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DE2602001A1 - Pruefverfahren zum getrennten erfassen von unterschiedlichen werkstueckoberflaechenfehlern und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents

Pruefverfahren zum getrennten erfassen von unterschiedlichen werkstueckoberflaechenfehlern und anordnung zur durchfuehrung des verfahrens

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DE2602001A1
DE2602001A1 DE19762602001 DE2602001A DE2602001A1 DE 2602001 A1 DE2602001 A1 DE 2602001A1 DE 19762602001 DE19762602001 DE 19762602001 DE 2602001 A DE2602001 A DE 2602001A DE 2602001 A1 DE2602001 A1 DE 2602001A1
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DE
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light
lens
defects
optical devices
reflected
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DE2602001B2 (de
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Paul Ziekman
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SKF GmbH
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SKF Kugellagerfabriken GmbH
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    • G01N21/84Systems specially adapted for particular applications
    • G01N21/88Investigating the presence of flaws or contamination
    • G01N21/95Investigating the presence of flaws or contamination characterised by the material or shape of the object to be examined
    • G01N21/954Inspecting the inner surface of hollow bodies, e.g. bores
    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
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Description

SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH
Schweinfurt, 1976-01-13 NL 75 004 DT FR-gw
Prüfverfahren zum getrennten Erfassen von unterschiedlichen Werkstückoberflächenfehlern und Anordnung zur Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Überprüfen von bearbeiteten Werkstückflächen hinsichtlich Oberflächenfehler durch gebündelte Lichtstrahlen, die mittels optischer Geräte auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet werden, und die entsprechend der Beschaffenheit der Oberfläche von dieser mit unterschiedlicher Intensität reflektiert und zumindest teilweise über die optischen Geräte wieder zurückgeführt werden zu mindestens einem lichtempfindlichen Element, das die reflektierte Lichtmenge in elektrische Signale umformt.
Im vorliegenden Fall werden die Oberflächenfehler in sogenannte Material- und Bearbeitungsfehler, von denen einige für bestimmte Fälle als zulässig und andere als nicht zulässig angesehen werden, unterteilt. Die Materialfehler werden dabei in einfache und mehrfache Porigkeitsfehler unter-
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teilt, wogegen es sich bei den Bearbeitungsfehlern z.B. um noch vorhandene Bohrspuren oder vom Schleifen herrührende Ansätze oder fehlerhafte Schleifspuren handelt.
Die eingangs beschriebene Möglichkeit zum Überprüfen von bearbeiteten Werkstückflächen hinsichtlich möglicher Oberflächenfehler mittels Lichtstrahlen in Verbindung mit optischen und elektrischen Geräten, ist bereits bekannt aus der DT-OS 2.412.763 und der US-PS 3.761.186. Mit beiden bekannten Einrichtungen ist es möglich, die Innenflächen von Bohrungen auf ihre Oberflächenfehler hin zu überprüfen, wobei hierbei die auf die Oberfläche projizierten Lichtstrahlen sowohl in Umfangs- als auch in Längsrichtung der jeweiligen Bohrung bewegt werden. Mit derartigen Einrichtungen werden jedoch nur Oberflächenfehler schlechthin erfasst und über Monitoren angezeigt. Um welche Art von Fehlern es sich dabei handelt, bleibt bei diesen Methoden offen. Die Antwort auf die Frage nach der Fehlerart ist jedoch wichtig, denn nur so ist es möglich, rasch der Ursache der Fehler nachzugehen. Bei den bekannten Einrichtungen kann diese Frage offensichtlich nur durch eine manuelle Auslese der.fehlerhaften Werkstücke und durch eine anschliessend erfolgende visuelle Inspektion - gegebenenfalls unter zur Hilfenahrae von speziellen Messgeräten - beantwortet werden.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein betriebssicheres und einfaches Prüfverfahren zu schaffen, mit dem automatisch von ihrer Ursache her unterschiedliche Oberflächenfehler an bearbeiteten Werkstückflächen während eines Prüfvorgangs gleichzeitig erfasst werden können, und eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Anordnung zu finden.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass die reflektierte Lichtmenge entsprechend ihrer jeweiligen unter-
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schiedlichen Intensität und Ausbreitung getrennt erfasst wird zum Aufzeigen von artverschiedenen Oberflächenfehlern, wie Material- und Bearbeitungsfehlern.
