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Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Daten an
Körpern mit gekrümmter Oberfläche Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine
Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Daten an Körpern mit gekrümmter Oberfläche,
bei dem die Oberfläche an zwei Meßstellen je mit Hilfe eines mindestens annähernd
parallelstrahligen Lichtbündes streifend beleuchtet und damit ein jeder Meßstelle
zugeordnetes, mikroskopisch zu betrachtendes Interferenzstreifensystem erzeugt,
der Abstand eines Interferenzstreifens des einen Systems vom entsprechenden Interferenzstreifen
des anderen Systems gemessen und der so erhaltene Meßwert mit einer rechnerisch
ermittelten Verbesserung versehen wird.
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Es ist bereits ein derartiges Verfahren zur Bestimmung von Durchmessern
bekanntgeworden, bei dem zur streifenden Beleuchtung zwei zueinander parallele und
zur optischen Achse des Meßmikroskops annähernd parallele Lichtstrahlenbündel verwendet
werden. Das Meßmikroskop wird unter Verwendung besonderer mechanischer Hilfsmittel
auf die Ebene des zu bestimmenden Durchmessers fokussiert, durch relative Einstellung
von Meßmikroskop und Körper parallel zum Durchmesser wird der Abstand der zu beiden
Seiten des Körpers erzeugten Interferenzstreifen gleicher Ordnung gemessen, und
durch Anbringung einer von den Krümmungsradien der Flächenelemente an den Meßstellen,
von der Streifenordnung und von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängigen
Verbesserung wird der Abstand der Meßstellen voneinander erhalten.
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Infolge einiger schwerwiegender Mängel ist dieses Verfahren jedoch
kaum zur Anwendung gelangt. Die Genauigkeit einer Durchmesserbestimmung nach diesem
Verfahren ist in hohem Grade abhängig von der Fokussierung des Meßmikroskops auf
die Ebene des zu bestimmenden Durchmessers. Der Schärfentiefenbereich des Meßmikroskops
und die Lagerung des Körpers sind in der Regel die Ursachen für geringe Fokussierfehler,
die jedoch selbst, insbesondere bei kleineren Durchmessern, erhebliche Durchmesserfeh-1er
hervorrufen, so daß die an sich durch. die Verwendung von Interferenzstreifen mögliche
Präzisionsmessung von vornherein in Frage gestellt ist. Außerdem setzt die Berechnung
der am gemessenen Wert vorzunehmenden Verbesserung die genäherte Kenntnis der Krümmungsradien
bzw. des zu bestimmenden Durchmessers voraus. Abgesehen davon, daß es nicht immer
einfach ist, die Krümmungsradien zu bestimmen, ist die relative Genauigkeit des
genähert bekannten Durchmessers mit kleiner werdendem Durchmesser so gering, daß
die berechnete Verbesserung schließlich die gesamte Messung unbrauchbar werden läßt.
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Ziel der vorliegenden Erfindung ist daher ein Verfahren zur Bestimmung
von Durchmessern und darüber hinaus von Profilhöhen, Sehnen und Winkeln an Körpern
mit gekrümmter Oberfläche, das die empfindlich genaue Abhängigkeit von der Fokussierung
des Meßmikroskops und von dem Durchmesser des Körpers ausschließt.
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Erfindungsgemäß wird das dadurch erreicht, daß die zur Messung verwendeten
Lichtstrahlenbündel so gerichtet werden, daß sie miteinander konvergieren und daß
das Meßmikroskop auf denjenigen Interferenzstreifen eingestellt wird, der durch
oberlage rung des an der Meßstelle reflektierten mit dem direkt von der Lichtquelle
herkommenden Teillichtstrahlenbündel im endlichen Bereich entsteht.
