DE1548283A1

DE1548283A1 - Messgeraet fuer die Abmessungen eines Objekts

Info

Publication number: DE1548283A1
Application number: DE19661548283
Authority: DE
Inventors: Michiaki Ito
Original assignee: Nippon Electric Co Ltd
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1965-05-17
Filing date: 1966-05-17
Publication date: 1969-08-21
Also published as: US3518007A

Description

Anmelderini Stuttgart, den 14.Mai 1966

Nippon Electric Company limited ^{P 1796} 51/0/19

7-15,Shiba Gochome,Minato-Ku

Tokio/Japan

Vertreter:

Patentanwalt
Dipl.-Ing. Max Bunke
Stuttgart 1
Schloßstraße 73 B

Meßgerät für die Abmessungen eines Objekts

Die Erfindung betrifft ein Meßgerät für die Abmessungen eines Objekts. Dabei sollen Gestalt und Abmessungen des Objekts unter Verwendung einer Fresnel'sehen Beugungsanordnung mit einer monochromatischen Ellipsoidwelle gemessen werden, bspw. mittels Beugung eines Laserlichtbündels.

Bekannte Präzisionsmeßgeräte für Gestalt und Abmessungen eines Objekts sind mechanische Meßgeräte, bspw. Schieber mit einem Nonius, Mikrometertastlehren und Skalenanzeiger, Meßgeräte der geometrischen Optik bspw. Universalprojektoren und Mikroskope und physikalisch-optische Meßgeräte bspw. ein Michelson- Interferometer. Diese Geräte weisen jeweils technische Mängel auf.

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Ein mechanisches Meßgerät muß beispielsweise in unmittelbaren Kontakt mit einem zu messenden Objekt gebracht werden um kann folglich für ein Objekt auf hoher oder tiefer Temperatur, in einer chemisch agressiven Atmosphäre, großer Weichheit oder großer Berührungsempfindlichkeit keine Verwendung finden. Diese Nachteile treten bei einem Meßgerät der geometrischen Optik nicht auf, doch dasselbe ist für die Praxis unzweckmäßig, da eine stärkere Vergrößerung zur Verbesserung der Ablesegenauigkeit nur dadurch erreicht werden kann, daß man die Objektlinse nahe an das Objekt heranbringt, worunter die Tiefenschärfe" leidet. Ein physikalisch-optisches Meßgerät bietet eine sehr große Genauigkeit, doch ist es sehr schwerfällig im praktischen Gebrauch und für allgemeine Messungen ungeeignet.

Die Aufgabe der Erfindung liegt deshalb in .der Schaffung eines Meßgerätes mit einfachem Aufbau, das Gestalt und Abmessungen eines Objekts an einer beliebigen entfernten Stelle genau messen läßt.

Dies, wird nach der Erfindung durch eine Lichtquelle r.it einer, einen schmalbandigen Wellenbereich ausfüllenden und elliptische Wellenfronten aufweisenden Lichtbündel, durch eine Objekthalterung in dem Lichtweg und durch eine Meßeinrichtung für das Beugungsbild des Lichtbündels an dem Objekt erreicht, wobei ein Vergleich des jeweiligen Beugungsbildes mit zuvor an entsprechenden Objekten erhaltenen Beugungsbildern erfolgt.

Als Lichtquelle dient vorzugsweise ein-Laser, insbesondere ein Gaslaser, der im TEM -Modus schwingend ein monochromatisches Lichtbündel mit genau definierten konfokalen elliptischen Wellenfronten erzeugt.

Die Erfindung benutzt das Fresnel'sehe Beugungsphänomen (wobei die Fraunhofer'sehe Beugung als Grenzfall eingeschlossen ist). Der Grund für die bisherige Nichtbeachtung des Beugungsphänomens bei derartigen Messungen liegt vermutlich darin, daß keine hochwertigen Lichtquellen verfügbar waren. Denn

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eine herkömmliche Lichtquelle stellt, nicht nur eine Ansammlung zahlreicher einzelner Lichtquellen in Verteilung über eine größere Fläche dar, sondern das erzeugte Licht ist nicht kohärent, so daß das auf einen Spalt treffende Lichtbündel keine Beugungsbilder höherer Ordnung erzeugt, die auf einem Bildschirm zur Bestimmung von Gestalt und Abmessungen des Spaltes dienen könnten. Die durch solche Lichtquellen erzeugten Bilder haben vielmehr kaum eine Beziehung mit dem Spalt, ähnlich wie die Bilder einer Lochkamera, wenn man das Loch mit dem Schlitz vergleicht. Man könnte meinen, daß dieser Nachteil durch Koliimierung des Lichtbündels <Ln einen Parallelstrahl überwunden werden könnte. Doch die geringe Leuchtkraft herkömmlicher Lichtquellen macht die Anteile mit größerem Beugungswinkel für eine Verwendung in einer Messung mit hoher Genauigkeit ungeeignet.