Für das erfindungsgemässe Prüfverfahren ist es gemäss einem weiteren Merkmal der Erfindung besonders günstig, dass die gebündelten Lichtstrahlen parallel verlaufende Laserstrahlen sind, die mittels der optischen Geräte auf die zu prüfende Werkstückoberfläche senkrecht gerichtet werden, wobei gleichzeitig die Lichtstrahlen in bezug auf die Werkstückoberfläche eine Relativbewegung ausführen.
Beim überprüfen einer Werkstückoberfläche, welche die Innenfläche einer Bohrung darstellt, ist es in weiterer Ausgestaltung der Erfindung besonders zweckmässig, dass die Relativbewegung derart erfolgt, dass die Projektion der Lichtstrahlen auf der Innenfläche eine schraubenlinienförmige Kurve beschreibt, wobei die Steigung der Kurve kleiner ist als die grösste festgelegte zulässige Abmessung eines Oberflächenfehlers .
Zur Durchführung des Prüfverfahrens ist in weiterer Ausgestaltung der Erfindung eine besonders vorteilhafte Anordnung vorgesehen, die gekennzeichnet ist durch die Kombination zweier verschiedener Systeme von optischen Geräten zur getrennten Erfassung der artverschiedenen Oberflächenfehler, wie Material- und Bearbeitungsfehler, derart, dass das eine System einerseits ein Strahlungsteilungsprisma hat, welches die von einer Energiequelle kommenden gebündelten Lichtstrahlen in einer Richtung teilweise passieren lässt und in der entgegengesetzten, anderen Richtung teilweise ablenkt, sowie, dem Strahlenverlauf folgend, eine erste Linse, einen Ablenkspiegel und eine zweite Linse aufweist, welche zur ersten Linse konfokal angeordnet ist, so dass die projizierten
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Lichtstrahlen parallel auf die zu prüfende Oberfläche auftreffen, und dass dieses System andererseits ein Objektiv
hat, welches zumindest einen Teil der von der zu prüfenden Oberfläche über die zweite Linse auf den Spiegel reflektierte und über die erste Linse gelangte und von dem
Strahlungsteilungsprisma abgelenkte Lichtmenge einem hinter dem Objektiv angeordneten lichtempfindlichen Element in der Form eines Fotodetektors zum Erfassen der Materialfehler
zuführt, und dass das zweite System mehrere lichtUbertragende Fasern hat, deren Eintritte auf dem Umfang eines Rings angeordnet sind, der die zweite Linse umgibt, und deren Austritte in ein ringförmiges Glied münden, dem ein entsprechendes Glied gegenübersteht, in welchem sich ebenfalls lichtempfindliche Elemente in der Form von Fotodetektoren zum Erfassen der Bearbeitungsfehler befinden.
Weitere Einzelheiten und zweckmässige Weiterbildungen sind nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben und erläutert:
Es zeigen:
Fig. 1 eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemässen Prüfungsverfahren in perspektivischer Darstellung,
Fig. 2 A und 2 B
jeweils einen Ausschnitt einer Werkstückoberfläche in vergrössertem Massstab mit vorhandenen einfachen bzw. mehrfachen PorLgkeitsf ehlern,
Fig. 3 A
einen Ausschnitt einer Werkstückoberfläche in ver-
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grössertem Massstab mit vorhandenen Bearbeitungsfehlern in der Form von Schleifspuren,
Fig. 3 B
eine Darstellung zur Erläuterung eines sogenannten Beugungsbildes und
Fig. 4 ein Diagramm mit eingezeichnetem Impulsverlauf eines Fotodetektors, welches vorhandene Materialfehler wiedergibt.
