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 durch Messung des Abstandes von mikroskopisch zu betrachtenden Interferenzstreifen, die mit Hilfe streifend auffallenden Lichtes dadurch erzeugt werden, dass die Oberfläche an zwei Messstellen je mit einem mindestens annähernd parallelstrahligen Lichtbündel beleuchtet wird, wobei der Messwert mit einer rechnerisch zu ermittelnden Verbesserung korrigiert wird.
Es ist bereits ein derartiges Verfahren zur Bestimmung von Durchmessern bekannt geworden, bei dem zur streifenden Beleuchtung zwei zueinander parallele Lichtstrahlenbündel verwendet werden. Die Abstände der mittels dieser Strahlenbündel erzeugten Interferenzstreifen gleicher Ordnung werden gemessen und durch Anbringen einer von den Krümmungs- radien der Flächenelemente in der Umgebung der Messstellen, von der Streifenordnung und von der Wellenlänge des verwendeten Lichtes abhängigen Korrektur die Abstände der Messstellen voneinander erhalten.
Infolge einiger schwerwiegender Mängel ist dieses bekannte Verfahren jedoch kaum zur Anwendung gelangt. Die Genauigkeit einer Durchmesserbestimmung nach diesem bekannten Verfahren ist in hohem Grade abhängig von der Fokussierung des Messmikroskops ; geringe Fehler in der Fokussierung auf die durch die Interferenzstreifen und den zu bestimmenden Durchmesser festgelegte Ebene rufen insbesondere bei klei- neren Durchmessern erhebliche Durchmesserfehler hervor, so dass die an sich durch die Verwendung von Interferenzstreifen mögliche Präzisionsmessung von vornherein inFrage gestellt ist., Ausserdem setzt ; die Berechnung der am gemessenen Wert vorzunehmenden Korrektur die genäherte Kenntnis der Krümmungs- radien 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 Korrektur schliesslich die gesamte Messung unbrauchbar werden lässt.
Ziel der vorliegenden Erfahrung ist daher ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung von geometrischen Daten, insbesondere von Durchmessern und darüberhinaus von Sehnen und Winkeln, an Körpern mit gekrümmter Oberfläche, das die empfindlich genaue Abhängigkeit von der Fokussiergenauigkeit des Messmikroskopes und von dem Durchmesser des Körpers ausschliesst. Erfindungsgemäss wird das dadurch erreicht, dass mindestens eines der zur Messung verwendeten Lichtbündel gegenüber der optischen Achse des Messmikroskopes um einen von Null ver schiedenen Winkel geneigt wird, so dass die Verbesserung von dem Neigungswinkel jedes Lichtbündels gegenüber der Mikroskopachse, der Streifenordnung und derWellenlänge des verwendeten Lichtes abhängig wird.
Bei der Bestimmung von Durchmessern und Sehnen ist es von Vorteil, wenn die auffallenden Lichtstrahlenbündel miteinander konvergieren und die Hal bierende des Konvergenzwinkels annähernd parallel zur optischen Achse des Messmikroskops verläuft.
Besonders empfindlich gegen Fokussierfehler ist das Messungsergebnis, wenn z. B. diejenige als Umkehrpunkt bezeichnete Stelle des Interferenzstreifens benutzt wird, an der sich das direkt von einer Lichtquelle kommende Teilstrahlenbündel mit dem an der Messstelle des Körpers reflektierten Teilstrahlenbündel schneidet.
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 Interferenz- erscheinungen, eine Einrichtung zur messbaren Ver änderung der gegenseitigen Lage von Messmikroskop und Körper und eine Beleuchtungseinrichtung enthält, sofern nur dem Messmikroskop ein Beleuchtungsgerät zugeordnet ist, dessen optische Achse gegen über der optischen Achse des Messmikroskops um vorgegebene Beträge verstellbar ist.
Das erfindungsgemässe Verfahren ist sowohl zur Messung von Durchmessern und Profilhöhen, als auch von Winkeln und Gewindesteigungen geeignet. Mit Hilfe dieser Verfahren wird die Abhängigkeit der Messgenauigkeit von der Fokussierung des Mess- mikroskopes vermieden.
Der Korrekturwert für die Messung ist bei unver änderlichem Winkel zwischen den beiden Lichtstrahlenbündeln einerseits und der optischen Achse des Messmikroskopes anderseits und beim Messen mit Hilfe von Interferenzstreifen der gleichen Ordnung für z. B. alle Durchmesser der gleiche. Ausserdem er möglicht die Verwendung von schräg zur optischen Achse des Messmikroskops einfallenden Lichtstrahlen- bündeln unter sonst gleichen Bedingungen, die Interferenzstreifen mit grösserer Apertur abzubilden, als bei Verwendung von zur optischen Achse des Messmikroskops parallelen Lichtstrahlenbündeln. Dadurch ist es möglich, die Mikroskopvergrösserung zu erhöhen und damit die Messgenauigkeit zu steigern.
