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Meßmikroskop der nicht berührenden Art Die vorliegende Erfindung betrifft
optische Meßinstrumente der nicht berührenden Art (non-contact type), und insbesondere
betrifft sie die Anpassung von Mikroskopvorrichtungen an die Messung eines Objektes
in zwei oder mehr Koordinaten.
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Im Hinblick auf optische Meßinstrumente der nicht berührenden Art
ist es nach dem Stand der Technik üblich, ein Bild einer Skala oder eines Meßgitters
durch ein optisches System auf eine zu messende Objektoberfläche zu projizieren,
wobei die Skala oder das Gitter in einer Brennpunktsebene in dem System angeordnet
ist. In dem Fall, wo eine Tiefenmessung des Objektes entlang der Z-Koordinate erwünscht
ist, wird ein Stereopaar optischer Systeme vorgesehen, deren Achsen in einem Punkt
zusammenlaufen, wobei jedes System eine doppelte Fadennetzzeiehnung (retiole mark)
aufweist, die an einem entsprechenden Brennpunkt in ihren entsprechenden Systemen
angeordnet ist. Die Stereobilder der Fadennetzzeichnungen
werden
auf eine Objektoberfläche projiziert, deren Ansicht zu bestimmen ist, und diese
Oberfläche wird in die Ebene der Stereobilder gebracht.
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In der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, die Verwendung
der doppelten Fadennetzzeichnungen und ihre anhaftenden Nachteile zu vermeiden,
und ein Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Meßmikroskop der nicht berührenden
Art, welches eine einzige beleuchtete Fadennetzzeichnung aufweist, die außerhalb
des gewöhnlichen optischen Systems des Mikroskops angeordnet ist, mit diesem aber
kombiniert werden kann und in einen stereo-optisches System mit Hilfe eines Strahlteilers
projiziert werden kann, so daß die Zeichnung als ein schwimmendes Objekt im Blickfeld
erscheint und durch geeignete Bewegung entlang der Z-Koordinate mit einer Oberfläche
des zu prüfenden Objektes in Koinzidenz gebracht werden kann.
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Ein weiteres Ziel ist ein Gerät, in dem diese Fadennetzzeichnung
tatsächlich ein Meßgerät ist und eine oder mehrere funktionelle Formen hat, wie
z. B. einer Skala, wobei das Bild der Skala als helles Objekt erscheint, das auf
der in den X-und Y-Koordinaten zu messenden Oberfläche liegt, wobei das Bild schnell
in andere Formen austauschbar ist, um in der Z-Koordinate zu messen, wenn es erwünscht
ist, Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein solches Gerät in Form
eines eine Einheit bildenden Zusatzes,
mit dessen Hilfe eine leichte
und verhältnismäßig schnelle ITmwandlung von Standardmikroskopen erhielt wird, wodurch
eine vollständige Anpassung an eine große Vielzahl verschiedenster Meßprobleme erreicht
wird. Dabei ist der Mechanismus kompakt, einfach und massiv in der Konstruktion
sowie genau und zuverlässig in der Leistung.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung werden ein Meßmikroskop der nicht
berührenden Art, welches ein optisches Mikroskopsystem mit einer Objektebene, einer
Bildebene und einem Objektiv umfaßt, und eine Fadennetzeinheit vorgeschlagen, die
aus einem Strahlteiler, der symmetrisch und schräg zu der Mittelachse des Systems
zwischen der Objektebene und dem Objektiv liegt, und einem beleuchteten Meßfadennetz
besteht, das auf einer Seitenachse angeordnet ist, welche durch den Punkt verläuft,
wo die Mittelachse die Strahlteilberflache schneidet, wobei die Abstände von dem
Punkt zu dem Fadennetz und von dem genannten Punkt zu der Objektebene im wesentlichen
gleich sind, wobei Beleuchtungsmittel für das Fadennetz konstruiert und angeordnet
sind, Haltemittel vorgesehen sind, um ein Werkstück im Sichtfeld des optischen Systems
in der Objektebene anzuordnen, und Vorrichtungen vorgesehen sind, um das Werkstück
zu beleuchten, wobei das beleuchtete Fadennetz auf dem Werkstück zu liegen scheint.
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Damit die Erfindung besser verstanden wird, wird sie jetzt unter
Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben, in denen
Fig.
1 eine Vorderansicht ist, die allgemein eine Kombination aus Stereamikroskop und
Fadennetzeinheit zeigt, welche in verringertem Maßstab dargestellt ist und die eine
Form der vorliegenden Erfindung zeigt, welche für ein typisches Meßproblem eingerichtet
ist ; Fig. 2 eine Seitenansicht der Fadennetzeinheit ist, die teilweise im Schnitt
und teilweise weggebrochen gezeigt wird, und Fig. 3 eine Draufsicht auf einen Mehrfach-Fadennetzschlitte4
ist, der einen Teil der Fadennetzeinheit bildet.