Es hat sich gezeigt, daß das von einem Gaslaser mit sphärischem Fabry-Perot-Resonator, bspw. nach Fig. 7 auf S.93 des Werkes "Laser" von B.A. Lengyel, Verlag John Wiley & Sons, Ine;New York, 1962, emittierte Liohtbündel eine genau festgelegte- im wesentlichen sphäroidische Wellenfront aufweist, daß dieses Lasericht nach Durchgang durch ein zentriertes Linsensystem eine ,nderung des Ausbreitungsverhaitens erfährt, was sich in der Änderung des Zentrums und des Fokalkreises der Sphäroidwellenfront bemerkbar macht, und daß man eine Zylinderlinse bzw. Zylinderlinsen zur Erzeugung eines Laserlichtbündels mit verallgemeinerter elliptischer Wellenfront (einschließlich einer Kreiszylinderwellenfront als Grenzfall) benutzen kann. Daraus ergibt sich, daß das Laserlicht unterschiedliche Beugungsbilder mit einer Anpassungsfähigkeit an eine Vielzahl von Meßaufgaben erzeugen kann, was durch' praktisch ausgeführte Meßgeräte nach der Erfindung erläutert werden kann.

Nach der Erfindung kann man die Gestalt der Wellenfront und die Intensitätsverteilung in Objektnähe an eine bestmögliche Beobachtung des Beugungsbildes anpassen. Dadurch wird das Anwendungsfeld des erfindungsgemäßen Meßgerätes erweitert.

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Mit dem Meßgerät nach der Erfindung kann man die folgenden Arten von Beugungsbildern für die verschiedenartigen Objekte erhalten: für ein kreisförmiges Loch in einem undurchsich" tigen Körper konzentrische, dunkle und helle Interferenzstreifenj für einen Schlitz parallele Inter_ferenzatreifen; für eine Kreisscheibe und ein Band Streifensysteme mit-umgekehrter Helligkeitsverteilung in Vergleich zu den genannter] !.lüstern; für einen Keilspalt gerade Streifen parallel zu den Spalträndern usw. Die Unterscheidungsfähigkeit der Beugungsbilder wird durch den. Abstand zwischen Objekt und Schirm oder einer anderen Beobachtungsebene nicht nachteilig beeinflußt. Damit ist eine günstige Auswahl des Abstands möglich.

Man kann somit die gegenseitige Beziehung zwischen Lichtquelle, Meßobjekt und Beobachtungsvorrichtung für das Beugungsbild in einem solchen Sinne auswählen, daß die Messung auch dann mit Leichtigkeit möglich ist, wenn sich das Objekt innerhalb eines Vakuumgehäuses oder in einer Atmosphäre mit hoher oder sehr tiefer Temperatur befindet, oder werin man zu Schnellbildphotographie oder ähnlichen Methoden bei einem sich drehenden oder sonst mit hoher Geschwindigkeit bewegten Objekt greift.

Die Erfindung wird nunmehr unter Bezugriahme auf die Zeichnungen erläutert. Es stellen dar:

Fig. 1 einen schematischen Axialschnitt durch eine Ausführungsform der Erfindung,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Beispiel eines Kollimators für die Ausführungeform der Fig. 1. und

die Fig. 3 und 4 ähnliche Axialschnitte wie Fig. 1 für andere Ausführungsformen der Erfindung.

Die in Fig. 1 gezeigte Ausführungsform ist ein 'Gerät zur Bestimmung, ob die Abmessungen eines Kreislochs in einer dünnen Metallplatte innerhalb einer zulässigen Schranke liegen. Die wesentlichen Bestandteile des Meßgeräts sind ein Gaslaser 11 und ein ebener Schirm 13» auf den das Beugungsbild abgebildet wird. Dazwischen ist eine Metallplatte 12 so ausgerichtet.

