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Stand der
Technik
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Die Erfindung betrifft ein Verfahren
und eine Vorrichtung zum Messen der Lage von wenigstens einer Prüffläche zu einer
Referenzprüffläche mit
einer Interferenzmesssonde, die einen ersten Messstrahl abstrahlt,
der hinsichtlich der Referenzprüffläche ausgerichtet
ist.
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Bei der mechanischen Teilfertigung
werden zum Vermessen von Oberflächen,
z.B. zum Messen des Fluchtens von Rotationsinnenflächen wie
z.B. Bohrungen oder Konussen, mechanische Taster oder Interferenzmesssonden
eingesetzt.
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Solche mechanischen oder optischen
Messsonden tasten ein Werkstück
punktweise ab. Zur Erfassung einer oder mehrerer Flächen des
Werkstücks
werden die Messsonden und das Werkstück in Bezug aufeinander verschoben
und aufeinander ausgerichtet, und in einem bestimmten Raster werden
weitere Messpunkte abgetastet. Soll das Fluchten von Rotationsinnenflächen vermessen
werden, so müssen
im einfachsten Fall zwei Innenflächen
abgetastet werden, deren Lage zueinander bestimmt wird. Werden dazu
Interferenzmesssonden verwendet, so muss der Messstrahl orthogonal
auf die jeweilige Prüffläche auftreffen
und das Modulationsinterferometer auf den optischen Weg zur jeweiligen
Prüffläche abgestimmt
werden, d.h. der bei entsprechender Positionierung der Messsonde
auf oder nahe bei der jeweiligen Prüffläche liegende Fokussier- oder Brennpunkt
des Messstrahls muss einen bestimmten Abstand zu dem Modulationsinterferometer
einhalten.
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Insbesondere bei der Vermessung von
Flächen,
die nicht parallel oder konzentrisch zueinander ausgerichtet sind,
ergibt sich hier eine aufwendige Umrüstung der Messvorrichtung,
damit das senkrechte Auftreffen des Messstrahls auf die jeweilige Prüffläche gewährleistet
ist. Diese nach der Vermessung einer ersten Prüffläche, hier auch als Referenzprüffläche bezeichnet,
und vor der Vermessung einer zweiten dazu schräg liegenden Prüffläche notwendige
Umrüstung
muss hochgenau erfolgen, damit der Bezug auf die Referenzprüffläche nicht
verloren geht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zum Vermessen
von wenigstens einer Prüffläche und
einer Referenzprüffläche mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass wenigstens
ein zweiter Messstrahl abgestrahlt wird, der hinsichtlich wenigstens
der wenigstens einen Prüffläche ausgerichtet
ist. Korrespondierend hat die erfindungsgemäße Vorrichtung zum Vermessen
von wenigstens einer Prüffläche und
einer Referenzprüffläche mit
den Merkmalen des Anspruchs 9 demgegenüber den Vorteil, dass die Interferenzmesssonde
wenigstens einen zweiten Messstrahl abstrahlt, der hinsichtlich
wenigstens der wenigstens einen Prüffläche ausgerichtet ist. Vorteilhafter
Weise wird durch das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
bei dem Vermessen von wenigstens einer Prüffläche und einer Referenzprüffläche die
Lage von wenigstens einer Prüffläche zu einer Referenzprüffläche gemessen.
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Demzufolge kann mit einer erfindungsgemäßen Interferenzmesssonde
auf sehr einfache Weise die genaue Lage von Prüfflächen zueinander festgestellt
werden, ohne dass ein Umrüsten
der Messvorrichtung notwendig ist, da sowohl ein auf die Referenzprüffläche ausgerichteter
Messstrahl, als auch mindestens ein auf wenigstens die wenigstens
eine weitere Prüffläche ausgerichteter
zweiter Messstrahl vorhanden ist. Auf diese Weise braucht die Interferenzmesssonde
lediglich zur Erfassung einer jeweiligen Prüffläche oder der Referenzprüffläche positioniert
werden, wodurch der Bezug zwischen der wenigstens einen Prüffläche und
der Referenzprüffläche auf
keinen Fall verloren geht.
