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Fokussierungsverfahren zur optisch berührungslosen Langenmessung
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und Vorrichtung zur Crchfürune des Verfahrens Die Erfindung betrifft
ein Fokussierungsverfahren zur optisch berührungslosen Längenmessung, bei dem ein
Lichtbündel auf der Oberjektoberfläche fokussiert wird und das zllrückgestreute
Licht auf eine durch eine Blendenöffnung bestimmte Fläche fokussiert und die Beleuchtungsstärke
in dieser Fläche ermittelt wird, wobei durch Änderung der optischen Weglänge eine
Verlagerung des der Objektoberfläche zugeordneten Brennpunktes und damit eine Veränderung
der ermittelten Lichtintensität erreicht wird, und wobei eine zur Änderung der optischen
Weglänge vorgenommene Wegänderung zur Bestimmung des Abstands zur Objektoberfläche
verwendet wird.
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Bei einem bekannten Folcussierlmgsmeßverfahren der genannten Art (A
New Method of Contour Measurement by Gas Lasers, S.Ando, I. Taniguchi, T. Miyazawa,
K. Okada, IEEE Journål of Quantum Electronics, Vol.QE-3, Nr. 11, November 1967,
Fig. 2) wird das von einem Laser gelieferte parallele Licht über einenhalbdurchlässigen
Spiegel und eine Objektivlinse auf der abzutastenden Objektoberfläche fokussiert.
Das von der Objektoberfläche zurückgestreute Licht wird über die auch als Empfangsoptik
dienende
Objektivlinse auf den halbdurchlässigen Spiegel geworfen und von diesem aus dem
Beleuchtungsstrahl ausgekoppelt. Über ein zweites Linsensystem wird das ausgekoppelte
Licht auf eine Blendenöffnung fokussiert, hinter der ein Fotoempfänger angebracht
ist. Ändert man den Abstand der anzutastenden Oberfläche gegenüber dem primären
Brennpunkt, beispielsweise indem man einen Prüfkörper, dessen Oberflächenabmessungen
aufgezeichnet werden sollen, an der Meß'vorrichtung entlang bewegt, so verschiebt
sich die Ebene der maximalen Beleuchtungsstärke gegenüber der Ebene der Blendenöffnung
infolge einer Veränderung der optischen Weglänge. Bei der bekannten Vorrichtung
ist die Blende an einer schwingenden Stimmgabel angebracht.An dem hinter der Blende
angeordneten Fotoempfänger erhält man dadurch ein Wechselspannungssignal mit einer
wegproportionalen Phasenverschiebung gegenüber der schwingenden Blende. über die
esbungi der Phasenverschiebung kann die Abstandsänderung der anzutastenden Oberfläche
gegenüber dem Primärbrennpunkt bestimmt werden.
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Um einen ausreichenden Meßoereich zu erhalten, sind bei der bekannten
Vorrichtung die Beleuchtungs-und Empfangsoptik mit dem halbdurchlässigen Spiegel
sowie die die Blende tragende Stimmgabel mit ihrer Antriebseinrichtung auf einem
verschiebbaren Schlitten angeordnet, der über eine Mikrometerschraube in Richtung
auf die Objektoberfläche und von dieser weg verschiebbar ist.
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Aus der Phasenlage des vom Fotoempfänger gelieferten Signals zu einem
die Schwingbewegung der Blende wiedergebenden Signal wird in der Auswerteschaltung
ermittelt, in welcher Richtung der Schlitten verschoben werden muß, um den Brennpunkt
auf der Objektoberfläche zu fokussieren.
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Wenn aus der Phasenverschiebung dieser beiden' Signale erkennbar ist,
daß sich der Brennpunkt genau auf der Objektoberfläche befindet, d. h. beispielsweise
wenn die Phasenverschiebung zwischen dem Signalmaximum am Fotoempfänger
und
dem Nulldurchgang der schwingenden Blende Null ist, kann die Relativlage des auf
dem Schlitten angeordneten optischen Systems zu dem angetasteten Punlct der Objektoberfläche
aus der Weganzeige der Mikrometerschraube bestimmt und gegebenenfalls aufgezeichnet
werden.
