DE2515574A1 - Praezisionsmasstab aus metall - Google Patents

Description

MTENYANWALl

Dipl.-Ing., Dip].-Wirtsdi.-Ing.

8000 Mündien 90 Grünwalder Straße 175 a Telefon 646846

Societe Genevoise d'Instruments de Physique, CH-1200 Geneve, 8 rue de Vieux Grenadier

Präzisionsmaßstab aus Metall

Präzisionsmaßstäbe aus Metall umfassen Teilstriche in Form von Rillen, die dreidimensional sind, und zwar eine Länge, eine Breite und eine Tiefe aufweisen. Diese Tiefe des Teilstriches, die im allgemeinen eine Größenordnung von 4 bis 8 LLm. für einen Strich beträgt, weist eine Breite von 6 bis 12 AJLm auf und stellt vom Gesichtspunkt der Verwendung her einen beträchtlichen Nachteil dar.

Tatsächlich hat der Schnitt einer Flanke des Striches mit der Oberfläche des Maßstabes keine scharfe Kante, sondern einen von Null abweichenden Radius. Dies ist unvermeidlich, da während des Gravierens des Striches Material über die Ränder des Striches hinausgeschoben wird und das Nachpolieren, das diese Materialanhäufung oder die Grate entfernt, auf diese Weise die Radien erzeugt. Außerdem können die Radien für beide Kanten eines Striches und auch für die Kanten der verschiedenen Striche entlang des Maßstabes nicht gleich sein.

Deshalb sind die Breite eines Striches und besonders seine Lage durch die numerische Apertur des Objektivs,mit dessen Hilfe der Strich anvisiert wird,

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und durch die Neigung der Beleuchtung des Meßmiskroskopes in Bezug auf die unterteilte Seite des Maßstabes beeinflußt.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, ist es bekannt, die Striche durch einen metallischen Niederschlag auf einer Glas oberfläche herzustellen. Daher sind die hergestellten Striche praktisch zweidimensional, wobei ihre Dicke vernachlässigbar ist und im allgemeinen unterhalb eines /c^m liegt.

Nichtsdestoweniger ist bei vielen Anwendungen und insbesondere bei Werkzeugmaschinen die Verwendung von Maßstäben aus Glas nachteilig, da sie sehr zerbrechlich und zeitlich weniger stabil als Metallmaßstäbe sind.

Andererseits ist es offensichtlich, daß Metallmaßstäbe nicht auf die gleiche Weise hergestellt werden können, da auf einer Metalloberfläche die durch Metallablagerung hergestellten Striche keinen ausreichenden Kontrast darstellen wurden, um sie sichtbar zu machen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Präzisionsmaßstab aus Metall herzustellen, der die vorerwähnten Nachteile nicht aufweist.

Dieser Präzisionsmaßstab aus Metall ist dadurch gekennzeichnet, daß seine Teilung parallele, schmale und wenig tiefe Strichelemente umfaßt, deren Breite und Tiefe so bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht eine Verschiebung nur um ihr Beugungsbild erfahren können, bzw. nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die beigefügte Zeichnung zeigt in schematischer Weise mehrere Ausführungs· beispiele eines Präzisionsmaßstabes aus Metall gemäß der Erfindung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes gemäß einer ersten Ausführungsform; ·

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Fig. 2 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der mit einem

Strichraster versehen ist;

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der nur Strichelemente als Teilung umfaßt;

Fig. 4 einen Teil eines Maßstabes, bei dem sich glatte Fläche mit solchen Flächen abwechseln, die aneinanderstoßende Strichelemente umfassen; und

Fig. 6 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Herstellung des Maßstabes .

Der in Fig. 1 dargestellte' Maßstab umfaßt Teilstriche 1 mit äußerst geringer Tiefe, die praktisch zweidimensional sind und durch Nebeneinanderanordnung von parallelen, schmalen Strichelementen 2 mit sehr geringer Tiefe gebildet sind, wobei diese Gruppen eine ausreichende Anzahl von Strichelementen aufweisen, um die Breite der Teilstriche 1 zu erhalten.

Daher kann ein Teilstrich irgendeine Anzahl, beispielsweise acht oder zehn, Strichelemente 2 Seite an Seite umfassen, wobei jedes Strichelement eine Breite in der Größenordnung von 1 LOm und eine Tiefe aufweisen, die ungefähr zweimal geringer ist.

