Optische Tiefenanzeigevorrichtung
Diese Erfindung betrifft eine optische Tiefenanzeigevorrichtung.
Die vorliegende Erfindung bezweckt die Schaffung einer Tiefenanzeigevorrichtung, welche mit dem Objekt nicht in Berührung kommt. Es ist bereits eine optische Tiefenanzeigevorrichtung bekannt, welcher aus einem auf Gleitbahnen gelagerten Mikroskop besteht, wobei der Lagenunterschied des Mikroskops nach erfolgtem Fokussieren auf zwei Bestimmungsflächen den Lagenunterschied dieser beiden Flächen mit einer Genauigkeit angibt, die durch den vorderen Fokalbereich oder durch die Tiefenschärfe des Mikroskops begrenzt ist.
Bei einem Mikroskop mit einem Objekt von 8, 5 mm Brennweite undeinem Okular von 25, 4mm Brennweite kann die totale Tiefenschärfe die Grössenordnung 0, 0127 mm aufweisen, wenn die numerische Offnung des Objektivs ungefähr 0, 5 ist.
Mit anderen Worten, die mit dieser Methode erzielbare Genauigkeit beträgt nicht mehr als ungefähr 0, 0127 mm, was für viele Zwecke nicht genügt. Wenn zur Erzielung eines grösseren numerischen Offnungs- wertes ein Objektiv mit kürzerer Brennweite benutzt und dadurch die Tiefenschärfe verringert wird, dann wird auch die vordere Brennweite beträchtlich verringert und die Nützlichkeit des Bestimmungsverfah- rens dadurch begrenzt.
Gemäss vorliegender Erfindung besitzt die optische Tiefenanzeigevorrichtung ein Objektiv mit Einstellein- richtung, Mittel, um zwei getrennte, vom Prüfling ausgehende, die Randzone des Objektivs beaufschlagende Strahlenbündel zu erzeugen, eine hinter dem Objektiv angeordnete, die Strahlenbündel vereinigende Optik, die zwecks Scharfstellung der beiden bei erfolgter Scharfstellung sich überlagernden Zwischenbilder zusammen mit dem Objektiv verschiebbar ist, ein Okular zur Betrachtung der Zwischenbilder und letztens einen als Bezugspunkt dienenden Anschlag und Mittel zum Messen des Abstandes des Objektivträgers von diesem Anschlag.
In der beiliegenden Zeichnung ist eine beispiels- weise Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes dargestellt. Es zeigt :
Fig. 1 einen Längsschnitt durch die wesentlichen optischen Teile der genannten Vorrichtung,
Fig. 2 eine Seitenansicht der vollständigen Vorrichtung,
Fig. 3 eine Stirnansicht der Vorrichtung.
Die in den Fig. I bis 3 gezeigte Vorrichtung weist ein Objektiv 11 (Fig. 1) auf, das aus einer dicken konkav-konvexen Linse besteht, welche mit ihrer konkaven Seite dem zu beobachtenden Arbeitsstück 12 zugewandt ist. Die Linse 11 ist rings um den Rand ihrer Rückenfläche bei 13 und auch in der Mitte ihrer Vorderfläcbe 14 versilbert. Vor der Linse 11 befindet sich eine Meniskuslinse 15, deren Zweck darin besteht, sicherzustellen, dass der vom Objekt 12 kommende Lichtstrahl annähernd rechtwinklig zur Linsenoberfläche eintritt.
Das Licht vom Objekt 12 gelangt durch die Stirnfläche der Linse 11 rings um den versilberten Teil 14 und wird von dem versilberten hinteren Kreis- ring 13 des Objektivs auf den versilberten Teil 14 zurückgeworfen und gelangt von da längs der beiden Linien 16, 17 durch die Rückseite der Linse. Wenn nur zwei einzelne Teile der Linse 11 versilbert sind, würde das längs den Linien 16, 17 verlaufende Licht ohne weitere Filterung zwei deutliche Strahlenbündiel bilden, falls jedoch die ganze Randzone der Linse versilbert ist, muss eine nur zwei Öffnungen für die beiden Strahlenbündel aufweisende Abschirmung'hin- ter dem Objektiv angeordnet werden.
Die Abschir mung könnte beispielsweise auf die Rückseite der kleinen Linse 18 gemalt sein, welche in Berüh- rung mit der Rückseite der Linse 11 angeordnet ist, um sicherzustellen, dass die Lichtstrahlenbündel im rechten Winkel zur-Oberfläche des Objektivs austreten.
