DE970724C

DE970724C - Optical precision probe

Info

Publication number: DE970724C
Application number: DEZ5076A
Authority: DE
Inventors: Dr-Ing Kurt Raentsch
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1955-08-07
Filing date: 1955-08-07
Publication date: 1958-10-23

Description

Optischer Feintaster Die Erfindung betrifft einen optischen Feintaster zum Messen mit Interferenzerseheinungnn, bei dem die eine Reflexionsfläche eines Miehelson-Interferometers durch das Tastglied verschiebbar ist.Optical precision probe The invention relates to an optical precision probe for measuring with interference signals, in which the one reflective surface of a Miehelson interferometer is displaceable by the feeler element.

Bei einem bekannten Feintaster dieser Art wird die durch die Verschiebung der genannten Reflexicnsfiäche bewirkte Streifenauswanderung durch eine Schwingblende abgetastet. Eine photoelektrische Meßein,richtung, welche auf derart erzeugte Impulse anspricht, gibt den Meßwert an. Diese Einrichtung ist recht kompliziert, da sie einen großen mechanischen und elektrischen Aufwand erfordert.In a known fine feeler of this type, the shift the aforementioned reflective surface caused stripes to migrate through an oscillating diaphragm scanned. A photoelectric measuring device, which reacts to pulses generated in this way responds, indicates the measured value. This setup is quite complicated as it is requires a large mechanical and electrical effort.

Aufgabe der Erfindung ist es, mit einfaclleren Mitteln Meßwerte höchster Genauigkeit bei einem Feintaster zu erzielen. The object of the invention is to obtain the highest measured values with simpler means Achieve accuracy with a fine probe.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß die als Vergleichsfläche dienende Refiexionsfläche des Interferometers zur Erzielung einer Kompensationsmessung meßbar mikrometrisch verschiebbar ausgebildet wird. Zur Messung werden jetzt die erzeugten Interferenzstreifen beobachtet. According to the invention, this is achieved by using the as a comparison area used reflection surface of the interferometer to achieve a compensation measurement is designed to be measurable micrometrically displaceable. The generated interference fringes observed.

Die Vergleichsfläche wird so lange der durch das Tastglied verschobenen Fläche nachgefährt, bis die Interferenzstreifen wieder ihre Ausgangslage eingenommen haben. Am Mikrometer kann dann der Verschiebungsweg als Meßgröße abgelesen werden.As long as the comparison area is shifted by the feeler element The surface is moved until the interference fringes have returned to their original position to have. The displacement path can then be read off as a measured variable on the micrometer.

Kompensationsmessungen der beschriebenen Art sind bekannt. Sie sind jedoch bisher nicht in Verbindung mit Feintastern zu dem genannten Zweck verwendet worden. Compensation measurements of the type described are known. they are but so far not used in conjunction with fine feelers for the stated purpose been.

Die Verwendung von Interferenzerscheinungen für Längenmessungen ist auch bei einem anderen Gerät bekanntgeworden. Dieses erzeugt zunädist Interferenzstreifen bei Einlegen eines Vergleichsstückes. Gleichzeitig wird hier das Licht in sein Spektrum zerlegt. Durch Auszählen der Zahl der schwarzen Interferenzstreifen in jeder Spektralfarbe wird die Länge des Verg,leithsstückes fixiert. The use of interference phenomena for length measurements is also become known in another device. This initially generates interference fringes when inserting a comparison piece. At the same time, the light is here in its spectrum disassembled. By counting the number of black interference fringes in each spectral color the length of the connector is fixed.

Anschließend wird an dile Stelle des Vergleichsstückes das Meßstück gebraclot. Zeigen M,eßstück und Vergl eichsstück Längendifferenzen, dsnn ändert sich die Zahl der Interferenzstre,ifen in jeder Spektralfarbe. Die Zahl der schwarzen Interferenzstreifen in jeder Spektralfarbe ist deshalb zur Ermittlung der Längendifferenzen sowohl bei eingelegte Vergleichsstück als auch bei eingelegtem Meßstück zu zählen. Dieses Verfahren ist umständlich und zeitraubend und eignet sich deshalb bestenfalls für Einzelmessiingen. Im Gegensatz dazu kann durch einfache mikrometrische Nachführung der Vergleichsfläche bei dem Gerät nach unserer Erfindung in bequemer und zuverlässiger Weise die Messung durchgeführt und das Ergebnis am Mikrometer abgelesen werden. The test piece is then used in place of the comparison piece braclot. Show M, eating piece and comparison piece length differences, dsnn changes the number of interference fringes in each spectral color. The number of black Interference fringes in every spectral color is therefore used to determine the length differences to count both with inserted comparison piece and with inserted test piece. This procedure is cumbersome and time consuming and therefore works best at best for single brass. In contrast, simple micrometric tracking the comparison area in the device according to our invention in more convenient and reliable Way, the measurement can be carried out and the result read on the micrometer.