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Weitere Vorteile und vorteilhafte
Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung
zum Vermessen von wenigstens einer Prüffläche und einer Referenzprüffläche ergeben
sich aus den Unteransprüchen und
der Beschreibung.
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Wird jeder Messstrahl durch Zerlegung
eines Lichtstrahls erzeugt, vorzugsweise mittels eines Spiegelprismas,
so ist eine besonders einfache Anpassung von bekannten Interferenzmesssonden
und damit arbeitenden Interferometern möglich. Anstelle eines den Messstrahl
in einem bestimmten Winkel ablenkenden Spiegels wird ein in der
Messsonde erzeugter oder in diese eingeleiteter Lichtstrahl in mehrere
Messstrahlen geteilt, die jeweils in einem bestimmten Winkel abgelenkt
werden, um hinsichtlich der durch den jeweiligen Messstrahl zu vermessenden
Prüffläche oder
Referenzprüffläche ausgerichtet zu
sein. Alternativ könnten
in der Messsonde aber auch mehrere Lichtstrahlen erzeugt werden
oder in die Messsonde eingeleitet werden, wobei aus jedem Lichtstrahl
wenigstens ein Messstrahl erzeugt wird.
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Weisen alle Messstrahlen einen gleich
langen optischen Weg auf, so kann ein die Überlagerung von Messstrahl
und reflektiertem Messstrahl auswertendes Interferometer alle Messstrahlen
ohne weitere Maßnahmen
auf die gleiche Weise auswerten, ohne dass eine neue Abstimmung
nötig ist.
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Ist ein Messstrahl orthogonal auf
eine Prüffläche oder
die Referenzprüffläche ausgerichtet,
so kann die Überlagerung
des Messstrahls mit dem reflektierten Messstrahl in besonders einfacher
Weise erfolgen und es braucht hierfür kein komplizierter optischer
Aufbau in der Messsonde vorgesehen zu sein.
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Wird in einer Messposition der Interferenzmesssonde
nur ein Messstrahl auf eine Prüffläche oder
auf die Referenzprüffläche fokussiert,
vorzugsweise durch geeignete Wahl der Ablenkung aller von der Interferenzmesssonde
abgestrahlten Messstrahlen, so kann eine besonders einfache Auswertung
erfolgen, da in jeder Messposition jeweils nur ein Messstrahl, für den die
Messsonde in Bezug auf die jeweilige zu vermessende Prüffläche oder
Referenzprüffläche positioniert
ist, ein verwertbares Ergebnis liefert.
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Wenn in einer Messposition der Interferenzmesssonde
wenigstens zwei unterschiedlich polarisierte Messstrahlen auf unterschiedliche
Flächen
der wenigstens einen Prüffläche und
der Referenzprüffläche fokussieren,
vorzugsweise durch Wahl der geeigneten Ablenkung der Messstrahlen,
wobei die einzelnen die jeweilige Ablenkung definierenden Spiegelflächen die
unterschiedliche Polarisation verursachen, vorzugsweise durch unterschiedliche
auf die einzelnen Spiegelflächen
aufgebrachte dielektrische Schichten, so braucht die Messsonde zur
Vermessung von der wenigstens einen Prüffläche zu der Referenzprüffläche nicht
notwendiger Weise neu positioniert werden, da unter Berücksichtigung
der Polarisierung eine Auswertung der einzelnen Messsignale erfolgen
kann. In diesem Fall ist eine besonders genaue und fehlerunanfällige Erfassung
der Lage der vermessenden Flächen
zueinander möglich,
durch die möglichen
und zur Auswertung unterscheidbaren Polarisierungen sind hier jedoch
Grenzen bezüglich der
Anzahl der in einer Messposition zueinander vermessbaren Flächen gegeben.
