DE102010053033A1

DE102010053033A1 - Vorrichtung zur Winkelbestimmung von Probenflächen

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Publication number: DE102010053033A1
Application number: DE201010053033
Authority: DE
Inventors: Dr. Engel Axel; Gerhard Westenberger; Peter Fischer; Lothar Bartelmess
Original assignee: Schott AG
Current assignee: Schott AG
Priority date: 2010-12-02
Filing date: 2010-12-02
Publication date: 2012-06-06

Abstract

Die Erfindung betrifft Allgemein das Gebiet der Vermessung optischer Konstanten von transparenten Werkstoffen. Im Speziellen betrifft die Erfindung die Vermessung der Geometrie von Proben zur Bestimmung optischer Konstanten in einer Meßvorrichtung mit mehreren Messtastern.

Description

Die Erfindung betrifft Allgemein das Gebiet der Vermessung optischer Konstanten von transparenten Werkstoffen. Im Speziellen betrifft die Erfindung die Vermessung der Geometrie von Proben zur Bestimmung optischer Konstanten in einer Meßvorrichtung.
Zur genauen Bestimmung des wellenlängenabhängigen Brechungsindex und der Dispersion von hochwertigen transparenten Materialien, wie insbesondere von optischen Gläsern werden verschiedene Verfahren verwendet. Eine besonders genaue Methode ist die sogenannte Minimalablenkung. Dieses Verfahren hat allerdings den Nachteil, dass eine sehr genaue Bearbeitung eines Probenprismas erforderlich ist. Weiterhin muss das Prisma eine sehr hohe optische Homogenität, also eine sehr geringe Varianz der globalen Brechwertverteilung aufweisen. Auch die Prüftemperatur sollte um höchstens 0,05°C variieren.
Eine ebenfalls noch sehr genaue Methode ist die Messung der Strahlablenkung an einem sogenannten V-Block-Prisma. Dieses Verfahren wird nachfolgend auch der Einfachheit halber als V-Block-Verfahren bezeichnet. Beim V-Block-Verfahren wird ein V-Block-Prisma verwendet, welches eine V-förmige Nut zwischen planparallele Seitenflächen aufweist. In diese Nut, deren Seiten typischerweise rechtwinklig zueinander stehen, wird eine entsprechend geformte Probe eingesetzt, welche die Nut zumindest im Bereich des Lichtdurchgangs ausfüllt. Das Licht wird auf eine der Seitenflächen des V-Block-Prismas eingestrahlt, passiert die Nut mit der darin angeordneten Probe und tritt auf der gegenüberliegenden Seitenfläche wieder aus. Anhand des Strahlablenkwinkels und des bekannten Brechungsindex des V-Block-Prismas kann daraus der Brechungsindex zur Wellenlänge des Lichts zurückgerechnet werden.
Das Verfahren bietet gegenüber der Minimalablenkungsmethode unter anderem den Vorteil, dass die Bearbeitung der Probenflächen weniger kritisch ist. Bei der Minimalablenkungsmethode ist für eine hohe Genauigkeit eine exakte Ausrichtung der Prismenflächen der Probe und eine optische, polierte Qualität der Prismenflächen erforderlich. Demgegenüber kann bei der V-Block-Methode Immersionsflüssigkeit in der V-Nut zwischen der Probe und den Prismenflächen der V-Nut verwendet werden. Die Immersionsflüssigkeit kann in ihrer Brechzahl der zu erwartenden Brechzahl der Probe gut angepasst werden. Damit fallen Oberflächenrauhigkeiten der optisch aktiven Prismenflächen der Probe kaum ins Gewicht.
Kritisch für eine genaue Brechwertbestimmung ist allerdings der Winkel zwischen den Prismenflächen der Probe. Der Winkel sollte im Idealfall exakt komplementär zu dem Winkel der Flächen der V-Nut sein, so dass die Probe exakt in die V-Nut passt. Ist dies nicht der Fall, so ergibt sich ein Fehler in der Brechwert-Bestimmung, da sich in diesem Fall mindestens ein keilförmiger, von der Immersionsflüssigkeit ausgefüllter Zwischenraum zwischen Probe und den Seiten der V-Nut des V-Block-Prismas bildet. Die Keilform des Spalts bewirkt eine Brechung des Lichtstrahls, die für eine Messung mit größtmöglicher Genauigkeit berücksichtigt werden sollte.
Hierbei ergibt sich das Problem, den Winkel der Prismenflächen mit hoher Genauigkeit zu messen. Eine solche Messung kann zwar leicht optisch, etwa mit einem optischen Goniometer durchgeführt werden, allerdings bedingt dies wiederum exakt optisch polierte Prismenflächen. Ein wesentlicher Vorteil des V-Block-Messverfahrens, geringere Anforderungen an die Probenoberfläche zu stellen, wird damit wieder zunichte gemacht.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Messung des Winkels zwischen zwei Prismenflächen mit hoher Genauigkeit zu ermöglichen, ohne dass eine optische Politur der Prismenflächen erforderlich ist. Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen abhängigen Ansprüchen angegeben.
Eine V-Block-Messvorrichtung und ein Verfahren zur Messung von Brechungsindizes ist aus der deutschen Patentanmeldung mit der Anmeldenummer 10 2010 004 824.0-52 bekannt. Deren Offenbarung wird in Bezug auf das eigentliche Messverfahren zur Bestimmung von Brechungsindizes und die entsprechende, dazu verwendete Vorrichtung vollumfänglich auch zum Gegenstand der vorliegenden Anmeldung gemacht.