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daß ein darin befindliches Kreisloch 12' im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse des Lasers 11 .bzw. der Richtung des Ausgangslichtbündels.steht und von diesem Lichtbündel beleuchtet wird. In der Figur sind keine Halter für die Bauteile oder für das Meßobjekt dargestellt. Der Laser 11 gehört der oben genannten Bauart nach Lengyel an und umfaßt eine Helium-Neon-Gasentladungsröhre 111, einen sphärischen Spiegel 112 und einen Planspiegel 113, die zu beiden Seiten der Entladungsröhre angeordnet sind und mit aufeinander ausgerichteten optischen Achsen einen Fabry-Perot-Resonator bilden. Eine Le is tungsq.ua lie für die Entladungsröhre ist nipht dargestellt. Der Laser ist vorzugsweise so ausgelegt, daß nur Schwingungen für einen einzigen Übergang zwischen Energieniveaus der Atome und in einem einzigen Schwingungsmodus normalerweise dem TEM -Modus erzeugt werden. Ein Beispiel für einen solchen Laser ist der Helium-Neon-Gaslaser, der von der Nippoii Electric Company,Limited, auf den Markt gebracht wird und ein rotes Licht einer Wellenlänge von o,6328 < erzeugt.

Die von einem solchen Laser 11 ausgehenden Wellenfronten bzw. Flächen gleicher Phase sind nach den· Ergebnissen der Rechnung konfokale Sphäroidflachen bspw. F, deren Brennpunkte auf einem Kreis f in derselben Ebene wie der Planspiegel 113 liegen und deren Mittelpunkt im Schnittpunkt des Planspiegels ' 113 mit der optischen Achse des Lasers 11 liegt. Der Radius ergibt sich zu

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mit r als Krümmungsradius des sphärischen Spiegels.112 und D als Abstand zwischen den Spiegeln 112 und 113» der kleiner als der Radius r gewählt ist.

Die Intensitätsverteilung des Laserlichts ist nach den Er-

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gebnissen der Rechnung proportional zu e mit b als senkrechtem Abstand von d-er optischen Achse und A gemäß

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D{r - D) +z , - ' _f

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.wo '} die Laserlichtwellenlänge und ζ der Abstand vom Zentrum der Sphäroidwellenfront ist.

Wenn der Durchmesser des Ausgangslichtbündels des Lasers 11 genügend kleiner als der Radius a des Kreislochs 12' ist, d.h.

2
wenn Aa genügend größer als eine ist, tritt das Laserlicht durch das Kreisloch ohne wesentliche Beugungserscheinung. Zur Erzeugung des Beugungsbildes in dem Meßgerät nach der Erfindung muß man deshalb den Durchmesser des Lichtbündels mit dem

2 Radius des Kreislochs 12* vergleichbar machen, so daß Aa kleiner als oder in der Größe von eins liegen muß. Die Intensitätsverteilung des Beugungslichts in einer einen Winkel B mit der optischen Achse des Lasers 11 bildenden Richtung ergibt sich aus der Rechnung zu

mit J_Q als Bessei-Funktion nullter Ordnung. Folglich beobachtet man auf dem Schirm 13 konzentrische Interferenzstreifen, deren Intenaitäteverteilung in radialer Sichtung durch die Kurve R gegeben ist. Wenn das Loch 12· nicht genau kreisförmig, sondern etwas verzerrt ist, wird das Eeugungsbild entsprechend verzerrt. Aus weiterer Rechnung ausgehend von der obigen Formel ergibt sich, daß der Abstand zwischen benachbarten Interferenzstreifen mit abnehmendem Radius a des Kreislochs 12' größer wird. Man kann daher prüfen, ob der Radius a in einen Sollbereich fällt, indem man beobachtet, ob die Anzahl der Interferenzetreifen dem Schwankungsbereich des Radius a entspricht.

Wie sich aus dem obigen ergibt, hängt die Genauigkeit des erfindungsgemäßen Meßgeräts nur von dem Beugungswinkel B ab, und die Genauigkeit der Messung 'steigt mit zunehmendem Abstand zwischen Schirm 13 und Metallplatte 12 an.

Wenn auch die Ausführungsform in Verbindung mit der Messung eines Kreisloches 12' in einer Metallplatte 12 erläutert wurde, so ist dieses Gerät doch selbstverständlich auch für andere Objekte als ein Kreisloch'geeignet, die in ähnlicher

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Weise ausgemessen werden können.

