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Optisches Meßgerät nach dem Autokollimationsverfahren Die Erfindung
bezieht sich auf ein optisches Meßgerät, insbesondere auf ein Gerät, das es auf
optischem Wege gestattet, Dicken von durchsichtigen Platten und den Krümmungsradius
von Kugelflächen sehr genau zu bestimmen.
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Die Erfindung setzt ein optisches Meßgerät zur Bestimmung von Krümmungsradien
nach dem Autokollimationsverfahren als bekannt voraus, wie es beispielsweise in
Kohlrausch, »Praktische Physik«, S. 328 (Teubner-Verlag, Leipzig 1953), beschrieben
ist. Bei dem bekannten Meßgerät wird ein beleuchteter Spalt durch ein Objektiv auf
den verschiebbar angeordneten Prüfling abgebildet; dile vom Prüfling gespiegelten
Lichtstrahlen werden durch das Objektiv in der Brennebene eines Beobachtungsokulars
vereinigt, in der sich auch ein Fadenkreuz befindet. Es existieren nun zwei Stellungen
des Prüflings, bei denen das Bild des Spaltes in der Ebene des Fadenkreuzes liegt,
beide also scharf gesehen werden, und zwar einerseits, wenn das erste Bild des Spaltes
auf der Oberfläche des Prüflings liegt (man kann ihn dabei wegen der Kleinheit des
Bildes als Planspiegel betrachten), und andererseits, wenn die reflektierende Kugelfläche
so weit genähert (bei konvexem Prüfling) oder entfernt (bei konkavem Prüfling) ist,
daß die aus dem Objektiv austretenden Strahlen im Krümmungsmittelpunkt der Kugelfläche
des Prüflings konvergieren. Die einzelnen Strahlen treffen dann senkrecht auf die
Oberfläche des Prüflings auf und werden in sich reflektiert. Das durch die reflektierten
Strahlen erzeugte Bild würde am Ort des Spaltes entstehen; um es beobachtbar zu
machen, wird der Spalt über einen halbdurchlässigen Spiegel in den Strahlengang
eingespiegelt, während sich Objektiv und Okular auf einer Achse befinden.
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Bei Dickenmessungen von durchsichtigen Platten wird das Gerät so
eingestellt, daß die Reflexion einmal an der oberen und einmal an der unteren Grenzfläche
des Prüflings erfolgt. Aus der Abstandsdifferenz und dem Brechungsindex läßt sich
dann leicht die Dicke errechnen.
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Der Dickenmesser läßt sich besonders vorteilhaft für planparallele
und für mäßig gekrümmte Scheiben mit annähernd parallelen Oberflächen verwenden.
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Beispielsweise bei Windschutzscheiben ist eine genaue Kontrolle der
Dicke erwünscht, um eine verzerrungsfreie Durchsicht garantieren zu können Die bekannten
Geräte haben vor allem den Nachteil, daß es schwierig und ermüdend ist, die Schärfe
des Spaltbildes zu beobachten und genau zu definieren, wann ein Maximum an Schärfe
erreicht ist. Dieser Nachteil fällt besonders bei Reihenuntersuchungen ins Gewicht,
die von unqualifizierten Arbeitskräften ausgeführt werden sollen. Weiterhin hat
es sich für viele
Zwecke als unpraktisch erwiesen, eine besondere Verschiebevorrichtung
für den Prüfling vorzusehen.
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Durch die Erfindung sollen diese Mängel behoben werden.
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Das erfindungsgemäße optische Meßgerät ist dadurch gekennzeichnet,
daß es eine schräg gestellte Strichplatte, d. h. eine eine Skala oder Teilung tragende
Glasplatte, oder wirkungsgleiche Vorrichtung an Stelle des bisher verwendeten Spaltes
enthält.
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Zweckmäßig ist in dem Instrument eine weitere Linse enthalten, die
so angeordnet ist, daß der Strahlengang zwischen ihr und dem Objektiv telezentrisch
ist, also parallel zur optischen Achse verläuft. Exakt gilt dies natürlich nur für
Strahlen, die von der Mitte der Strichplatte ausgehen.