Die in Fig. 1 gezeigte Anordnung zum Prüfen von Oberflächenfehlern hat eine Energiequelle 1, die ein parallel verlaufendes Lichtstrahlenbündel erzeugt, im vorliegenden Fall Laserstrahlen 2, und ein Strahlungsteilungsprisma 3, das die Laserstrahlen 2 in einer Richtung im wesentlichen passieren lässt, und das dagegen die reflektierten Strahlen - angedeutet durch die Begrenzungslinien 4 - in der entgegengesetzten, anderen Richtung im wesentlichen rechtwinklich ablenkt zu einem Objektiv 5 - hier angedeutet durch ein divergierendes Strahlenbündels 6 -, welche von diesem - angedeutet durch ein konvergierendes Strahlenbündel 7 - zu einem lichtempfindlichen Element, hier ein Fotodetektor 8, gelangen. Die gezeigte Anordnung hat ferner, dem Strahlenverlauf von der Energiequelle 1 ausgehend folgend, eine plankonvexe Linse 9, einen Ablenkspiegel 11 und eine weitere plankonvexe Linse 10, welche drehbar angeordnet sind. Die optischen Geräte 3, 5, 8 sowie 9, 10, 11 bilden zusammen ein erstes System zum Erfassen von Materialfehlern in der inneren Oberfläche 12 eines Zylinders.
Das genannte Erfassen geschieht folgendermassen:
Das von der Energiequelle 1 kommende Lichtstrahlenbündel 2,
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welches eine Querschnittsfläche von etwa 1 mm hat, durchläuft zuerst das Strahlungsteilungsprisma 3, durch welches ein Teil der Strahlen abgelenkt wird, während der andere Teil der Strahlen das Prisma 3 ungehindert passiert und über die plankonvexe Linse 9 auf den mit 45° zu der optischen Achse geneigt angeordneten Ablenkspiegel 11 auftrifft. Vom Ablenkspiegel 11 gelangen dann die Laserstrahlen durch die zweite plankonvexe Linse 10 auf die zu prüfende Oberfläche 12. Die bestrahlte Oberfläche 12 der Zylinderinnenwand hat etwa die gleiche Grosse wie die ursprüngliche Querschnittsfläche der Laserstrahlen 2. Ferner treffen die Strahlen parallel verlaufend auf die Werkstückoberfläche auf, was durch eine konfokale Anordnung der beiden Linsen 9 und 10 erreicht wird. Das bedeutet jedoch nicht, dass die Empfindlichkeit für die Erfassung von Materialfehlern ebenfalls etwa gleich ist. Der Grund dafür ist, dass das tatsächlich erhaltene Intensitätsprofil einer Gaussschen Verteilung entspricht. Falls jedoch eine grössere Empfindlichkeit gewünscht wird, d.h., falls der Durchmesser des abtastenden Lichtflecks kleiner sein soll als der Durchmesser des von der Energiequelle 1 erzeugten Lichtbündels, ist es auch möglich, die Linsen 9 und 10 nicht konfokal, sondern mit einem grösseren Abstand zueinander anzuordnen. Mit der als Beispiel angegebenen Anordnung sollen jedoch insbesondere die Innenflächen von Bohrungen in Motorblöcken überprüft werden, bei welchen die minimale Grenze der zu erfassenden Porigkeitsfehler bei einem Durchmesser vom etwa 0,25 mm liegt, so dass die angegebene Empfindlichkeit im allgemeinen ausreichend ist.
