-
Verfahren und Vorrichtung zum Messen von Winkeln durch-Kreisteilungen
oder den Kreisteilungen ähnliche Teilungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren
sowie eine Vorrichtung zur Messung von Winkeln durch Kreisteilungen oder den Kreisteilungen
ähnliche Teilungen.
-
Man kann Teilungen durch mechamsche Unterteilungen des Kreisumfanges
herstellen. Die Genauigkeit der Unterteilung kann durch optische Mittel erhöht werden.
Die erzielbare Genauigkeit ist jedoch von der Genauigkeit abhängig, mit der die
einzelnen Teilelemente zum Gesamtumfang zusammengesetzt werden können. Eine derartig
erzeugte Kreisteilung enthält gewisse Intervallfehler.
-
Es ist -deshalb auch bereits vorgeschlagen, die Wellenlänge des Lichtes,
durch die eine sehr genaue Teilung bekannt ist, zu verwenden und durch Beobachtung
von Lichtinterferenzen gleicher Dicke Stellen festzulegen, die das Vielfache der
halben Wellenlänge sind, so daß sich durch die verschiedenen Lichtwellenlängen verschiedene
Teilungen ergeben.
-
Diese Lichtinterferenzen sind an zwei Lichtwellen züge, die von der
gleichen Lichtquelle stammen, jedoch nicht durchaus an ein Medium gebunden und erfordern
besondere optische Geräte, um die durch räumliche Intensitätsschwankungen entstehenden
Interferenzen sichtbar zu machen. An Stelle von Lichtwellen ist auch die Verwendung
von Ultraschallwelien in einem Medium zur Bildung von Interferenzen in Betracht
gezogen. Interferenz-Indikatoren bzw. Interferenz-Komperatoren hat man benutzt,
um geringe Abstandänderungen oder Dickenunterschiede durch Auszählen der Interferenzstreifen
auszumessen. Die sich aus dem Abstand der Interferenzstreifen ergebende Teilung
ist für lineare Teilungen leichter verwendbar als für Kreis teilungen. Mittelpunktsymmetrische
Interferenzbilder sind zu grob geteilt, um für Winkelmessungen praktisch Verwendung
finden zu können.
-
Es ist auch bereits vorgeschlagen, durch stehLde Ultraschallwellen
in einem Festkörper, wie Quarzplatten, Doppelbrechung zu verursachen und die entstehenden
Schwingungsfiguren zur Lichtmodulation, hei sp ielswei se zur hochfrequenten Lichtunteffrechung
bei der Bildtelegrafie oder heim Fernsehen oder zur Aufzeichnung sehr kleiner Zeitintervalle
zu verwen den, wobei jedoch die mit doppelter Schallfrequenz erfolgenden Aufhellungen
und Verdunklungen zur Messung benutzt werden, nicht aber die Distanz nebeneinanderliegender
Schwingungsmaxima oder -minima.
-
Zur Winkelmessung werden sehr genaue Kreisteilungen benötigt, die
nicht mittelpunktsymmetrisch, sondern umfangssymmetrisch ausgebildet sein müssen.
-
Solche umfangssymmetrischen Kreisteilungen als von Wellen, insbesondere
Ultraschallwellen, erzeugte Schwingungsfiguren zu erhalten, ist das Ziel der Erfindung,
deren Verfahren darin besteht, daß ein einen
Kreis querschnitt aufweisendes spannungsfreies
Medium, vorzugsweise ein fester Körper (Glas, Kristalle usw.), durch Wellen, vorzugsweise
Ultraschallwellen, zu Schwingungen angeregt wird und die Frequenz zur Anregung dieses
Mediums so eingestellt wird, daß die Schwingungsfiguren bevorzugt am Umfang des
Mediums oder parallel zu diesem als auf einem Kreis angeordnete gleichabständige
Maxima und Minima entstehen, die unmittelbar als Skalen für die Winkelmessung benutzbar
sind.
-
Man wird die Frequenz der erregenden Schwingung vorzugsweise derart
wählen, daß die entstehende Schwingungsfigur bevorzugt aus einzelnen, auf einem
Kreis nebeneinanderliegenden, radial verlaufenden Marken besteht, wobei die Abmessungen
des schwingenden Mediums und die Schwingungsofrequenz so gewählt werden, daß eine
zur Winkelmessung geeignete, also entweder eine durch 2 und 5 oder eine durch 2,
3 und 5 teilbare Skala entsteht.