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Durch die schräg gestellte Strichplatte entsteht in der Fadenkreuzebene
ein Bild, das wegen der verschiedenen Abstände der Striche der Strichplatte vom
abbildenden Objektiv nur teilweise scharf ist. Bei Abstandsänderungen Objektiv-Prüfling
wandert die scharfe Zone durch die Ebene des Fadenkreuzes im Okular. Das Gerät ist
richtig eingestellt, wenn sich der Mittelstrich der schrägen Strichplatte scharf
in der Mitte des Fadenkreuzes befindet. Das Wandern der scharfen Zone und ihre Koinzidenz
mit dem Fadenkreuz ist natürlich viel leichter und müheloser zu beobachten als die
maximale Schärfe des Spaltes.
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Der Prüfvorgang wird daher erheblich beschleunigt und kann auch von
unqualifizierten Kräften einwandfrei ausgeführt werden.
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Der telezentrische Strahlengang im Gerät hat den Vorteil, daß der
Prüfling nicht mehr verschoben zu werden braucht, man kann vielmehr das Objektiv
mittels einer im Gerät enthaltenen, sehr präzis ausführbaren Mikrometerschraube
od. ä. verschiebbar machen, an der dann die entsprechenden Werte abgelesen werden
können. Das Gerät wird dadurch auch kompakter und leichter transportabel, es braucht
nur
auf dem Prüfling aufgestellt zu werden. Dasselbe gilt, wenn
das Gerät als Dickenmesser verwendet werden soll.
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Der Erfindungsgedanke soll nun an Iland- der Zeichnung näher beschrieben
werden.
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Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau des Gerätes, Fig. 2 den Strahlengang
bei Dickenmessungen; Fig. 3 zeigt ein verbessertes Dickenmeßgerät, das die Senkrechtstellung
des Prüflings zur Achse des Gerätes erleichtert, Fig. 4 den Strahlengang bei Messuiigen
des Krümmungsradius von Kugelflächen.
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Das Gerät nach Fig. 1 besteht aus einer Beleuchtungseinrichtung 1
mit Lichtquelle und Kondensor. der erfindungsgemäßen, schräg stehenden Strichplatte
2, einem halbdurchlässigen Spiegel 5, den wahlweise einschaltbaren Zwischenlinsen
6 und 7 (die jeweils natürlich auch aus mehreren Linsen zusammengesetzt seini können)
dem durchbohrten Fernrohrobjektiv 8, dem Mikroskopobjektiv 9, einem Farbfilter 10,
ferner aus dem Fadenkreuz oder der Strichplatte 4, die sich in der Brennebene des
Okulars 3 t>efindet. Die Teile 2, 4, 5 und 7 sind so angeordnet. daß sich der
Mittelpunkt der schräg gestellten Strichplatte 2 und das Fadenkreuz 4 in der Brennebene
der Zwischenlinse 7 befinden. Die ganze Anordnung hefindet sich in einem Tubus.
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Die Objektive 8 und 9 sind meßbar verschieblich in dem Tubus des
Gerätes gelagert. Bei Dickenmessungen wird nun das Gerät, das unten drei Auflagepunkte
besitzen kann, auf den Prüfling 11 gestellt.
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Die Objektive werden nun mit der Mikrometerschraube so verschoben,
daß die erste Oberfläche in den Brennpunkt eines der Objektive 8 oder 9 gelangt
(s. Fig. 2). Bei dünnen Platten wird man im allgemeinen das Mikroobjektiv verwenden,
das eine höhere Meßgenauigkeit gewährleistet. Bei dicken Platten kann man wegen
der geringen Schnittweite, das ist der Abstand des Brennpunktes von der letzten,
dem Brennpunkt nächstliegenden Linsienfläche des Alikroobjektivs nicht auf die untere
Grenzfläche der Platte scharf einstellen, man muß daher mit dem langbremlweitigeren
Objektiv 8 arbeiten. Zur Unterscheidung. welches der Objektive 8 oder 9 das Bild
entwirft. ist das Farbfilter 10, z. B. eine Gelbscheibe, vorgesehen.