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Die EinsatzmögliclReiten dieses bekannten Verfahrens, das für ein
Kopiertastsystem entwickelt wurde, sind durch den verhältnismäßig komplizierten
Aufbau der Meßvorrichtung beschränkt. Schwierigkeiten entstehen insbesondere dadurch,
daß der größte Teil der Vorrichtung auf dem bewegbaren Schlitten angeordnet werden
muß und daß die Abtastgeschwindigkeit für eine auszumessende Oberfläche durch die
erreichbare Nachführgeschwindigkeit der Schlittenbewegung begrenzt ist.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren der eingangs genannten
Art so auszugestalten, daß bei einfachem Aufbau der Meßvorrichtung, die insbesondere
nur wenige und einfach bewegbare Teile aufweisen soll, eine auch bei einem größeren
Meßbereich genaue Messung auch von sich rasch ändernden Abständen möglich ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Änderung
der optischen Weglänge durch eine zyklische Bewegung eines im Strahlengang liegenden
optischen Elements erfolgt, und daß der Augenblickswert eines dem Weg des optischen
Elements entsprechenden Signals im Zeitpunkt der maximalen Beleuchtungsstärke auf
der Objektoberfläche einen dem Abstand zur Objektoberfläche entsprechenden Wert
liefert.
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Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren wird erreicht, daß nur noch ein
einziges optisches Element der gesamten Vorrichtung bewegt werden muß. Die Bewegung
dieses optischen Elements ist keine Nachlaufbewegung, sondern eine Schwingvorgang
um eine ortsfest bleibende Mittellage. Dieser Schwingvorgang des optischen Elements
läßt sich in einfacher
Weise mit sehr hoher Frequenz durchführen,
so daß man eine sehr hohe Anzahl von Meßpunkten pro Zeiteinheit erhält. Dadurch
ist es wiederum möglich, die abzutastende Oberfläche sehr schnell an der Meßstelle
vorbeizuführen, ohne daß die erhaltene Meßkurve, die ein Schnittbild der abgetasteten
Oberfläche darstellen soll, in unzulässiger Weise vergröbert würde.
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Da die Messung des Abstands zur angetasteten Objektoberfläche jeweils
im Augenblick der maximalen Beleuchtungsstärke erfolgt, d. h. wenn das Lichtbündel
genau auf der Objektoberfläche fokussiert ist, hat eine etwaige Nichtlinearität
des Ausgangssignals des Fotoempfängers in Abhängigkeit vom Abstand zur Objektoberflriche
keinen Einfluß auf das Meßèbrgebnis.
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Gegenüber anderen optisch berührungslosen Längenmeßverfahren, beispielsweise
dem Granulationsmeßverfahren (Th. Stöferle, F. Ertl, K.H. Failing, Kohärent-optische
Längenmeßverfahren, Werkstatt und Betrieb 109 (1976) 11, S. 635 - 644) hat das erfindungsgemäße
Fokussierungsverfahren den Vorteil, daß die Größe der Antastfläche im gesamten Meßbereich
konstant ist. Die Antastfläche ist sehr klein und die Meßfrequenz kann sehr hoch
gewählt werden.
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Ohne die Notwendigkeit, Stellglieder mit großer Zeitkonstante zu regeln,
erhält man einen großen Meßbereich: Das Bauvolumen der Meßvorrichtung läßt sich
sehr klein halten. Der Meßbereich und die Meßunsicherheit Können sehr einfach durch
die Wahl zes Objektivs beeinflußt werden. Da nur das Auftreten der maximalen Beleuchtungsstärke
für die Messung entscheidend ist, bestimmt der Brennpunktdurchmesser die Antastfläche.
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Die Erfindung betrifft weiter eine Vorrichtung zur Durchführung des
Verfahrens. Vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand
von Unteransprüchen.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Ausführungsbeispielen näher erläutert,
die in der Zeichnung dargestellt sind.
