DE2237041A1 - Einrichtung zur bestimmung geometrischer daten an koerpern mittels interferenzen - Google Patents

Description

• Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Körpern mittels Interferenzen Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Prüflingen mit Hilfe von Interferenzen, vorzugsweise an Prüflingen mit gekrümmter Oberfläche durch Messung des Abstandes mikroskopisch zu betrachtender Interferenzstreifen.
• Es sind bereits Verfahren und Einrichtungen bekannt, Längenmessungen an Prüflingen unter Benutzung von Zweistrahlinterferenzen, die in der Nähe der beleuchteten Prüflingsflächen erzeugt werden, d.urchzuführen. Zur Erzeugung von Interferenzstreifen wird eine Blende benutzt, die einen Spalt besitzt, der durch einen Kollimator einer Beleuchtungseinrichtung nach unendlich abgebildet wird. Das durch den Kollimator parallel gerichtete, von dem Spalt der Blende ausgehende Lichtbündel verläuft geneigt zur Tangentialebene im Meßpunkt der beleuchteten Prüflingsoberfläche und schräg sur optischen Achse der aus Lichtquelle, Blende und Kollimator bestehenden Beleuchtungseinrichtung, derart, daß ein Teil des Lichtbündels am zu messenden Prüfling reflektiert wird und der andere Teil vom Prüfling unbeeinflußt bleibt. Dieser Meßpunkt begrenzt die zu messende Strecke. Beide Teilbündel interferieren in der Nähe des Prüflings, wobei ein System aus hellen und dunklen Streifen entsteht, die parallel zur anvisierten Prüflingsfläche verlaufen und durch ein Meßmikroskop beobachtbar und mit einer Okularstrichmarke anvisierbar sind. Um die Abmessungen eines Prüflings, z. B. eines Zylinders, zu bestimmten, wird dieser nacheinander diametral beleuchtet, und die entstehenden Interferenzstreifen werden anvisiert. Aus der Entfernung der nacheinander auf beiden Seiten des Prüflings mit Hilfe der Okularstrichmarlse eingefangenen Interferenzstreifen ist nach der bekannten Beziehung d = a -0' der Durchmesser d des Prüflings berechenbar, wobei a der Abstand der eingefangenen Interferenzstreifen, # die Wellenlänge des vervendeten Lichtes, k eine von der Streifenanordnung abhängige Konstante und α der Winkel, unter dem das Lichtbündel im Meßpunkt auf die Tangentialebene der Prüflingsoberfläche trifft, sind.
• Es ist ein Nachteil dieser Einrichtung, daß die entstehenden Zweistrahlinterferenzen relativ breite Streifen bilden, wodurch die Genauigkeit des Einfangens dieser Streifen mit der Okularstrichmarke des Meßmikroskopes eingeschränkt wird. Durch Verwendung nur eines Spaltes in der Blende ist die Beleuchtungs stärke in der Ebene, in der die Interferenzen entstehen, gering, so daß ein Einsatz fotoelektrischer Mittel zum Anvisieren dieser Interferenzen Schwierigkeiten bereitet. Ferner entstehen am Prüfling meist mehrere, dicht benachbarte Interferenzstreifen, von denen jedoch nur einer zur Messung benutit wird. Einstellungsfehler am Meßmikroskop können dadurch entstehen, daß von den sehr dicht nebeneinanderliegenden Interferenzetreifen nicht der dem Prüfling nächste mit der Okularstrichmarke eingefangen wird. Ein weiterer wesentlicher Naachteil besteht darin, daß das Scharfeinstellen des Meßmikroskopes auf die Ebene der Interferenzen Schwierigkeiten bereitet, da hierbei die Bewegung der Interferenzstreifen in Meßrichtung, also senkrecht zum Streitenverlauf, verfolgt und auf den Stillstand des unter ferenzstreifens eingestellt werden muß.
