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Optische Einrichtung zur Messung und Einstellung kleiner Drehwinkel
Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung zur Messung und Einstellung kleiner
Drehwinkel mindestens eines um drei zueinander senkrechte Drehachsen drehbaren,
entfernten Meßobjekts mit einem Autokollimator- oder Kollimatorfernrohr als Bezugssystem,
dessen optische Achse auf eine Drehachse des Meßobjekts ausgerichtet ist.
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Die Stellung und Richtung eines Meßobjekts im Verhältnis zu einem
Bezugssystem bzw. -körper kann durch drei lineare Koordinaten und drei Winkelkoordinaten
definiert werden, entsprechend einer Parallelverschiebung längs und einer Drehung
um drei zueinander senkrechte Achsen.
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Verschiedentlich muß die Winkelstellung eines Körpers gegenüber einem
Bezugssystem gemessen werden. In anderen Fällen, z. B. bei der Ausrichtung der miteinander
fluchtenden Eingangs- und Ausgangswelle eines Getriebes, muß die Winkellage eines
Meßobjekts in bezug auf ein anderes Meßobjekt genau ausgerichtet werden.
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Zur Messung vorzugsweise kleiner Winkelabweichungen eines Meßobjekts
um eine oder zwei zueinander senkrechte Drehachsen von einer Soll-Winkellage sind
verschiedene Skalenfernrohr- und Spiegelanordnungen bekannt, insbesondere Kollimatorfernrohre
und die doppelt so winkelempfindlichen Autokollimatorfernrohre.
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Bei der Kollimatorfernrohranordnung erzeugt ein am Meßobjekt derart
befestigter Kollimator, daß seine optische Achse auf beiden Drehachsen des Meßobjekts
senkrecht steht, mittels einer Linse das Bild seiner beleuchteten Meßmarke (z. B.
Fadenkreuz oder Kreuzskala) im Unendlichen, d. h. ein Parallelstrahlenbündel. Letzteres
wird in beliebiger Entfernung im zugehörigen, koaxial ausgerichteten Fernrohr auf
dessen Meßmarke konvergiert. Mit dem Okular werden diese Fernrohrmeßmarke und das
ihr überlagerte Bild der Kollimatormeßmarke beobachtet, die nur bei genau koaxialer
Lage beider Geräte zusammenfallen. Bei waagerechter bzw. senkrechter Winkelabweichung
des Meßobjekts und somit auch der Kollimatorachse von ihrer vorzugsweise horizontalen
Sollage infolge Drehung um zwei zur Kollimatorachse senkrechte (waagerechte bzw.
senkrechte) Achsen verschieben sich beide Meßmarken gegeneinander. Die waagerechte
bzw. senkrechte Komponente des Meßobjektdrehwinkels können dann an der im Winkelmaß
geeichten Skalenmarke abgelesen werden, und zwar bei weitgehender Unabhängigkeit
von der Entfernung zwischen Meßobjekt und Fernrohr.
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Im Autokollimatorfernrohr sind demgegenüber Kollimator und Fernrohr
zu einer Einheit zusammengefaßt, indem das Lichtbündel des rechtwinklig seitlich
am Fernrohr montierten Kollimators durch einen um 450 gegen beide optische Achsen
geneigten halbdurchlässigen Spiegel koaxial durch das Fernrohrobjektiv geleitet
wird. Das austretende Parallelstrahlenbündel wird in beliebiger Entfernung von einem
am Meßobjekt senkrecht zur Fernrohrachse befestigten Spiegel wieder in das Fernrohr
zurückgeworfen und erzeugt auf dessen Meßmarke ein Bild der Kollimatormeßmarke,
die zusammen durch das Femrohrokular beobachtbar sind. Der Umstand, daß eine Drehung
des Meßobjektspiegels eine Ablenkung des reflektierten Lichtstrahls um den doppelten
Drehwinkel zur Folge hat, bedingt eine doppelte Winkelempfindlichkeit dieser Autokollimatoranordnung
gegenüber der vorbeschriebenen Kollimatoranordnung.
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Mit jeder der beiden bekannten Anordnungen können nur Drehungen des
Meßobjekts um zur Fernrohrachse senkrechte Achsen gemessen werden, jedoch keine
gleichzeitigen Drehungen um die Fernrohrachse bzw. eine zu ihr parallele Achse.