--Die Linse 11 ist mittels eines Schraubringes 20 in einer Lagerung 19 befestigt und hinter der letzteren in der Bahn der Strahlenbündel 16, 17 befindet sich ein Prisma 21 mit vorderen und hinteren Flä- chen, die sich rechtwinklig zu den Strahlenbündeln 16, 17 erstrecken, und mit an beiden Enden vorgesehenen Schrägflächen 22, 23, von denen sich die eine Schräg- fläche in der Bahn des Strahles 16 und die andere in der Bahn des Strahles 17 befindet. Vor der in der Bahn des Strahles 17 liegenden Schrägfläche 23 befindet sich ein kleines, dreieckiges Prisma 24, wodurch der von der Fläche 22 zunickgeworfene Strahl 16 in die Bahn des Strahles 17 gelenkt wird, dem er überlagert wird.
Die das Objektiv 11 tragende Lagevorrichtung 19 ist am Ende eines Mikroskoprohres 25 befestigt, welches eine schräge Verlängerung 27 trägt, an der ein Okular 28 angebracht ist. Nach dem Prisma 21 gelangt das Licht durch eine Kollimationslinse 26, die im Rohr 25 sitzt, und von da durch ein Reflexionsprisma 29 in der Verlängerung 27 zum Okular, das mit einem Fokussierungsgewinde 30 versehen ist.
Wenn die Prismenflächen 22, 23 parallel sind und die hinter dem Objektiv angeordnete Linse 26 passende Brennweite aufweist, dann werden beim Fokussieren der Bilder der beiden Lichtstrahlen diese beiden Bilder ersichtlicherweise zusammenfallen und dem Beobachter als ein einziges Bild erscheinen, falls jedoch die Linse 11 auch nu, ein wenig ausser Fokus ist, werden zwei Bilder erscheinen. Der Punkt, in welchem die Bilder zusammenfallen, kann mit grö- sserer Genauigkeit bestimmt werden als der Punkt, bei welchem genauer Fokus erzielt wird, und dadurch können in der Tat die Flächen des Arbeitsstückes bei einem Objektiv mit einer numerischen Öffnung 0, 5 mit einer Genauigkeit bestimmt werden, die unter 0, 0025 mm liegt.
Die Formel für den vorderen Fokusbereich eines gew¯hnlichen Mikroskops ist annÏhernd die folgende: @B@2
Vorderer Fokusbereich = @ + @ @ (N. O.) 2 VM2 worin : 2 = Wellenlänge des verwendeten Lichtes, ge wöhnlich 0, 000559 mm, Bo = Brennweite des zum Beobachten des Bfldes benutzten Okulars, M = Vergrösserung des Objektivs, V = Minimalabstand des Okularbildes vom
Okular, N. Ö. = Numerischer Öffnungswert des Objektivs.
Es ist zu ersehen, dass die obige Formel zwei Glieder enthält, von denen das zweite vom verwendeten Okular abhängt. Die beschriebene Messvorrichtung beseitigt das zweite Glied und reduziert das erste Glied ungefähr zur Hälfte, wodurch die Messgenauigkeit beträchtlich erhöht wird.
Es kann gezeigt werden, dass, ganz gleich, ob die beiden Flächen des Prismas 21, das zur Reflexion des ersten Lichtstrahles 16 vom Objektiv benutzt wird, parallel zueinander verlaufen oder ob sie unter einem geringen Winkel stehen, die Bilder der beiden zum Zusammenfallen gebracht werden können, was ein wesentlicher Punkt ist, da das Prisma natürlich von kleinem Ausmass ist, und zwar mit Bezug auf Länge nicht grösser als der ursprüngliche Trennungsabstand der beiden Strahlen.
Die in Fig. 1 dargestellte optische Einheit ist in einem in den Fig. 2 und 3 gezeigten Ständer untergebracht, welcher einen auf Horizontierschrauben 32, 33 gelagerten Grundteil 31 aufweist und hinten eine Säule 34 besitzt, welche eine Gleitbahn 35 (Fig. 3) und eine Zahnstange 36 zum Betätigen eines Schlittens 37 besitzt. Das Rohr 25 der optischen Einrichtung ist in einer am Schlitten 37 vorgesehenen Klammer 38 mittels einer Klemmschraube 39 festgehalten. Der Schlitten kann durch am Zahnstangen- teil 36 arbeitende Grobeinstellknöpfe 40 gehoben oder gesenkt, ferner mittels eines Feineinstellknopfes 41 justiert und durch einen Klemmknopf 42 in seiner Lage festgehalten werden.