Zweckmäßig wird die Vergl eichsfläche senkrecht zur optischen Achse verschoben, und sie bildet einen Winkel mit ihrer Verschiebnnusrfchtun. The comparison surface is expediently perpendicular to the optical axis shifted, and it forms an angle with its shifting mechanism.

Zum Tlei-sntel kann sie zu diesem 7werk entlang einer Keilfläcihle verschivehbar sein. Hierdurch wird die Bewe.gunzsgröße des Mikromieters entsnrechend dem eewät}rlten Winkel in eine RewegunC der VeruleicEsfläche in Richtung der auf sie fallenden Lichtstrahlen untersetzt. Auf diese Weise ist eine sehr große Ablesegenauigkei t gewährleistet. To the part she can go to this work along a wedge surface be transferable. This makes the amount of movement of the micro tenant corresponding the eewt} rlten angle in a RewegunC the VeruleicEsfläche in the direction of the they stocky falling rays of light. In this way there is a very high level of reading accuracy t guaranteed.

Ist die durch die Keilfläche bewirkte Untersetzung z. B. 1 : IOO und zeigt das Mikrometer 1/ion mm an, so entspricht der Mikrometerdrehung um ein Intervall eineVergleichsspiegelverschiebung um t/íOOoO mm. Is the reduction caused by the wedge surface z. B. 1: 100 and if the micrometer shows 1 / ion mm, the micrometer rotation corresponds to one Interval a comparison mirror shift by t / íOOoO mm.

Das Gerät mißt also derartige Verstellbeträge des Tastgliedes ohne weiteres. The device thus measures such adjustment amounts of the feeler element without additional.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist eine der reflektierenden Flächen unterteilt, und zwar derart, daß der eine Teil bezogen auf den einfallenden Lichtstrahl eine andere Neigung als der andere Teil aufweist. Es entstehen dann Keilinterferenzen bei zwei verschiedenen Keilwinkeln. Im Gesichtsfeld sieht man deshalb entsprechend zwei Interferenzstreifenbilder, die sich durch den Abstand der Interferenzstreifen voneinander unterscheiden. In a further embodiment of the invention, one of the reflective Areas subdivided in such a way that the one part related to the incident Light beam has a different inclination than the other part. It then arise Wedge interference at two different wedge angles. You can see in the field of vision therefore accordingly two interference fringe images, which are divided by the distance of the interference fringes differ from each other.

Das eine Interferenzstreifenbild kann für eine Grobeinstellung benutzt werden und das andere für die Feineinstellung. The one interference fringe image can be used for a coarse adjustment and the other for fine tuning.

Um die Nullstreifen erkennbar zu machen, beobachtet man vorteilhaft mit weißem Licht. In diesem Fall kann man den Bereich der Erkennbarkeit der Interferenzen dadurch erhöhen, daß man in den Strahlengang ein Neophanglas geringer Absorption, das ist ein Glas mit schwachem Gehalt an Neodym und anderen seltenen Erden, schaltet. In order to make the zero stripes recognizable, it is advantageous to observe with white light. In this case one can reduce the area of detectability of the interference by placing a low-absorption neopane glass in the beam path, this is a glass with a low content of neodymium and other rare earths that switches.

Damit die Spiegel bei derart kleinen Verschiebungen nahezu trägheitslos den Verstellbewegungen zu folgen vermögen, außerdem stets parallel zu sich selbst verschoben werden, sind sie zweckmäßig an Federn befestigt, wobei die Federn die gegenüberliegenden Seiten eines Parallelogramms bilden und die Spiegel jeweils an einer der weiteren Parallelogrammseiteti befestigt sind. So that the mirrors are almost inertia with such small displacements Able to follow the adjustment movements, also always parallel to yourself are moved, they are expediently attached to springs, the springs the opposite sides of a parallelogram and the mirrors respectively one of the other parallelogram sides are attached.