Demgemäß sieht die Erfindung eine Messvorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen einer Probe oder der Abweichung dieses Winkels von einem Sollwinkel vor, welche eine Auflage für die Probe derart, dass die Probe mit beiden zu vermessenden Flächen auf der Auflage aufliegt, sowie vier Messtaster umfasst, die so angeordnet sind, dass die in der Auflage liegende Probe mit ihren zwei aufeinander zu laufenden Flächen alle vier Messtaster berührt, und ein erstes Paar von Messtastern eine erste der beiden Flächen der Probe und ein zweites Paar von Messtastern eine zweite der beiden Flächen der Probe berührt, und für jedes Paar von Messtastern die Messtaster jeweils die Probenfläche in verschiedenen Abständen zur Schnittlinie der beiden Flächen antasten. Dabei sind die Messtaster so angeordnet, dass zumindest eine Komponente der Messrichtung entlang der Normalen einer angetasteten Fläche der Probe verläuft. Vorzugsweise verläuft dabei nicht nur eine Komponente der Messrichtung entlang der Normalen einer angetasteten Fläche der Probe, sondern die Messrichtung ist entlang der Normalen der Fläche ausgerichtet, beziehungsweise verläuft parallel zur Normalen.
Das mit der Vorrichtung durchführbare Verfahren basiert entsprechend darauf, dass

– eine Probe in eine Auflage so eingesetzt wird, dass die Probe mit beiden zu vermessenden Flächen auf der Auflage aufliegt, und
– mit den vier Messtastern die zwei aufeinander zu laufenden Flächen der in der Auflage liegenden Probe berührt wird, wobei
– ein erstes Paar von Messtastern eine erste Fläche der Probe und ein zweites Paar von Messtastern eine zweite Fläche der Probe derart antasten, dass jeweils die zwei Messtaster eines Paares die Probenfläche in verschiedenen Abständen zur Schnittlinie der beiden Flächen berühren, und wobei mit den vier Messtastern jeweils Längenmesswerte entlang von Antastrichtungen mit einer Komponente entlang der Normalen der angetasteten Fläche der Probe aufgenommen werden. Anhand dieser Längenmesswerte wird dann der Winkel der beiden Flächen zueinander oder die Abweichung des Winkels zu einem Sollwinkel bestimmt.

Es hat sich gezeigt, dass die Antastung der Probenflächen mit vier Messtastern eine sehr genaue Bestimmung des Winkels der angetasteten Flächen zueinander erlaubt. Es hat sich gezeigt, dass die Messung des Winkels, beziehungsweise der Winkelabweichung mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung mit einer Genauigkeit von besser als 0,2 Winkelminuten möglich ist. Dabei ist im Unterschied zu einer optischen Vermessung eine Politur der Flächen auf optische Qualität nicht mehr notwendig.
Die besondere Art der Auflage auf beiden zu vermessenden Flächen und Messung mit vier Messtastern bietet zudem den Vorteil, dass eine aufwändige Justierung entfallen kann. Da die Probe mit beiden Flächen aufliegt, erfolgt eine Selbstzentrierung. Auch für den Fall, dass die Probe sich in der Auflage noch etwas in Richtung um die Schnittlinie der Flächen drehen kann, werden dadurch entstehende Abweichungen in der Längenmessung der Messtaster durch die Berücksichtigung der Messwerte aller Messtaster exakt ausgeglichen. Damit ist die Messung des Winkels nicht nur sehr genau, sondern auch sehr schnell, ohne aufwändige Halterung oder Justierung der Probe möglich.
Die Erfindung wird nachfolgend genauer anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder entsprechende Elemente.
Es zeigen:
1 das Messprinzip einer V-Block-Messvorrichtung,
2A und 2B zwei in ein V-Block-Prisma eingesetzte Proben mit vom Sollwinkel abweichenden Winkel zwischen den Prismenflächen der Probe,
3 eine Ansicht von Teilen der Vorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei Probenflächen mit Blickrichtung entlang der Schnittlinie der Probenflächen, und
4 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung.
In 1 ist der Strahlengang durch einen Prüfkörper, beziehungsweise eine Probe 3 in einer V-Block-Messvorrichtung 100 dargestellt.
Die schematisch dargestellte Messvorrichtung 100 umfasst eine Lichtquelle 109, und ein V-Block-Prisma 105 mit einer Lichteintrittsfläche 151 und einer Lichtaustrittsfläche 154, sowie eine durch zwei schräg zueinander angeordnete innere Prismenflächen 152, 153 begrenzte Aufnahme 150 für eine Probe 3. Die konkav geformte Aufnahme 150 ist V-förmig ausgebildet.
In die Aufnahme 150 wird für die Messung eine Probe 3 mit zu den Prismenflächen 152, 153 des V-Block-Prismas 105 korrespondierenden, beziehungsweise komplementären und aufeinander auf eine Schnittlinie zu laufenden Flächen 31, 32 eingesetzt, so dass sie zumindest den vom Lichtstrahl 111 der Lichtquelle 109 durchstrahlten Bereich der Aufnahme 150 ausfüllt.