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Sind in einer Messposition der Interferenzmesssonde
wenigstens zwei Messstrahlen auf unterschiedliche Flächen der
wenigstens einen Prüffläche und
der Referenzprüffläche fokussierbar,
die vorzugsweise über
einen elektrischen Verschluss im Zeitmultiplex fokussiert werden,
so ergibt sich hinsichtlich des zuvor beschriebenen Aufbaues nun
ein komplizierterer Aufbau für
die Interferenzmesssonde, es sind jedoch keine durch mögliche Polarisierungen verursachte
Grenzen gesetzt, sondern es kann eine beliebige Anzahl von Messstrahlen
erzeugt werden, die in einer jeweiligen Messposition aufeinanderfolgend
abgefragt werden können.
Die zuvor beschriebenen drei unterschiedlichen Möglichkeiten der Fokussierung
können
beliebig miteinander kombiniert werden.
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Weisen alle zur Bildung der Messstrahlen verwendeten
Bauteile eine zumindest teilweise zylindrische Außenform
mit gleichem Außendurchmesser auf
und sind sie in ein Zentrierrohr mit entsprechendem Innendurchmesser
eingebaut, so wird der mechanische Aufwand für die Montage der Interferenzmesssonde
durch eine wenigstens teilweise automatische Ausrichtung der notwendigen
Bauteile verringert.
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Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung
werden vorzugsweise verwendet, um das Fluchten von verschiedenen Rotationsinnenflächen zu
vermessen. Es ist jedoch auch möglich,
dass andere Eigenschaften der zu vermessenden Oberflächen erfindungsgemäß besonders
einfach vermessen werden können,
wie z.B. deren Rauhheit. Hierbei braucht zwar keine relative Lage
der Prüfflächen zueinander
bzw. zu der Referenzprüffläche berücksichtigt
werden und es braucht nicht darauf geachtet zu werden, dass dieser
Bezug durch die Messung selbst nicht verloren geht, aber durch die
Ausrichtung der einzelnen Messsträhle auf die jeweilige Prüffläche bzw.
Referenzprüffläche wird auch
hier eine Umrüstung
der Interferenzmesssonde vermieden.
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Zeichnung
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Weitere Vorteile der Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Zeichnungsbeschreibung. Die Zeichnung,
die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßiger Weise
auch einzeln betrachten und/oder zu sinnvollen weiteren Kombinationen
zusammenfassen wird. Es zeigen:
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1 den
Aufbau einer erfindungsgemäßen Messsonde
mit zwei Messstrahlen;
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2 die
in der 1 gezeigte Interferenzmesssonde
in einer ersten Messposition zum Abtasten einer Führungsbohrung
eines Common-Rail-Ventilkörpers;
und
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3 die
in der 1 gezeigte Interferenzmesssonde
in einer zweiten Messposition zum Abtasten eines Ventilsitzes des
in der 2 gezeigten Common-Rail-Ventilkörpers.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Die 1 zeigt
eine erfindungsgemäße Interferenzmesssonde,
die entsprechend einem Mireau-Interferometer mit zwei Messstrahlen
aufgebaut ist. Das Ende eines Einmoden-Lichtwellenleiters 1, durch
den ein Lichtstrahl 5 in die Interferenzmesssonde geführt wird,
wird durch ein Zentrierteil 2 zu einer optischen Achse 3 eines
dem Einmoden-Lichtwellenleiter 1 nachgeschalteten optischen
Systems 4 ausgerichtet. Das optische System 4 dient
der Fokussierung des aus dem Einmoden-Lichtwellenleiter 1 austretenden
Lichtstrahls 5. Hinter dem optischen System 4 befindet
sich in dem Strahlengang des Lichtstrahls 5 ein Strahlungsteiler 8,
der aus zwei Planspiegelflächen 9, 9' besteht und
durch diese jeweils einen Messstrahl 11, 11' erzeugt. Ein
erster Messstrahl 11 wird durch eine erste Planspiegelfläche 9 so
erzeugt, dass er auf die Rotationsinnenfläche einer Führungsbohrung 6 des
zu vermessenden Bauteils ausgerichtet ist, die z.B. die Referenzprüffläche sein
kann, und ein zweiter Messstrahl 11' wird von einer zweiten Planspiegelfläche 9' so erzeugt, dass
er auf die Rotationsinnenfläche
eines Ventilsitzes 6' des
zu vermessenden Bauteils ausgerichtet ist, die z.B. die wenigstens
eine Prüffläche sein
kann. Hierfür
wird der erste Messstrahl 11 im Wesentlichen senkrecht
von der Interferenzmesssonde abgestrahlt und der zweite Messstrahl
11' wird von der
Interferenzmesssonde im Wesentlichen in einem Winkel von 45° zu deren
Spitze abgestrahlt, d.h. in Richtung des Strahlungsteilers 8.
