Messgerät mit optischen und lichtelektrischen Mitteln
Die Erfindung betrifft ein Gerät mit optischen und lichtelektrischen Mitteln zur Feinstmessung von Lageänderungen eines nahen Gegenstandes durch Einwirkung des von einem Leuchtfleck der Oberfläche dieses Gegenstandes ausgestrahlten Lichtes auf eine lichtelektrische Einrichtung, z. B. ein System von Photozellen.
Geräte dieser Art, bei denen der Leuchtfleck auf der Oberfläche des Messgegenstandes in der Regel durch Abbildung einer besonderen Lichtquelle erzeugt wird und die dem Zwecke dienen, die subjektive Messung durch die objektive Messung zu ersetzen, sind dazu verwendet worden, die Lage eines Gegenstandes, auf dem sich die Striche einer Teilung befinden, bzw. die Lage der Striche einer Teilung selbst zu messen.
Die Erfindung hat zum Ziele, ein solches Messgerät für das Messen von Längenänderungen nutzbar zu machen. Zu diesem Zwecke wird im bildseitigen Strahlengang eines Linsensystems zum Abbilden des Leuchtflecks ein System von Blenden solcher Anordnung und Ausbildung vorgesehen, dass bei Veränderungen im Strahlengang durch Lageänderungen des Leuchtflecks in Richtung der optischen Achse des Linsensystems in der lichtelektrischen Einrichtung Spannungsänderungen auftreten, die ein Mass für die Lageänderung sind.
Ein derart ausgebildetes Gerät, durch das, wie bei den nach dem pneumatischen Verfahren arbeitenden Einrichtungen, das Messen kleinster Längenunterschiede ermöglicht wird, erlaubt Messungen an Werkstücken während ihrer Bearbeitung. Beispielsweise lassen sich so Durchmesseränderungen von Wellen, Kugeln oder Bohrungen feststellen, auch Blechdicken änderungen usw.
In Fig. 1 bis 6 der Zeichnung sind in schematischer Darstellung sechs verschiedene Ausführungsbeispiele von optischen Systemen einer erfindungsgemässen Messeinrichtung veranschaulicht.
Das System nach Fig. 1 ist für Messungen an einem selbstleuchtenden Messgegenstand 1 bestimmt.
Es enthält ein Objektiv 2, das einen im Abstand a vor ihm liegenden Leuchtfleck Bt der Oberfläche des Messgegenstandes in eine Ebene B: abbildet. Am bildseitigen Strahlengang des Objektivs 2 ist ein halbdurchlässiger Spiegel 3 angeordnet, der den Strahlengang in zwei Teile zerlegt. Die Strahlen des einen Teils werden einer Photozelle 4, die des anderen Teils einer Photozelle 5 zugeleitet. In den beiden Strah- lengangteilen sind Blenden 6 und 7 vorgesehen, die vor der Bildebene B1, bzw. vor einer zu Bs'in bezug auf den Spiegel 3 spiegelbildlich liegenden Ebene B" angeordnet- sind und deren Grösse so bemessen ist, dass auf die beiden Photozellen bei einem bestimmten Wert des Abstandes a Lichtströme von gleicher Grösse einwirken.
Zwischen Messgegenstand 1 und Objektiv 2 ist ein Kompensator angeordnet, der zwei eine planparallele Platte bildende Glaskeile 8 und 9 enthält, von denen der erstere senkrecht zur optischen Achse X-X des Objektivs 2 verschieblich ist, zu dem Zwecke, die Dicke der planparallelen Platte verändern zu können und dadurch Gleichheit der auf die beiden Photozellen 4 und 5 einwirkenden Lichtströme herstellen zu können, falls der Abstand a sich um Geringes ändert.
Das System nach Fig. 2 ist, wie alle übrigen zu beschreibenden Systeme für Messungen an einem Gegenstand bestimmt, dessen Oberfläche nicht selbstleuchtend ist, sondern auf der ein für die Messung zu benutzender Leuchtfleck B1 erst erzeugt werden muss. Zu diesem Zweck ist im abbildenden Strahlengang des Objektivs 2 ein halbdurchlässiger Spiegel 10 angeordnet, mittels dessen die von einer punktförmigen Lichtquelle 11 kommenden Lichtstrahlen dem Objektiv 2 zugeführt werden. Im übrigen unterscheidet sich das System nach Fig. 2 von dem nach Fig. 1 nur dadurch, dass der Kompensator hinter dem Objektiv 2 angebracht ist und aus einer axial verschieblichen Negativlinse 12 besteht.
Das System nach Fig. 3 unterscheidet sich von dem nach Fig. 2 nur dadurch, dass der halbdurchlässige Spiegel 3 und die Blenden 6 und 7 durch einen voll versilberten Spiegel 13 von solcher Lage und Grösse ersetzt sind, dass er sowohl der Teilung des Strahlengangs dient, als auch dafür sorgt, dass auf die beiden Photozellen 4 und 5 bei einem bestimmten Wert des Abstandes a des Leuchtflecks Bl von dem Objektiv 2 Lichtströme gleicher Grösse einwirken.