• Es ist deshalb der Zweck der Erfindung, eine Einrichtung zu schaffen, bei weicher die llach-teile des Standes der Technik beseitigt sind, und mit welcher die Genauigkeit des Anvisierens der Interferenzstreifen erhöht wird.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Prüflinge mittels Interferenzen zu schaffen, bei der die Schärfe des anzuvisierenden Inetrferenzstreifens erhöht, das Verhältnis der Linienbreite des Interferer,zstreifens zum Abstand vom Prüfling bzw. zum benachbarten Interferenzstreifen günstiger und somit das Anvisieren der Streifen erleichtert wird und wobei ferner die Helligkeit der Interferenzen gesteigert wird.
• Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Pralinen mit Hilfe von Interferenzen, welche aus einer Aufnahmevorrichtung für den zu messenden Prüfling, einem relativ zum Prüfling verschiebbaren Meßmikroskop und einer dem Meßmikroskop zugeordneten Beleuchtungseinrichtung besteht, dadurch gelöst, daß die Beleuchtungs einrichtung Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlich zur Tangentialebene im Meßpunkt der Prüflingsoberfläche geneigten, annähernd parallelstrahligen Lichttündeln derart umfaßt, daß von jedem dieser Lichtbündel jeweils ein Teil von der Oberfläche des Prüflings reflektiert wird und der andere Teil dieser Lichtbündel direkt in das Meßmikroskop trifft, und daß durch die so entstandenen kohärenten Teilbündel in der Umgebung des Prüflings Mehrstrahlinterferenzen erzeugbar sind.
• Hierbei ist es vorteilhaft, wenn bei der belechtungseinrichtung, die einen Kollimator und In dessen Brennebene eine Blende besitzt, die Blende mindestens zwei transparente parallele und zur zu messenden Sörperflache parallel einstellbare Schlitze in verschiedenen Abständen von der optischen Achse der Beleuchtungseinrichtung besitzt.
• Weiterhin ist es vorteilhft, daß die Abstände h1; h2; .....; hk der einzelnen Schlitze der Blende von der optischen Achse des Strahlenganges in folgendem Verhältnis zueinander stehen: h1: h2: .....: hk = 1:2:.....: k, worin k eine natiirliche Zahl ist.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Blende besteht darin, daß die Winkel ak, die die von den einzelnen Schlitzen ausgehenden Lichtbündel mit der Tangentialebene im Me3punkt der Prüflingsoberflächte bilien, in folgender gesetzmäßiger Beziehung zueinander stehen sin «1 = 1 sin α0 sin α2 = 2 sin α0 sind k = k sin wobeiα # der kleinste vorkommende Winkel und k eine natürliche Zahl ist, und daß die Breite der Schlitze klein gegenhuber den Abständen h1; h2; ; hk der Schlitze von der optischen Achse der Beleuchtungseinrichtung ist, Zur Erzeugung schmaler Interferenzstreifen ist es vorteilhaft, wenn die Beleuchtungseinrichtung Lichtfilter zur Erzeugung monochromatischen Lichtes besitzt0 Eine weitere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die Beleuchtungseinrichtung eine oler mehrere Laserlichtquellen zur Erzeugung paralleistrahliger tichtbündel umfaßt, Weiterhin ist es vorteilhaft, wenn die Blende symmetrisch zur optischen Achse der Beleuchtungselnrichtung angeordnete parallele und transparente Schlitze enthält.
• Bei Anwendung der erfindungsgemäßen Einrichturg entsteht in der Nähe der Prüflingsflächen jeweils ein sehr scharf begrenzter, schmaler Interferenzstreifen, wodurch zum Einfangen dieses Streifens mit der Okularmeßmarke des Meßmikroskopes höhere Mikroskopvergrößerungen anwendbar sind. Dadurch verringert sich die Unsicherheit des Einfangens des Streifens wesentlich, und eine höhere Meßgenauigkeit wird erzielt. Durch die Anwendung mehrerer Spalte in der Blende bzw. einer oder mehrerer Laserlichtquellen wird die Helligkeit der entsprechenden Interferenzen wesentlich gesteigert, wodurch das Einfangen der Interferenzstreifen mit fotoelektrischen itteln und damit die Automatisierung des Meßvorganges begiinstigt wird. Die gesteigerte Bildhelligkeit kann auch dazu genutzt werden, das Meßmikroskop durch einen in der Bedienung bequemeren und weniger ermüde@@en Me@projektor zu ersetzen.