-
Nach einem weiteren Verfahrensmerkmal wird die Frequenz des Schalisenders
durch Intensitätsmessungen an den Marken der Schwingungsfigur exakt eingestellt
und konstant gehalten, beispielsweise dadurch, daß eine lichtelektrische Vergleichsmessung
an. einer Hell- und einer Dunkelstelle der im polarisierteni Licht sichtbar gemachten
Schwingungsfigur mittels zweier Fotozellen erfolgt und der Helligkeitsunterschied
durch Regulierung der Frequenz auf einen maximalen Wert eingestellt wird. Die genaue
Konstanthaltung der für die Erzeugung einer Kreis teilung eingestellten Sendefrequenz
ist wichtig, da die umfangs symmetrischen Schwingungsfiguren oft schon bei geringfügig
abweichender Frequenz verschwinden und
bei weiterer Abweichung ihre
Teilung oder ihre Schwingungsfigur ändern. Unter Zugrundelegung gleicher 5 chwingungsverhältnis
se sowohl des Mediums als auoh der Schwingungs;frequenz kann man nicht nur die gewählte
Umfangsteilung aufrechterhalten, sonr dern auch stets wiederfinden. Man wird solche
Teilungen bevorzugen, die nach Möglichkeit eine direkte Ablesung der geforderten
Winkelmessung zulassen. Bei einer beliebigen bekannten Zahl von Marken längs des
Umfanges oder parallel hierzu ist selbstverständlich durch entsprechende Interpolation
eine genaue Win4<elmessung ebenfalls möglich.
-
Es ist möglich, die Schwingungsfigur mit Hilfe von linear oder zirkular
polarisiertem Licht sichtbar zu machen und abzubilden. Außerdem ist es möglich,
die bei der Durchstrahlung schwingender Körper entstehende Bseugungserscheinung
im unpol ari s ierten oder polarisierten Licht zur Erzeugung einer für die Winkelmessung
geeigneten Skala heranzuziehen, wobei bei geeigneter Wahl von longitudinalen und
transversalen Schallwellen im Medium auf einem Kreis angeordnete gleichabständige
Beugungsmaxima entstehen.
-
Falls man die umfangssymmetrische Teilung nicht unmittelbar als Skala
für die Winkelmessung benutzen will, kann man die umfangssymmetrische Schwing gungsfigur
als Grundlage für die Herstellung auf andere Weise geteilter, z. B. gerissener Kreisskalen
benutzen. Man kann auch die Schwingungsfigur im direkten fotografischen Kontaktverfahren
oder nach erfolgter optisch einwandfreier Zwischenabbildung zur unmittelbaren Erzeugung
von Winkelmeßskalen, beispielsweise von durchsichtigen Glas skalen, benutzen.
-
Die zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens dienende Vorrichtung
kennzeichnet sich dadurch, daß ein spannungsfreier Glaszylinder oder ein ebensolcher
rohrförmiger Glaskörper mit einem Schwingquarz in an sich bekannter Weise durch
ein Übertragungsmedium an einer oder mehreren Stellen seines Umfanges gekoppelt
ist und er koaxial in einem optischen System angeordnet ist, welches vor dem Körper
eine Lichtquelle, einen Kondensator und einen Polarisator und nach dem Körper einen
Analysator und eine Linsenoptik aufweist. Die Linsenoptik kann entweder ein Objektiv
und ein Okular oder eine Abbilfdungsopbik mit einem Objektiv und einem Schirm sein.
Der Sdhirm kann zweckmäßig eine lichtempfindliche Schicht aufweisen, wenn man die
Skalen auf fotografischem Wegeerzeugenwill. Eine zweckmäß ige Ausführungsform einer
Winkelmeßeinrichtung mit Ultraschallwellen mit mikroskopischer Einrichtung besteht
darin daß der schwingende Körper fest und die aus einem Mikroobjektiv und dem Okular
bestehende mikroskopische Beobachtungseinlrichtung zusammen mit einem Winkelmeßtisch
um den Mittelpunkl des zylindrischen Körpers drehbar angeordnet sind.
