die Brennweiten der Spiegel-Linsen-Objektive 3 und 3a gleich sind und ihre Brennpunkte zusammenfallen, das Bild eines jeden längs der optischen Achse x-x des Systems liegenden Punktes mit dem wahren Punkt koinzidiert, nachdem die Strahlen durch die beiden Objektive 3 und 3a getreten sind. Wenn aber der Punkt um eine bestimmte Strecke senkrecht zur optischen Achse verlagert ist, so wird auch das Bild dieses Punktes von der optischen Achse abgesetzt sein, und zwar um die gleiche Strecke, aber in umgekehrter Richtung. Bei der Ausführung der Messungen wird der Tubus 1 mittels der Reiter 8 auf der zu kontrollierenden Fläche 9 fixiert und der Messwagen 4 mit dem Fühler 7, der Beleuchtungseinrichtung 5 und dem Mikroskop 6 wird längs der Meridionalnute 10 im Tubus 1 geführt.
Der Messwagen 4 gleitet über die Prüffläche 9 mit einer der Rollen 11 und dem Fühler 7. Der Lichtfluss aus der Lampe 12 wird durch den Spiegel 13 gesammelt, passiert die Sammellinsen 14 und 15 und beleuchtet über die Prismen 16 und 17 einen Raster 18, der mit einer auf der optischen Achse x-x senkrecht zur Zeichnungsebene angeordneten Markierung 19 versehen ist. Das afokale Autokollimations-System 2, welches die Spiegel-Linsen-Objektive 3 und 3a enthält, projiziert mit Hilfe des zweiten Prismas 20 das Bild der Markierung in die mit der Rasterebene 18 konjugierte Gesichtsfeldblende 21.
Die Mikroskoplinse 22 überträgt dieses vergrö 13erste Bild in die Ebene des Rasters 23, das bifilar (in Fig. 1 nicht dargestellt) ausgeführt ist. Schliesslich werden die Bilder beider Raster 18 und 23 durch das Objektiv 24 auf die Bildebene 25 projiziert, wo sie beobachtet werden können. Im Falle, dass die Prüffläche 9, längs welcher sich der Messwagen 4 bewegt, Unebenheiten aufweist, wird der Fühler 7 gesenkt oder angehoben und die Markierungen 19 verlagern sich dementsprechend aus der optischen Achse x-x. Ebenso werden ihre Bilder im Diaphragma 21, am Raster 23 und am Bildschirm 25 verschoben.
Die Superposition des Bildes der Markierung 19 am Bildschirm 25 mit dem Bifilarbild wird mittels einer Mikrometerschraube 26 hergestellt, worauf die Grösse der Abweichung der Fläche 9 von der Geradlinigkeit am Index 27 des Schraubenkopfes abgelesen werden kann.
Beim Instrument mit dem Messbereich 10-15 m (Fig. 3 und 4) sind die Spiegel-Linsen-Objektive 3b und 3c an den Enden der zu kontrollierenden Fläche 9a fixiert. Die Genauigkeit der gegenseitigen Lage der Objektive 3b und 3c wird in einer Richtung durch die Prüffläche 9a selbst und in der anderen Richtung durch einen Faden (oder ein Band) 28 gewährleistet.
Die Geradlinigkeit des Fadens 28 wird durch Anspannen in magnetischen Klammern 29 und 30 mittels eines Gewichtes 31, das an dem über die Rolle 32 geführten Faden 28 befestigt ist, sichergestellt.
Die Klammern 29 und 30 und der Messwagen 4a sind mit Führungsnuten 33, 34 und 35 ausgestattet. Die Lage dieser Nuten hinsichtlich der optischen Teile des Instrumentes wird nur beim Herstellungsprozess und bei der Montage des Instrumentes eingestellt.
Der genaue Sitz der Objektive 3b und 3c längs der optischen Achse x'-x' wird durch einstellbare Richtteile 36 und 37 bewirkt, die am Faden 28 fixiert sind.
Der Messwagen 4a wird längs des Fadens 28 auf Rollen lla geführt, so dass er stets über die Fläche 9a unter Benutzung einer dieser Rollen lla und des Messfühlers 7a gleitet.
Die Möglichkeit, die Objektive 38 und 39 mit divergierenden und konvergierenden Linsen verschiedener Brennweite auszustatten, gestattet eine Kontrolle der Ebenheit und Geradlinigkeit von Oberflächen über Distanzen von 10-15 m. Die Durchführung der Messung nach dieser Methode ist bereits beschrieben worden.