Die Vergleichsfläche kann mit einer Meßuhr verbunden sein, welche die Verschiebung der Vergleichsfläche unmittelbar anzeigt. Vorteilhaft ist jedoch eine Meßspindel vorgesehen. Die Meßspindel kann als Kontaktgeber für ein elektrisches Zählwerk ausgebildet sein, so daß die Ablesung am Zählwerk erfolgt. Um ein derartiges Zählwerk nicht zu komplizieren, zählt das Zählwerk vorteilhaft nur jeden zehnten Impuls, und es ist eine Lampenreihe vorgesehen, welche die Zwischenimpulse anzeigt. The comparison surface can be connected to a dial gauge, which immediately shows the displacement of the comparison surface. However, it is advantageous a measuring spindle is provided. The measuring spindle can be used as a contactor for an electrical Be designed counter so that the reading takes place on the counter. To such a thing Not to complicate the counter, the counter counts advantageously only every tenth Pulse, and a row of lamps is provided to indicate the intermediate pulses.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeipiel der Erfindung dargestellt, und zwar zeigt Fig. I einen Schnitt durch ein Gerät nach der Erfindung, Fig. 2 eine geänderte Ausführungsform einer Meßspindel als Kontaktgeber für ein elektrisches Zählwerk, Fig. 3 das Gesichtsfeld der Vorrichtung nach Fig. I, Fig. 4 ein Schaltschema eines mit der Meßspindel nach Fig. 2 verbundenen Zählwerks. In the drawing, an exemplary embodiment of the invention is shown, namely Fig. I shows a section through a device according to the invention, Fig. 2 a modified embodiment of a measuring spindle as a contactor for an electrical Counter, FIG. 3 the field of view of the device according to FIG. I, FIG. 4 a circuit diagram a counter connected to the measuring spindle according to FIG.

In Fig. 1 ist mit I ein Tastglied bezeichnet, welches auf ein Werkstück od. dgl. aufgesetzt wird und welches sich entsprechend der Höhe des Werkstückes relativ zur gesamten Vorrichtung verschiebt. Mit dem Tastglied ist ein Spiegel 2 verhunden, welcher in einem Federparallelogramm aufgehängt ist, welches aus zwei durchbohrten Blattfedern 3, 4, einem mit dem Gehäuse fest verbundenen Körper 5, in dem die Federn 3, 4 eingespannt sind und einen beweglichen Körper 6, welcher mit dem Spiegel 2 verbunden ist, besteht. In Fig. 1, I denotes a feeler element which hits a workpiece Od. Like. Is placed and which is according to the height of the workpiece moves relative to the entire device. A mirror 2 is connected to the feeler element connected, which is suspended in a spring parallelogram, which consists of two pierced leaf springs 3, 4, a body 5 firmly connected to the housing, in which the springs 3, 4 are clamped and a movable body 6, which is connected to the mirror 2, there is.

Diese Aufhängung des Spiegels gewährleistet, daß der Spiegel 2 durch das Tastglied I stets parallel zu sich selbst verschoben wird. Über dem Spiegel 2 is!t ein Prisma 7 mit halbdurchlässiger Spiegelfläche angeordnet. Ein zweiter Spiegel 9 ist an einem durch eine Meßspindel 15 verschiebbaren Isörper IO eines weiteren Federparallelogramms so eingesetzt, daß er mit der Verschiebungsrichtung 1 1 des Körpers IO einen Winkel einschließt.This suspension of the mirror ensures that the mirror 2 through the feeler element I is always shifted parallel to itself. Above the mirror 2 is a prism 7 with a semitransparent mirror surface. A second Mirror 9 is one on an Ibody IO which can be displaced by a measuring spindle 15 further spring parallelogram used so that it corresponds to the direction of displacement 1 1 of the body IO encloses an angle.

Bei Verschiebung des Körpers 10 wird die Spiegelfläche des Spiegels g in Richtung auf das Prisma 7 parallel zu sich selbst in entsprechender Untersetzung verlegt. When the body 10 is displaced, the mirror surface of the mirror becomes g in the direction of the prism 7 parallel to itself in a corresponding reduction relocated.

Die halbdurchlässige Spiegelfläche 8 sowie die Spiegel 9 und 2 bilden ein Interferometer vom Michelsonschen Typ. Die Beleuchtung des Interferometers erfolgt durch eine Lichtquelle I6. The semitransparent mirror surface 8 and the mirrors 9 and 2 form a Michelson type interferometer. The interferometer is illuminated by a light source I6.