Wie bereits erwähnt, läßt sich manchmal das .Beugungsbild auf dem Schirm 13 nur mit Mühe sichtbar machen, wenn die Beziehung zwischen dem Durchmesser des Laserstrahls und dem Radius a des Kreislochs 12' bzw. zwischen A und a ungünstig ist. Die einfachste Maßnahme zur Einstellung der Beziehung zwischen A und a besteht in der Änderung des Abstands zwischen dem Laser 11 und der Metallplatte 12. Diese Maßnahme bietet jedoch nur einen sehr begrenzten Einstellbereich. Es ist deshalb zweckmäßig, bei Änderung der genannten Beziehung innerhalb eines weiten Bereichs den Abstand zwischen denf Laser 11 und der Metallplatte 12 unverändert zu lassen. Dies läßt sich mittels eines Kollimators zur Umwandlung der Form der Wellenfront und des Radius des Pokalkreises erreichen. Der einfachste Kollimator besteht aus einer einzigen Linse zwischen dem Laser 11 und der Metallplatte 12. Dies ist jedoch ebenfalls unzweckmäßig, da nicht nur für 'die Verschiebung der Linse nur ein kleiner Bereich zur Verfügung stehjb, sondern auch eine Ä-n._Aerung der Form der Wellenfrorvb die Beziehung zwischen Beugungsbildern unter Verwendung von verschiedenen Kollimatoren nachteilig beeinflußt. Solche Nachteile treten bei einem' ollimator nach Pip. 2 nicht auf.

Der Kollimator 15 nach Pig. 2 ist 2un; Einfügen zwischen dem Laser 11 und der Metallplatte 12'der Ausführungsform nach if'ig. 1 bestimmt und besteht aus einer konvexen Linse 151 und konkaven Linsen 152 und 153· Diese Linsen sitzen in drei teleskopartig ineinandergesteckten Hohlzylindern, so daß ihr gegenseitiger Abstand einstellbar ist. Mit diesem Kollimator kann man den Radius der Pokalortslinie ändern, wobei gleichzeitig die Form der Wellenfront im Spaltbereich ungeändert bleibt.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform für den Fall, wo sich die Beugungsbedingung nicht einstellen läßt, auch wenn man den Laser in ziemlicher Entfernung von dem IJeßobjokt zusammen mit einem Kollimator 'aufstellt, oder wo der Durchmesser eines ziemlich dicken zylindrischen Körpers gemessen werden soll. Diese Ausführungsform umfaßt zwei Laser 21 M und

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21N,-die parallel zu den Begrenzungsliniem des Querschnitts des zu messenden Metallzylinders 22 in einer solchen Ausrichtung aufgestellt sind, daß das ausgesandte Strahlenbündel tangential zur Umfangslinie des Querschnitts einfällt, jeweils vor den Lasern aufgestellte Kollimatoren 25M und 25N und einen gemeinsamen Bildschirm 23. Damit man genau bestimmte Beugungsbilder erhält, ist für die Messung die Verwendung .von Meßleisten 26M und 26IT vorzuziehen, die man in die Nähe derjenigen Teile des Metallzylinders 22 bringt, auf die jeweils der Laserstrahl auffällt.. Die dem Metallzylinder.zugewandten Oberflächen der Meßleisten sind zu optisch ebenen Flächen bearbeitet. Wie man erkennt, können ziemlich dicke Körper ohne unmittelbaren Kontakt mit dem Körper selbst vermessen werden, so daß sich der Metallzylinder 22 auf einem Werkstückschlitten befinden kann, wo er sich dreht, oder daß der Metallzylinder 22 weich und leicht verformbar sein kann. Die Meßleisten 26M und26N müssen sich übrigens nicht notwendigerweise in einer die Längsachse des Metallzylinders 22 enthaltenden Querschnittsebene befinden, sondern die MeßleiBte 26N kann beispielsweise senkrecht ζμ dem Schirm 23 in eine für das Meßobjekt günstige Stellung insoweit versetzt »ein, als der effektive Abstand zwischen der unteren Erzeugenden des Metallzylinders 22 und der Oberkante der MeßleiBte 26N bezogen auf den Blickwinkel des Lasers 21N gleich bleibt. Während die beschriebenen Ausführungsformen für Messungen von Hand dienen, kann man die Messung auch automatisch durchführen, wenn die Anzahl der Meßobjekte groß ist. Unter Bezugnahme auf Fig.4, wo ein Ausführungsbeispiel eines automatischen Geräts beschrieben ist, gehören zu demselben ein Laser 31» ein Kollimator 35 zur Beleuchtung eines Körpers geringen Durchmeesera, bspw. eines Fadens, ein halbversilberter Spiegel 37 aur Aufnehme des Beugungsbildes, eine erete Kondensorlln*e 58 aur Fokusierung des durch den Spiegel 37 getretenen, Idchtanteile,

eine zweite Kondensorlinse 39 zur Fokus ie rung dta $Q dem 8piegel 37 reflektierten Liohtanteile, in den Je*t;lilgefi Brennpunkten dieserKondensorlinsen aufgestellte photoelektrieohe Bohren 41 und 42 zur Aufnahme des durchgelaaeenezi tligtr·. J*efleK-r tierten Anteile und ein Quotientenmeeser 43 aur $etieu&g dea