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Es zeigt in vereinfachter Darstellungsweise: Fig. 1 eine erfindungsgemäße
Meßvorrichtung, wobei die zugehörige Schaltung im Blockschaltbild gezeigt ist, wobei
das der Objektoberfläche zugekehrte Objektiv zu einer Schwingbewegung angetrieben
wird, Fig. 2 eine abgewandelte Ausführungsform, bei der eine noch hinter der Objektivlinse
liegende Linse zu einer Schwingbewegung angetrieben wird, Fig. 3 eine Ausführungsform,
bei der sich die Blende sowohl im Beleuchtungs- wie auch im Auswertestrahlengang
befindet, Fig. !! eine Ausführungsform, bei der die zu Schwingbewegungen angeregte
Linse an einer Membran angebracht i t, Fig. 5 eine Ausführungsform mit einem mehrere
Linsen tragenden Rotor, Pig. 6 eine Ausführungsform mit einer Linse, die durch ein
piezoelektrisches Bauelement in Schwingbewegungen versetzt wird, Fig. 7 eine Ausführungsform,
bei der die Objektivlinse durch eine Fresnel-Zonenplatte ersetzt ist, Fig. 8 eine
Ausführungsform, bei der ein Schwingspiegel zur Veränderung der optischen Weglänge
verwendet wird, Fig. 9 einen Schnitt längs der Linie .X-IX in Fig. 8 und Fig.10
einen Schnitt längs der Linie X-X in Fig. 9.
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Bei der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung wird das von einer Lichtquelle
1, beispielsweise einem Laser, erzeugte, parallele Licht durch einen halbdurchlässigen
Spiegel 2, der als Strahlenteiler wirkt, auf eine Linse 3 geworfen, die das Licht
auf einer Objektoberfläche 4 fokussiert, die in der durch einen Pfeil angedeuteten
Weise an der Meßeinrichtung vorbeibewegt wird.
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Die Linse 3 wird durch einen Schwingantrieb 5 , dem Antriebsenergie
zugeführt wird, wie mit einem Pfeil angedeutet ist,
zu einer Schwingbewegung
in Richtung der optischen Achse des Systems angetrieben. Dazu ist die Linse 3 beispielsweise
in einem Tubus 6 längsbeweglich aufgenommen. Die schwingende Linse 3 erzeugt auf
der Objektoberfläche 4 einen Lichtfleck mit sich periodisch ändernder Ausdehnung.Dieser
Lichtfleck wird wiederum durch die zu Schwingbewegungen angetriebene Linse 3 auf
den halbdurchlässigen Spiegel 2 geworfen und von diesem aus dem Beleuchtungsstrahlengang
auf eine Kollimatorlinse 7 ausgeblendet, die den Lichtfleck auf der Öffnung einer
Blende 8 abbildet.
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Hinter der Blende 8 befindet sich ein Fotoempfänger 9, dessen Ausgangssignal
über einen Verstärker 10 einem Maximumdetelctor 11 zugefürirt wird. Wenn der von
der Linse 3 erzeugte Brennpunkt genau auf der Oberfläche 4 liegt, be-Sit2t der Lichtfleck
seine minimale Ausdehnung und sei Bild wird vollständig in der Öffnung der Blende
8 abgebildet. In diesem Augenblick tritt ein Maximum der vom Fotoempfängcr 9 gemessenen
Beleuchtungsstärke auf, das von dem Maximumdetektor 11 erfaßt wird, der ein Signal
an einen Speicher 12 liefert.
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Die schwingende Linse 3 bzw. das die Linse 3 aufnehmende bewegliche
Bauteil ist mit einem Wegaufnehmer 13 verbunden, der ein der jeweiligen Linsenposition
entsprechendes Signal an den Speicher 12 liefert. Der Speicher 12 speichert die
Linsenposition im Augenblick des Beleuchtungsstärkemaximums, das von dem Fotoaufnehmer
9 gemessen wird, und gibt diese Werte an eine Anzeige- und/oder Aufzcichnungsvorrichtung
14, die beispielsweise ein aus zahlreichen gemessenen Punkten zusammengesetztes
Bild der Objektoberfläche 4 aufzeichnet, vorzugsweise in Abhängigkeit vom Weg des
abgetasteten Werkstücks od. dgl.
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Zusammengefaßt ldßt sich das beschriebene Meßverfahren so darstellen:
Durch einen optischen Modulator (beispielsweise die bewegliche Linse 3) wird ein
in Meßrichtung und im Meßbereich sich hin- und herbewegender Brennpunkt erzeugt.
