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Vorrichtung zur berührungsfreien Feinstmessung von Lageänderungen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungsfreien Feinstmessung von Lageänderungen
eines in Richtung der optischen Achse eines abbildenden Systems bewegten Objektes
durch die Einwirkung des von einem Leuchtfleck der Oberfläche dieses Objektes auf
eine lichtelektrische Einrichtung, z. B. ein System von Photozellen ausgestrahlten
Lichtes.
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Es ist der physikalische Zusammenhang bekannt, daß die Beleuchtungsstärke
dem Quadrat der Entfernung des Empfängers von der Lichtquelle umgekehrt proportional
ist. Diese Abhängigkeit kann zur Messung von Entfernungen oder Abstandsänderungen
benutzt werden. Eine Verdoppelung des Effektes ist zu erzielen, indem die Oberfläche
des anzumessenden Objektes als Reflexionsfläche benutzt wird und der Empfänger mit
der Lichtquelle fest verbunden ist. Mit dieser einfachen Methode ist aber keine
hohe Meßgenauigkeit -zu erzielen, da Fehlerquellen, z. B. Spannungsschwankungen
der Lichtquelle, unmittelbar zu Meßfehlern führen.
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Die vorliegende Erfindung unterscheidet sich von den bisher bekannten
Verfahren, welche die Anwendung des oben angeführten Entfernungsgesetzes betreffen,
durch die Ausbildung eines Differenzmeßprinzips, welches einerseits die Wirkung
der zu messenden Längsverschiebung verstärkt und eine bevorzugte Meß-Nullstellung
liefert, andererseits Möglichkeiten zur Ausschaltung von Schwankungen der Beleuchtung
und des Reflexionsvermögens schafft.
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Die Erfindung bedient sich Mittel, die im einzelnen an sich bekannt
sind und in der Meßtechnik zur Lösung gleichartiger Teilaufgaben verwendet werden.
Der Patentschutz erstreckt sich daher auf die gekennzeichnete Vereinigung dieser
Mittel.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur berührungsfreien Feinstmessung
ist dadurch gekennzeichnet, daß Mittel angeordnet sind zur Zerlegung des Strahlenbündels
des den Leuchtfleck abbildenden- Linsensystems in zwei Teillichtströme, die durch
eine Blendenanordnung derart beeinflußt werden, daß die Intensitäten der ausgeblendeten
Teillichtströme in der MeB-Nullstellung des Objektes gleich groß sind und daß eine
Axialverschiebung des Bildes des Leuchtfleckes infolge einer Lageänderung des Objektes
den bildseitigen Strahlengang so beeinflußt, däß die Intensität. des einen Teillichtstromes
zunimmt; während diejenige des anderen abnimmt, und daß bei entgegengesetzt gerichteter
Lageänderung des Objektes sich die Intensitätsänderungen entsprechend umkehren,
so daß die in der lichtelektrischen Einrichtung beim Vergleichen der beiden Teillichtströme
auftretenden Spannungsänderungen ein Maß für die Größe und für die Richtung det
Lageänderung darstellen.
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Dabei empfiehlt es sich, daß Ausblenden des Lichtes außerhalb der
Ebene vorzunehmen, in die ein in seiner Meß-Nullstellung befindlicher Leuchtfleck
durch das Linsensystem abgebildet wird. Auch ist es vorteilhaft, von der Verwendung
halbdurchlässiger Spiegel zur Zerlegung des Strahlengangs abzusehen und statt dessen
das Blendensystem derart anzuordnen und auszubilden, daß es sowohl das Ausblenden
des Lichtes als auch die Zerlegung des Strahlengangs bewirkt. Die lichtelektrische
Einrichtung wird am einfachsten bei Verwendung einer rotierenden Blende, welche
die beiden Strahlengänge ihr nacheinander zuleitet.
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Um den Einfluß von Lichtstromschwankungen auf die Messung auszuschalten,
ist es angebracht, die bei axialen Abweichungen des Leuchtflecks von seiner Meß-Nullstellung
auftretenden Spannungsdifferenzen in der lichtelektrischen Einrichtung ohne Veränderungen
in der Blendenanordnung auf Null zurückzuführen. Für diesen Zweck ist irgendeine
bekannte Nullungseinrichtung geeignet, z. B. ein zweckmäßig im bildseitigen Strahlengang
angeordneter optischer Kompensator. Die jeweilige Einstellung des Kompensators ist
ein Maß für die Abstandsänderung des Gegenstandes von seiner Meß-Nullstellung.
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Wenn man die lichtelektrische Einrichtung in entsprechender Weise
auf ein empfindliches Galvanometerrelais einwirken läßt, das in den verschiedenen
Schaltstellungen eine Nachlaufeinrichtung zur Verstellung eines solchen Kompensators
steuert, kann die Vorrichtung zu einer automatisch wirkenden ausgebildet werden.
