DE2515574B2 - Präzisionsmaßstab aus Metall - Google Patents
Präzisionsmaßstab aus MetallInfo
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Description
45
Die Erfindung betrifft einen Präzisionsmaßstab aus Metall mit auf der reflektierenden Oberfläche aufgebrachten
Teilungsstrichen.
Bekannte 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 μπι für
einen Strich beträgt, weist eine Breite von 6 bis 12 μπι
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 eines
Objektivs, mit dessen Hilfe der Strich anvisiert wird, und durch die Neigung der Beleuchtung des Meßmikroskopes
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 Glasoberfläche herzustellen. Hierbei sind die hergestellten
Striche praktisch zweidimensional, da ihre Dicke vernachlässigbar ist und im allgemeinen unterhalb eines
μπι 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 ergeben, um sie sichtbar zu machen.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, einen Präzisionsmaßstab aus Metall zu schaffen, der die vorerwähnten
Nachteile nicht aufweist und dessen "Jeilungsstriche
gegenüber dem Untergrund einen ausreichenden Kontrast aufweisen und durch ein Objektiv gut anvisiert
werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß jeder Teilungsstrich des Maßstabs durch eine
Anzahl nebeneinander angeordneter paralleler Strichelemente gebildet ist, deren Breite und Tiefe so
bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind, so daß beim Betrachten
des Maßstabs die Gesamtanordnung der Strichelemente einen nicht-reflektierenden Teilungsstrich auf einem
reflektierenden Untergrund bildet
Die so gebildeten Teilungsstriche umfassen Strichelemente, deren Abmessungen so gering sind, daß sie nicht
entgratet und nachpoliert werden müssen. Dies stellt eine Einsparung bei der Herstellung der Präzisionsmaßstäbe
dar. Da ein Nachpolieren vermieden ist, weisen die Ränder der Strichelemente keine Abrundungen auf,
sondern sind vielmehr absolut scharfkantig und sauber und für das optische System, mit dem sie anvisiert
werden, gleichgestellt mit denjenigen Strichelementen, die praktisch zweidimensional sind, also keine Tiefe
aufweisen, woraus sich ergibt, daß die Lage nicht mehr von der numerischen Apertur der Objektive und der
Neigung der Beleuchtung abhängt. Der technische Fortschritt führt also zu einer größeren Wirtschaftlichkeit
bei der Herstellung der Maßstäbe und einer Verbesserung der Präzision beim Anvisieren der
Teilungsstriche.
Die Zeichnung zeigt in schematischer Weise mehrere Ausführungsbeispiele eines Präzisionsmaßstabes aus
Metall gemäß der Erfindung. In der Zeichnung zeigt
F i g. 1 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes einer ersten Ausführungsform;
F i g. 2 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der mit einem Strichraster versehen ist;
F i g. 3 einen Schnitt durch einen Teil eines Maßstabes, der nur Strichelemente als Teilung umfaßt;
F i g. 4 und 5 einen Teil eines Maßstabes, bei dem sich glatte Flächen mit solchen Flächen abwechseln, die
aneinanderstoßende Strichelemente umfassen; und
Fig.6 eine Prinzipskizze einer Vorrichtung zur Herstellung des Maßstabes.
Der in F i g. 1 dargestellte Maßstab umfaßt Teilungsstriche 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 Strichelemeriten aufweisen,
um die Breite der Teilungsstriche 1 zu erhalten.
Daher kann ein Teilungsstrich irgendeine Anzahl, beispielsweise acht oder zehn, Strichelemente 2 Seite an
Seite umfassen, wobei jedes Strichelement eine Breite in der Größenordnung von 1 μπι und eine Tiefe aufweisen,
die ungefähr zweimal geringer ist ι"
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 geringen 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 Teilungsstriches und seine Lage nicht mehr von der numerischen Apertur
des Objektivs und der Achsneigung der Beleuchtung abhängen. Außerdem werden mit dem Auflösungsvermögen
der häufig verwendeten Objektive die Strichelemente für sich gesehen nicht wahrgenommen, sondern
nur als eine Gesamtanordnung oder Gruppe, die einen nicht reflektierenden Teilungsstrich auf einem reflektierenden
Hintergrund bildet.