Zwischen Lichtquelle I6 und Prisma 7 ist ein Neophanglas 17 geringer Absorption geschaltet, um den Bereich der Erkennbarkeit der Interferenzen zu vergrößern. Der Spiegel 2 ist unterteilt, und zwar in einen Teil mit fast senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichts liegender Spiegelfläche 18 und in einen Teil mit weniger senkrecht zur Einfallsrichtung des Lichts liegender Spiegelfläche I9. Im Gesichtsfeld der Einrichtung entstehen deshalb, wie in Fig. 3 dargestellt, zwei Interferenzstreifenbilder entsprechend den verschiedenen Keilwinkeln gegenüber der Vergleichsfläche 9. Bewegt sich das Tastglied in Richtung seiner Achse, dann wandern die weit auseinanderliegenden Interferenzstreifen in Fig. 3 sehr rasch durch das Gesichtsfeld, wogegen sich die eng beieinanderliegenden. Interferenzstreifen verhältnismäßig langsam verschieben. Ver- schiebt man deshalb mittels bleßspindel I5 den Spiegel g in Richtung des Pfeiles 1 1 zum Ausgleich der optischen Weglänge, dann wandern die eng beieinanderliegenden Interferenzstreifen langsam in Richtung auf eine Nullmarke20, die weit auseinanderliegenden Interferenzstreifen dagegen sehr schnell. Haben die eng beieinanderliegenden Interferenzstreifen die Marke 20 erreicht, so erscheint im Gesichtsfeld der von zwei dunklen Strichen berandete Nullstreifen der weit auseinanderl iegenden Interferenzstreifen. Dieser kann sodann leicht auf die Marke 20 eingestellt werden. Die Verschiebung des Spiegels 2 durch das Tastglied ist damit kompensiert, und an der Meßspindel kann der Verschiebungsweg des Spiegels g abgelesen werden. Dieser Verschiebungsweg entspricht der Verstellung des Tastgliedes. Die Interferenzstreifen können durch eine Linse 34 beobachtet werden. Fig. 2 zeigt eine geänderte Ausführungsform einer Meßspindel als Kontaktgeber für ein elektrisches Zählwerk. Der Kern 21 der Meßspindel ist zu diesem Zweck elektrisch leitend ausgebildet. Im Gehäuse 22 der Meßspindel t5 sind um den Kern 2I herum Lamellen 23 angeordnet. An den Lamellen sind Leitungsdrähte 24 befestigt, und der Kern steht über einem Schleifkontakt 25 mit einer Hauptleitung 26 in Verbindung. Im Kern 21 ist federnd ein Schleifkontakt 27 eingelassen, welcher je nach Drehstellung des Kerges 21 die Verbindung der Hauptleitung 26 mit einem der Leitungsdrähte 24 herstellt.Between the light source I6 and the prism 7 there is a smaller neopane glass 17 Absorption switched in order to enlarge the area of the detectability of the interferences. The mirror 2 is divided into a part almost perpendicular to the direction of incidence of the light lying mirror surface 18 and in a part with less perpendicular to the Direction of incidence of the light lying mirror surface I9. In the field of vision of the facility therefore, as shown in FIG. 3, two interference fringe images arise accordingly the different wedge angles compared to the comparison surface 9. Does the Probe member in the direction of its axis, then the widely spaced interference fringes migrate in Fig. 3 very quickly through the field of view, whereas the closely spaced. Move the interference fringes relatively slowly. Ver pushes you therefore by means of bleßspindel I5 the mirror g in the direction of arrow 1 1 to Compensation of the optical path length, then the closely spaced interference fringes migrate slowly in the direction of a zero mark20, the widely spaced interference fringes however, very quickly. Do the closely spaced interference fringes have the When mark 20 is reached, the one bordered by two dark lines appears in the field of view Zero fringes of the widely spaced interference fringes. This can then can easily be set to mark 20. The shift of the mirror 2 by the feeler element is thus compensated, and the displacement path can be adjusted on the measuring spindle of the mirror g can be read. This displacement corresponds to the adjustment of the feeler member. The interference fringes can be observed through a lens 34. Fig. 2 shows a modified embodiment of a measuring spindle as a contactor for an electric counter. The core 21 of the measuring spindle is electrical for this purpose designed to be conductive. In the housing 22 of the measuring spindle t5 are lamellae around the core 2I 23 arranged. Lead wires 24 are attached to the fins, and the core stands in connection with a main line 26 via a sliding contact 25. At its core 21 a sliding contact 27 is resiliently embedded, which depending on the rotational position of the Kerges 21 establishes the connection of the main line 26 with one of the line wires 24.

