Optisches Gerät zum Messen kleiner Abstände zwischen zwei Punkten eines
Gegenstandes
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Gerät zum Messen kleiner Abstände zwischen zwei Punkten eines Gegenstandes, z. B. der Breite eines schmalen Gegenstandes, der durch ein Mikroskop betrachtet wird.
Solche Messungen sind notwendig, wenn beispielsweise der Durchmesser eines feinen Drahtes oder der Durchmesser einer Blutzelle genau bestimmt werden soll.
Es ist bekannt, dass einer der besten Wege, um kleine Abstände genau zu messen, z. B. den Durchmesser oder die Dicke eines Gegenstandes, der durch das Mikroskop betrachtet wird, darin besteht, zwei Bilder des Gegenstandes zu schaffen und dann das erste Bild relativ zum zweiten Bild zu verschieben, bis die beiden Kanten oder Punkte, deren Abstand zu messen ist, sich in beiden Bildern überdecken.
Das Mass, um das jedes Bild bewegt werden muss, kann genau ermittelt werden und ergibt den genauen Wert für Durchmesser oder Breite des Gegenstandes. Das Überdecken der betreffenden Kanten oder Punkte kann mit grosser Genauigkeit durchgeführt werden. Geräte mit diesem Arbeitsprinzip ermöglichen also sehr genaue Resultate.
Es ist das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein besseres optisches Gerät zum genauen Messen kleiner Abstände zu schaffen.
Nach der vorliegenden Erfindung ist das optische Gerät zum Messen kleiner Abstände zwischen zwei Punkten eines Gegenstandes gekennzeichnet durch zwei optische Systeme, durch erste Mittel, um ein Lichtstrahlenbündel von dem Gegenstand so durch jedes der optischen Systeme zu führen, dass sich zwei zusammenfallende Bilder des Gegenstandes ergeben, durch zweite Mittel, um die optischen Systeme relativ zueinander zu bewegen, um die Bilder so auseinander zu bringen, dass ein Bild des ersten Punktes mit einem Bild des zweiten Punktes zusammenfällt, und durch dritte Mittel, um die relative Bewegung des optischen Systems zu messen, die notwendig ist, um zu bewirken, dass die Bilder der beiden Punkte in der geforderten Weise zusammenfallen.
Vorzugsweise umfasst jedes der optischen Systeme ein rhombisches Prisma, auf dessen eines Ende ein rechtwinkeliges Prisma mit einer teilweise reflektierenden Fläche zwischen den Prismen aufgekittet ist, und ein Lichtstrahl wird durch jedes der rhombischen Prismen und das damit verbundene rechtwinkelige Prisma so geführt, dass sich zwei Bilder des Gegenstandes ergeben.
Eine relative Drehung der Prismenpaare bewirkt dann, dass sich die Bilder relativ zueinander bewegen.
Die Bilder werden vorzugsweise so lange bewegt, bis die Kanten oder Punkte, deren Abstand zu messen ist, sich überdecken. Die Relativdrehung der optischen Systeme kann gemessen werden und ergibt einen genauen Wert des relativen Abstandes, um den die Bilder bewegt wurden, also auch den genauen Wert der zu messenden Breite.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes ist in jedem optischen System ein planparalleler Glasblock enthalten, der relativ zum zugehörigen optischen System gedreht werden kann, um ein Bewegen des betreffenden Bildes zu bewirken.
Ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes ist in der beigefügten Zeichnung veranschaulicht und nachfolgend beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht im Schnitt durch eine Mittelebene des Ausführungsbeispiels des optischen Gerätes nach dieser Erfindung und
Fig. 2 einen Seitenriss des ganzen Gerätes.
Nach der Fig. 1 der Zeichnung weist das optische Gerät ein Gehäuse 1 auf, das auf das Auszugsrohr 2 eines Mikroskops aufgesetzt werden kann und ein Okular 3 aufweist, das auf einer passend angeordneten Öffnung 4 sitzt. Zwei Prismengruppen 5, 6 sind im Gehäuse 1 angeordnet und bestehen aus rhombischen Prismen 7, 8, von denen jedes Prisma am einen Ende ein aufgekittetes rechtwinkliges Prisma 9 bzw. 11 trägt. Die Kittfläche 12 bzw. 13 zwischen jedem rhombischen Prisma und seinem rechtwinkligen Prisma ist so behandelt, dass sie teilweise reflektierend wirkt, z. B. durch teilweises Metallisieren der Oberflächen der Prismen.
Die Prismengruppen sind so angeordnet, dass ihre Hauptachsen normalerweise parallel zueinander liegen und durch einen beliebigen Mechanismus relativ zueinander um eine vertikale Achse gedreht werden können.