In dem System nach Fig. 4 liegen die halbdurchlässigen Spiegel 3 und 10 nicht, wie in Fig. 2, im konvergenten, sondern im parallelen Strahlengang.
Zu diesem Zweck werden die zur Erzeugung des Leuchtflecks B, dienenden, von der punktförmigen Lichtquelle 11 ausgehenden Strahlen, nachdem sie durch einen Kondensor 14 und eine Leuchtfeldblende 15 hindurchgegangen sind, einem vor dem Spiegel 10 liegenden Objektiv 16 zugeführt. Sie verlassen dieses Objektiv achsenparallel und treffen nach der Reflexion an dem Spiegel 10 achsenparallel auf ein zweites Objektiv 17. In der Brennebene dieses Objektivs erzeugen sie auf der Oberfläche des Messgegenstandes 1 den Leuchtfleck Bl. Im umgekehrten Verlauf werden die von dem Leuchtfleck kommenden Strahlen durch das Objektiv 17 achsenparallel gerichtet. Der durch den halbdurchlässigen Spiegel 3 hindurchgegangene Strahlenteil wird durch ein Objektiv 18 so gebrochen, dass in der Brennebene Bs dieses Objektivs ein Bild des Leuchtflecks entsteht.
Der durch den Spiegel 3 reflektierte Strahlenteil trifft auf ein dem Objektiv 18 gleiches Objektiv 19, in dessen Brennebene B1,, ein zweites Bild des Leuchtflecks Bj entsteht. Die Photozellen 4 und 5 sowie die Blenden 6 und 7 sind entsprechend den oben beschriebenen Systemen angeordnet. Als Kompensator dient wie bei dem System nach Fig. 1 ein zwischen dem Messgegenstand und dem den Leuchtfleck abbildenden Objektiv 17 angeordnetes Keilsystem 8, 9.
Das System nach Fig. 5 entspricht einem Messgerät mit nur einer Photozelle 20. Es unterscheidet sich von dem System nach Fig. 3 in folgendem. Hinter dem Objektiv 2 ist als Kompensator statt einer Negativlinse ein Keilsystem 8, 9 angeordnet. Der voll versilberte Spiegel 13 ist gegen die optische Achse des Objektivs 2 unter einem Winkel geneigt, der kleiner als 456 ist, so dass sich die Bildebenen Bs und B" unter einem Winkel schneiden, der grösser als 909 ist.
Ein voll versilberter Ringspiegel 21, der gegen die optische Achse des Objektivs 2 unter einem Winkel geneigt ist, der grösser als 45O ist, verhindert, dass ein Bild des Leuchtflecks Bl in der Bildebene B1, des Objektivs 2 zustandekommt und bewirkt das Entstehen eines Bildes in der Bildebene B,": die mit der Bildebene Bs'einen Winkel einschliesst, der kleiner als 90O ist. Sämtliche Bildebenen haben miteinander und mit den spiegelnden Flächen der Spiegel 13 und 21 ein und dieselbe Schnittgerade.
Das von diesen Spiegeln reflektierte Licht trifft auf eine mit (nicht gezeichneten) Radialschlitzen versehene, rotierende Scheibe 22, deren Schlitze die Lichtzufuhr zu der Photozelle 20 so regeln, dass die Photozelle nacheinander von den Strahlen getroffen wird, die der eine und der andere der beiden Spiegel reflektiert.
Das System nach Fig. 6 gehört zu einem Messgerät, bei dem eine fortwährende Schwingbewegung des Leuchtfleckbildes relativ zu der Blende 23 in der Richtung der optischen Achse des Objektivs 2 dadurch erzeugt wird, dass von einem hinter dem Objektiv angeordneten Glaskeilsystem, das nach Art des Kompensators 8, 9 zwei Keile 24 und 25 enthält, von denen der eine, 25, senkrecht zur optischen Achse des Objektivs 2 bewegbar angeordnet ist und durch eine nur durch ihre Umrisse angedeutete Einrichtung 26 in dieser Bewegungsrichtung hin und her bewegt wird, die eine fortwährende Anderung der Dicke der durch die beiden Keile 24 und 25 gebildeten Planparallelplatte und damit jene fortwährende schwingende Relativbewegung des Leuchtfleckbildes gegenüber der Blende 23 zur Folge hat. Dieses System erfordert nur eine einzige Photozelle 27.
Der Kompensator ist zwischen dem Messgegenstand 1 und dem Objektiv 2 angeordnet. Die Anordnung zur Erzeugung des Leuchtflecks ist die gleiche wie beispielsweise bei dem System nach Fig. 2. Die von einer punktförmigen Lichtquelle 11 kommenden Strahlen werden dem Objektiv 2 mittels eines halbdurchlässigen Spiegels 10 zugeführt.