In der -
Praxis werden in einem solchen Fall gleichzeitig zwei derartige
Kollimator- oder Autokollimatoranordnungen mit zueinander senkrechten (vorzugsweise
horizontalen) Fernrohrachsen und zwei entsprechenden, zueinander senkrecht am Meßobjekt
befestigten Kollimatoren oder Spiegeln verwendet. Von den mittels jeder Anordnung
gemessenen zwei Meßobjektdrehwinkeln sind dann die beiden mit senkrechter Drehachse
identisch. Der Drehwinkel, dessen Achse jeweils mit der optischen Achse des einen
Fernrohrs zusammenfällt, wird mit dem anderen Fernrohr gemessen. Bei dieser üblichen
Methode für die gleichzeitige Messung von drei Meßobjektdrehungen um drei zueinander
senkrechte Achsen sind nachteilig der zusätzliche Aufwand einer zweiten Kollimator-
bzw. Autokollimatoranordnung, der meist erhebliche zusätzliche Platzbedarf für dieselbe
und der zusätzliche Zeitaufwand für die zum ersten Fernrohr genau senkrechte Justage
der zweiten sowie für die zweite Messung mit letzterem.
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Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, die genannten Nachteile
der Kollimator- oder Autokollimator-Doppelanordnung zu vermeiden und eine einzige
solche Autokollimator- oder Kollimatorfernrohranordnung zu schaffen, die unter Wahrung
der Unabhängigkeit von der Meßobjektentfernung die gleichzeitige Messung von kleinen
Drehwinkeln um drei zueinander senkrechte Achsen mindestens eines entfernten Meßobjekts
ermöglicht und als Bezugssystem dient, dessen optische Achse auf eine Drehachse
des Meßobjekts ausgerichtet ist.
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Dieses Ziel wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß an dem in
seiner Winkelstellung zu bestimmenden Meßobjekt ein aus spiegelnden oder durchsichtigen
parallelen Streifen, die mit absorbierenden Streifen abwechseln, bestehendes optisches
Gitter befestigt ist, daß die optische Achse des optischen Gitters auf die optische
Achse des Autokollimator-bzw. Kollimatorfernrohrs ausgerichtet ist und daß die Koordinatennetz-Meßplatte
im Autokollimator-oder Kollimatorfernrohr um dessen optische Achse drehbar ausgebildet
ist.
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Der Drehwinkel dieser Koordinatennetz-Meßplatte ist zweckmäßigerweise
an einer Winkelskala mittels zweier Nonien und zusätzlicher Okulare ablesbar.
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Das optische Gitter erzeugt mit seinen abwechselnd spiegelnden und
nicht spiegelnden bzw. durchsichtigen und nicht durchsichtigen Linien ein Beugungsbild
der von einer Lichtquelle beleuchteten Blende, die als Lochblende oder Kreuzspaltblende
ausgeführt ist.
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Lichtquelle und Blende sind in bekannter Weise entweder in einem Autokollimatorfernrohr
eingebaut oder von einem Kollimatorfernrohr getrennt am Meßobjekt befestigt.
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Aufbau und Wirkungsweise einiger den unterschiedlichen Anwendungen
angepaßter Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Drehwinkelmeß-bzw. Einstelleinrichtung
werden nachstehend an Hand von Zeichnungen näher beschrieben. Von letzteren sind
bzw. ist F i g. 1 eine perspektivische Prinzipskizze einer Autokollimatormeßeinrichtung,
Fig.2 eine perspektivische Skizze der drei Drehachsen und Drehwinkel des zu messenden
bzw. einzustellenden Körpers, F i g. 3 a bis 3 d Beugungsbilder der Lochblende 27,
28 auf der Koordinatennetz-Meßplatte 30 bei Veränderung
a) keines Winkels, b) des
Höhen-, Seiten- und Drehwinkels, c) des Höhen- und Drehwinkels, d) nur des Drehwinkels
des optischen Spiegelgitters 15 der Anordnung nach Fig. 1, F i g. 4 eine perspektivische
Prinzipskizze einer Kollimatormeßeinrichtung, Fig. 5 eine Autokollimatormeßeinrichtung
mit zwei Meßobjekten 70 und 71, deren optische Achsen aufeinander senkrecht stehen,
F i g. 6 eine Anordnung ähnlich F i g. 5, bei der jedoch die optischen und Drehachsen
der als synchron rotierende Wellen ausgebildeten Meßobjekt 80 und 81 miteinander
fluchten und eine Stroboskopeinrichtung 88 eine Folge von Augenblicksmessungen bewirkt,
Fig. 7 a eine an Stelle der Lochblende 27 in Fig. 1 und 4 verwendbare Kreuzspaltblende,
F i g. 7 b, 7 d, 7f Stellungen des Spiegelgitters 15 oder 72, 73, 82, 83 bzw. des
durchsichtigen Gitters 15' in Fig. 1 bzw. 4, F i g. 7 c, 7 e, 7 g Beugungsbilder
der Kreuzspaltblende nach F i g. 7 a auf der Koordinatennetz-Meßplatte 30 in F i
g. 1 oder 4 bei den Stellungen des optischen Gitters 15 bzw. 15' entsprechend F
i g. 7 b, 7d und 7f.