Der Weg eines Lichtstrahlenbündels von einem Gegenstand 15, der durch ein PI/Iikroskop betrachtet wird, ist durch mit Pfeil versehene Linien angezeigt.
Das Lichtstrahlenbündel wird an der Kittfläche 13 der Prismen 8 und 11 reflektiert und in zwei Strahlenbündel zerlegt. Das eine Strahlenbündel verläuft durch das rhombische Prisma 8 und wird am Ende des Prismas so reflektiert, dass es durch das rechtwinklige Prisma 9, die Kittfläche 12 und das Okular 3 verläuft. Das zweite Strahlenbündel tritt durch die Kittfläche 13 und das rechtwinklige Prisma 11 in das rhombische Prisma 7, wird darin reflektiert und durch die Kittfläche 12 in das Okular 3 umgelenkt.
Im Okular 3 entstehen deshalb von dem Gegenstand 15 zwei Bilder. Wenn die Prismengruppen 5, 6 parallel zueinander angeordnet sind, dann fallen die beiden Bilder zusammen; wenn aber die Prismengruppen um die Achse 14 relativ zueinander gedreht werden, dann bewegen sich die Bilder auseinander.
Dabei bewegen sich die Bilder in einer Richtung, die für kleine relative Verdrehung der Prismengruppen normal liegt zur Ebene der Fig. 1.
Beim Drehen nur einer Prismengruppe, wobei die Stellung der anderen Gruppe unverändert bleibt, bleibt das eine Bild in seiner Stellung unverändert, während das andere einen Kreisbogen beschreibt mit einem Radius, der gleich dem Abstand der Achse des Okulars von der Achse des Auszugsrohres des Mikroskops ist. Wenn beide Prismengruppen in einander entgegengesetzten Richtungen gedreht werden, bewegen sich die Bilder symmetrisch auseinander, und eine Linie, die entsprechende Teile der Bilder miteinander verbindet, weist währenddem in einer festen Richtung in den Raum. Die Bilder bewegen sich gegen die Achse 14, doch ist diese Bewegung ausser für Bilder, die kleiner sind als der halbe Felddurchmesser, sehr klein und bedingt praktisch keinen Nachteil.
Wenn die Bilder relativ zueinander bewegt werden, so dass entgegengesetzte Kanten sich überdecken, und die relativen Bewegungen der Prismengruppen gemessen werden, ergeben diese Messungen ein genaues Mass der Breite des Gegenstandes. Die Bewegungen der Prismengruppen können durch eine oder zwei Mikrometerschrauben gemessen werden.
Wenn diese Mikrometerschrauben entsprechend geeicht sind, kann die Breite des Gegenstandes direkt erhalten werden. Üblicherweise werden zwei Mikrometerschrauben benutzt und in passender Weise miteinander verzahnt, wobei jede Schraube auf einen Hebelarm oder eine Gelenkverbindung wirkt, der bzw. die mit einer Prismengruppe in bekannter Weise verbunden ist.
Bei sehr genauen Messungen von Durchmesser änderungen verhältnismässig grosser Gegenstände kann der Fall eintreten, dass die Skalen, die die relative Drehung der beiden Prismengruppen anzeigen, nicht genügend genau abgelesen werden können. Das Gerät wird darum für diesen Zweck abgeändert, indem zwei optisch planparallele Glasplatten 16, 17 in der in der Fig. 1 dargestellten Weise zwischen die beiden Prismengruppen gesetzt werden, so dass jedes der beiden Strahlenbündel durch eine der Glasplatten geht. Die Glasplatten 16, 17 können um eine horizontale Achse in der Ebene der Figur gedreht werden. Die Drehung einer der Platten verursacht eine weitere relative Bewegung der beiden im Okular 3 betrachteten Bilder. Der Betrag der relativen Bewegung der Bilder hängt von der Dicke jeder Platte und dem Drehwinkel der Platte ab.
Die Arbeitsweise ist bei dem in seiner Form abgeänderten Gerät folgende: Der Gegenstand wird in das Mikroskop eingebracht, und die beiden im Okular sichtbaren Bilder werden durch Drehen der Prismengruppen 5, 6 relativ zueinander bewegt, bis die hinsichtlich ihres Abstandes zu messenden Kanten sich nahezu überdecken. Die Prismengruppen werden alsdann in ihrer Stellung festgeklemmt, und die vollständige Überdeckung der beiden Kanten wird durch Drehen einer der beiden Platten 16, 17 bewirkt.