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Zum Zwecke der Einstellung wird das Meßmikroskop in Richtung seiner
optischen Achse kontinuierlich verschoben (fokussiert), bis die in seiner Okularbildebene
erscheinenden, sich bewegenden Interferenzstreifen zur Ruhe kommen. Diese im folgenden
als Umkehrpunkt bezeichnete Stelle ist sehr genau einstellbar und ermöglicht die
Fokussierung und die Kontrolle der Fokussierung des Meßmikroskops ohne jegliche
mechanische Hilfsmittel wie Fokussierlehre od. dgl. Zwischen den zu beiden Seiten
des Körpers zu seiner Vermessung in der eben beschriebenen Weise vorzunehmenden
Einstellungen findet eine Änderung der relativen Lage von Körper und Meßmikroskop
statt. Der Betrag dieser Anderung wird mit einer Feinmeßvorrichtung gemessen und
mit einer Verbesserung versehen, die von dem Neigungswinkel jedes Lichtstrahienbündels
gegenüber der optischen Achse des Meßmikroskops, der Streifenordnung und der Wellenlänge
des verwendeten Lichtes abhängt. Die Verbesserung ist also vom zu vermessenden
Körper
unabhängig und kann durch geeignete Wahl der Lichtart, der Streifenordnung und des
Neigungswinkels für alle Messungen und jeden Körper die gleiche sein.
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Für das Verhalten der Interferenzstreifen im Umkehrpunkt oder in
der Nähe des Umkehrpunktes ist das Größenverhältnis des Winkels zwischen Meßmikroskop-
und Lichtstrahlenbündelachse zum Aperturwinkel des Meßmikroskops maßgebend. Ist
der Winkel zwischen Meßmikroskop- und Lichtstrahlenbündelachse kleiner als der Aperturwinkel,
so erfährt die Bewegung der im Gesichtsfeld des Meßmikroskops sichtbaren Interferenzstreifen
beim kontinuierlichen Fokussieren eine Richtungsumkehr. Sind beide Winkel gleich,
so kommen die Interferenzstreifen zum Stillstand, um beim weiteren Fokussieren schnell
unsichtbar zu werden. Ist der Winkel zwischen Meßmikroskop- und Lichtstrahlenbündelachse
größer als der Aperturwinkel, ist weder eine Richtungsumkehr der Bewegung noch ein
Anhalten der Interferenzstreifen zu beobachten. Die günstigsten Meßbedingungen ergeben
sich, wenn der Winkel zwischen Meßmikroskop- und Lichtstrahlenbündelachse das 0,5-bis
9fache des Aperturwinkels beträgt, weil dann auch der Kontrast der Interferenzstreifen
am größten ist.
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Wie eingehende theoretische und praktische Untersuchungen gezeigt
haben, ermöglicht darüber hinaus die Verwendung von schräg zur optischen Achse des
Meßmikroskops einfallenden Lichtstrahlenbündeln unter sonst gleichen Bedingungen
die Abbildung der Interferenzstreifen mit größerer Apertur als bei Verwendung von
zur optischen Achse des Meßmikroskops parallelen oder annähernd parallelen Lichtstrahlenbündeln.
Dadurch ist es möglich, die Mikroskopvergrößerung zu erhöhen und damit die Meßgenauigkeit
zu steigern. Ferner ergibt sich infolge der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
im Meßmikroskop ein völlig symmetrischer Abbildungsstrahlengang, wodurch die volle
Ausnutzung der Apertur des Meßmikroskopobjektivs und hinsichtlich der Abbildungsgüte
günstige Bedingungen ermöglicht werden.
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Bei der Bestimmung von Durchmessern und Sehnen ist es von Vorteil,
wenn die auffallenden Lichtstrahlenbündel miteinander konvergieren und die Halbierende
des Konvergenzwinkels wenigstens annähernd zur optischen Achse des Meßmikroskops
verläuft.