• Die Erfindung soll nachs@e@ent an einem Ausführungsbei spiel näher erläutert werden. In der zugehörigen Zeichnung zeigen: Fig. 1 eine Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Prüflingen, Fig. 2 die Ausbildung der Blende, Fig. 3 eine Einrichtung mit Laserlichtquellen ur.d Fig. 4 eine weitere Ausführungsform der Blende, Die in Fig. 1 schematisch dargestellte einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Prüflingen umfaßt eine Aufnaiimevorrichtung 1 für einen Prüfling 2, eine Beleuchtungseinrichtung 3 und ein Meßmikroskop 4 zur Beobachtung, wobei die optische Achse X-X der Beleuchtungs einrichtung 3 und des Meßmikroskopes 4 fluchten und die Beleuchtun3seinrichtung dem Meßmikroskop zugeordnet ist. Die Beleuchtungseinrichtung 3 enthalt eine Lichtquelle 5, eine Kondensoroptik 6, de die Lichtquelle In die Ebene einer Blende 7 abbildet und einen Kollimator 6, in dessen vorderer tRlendeneFene die Blende 7 argeordnet ist. Zur Ereugung monochromatischer Lichtes sind ferner in der Beleuchtungseinrichtung Lichtfilter ia vorgesehen, Die Blende 7 besitzt mindestens zwei parallel zueinander verlaufende transparente Schlitze 9; 10; 11; 1? (Fig. 2), die in einem bestimmten Abstand h1; h2; .....hk von der optischen Achse X-X des Strahlenganges angeordnet sind, wobei die Breite dieser Schlitze klein gegenUber ihrem Abstand von der optischen Achse X-X ist. Für die Abständed der Schlitze 9; 10; 11; 12 von der optischen Achse X-X gilt folgende Proportion: h1:h2:....:hl ::....:k, worin k eine natürliche Zahl ist. Diese Schlitze werden bei der Messung parallel zur anzuvisierenden Prüflingsfläche ausgerichtet. Durch den Kollimator 8 werden die beleuchteten Schlitze 9; 10; 11; 12 der Blende 7 nach unendlich abgebildet, d. h. die von den Schlitzen ausgehenden Lichtbündel werden durch den Kollimator 8 parallel gerichtet Diese Lichtbündel sind unter Winkeln α1; α2;....; αk gegen die optische Achse X-X, die gleichzeitig parallel zum der Tangentialebene E im Meßpunkt der Prüflingsoberfläche liegt, geneigt, wobei diese Winkel durch den Abstand hk der Schlitze von der optischen Achse X-X des Strahlenganges und durch die Brennweite des Kollimators 8 bestimmt sind. Diese Winkel stehen in folgender gesetzmäßiger Beziehung zueinander sin α1 = 1 sin sin «2 2 sin α0 sin αk = k sin α0, worin α0 der kleinste vorkommende Winkel ist, den das Lichtbündel des der optischen Achse X-X am nächsten gelegenen Schlitzes 9 und die optische Achse X-X bilden. Im Ausführungsbeispiel ist α0 Von den aus den Schlitzen 9 un 10 der Blende 7 (Fig. 1) kommenden, durch den Kollimator 8 parallel gerichteten Lichtbündeln wird jeweils ein Teil, von dem Prüfling 2 reflektiert, in das Meßiiiikroskop 4 geleitet. Der andere Teil d er einzelnen Lichtbündel trifft das Me<3mikroskop direkt, d. h. von dem Prüfling 2 unbeeinflußt. Beide Teile eines jeden Lichtbündels interferieren in einer außerhalb des Prüflings 2 liegenden parallel zur anvisierenden Prüflingsfläche verlaufenden Geraden. In Fig. 1 ist diese Stelle, an der sich die Mehrstrahlinterferenzen bilden, mit A bezeichnet.