Diese Tiefe der Strichelemente befindet sich in der Größenordnung einer Wellenlänge des Lichts, insbesondere des zum Betrachten des Maßstabes mit einem fotoelektrischen Mikroskop verwendeten Lichts. Bei diesen Bedingungen entsteht bei der Gravur eines Strichelementes aufgrund der ge ringen Abmessung kein nachweisbarer Materialaufwurf oder feiner Grat, der ein Nachpolieren notwendig machen würde. Da dieses Nachpolieren vermieden ist, weisen die Ränder der Strichelemente einen Radius auf, der gleichsam Null ist, woraus sich ergibt, daß die Breite des Teilstriches und seine Lage nicht mehr von der numerischen Apertur des Objektivs und der Achsneigung der Beleuchtung abhängen. Außerdem werden mit dem

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Auflösungsvermögen der häufig verwendeten Objektive die Strichelemente für sich gesehen nicht wahrgenommen, sondern nur als eine Gesamtanordnung oder Gruppe, die einen nicht reflektierenden Teilstrich auf einem reflektierenden Hintergrund bildet.

Wenn man die Anzahl der Strichelemente pro Teilungsintervall bis auf beispielsweise 992 oder 99O erhöht und dabei zwischen ihnen eine unverritzte Fläche mit der Breite entsprechend 8 bis 10 Strichelementen läßt, so erhält man eine Teilung, die gebildet ist aus reflektierenden Strichen 1' auf einem nicht reflektierenden Grund 2 (Fig. 5).

Es ist offensichtlich, daß die Entfernung, die die Achse von zwei Teilstrichen trennt, beliebig gewählt werden kann, um einen Maßstab entweder in Millimeter oder in Zoll oder in einer anderen Einheit zu erhalten.

Es sei bemerkt, daß der Kontrast dieses Metallmaßstabes der gleiche ist, wie er mit den bekannten Metallmaßstäben erhalten wird, bei denen die Striche die Form von Rillen aufweisen, jedoch war es möglich, die auf den Einfluß des Randes der Striche zurückzuführenden Fehler zu vermeiden.

An der oberen Grenze erhält man eine stetige Folge von Strichelementen auf der Oberfläche des Maßstabes, wenn zwei Teilstriche sich genügend nähern, und man erhält so ein Meßraster (Fig. 2).

An der unteren Grenze erhält man eine Teilung, gebildet durch extrem feine Striche, wenn pro Intervall nur ein einziges Strichelement vorhanden ist (Fig. 3).

Die Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform, bei welcher Teile des Maßstabes mit nebeneinander liegenden Strichelementen versehen sind, die eine Länge aufweisen, welche der Abmessung des Zwischenraumes zwischen zwei solcher Teile entspricht.

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Es ist offensichtlich, daß der Maßstab jede beliebige Form aufweisen kann, jedoch ist er vorzugsweise so gestaltet, daß er besonders maßbeständig ist. Die Wahl des verwendeten Metalles für die Herstellung dieses Maßstabes entspricht ebenfalls dem Kriterium, der Maßbeständigkeit.

Bei einer Variante können die Strichelemente voneinander durch einen Abstand getrennt sein, der höchstens gleich ist der zweifachen Breite dieser Strichelemente.

Bei allen Ausführung s form en des Maßstabes weisen die Strichelemente eine Breite und eine Tiefe auf, die so ist, daß sie im sichtbaren Licht nur durch ihr Beugungsbild unterscheidbar bzw. erkennbar sind. Dies bedeutet, daß es nicht mehr möglich ist, davon eine Struktur zu erkennen, was die Messung nicht mehr beeinflussen kann.

Die Herstellung eines derartigen Maßstabes kann durch Brennen der Strichelemente mittels eines Laserstrahlblitzes durchgeführt werden.

Die Fig. 6 ist ein elektromechanisch-optisches Schaltbild und zeigt eine Vorrichtung, die die Herstellung des beschriebenen Maßstabes durch Einbrennen der Strichelemente mit Hilfe eines Hochleistungslasers gestattet.

Die Vorrichtung oder Maschine umfaßt ein Gestell 1, das mit Gleitführungen versehen ist, welche einen bewegbaren Tisch 2 tragen, auf welchem der Maßstab 3 aufgelegt oder befestigt ist, bevor er mit der Teilung versehen ist. Dieser Tisch 2 ist mit Hilfe einer Schraube 4, die über ein Untersetzungsgetriebe 6 mit einem Motor 5 in Verbindung steht, stetig antreibbar.

Diese Vorrichtung umfaßt auch ein klassisches Interferometer, einen bewegbaren Spiegel 7, der durch einen T rieder (dreiseitige Pyramide) gebildet und durch den Tisch 2 getragen ist, einen anderen Trdeder 8, gebildet durch einen festen Spiegel, eine halbtransparente Trennplatte 9.

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eine Quelle 10 für monochromatisches Licht, beispielsweise gebildet durch einen Helium-Neon-Laser, fotoelektrische Zellen 11,-einen Signalverstärker 12, eine Stromquelle 13 für die Quelle 10 des monochromatischen Lichtes, einen Streifenzähler 14, einen Interpolator 15 sowie einen Elektronenrechner 16, der programmiert sein kann und Steuerimpulse mit ausgewählten Intervallen, beispielsweise im metrischen System, interpoliert bis auf einen Bruchteil der Wellenlänge, liefert.