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Im ersten Ausführungsbeispiel nach F i g. 1 ist mit 10 ein im Prinzip
skizziertes Autokollimatorfernrohr bezeichnet, das in nicht dargestellter Weise
an einem Bezugskörper befestigt ist und als Bezugssystem dient.
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Ein hinsichtlich seiner drei Winkellagen gegen über dem Fernrohr
10 als Bezugssystem zu messender bzw. einzustellender Körper 14 ist in der Verlängerung
der optischen Achse 19 des Fernrohrs 10 in geeigneter Entfernung angeordnet und
trägt ein in seiner Ebene zur Fernrohrachse 19 etwa senkrechtes optisches Spiegelgitter
15.
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Fig.2 zeigt perspektivisch die drei aufeinander senkrechten Drehachsen
16, 17 und 18 des Spiegelgitters 15 am Meßobjekt 14, von denen die Dreh-und zugleich
optische Spiegelachse 16 mit der verlängerten optischen Achse 19 des Fernrohrs 10
in Übereinstimmung gebracht ist. Durch Drehung des Meßobjekts 14 um diese Achsen
wird der Drehwinkel bzw. der Seitenwinkel bzw. der Höhenwinkel des Spiegelgitters
15 eingestellt, d. h., die Ebene des Gitters 15 wird um seine und des Fernrohrs
optische Achse gedreht bzw. senkrecht zu ihr ausgerichtet oder um bestimmte kleine
Winkel geneigt.
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Das Autokollimatorfernrohr 10 enthält nach F i g. 1 als Lichtquelle
z. B. eine elektrische Lampe 26 in einem das Licht senkrecht zur optischen Fernrohrachse
19 reflektierenden und sammelnden Lampengehäuse 25. Unterhalb des Reflektors 25
befindet sich eine Blende 27 mit der Lichtdurchtrittsöffnung 28. Diese Öffnung kann
mehrere Formen haben, z. B. kreisförmig sein, also als Lochblende kleinen Durchmessers
eine punktförmige Lichtquelle hoher Intensität darstellen, wie F i g. 1 sie zeigt.
Die Blendenöffnung28 kann jedoch auch nach Fig. 7a die Form zweier sich kreuzender
enger Schlitze 90 haben, d. h. als Kreuzspaltblende ausgebildet sein, wie später
noch genauer erläutert wird.
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Unterhalb der Blende 27 ist ein aus zwei Prismen bestehender, den
Lichtstrahl aufteilender Würfel 29 mit einer in einem Winkel von 450 gegen die optische
Achse
19 geneigten halbdurchlässigen Spiegelfläche 80 angeordnet. Durch diese Fläche wird
etwa die Hälfte des durch die Blende 27 tretenden Lichts in Richtung der optischen
Achse 19 auf das Spiegelgitter 15 reflektiert, während die andere Hälfte des Lichtstrahls
den Würfel 29 nach unten ohne weitere Wirkung auf die Meßeinrichtung verläßt. Zwischen
dem Würfel 29 und dem Spiegelgitter 15 am Meßobjekt 14 befindet sich das Kollimatorobjektiv
50, das beispielsweise als Doppellinse aus einer Konkavlinse 51 und einer Konvexlinse
55 ausgeführt ist.
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Das Objektiv 50 hat eine solche Entfernung vom Strahlteilerwürfel
29, daß die Gesamtlänge des von der Blendenöffnung 28 als Punktlichtquelle ausgehenden
und vom Würfel 29 in die Richtung der optischen Achse 19 abgelenkten divergierenden
Lichtstrahls gleich der Brennweite des Objektivs 50 ist.
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Letzteres formt infolgedessen den divergenten Lichtstrahl in ein paralleles
Lichtstrahlenbündel um, d. h., es würde theoretisch ein Bild der Blendenöffnung
28 im Unendlichen erzeugen, wenn der Lichtstrahl nicht schon in relativ kleiner
endlicher, aber unkritischer, beliebiger Entfernung auf das Spiegelgitter 15 träfe.