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In der 1 ist
diejenige Lage der Interferenzmesssonde dargestellt, in der der
zweite Messstrahl 11' auf
den Ventilsitz 6' eines
Common-Rail-Ventilkörpers
fokussiert ist und somit den Ventilsitz 6' abtasten kann, während der
erste Messstrahl 11 kein Messsignal liefert, da sich in
dieser Messposition der Messsonde keine abzutastende Fläche im Messbereich
des ersten Messstrahls 11 befindet, wie es nachfolgend
auch in Bezug auf die 3 nochmals
erläutert
wird.
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Um mit dem ersten Messstrahl 11 die
Führungsbohrung
des Common-Rail-Ventilkörpers
abtasten zu können,
muss die Interferenzmesssonde axial und radial derart verschoben
werden, dass der Brennpunkt des Messstrahls 11 auf der
Führungsbohrung 6 zu
liegen kommt. In dieser Lage der Messsonde liefert dann der zweite
Messstrahl 11' kein Messsignal,
da sich keine abzutastende Fläche
in seinem Messbereich befindet, wie es nachfolgend noch detailliert
in Bezug auf die 2 beschrieben wird.
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Um eine Interferenz zu erhalten,
d.h. das Mireau-Interferometer
aufzubauen, ist auf der Ausgangsfläche des Einmoden-Lichtwellenleiters 1 eine teildurchlässige Verspiegelung 7 angebracht,
die alternativ auch auf einer zu dem Lichtstrahl 5 ausgerichteten
brechenden Planfläche
angebracht sein könnte,
wobei sich die Planfläche
im parallelen Strahlengang oder in der Zwischenbildebene oder in
der Objektebene des optischen Systems 4 befinden könnte. Das
optische System 4 kann mit einer Indexgradientenlinse oder
einer oder mehreren sphärischen
oder asphärischen
Linsen verwirklicht werden.
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Die auf die Wellenlänge des
Lichtstrahls 5 abgestimmte Verspiegelung des Strahlenteilers 8 kann
durch Metallbedampfung oder dielektrische Schichten hergestellt
werden. Eine durch die Kreuzung der beiden Spiegelflächen 9, 9' erzeugte Kante 10 sollte
möglichst
scharf sein. Deswegen wird der Strahlungsteiler 8 vorzugsweise
aus sehr hartem Material hergestellt, wie z.B. Saphir. Die Lage
der Kante 10 im Lichtstrahl 5 hängt von
den in den Messstrahlen 11, 11' gewünschten Lichtströmen ab.
Soll der Lichtstrahl 5 in mehr als zwei Messstrahlen geteilt werden,
ergibt sich anstelle der Kante 10 eine Spitze, die sonstige
Funktionsweise und der sonstige Aufbau der Interferenzmesssonde
ergeben sich jedoch auch gemäß dieser
aufgrund der einfacheren Darstellbarkeit gewählten Beschreibung.