Dieses Interferometer 7 bis 16 (welches beispielsweise eine durch Hewlett Packard gelieferte Anordnung sein kann) bewirkt die Auslösung der Impulse eines anderen Lasers, und zwar eines Impulslasers (beispielsweise ein Rubinlaser) mit hoher Leistung, der in bekannter Weise durch einen Laser 17 gebildet ist, welcher eine Blitzlampe, einen in der Zeichnung nicht dargestellten optischen Koppler mit Rubinstäbchen oder Neodymglas und einen optischen Resonator umfaßt.

Diese Vorrichtung umfaßt auch eine elektrische Energiequelle für den Laser 17 sowie ein elektronisches Kopplungselement 22, das die Blitze dieses Lasers durch ein durch den Rechner 16 geliefertes Steuersignal auszulösen gestattet.

Schließlich umfaßt die Vorrichtung auch eine optische Gruppe, die zwischen dem Hochleistungslaser 17 und dem Maßstab 3 vorgesehen ist, und eine Linse 19> beispielsweise eine Negativlinse, zur Vergrößerung des Strahles des Hochleistungslasers, eine Zylinderlinse 20, beispielsweise eine Konkavlinse, sowie eine Linse oder ein Objektiv 21 zum Sammeln bzw. Konzentrieren des Strahles bzw. Bündels des Lasers 17.umfaßt.

Die Anordnung 20 und 21 bildet eine astigmatische Optik. Das Bild'des Lichtpunktes erscheint nicht mehr als kleiner Kreis, sondern als ein kleiner Strich. Im Brennpunkt des Objektivs 21 ist der Airy' sehe Fleck zu einem Strich geworden, dessen Breite gleich ist dem Durchmesser des

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Airy'sehen Fleckes und dessen Länge entsprechend dem Krümmungsradius der zylindrischen Linse 20 ausgewählt werden kann.

Die Breite des Lichtstriches hängt von der numerischen Apertur des Objektivs 21 ab, was dazu zwingt, diesem einen ausreichenden Durchmesser zu geben, um einen angemessenen frontalen Abstand zuhaben.

Die Zerstreuungslinse 19 gestattet es, daß die astigmatische Sammeloptik die numerische Appertur ausreichend ausleuchtet bzw. gestattet es, die astigmatische Sammeloptik zu verwirkuchen, um eine ausreichende numerische A.pertur zu erhalten.

Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung ist folgende:

Der Metallmaßstab 3 mit einer ebenen und polierten Oberfläche verschiebt sich gleichmäßig, das am Ende des Tisches vorgesehene Interferometer unterteilt die Verschiebung in regelmäßige Intervalle und löst bei jedem programmierten Intervall einen Blitz des Hochleistungslasers aus, der die Oberfläche des Maßstabes entlang eines kleinen Striches einbrennt, den man in seiner Breite kalibrieren kann. Die Gesamtheit dieser Striche bildet die Teilung, deren Regelmäßigkeit praktisch von der Verschiebegeschwindigkeit des Tisches 2 unabhängig ist.

Patentansprüche

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Claims (10)

1. _P_a_t_e_nt_an_s_p_r_ü_c_h._e_

   • 1. yPräzisionsmaßstab aus Metall, dadurch gekennzeichnet, daß seine Teilung parallele, schmale und wenig tiefe Strichelemente umfaßt, deren Breite und Tiefe so bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht eine Verschiebung nur um ihr Beugungsbild erfahren können, bzw. nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind.
2. 2. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strichelement (2) eine Breite zwischen 0, 5 und 1, 5 LCvs\ und eine Tiefe aufweist, die kleiner oder gleich 1,5 Am ist.
3. 3. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilungseinheit ein Strichelement aufweist.
4. 4. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilungs einheit (1) oder jeder T eilungs strich eine Reihe von Strichelementen (2) aufweist, die parallel nebeneinander angeordnet sind.
5. 5. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen von Strichelementen größer als die Breite dieser Reihen (1) von Strichelementen ist.
6. 6. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen von Strichelementen kleiner als die Breite der Reihen dieser Strichelemente ist.

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7. 7. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen der Strichelemente gleich ist der Breite dieser Reihen von Strichelementen.
8. 8. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeteilte Fläche des Maßstabes eine ununterbrochene Folge von Strichelementen aufweist.
9. 9. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichelemente aneinanderstoßen.
10. 10. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 4 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichelemente durch einen Abstand getrennt sind, der höchstens der zweifachen Breite eines Strichelementes entspricht.

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    JO

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