Wie anhand von 1 zu erkennen ist, sind die Lichtquelle 109 und das Prisma 5 so zueinander angeordnet, dass ein von der Lichtquelle 109 abgestrahlter Lichtstrahl 11 nacheinander die Lichteintrittsfläche, die der Lichteintrittsfläche zugewandte Prismenfläche 52, die in der Aufnahme 50 angeordnete Probe 3, die der Lichtaustrittsfläche 54 zugewandte Prismenfläche 53 und dann die Lichtaustrittsfläche 54 passiert. Der austretende Lichtstrahl wird von einer Messvorrichtung 15 erfasst, mit welcher die Ablenkung des aus der Lichtaustrittsfläche 54 des V-Block-Prismas 105 austretenden Lichtstrahls 11 bestimmt werden kann.
Weist das Material der Probe 3 einen höheren Brechungsindex als das Material des V-Block-Prismas 5 auf, so wird der austretende Lichtstrahl 11 um einen von der Brechungsindex-Differenz abhängigen Ablenkungswinkel 102 in Richtung zur Fläche 32 der Probe hin gebrochen. Ist umgekehrt der Brechungsindex der Probe 3 geringer als der Brechungsindex des V-Block-Prismas 105, erfolgt eine Ablenkung um einen Ablenkungswinkel 103 in Richtung von der Fläche 32 der Probe 3 weg. Zwischen die Probe 3 und die Prismenflächen 152, 153 der Aufnahme wird außerdem eine Immersionsflüssigkeit 107 eingebracht. Der zwischen den Prismenflächen 31, 32 der Probe 3 und den komplementären Prismenflächen 152, 153 der Aufnahme 150 vorhandene Film der Immersionsflüssigkeit 107 verhindert große Brechungsindexsprünge an den Grenzflächen.
Mit einer Messvorrichtung 115 wird nun diese Ablenkung, beziehungsweise eine zu dieser Ablenkung korrespondierende Größe erfasst. Aus der Ablenkung kann dann unter Berücksichtigung des bekannten Winkels 4 zwischen den Prismenflächen 31, 32 der Brechungsindex der Probe 3 zurückgerechnet werden.
Bevorzugt wird als Winkel 4 zwischen den Prismenflächen 31, 32 ein rechter Winkel gewählt. Die Prismenflächen 152, 153 der Aufnahme 150 des V-Block-Prismas 105 werden entsprechend mit komplementärem Winkel eingeschliffen. Durch eine genaue Fertigung und Vermessung ist der Winkel zwischen den Prismenflächen 152, 153 im Allgemeinen genau bekannt. Dies trifft für den Winkel 4 aber nicht in gleichem Masse zu. Eine entsprechend genaue Fertigung der Probe 3 würde sehr langwierig und aufwändig. Dies ist jedoch für die Überprüfung von Gläsern aus einer laufenden Produktion oder einer größeren Menge zu überprüfender Gläser ungünstig. Es kann daher bedingt durch die schnellere Probenpräparation zu Ungenauigkeiten des Winkels 4 kommen. Die 2A und 2B zeigen zwei Fälle mit vom Sollwinkel von typischerweise 90° abweichenden Winkeln 4.
Bei dem in 2A gezeigten Fall ist der Winkel zwischen den Prismenflächen 31, 32 der Probe 3 kleiner als der Sollwinkel. Dies führt dazu, dass sich beim Einsetzen der Probe in das V-Block-Prisma 105 mindestens an einer Prismenfläche in der Aufnahme 150 ein keilförmiger Spalt bildet, der sich in derselben Richtung, wie die Aufnahme 150 öffnet und mit der Immersionsflüssigkeit 107 füllt.
Ist, wie in 2B gezeigt, der Winkel 4 größer als der Sollwinkel, so bilden sich ein oder, wie dargestellt zwei Spalte, die sich zur Schnittlinie 5 der Flächen 31, 32 der Probe 3 hin öffnen und ebenfalls mit Immersionsflüssigkeit 107 gefüllt sind.
Es ist ersichtlich, dass die Ablenkung des Lichtstrahls 11, wie sie in 1 dargestellt ist, durch solche Abweichungen des Winkel 4 vom Sollwinkel beeinflusst wird, wenn die Brechungsindizes der Probe 3 und der Immersionsflüssigkeit nicht perfekt übereinstimmen. Ist der tatsächliche Winkel 4, ober äquivalent dazu dessen Abweichung vom Sollwinkel genau bekannt, kann diese Beeinflussung berücksichtigt werden, so dass dennoch eine genaue Messung des Brechungsindex der Probe 3 möglich ist.
Mittels der Erfindung wird es nun möglich, eine schnelle und genaue Messung des Winkels 4, beziehungsweise dessen Abweichung vom Sollwinkel durchzuführen. Zudem ist eine Politur der Prismenflächen in optischer Qualität nicht notwendig, um mittels der Erfindung den Winkel zu bestimmen. Dies ist günstig, da unter anderem bei der V-Block-Messmethode keine optisch polierten Oberflächen der Probe 3 benötigt werden. Vielmehr genügt im Allgemeinen ein Feinschliff. Bei derart präparierten Proben ist allerdings eine optische Bestimmung des Winkels schwierig und ungenau.
Erfindungsgemäß ist dazu vorgesehen, die Flächen der Probe durch in besonderer Konfiguration angeordneter Messtaster anzutasten und zu vermessen.