• Durch die Benutzung mehrerer, von verschiedenen Schlitzen 9; 10; 11; 12 ausgehender, paralleler Lichtbündel, deren Winkel «k dem oben angeführten Beziehungen genen, entstehen in A Mehrstrahlinterferenzen. In diesem Punkt A zeigen alle Lichtbündel Dunkelheit, und es entsteht somit ein sehr scharf begrenzter, parallel zur anvisierten Prüflingskante verlaufender dunkler Interferenzstreifen, der mit Hilfe einer Okularmeßmarke im Meßmikroskop 4 bei der Messung eingefangen wird. Dieser Mehrstrahlinterferenzstreifen ergibt sich bereits bei Anwendung zweier Schlitze 9 und 10 in der Blende 7, wie es in Fig. 1 dargestellt ist.
• Bei Benutzung nur eines Lichtbündels gilt für den Abstand c des Punktes A von der Tangentialebene E im Meßpunkt P der Prüflingsfläche (Fig. 1) bei Scharfeinstellung des Mikroskopes auf den Umkehrpunkt k . # c = ½ oder bei kleinem Winkel α1 sin α1 k . # c = ½ α1 worin k eine natürliche Zahl, in diesem Falle die Ordnungszahl des benutzten dunklen Interferenzstreifens, # die Wellenlänge des verwendeten Lichtes und t der Winkel des Lichtbündels mit der Tangentialebene im Meßpunkt des Prüflings 2 oder mit der optischen Achse X-X der Beleuchtungseinrichtung 3 sind. Werden bei der Messung mehrere Parallellichtbündel gleichzeitig zur Beleuchtung benutzt, deren Winkel 6k den obengenannten Beziehungen genügen, so gilt es ebenfalls einen Punkt A in einem Abstand C vom Prüfling 2, in dem sämtliche verwendeten Lichtbündel Dunkelheit in der Interferenzstreifenanordnung ergeben.
• Betrachtet man zunächst das Lichtbündel mit dem kleinsten Winkel α 1, so besitzt der erste dunkle Interferenzstreifen mit k = 1 den Abstand c vom Prüfling 2 von 1 . # sin α1 Das Lichtbündel mit dem nächstgrößeren Winkel α 2 wobei sin α2 = 2 . sin 21 ist, erzeugt im Abstand c ebenfalls Dunkelheit, da dort das Minimum zweiter Ordnung, also k = 2, dieses Lichtbündels liegt. Es gilt also c = ½ = ½ 2 sin α1 sin α1 Ebenso bildet das Lichtbündel mit dem Winkel α αk im Abstand c vom Prüfling 2 das Minimum k-ter Ordnung, so daß sich für ¢ ebenfalls die Beziehung # = ½ ergibt.
• sin α1 So fallen also in A das erste Interferenzminimum des ersten Lichtbündel und das zweite Minimum des zweiten Lichtbündels mit dem k-ten Minimum des k-ten LichtSündels zusammen, Der so entstehende Mehrstrahlinterferenzstreifen ist, wie Theorie und Praxis übereinstimmend zeigen, besonders scharf, d. h. der Intensitätsverlauf innerhalb dieses Streifens ist annähernd rechteckförmig.