Wenn man die Anzahl der Strichelemente pro Teilungsintervall bis auf beispielsweise 992 oder 990
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 Γ auf einem nicht
reflektierenden Grund 2 (F i g. 5).
Es ist offensichtlich, daß die Entfernung, die die Achse
von zwei Teilungsstrichen 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 Strichelemenlen auf der Oberfläche des Maßstabes,
wenn zwei Teilungsstriche sich genügend nähern, und man erhält so ein Meßraster (F i g. 2). so
An der unteren Grenze erhält man eine Teilung, gebildet durch extrem feine Striche, wenn pro Intervall
nur ein einziges Strichelement vorhanden ist (F i g. 3).
Die F i g. 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.
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 Ausführungsformen 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 F i g. 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.
Die Vorrichtung umfaßt ein klassisches Interferometer, einen beweglichen Spiegel 7, der durch einen
Trieder (dreiseitige Pyramide) gebildet und vom Tisch 2 getragen ist, einen zweiten feststehenden Trieder 8, eine
halbtransparente Trennplatte 9, eine Lichtquelle 10 für monochromatisches Licht, beispielsweise gebildet durch
einen Helium-Neon-Laser, fotoelektrische Zellen 11, einen Signalverstärker 12, eine Stromquelle 13 für die
Lichtquelle 10 des monochromatischen Lichtes, einen Streifenzähler 14, einen Interpolartor 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.
Die Vorrichtung umfaßt auch eine elektrische Energiequelle für den Impuls-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'sche Fleck zu
einem Strich geworden, dessen Breite gleich ist dem Durchmesser des Airy'schen Fleckes und dessen Länge
entsprechend dem Krümmungsradius der zylindrischen Linse 20 ausgewählt werden kann.
Die Breite des Lichtstriches hängt von der numeri-
sehen Apertur des Objektivs 21 ab, was dazu zwingt, diesem einen ausreichenden Durchmesser zu geben, um
einen angemessenen frontalen Abstand zu haben.
Die Zerstreuungslinse 19 gestattet es, daß die astigmatische Sammeloptik die numerische Apertur
ausreichend ausleuchtet bzw. gestattet es, die astigmatische Sammeloptik zu verwirklichen, um eine ausreichende
numerische Apertur zu erhalten.
Die Funktionsweise der beschriebenen Vorrichtung gemäß F i g. 6 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 17 aus, der die Oberfläche des
Maßstabes 3 entlang eines kleinen Striches einbrennt, den man in seiner Breite kalibrieren kann. Die
Gesamtheit dieser Striche bildet die Maßstab-Teilung, deren Regelmäßigkeit praktisch von der Verschiebege-
schwindigkeit des Tisches 2 unabhängig ist.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen
Claims (8)
1. Präzisionsmaßstab aus Metall mit auf der reflektierenden Oberfläche aufgebrachten Teilungsstrichen dadurch gekennzeichnet, daß
jeder Teilungsstrich (1) des Maßstabs durch eine Anzahl nebeneinander angeordneter paralleler
Strichelemente (2) gebildet ist, deren Breite und Tiefe so bemessen sind, daß sie im sichtbaren Licht
nur durch ihr Beugungsbild erkennbar sind, so daß ίο beim Betrachten des Maßstabs die Gesamtanordnung
der Strichelemente (2) einen nicht-reflektierenden Teilungsstrich (1) auf einem reflektierenden
Untergrund bildet
2. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strichelement (2) eine
Breite zwischen 0,5 und 1,5 μπι und eine Tiefe aufweist, die kleiner oder gleich 1,5 μπι ist
3. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede TeiJungseinheit
(1) ein Strichelement (2) aufweist.
4. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den
Reihen (1) von Strichelementen (2) größer als die Breite dieser Reihen (1) von Strichelementen ist.
5. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den
Reihen (1) von Strichelementen (2) kleiner als die Breite dieser Reihen (1) von Strichelementen ist.
6. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den
Reihen (1) von Strichelementen (2) gleich ist der Breite dieser Reihen (1) von Strichelementen.
7. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die eingeteilte Fläche des
Maßstabes eine ununterbrochene Folge von Strichelementen (2) aufweist.
8. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichelemente (2) durch
einen Abstand getrennt sind, der höchstens der *o zweifachen Breite eines Strichelementes entspricht.
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