3 zeigt dazu ein Ausführungsbeispiel von Teilen einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 1, betrachtet entlang der Richtung der Schnitttkante 5 der Probe 3. Die Vorrichtung 1 umfasst eine Auflage, in welcher die Probe mit beiden zu vermessenden Flächen aufliegend eingelegt werden kann. Bei dem in 3 gezeigten Beispiel sind dazu vier parallele Auflagestangen 20, 21, 22, 23 vorgesehen. Die Auflagestangen 20 und 21, sowie 22 und 23 bilden eine keilförmige Aufnahme, in welchen die Probe 3 mit ihren ebenfalls keilförmig aufeinander zu laufenden, zu vermessenden Flächen 31, 32 eingesetzt wird. Demgemäß verläuft die Schnittlinie 5 der Flächen 31, 32 parallel zu den Stangen 20, 21, 22, 23. Dabei bilden das Paar der Auflagestangen 20, 21 eine Auflage für die Fläche 31 und das Paar der Auflagestangen 22, 23 eine Auflage für die Fläche 32. An dieser Stelle ist noch anzumerken, dass die Schnittlinie nicht zwangsläufig innerhalb der Probe liegen muss. Die Schnittlinie stellt vielmehr allgemein die gedachte Linie dar, entlang welcher sich die zwei Ebenen schneiden, in welchen die Flächen 31, 32 liegen.
Die in 3 dargestellte Auflage wurde also durch Auflagestangen realisiert. Im Speziellen sind die zwei Paare von Stangen 20, 21 und 22, 23 so angeordnet, dass eine eingesetzte Probe 3 mit jeder der beiden Probenflächen 31, 32 auf zumindest einer der Stangen eines der Paare aufliegt. Allgemein ist eine punktuelle oder linienförmige Auflagefläche von Vorteil, um zu vermeiden, dass sich Verschmutzungen auf einer Auflagefläche bilden können. Durch die Abstände zwischen der punktuellen oder linienförmigen Auflageflächen fällt Schmutz nach unten durch und kann sich nicht ansammeln.
Die Vorrichtung 1 weist weiterhin vier Messtaster auf, von denen in 3 nur die Messtaster-Spitzen 60, 61, 62, 63 dargestellt sind. Die Messtaster-Spitzen 60, 61, 62, 63 sind entlang der durch Doppelpfeile gekennzeichneten Richtung im wesentlichen senkrecht zu den Normalen der angetasteten Flächen 31, 32 der Probe beweglich. Weiterhin sind die Messtaster, beziehungsweise deren Messtaster-Spitzen 60, 61, 62, 63 so angeordnet, dass die in der Auflage liegende Probe mit ihren zwei aufeinander zu laufenden Flächen alle vier Messtaster berührt und ein erstes Paar von Messtastern mit den Messtaster-Spitzen 60, 61 eine erste der beiden Flächen der Probe (in 3 die Fläche 31) und ein zweites Paar von Messtastern mit den Messtaster-Spitzen 62, 63 eine zweite der beiden Flächen der Probe 3 (in 3 die Fläche 32) berührt. Demgemäß wird eine Vierpunkt-Antastung der Flächen 31, 32 durchgeführt. Mit dieser Vierpunkt-Antastung ist das Messergebnis weitgehend von Andruck-Fehlern unabhängig.
Es ist günstig, die Antastpunkte der Messtaster-Spitzen 60, 61, 62, 63 möglichst nahe an die Auflagepunkte oder Auflagelinien der Auflage zu bringen, um Messfehler durch eine Durchbiegung der Auflageelemente, hier speziell der Auflagestangen 20, 21, 22, 23 zu reduzieren. Dazu weisen bei dem in 3 gezeigten Beispiel die Auflagestangen 20, 21, 22, 23 jeweils Einschnitte 24 auf, in welche die Messtaster-Spitzen 60, 61, 62, 63 etwas hineinragen. Alternativ ist es auch beispielsweise möglich, die Auflagestangen zu teilen und eine Lücke in axialer Richtung zwischen diesen vorzusehen, wobei die Messtaster-Spitze durch die Lücke hindurch die Probe antastet.
Wie weiterhin anhand von 3 zu erkennen sind, tasten die Messtaster-Spitzen 60, 61 einerseits und die Messtaster-Spitzen 62, 63 andererseits die angetastete Fläche 31, beziehungsweise 32 in verschiedenen Abständen zur Schnittlinie der beiden Flächen 31, 32 an. Demgemäß sind die Berührungsstellen der Messtaster-Spitzen 60, 61 in der Betrachtungsebene der 3, die senkrecht zur Schnittlinie 5 verläuft, ebenso wie die Berührungsstellen der Messtaster-Spitzen 62, 63 um einen Abstand a voneinander beabstandet.
Jeder der Messtaster misst einen Längenmaß für den Abstand des angetasteten Punkts der jeweiligen Fläche 31, beziehungsweise 32 zu einer Referenzposition, beispielsweise der Maximal- oder Minimalauslenkung der Messtaster-Spitze. Der Abstand zur Referenz-Position kann unter anderem von der Einbau-Lage des Messtasters abhängen und damit eine Ungenauigkeit aufweisen. Um diesbezüglich Ungenauigkeiten zu vermeiden, ist in vorteilhafter Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, zumindest eine Referenzprobe zu verwenden, deren Probenflächen in bekanntem Winkel zueinander angeordnet sind. Mittels einer Recheneinrichtung werden dann die von den Messtastern an einer Probe ermittelten Längenmesswerte mit Längenmesswerten, die an der Referenzprobe gemessen wurden, verglichen.