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Die die Lage des Brennpunkts kennzeichnende Ausgangsgröße des optischen
Modulators (im beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel die Augenblickspostion der Linse
3) wird ermittelt.
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Diese Ausgangsgröße entspricht zu dem Zeitpunkt, in dem der Brennpunkt
genau auf der Objektoberflache liegt, dem Abstand dieser Objektoberfläche 4 von
einer ortsfesten Bezugsebene. Dieser Zeitpunkt wird durch Beobachtung der Strahlung,
die von der Oberfläche 4 reflektiert oder zurückgestreut wird und durch die Blendenöffnung
läuft, erfaßt.
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Das in Fig. 2 gezeigte Ausführungsbeispiel unterLsheidet sich von
dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 nur dadurch, daß der sbhwingenden Linse 3 ein
Objektiv 15 vorgeschaltet ist, das den von der Linke 3 erzeugten Brennpunkt auf
der Objektoberfläche 4 abbildet. Durch geeignete Wahl der Brennweite des Objektivs
15 ist eine Anpassung des heßbereicht an die Meßaufgabe oder eine Anpassung der
Meßunsicherheit an die Meßaufgabe möglich, wobei die Meßunsicherheit mit kleiner
werdendem Meßbereich ebenfalls abnimmt.
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Fig. 2a zeigt, daß das in iig. 2 dargestellte Objektiv 15 auch durch
eine Lichtleitfaser 16 ersetzt werden kann, die als sogenannte Gradientenfaser ausgeführt
ist, d. h. einen sich über den Durchmesser der Lichtleitfaser kontinuierlich ändernden
Brechungsindexverlauf hat.Bei Verwendung dieser Gradientenfaser 16 kann die abzutastende
Oberfläche 4 entweder unmittelbar vor dem Ende der Lichtleitfaser 16 angeordnet
werden, wie in Fig. 2a mit strichpunktierter Linie dargestellt, oder das Objektiv
15 kann zwischen der Lichtleitfaser 16 und der abzutastenden Oberfläche 4 angeordnet
werden, wie in Fig. 2a mit ausgezogenen Linien dargestellt. In jedem Fall kann bei
Verwendung einer Gradientenfaser 16 die gesamte Meßvorrichtung örtlich getrennt
vom Meßort angebracht werden. Diese Ausführungsform ist besonders vorteilhaft bei
stark eingegrenzten räumlichen Verhältnissen am Meßort oder bei Meßbedingungen,
die eine Auswertun.g in der Meßvorrichtung
stören würden, wie
Wärme, Erschütterungen od. dgl.
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Vorteilhaft ist diese Anordnung auch, wenn die Wärmeentwicklung der
Lichtquelle 1 den Meßvorgang stören würde, so daß man bestrebt ist, die Lichtquellc
1 in möglichst großer Entfernung vom Meßort anzuordnen.
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Das in Fig. 3 dargestellte Ausftihrungsbeispiel unterscheidet sich
von dem beschriebenen Beispiel nach Fig. 1 nur dadurch, daß die Blende 8 sowohl
im Beleuchtungsstrahlengang als auch im reflektierten Strahlengang liegt. Die Blende
8 dient dabei einerseits zur Verringerung des Brennfleckdurchmessers, da sie eine
Punktlichtquelle mit kleiner Ausdehnung bildet; andererseits dient die Blende 8
gleichzeitig als Blende für den Fotoempfänger 9 zur Detektion aes Beleuchtungsstarlcemaximums.Eine
vor der Blende 8 liegende Linse 17 dient zur Fokussierung des Lichts aus der Licht
quelle 1 auf die Blendençffrung. Eine der Blende 8 nachgeordnete Linse 18 richtet
das aus der Öffnung der Blende 8 kommende Licht wieder parallel auf die bewegbare
Linse 3.