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Wenn die reflektierende Oberfläche in die Nähe der Brennebene des
abbildenden Objektivs 8 oder 9 gelangt, entsteht ein Bild der Strichplatte 2 in
der Nähe der Ebene des Fadenkreuzes 4. Da die Strichplatte 2 schräg steht, liegen
die auf ihr befindlichen Striche in ganz verschiedenen Abständen von der Zwischenlinse7;
bei ungefährer Einstellung des Objektivs in bezug auf die reflektierende Oberfläche
wird also einer der Striche scharf in der Fadenkreuzebene erscheinen. Das Objektiv
braucht nun nur mittels der Mikrometereinstellung so weit verschoben zu werden,
bis dier Mittel- oder Nullstrich der Strichplatte 2 scharf in der Fadenkreuzebene
erscheint. Beim Verschieben der Objektive 8 oder 9 wandert also eine scharfe Zone
durch das Gesichtsfeld des Okulars; die richtige Einstellung, nämlich, wenn der
Nullstrich scharf in der Fadenkreuzmitte erscheint. ist sehr leicht zu finden.
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Wenn auf die obere Grenzfläche 12 scharf eingestellt ist (Fig. 2,
a), wird das Objektiv gesenkt, bis das Bild nunmehr in die untere Grenzfläche 13
zu liegen kommt und dann scharf im Okular erscheint (Fig. 2, b). Aus der Differenz
der Mikrometerablesungen und dem Brechungsindex des Glases läßt sich dann die Dicke
der Scheibe 11 bestimmen.
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Wenn immer gleichbleibende Glassorten geprüft werden, z. B. Spiegelglas
mit einem Brechungsindex n=1,52. kann die Teilung der Skala der Objektivverstellung
so gewählt werden, daß die Dicke direkt in Millimeter abgelesen werden kann. Man
kann das Gerät dann auch so ausbilden, daß die Skala den Wert Null zeigt, wenn es
mit den drei Auflagepunkten auf den Prüfling gestellt wird, dann braucht man nur
auf die untere Grenzfläche einzustellen.
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Durch Einschalten der Zwischenlinse 6 anstatt der Linse 7 kann die
Empfindlichlieit geändert werden, die Vergrößerung ist ja bekanntlich gleich Objektivzu
Okularbrennweite.
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Das erfindungsgemäße Gerät erlaubt besonders bequem die Überwachung
von Dickentoleranzen. Wird beispielsweise das Gerät mit seinen drei Auflagepunkten
auf eine zu prüfende Glasscheibe gestellt und das Bild nach Fig. 2, b in die untere
Grenzfläche gelegt, so erscheint der Nullstrich der schrägen Strichplatte scharf
in der Fadenkreuzebene. Verschiebt man nun das Gerät längs der zu prüfenden Scheibe,
ohne die Einstellung zu ändern, so bleibt der Nullstrich nur dann scharf, wenn die
Dicke der Scheibe sich längs der Bahn des Gerätes nicht ändert. Ändert sich jedoch
die Dicke beim Verschieben des Gerätes, so wird der Nullstrich unscharf, und die
benachbarten Striche erscheinen der Reihe nach scharf. Man kann auf diese Weise
sehr leicht, ohne das Gerät verstellen zu müssen, die Dickenänderungen längs des
Weges des Gerätes beobachten und in einfachster Weise die Toleranz überwachen, indem
man beispielsweise vorschreibt. daß höchstens die Striche +2 scharf erscheinen dürfen.