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Zur Durchführung des Verfahrens kann jede an sich bekannte Feinmeßvorrichtung
benutzt werden, die ein Meßmikroskop zur Betrachtung des Körpers und der in seiner
Nähe auftretenden Interferenzerscheinungen, eine Einrichtung zur meßbaren Veränderung
der gegenseitigen Lage von Meßmikroskop und Körper und eine Beleuchtungseinrichtung
enthält, sofern nur die optische Achse der dem Meßmikroskop zugeordneten Beleuchtungseinrichtung
gegenüber der optischen Achse des Meßmikroskops um vorgegebene Beträge verstellbar
ist. Die Verstellbarkeit der optischen Achse der Beleuchtungseinrichtung kann dadurch
gewährleistet sein, daß entweder die gesamte Beleuchtungseinrichtung schwenkbar
oder aber ein in der Brennebene eines Kollimatorobjektivs vorgesehener Spalt quer
zu seiner Längserstreckung verschiebbar angeordnet ist.
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Soll das Gerät auch zur Messung von Winkeln benutzt werden, ist es
vom Vorteil, wenn das Mikro-
skop mit einem an sich bekannten Winkelmeßokular ausgestattet
ist.
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Zur näheren Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung dienen die
Fig. 1 bis 3 der Zeichnung.
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Dabei wird an Hand der F i g. 1 eine Erklärung des Meßprinzips gegeben;
Fig.2 zeigt eine Vorrichtung zur Durchmesserbestimmung nach dem erfindungsgemäßen
Verfahren im Längsschnitt; F i g. 3 stellt eine Beleuchtungseinrichtung in dem ihre
optische Achse enthaltenden Längsschnitt dar.
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In F i g. 1 ist mit z ein Querschnitt eines Zylinders bezeichnet,
der einmal mit einem kohärenten Lichtbüschel 1,, ' und zum anderen mit einem kohärenten
Lichtbüschel 12, 12' streifend so beleuchtet wird, daß ein Teil ll' bzw. I2' der
Lichtstrahlen am Zylinder reflektiert wird, während ein anderer Teil 1, bzw. l2
der Lichtstrahlen am Zylinder vorbeigeht.
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Beide Lichtbüschel 1l, It' und 12, 12' liegen in der Schnittebene
des Zylinders. Die Teilstrahlenbüschel li und 1t' bzw. 12 und 12' kommen in einem
Punkt Uj bzw. U2 zum Schnitt und wegen der Kohärenz der Teilstrahlenbüschel zur
Interferenz. Die Punkte Ut und U2 gehören zwei parabelähnlichen Kurven kr und k2
an, die Spuren zweier räumlicher Flächen mit der Zeichenebene darstellen und die
von den Schnittpunkten der Teilstrahlenbüschel gebildet werden, in denen ungestörter
und reflektierter Strahl mit gleicher Phasendifferenz interferieren. Sind die Einfallswinkel
der an den Enden des zu bestimmenden Durchmessers einfallenden Lichtstrahlenbüschels
gegenüber der optischen Achse X-X eines Meßmikroskops mit dem Objektiv 0 entgegengesetzt
gleich, so schneiden sich beide Kurvenk, und k2 auf einem zu dem zu bestimmenden
Durchmesser senkrecht stehenden Zylinderdurchmesser. Erfolgt die Reflexion der Teilstrahlenbüschel
l,' und 12' an den Enden des Durchmessers d, so sind Ul und U2 die Umkehrpunkte
der Kurven gleicher Phasendifferenz in Richtung des zu bestimmenden Durchmessers.
Der Abstand a der Punkte U, und U2 ist größer als der Zylinderdurchmesser d.