Bei dem in Fig. 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, die Innenfläche eines Zylinders zu überprüfen. Zu diesem Zweck werden die optischen Geräte 3, 5, 8, 9, 10 und 11 im Verhältnis zur Zylinderinnenfläche 12 derart bewegt, dass die Projektion der Laserstrahlen auf der Innenfläche
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12 eine schraubenlinienförmige Kurve beschreibt, wobei hierbei die Steigung der Kurve im allgemeinen kleiner sein soll als die grösste zulässige Abmessung eines Oberflächenfehlers. Bei der vorliegenden Anordnung beträgt beispielsweise die Steigung 0,1 mm, und wie bereits erwähnt, sollen lediglich Porigkeitsfehler erfasst werden, die einen minimalen Durchmesser von etwa 0,25 mm haben. Dies bedeutet, dass dadurch ein möglicher Porigkeitsfehler mehr als einmal registriert wird.
Das Registrieren erfolgt durch den Fotodetektor 8, zu dem über die optischen Geräte 10, 11, 9, 3 und 5 bestimmte Lichtmengen unterschiedlicher Intensität gelangen, je nachdem, ob ein grösserer oder kleinerer Teil des Laserstrahlenbündels, das auf die zu untersuchende Oberfläche 12 auftrifft, von dieser zur Linse 10 reflektiert wird. In diesem Zusammenhang sei erwähnt, dass die gesamte öffnung des optischen Systems 10, 11, 9, 3, 5 und 8 dadurch besonders gut ausgenützt werden kann, und somit eine möglichst grosse Menge des reflektierten Lichtes erfasst werden kann, wenn die Linse 10 möglichst nahe im Bereich der zu prüfenden Oberfläche 12 angeordnet wird. Auch wird dadurch ein höherer sogenannter Störabstand erhalten.
Der Fotodetektor 8 ist mit einer nicht dargestellten elektronisch arbeitenden Vorrichtung verbunden, welche die von dem Fotodetektor 8 kommenden elektrischen Signale auswertet und als Messergebnisse anzeigt.
Beispiele von einigen Materialfehlern, wie einfache oder mehrfache Porigkeitsfehler 14 bzw, 15, sind in Fig. 2 A und 2 B in etwa zehnfacher Vergrösserung dargestellt. Diese Fehler können z.B. dadurch entstehen, dass sich beim Giessen im Werkstoff Blasen bilden, die dann beim Bearbeiten zutage
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treten. Die unregelmässige Oberfläche einer derartigen Fehlstelle liegt von der idealen Oberfläche der Zylinderinnenwand aus gesehen, hinten. Dies hat zur Folge, dass die Oberfläche derartiger Fehlstellen weniger hell erscheint als ihre Umgebung, so dass von diesem Oberflächenteil auch weniger Licht zurückgeworfen wird. Ferner bewirkt die Unregelmässigkeit dieser Oberfläche, dass das Licht in verschiedene Richtungen zurückgeworfen wird. Trifft das Strahlenbündel während seiner Drehbewegung beispeilsweise auf einen derartigen Porigkeitsfehler, dann wird durch das erste optische System 10, 11, 9, 3 und 5 weniger Licht zum Fotodetektor 8 zurückgeführt als von einem fehlerfreien Oberflächenabschnitt.
Die durch den Fotodetektor 8 erregte Spannung wird dann, wie in dem in Fig. 4 dargestellten Diagramm gezeigt, variieren. In diesem Diagramm ist auf der Abszisse die Zeit und auf der Ordinate die durch den Fotodetektor 8 erregte Spannung V aufgetragen. Die vertikal aufgetragenen Linien bedeuten hier negative Spannungsspitzen pro Zeiteinheit, deren Längen jeweils ein Mass für die Grosse einer Fehlstelle darstellen. Mit Hilfe der nicht dargestellten elektronischen Vorrichtung kann dann leicht festgestellt werden, ob die Grosse, die Anzahl, die Konzentration und dgl. der.gefundenen Porigkeitsfehler gewisse Schwellwerte überschreiten oder nicht.