Fig. 4 zeigt das Schaltschema eines Zählwerks mit einer Spindel nach Fig. 2. Schließt der Schleifkontakt 27 die Leitung 26 und die oberste der Lamellenleitung 24 kurz so fließt ein Strom von einem Transformator 28 einmal über eine Nulllampe 29 zum Transformator zurück und zum andern über eine Leitung 30 und einen Polwender 31 über ein Zählwerk 32. Schließt der Kontakt 27 die Leitung 26 und die zweitoberste der Lamellenleitungen 24 kurz, so fließt nur ein Strom über eine Signallampe 33 mit der Ziffer I zum Transformator zurück. Entsprechendes gilt, wenn der Schleifkontakt 27 die Leitung 26 und eine andere Lamellenleitung 24 kurzschließt. Je nachdiem, auf welche Lamelle der Schleifkontakt 27 zeigt, wird ein Strom über eine der Signallampen 33 mit der Bezifferung I bis g geleitet. Das Zählwerk 32 zählt somit nur jeden zehnten Impuls, nämlich dann. wenn der Strom über die Signallampe o geht, die Zwischenimpulse werden von den Signallampen 33 mit der Bezifferung 1 bis g angezeigt. Mit der Meßspindel I5 ist ein Polwender 3I verbunden, so daß je nach Drehrichtung der Meßspindel das Zählwerk vor- oder rückwärts geschaltet wird. Fig. 4 shows the circuit diagram of a counter with a spindle Fig. 2. If the sliding contact 27 closes the line 26 and the topmost of the lamellar line 24 briefly a current flows from a transformer 28 once via a null lamp 29 back to the transformer and to the other via a line 30 and a pole inverter 31 via a counter 32. If the contact 27 closes the line 26 and the second from the top If the lamellar lines 24 are short, only one current flows through a signal lamp 33 with the number I back to the transformer. The same applies if the sliding contact 27 short-circuits the line 26 and another lamellar line 24. Depending on the Which lamella the sliding contact 27 points to is a current through one of the signal lamps 33 with the numbering I to g. The counter 32 thus only counts every tenth Impulse, namely then. when the current goes through the signal lamp o, the intermediate pulses are indicated by the signal lamps 33 with the numbers 1 to g. With the measuring spindle A pole inverter 3I is connected to I5 so that, depending on the direction of rotation of the measuring spindle, the Counter is switched forwards or backwards.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Optical precision probe for measuring with interference phenomena in which the one reflecting surface of a Michelson interferometer is displaceable by the feeler member, characterized in that the comparison surface used reflection surface of the interferometer to achieve a compensation measurement is measurable micrometrically displaceable.

2. Optical precision sensor according to claim l, characterized in that that the comparison surface is displaceable perpendicular to the optical axis and to Achieving a reduction of the shift amount against the direction of shift schwadh is inclined.

3. Optical precision sensor according to claim 2, characterized in that that the comparison surface is displaceable along a wedge surface.

4. Optical precision sensor according to claim 3, characterized in that that the wedge surface reduces the magnitudes of motion in the ratio I.: 100.

5. Optical precision sensor according to claim I, characterized in that that the one reflective surface in two parts with different inclinations to incident light beam is divided.

6. Optical precision sensor according to claim I, characterized in that that in the beam path a neopane glass with low absorption, that is a glass with weak Content of neodymium and other rare earths, is provided.

7. Optical precision sensor according to claim I, characterized in that that the reflective surfaces are attached to springs, the springs being opposite Form sides of a parallelogram.

8. Optical precision sensor according to claim I, characterized in that that the comparison surface is connected to a dial gauge.

9. Optical precision sensor according to claim I, characterized in that that the comparison surface is shifted by a measuring spindle. lo. More optical Fine probe according to Claim 9, characterized in that the measuring spindle acts as a contactor is designed for an electrical pulse counter.

II. Optical precision sensor according to claim IO, characterized in that that the pulse counter registers every tenth pulse and the intermediate pulses can be read from a row of lamps.

Considered publications: German patent documents no. 6I7674, 8I8877, 930 589; G eh rk e: »The application of interferences in spectroscopy and Metrologiea, 1906, pp. 24, 59 and I27 to I34; Richter-v. Voss: »Components der Feinmechanik «, 6th edition, 19542 5. 382; Müller-Pouillet: »Textbook of Physics«, I909, Vol. 2, 3, pp. 768 to 770.