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Zur Bestimmung des Durchmessers ist daher der Abstand mit einer stets
negativen Verbesserungn zu versehen, die sich berechnet zu n = k . #/v , Das in
F i g. 2 dargestellte Gerät besitzt eine Tischplatte 11, die auf vier Füßen 12 ruht
und mit einer Schlittenführung 13 ausgestattet ist. In dieser Schlittenführung ist
ein Schlitten 14 mit Hilfe einer Spindel 15 und eines auf der Spindel befestigten
Handrades 16 verschiebbar. Auf dem Schlitten 14 sind zwei Meßmikroskope 17 und 18
mit Muffen 19 und 20 so befestigt, daß sie durch zwei Bohrungen 21 und 22 im Schlitten
14 und einen Längsschlitz 23 der Tischplatte 11 nach unten ragen und ihre optischen
Achsen rechtwinklig zur Verschiebungsrichtung dieses Schlittens stehen. Das in Richtung
seiner optischen Achse verschiebbare Meßmikroskop 17 ist mit einem Winkelmeßokular
24 mit in bekannter Weise drehbarem Fadenkreuz und das Winkelmeßmikroskop 18 mit
einem Okularschraubenmikrometer 25 ausgestattet, das einen in der Verschiebungsrichtung
des Schlittens 14 verschiebbaren Doppelfaden aufweist. An den vier Füßen 12 ist
eine stufenförmig ausgebildete Zwischenplatte 26 befestigt. Der höher
gelegene
Teil dieser Zwischenplatte trägt einen an seiner Oberfläche mit einer Teilung versehenen
Glasmaßstab27, während der tiefer gelegene Teil zur Aufnahme der Prüflinge, beispielsweise
eines gestrichelt angegebenen Zylinders 28, mit zwei Lagerbökken 29 ausgestattet
ist, in denen spitz auslaufende Bolzen 30 mittels Schrauben31 festgeklemmt sind.
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Die Achsen der Bolzen30, die durch die Verbindungslinie ihrer Spitzen
dargestellt wird, liegt rechtwinklig zur Verschiebungsrichtung des Schlittens 14
und zur Achse des Meßmikroskops 17. Im tiefer gelegenen Teil der Zwischenplatte
26 ist ein Schlitz 32 vorgesehen, der parallel zum Schlitz 23 verläuft. Die untere
Seite dieses Teils der Zwischenplatte trägt eine Schlittenführung 33, in welcher
ein Schlitten 34 mittels des Handrades 35 über eine Spindel 36 parallel zur Verschiebungsrichtung
des Schlittens 14 verschiebbar ist. Das Handrad 35 ist ein Teil einer Skalentrommel
37, die in einem Gehäuse 38 drehbar ist und zur Anzeige der Verschiebung des Schlittens
34 dient. Der Schlitten 34 hat einen parallel zum Schlitz 32 verlaufenden Schlitz
39, durch welchen das Gehäuse 40 eines Kollimators hindurchragt, dessen optische
Achse mit der des Meßmikroskops 17 im endlichen Bereich konvergiert. Der Kollimator
ist in zwei am Schlitten 34 befestigten Lagerböcken 41 in der Verschiebungsrichtung
dieses Schlittens schwenkbar gelagert. Ein mit dem Kollimator fest verbundener Zeiger
42 zeigt an einer Skala 43, die sich an einem der Lagerböcke 41 befindet, die Schwenkungen
des Kollimators an. Im Inneren des Gehäuses 40 sind eine Glühlampe 44 und eine mit
einem feinen Spalt versehene Blende 45 untergebracht (Fig. 3).
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Der Spalt ist parallel zur Verbindungslinie der Spitzen der beiden
Bolzen 30 und liegt in der Brennebene des Kollimatorobjektivs 46.
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Beim Gebrauch des Gerätes ist die Glühlampe 44 durch Anschluß an
einen Stromkreis zum Leuchten zu bringen. Der Kollimator sendet dann ein annähernd
paralleles Lichtbündel nach oben. Er ist durch Verschiebung und Schwenkung so einzustellen,
daß das von ihm ausgesandte Lichtbündel einseitig streifend auf den Zylinder 28
auffällt und der Mittelstrahl des Lichtbündels mit der Achse des Meßmikroskops 17
einen von Null verschiedenen Winkel einschließt. Das Meßmikroskop 17 ist so in der
Höhe zu verstellen und mittels des Handrades 16 in der Längsrichtung zu verschieben,
daß die beleuchtete Mantellinie des Zylinders 28 und ein parallel zu dieser Mantellinie
verlaufendes System von Interferenzstreifen im Gesichtsfeld des Meßmikroskops sichtbar
wird. Beim kontinuierlichen Verstellen des Mikroskops in der Höhe bewegen sich diese
Interferenzstreifen in einer Richtung senkrecht zur Mantellinie des Zylinders 28,
kommen zum Stillstand und bewegen sich schließlich in entgegengesetzter Richtung.