Im Speziellen kann dabei der Winkel 4, oder dessen Abweichung vom durch den entsprechenden Winkel der Referenzprobe vorgegebenen Referenzwinkel durch Errechnung der jeweiligen Differenzen der von den Messtastern ermittelten Längenmaße an der Referenzprobe und der zu vermessenden Probe 3 von der Recheneinrichtung ermittelt werden. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung eine Recheneinrichtung vorgesehen, welche dazu eingerichtet ist, die Abweichung des Winkels vom Sollwinkel anhand von einzelnen Differenzen der Längenmesswerte der Messtaster zu Referenzwerten zu bestimmen.
Im Speziellen werden bei der Verwendung einer Referenzprobe von der Recheneinrichtung für alle vier Messtaster Differenzen von an einer Probe 3 gemessenen Längenmesswerten zu an einer Referenzprobe gemessenen Längenmesswerten gebildet und die Abweichung des Winkels zwischen den Probenflächen von einem durch den Winkel der Flächen der Referenzprobe gegebenen Sollwinkel anhand der vier Differenzen der Längenmesswerte errechnet.
Als Referenzproben wurden in einem praktischen Beispiel ein Metall-Winkelnormal mit bekannten Winkel, sowie polierte Referenzproben verwendet. Bei letzteren wurde der Winkel zwischen den Prismenflächen mit einem Präzisions-Goniometer bestimmt. Die Verwendung von Referenzproben, wie etwa einem Winkelnormal ermöglicht neben einer genauen Messung auch eine schnelle und einfache Neukalibration der Vorrichtung.
Das Verfahren zur Bestimmung des Winkels 4, beziehungsweise äquivalent dazu die Abweichung dieses Winkels zum bekannten Winkel einer Referenzprobe wird nachfolgend genauer erläutert.
Bei dem in 3 gezeigten Beispiel weist die Probe 3 einen gegenüber der Referenzprobe zu kleinen Winkel 4 auf. Die Probenfläche 31 liegt in der gezeigten Position in der Auflage an beiden Auflagestangen 20, 21 an. Der Unterschied der Längenmasse der beiden diese Fläche 31 antastenden Messtaster mit den Tastspitzen 60, 61 ist demgemäß nahezu null unter der Voraussetzung, dass die Anordnung der Auflagestangen 20, 21, 22, 23 an den Winkel der Flächen der Referenzprobe angepasst ist. Die beiden anderen Messtaster mit den Messspitzen 62, 63 messen demgegenüber eine Abweichung von den Längenmesswerten, die an der Referenzprobe gemessen wurden. Die Differenz dieser Abweichung hat einen Wert d.
Weiterhin sind die Antastpunkte der Tastspitzen 62, 63 auf der Probenfläche 32 von der Schnittlinie 5 unterschiedlich beabstandet. Der gegenseitige Abstand in der Ebene senkrecht zur Schnittlinie hat dabei einen Wert a. Es ist bevorzugt, die Messtaster so anzuordnen, dass die Antastpunkte in einer Ebene senkrecht zur Schnittlinie 5 liegen, so dass der Abstand a auch dem euklidischen Abstand der Antastpunkte entspricht. Gerade für kleine Proben ist es aber auch denkbar, die Antastpunkte zusätzlich entlang der Richtung der Schnittlinie 5 zu versetzen.
Damit ergibt sich für die Abweichung Δϕ des Winkels 4 zum entsprechenden Winkel der Referenzprobe: ϕ = arctan(d/a).
Würde die Probe immer mit einer Fläche auf einer Seite der Auflage aufliegen, so dass auf dieser Seite die Abweichung der Längenmesswerte zur Referenzprobe null ist, könnte eine exakte Bestimmung des Winkels 4 auch mit zwei Messtastern erfolgen, welche die andere Probenfläche antasten. Allerdings kann sich durch den Andruck der Probe eine Deformation der Messvorrichtung, insbesondere deren Auflage ergeben. Dadurch ergeben sich Messfehler. Indem aber erfindungsgemäß beide Probenflächen 31, 32 jeweils mit einem Messtaster-Paar angetastet werden, können derartige Fehler weitgehend eliminiert werden.
Unter Berücksichtigung der Längenmesswerte aller vier Messtaster mit den Tastspitzen 60, 61, 62, 63 Errechnet die Recheneinrichtung dazu in Weiterbildung der Erfindung die Abweichung Δϕ des Winkels zwischen den zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen 31, 32 der Probe 3 von einem Sollwinkel, insbesondere einem an einer Referenzprobe gemessenen Sollwinkel anhand der Beziehungen W₁₂ = P·arctan ((D1 – D2)/a), (1) W₃₄ = P·arctan((D3 – D4)/a), (2) und Δϕ = W₁₂ + W₃₄ (3)
Dabei bezeichnen D1 und D2 die jeweiligen Differenzen der Längenmesswerte der eine erste Probenfläche, z. B. die Fläche 31 antastenden Messtaster, D3 und D4 die Differenzen der Längenmesswerte der eine zweite Probenfläche, z. B. Fläche 32 antastenden Messtaster, a den Abstand zwischen zwei eine der Probenflächen antastenden Messtaster, genauer wie oben erläutert die Differenz der Abstände der Antastpunkte zur Schnittlinie 5, und P eine gegebenenfalls von eins abweichende Proportionalitätskonstante. Die Proportionalitätskonstante kann die Umrechnung in bestimmte Einheiten, beispielsweise zur Umrechnung in Winkelminuten dienen. Gegebenenfalls kann die Proportionalitätskonstante alternativ oder zusätzlich auch systematische Abweichungen der Messung berücksichtigen und ausgleichen und für diesen Zweck aus Referenzmessungen bestimmt werden.