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Eine besonders erfolgreiche Form der vorliegenden Erfindung wird
in Fig. 1 gezeigt, die aus der Kombination eines Stereomikroskops, das allgemein
mit dem Bezugszeichen 10 gekennzeichnet ist, mit einer beleuchteten Fadennetzeinheit
besteht, die leicht davon abnehmbar ist und allgemein durch das Bezugszeichen 11
auch in Fig. 2 gekennzeichnet ist.
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Im Hinblick auf das Mikroskop wird eine stereoskopisehe Form eines
Instrumentes hier gezeigt und im folgenden beschrieben, obwohl die Tiefenmeßfähigkeit
nicht benötigt wird, wenn alle Messungen entlang den X-und Y-Achsen ausgeführt werden.
Unter diesen Umständen ist ein monokulares Instrument ausreichend.
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Wie in Fig. 1 gezeigt wird, umfaßt das Stereomikroskop 10 ein optisches
System mit einem Paar Steretlinsensystemen,
die mit 12 und 12'gekennzeichnet
und und ein Paar Okulare 13 und 13'enthalten, um ein Bild eines Werkstückes 14 zu
bilden, dessen Objektoberfläche 14'im Bereich des Brennpunktes der Objektebenen
15,15'der optischen Systeme liegt. Beide Stereolinsensysteme 12, 12 werden in gegenseitiger
Fluchtung durch ein Gehäuse 16 gehalten und von diesem umschlossen. Dieses Gehäuse
ist an einem Schlitten 17 befestigt, der beweglich an einem vertikalen Arm 18 angebracht
ist, wobei dieser Arm auf geeignete Weise an einer Grundplatte befestigt ist, die
eine ebene Arbeitsoberfläche 19 besitzt. Die Bewegung des schlittes 17 am Arm 18
wird auf irgendeine bevorzugte Art, wie z. B. mit einem Bedienungsknopf 19'erzeugt,
der über geeignete Zahnräder (nicht gezeigt) mit dem Arm und dem ochlitten verbunden
ist.
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Min geeigneter Skalenmechanismus 20 wird von den Grob-und/oder Feineinstellungen
des Mikroskops getragen, um die Größe der vertikalen Bewegung der Stereolinsensysteme
129121 während deren Einstellung anzuzeigen.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist eine Meßfadennetzeinheit 11,
die in Fig. 2 genauer gezeigt wird, vorgesehen, welche per se lineare Messungen
entlang seitlicher X-und Y-Achsen in der Ebene des Objektes und zusammen mit dem'kalenmechanismus
20 die lineare Verschiebung der Brennpunktsebene 15 entlang der Z-oder der vertikalen
Achse mißt. Wie oben angegeben wurde, umfaßt die Erfindung die
Kombination
aus dem Mikroskop 10 und der Fadennetzeinheit 11, die zusammen lineare Messungen
in der X-, Y-und Z-Achse ermöglichen.
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Die Fadennetzeinheit 11 in der einen Form der Frfin-. dung umfaßt
ein langgestrecktes Rohr 22 mit einer langgestreckten zylindrischen Befestigungsbohrung
23 in dem Ende.
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Teleakopisch gleitend in der Bohrung 23 ist eine zylindrische Befestigungsoberfläche
24 angeordnet, die an einer Lampengehäusehülse 25 ausgebildet ist und darin durch
eine Einstellschraube 26 gehalten wird, welche in das innere Rohr 25 eingeschraubt
ist und sich frei durch einen langgestreckten Schlitz 27 erstreckt. An der Lampengehäusehülse
25 wird ein Lampengehäuse 21 getragen.
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Das Lampengehäuse 21 per se kann von jeder bevorzugten Konstruktionsform
sein, so lange die feste Winkeloffnung und die Ilelligkeit des beleuchtenden Strahles,
der von der Lampe ausgesandt wird, annehmbare Werte haben. In dem Lampengehäuse
21 befindet sich eine Lampe 28, und eine geeignete Zerstreuungsscheibe 29 ist in
dem Lampengehäuse zwischen der Lampe 28 und der Fadennetzplatte 30 befestigt, um
das Licht gleichmäßig über die Öffnung des Mikroskopes und die Öffnung der Platte
30 zu verteilen. Die Fadennetzplatte 30 ist in der Fadennetzeinheit 11 in axialem
Abstand von dem Schnittpunkt 32 und entlang der Seitenachse 31 angeordnet, welcher
praktisch gleich dem axialen Abstand der Objektebene 15 vom Schnittpunkt 32 ist.
Mit
anderen Worten ist der Abstand zwischen der Objektoberfläche
14'und dem Okular des Mikroskops praktisch der gleiche wie der axiale Abstand der
Fadennetzplatte 30 vom Okular.