Wie bereits angegeben, werden die einzelnen Fehler mehr als einmal registriert. Durch ein Zählen von aufeinanderfolgenden Spannungsspitzen, die als Folge eines Porigkeitsfehlers auftreten, kann die elektronische Vorrichtung die erhaltenen Daten in der richtigen Weise interpretieren. Aus Fig. 4 geht ferner hervor, dass bei einer ersten Umdrehung entlang eines Porigkeitsfehlers eine relativ kleine Spannungspitze auftritt, da ein relativ grosser Teil des Strahlenbündels zuerst noch über eine "gute" Oberfläche streicht und somit nur ein
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kleiner Teil des Strahlenbündels auf die fehlerhafte Stelle auftrifft.
Zur gleichzeitigen Erfassung auch von Bearbeitungsfehlern, wie z.B. Bohrspuren 16 (Fig. 3 A), ist bei der erfindungsgemässen Anordnung (Fig. 1) ferner ein zweites System vorgesehen, das mehrere lichtübertragende Fasern 18 hat, deren Eintritte auf dem Umfang eines Rings 13 angeordnet sind, der die zweite Linse 10 umgibt, und deren Austritte in ein ringförmiges Glied 21 münden, dem ein entsprechendes Glied 20 gegenübersteht, in welchem sich eine Anzahl von Fotodetektoren 19 befinden. Das ringförmige Glied 21 ist dabei zusammen mit den optischen Geräten 9, 10, 11 und 18 drehbar und das Glied 20 drehfest angeordnet.
Im Gegensatz zu dem bereits beschriebenen ersten System, mit dessen Hilfe Materialfehler durch Messung der Gesamtintensität des reflektierten Lichtes ermittelt werden, wird bei dem zweiten System die räumliche Intensitätsverteilung des Lichtes zur Messung der Bearbeitungsfehler verwendet. Das Erfassen der räumlichen Intensitätsverteilung des Lichtes wird durch die am Umfang der Linse 10 an dem Ring 13 angeordneten faseroptischen Elementen ermöglicht, die ihre Informationen zu den Fotodetektoren 19 berührungslos übertragen.
Die Fotodetektoren 19 sind wiederum mit einer nicht dargestellten elektronisch arbeitenden Vorrichtung verbunden, die die empfangenen elektrischen Signale mit solchen eines von einer fehlerfreien Oberfläche erhaltenen sogenannten Beugungsbildes vergleicht. In Fig. 3 B ist ein Beugungsbild gezeigt, das von einer fehlerfreien Oberfläche stammt. Wird
2 z.B. eine gut bearbeitete Oberfläche von 1 mm beleuchtet und bringt man das zurückgeworfene Licht auf eine lichtempfindliche Platte, dann ergibt sich ein in Fig. 3 B dar-
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gestelltes Strahlenbild, bei dem in den Gebieten 17 eine deutlich grössere Lichtintensität vorhanden ist als in den übrigen Gebieten. Sind jedoch z.B. noch Bohrspuren vorhanden (Fig. 3 A) oder ist die Oberfläche nicht einwandfrei geschliffen, dann entsteht ein von dem in Fig. 3 B abweichendes Beugungsbild. Die unterschiedlich sich ergebenden Beugungsbilder werden durch die elektronische Vorrichtung verglichen, und je nachdem, welche Bearbeitungsfehler als unzulässig angesehen werden, durch diese Vorrichtung angezeigt.
Die vorliegende Erfindung ist zwar nur anhand eines Anwendungsbeispiels für das Erfassen von Oberflächenfehlern in einer zylindrischen Bohrung erläutert, es ist jedoch auch möglich, dass gleichzeitig mehrere Oberflächen eines Werkstücks mittels mehrerer voneinander getrennter Lichtstrahlen mit den jeweils dazugehörenden optischen Geräten und lichtempfindlichen Elementen auf einer taktweise sich bewegenden Transportbahn überprüft werden, und dass nach erfolgter Überprüfung, entsprechend einer bestimmten festgelegten zulässigen Fehlerquote, die als mangelhaft ermittelten Werkstücke automatisch auf eine weitere Transportbahn geschoben werden. Ferner ist es möglich, sowohl ebene als auch beliebig geformte Flächen von Werkstücken mit dem erfindungs— gemässen Prinzip hinsichtlich Oberflächenfehlern zu überprüfen.