Die Ablesung der Skala, die die relative Bewegung der Platten 16, 17 angibt, wird notiert. Durch die Wahl der Dicke der Platten 16, 17 kann erreicht werden, dass eine Drehung um ein bestimmtes Mass einer Bildbewegung entspricht, die so klein wie gewünscht sein kann, und die Skala kann dann so gross gemacht werden, wie die Genauigkeit der Messungen das erfordert. Um den Durchmesser von zwei Gegenständen zu vergleichen, wird der zweite Gegenstand an die Stelle des ersten Gegenstandes gelegt, und der Unterschied im Durchmesser der beiden Gegenstände kann direkt an der offenen Skala entsprechend kleinen Drehungen einer der Platten 16, 17 abgelesen werden.
Durch das oben beschriebene Gerät sind Mittel geschaffen, um die Breite von Gegenständen, die durch ein Miksoskop betrachtet werden, genau zu messen und die Breite von grösseren Gegenständen zu vergleichen, wenn sie sich nur um kleine Beträge unterscheiden. Das Gerät kann ohne Anderung des Mikroskops leicht an einem solchen angebracht werden.
Mit dem Gerät kann eine Genauigkeit in der Grössenordnung von 5 mal 1 O- mm erreicht werden, wenn ein Durchmesser in der Grössenordnung 2,5 mal 10-2 mm gemessen wird.
Fig. 2 veranschaulicht ein vollständiges optisches Gerät, das mit einem Mikroskop 21 benutzt wird.
Der Behälter 1 sitzt über dem Auszugsrohr 2 des Mikroskops, und der zu untersuchende Gegenstand 15 befindet sich auf der Auflage 22 des Mikroskops.
Die Stellungen der beiden Prismengruppen 5 und 6 werden durch Mikrometerschrauben 23, 24 erfasst, die Skalen aufweisen, um die Drehung jeder Prismengruppe direkt zu messen. Die Skalen können geeicht sein, um den gesuchten Abstand zwischen zwei Punkten direkt anzugeben. Die Mikrometerschrauben 23, 24 wirken auf Hebel 25, 26, die Achsen drehen, auf denen die Prismengruppen montiert sind.
Die Stellungen der beiden Glasplatten 16 und 17 werden durch zwei Mikrometerschrauben 27 und 28 erfasst. Diese wirken in ähnlicher Weise auf Achsen, auf denen die Glasplatten montiert sind, und die Schrauben weisen Skalen auf, die geeicht sind, um die Drehung der Blöcke oder die Verschiebung des Bildes zu messen.
Optical device for measuring small distances between two points of a
Subject
The present invention relates to an optical device for measuring small distances between two points of an object, e.g. B. the width of a narrow object viewed through a microscope.
Such measurements are necessary if, for example, the diameter of a fine wire or the diameter of a blood cell is to be determined precisely.
It is known that one of the best ways to accurately measure small distances, e.g. The diameter or thickness of an object viewed through the microscope consists in taking two images of the object and then translating the first image relative to the second image until the two edges or points whose distance is to be measured to overlap in both images.
The amount by which each image has to be moved can be precisely determined and gives the exact value for the diameter or width of the object. The covering of the relevant edges or points can be carried out with great accuracy. Devices with this working principle enable very precise results.
It is the object of the present invention to provide a better optical device for measuring small distances accurately.
According to the present invention the optical device for measuring small distances between two points of an object is characterized by two optical systems, by first means for directing a light beam from the object through each of the optical systems so that two coincident images of the object result by second means for moving the optical systems relative to one another in order to bring the images apart so that an image of the first point coincides with an image of the second point, and by third means for measuring the relative movement of the optical system which is necessary to cause the images of the two points to coincide in the required way.
Preferably, each of the optical systems comprises a rhombic prism, on one end of which a right-angled prism is cemented with a partially reflective surface between the prisms, and a light beam is guided through each of the rhombic prisms and the associated right-angled prism so that two images of the object.
A relative rotation of the prism pairs then causes the images to move relative to one another.
The images are preferably moved until the edges or points whose distance is to be measured overlap. The relative rotation of the optical systems can be measured and gives an exact value of the relative distance by which the images were moved, i.e. also the exact value of the width to be measured.
In a particularly advantageous embodiment of the subject matter of the invention, each optical system contains a plane-parallel glass block which can be rotated relative to the associated optical system in order to move the relevant image.
An exemplary embodiment of the subject matter of the invention is illustrated in the accompanying drawing and described below. Show it:
Fig. 1 schematically shows a side view in section through a median plane of the embodiment of the optical device according to this invention and
Fig. 2 is a side elevation of the entire device.