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Auf dem Fadennetzschlitten 30 ist eine Fadennetzzeichnung 35 irgendeiner
bevorzugten Form, wie einer Diamantenform (Fig. 3) aufgebracht, und eine solche
Zeichnung ist besonders geebnet für die Bestimmung von Tiefenmessungen, wie es unten
beschrieben werden wird. Für andere Zwecke können verschiedene Skalen, Kreise, Kreuze
oder andere Zeichnungen verwendet werden, wenn sie gebraucht werden, wobei einige
von ihnen in Fig. 3 bei 36, 37 und 38 gezeigt werden. In dem Fall eines Mehrfach-Fadennetzschlittens,
wie er in Fig. 3 gezeigt wird, kann die eine Kante des Tragrahmens eine geeignete
Kerbe 30'besitzen, die an der Stelle jeder Fadennetzzeichnung 35, 36, 37 ausgebildet
ist und in die eine Auslösefeder 39 (Fige 2) eingreifen kann, um den Schlitte zur
Verwendung irgendeiner ausgewählten Zeichnung genau anzuordnen. Wie oben angegeben
wurde, sind einige Fadennetzzeichnungen, wie die Zeichnungen 37 und 37'sowie andere
Zeichnungen von richtungsgebundener Art, und damit diese Zeichnungen brauchbar an
zu messenden Merkmalen auf der Oberfläche des Werkstückes orientiert werden können,
sind diese Zeichnungen auf drehbar befestigten durchsichtigen Scheiben 64 und 65
ausgebildet. Der Mechanismus, der die Scheiben 64 und 65 drehbar hält, wird in der
Zeichnung nicht
in den Einzelheiten gezeigt und kann von jeder bevorzugten
Form sein. Gleichermaßen kann der Mechanismus zum Drehen der Scheiben von jeder
bevorzugten Art sein, doch wurde zum Zweck der Darstellung ein Stirnradgetriebe
66 gezeigt, welches durch ein Betätigungszahnrad 67 betrieben wird, an dem eine
geeignete Betätigungswelle (nicht gezeigt) befestigt ist.
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In dem anderen Ende des Rohres 22 wird ein Strahlteiler 40 durch
irgendeine bevorzugte Vorrichtung oder ein Mittel gehalten, deh. er kann z. B. eingeklebt
sein. Es ist vorteilhaft und vorzuziehen, einen kubusartigen Strahlteiler zu verwenden,
wie er in Fig. 2 gezeigt wird, und in jedem Fall sollte die den Strahl teilende
Oberfläche 41 den Achsenschnittpunkt 32 enthalten. Das Rohr 22 besitzt innen Befestigungskissen
42, auf denen der Strahlteilerkubus 40 sitzt und optisch auf der Achse 31 fluchtet,
und am Boden des Rohres unter dem Kubus ist eine Öffnung 42'vorgesehen.
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Am oberen Teil des Rohres 22 ist konzentrisch mit dem Kubus 40 ein
nach oben stehender Flansch 43 ausgebildet, der eine flache Gegenbohrung 44 darin
besitzt, die in einer ebenen Bodenfläche 45 endet.
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Die Fadennetzeinheit 11 ist an dem Unterteil des Mikroskopgehäuses
16 allein durch einen Befestigungsring 46 gesichert, der an eine mit Gewinde versehene
Verlängerung 47 angeschraubt ist, die vom Boden des Gehäuses hervorsteht.
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Der Befestigungsring 46 ist durch einen ringförmigen Flansch
49
gekennzeichnet, dessen Außendurchmesser beträchtlich kleiner als der Innendurchmesser
des nach oben stehenden.
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Flansches 43 ist, damit relative radiale Einstellungen zwischen den
beiden Flanschen möglich sind.
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Die abnehmbare Verbindung zwischen den Flanschen 43 und 49 ist auf
solche Weise vorgesehen, daß relative radiale Einstellungen möglich sind, wobei
die Verbindung vorzugsweise eine um den Umfang herum liegende V-Nut 50 darstellt,
die im Außendurchmesser des Flansches 49 ausgebildet ist. Drei im gleichen Abstand
voneinander angeordnete Klemmschrauben 51 sind radial durch die nach oben stehenden
Flansche 43 geschraubt, um an den unteren geneigten Teil der V-Nut 50 anzugreifen,
wenn die untere Oberfläche des Befestigungsringes 46 die Bodenfläche 45 berührt.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Verbindung kann die Fadennetzeinheit 11 winkelig
wunschgemäß gerichtet werden, wobei sie völlig einstellbar ist, um eine gute optische
Fluchtung der optischen Teile des optischen Systems sicherzustellen.