Bei den bekannten Geräten müßte für jeden neuen Ort auf der Scheibe die Schärfe
des Spaltbildes nachgestellt und die Toleranz an Hand der abgelesenen SIeßverte
bestimmt werden. Bei dem erfindungsgemäßen Gerät ist eine direkte Anzeige der Abweidungen
vorhanden, und die Toleranzen können mühelos überwacht werden.
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Bei den Scharfeinstellungen des Bildes auf die reflektierenden Oberflächen
spielt wegen der relativ großen Apertur der Objektive. besonders des Mikroobjektivs,
die Lage der reflektierenden Fläche in bezug auf die optische Achse des Gerätes
keine zu große Rolle. Um genaue Älessungen zu erhalten, ist es jedoch erwünscht,
daß die optischeAchse senkrecht zu den reflektierenden Flächen steht. Diese Senkrechtstellung
wird bei ebenem Prüfling durch die drei Auflagepunkte gewährleistet, mit denen das
Gerät auf der Oberfläche der zu prüfenden Planscheibe ruht. Bei gekrümmten Scheiben,
hesonders wenn die Krümmung längs der Scheibe nicht konstant ist, muß ein anderer
Weg beschritten werden. Gemäß Fig. 3, a wird hierzu ein zweites Äiikroobjektiv 9a
vorgesehen, das gegebenenfalls herausschraubhar oder herausschwenkbar ausgebildet
sein kann und das zwedcmäßigerweise in seinen Daten dem Objektiv 9 entspricht. Durch
dieses Zusatzobjektiv 9a wird der Strahlengang telezentrisch. Das Parallelstrahlbülldel
18 wird an der Oberfläche 19 des Prüflings in sich reflektiert, wenn die Achse senkrecht
auf der Oberfläche 19 steht.
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Denselhen Effekt könnte man an sich erreichen, wenn man, statt ein
Zusatzobjektiv 9 a zuzusetzen, das Objektiv 9 entfernen würde. Dies hat aber den
Nachteil, daß eventuell die Eichung der Mikrometerschraube in bezug auf das Objektiv
dejustiert werden könnte.
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Weiterhin hat man hei zwei hintereinandergeschalteten Mikroobjektiven
noch die Möglichkeit, auch gekrümmte Scheiben einwandfrei senkrecht zu stellen.
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Eine gekrümmte Scheibe 20 wirft nach Fig. 3, b das
Licht
nicht wie die Planfläche 19 in Fig. 3, a in sich zurück. der Strahlengang 21 verläuft
vielmehr bei konvexen Flächen 19 a, wie in Fig. 3, b gestrichelt gezeichnet, nach
der Reflexion divergent, und das Bild im Okular wäre unscharf. Diese Divergenz läßt
sich durch geringfügiges Verschiel)en der beiden WIikroobjektive gegeneinander kompensieren,
das Strahlenbündel 22 wird an der gekrümmten Fläche 19 a in sich reflektiert, wenn
die Achse senkrecht auf der Tangentialebene an die Fläche 19 a im Durchstoßpunkt
der Achse steht.
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Arbeitet man mit dem durchbohrten Fernrohrobjektiv 8 in Fig. 1, so
kann man zuerst mittels der Objektive 9 und 9 das Gerät senkrecht stellen und dann,
ohne Veränderungen vornehmen zu müssen, mit dem Objektiv 8 die Dicke messen. Auch
hier wird durch das Farbfilter 10, das eine Unterscheidung der Strahlengänge durch
das Fernrohrobjektiv 8 einerseits und das Mikroobjektiv9 andererseits erlaubt, die
Unterschaltung der Bilder erleichtert.
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Die Messung von. Krümmungsradien wird folgendermaßen bewerkstelligt.