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Claims (5)

  1. AA
    SKF KUGELLAGERFABRIKEN GMBH 26 02001
    Schweinfurt, 1976-01-13 NL 75 004 DT FR-gw
    Patentansprüche
    Verfahren zum automatischen Überprüfen von bearbeiteten Werkstückflächen hinsichtlich Oberflächenfehler durch gebündelte Lichtstrahlen, die mittels optischer Geräte auf die zu prüfende Oberfläche gerichtet werden, und die entsprechend der Beschaffenheit der Oberfläche von dieser mit unterschiedlicher Intensität reflektiert und zumindest teilweise über die optischen Geräte wieder zurückgeführt werden zu mindestens einem lichtempfindlichen Element, das die reflektierte Lichtmenge in elektrische Signale umformt, dadurch gekennzeichnet, dass die reflektierte Lichtmenge entsprechend ihrer jeweiligen unterschiedlichen Intensität und Ausbreitung getrennt erfasst wird zum Aufzeigen von artverschiedenen Oberflächenfehlern, wie Material- und Bearbeitungsfehlern.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die gebündelten Lichtstrahlen parallel verlaufende Laser-
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    ja
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    strahlen (2) sind, die mittels der optischen Geräte (3, 9, 10, 11) auf die zu prüfende Werkstückoberfläche (12) senkrecht gerichtet werden, wobei gleichzeitig die Lichtstrahlen in bezug auf die Werkstückoberfläche eine Relativbewegung ausführen.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Relativbewegung beim Überprüfen von einer Werkstückoberfläche, die die Innenfläche einer Bohrung darstellt, derart erfolgt, dass die Projektion der Lichtstrahlen auf der Innenfläche eine schraubenlinienförmige Kurve beschreibt, wobei die Steigung der Kurve kleiner ist als die grösste festgelegte zulässige Abmessung eines Oberflächenfehlers.
  4. 4. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch die Kombination zweier verschiedener Systeme von optischen Geräten zur getrennten Erfassung der artverschiedenen Oberflächenfehler, wie Material- und Bearbeitungsfehler, derart, dass das eine System einerseits ein Strahlungsteilungsprisma (3) hat, welches die von einer Energiequelle (1) kommenden gebündelten Lichtstrahlen (2) in einer Richtung teilweise passieren lässt und in der entgegengesetzten, anderen Richtung teilweise ablenkt, sowie, dem Strahlenverlauf folgend, eine erste Linse (9), einen Ablenkspiegel (11) und eine zweite Linse (10) aufweist, welche zur ersten Linse (9) konfokal angeordnet ist, so dass die projizierten Lichtstrahlen parallel auf die zu prüfende Oberfläche (12) auftreffen, und dass dieses System andererseits ein Objektiv (5) hat, welches zumindest einen Teil der von der zu prüfenden Oberfläche (12) über die zweite Linse (10) auf den Spiegel (11) reflektierte und über die
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    erste Linse (9) gelangte und von dem Strahlungsteilungsprisma (3) abgelenkte Lichtmenge einem hinter dem Objektiv (5) angeordneten lichtempfindlichen Element in der Form eines Fotodetektors (8) zum Erfassen der Materialfehler zuführt, und dass das zweite System mehrere lichtUbertragende Fasern (18) hat, deren Eintritte auf dem Umfang eines Rings (13) angeordnet sind, der die zweite Linse (10) umgibt, und deren Austritte in ein ringförmiges Glied (21) münden, dem ein entsprechendes Glied (20) gegenübersteht, in welchem sich ebenfalls lichtempfindliche Elemente in der Form von Fotodetektoren (19) zum Erfassen der Bearbeitungsfehler befinden.
  5. 5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das ringförmige Glied (21) zusammen mit den optischen Geräten (9, 10, 11, 18) drehbar und das Glied (20) drehfest angeordnet ist.
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