-
Die Vorrichtung wird zweckmäßig durch eine zweite mikroskopische
Einrichtung mit einer vor dem schwingenden Körper befindlichen Lichtquelle, einem
Kondensator und einem Polarisator und einem nach dem Körper befindlichen Analysator
und zwei Prismen ergänzt, die je die Hälfte des Feldes zweier n,ebeneinanderliegender
Hell- und Dunkelmarken auf zwei Fotozellen einer elektrischen Brückenschaltung projizieren,
wobei ein in der Brückenausgleichleitung liegendes Gerät auf den Helligkeitsunterschied
zwischen der hellen und der dunklen Marke anspricht, so daß entweder die Erregerfrequenz
durch Beobachtung des Größtausschlages des Instrumentes von Hand oder durch das
Instrument selbsttätig auf den richtigen
Wert einregulierbar ist, um die Schwingungsfiguren
erzeugende Frequenz exakt einstellen und konstant halten zu können.
-
Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung in mehreren Ausführungsbeispielen
dargestellt, und zwar zeigt Fig. 1 die schematische Darstellung einer Einrichtung
zur Erzeugung einer Kreisteilung, Fig. 2 a, 2 b und 2 c einige der sich ergebenden
Schwingungsfiguren und Fig. 3 eine E-inrichtung zur direkten mikroskopischen Beobachtung
einer durch Ultraschallschwingungen erzeugten Kreisteilung im linear polarisierten
Licht mit lichtelek,trischer Anzeige der Konstanz der erregenden Schwingung.
-
In Fig. 1 ist 1 ein spannungsfreier Glaszylinder. Er wird durch den
Halter 2 auf der teilweise geschnitten gezeichneten Tischplatte 3 gehalten. In einem
Fenster 3a der Tischplatte 3 ist der Schwingquarz 4 befestigt.
-
Die Tischplatte 3 und der leitende Belag 5 des Schwingen quarzes stehen
durch die Zuleitungen 6 und 7 mit einem nicht dargestellten Hochfrequenzsender in
Verbindung, derart, daß hierdurch der Schwingquarz 4 mit einer geeigneten Ultraschallfrequenz
zum Schwingen gebracht wird. Die Schwingungen des Schwingquarzes 4 werden dabei
mit Hilfe des Ubertragermediums 8 (z. B. Paraffinöl oder Fett) auf den Glaskörper
1 über tragen. Der Glaskörper 1 wird mit der aus der Glühlampe 9 und dem Kondensor
10 bestehenden Beleuchtungsvorrichtung durchleuchtet und durch das Objektiv 11 auf
der lichtempfindlichen Schicht 12 in optisch einwandfreier Weise abgebildet. Zwischen
dem Kondensor 10 und dem Glaskörper 1 befindet sich der Polarisator 13, der so eingestellt
ist, daß das aus ihm austretende Licht in einer Ebene schwingt, die um 450 gegen
die Senkrechte geneigt ist, wie dies durch den Pfeil 14 angezeigt wird. Zwischen
dem Glaskörper 1 und dem abbildenden Objektiv 11 befindet sich der Analysator 15,
dessen Schwingungsebene um 900 gegen die Ebene des Polarisators 13. gedreht ist
(Pfeil 16), so, daß bei nicht angeregtem Glaskörper Dunkelheit über das gesamte
Gesichtsfeld beobachtet wird.
-
Bringt man jedoch den Glaskörper mit Hilfe des Schwingquarzes zum
Schwingen, so bilden sich bei geeigneten Frequenzen symmetrische Schwingungsfiguren
aus, von denen einige in Fig. 2a und 2b dargestellt sind. Die in Fig. 2 a gewählte
Frequenz erzeugt eindeutige Markierungslinien mit um je 450 voneinander abweichendem
Winkel. Durch geringfügige Veränderung der Frequenz verschwindet diese Figur und!
es entsteht bei weiterer geringfügiger -Ariderung der Frequenz die in Fig. 2 b dargestellte
Schwingungsfigur. Diese besteht aus achtundvierzig kleinen gleichabständigien Marken,
die am Umfang des Kreiszylinders angeordnet sind und sich deshalb -als Skalenelemente
für Winkelmessungen bevorzugt eignen. Durch Wahl einer höheren Frequenz und gegebenenfalls
Änderung der Abmessungen des Glaszylinders kann die Anzahl der gleichabständigen
kleinen Marken erhöht werden.
-
In Fig. 2c ist das Schwingungsbild eines schwingenden rohrförmigen
Glaskörpers dargestellt, das aus kleinen, im gleichen Abstand nebeneinanderliegenden
Marken parallel zum Umfang des Körpers besteht.