Auf diesen Punkt der Richtungsumkehr der Streifenbewegung wird das Mikroskop scharf
eingestellt und durch Drehen des Handrades 16 der gewünschte Interferenzstreifen
mit dem Fadenkreuz des Winkelmeßokulars zur Deckung gebracht. Das Meßmikroskop 17
ist so einzustellen, daß die Teilung des Glasmaßstabs 27 scharf abgebildet wird,
und der Doppelfaden des Okularschraubenmikrometers 25 so zu verschieben, daß die
mikroskopische Abbildung des dem Doppelfaden zunächst gelegenen Striches der Teilung
des Glasmaßstabes zwischen den Fäden liegt. Nunmehr werden die eingestellten Werte
der
Teilung des Glasmaßstabes 27, des Okularmikrometers 25 und der Schwenkungswinkel
des Kollimators abgelesen. Danach wird der Kollimatorachse bezüglich der die Achse
der Bolzen 30 enthaltenden Lotebene durch Drehen des Handrades 35 und Schwenken
des Kollimatorgehäuses 40 eine entgegengesetzt gleiche Einstellung erteilt, die
Einstellungen der beiden Mikroskope auf der anderen Seite des Zylinders 28 zweckmäßig
für den Interferenzstreifen gleicher Ordnung wiederholt und auch hierbei die entsprechend
eingestellten Werte abgelesen. Aus der Differenz der Längenablesungen am Glasmaßstab
und Okularmikrometer ergibt sich der Abstand der beiden je auf einer Seite des Zylinders
gelegenen Interferenzstreifen voneinander. Um den Durchmesser des Zylinders zu erhalten,
ist von dieser Differenz die oben angegebene Verbesserung abzuziehen.
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Damit mit dem beschriebenen Gerät auch Winkel, beispielsweise Kegel-
und Flankenwinkel gemessen werden können, ist dem Meßmikroskop 17 das Winkelmeßokular
24 zugeordnet, dessen Fadenkreuz um seinen in der optischen Achse des Mikroskops
liegenden Mittelpunkt drehbar ist. Beim Messen beispielsweise eines Kegelwinkels
wird das Mikroskop 17 so verschoben und das Fadenkreuz so gedreht, daß jeweils derselbe
seiner Fäden mit einem der parallel zu beiden Seiten des Kegels nacheinander erzeugten
Interferenzstreifen zusammenfällt. Die zugehörigen beiden Abmessungen werden mittels
eines Ablesemikroskops 24' am Teilkreis des Winkelmeßokulars vorgenommen und durch
Differenzbildung der Kegelwinkel ermittelt. Anstatt das gesamte Kollimatorgehäuse
40 am Schlitten 34 drehbar zu lagern, ist es auch möglich, nur die den Spalt enthaltende
Blende 45 in der Bewegungsrichtung des Schlittens verschiebbar anzuordnen, im übrigen
aber das Gehäuse 40 fest mit dem Schlitten 34 zu verbinden.
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F i g. 3 zeigt einen derart ausgebildeten Kollimator, dessen Blende
45 in einer Führung 47 über eine Spindel 48 mittels einer Meßschraube 49 verschiebbar
ist, wobei diese Verschiebung mit Hilfe eines am Gehäuse 40 angeordneten Zeigers
50 an einer auf der Meßschraube vorgesehenen Teilung 51 ablesbar ist.