According to FIG. 1 of the drawing, the optical device has a housing 1 that can be placed on the extension tube 2 of a microscope and has an eyepiece 3 that sits on a suitably arranged opening 4. Two groups of prisms 5, 6 are arranged in the housing 1 and consist of rhombic prisms 7, 8, of which each prism carries a cemented right-angled prism 9 or 11 at one end. The cemented surface 12 or 13 between each rhombic prism and its right-angled prism is treated so that it is partially reflective, e.g. B. by partially metallizing the surfaces of the prisms.
The prism groups are arranged so that their major axes are normally parallel to one another and can be rotated relative to one another about a vertical axis by any mechanism.
The path of a light beam from an object 15 viewed through a PI / microscope is indicated by lines provided with arrows.
The light beam is reflected on the cemented surface 13 of the prisms 8 and 11 and split into two beams. One beam runs through the rhombic prism 8 and is reflected at the end of the prism in such a way that it runs through the right-angled prism 9, the cemented surface 12 and the eyepiece 3. The second beam passes through the cemented surface 13 and the right-angled prism 11 into the rhombic prism 7, is reflected therein and deflected by the cemented surface 12 into the eyepiece 3.
Therefore, two images of the object 15 are created in the eyepiece 3. If the prism groups 5, 6 are arranged parallel to one another, then the two images coincide; However, if the prism groups are rotated relative to one another about the axis 14, then the images move apart.
The images move in a direction which, for small relative rotations of the prism groups, is normal to the plane of FIG. 1.
When rotating only one prism group, whereby the position of the other group remains unchanged, one image remains unchanged in its position, while the other describes an arc of a circle with a radius that is equal to the distance between the axis of the eyepiece and the axis of the telescope tube . When both groups of prisms are rotated in opposite directions, the images move apart symmetrically, and a line connecting corresponding parts of the images points in a fixed direction into space. The images move against the axis 14, but except for images that are smaller than half the field diameter, this movement is very small and has practically no disadvantage.
If the images are moved relative to one another so that opposite edges overlap, and the relative movements of the prism groups are measured, these measurements give an exact measure of the width of the object. The movements of the prism groups can be measured by one or two micrometer screws.
If these micrometer screws are properly calibrated, the width of the object can be obtained directly. Usually two micrometer screws are used and interlocked in a suitable manner, with each screw acting on a lever arm or an articulated connection which is connected in a known manner to a group of prisms.
In the case of very precise measurements of changes in diameter of relatively large objects, the case may arise that the scales which indicate the relative rotation of the two groups of prisms cannot be read off with sufficient accuracy. The device is therefore modified for this purpose in that two optically plane-parallel glass plates 16, 17 are placed between the two groups of prisms in the manner shown in FIG. 1, so that each of the two beams passes through one of the glass plates. The glass plates 16, 17 can be rotated about a horizontal axis in the plane of the figure. The rotation of one of the plates causes a further relative movement of the two images viewed in the eyepiece 3. The amount of relative movement of the images depends on the thickness of each plate and the angle of rotation of the plate.
The mode of operation of the device, which has been modified in its shape, is as follows: The object is introduced into the microscope and the two images visible in the eyepiece are moved relative to one another by rotating the prism groups 5, 6 until the edges to be measured almost overlap . The groups of prisms are then clamped in their position and the two edges are completely covered by rotating one of the two plates 16, 17.
The reading of the scale indicating the relative movement of the plates 16, 17 is noted. By choosing the thickness of the plates 16, 17 it can be achieved that a rotation by a certain amount corresponds to an image movement which can be as small as desired, and the scale can then be made as large as the accuracy of the measurements requires . In order to compare the diameter of two objects, the second object is placed in the place of the first object, and the difference in the diameter of the two objects can be read directly from the open scale corresponding to small rotations of one of the plates 16, 17.
The device described above provides a means of accurately measuring the width of objects viewed through a microscope and comparing the width of larger objects if they differ only by small amounts. The device can easily be attached to such a microscope without changing the microscope.
An accuracy of the order of magnitude of 5 by 10 mm can be achieved with the device if a diameter of the order of magnitude of 2.5 by 10-2 mm is measured.
FIG. 2 illustrates a complete optical device used with a microscope 21.
The container 1 sits above the extension tube 2 of the microscope, and the object 15 to be examined is on the support 22 of the microscope.
The positions of the two prism groups 5 and 6 are detected by micrometer screws 23, 24 which have scales in order to measure the rotation of each prism group directly. The scales can be calibrated in order to directly indicate the desired distance between two points. The micrometer screws 23, 24 act on levers 25, 26 which rotate axes on which the prism groups are mounted.
The positions of the two glass plates 16 and 17 are recorded by two micrometer screws 27 and 28. These act in a similar way on axes on which the glass plates are mounted, and the screws have scales that are calibrated to measure the rotation of the blocks or the displacement of the image.