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Ihn die Oberfläche 14', die zu betrachten ist, zu beleuchten, ist
eine Lampe 53 über dem Werkstück 14 angeordnet, wobei die Höhe der Lampe ausreicht,
um tiefer liegende : unzugängliche Oberflächen 14'zu beleuchten, welche durch direkte
Berührung nicht meßbar sind. Die Lampe 53 wird von einer Quelle über eine elektrische
Schaltung durch die Leitungen 54 und 55 bei Steuerung durch den Schalter 56 erregt.
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Hinsichtlich der Messungen entlang einer Oberfläche in den X-und
Y-Koordinaten, die parallel zu der Tischoberfläche 19 liegen, gleichgültig, ob die
Oberfläche unzugänglich ist oder nicht, wird die Arbeitsweise damit begonnen, daß
der Schlitten 30 mit der Achse 31 in Fluchtung gebracht wird, wie es in Fig. 3 gezeigt
ist, Die Lampe 28 wird angeschaltet, um die Skala 36 zu beleuchten, und durch den
Schalter 56 wird die Lampe 53 eingesehaltet, um die zu messende Oberfläche 14'zu
beleuchten. Wenn beide Lampen leuchten, erscheint eine leuchtende Skala, und sie
wird mit der Oberfläche 14'durch Drehung des Knopfes 191 in scheinbare Berührung
gebracht.
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Wenn es erwünscht ist, Messungen vertikal entlang der Z-Achse vorzunehmen,
wie Unterschiede in den Höhen der Oberflächen 14'und 14", wird der Knopf 19'gedreht,
um die Skala 36 mit der Oberfläche 14"in Koinzidenz zu bringen.
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Wenn die Beleuchtungsskala 36 genau auf der Oberfläche 14" zu ruhen
scheint, zeigt die Skalenvorrichtung 20 eine neue Ablesung an, die sich von der
ursprünglichen Skalenablesung um die Differenz in der Höhe unterscheidet. Nach einer
anderen Möglichkeit kann die Fadennetzzeichnung 35 allein für alle vertikalen Messungen
verwendet werden, wobei die Form der Zeichnung 35 besonders vorteilhaft ist zur
Bestimmung der exakten Koinzidenz der Zeichnung mit der zu messenden Oberfläche.
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Obwohl in der oben beschriebenen Anwendung der Erfindung
zur
eine bpiskopische Beleuchtung verwendet wird, benötigen andere Verwendungen eine
diaskopische Beleuchtung.
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Um eine diaskopische Beleuchtung zu erzielen, ist die Mikroskopgrundplatte
19 mit einer Glastischplatte 60 auf irgendeine geeignete Weise versehen, wobei die
Platte vorzugsweise gute Licht zerstreuende Eigenschaften hat.
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Eine unter dem Tisch liegende Lampe 61 ist auf geeignete Weise am
unteren Teil des Tisches 19 unter der Tischplatte 60 befestigt, und die Lampe ist
mit einer elektrischen Versorgungsquelle über ein Leitungspaar 62,63 durch den oben
genannten Schalter 56 verbunden, der zu diesem Zweck ein Umschalter sein kann, Durch
die Verwendung der Glastischplatte 60 können durchsichtige Gegenstände gemessen
werden, indem das projizierte beleuchtete Fadennetz entweder mit der oberen oder
mit der unteren Oberfläche des Gegenstandes überlagert wird, was einen großen Vorteil
bei der Vermeidung der Parallaxe im beobachteten Bild in den Okularen 13,13'darstellte
Weiterhin können Kombinationen der diaskopischen und episkopischen Beleuchtung gleichzeitig
verwendet werden, wenn der zu messende Gegenstand teilweise aus durchsichtigem und
teilweise aus undurchsichtigem Material hergestellt ist.
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In der vorangehenden Beschreibung wurden mehrere Formen von Kombinationen
der Mechanismen offenbart. Es ist
eine wichtige Tatsache bei der
Betrachtung dieser Kombinationen, daß der durch Me doppelten optischen Systeme 12,
12'hervorgerufene Stereoeffekt nicht notwendig ist, wenn nur in den X-und Y-Achsen
und einer einzigen Oberfläche gemessen wird, und es können monokulare optische Systeme
verwendet werden, wenn es zweckmäßig ist. Die doppelten optischen Systeme sind jedoch
erforderlich, um die Stereotiefenwahrnehmung zu ergeben, wenn es notwendig ist,
die"schwimmende"beleuchtete Zeichnung 35 mit irgendeiner gewählten Werkstückoberfläche
in Koinzidenzzu bringen.
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Obwohl nur gewisse Formen der vorliegenden Erfindung gezeigt und
in den Einzelheiten beschrieben wurden, sind andere Formen möglich, und Veränderungen
können an der Anordnung und der Form der Teile vorgenommen werden, ohne daß der
Bereich der Erfindung verlassen wird, der durch die folgenden Patentansprüche festgelegt
wird.
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-Patentansprüche-