• Die Realisierung eines Interferenzstreifens k-ten Ordnung hat eine entsprechend große Kohärenzlänge des verwendeten Lichtes zur Voraussetzung. Ein relativ geringer beleuchtungsseitiger Aufwand ergibt sich, wenn die Beleuchtungs einrichtung 3 mit einer Glühlampe als Lichtquelle 5 und einem Lichtfilter 7a zur Erzeugung annähernd monochromstischen Lichtes versehen ist. Mit einer solchen Beleuchtunge einrichtung 3 sind für die Messung hinreichend deutliche, gut einfangbare Interferenzstreifen dritter Ordnung erzeugbar.
• Die Blende 7 besitzt in einem solchen Falle drei Schlitze, so daß drei Lichtbündel zur Beleuchtung der Flächen des Prüflings 2 zur Verfügung stehen.
• Das vereinfachte Fokussierkriterium, d. h. Fokussierung des Meßmikroskopes 4 auf beste Schärfe des Interferenzstreifens statt, wie beim Stand der Technik, auf den Umkehrpunkt der Bewegung des Interferenzstreifens, resultiert aus der Tatsache heraus, daß bei Benutzung parallelstrahliger Lichtbündel gleichzeitig nur in einem sehr engen Fokussierbereich sämtliche, unter verschiedenen Winkeln k einfallenden Lichtbündel in einem annähernd gleichen Abstand o vom Prüfling 2 dunkle Interferenzstreifen erzeugen, so daß eine bequeme Fokussierung des Meßmikroskopes 4 auf die größte Schärfe des Interferenzstreifens vornehmbar ist.
• Bei der in Fig. 3 dargestellten Einrichtung sind als Beleuchtungseinrichtung zur Erzeugung paralleler kohärenter Lichtbündel ein oder mehrere Laserlichtquellen 13; 14 vorgesehen. Von jedem Lichtbündel verläuft ein Teil direkt in das Meßmikroskop 4, während der andere Teil, am Prüfling 2 reflektiert, in das Meßmikroskop 4 trifft. Auf Grund der geringen Apertur des Laserlichtes und der Tatsache, daß dieses Licht weitestgehend monochromatisch ist, entstehen parallel zur beleuchteten Prüflingsoberfläche in den Punkten B; B1...Bk (Fig. 3) dunkle Mehrstrahlinterferenzstreifen hervorragender Schärfe, von denen vorzugsweise der in B entstehende Streifen zur Messung mit der Okularmeßmarke des Meßmikro.kopes 4 eingefangen wird. Für den Abstand des in B entstehenden Interferenzstreifens von dem Prüfling 2 gilt die obengenannte Beziehung für den Abstand C analog.
• Zur Bestimmung der Abmessungen des Prüflings 2, z. B.
• des Durchmessers eines zylindrischen körpers oder der Länge eines prismatischen Körpers, wird dieser nacheinander an gegenüberliegenden Flächen beleuchtet. Hierzu werden der Prüfling 2 und das Meßmikroskop 4 mit der 3eleuchtungseinrichtung 3 relativ zueinander verschoben, wobei ebenfalls die Blende 7 um 1800 um die optische Achse X-X der Beleuchtungseinrichtung 3 gedreht wird. Bei Anwendung von Lasern 13; 14 als Lichtquelle ist es erforderlich, diese so zu verschieben, daß die links von der optischen Achse X-X (gemäß Fig. 3) angeordnet sind. Aus dem Abstand des an der einen beleuchteten Prüflingsfläche mit der Okularmeßmarke des Meßmikroskopes 4 eingefangenen Interferenzstreifens von dem an der anderen Prüflingsfläche eingefangenen Interferenzstreifens ist nach der bekannten Beziehung d = c - = c sinai die zu messende Größe d des Prüflings 2 zu berechnen.
