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.
Optical device for checking the evenness of surfaces
The invention relates to an optical device for testing the flatness of surfaces, which contains a measuring carriage with a microscope, a lighting device and sensors sliding over the surface to be tested, and an optical system whose axis serves as a reference line when testing the surface.
As is known, the inspection of the flatness of surfaces is carried out by comparison with the optical system axis by sighting marks which are arranged at different distances along the optical axis of a telescope. A serious disadvantage of this known method is the need to focus on the marks located at different distances, and this causes errors due to the inaccuracies of the displacement means required for focusing. Another disadvantage is the strong change in sensitivity as the measuring distance increases.
Attempts have been made to overcome these disadvantages. So is z. B. an afocal collimation system has become known which is used in an optical instrument made in France. However, this instrument has serious drawbacks. So z. For example, an optical two-vial system of the diffraction type is used in this instrument to superpose object and image. Two pairs of prisms made of high-quality glass are used for diffraction in this system, with the objectives being stored in different levels.
To increase the accuracy of the instrument, objectives with a large diameter are usually used, which leads to a considerable increase in the size of the prism and thus a deterioration in the image quality and an increased sensitivity of the instrument to bending and temperature deformations, which in turn leads to frequent optical distortions and ultimately still entails a significant increase in instrument cost.
The previous attempts to eliminate the above-mentioned disadvantages by constructing an optical device for controlling the flatness of surfaces have not produced positive results.
The subject of the present invention is an optical device for checking the flatness of surfaces, which has a higher accuracy than the previous instruments of this type.
The device according to the invention is characterized in that the optical system is a uniaxial afocal autocollimation reversal system, which generates the reference line through two identical coaxial mirror-lens objectives, the focal points of which coincide in the retrograde beam path, each of the objectives consisting of a positive lens and one There is a dihedron or tetrahedron whose edge or apex lies on the lens axis.
The described instrument is available in two versions: with a measuring range up to 3-4 meters and with a measuring range up to 10-15 meters.
The inspection of the evenness of surfaces is carried out in the instrument with the measuring range up to 10-15 meters with mirror-lens-objectives, which do not have a rigid connection in the form of a tube, but at the ends of the surface that is checked between these objectives are mounted.
Embodiments of the present invention are explained below with reference to the accompanying drawing, in which:
Fig. 1 shows the system of the instrument with a permanent measuring range up to a maximum of 4 meters schematically,
Figure 2 shows a cross-section along the line A-A of Figure 1,
3 shows the system of the same instrument, but with a measuring range over 10-15 meters, and
FIG. 4 shows the instrument of FIG. 3 in the direction of the arrow 3.
The instrument for checking the flatness of surfaces (FIGS. 1 and 2) contains a smooth tube 1 with an afocal autocollimation reversal system 2, which is composed of two mirror-lens objectives 3 and 3a, a measuring carriage 4 with the source of illumination 5, furthermore a projection microscope 6 and a sensor 7.
The optical properties of the system 2 are such that, if the focal lengths of the mirror-lens objectives 3 and 3a are the same and their focal points coincide, the image of each point along the optical axis xx of the system coincides with the true point after the rays have passed through the two objectives 3 and 3a. But if the point is displaced by a certain distance perpendicular to the optical axis, the image of this point will also be offset from the optical axis, namely by the same distance, but in the opposite direction. When performing the measurements, the tube 1 is fixed by means of the tabs 8 on the surface 9 to be checked and the measuring carriage 4 with the sensor 7, the lighting device 5 and the microscope 6 is guided along the meridional groove 10 in the tube 1.
The measuring carriage 4 slides over the test surface 9 with one of the rollers 11 and the sensor 7. The light flux from the lamp 12 is collected by the mirror 13, passes the collecting lenses 14 and 15 and illuminates a grid 18 via the prisms 16 and 17, which is provided with a marking 19 arranged on the optical axis xx perpendicular to the plane of the drawing. The afocal autocollimation system 2, which contains the mirror lens objectives 3 and 3a, projects the image of the marking into the field diaphragm 21 conjugated with the raster plane 18 with the aid of the second prism 20.
The microscope lens 22 transfers this enlarged image into the plane of the raster 23, which is bifilar (not shown in FIG. 1). Finally, the images of both grids 18 and 23 are projected through the lens 24 onto the image plane 25, where they can be observed. In the event that the test surface 9, along which the measuring carriage 4 moves, has unevenness, the sensor 7 is lowered or raised and the markings 19 are accordingly displaced from the optical axis x-x. Their images are also shifted in the diaphragm 21, on the grid 23 and on the screen 25.
The superposition of the image of the marking 19 on the screen 25 with the bifilar image is produced by means of a micrometer screw 26, whereupon the size of the deviation of the surface 9 from the straightness can be read at the index 27 of the screw head.
In the case of the instrument with a measuring range of 10-15 m (FIGS. 3 and 4), the mirror-lens objectives 3b and 3c are fixed at the ends of the surface 9a to be checked. The accuracy of the mutual position of the objectives 3b and 3c is ensured in one direction by the test surface 9a itself and in the other direction by a thread (or a tape) 28.
The straightness of the thread 28 is ensured by tensioning it in magnetic clamps 29 and 30 by means of a weight 31 which is fastened to the thread 28 guided over the roller 32.
The clamps 29 and 30 and the measuring carriage 4a are equipped with guide grooves 33, 34 and 35. The position of these grooves with respect to the optical parts of the instrument is only adjusted during the manufacturing process and during the assembly of the instrument.
The exact fit of the objectives 3b and 3c along the optical axis x'-x 'is brought about by adjustable straightening parts 36 and 37 which are fixed on the thread 28.
The measuring carriage 4a is guided along the thread 28 on rollers 11a, so that it always slides over the surface 9a using one of these rollers 11a and the measuring sensor 7a.
The possibility of equipping the objectives 38 and 39 with diverging and converging lenses of different focal lengths allows the flatness and straightness of surfaces to be checked over distances of 10-15 m. The implementation of the measurement according to this method has already been described.