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Quotienten der in den photoelektrisehen Röhren erzeugten photoelektrischeh Ströme, Da sich die Beugungsbiider der Objekte 12 vorausberechnen lassen, -wird ein schablonenartiger Überzug: auf den Spiegel 37 aufgezogen, so daß die transparenten und reflektierenden Bereiche', des Spiegels dem Beugungsbild eines iiezugskörpers entsprechen. Wenn der Durchmesser des Meßobjekts Ύλ ton dem Dezugawert abweicht» führt die Differenz in der Steigung der Interferenzstreifen zu einer Änderung des Verhältnisses des durcligOilässenen zu dem reflektierten Strahlanteil, welche Änderung in dem (.Quotientenmesser k'3 gemessen wird. Dieses Gerät ist zur Jüinlialtung der Genauigkeit eines elektrischen Drahtes oder eines Fadens geeignet, indem der Durchmesser während der Herstellung fortlaufend überwacht wird. Als Kollimator 35 kann man auch eine Zylinderlinse verwenden. Die photoelektrischen Röhren k1 und 42 können beliebige photoelefctrlech· Wandler sein bspw. Photozellen oder Cadmiumsulfidzellen. Als Quo t itsittnme a aer Λ1 verwendet man vorzugsweise das Gerät 416 der Firma Hewlett-»Packard, USA. In diesem Fall muß daa Laserlicht der Lichtquelle 3% wit einem 100O-Hz-Signal intensitäteeioduliert sein, tfras i» »ft aich bekannter, im einzelnen nicht-erläuterter Weise t \

Im Rahmen <$är banöfarielsenen Äüuführungsförmen elnd ala Lichtquellen Gaslaa·!· w*gesi ύ»ν sue^oaeichii»ten Kohärenz dee Auseaiigslichta benutat« Vafeii die Kohärenz des Aw a gangs liebt a keia Froblöm darstellt, kann man aueft eit&em. Kubi-niaee? oder einen anderen Fesisköpperlaaer verwenden, :ü©r Söhisia aur Aufnabme des." Beugtmgsbil'des braucjht nicht eben, aondem kansi &w»h sphärisch oder zylindrisch "^ein^ Eine Abwandlung- ist .intS'Q^e^n-.mö^Xieh_r-als die. Abmessungen- des Meßobj.ekts leioht -ünmitte-lbai?. an ©ines» göoichtea Skala des Kollimators abgelesen werden köiisiea, der füs? -Jodes Übjekt so- eingQatellt wird, daß sifh dassslb®'"Bcttgusigebtld- wi"®~be± <Binein■ Beaisgsobjfekt ergibt-, '"

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Claims

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1) Meßgerät für die Abmessungen eines Objekts, gekennzeichnet duroh ein· Lichtquelle (1t) mit einem einen schmalbandigen Wellenbereich ausfüllenden und elliptische Wellenfronten aufweisenden Lichtbündel, durch eine Objekthalterung in dem Lichtweg und durch ein· Meßeinrichtung für das Beugungsbild des Lichtbündels an dem Objekt, wobei ein Vergleich des jeweiligen Beugungsbildes mit zuvor an entsprechenden Objekten erhaltenen Beugungsbildern erfolgt.

2} Meßgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen zwischen Lichtquelle und Objekt aufgestellten Kollimator (15) zur Einstellung Vellenfrontgestalt.

3) Meßgerät nach Anspruch Γ oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Objekt (22) zwecks Bildung eines Spaltes eine Meßleiste (26M bzw. 26a) gegenübersteht, wobei das Beugungsbild an diesem Spalt gebildet wird. (Fig. 3)

k) Meßgerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßltiste und da« Objekt in verschiedenen zur optischen Achse senkrech ten Äbenen liegen.

5) Meßgerät nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen h«lbversilberten Spiegel ('>?), dessen Reflexionabelag dem Beugungsbild eines BezugsObjekts entsprechend aufgebracht ist, durch photoelektrisehe Wandler (ki_fk2), deren Ausgangeströme der durchgelassenen bzw, reflektierten Lichtintensität proportional sind, und durch eine Vergleichsschaltung (43) für diese Ströme, womit eine Vergleichsmeaaung gegei?über einem Bezugsobjekt möglich ist.

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