• In Fig. 4 ist eine weitere Ausführungsform der Blende dargestellt. Diese Blende 7' besitzt zum Unterschied zu der in Fig. 2 dargestellten symmetrisch zur optischen Achse vorgesehene Schlitze 9; 10; 11 und 15; 16; 17, die im Abstand h1;.....;hk bzw. h1';.....;hk' von der optischen Achse X-X angeordnet sind. Diese Blende 7' wird mit Vorteil bei der Messung von Bohrungen bzw. von Prüflinge mit ebenen Flächen angewendet, weil bei der Beleuchtung gegenüberliegender Prüflingsflächen eine Drehung der Blende 7' in der Beleuchtungseinrichtung unterbleiben kann. Dies ist eine spürbare Bedienungserleichterung. Damit entfallen auch etwaige Fehlereinflüsse, die durch Lageänderung der Blende 7' bei einer Drehung um 1800 bedingt sind.

Claims (8)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Bestimmung geometrischer Daten an Prüflingen, vorzugsweise mit gekrümmter Oberfläche, mit Hilfe von Interferenzen, die durch geneigt zur Tangentialebene im Meßpunkt der Prüflingsoberfläche auffallendes, vorzugsweise monochromatisches Licht erzeugt werden, wobei ein Teil des Lichtes an der Prüflingsoberfläche reflektiert, wird und der andere Teil direkt am Prüfling vorbeiläuft und -beide Teile miteinander interferieren, bestehend aus einer Aufr.ahmevorv richtung für den zu messenden Prüfling, einem relativ zum Prüfling verschiebbaren Meßmikroskop mit einer starren oder verschiebbaren Meßmarke oder fotoelektrischen Empfängern und einer dem Meßmikroskop zugeordneten Beleuchtungseinrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (3) Mittel zur Erzeugung von mindestens zwei unterschiedlich zur Tangentialebene E im Meßpunkt der Prüfingsoberfläche geneigten, annähernd parallelstrahligen Lichtbündeln derart umfaßt, daß von jedem dieser Lichtbündel jeweils ein Teil von der Oberfläche des Prüflings ,(?) reflektiert wird und der andere Teil dieser Lichtbündel direkt in das Meßmikroskop (4) trifft und daß durch die so entstandenen kohärenten Teilbündel in der Umgebung des Prüflings (2)- Mehrstrahlinterferenzen erzeugbar sind.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, mit einer Beleuchtungseinrichtung, die einen Kollimator und in dessen Brennebene eine Blende besitzt, dadurch gekennzeichnet, dan, die Blende (7) mindestens zi:ei transparente, parallele und zur zu messenden Körperfläche parallel einstellbare Schlitze (9; 10; 11; 12) in verschiedenen Abständen (h1; .....;hk) von der optischen Achse (X-X) der Beleuchtungseinrichtung (3) besitzt.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände h1; h2;.....; hk der einzelen Schlitze (9; 10; 11; 12) der Blende (7) von der optischen Achse (X-X) des Strahlenganges in folgendem Verhältnis zueinander stehen: h1:h2:....,: hk = 1 :2:.....:k, worin k eine natürliche Zahl ist.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Winkel αk, die die Von den einzelnen Schlitzen (9; 10; 11; 12) ausgehenden Lichtbifndel mit der Tangential ebene E im Meßpunkt der Prüflingsoberfläche bilden, in folgender gesetzmäßiger Beziehung zueinander stehen sind = 1 sin 9 sinα2 = 2 sinα .

.

.

sinαk = k sinα wobei αo o der kleinste vorkommende Winkel und k eine natürliche Zahl ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Schlitze (9; 10; 11; 12) klein gegenüber dem Abstand h1; h2;.....; hk diesser Schlitze von der optischen Achse (X-X) der Beleichtungseinrichtung (3) ist.

6. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (3) Lichtfilter (7a) zur Erzeugung monochromatischen Lichtes besitzt.

7. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtungseinrichtung (3) eine oder mehrere Laserlichtquellen (13; 14) zur Erzeugung parallelstrahliger monochromatischer Lichtbündel umfaßt.

8. Einrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (7') symmetrisch zur optischen Achse (X-X) der Beleuchtungseinrichtung (3,) angeordnete parallele und transparente Schlitze (9; 10; 11; 12) enthält.

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