Man kann auch bei auftretenden axialen Abmessungsänderungen eines während seiner
Bearbeitung dem Meßvorgang unterworfenen Werkstücks eine Steuerung der Bearbeitungsmaschine
in solcher Weise durchführen, daß eine maßgerechte Bearbeitung gewährleistet ist.
Andere
vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich, wenn an Stelle der oben beschriebenen
Mittel für die räumliche Teilung Mittel für die zeitliche Teilung vorgesehen werden,
durch welche eine fortwährende schwingende Relativbewegung des Leuchtfleckbildes
gegenüber einer Blende in der Richtung der optischen Achse des Linsensystems herbeigeführt
wird, zu dem Zwecke, in der Meß-N ullstellung des Leuchtflecks an einem im Ausgangskreis
der lichtelektrischen Einrichtung liegenden Anzeigegerät die Anzeige »Null« zu erhalten.
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Jene Relativbewegung kann beispielsweise durch Schwingungen eines
im Bildstrahlengang liegenden optischen Gliedes erzeugt werden, z. B. einer Negativlinse,
die in Richtung der optischenAchse des Linsensystems bewegbar angeordnet ist, oder
eines senkrecht zu dieser Achse bewegbar angeordneten Glaskeiles, der einem System
von zwei Glaskeilen angehört, deren gegenseitige Verstellung die Wirkung hat, die
Dicke einer planparallelen Glasplatte zu ändern. Man könnte auch eine mit Blendwirkung
ausgestattete Photozelle schwingen lassen.
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Bei einem nicht selbstleuchtenden Meßgegenstand, wenn also der Leuchtfleck
auf der Oberfläche des Gegenstandes durch Abbildung einer besonderen Lichtquelle
erzeugt wird, empfiehlt es sich, eine möglichst punktförmige Lichtquelle zu benutzen
oder eine entsprechende von der Rückseite beleuchtete Blendenöffnung abzubilden.
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Die Erfindung ist an Hand der Zeichnungen erläutert. In Fig. 1 bis
6 der Zeichnungen sind in schematischer Darstellung sechs verschiedene Varianten
von optischen Systemen einer erfindungsgemäß ausgebildeten Meßvorrichtung veranschaulicht.
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Das System nach Fig.1 ist für Messungen an einem selbstleuchtenden
Meßgegenstand 1 bestimmt. Es enthält ein Objektiv 2, das einen im Abstand a vor
ihm liegenden Leuchtfleck Bi der Oberfläche des Meßgegenstandes in eine Ebene Bi`
abbildet. Im bildseitigen Strahlengang des Objektivs 2 ist ein halbdurchlässiger
Spiegel 3 angeordnet, der den Strahlengang in zwei Teile zerlegt. Die Strahlen des
einen Teils werden einer Photozelle 4, die des anderen Teils einer Photozelle 5
zugeleitet. In den beiden Strahlengangteilen sind Blenden 6 und 7 vorgesehen, die
vor der Bildebene BI bzw. vor einer zu Bi in bezug auf den Spiegel 3 spiegelbildlich
liegenden Ebene Bi " angeordnet sind und deren Größe so bemessen ist, daß auf die
beiden Photozellen bei einem vorbestimmten Wert des Abstandes a Lichtströme von
gleicher Größe einwirken. Zwischen Meßgegenstand 1 und Objektiv 2 ist ein Kondensator
angeordnet, der zwei eine planparallele Platte bildende Glaskeile 8 und 9 enthält,
von denen der erstere senkrecht zur optischen Achse des Objektivs 2 verschiebbar
ist zu dem Zwecke, die Dicke der planparallelen Platte verändern zu können und dadurch
Gleichheit der auf die beiden Photozellen 4 und 5 einwirkenden Lichtströme herstellen
zu können, falls der Abstand d sich um ein geringes ändert.
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Das System nach Fig.2 ist wie alle übrigen zu beschreibenden Systeme
für Messungen an einem Gegenstand bestimmt, dessen Oberfläche nicht selbstleuchtend
ist, sondern auf der ein für die Messung zu benutzender Leuchtfleck Bi erst erzeugt
werden muß. Zu diesem Zweck ist im abbildenden Strahlengang des Objektivs 2 ein
halbdurchlässiger Spiegel 10 angeordnet, mittels dessen die von einer punktförmigen
Lichtquelle 11 kommenden Lichtstrahlen dem Objektiv 2 zugeführt werden. Im übrigen
unterscheidet sich das System nach Fig. 2 von dem nach Fig. 1 nur dadurch, daß der
Kompensator hinter dem Objektiv 2 angebracht ist und aus einer axial verschiebbaren
Negativlinse 12 besteht.
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Das System nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig.2 nur dadurch,
daß der halbdurchlässige Spiegel 3 und die Blenden 6 und 7 durch einen Spiegel 13
von solcher Lage und Größe ersetzt sind, daß er sowohl der Teilung des Strahlengangs
dient als auch dafür sorgt, daß auf die beiden Photozellen 4 und 5 bei einem vorbestimmten
Wert des Abstandes a des Leuchtflecks Bi von dem Objektiv 2 Lichtströme gleicher
Größe einwirken.