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Bei Anwendung eines Lasers als Lichtquelle 1 kann die Öffnung der
Blende 8 einen Durchmesser von wenigen Tausendstel Millimeter haben, da sich das
Laserlicht aufgrund seiner hohen Parallelität sehr gut fokussieren läßt, eo daß
genügend Licht durch die Blendenöffnung gelangt. Die Linse 18 wird bei Anwendung
eines Lasers so angeordnet, daß eine Strahlaufweitung entsteht, da der Brennpunktdurchmesser
auf der Objektoberfläche 4 mit großer werdendem Durchmesser des aus der Linse 18
austretenden parallelen Strahlenbündels kleiner wird.
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Die beschriebene Möglichkeit , einen besonders kleinen Durchmesser
der Öffnung der Blende 8 zu wählen, ist vorteilhaft, weil bei kleinerer Blendenöffnung
das Maximum schärfer und damit die optische Auf lösung höher wird.
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Bei dieser Ausführungsform kann die Blende 8 auch durch eine (nicht
dargestellte) Lichtleitfaser ersetzt werden,
die als Stufenindexfaser
oder Gradiontenfaser ausgeführt sein kann. Man erhält dadurch eine raumliche Trennung
des größten Teils der Bauteile der Meßeinrichtung vom Meßort.
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Auch bei der in Fig. 3 beschriebenen Anordnung der Blende 8 kann der
bewegbaren Linse 3 noch ein Objektiv vorgeschaltet werden und/oder es kann eine
Gradienten-Lichtleitfaser verwendet werden, um eine räumliche Trennung des Meßorts
von der Meßvorrichtung zu erreichen, wie dies im Zusammenhang mit den Ausführungsbeispielen
nach Fig. 2 und 2 a beschrieben wurde.
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Gegenüber der Ausführung nach Fig. 3 ist beim Beispiel nach Fi !t
ein abgewandelter Schwingantrieb f;ir die Linse 3 gewählt. Die Linse 3 wird durch
eine Membran 19 gefil.t, die beispielsweise rund oder rechteckig sein kann und die
alq Einfach oder Mehrfachmembran ausgeführt sein kann. Der S-,hwingantrieb erfolgt
beim dargestellten Beispiel durch einen Topfmagnet 20, in den eine Spule 21 taucht,
die mit der Membran 19 verbunden ist. Fiir diesen Schwingantrieb nach dem Lautsprecherprinzip
wird eine von einem Oszillator 22 gelieferte Antriebs spannung der Spule 21 zugeführt.
Der Oszillator 22 ist dabei zugleich der Wegaufnehmer, weil seine Antriebsspannung
zugleich ein Wegsignal bildet, das dom Speicher 12 zugeftihrt wird.
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statt des beschriebenen Schwingantriebs nach dem Lautsprecherprinzip
kann der Antrieb der Membran auch über Piezoelemente, pneumatisch, hydraulisch oder
in anderer Weise erfolgen.
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In Abwandlung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 4 zeigt die Fig.
5 eine weitere Möglichkeit für den Bewegungsantrieb der Linse 3. Hierbei sind mehrere
Linsen 3 an einem durch einen Drehantrieb 23 angetriebenen Rotor 24 derart angebracht,
daß die Linsen 3 bei der durch einen Pfeil angedeuteten Rotordrehung nacheinander
in den tangential
zum Rotor 24 verlaufenden Strahlengang gebracht
werden. Der Rotor 24 ist mit einem Winkelaufnehmer 25 verbunden, der ein der jeweiligen
Winkelstellung des Rotors 24 proportionales Signal an den Speicher 12 liefert.
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Die Messung erfolgt in dem Bereich, in dem der Strahlengang tangential
zum Drehkreis der Mittelpunkte der Linsen 3 verläuft. Ein seitlicher Versatz des
Linsenmittelpunktes ist bei kleinem Meßdrehwinkel vernachlässigbar; bei großem Meßdrehwinlcel
kann der seitliche Versatz durch Überlagerung auf die Bewegung der Objektoberfläche
4 kompensiert werden.
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ber Antrieb des Rotors 24 kann durch einen Elektromotor oder einen
Elektroschwinger, pneumatisch, hydraulisch oder in anderer Weise erfolgen. Bei einem
Drehschwingantrieb wird nur eine einzige Linse 3 verwendet, bei einem Drehantrieb
vorzugsweise mehrere Linsen 3.