Die Differenzen D1–D2, D3–D4 und der Abstand a werden vorzugsweise in gleichen Einheiten, beispielsweise in Millimetern der Berechnung zugrunde gelegt. Jede der Differenzen D1, D2, D3, D4 wird durch Differenz des aktuellen Längenmesswert des jeweiligen Messtasters mit einem Referenzwert, insbesondere also einen an einer Referenzprobe gemessenen Längenmesswert dieses Messtasters gebildet. Beispielsweise ist D1 die Differenz der Längenmesswerte, die mit dem Messtaster mit der Mess-Spitze 60 gemessen wurden, D2 die Differenz der Längenmesswerte, die mit dem Messtaster mit der Mess-Spitze 61 gemessen wurden. Entsprechend sind dann die Differenzen D3 und D4 die Differenzen der Längenmesswerte der Messtaster mit den Mess-Spitzen 62 und 63.
Für eine genaue Ermittlung optischer Konstanten, beispielsweise mittels einer V-Block-Messvorrichtung sollte die Winkelabweichung von der Referenzprobe, beziehungsweise vom Referenzwinkel nicht mehr als ±3 Winkelminuten betragen. In Weiterbildung der Erfindung ist dazu vorgesehen, nach einer Bestimmung des Winkels 4 oder der Differenz dieses Winkels zu einem Sollwinkel solche Proben 3 auszusortieren, bei denen die Abweichung mehr als ±3 Winkelminuten beträgt.
Typischerweise kann mit der erfindungsgemäßen Vorrichtung, beziehungsweise dem mittels der Vorrichtung durchführbaren Verfahren eine Genauigkeit von ±0,1 Winkelminuten oder besser erzielt werden. Dies ist besonders vorteilhaft auch bei Glasproben, deren Prismenflächen nicht auf optische Qualität poliert, sondern beispielsweise nur feingeschliffen werden. Derartige Flächen weisen noch eine erhebliche Lichtstreuung auf und sind daher für optische Vermessungsverfahren allenfalls schlecht geeignet.
Daher ist in Weiterbildung der Erfindung allgemein, ohne Beschränkung auf die in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele vorgesehen, dass als Prisma eine Glasprobe verwendet wird, in welche die Prismenflächen eingeschliffen werden, wobei der Winkel oder die Abweichung des Winkels von einem Sollwinkel an optisch streuenden Prismenflächen bestimmt wird.
4 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht der Vorrichtung 1 mit einer eingesetzten Probe 3. Auf einer Grundplatte 9, die mit Dämpfungselementen 12 zur Abdämpfung von Vibrationen und Erschütterungen versehen ist, ist eine Halterung 7 montiert. An der Halterung 7 sind sowohl die Auflagestangen 20, 21, 22, 23, als auch die Messtaster befestigt. Von den Messtastern sind in der perspektivischen Ansicht nur zwei Messtaster 65, 66 zu erkennen, die beiden anderen Messtaster sind durch die Halterung verdeckt.
Die Messtaster können beispielsweise die Längenmessung interferenzoptisch durchführen. Gemäß einem weiteren Meßprinzip werden Strichmarken gegenüber einem oder mehreren Sensoren verschoben und die Position der Strichmarken optisch, insbesondere photoelektrisch erfasst. Noch ein weiteres Prinzip der Längenmessung basiert auf der Messung von Magnetfeldstärken oder der magnetischen Induktion, beispielsweise durch magnetoresistive Elemente. Dabei werden durch die Bewegung des Messtaster-Kopfes ein oder mehrere Magnete an einem Magnetfeldsensor vorbeibewegt. Ebenfalls bekannt und verbreitet sind induktive Messtaster mit einem gegenüber einer Differetialspule bewegten Ferritkern. Hierbei wird ausgenutzt, dass die Induktivität der Anordnung aus Ferritkern und Spule proportional zur Position des Ferritkerns in der Spule ist.
Anhand von 4 ist zu erkennen, dass sich die Probe 3 leicht entlang der Auflagestangen, beziehungsweise entsprechend entlang der Schnittlinie der Prismenflächen in der Auflage verschieben lässt. Die Verschieberichtung ist durch einen Doppelpfeil gekennzeichnet. Dies ist von Vorteil, da auf diese Weise mehrere Messungen an verschiedenen Positionen entlang der Schnittlinie 5 der Flächen 31, 32 durchgeführt werden können, um die Messgenauigkeit weiter zu erhöhen. Demgemäß ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die Probe entlang der Schnittlinie 5 der beiden Flächen 31, 32 in der Auflage verschoben und an verschiedenen Positionen in Richtung entlang der Schnittkante Längenmesswerte von den Messtastern aufgezeichnet werden. Diese Messwerte können dann beispielsweise vor oder nach der Differenzbildung gemittelt werden. Weiterhin besteht auch die Möglichkeit, den Winkel 4 oder dessen Abweichung vom Sollwinkel abhängig von der Position entlang der Probe, beziehungsweise entlang der Schnittlinie 5 anzugeben.