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In dem System nach Fig. 4 liegen die halbdurchlässigen Spiegel
3 und 10 nicht wie gemäß Fig. 2 im konvergenten, sondern im parallelen
Strahlengang. Zu diesem Zweck werden die zur Erzeugung des Leuchtflecks Bi dienenden,
von der punktförmigen Lichtquelle 11 ausgehenden Strahlen, nachdem sie durch einen
Kondensor 14 und eine Leuchtfeldblende 15 hindurchgegangen sind, einem vor dem Spiegel
10 liegenden Objektiv 16 zugeführt. Sie verlassen dieses Objektiv
achsenparallel und treffen nach Reflexion an dem Spiegel 10 achsenparallel
auf ein zweites Objektiv 17. In der Brennebene dieses Objektivs erzeugen sie auf
der Oberfläche des Meßgegenstandes 1 den Leuchtfleck Bi. Im weiteren Verlauf werden
die von dem Leuchtfleck kommenden Strahlen durch das Objektiv 17 achsenparallel
gerichtet. Der durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 hindurchgegangene Strahlenteil
wird durch ein Objektiv 18 so gebrochen, daß in der BrennebeneBi dieses Objektivs
ein Bild des Leuchtflecks entsteht. Der durch den Spiegel 3 reflektierte Strahlenteil
trifft auf ein dem Objektiv 18 gleichendes Objektiv 19, in dessen Brennebene
Bi" ein zweites Bild des Leuchtflecks Bi entsteht. Die Photozellen 4 und 5 sowie
die Blenden 6 und 7 sind entsprechend den oben beschriebenen Systemen angeordnet.
Als Kompensator dient wie bei dem System nach Fig. 1 ein zwischen dem Meßgegenstand
und dem den Leuchtfleck abbildenden Objektiv 17 angeordnetes Keilsystem 8, 9.
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Das System nach Fig. 5 entspricht einer Meßvorrichtung mit nur einer
Photozelle 20. Es unterscheidet sich von dem System nach Fig. 3 in folgenden Merkmalen.
Hinter dem Objektiv 2 ist als Kompenstor statt einer Negativlinse ein Keilsystem
8, 9 angeordnet. Der Spiegel 13 ist gegen die optische Achse des Objektivs
2 unter einem Winkel geneigt, der kleiner als 45° ist, so daß sich die Bildebenen
Bi und Bi" unter einem Winkel schneiden, der größer als 90° ist. Ein Ringspiegel
21, der gegen die optische Achse des Objektivs 2 unter einem Winkel geneigt ist,
der größer als 45° ist, verhindert, daß ein Bild des Leuchtflecks Bi in der Bildebene
Bi des Objektivs 2 zustande kommt, und bewirkt das Entstehen eines Bildes in der
Bildebene Bi ", die mit der Bildebene Bi einen Winkel einschließt, der kleiner
als 90° ist. Sämtliche Bildebenen haben miteinander und mit den spiegelnden Flächen
der Spiegel 13 und 21
ein und dieselbe Schnittgerade. Das von diesen
Spiegeln reflektierte Licht trifft auf eine mit (nicht gezeichneten) Radialschlitzen
versehene, rotierende Scheibe 22, deren Schlitze die Lichtzufuhr zu der Photozelle
20 so regeln, daß die Photozelle nacheinander von den Strahlen getroffen wird, die
der eine und der andere der beiden Spiegel reflektiert.
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Das System nach Fig. 6 gehört zu einer Meßvorrichtung, bei welcher
eine fortwährende schwingende Relativbewegung des Leuchtfleckbildes gegenüber
einer
Blende 23 in der Richtung der optischen Achse des Objektivs 2 dadurch erzeugt wird,
daß von einem hinter dem Objektiv angeordneten Glaskeilsystem, das nach Art des
Kompensators 8, 9 zwei Keile 24 und 25 enthält, von denen der eine, 25, senkrecht
zur optischen Achse des Objektivs 2 bewegbar angeordnet ist und durch eine nur durch
ihre Umrisse angedeutete Einrichtung 26 in dieser Bewegungsrichtung in Schwingungen
versetzt wird, die eine fortwährende Änderung der Dicke der durch die beiden Keile
24 und 25 gebildeten Planparallelplatte und damit jene fortwährende schwingende
Relativbewegung des Leuchtfleckbildes gegenüber der Blende 23 zur Folge haben. Dieses
System erfordert nur eine einzige Photozelle 27. Der Kompensator ist zwischen dem
Meßgegenstand 1 und dem Objektiv 2 angeordnet. Die Anordnung zur Erzeugung
des Leuchtflecks ist die gleiche wie beispielsweise bei dem System nach Fig. 2.
Die von einer punktförmigen Lichtquelle 11 kommenden Strahlen werden dem
Objektiv 2 mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 10
zugeführt.