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Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 6, das im übrigen der Ausführung
nach Fig. 4 entspricht, wird die Linse 3 durch ein bimorphes Piezo-Biegeeiement
26 geführt und bewegt.
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Der die Antriebsenergie für das Biegeelement 26 liefernde Oszillator
wirkt zugleich als Wegaufnehmer und liefert ein Wegsignal an den Speicher 12.
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In Abwandlung des Beispiels nach Fig. 4 ist bei der Ausführung nach
Fig. 7 statt der Linse 3 eine dehnbare Fresnel-Zonenplatte 27- verweiidet, die durch
ihren zentrisch-kreisförmigen Gitteraufbau wie eine Linse wirkt.
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Die Fresnel-Zonenplafte 27 ist an ihrem Umfang mit einem kreisringförmigen
Anker 28 verbunden, der durch einen ringförmigen Pol 29 eines elektromagnetischen
Schwingantriebs 30 zyklisch radial nach außen verformbar ist.
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Dadurch erfolgt eine radiale Dehnung der Fresnel-Zonenplatte, die
zu einer Änderung der Brennweite der Fresnel-Zonenplatte 27 führt. Diese Änderung
entspricht ebenfalls einer Änderung der optischen Weglänge. Zur Verringerung der
Steifigkeit kann der Anker 28 mehrfach in Längsrichtung geschlitzt sein.
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Bei der Ausführung nach den Fig. 8 - 10 fällt das von der Lichtquelle
1 gelieferte Licht von der Linse 18 über eine weitere Linse 31 auf einen Schwingspiegel
32, der von dem Oszillator 22 zu Schwingbewegungen angetrieben wird. Vom Schwingspiegel
32 fällt das Licht auf einen Hohlspiegel 33 und nach doppelter Reflektion wieder
auf den Schwingspiegel 32 zurück, der das Licht gegebenenfalls nach teiterer Umlenlcung
auf eine ortsfeste Objektivlinse 34 wirft, die das Licht auf der Objektoberfläche
4 fokussiert. Hierbei verändert der Schwingspiegel 32 durch seine Bewegung den optischen
Weg zwischen der Lichtquelle und der Objektoberfläche, wodurch ebenfalls eine Verschiebung
des Brennpunkts auftritt. Wie in Fig. 9 angedeutet, wird der in den sphärischen
IIohlspiegel 33 einfallende Strahl parallel zu sicll selbst versetzt reflekticrt.
Die Drehpunlctkoordina tfon des Schwingspiegels, der Abstand der Spiegeloberfläche
des Schwingspiegels vom Drehpunkt und der Ausgangswinkel des Schwingspiegels im
Ruhezustand werden dabei so gewählt, daß sich'alle vom Schwingspiegel reflektierten
Strahlen unabhangig vom Drehwinkel in einem Punkt schneiden oder in einen Punkt
verlängert werden könnc:z (für kleine Drehwinkel) . Der sphärische Hohlspie gel
33 liegt mit seinem Mittelpunkt in diesem Schnittpunkt. so daß der einfallende Strahl
unabhängig vom Drehwinkel des Sc'1lwenlcspiegels 32 parallel zu sich versetzt reflektiert
wird. Dadurch erhält man eine Veränderung der optischen Weglänge ohne einen seitlichen
Versatz und mit hoher Frequenz, weil die Drehmassen des Schwenkspiegels 32 sehr
klein sind.
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Das erfiiidungsgemäße Verfahren und die danach arbeitenden Vorrichtungen,
von denen Ausfüilrungsbeispiele beschrieben wurden, sind besonders geeignet zur
Ausführung schneller Formmessungen, d. h. die Form eines schnell an der ortsfest
angeordneten Meßvorrichtungvorbeigeführten Werkstücks Icann mit hoher Genauigkeit
erfaßt und aufgezeichnet werden. Eine andere Anwendungsmöglic}skeit besteht in der
automatischen
Auswertung von Vickers- oder Brinell-Eindrücken durch zeilenweises Abtasten der
Eindrücke und rechnerische Auswertung der Meßergebnisse zur schnellen und einfachen
Ermittlung von Härteverläufen von Werkstückoberflächen.
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