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Die erste Planspiegelfläche 9 weist
zu der optischen Achse 3 einen ersten Winkel 12 auf
und die zweite Planspiegelfläche 9' weist zu der
optischen Achse 3 einen zweiten Winkel 12' auf. Mit diesen Winkeln 12, 12' des Strahlungsteilers 8 können die Messstrahlen 11, 11' in die gewünschten
Richtungen abgelenkt werden. Damit die Messstrahlen 11, 11' jeweils orthogonal
auf die von diesen zu vermessenden Flächen auftreffen, d.h. der erste
Messstrahl 11 auf die Rotationsinnenfläche der Führungsbohrung 6 und
der zweite Messstrahl 11' auf
die Rotationsinnenfläche
des Ventilsitzes 6°,
müssen
die Winkel 12, 12' etwas
kleiner als die Hälfte
des gewünschten
Ablenkwinkels der Messstrahlen 11, 11' gewählt sein. Für einen
Einmoden-Lichtwellenleiter 1 mit einer numerischen Ausgangsappatur
von 0,12 gilt z.B., dass der erste Winkel 12 etwa 43° beträgt, wenn
der erste Messstrahl 11 um 90° zur optischen Achse 3 abgelenkt
werden soll und dass der zweite Winkel 11' etwa 21° beträgt, wenn der zweite Messstrahl 11' um 45° zur optischen
Achse 3 abgelenkt werden soll.
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Ein Mantel 13 des Lichtwellenleiters 1,
das Zentrierteil 2, das optische System 4 und
der Strahlungsteiler 8 werden durch ein Zentrierrohr 14 ausgerichtet.
Das Zentrierrohr 14 hat zwei Öffnungen 15, 15' für die Messstrahlen 11, 11', nämlich eine
erste Öffnung 15 für den ersten
Messstrahl 11 und eine zweite Öffnung 15' für den zweiten
Messstrahl 11'. Der
Strahlungsteiler 8 kann so viele Spiegelflächen aufweisen,
wie Messstrahlen gewünscht
werden. Diese bestimmen auch die Anzahl der Öffnungen im Zentrierrohr 14.
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Die Messung des Fluchtens wird in
den 2 und 3 im gleichen Abbildungsverhältnis am Beispiel
des Common-Rail-Ventilkörpers nochmals gezeigt
und in Bezug auf dieses beschrieben. Dabei soll das Fluchten des
Ventilsitzes 6' bezüglich der Führungsbohrung 6 geprüft werden,
die Rotationsinnenfläche
der Führungsbohrung 6 dient
also als Referenzprüffläche und
die Rotationsinnenfläche
des Ventilsitzes 6' als
Prüffläche, deren
Lage zu der Referenzprüffläche vermessen
werden soll.
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Die 2 zeigt
die erfindungsgemäße Interferenzmesssonde
in einer ersten Messposition zum Abtasten der Rotationsinnenfläche der
Führungsbohrung 6 mit
Hilfe des ersten Messstrahls 11. Der zweite Messstrahl 11' für die Abtastung
der Rotationsinnenfläche
des Ventilsitzes 6' erzeugt
dabei kein Messsignal, da die von dem zweiten Messstrahl 11' getroffene
Rotationsinnenfläche
der Führungsbohrung 6 außerhalb
des Messbereichs des zweiten Messstrahls 11' liegt. Bei der Abtastung bleibt
die Messsonde unbeweglich, während
sich der Ventilkörper
um die Bohrungsachse dreht. Selbstverständlich kann auch der Ventilkörper unbeweglich
bleiben, während
sich die Messsonde dreht.
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Die 3 zeigt
die erfindungsgemäße Interferenzmesssonde
in einer zweiten Messposition zum Abtasten der Rotationsinnenfläche des
Ventilsitzes 6' mit
Hilfe des zweiten Messstrahls 11'. Der erste Messstrahl 11 für die Abtastung
der Führungsbohrung 6 erzeugt
dabei kein Messsignal, da eine von dem ersten Messstrahl 11 getroffene
Bohrungsfläche 16,
welche einen größeren Durchmesser
als die Führungsbohrung 6 aufweist,
außerhalb
des Messbereichs des ersten Messstrahls 11 liegt. Auch
hier bleibt bei der Abtastung die Messsonde unbeweglich, während sich
der Ventilkörper
auf die Bohrungsachse dreht. Es ist jedoch auch hier möglich, dass
bei der Abtastung der Ventilkörper
unbeweglich bleibt, während
sich die Messsonde bewegt.
