DE2515574C3

DE2515574C3 - PräzisionsmaBstab aus Metall

Info

Publication number: DE2515574C3
Application number: DE19752515574
Authority: DE
Inventors: Pierre Genf Robert (Schweiz)
Original assignee: GENEVOISE D'INSTRUMENTS DE PHYSIQUE GENF (SCHWEIZ) Ste
Current assignee: GENEVOISE D'INSTRUMENTS DE PHYSIQUE GENF (SCHWEIZ) Ste
Priority date: 1974-04-10
Filing date: 1975-04-10
Publication date: 1979-03-01
Also published as: FR2267538A1; CH579260A5; GB1505540A; DE2515574B2; FR2267538B1; DE2515574A1

Description

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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, fei und zwar eine Länge, eine Breite und eine Tiefe

Il 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

if auf und stellt vom Gesichtspunkt der Verwendung her ή

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

[■.ι 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 verschiede-ι nen 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 aligemeinen 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 Teilungsstriche 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 Strichclcmente, deren Abmessungen so gering sind, daß sie nicht entgratet und nachpoliert werden müssen. Dies stellt eine Einsparung bei der Herstellung der Präzisionsmaßsläbe dar. Da ein Nachpolieren vermieden ist, weisen die Ränder der Stricheiemente 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;

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;
, 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 Fi 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 Strichelemeiiten 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 ο

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 '5 Strichelernentes aufgrund der geringen Abmessung kein nachweisbarer Materialaufwurf oder feiner Grat, der ein Nachpolieren notwendig machen würde. Da dieses Nachpolieren vermieden ist, weisen die T.änder der Sirichelemente 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 x> 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 3"> 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. ⁴"

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 zurückzufüh- ^4S renders Fehler zu vermeiden.

An der oberen Grenze erhält man eine stetige Folge von Strichelemenven auf der Oberfläche des Maßstabes, wenn zwei Teilungsstriche 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 (F i g. 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.

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 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.

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 -^t Rubinstäbchen oder Neodymglas und einen op...sehen 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 Hochleistungilaser 17 und dem Maßstab 3 vorgesehen ist, und eine Linse 19, beispielsweise eine Negativlinse *ur 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 eineiii 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 hängi von der numen-

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 gemäf? F i g. 6 ist folgende:

Der Metallmaßstab 3 mit einer ebenen und polierten

Oberfläche verseniebt sich gleichmäßig, das am K.ide des Tisches vorgesehene Interferometer unterteilt die Verschiebung in regelmäßige Intervalle und löst bei jet' in programmierten Intervall einen Blitz de:. Hochleistungslasers 17 au;,, 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 Verschiebegeschwindigkeit dci Tisches 2 unabhängig ist.

Hierzu 3 Blatt zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

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 '° 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 '5 gekennzeichnet, daß jedes Strichelement (2) eine Breite zwischen 0,5 und 1,5 μηι und eine Tiefe aufweist, die kleiner oder gleich 1,5 μπι ist

3. Präzisionsmaßstab nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Teilungseinheit (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 J" gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den Reihen (1) von Strichelementen (2) gleich ist der Breite dieser Reihen (I) 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 «> zweifachen Breite eines Strichelementes entspricht.