Bei konkaven Flächen wird zuerst das Objektiv von oben dem Prüfling genähert, bis
die in Fig. 4, a gezeichnete Lage erreicht ist. Das reelle Bild der Mitte der Strichplatte
liegt dabei im Krümmungsmittelpunkt, die divergierenden Strahlen werden an der Oberfläche
16 des Prüflings in sich reflektiert und verlaufen in sich zurück, so daß im Fadenkreuz
ein scharfes Bild der Mitte der Strichplatte entsteht. Die Einstellung der Mikrometerverstellung
wird abgelesen. Nun wird das Objektiv 9 bis in die in Fig. 4, b gezeichnete Stellung
gesenkt, das Bild entsteht nun in der Oberfläche 16 des Prüflings, die wegen der
Kleinheit des Bildes als praktisch ebener Spiegel betrachtet werden kann. Wiederum
entsteht ein scharfes Bild der Mitte der Strichplatte in der Fadenkreuzebene des
Okulars. Die Mikrometerskala wird wiederum abgelesen, die Verschiebung r des Objektivs,
also die Differenz der abgelesenen Werte, ist gleich dem gesuchten Krümmungsradius.
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Bei konvexen Flächen verfährt man entsprechend.
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Die beiden Stellungen des Objektivs, bei denen ein scharfes Bild im
Okular entsteht, sind in Fig. 4, c und 4, d dargestellt. Bei schwach gekrümmten
Flächen muß bei der Einstellung nach Fig. 4, d, also der Stellung, wo die Strahlen
aus dem Objektiv 9 im Krümmungsmittelpunkt konvergieren würden, das Fernrohrobjektiv
8 verwendet werden, da das Mikroskopobjektiv 9 eine zu geringe Schnittweite besitzen
kann.
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Bei dem Arbeiten mit dem Gerät ist zu beachten, daß das Bild der
geneigten Skala 2, das mit dem Okular 3 beobachtet wird, nur an einer kleinen Stelle
scharf in der Bildebene 4 erscheint. Beim Suchen nach der richtigen Einstellung
gleitet diese scharfe Stelle über die Skala hinweg. Die Skala ist symmetrisch zu
ihrem in der Mitte liegenden Nullpunkt. Die richtige Einstellung ist erreicht, wenn
die Schärfe an dem auf der Hauptachse liegenden Nullpunkt liegt.
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Infolge der großen Apertur des Mikroobjektivs 9 erreicht man bei
den Messungen mit diesem Objektiv eine größere Genauigkeit als mit dem Objektiv
8.
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Wegen der geringen Schnittweite des Mikroobjektivs kann man mit diesem
jedoch keine so großen Dicken
und bei konvexen Linsen keine so großen Krümmungsradien
messen. Bei der erfindungsgemäßen Einstellung mit der gleitenden Schärfe des Bildes
einer geneigten Skala erhält man aber auch mit dem Fernrohrobjektiv 8 eine gute
NIeßgenau igkeit.
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Der Erfindungsgedanke wurde am Beispiel der Dicken- und Krümmungsqradienmessung
erläutert. Der Erfindungsgedanke, bei Autokollimationsverfahren den abzubildenden
Spalt bzw. das Fadenkreuz durch eine schräg gestellte Skala oder Strichplatte zu
ersetzen, ist jedoch nicht auf diese Anwendungsbeispiele beschränkt. Der Fachmann
wird auf Grund der erteilten Lehre vielmehr eine schräg stehende Strichplatte überall
da anordnen, wo I,isher eine Blende oder ein Fadenkreuz in einer Ebene scharf ahgebildet
und das Zusammenfallen dieser Ebene mit der Ebene. in der das Bild entstand. beurteilt
werden mußte.
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PATENTANSPOCHE: 1. Optisches Meßgerät. insbesondere zur Messung der
Dicke von durchsichtigen Platten oder des Krümmungsradius von Kugelflächen, bei
welchem die von einem beleuchteten Gegenstand ausgehenden Strahlen an dem Ateßobjekt
reflektiert werden und durch ein Objektiv ein Bild des Gegenstandes in der Brennebene
eines Okulars, die ein Fadenkreuz oder eine Strichplatte enthält, entworfen wird,
dadurch gelsennzeiclanet, daß der Gegenstand eine schräg gestellte Strichplatte
oder wirkungsgleiche Einrichtung ist.