Schliesslich ergibt sich infolge der Anwendung des erfindungsge mässen Verfahrens im Mikroskop ein völlig symmetrischer Abbildungsstrahlengang, wodurch die volle Ausnutzung der Apertur des Mikroskopobjektivs und hinsichtlich der Abbildungsgüte günstige Bedingungen ermöglicht werden.
Zur beispielsweisen Erläuterung des Gegenstandes der Erfindung dienen die Fig. 1 bis 3 der Zeichnung.
Dabei wird anhand der Fig. 1 eine Erklärung des Messprinzips gegeben. Die Fig. 2 zeigt eine Vorrichtung der Durchmesserbestimmung nach dem erfin dungsgemässen Verfahren im Längsschnitt. Fig. 3 stellt ein Beleuchtungsgerät in dem seine optische Achse enthaltenden Längsschnitt dar.
In Fig. 1 ist mit z ein Querschnitt eines Zylinders bezeichnet, der einmal mit einem kohärenten Lichtbüschel li, li und zum anderen mit einem kohärenten Lichtbüschel 12 ; t2 streifend so beleuchtet wird, dass ein Teil 11'bzw. 12'der Lichtstrahlen am Zylinder reflektiert wird, während ein anderer Teil 11 bzw. 12 der Lichtstrahlen am Zylinder vorbeigeht. Beide Licht büschel ll ; li und lz ; 12'liegen in der gleichen Schnittebene des Zylinders.
Die Teilstrahlenbüschel ll und li bzw. I2 und 12'kommen in einem Punkt U1 bzw. U2 zum Schnitt und wegen der Kohärenz der Teilstrahlenbüschel zur Interferenz. Die Punkte Ul und ! U2 gehö- ren zwei Kurven ki und k2 an, 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 Lichtstrahlenbüschel gegenüber der optischen Achse X-X eines Messmikroskops mit dem Objektiv O entgegengesetzt gleich, so schneiden sich beide Kurven kl und 3 auf einem zu dem zu bestimmenden Durchmesser senkrecht stehenden Zylinderdurchmesser. Erfolgt die Reflexion der Teilstrahlen büschel 11'und 1o'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 Ul und lJo ist grösser als der Zylinderdurchmesser d.
Zur Bestimmung des Durchmessers cl des Zylinders ist daher der Abstand a der Umkehrpunkte ! 7 ; und U2 mit einer Verbesserung n zu versehen, die sich berechnet zu k A n=, v worin k die Streifenordnung, ? die WellenlÏnge des verwendeten Lichts und v den Winkel bedeuten, den das von der Beleuchtungseinrichtung ausgesandte Lichtstrahlenbüschel mit der optischen Achse X-X des Messmikroskops einschliesst. Diese Verbesserung ist immer mit negativen Vorzeichen anzubringen, so dass sich für den Zylinderdurchmesser k R f v ergibt.
Das in Fig. 2 dargestellte Gerät besitzt eine Tischplatte 11, die auf vier Füssen 12 ruht und mit einer Schlittenführung 13 ausgestattet ist. In dieser Schlit tenführung ist ein Schlitten 14 mi 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 optichen Achse verschiebbare Messmikroskop 17 ist mit einem Winkelmessokular 24 mit in bekannter Weise drehbare 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 Glasmassstab 27, während der tiefer gelegene Teil zur Aufnahme der Prüflinge, beispielsweise eines ge strichelt angegebenen Zylinders 28, mit zwei Lager böcken 29 ausgestattet ist, in denen spitz auslaufende Bolzen 30 mittels Schrauben 31 festgeklemmt sind.
Die Achse der Bolzen 30, die durch die Verbindungslinie ihrer Spitzen dargestellt wird, liegt rechtwinklig zur Verschiebungsrichtung des Schlittens 14 und zur Achse des Messmikroskopes 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 Messmikroskopes 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).
Der Spalt ist parallel zur Verbindungslinie der Spitzen der beiden Bolzen 30 und liegt in der Brennebene des Kollimatorobjektivs 46.
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 Mess- mikroskops 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 einge- stellt und durch Drehen des Handrades 16 der ge wünschte Interferenzstreifen mit dem Fadenkreuz des Winkelmessokulars zur Deckung gebracht.
Das Mess- mikroskop 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 Glasmassstabs 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 Kolli matorgehäuses 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.
Damit mit der beschriebenen Vorrichtung 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 verchoben 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 Ablesungen werden mittels eines Ablesemikroskops 24'am Teilkreis des Winkelmessokulars vorgenommen und durch Differenzbildung der Kegelwinkel ermittelt.
Anstatt das gesamte Kol- limatorgehäuse 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. Fig. 3 zeigt einen derart ausgebildeten Kol limator, dessen Blende 45 in einer Führung 47 über eine Spindel 48 mittels einer Messschraube 49 verschiebbar ist, wobei diese Verschiebung mit Hilfe eines am Gehäuses 40 angeordneten Zeigers 50 an einer auf der Messschraube vorgesehenen Teilung 51 ablesbar ist.