Die Messtaster sind über Anschlussleitungen 15, 16, 17, 18 mit einer Messelektronik 13 verbunden. Die Messelektronik liest die elektrischen Signale der Messtaster über die Anschlussleitungen aus und stellt über die Anschlussleitungen auch die Versorgungsspannung bereit. Die elektrischen Signale der Messtaster werden in der Messelektronik aufbereitet, z. B. verstärkt und in Signale umgesetzt, welche die Längenmesswerte repräsentieren.
Die Messelektronik 13 weist weiterhin eine Schnittstelle 25 auf, über welche die Messelektronik 13 mit einer Recheneinrichtung 27 verbunden ist. Die Recheneinrichtung 27 kann beispielsweise ein Desktop-Rechner sein.
Die Recheneinrichtung 27 ist dazu eingerichtet, aus den über die Schnittstelle 25 von der Messelektronik empfangenen, die Längenmesswerte der Messtaster repräsentierenden Längenmesswerte die Berechnung der Winkelabweichung des Winkels 4 oder entsprechend den Absolutwert des Winkels 4 zu errechnen.
Die Berechnung kann wie oben beschrieben anhand der Gleichungen (1) bis (3) erfolgen. Dazu werden vorzugsweise Referenzwerte, die an einer oder mehreren Referenzproben gemessen wurden, gespeichert und die Differenz zu den aktuellen Längenmesswerten zu einer in die Vorrichtung 1 eingelegten Probe gebildet.
In der Recheneinrichtung 27 oder der Messelektronik 25 kann auch eine Prüffunktion implementiert sein, welche überprüft, ob eine Probe 3 falsch oder gar nicht in die Auflage der Vorrichtung 1 eingelegt ist. Ergibt die Prüfung, dass die Probe nicht richtig, beispielsweise verkantet eingesetzt ist, kann von der Recheneinrichtung 27 oder der Messelektronik 25 eine entsprechende Fehlermeldung angezeigt werden.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung 1 bietet nicht nur den Vorteil, dass eine sehr genaue Messung der Winkel an nicht polierten Flächen möglich ist. Zusätzlich ergeben sich durch die Anordnung mit den vier Messtastern und der Auflage auf beiden zu vermessenden Flächen der Probe auch eine sehr einfache Bedienbarkeit, eine zumindest weitgehende Unempfindlichkeit der Messung gegenüber der Andruckstärke der Probe und die Möglichkeit, Mehrfachmessungen entlang der Richtung der Schnittlinie durchzuführen, sowie eine besonders schnelle Messung des Winkels.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung und das damit durchführbare Messverfahren können insbesondere verwendet werden, um die Bestimmung des Brechungsindex einer mit Prismenflächen versehenen Glasprobe in einem auf Strahlablenkung an den Prismenflächen basierenden Messverfahren durchzuführen, bei welchem der Winkel zwischen den Prismenflächen in die Bestimmung der optischen Konstanten eingeht. Ein solches Verfahren muss dabei nicht unbedingt das weiter oben beschriebene V-Block-Messverfahren sein. Möglich ist beispielsweise auch, Winkel an transparenten Proben zu bestimmen, deren optische Konstanten dann mit dem Minimalablenkungsverfahren bestimmt werden.
Es ist dem Fachmann ersichtlich, dass die Erfindung nicht auf die beispielhaft dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt ist, sondern vielmehr in vielfältiger Weise im Rahmen des Gegenstands der Ansprüche variiert werden kann.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Winkelbestimmung
3: Probe
4: Winkel zwischen Flächen 31, 32
5: Schnittlinie der Flächen 31, 32
7: Halterung für Auflagestangen und Messtaster
9: Grundplatte
12: Dämpfungselemente
13: Messelektronik
25: Schnittstelle
27: Recheneinrichtung
15, 16, 17, 18: Anschlußleitungen
20, 21, 22, 23: Auflagestangen
24: Einschnitt in Auflagestangen
60, 61, 62, 63: Tastspitzen der Messtaster
65, 66: Messtaster
31, 32: Prismenflächen von 3
100: V-Block-Messvorrichtung
102, 103: Ablenkungswinkel
105: V-Block-Prisma
107: Immersionsflüssigkeit
109: Lichtquelle von 100
111: Lichtstrahl von 109
115: Messvorrichtung
150: Aufnahme für 3 in V-Block-Prisma 150
151: Lichteintrittsfläche
154: Lichtaustrittsfläche
152, 153: innere Prismenflächen von 105

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102010004824 [0008]

Claims

Messvorrichtung zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen einer Probe oder der Abweichung dieses Winkels von einem Sollwinkel, umfassend – eine Auflage für die Probe derart, dass die Probe mit beiden zu vermessenden Flächen auf der Auflage aufliegt, sowie – vier Messtaster, die so angeordnet sind, dass die in der Auflage liegende Probe mit ihren zwei aufeinander zu laufenden Flächen alle vier Messtaster berührt, und – ein erstes Paar von Messtastern eine erste der beiden Flächen der Probe und ein zweites Paar von Messtastern eine zweite der beiden Flächen der Probe berührt, und für jedes Paar von Messtastern die Messtaster jeweils die Probenfläche in verschiedenen Abständen zur Schnittlinie der beiden Flächen antasten, und wobei – die Messtaster so angeordnet sind, dass zumindest eine Komponente der Messrichtung entlang der Normalen einer angetasteten Fläche der Probe verläuft.
Messvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Abweichung des Winkels vom Sollwinkel anhand von einzelnen Differenzen der Längenmesswerte der Messtaster zu Referenzwerten zu bestimmen.
Messvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, für alle vier Messtaster, Differenzen von an einer Probe gemessenen Längenmesswerte zu an einer Referenzprobe gemessenen Längenmesswerten zu bilden und die Abweichung des Winkels zwischen den Probenflächen von einem durch den Winkel der Flächen der Referenzprobe gegebenen Sollwinkel anhand der vier Differenzen der Längenmesswerte zu errechnen.
Messvorrichtung gemäß dem vorstehenden Anspruch, gekennzeichnet durch eine Recheneinrichtung, welche dazu eingerichtet ist, die Abweichung Δϕ des Winkels zwischen den zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen einer Probe von einem Sollwinkel anhand der Beziehungen W₁₂ = P·arctan((D1 – D2)/a), (1) W₃₄ = P·arctan((D3 – D4)/a), (2) und Δϕ = W₁₂ + W₃₄ (3) zu errechnen, wobei D1 und D2 die Differenzen der Längenmesswerte der eine erste Probenfläche antastenden Messtaster, D3 und D4 die Differenzen der Längenmesswerte der eine zweite Probenfläche antastenden Messtaster, a den Abstand zwischen zwei eine der Probenflächen antastenden Messtaster, und P eine gegebenenfalls von eins abweichende Proportionalitätskonstante bezeichnen.
Messvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auflage zwei Paare von Stangen umfasst, wobei die Paare von Stangen so angeordnet sind, dass eine eingesetzte Probe mit jeder der beiden Probenflächen auf zumindest einer der Stangen eines der Paare aufliegt.
Messvorrichtung gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Auflage zwei Paare von Stangen umfasst, und wobei die Stangen Einschnitte oder Lücken aufweisen, in welche die Messtaster-Spitzen hineinragen.
Verfahren zur Bestimmung des Winkels zwischen zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen einer Probe oder der Abweichung dieses Winkels von einem Sollwinkel, bei welchem – eine Probe in eine Auflage so eingesetzt wird, dass die Probe mit beiden zu vermessenden Flächen auf der Auflage aufliegt, und – mit vier Messtastern die zwei aufeinander zu laufenden Flächen der in der Auflage liegenden Probe berührt wird, wobei – ein erstes Paar von Messtastern eine erste Fläche der Probe und ein zweites Paar von Messtastern eine zweite Fläche der Probe derart antasten, dass jeweils die zwei Messtaster eines Paares die Probenfläche in verschiedenen Abständen zur Schnittlinie der beiden Flächen berühren, und wobei mit den vier Messtastern jeweils Längenmesswerte entlang von Antastrichtungen mit einer Komponente entlang der Normalen der angetasteten Fläche der Probe aufgenommen werden, und wobei – anhand dieser Längenmesswerte der Winkel der beiden Flächen zueinander oder die Abweichung des Winkels zu einem Sollwinkel bestimmt wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Abweichung Δϕ des Winkels zwischen den zwei aufeinander zu laufenden, ebenen Flächen einer Probe von einem Sollwinkel anhand der Beziehungen W₁₂ = P·arctan((D1 – D2)/a), (1) W₃₄ = P·arctan((D3 – D4)/a), (2) und Δϕ = W₁₂ + W₃₄ (3) errechnet wird, wobei D1 und D2 die Differenzen der Längenmesswerte der eine erste Probenfläche antastenden Messtaster, D3 und D4 die Differenzen der Längenmesswerte der eine zweite Probenfläche antastenden Messtaster, a den Abstand zwischen zwei eine der Probenflächen antastenden Messtaster, und P eine gegebenenfalls von eins abweichende Proportionalitätskonstante bezeichnen.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass für alle vier Messtaster, Differenzen von an einer Probe gemessenen Längenmesswerte zu an einer Referenzprobe gemessenen Längenmesswerten gebildet und die Abweichung des Winkels zwischen den Probenflächen von einem durch den Winkel der Flächen der Referenzprobe gegebenen Sollwinkel anhand der vier Differenzen der Längenmesswerte errechnet wird.
Verfahren gemäß einem der beiden vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel zwischen zwei aufeinander zu laufenden Prismenflächen eines Prismas bestimmt wird.
Verfahren gemäß dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass als Prisma eine Glasprobe verwendet wird, in welche die Prismenflächen eingeschliffen werden, wobei der Winkel oder die Abweichung des Winkels von einem Sollwinkel an optisch streuenden Prismenflächen bestimmt wird.
Verfahren gemäß einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Probe entlang der Schnittlinie der beiden Flächen in der Auflage verschoben und an verschiedenen Positionen in Richtung entlang der Schnittkante Längenmesswerte von den Messtastern aufgezeichnet werden.
Verwendung einer Vorrichtung oder eines Verfahrens gemäß einem der vorstehenden Ansprüche für die Bestimmung des Brechungsindex einer mit Prismenflächen versehenen Glasprobe in einem auf Strahlablenkung an den Prismenflächen basierenden Messverfahren.