-
Durch geeignete Wahl der Anregung, beispielsweise auch von der Bohrung
des rohrförmigen Glaskörpers aus, kann man diese Markierung besonders gut zur Geltung
bringen. Die Abmessungen. des rohrförmigen Glasikörpers wurden so gewählt, daß dreißig
nebeneinanderliegende
Marken auftreten, so daß ein einfacher Bezug
auf die bei der Winkelmessung übliche 3600-Skala gegeben ist. Auch hierbei kann
man durch Änderung der Frequenz und der Abmessungen des rohrförmigen Körpers die
Zahl der Marken erhöhen.
-
Derartige Schwingungsfiguren hönnen nach dem Vorschlag der Erfindung
nach erfolgter optisch einwandfreier Zwis chenabbil dung auf lichtempfindliches
Material projiziert und so in einfacher Weise zur Erzeugung von Kreisteilungen benutzt
werden. In bestimmten Fällen ist es auch möglich, derartige Kreisteilungen im unmittelbaren
fotografischen Kontakt nach Zwischenschaltung einer Analysatorfolle herzustellen.
-
In Fig. 3 ist eine Winkelmeßeinrichtung mit Ultraschallwellen mit
mikroskopischer Einnohtung dargestellt. Hierbei hat die mikroskopische Einrichtung
gegenüber der in Fig. 1 dargestellten Anordnung den Vorteil, daß der schwingende
Körper mit parallelem Licht durchstrahlt wird.
-
Der schwingende Glaskörper 1 wird ähnlich wie in Fig. 1 durch einen
nicht dargestellten Schwingquarz zum Schwingen gebracht. Die entstehende Schwingungsfigur
wirdl mit Hilfe des Mikroobjektivs 17a und des Okulars 18 beobachtet. Die Durchleuchtung
findet mit Hilfe der Lichtquelle 9a und des Kondensors 10 cm statt. Der Polarisator
13 cm erzeugt entsprechend Fig. 1 linear polarisiertes Licht, das nach Zwischenschaltung
des Analysators 15 a eine Beobachtung der Schwingungsfigur zuläßt. Ordnet man dabei
den schwingenden Körper 1 fest an, so dreht sich die mikroskopische Anordnung zusammen
mit dem nicht dargestellten Winkelmeßtisch oder beispielsweise einem Zielfernrohr
um den Mittelpunkt des zylindrischen Körpers.
-
Zur Einhaltung der genauen Frequenz, mit der der Körper angeregt
wird, ist in Fig. 3 eine zweite mikroskopische Einrichtung angeordnet. Diese besteht
aus der Lichtquelle 9 b, dem Kondensor 10 b, dem Mikroskopobjektiv 17b, dem Polarisator
13 b, dem AnalyslaF tor 15 b und den beiden Prismen 19 und 20, die je die Hälfte
des Gesichts,feldes auf die Fotozellen 21 und 22 projizieren. 23 stellt bei exakt
eingehaltener Frequenz eine helle Marke gemäß Fig. 2 b und 24 einen dieser benachbarten
Dunkelraum dar. Vor den Prismen 19 und 20 ist eine Blende 25 angeordnet, die an
den Orten 23' und 24', die die Bilder von 23 und 24 sind, Lic'ht zu den Prismen
19 und 20 und damit zu den Fotozellen 21 und 22 gelangen lassen. Da 23' das Bild
einer hellen Marke, 2val' das Bild eines Dunkelraumes ist, erhält die Fotozelle
22 mehr Licht als die Fotozelle 21, so daß im Anzeigeninsltrument 26 der aus den
Fotozellen 21 und 22 sowie deni Widerständen 27 und 28 bestehenden Brückenschaltung
- gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Röshrenverstärkers - ein Ausschlag
festgestellt werden kann, der um so größer ist, je größer der Helligkeitsunterschied
der Hell- und der Dunkelmarke 23 und 24 ist. Der Helligloeitsunterschied zwischen
23 und 24 ist bei exakt eingestellter Frequenz, d. b. bei richtig ausgebildeter
Schwingungsfigur, am größten, so daß man die Sendefrequenz durch Beobachtung des
Größtausschlages des Instrumentes 26 entweder von Hand oder automatisch auf den
richtigen Wert einregulieren kann. In Abweichung von dem in. Fig. 1 bis 3 dargestellten
Verfahren schlägt die Erfindung weiter vor, die durch die Schwingung des Mediums
verandaßten Beugungserscheinungen des durchstrahlenden Lichtes zur Erbeugung von
Winkelmeßmarlien heranzuziehen, wobei bei geeigneter Wahl von longitudinalen und
trans-
versalen Schallwellen im Medium auf einem Kreis angeordnete gleichabständige
Beugungsmaxima ents,tHhen.