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Um von der in der 2 gezeigten ersten Messposition zum Abtasten
der Rotationsinnenfläche
der Führungsbohrung 6 in
die in der 3 gezeigte
zweite Messposition zum Abtasten der Rotationsinnenfläche des
Ventilsitzes 6' zu
gelangen, muss die Messsonde in axialer Richtung und in radialer Richtung
verschoben werden, im vorliegenden Fall z.B. um ca. 3 mm in axialer
Richtung und um ca. 0,1 mm in radialer Richtung.
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Wie in den 2 und 3 dargestellt,
kann am Ende der erfindungsgemäßen Messsonde
zusätzlich eine
vorzugsweise aus Rubin hergestellte Kugel befestigt werden, wodurch
die Messsonde zusammen mit der entsprechenden Messmaschine auch
als mechanischer Taster eingesetzt werden könnte.
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Die in der 3 gezeigte Ausschnittsvergrößerung der
Messsonde mit den beiden Messstrahlen 11, 11' zeigt weiter,
dass beide Messstrahlen gleiche optische Wege aufweisen, ihre Brennpunkte
also einen gleichen Abstand von der Kante 10 des Strahlenteilers 8 aufweisen,
hier einen Abstand b von 1,36 mm. Weiter ist in der 3 gezeigt, dass die optische Faser des
Lichtwellenleiters einen Durchmesser von 125 μm und einen Mantel 13 mit
Durchmesser 900 μm
aufweist, dass das Zentrierrohr 14 einen Außendurchmesser
von 1,3 mm und einen Innendurchmesser von 1 mm aufweist, und dass
das Zentrierteil 2 aus Keramik besteht. Weiter weist das
optische System 4 einen Abstand a von 0,15 mm von dem Schalungsteiler 8 auf.
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Erfindungsgemäß werden vorzugsweise absolut
gleich lange optische Wege der Messstrahlen durch Spiegelung erreicht.
Es ergibt sich eine kurze Messzeit und hohe Messgenauigkeit durch
die einmalige Abstimmung des Modulationsinterferometers für die Abtastung
von mehreren Prüfflächen. Die
erfindungsgemäße Anordnung
erlaubt vorzugsweise eine einfache Montage bei gleichzeitig genauer
Ausrichtung der Bauteile durch ein Zentrierrohr. Durch den Wegfall
einer Umrüstung
sowie die genaue Ausrichtung der Bauteile ergibt sich eine hohe
Messgenauigkeit. Das Spiegelprisma kann aus geeignetem Material
einfach hergestellt werden, ohne dass eine Brechzahl berücksichtigt
werden muss. Die Anzahl der Messstrahlen kann erfindungsgemäß erhöht werden,
um mehr als zwei Prüfflächen bzw.
mehr als eine Referenzfläche
und eine Prüffläche gleichzeitig abtasten
zu können.
Dies ist z.B. durch Erhöhung
der Spiegelflächenanzahl
des Spiegelprismas verwirklichbar.
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Die zuvor beschriebene Ablenkung
der Teilmessstrahlen bezüglich
Richtung und optischem Weg in Abhängigkeit der Lage und Form
der Prüfflächen unter
der Berücksichtigung,
dass jeweils nur ein Teilmessstrahl auf die verschiedenen Prüfflächen orthogonal
fokussiert wird, kann z.B. durch Versehen der einzelnen Spiegelflächen mit
unterschiedlichen dielektrischen Schichten auch ohne die Berücksichtigung,
dass jeweils nur ein Teilmessstrahl auf die verschiedenen Prüfflächen orthogonal
fokussiert wird, erfolgen, indem die Teilmessstrahlen z.B. entweder parallel
polarisierend oder orthogonal polarisierend abgelenkt werden und
die Auswertung der Messsignale unter Berücksichtigung der Polarisierung
erfolgt. Natürlich
können
diese beiden Varianten auch kombiniert werden und es ist auch eine
jeweils unabhängige
oder eine gemeinsame Kombination mit der Variante möglich, gemäß der die
von der Interferenzmesssonde abgestrahlten Lichtstrahlen mittels
eines optischen Verschlusses „an-
und abgeschaltet" werden
und so aufeinanderfolgend ausgewertet werden können.