Das Arbeitsstück 12 ist auf einem Tisch mit einem, zur Aufnahme desselben dienenden, oberen Schlitten 43 untergebracht, welcher im Hauptteil 44 des Tisches mittels Kugellaufschienen 45 befestigt ist und in seiner Lage durch eine Schraube 46 eingestellt werden kann, die gegen das eine Ende des Schlittens 43 anliegt. Der Schlitten wird durch eine Feder 47 gegen die Schraube gezogen, welche am einen Ende an einem Stift 48 am Tisch 44 und am andern Ende an einem Haken 49 eines auf dem Schlitten 43 gelagerten Armes 50 befestigt ist.
Der Tisch 44 ist in ähnlicher Weise auf Kugellaufschienen 51 gelagert und wird durch eine Schraube 52 betätigt, welche am einen Ende des Tischschlittens angreift und gegen welche der Tisch durch eine, in Fig. 2 in Stirnansicht dargestellte Feder 53 gezogen wird, die am einen Ende an einem Stift 54 in der Grundplatte und am anderen Ende an einem Stift 55 befestigt ist, welcher horizontal von der Seite des Tisches 44 abragt. Das Arbeitsstück 12 kann somit auf jede gewünschte Lage unter dem im Gehäuse 19 befindlichen Objektiv eingestellt werden.
Da die relativen Höhenlagen der nach aufwärts gerichteten Teile des Arbeitsstückes 12 gemessen werden sollen, ist das Vorhandensein eines gewissen Normalpunktes erforderlich, von dem aus gemessen werden soll ; das obere Ende der Säule 34 trägt daher einen Stützarm 55, in welchem ein Fühlhebelanzeiger 56 eingeklemmt ist, von dem ein gleitbarer Fühler 57 nach unten ragt. Der Schlitten 37 besitzt einen nach aufwärts abragenden Messkontakt 58 in Ausrichtung mit dem Fühler 57, gegen welchen der Messkontakt 58 normalerweise anliegt.
Beim Gebrauch wird das Arbeitsstück auf den Tisch 44 unter das Objektiv 11 gelegt, dann wird der Schlitten 37 bedient, um die obere Oberfläche des Arbeitsstückes 12 in Fokus zu bringen. Vorläufige Einstellungen zum Herstellen eines annähernden Fokus, wobei die Teile 57, 58 einander berühren, kön- nen bewirkt werden, um sicherzustellen, dass der Fühlhebelanzeiger 56 eine genau in der Mitte seiner Skala angezeigte Ablesung gibt, sobald ein Arbeits- stück 12 normale Dimensionen aufweist.
Hernach können Anderungen in den Dimensionen der Arbeitsstücke ermittelt werden, indem nacheinander die neuen Arbeitsstücke auf den Tisch gebracht und die Abweichungen von der Normalgrösse so notiert werden, wie sie der Fülhlhebelanzeiger angibt, wenn die Einrichtung der Reihe nach auf jedes einzelne Ar beitsstück fokussiert wird.
Die beschriebene Vorrichtung gleicht im Prinzip einem Entfernungsmesser, aber, da ein einziges Objektiv verwendet wird, lässt sich die Schwierigkeit vermeiden, welche beim Herstellen eines Entfernungsmessers mit zwei enganeinander genickten Objektiven von den erforderlichen winzigen Dimen sionen auftreten würde.
Die beschriebene Tiefanzeigevorrichtung kann auf jede Art von Mikroskop-Objektiv angewandt werden, kann aber am besten in Verbindung mit einem Objektiv benutzt werden, welches eine dicke konkav-kon- vexe Linse besitzt, deren konkave Seite dem zu besichtigenden Objekt zugerichtet ist und welche an ihrer hinteren Randzone sowie in der Mitte ihrer Vorder- fläche versilbert ist. Ein solches, an sich bekanntes Spiegelobjektiv kann in einem grösseren Abstand vom zu untersuchenden Objekt, das heisst von der zu bestimmenden Oberfläche angeordnet werden als ein einfaches durchsichtiges Linsenobjektiv, was bei einer Tiefenanzeigevorrichtung von Vorteil ist. Spiegelobjektive der oben beschriebenen Art können einen Arbeitsabstand von bis zu fast das Doppelte der Brennweite des Objektivs haben.