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Wenn in bisher bekannter Art an Stelle des Spiegelgitters 15 ein
vollständig reflektierender Spiegel genau senkrecht zur optischen Achse 19 angeordnet
wäre, so würde dieser den parallelen Lichtstrahl uiiverändert parallel zur Achse
19 zum Objektiv 50 reflektieren. Der vom Objektiv 50 wieder konvergierte Lichtstrahl
tritt erneut in den Strahlteilerwürfel 29 ein, der etwa die Hälfte dieses reflektierten
Strahls längs der optischen Achse 19 zu einer Koordinatennetz-Meßplatte 30 durchläßt.
Diese Meßplatte 30 ist senkrecht und zentrisch zur optischen Achse in einem der
Brennweite des Objektivs 50 entsprechenden Abstand von letzterem angeordnet. Infolgedessen
würde unter der genannten Annahme eines zur optischen Achse genau senkrechten, vollständig
reflektierenden Spiegels ein einfaches Bild der Punktlichtquelle 28 auf der Meßplatte
30 in ihrem Schnittpunkt mit der optischen Achse 19 bzw. in ihrem Koordinatenursprung
entstehen. Die Meßplatte 30 und das auf ihr entworfene Bild der Lochblendenöffnung
28 werden zweckmäßigerweise mittels eines auf der optischen Achse angeordneten Okular-Linsensystems
33 in entsprechender Vergrößerung betrachtet. Das Okular, die Koordinatennetz-Meßplatte
30 und das Objektiv 50 stellen ein sogenanntes Skalenfernrohr dar.
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Wenn der angenommene, vollständig reflektierende Spiegel am Meßobjekt
14 um einen kleinen Seitenwinkel aus der zur optischen Achsel9 senkrechten Lage
durch Schwenkung um die senkrechte Drehachse 17 abgelenkt wird, so trifft das von
ihm reflektierte Licht nur noch zu einem Teil das Objektiv 50, wird also geschwächt,
und außerdem wird das Bild der Punktlichtquelle auf der Meßplatte 30 horizontal
in einer der beiden durch den mit Seitenwinkel bezeichneten Pfeil angegebenen Richtungen
abgelenkt.
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Entsprechend wird bei einer kleinen Drehung des Spiegels um die horizontale
Achse 18, also bei einer Änderung des Höhenwinkels, das Blendenbild auf der Meßplatte
30 vertikal nach oben oder unten in Richtung des mit Höhenwinkel bezeichneten Pfeiles
abgelenkt. Natürlich erfolgt bei gleichzeitiger Anderung des Seiten- und des Höhenwinkels
des Spiegels eine solche resultierende Ablenkung des Blendenbildes auf der Meßplatte
30, deren Betrag und Rich-
tung sich durch vektorielle Addition der Einzelablenkungen
ergibt.
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Eine Drehung des angenommenen, vollständig reflektierenden Meßobjektspiegels
nur um die mit der optischen Achse 19 zusammenfallende horizontale Achse 16 hat
dagegen keinerlei Wirkung auf das Bild der Punktlichtquelle 28 auf der Meßplatte
30. Die bekannte Ausführung eines Autokollimatorfernrohrs mit einem vollständig
reflektierenden Spiegel am Meßobjekt 14 erlaubt also nur Messungen von Seiten-und
Höhenwinkeln, d. h. von Meßobjektdrehungen um zwei zueinander und zur optischen
Fernrohrachse 19 senkrechte Achsen, dagegen keine Messung von Drehwinkeln um die
optische Achse 19 bzw. 16.
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Zur Ermöglichung der Messung von Drehwinkeln des Meßobjekts um die
optische Achse 16, 19 wird der Spiegel 15 mit abwechselnd reflektierenden und nicht
reflektierenden schmalen parallelen Streifen ausgeführt. In Fig. 1 sind diese undurchsichtigen,
nicht reflektierenden Streifen bzw. Linien mit 61, die reflektierenden mit 60 bezeichnet.
Wie bekannt, wirken bei einem derart geänderten Spiegel die reflektierenden Streifen
60 gewissermaßen als eine Vielzahl scheinbarer Lichtquellen, wenn sie parallele
Lichtstrahlen reflektieren. Ein solches Spiegelgitter 15 hat ebenso wie ein durchsichtiges
optisches Gitter Lichtbeugung zur Folge und erzeugt auf der Meßplatte 30 eine Vielzahl
von Beugungsbildern der Punktlichtquelle 28 in Form einer geradlinigen Lichtpunktkette.
In letzterer schließen sich beiderseits eines hellen Primärbildes der Lichtquelle
28 weniger helle Sekundärbilder steigender Ordnungszahl mit entsprechend abnehmender
Helligkeit an. Diese Kette von Beugungsbildern der Lichtquelle 28 auf der Meßplatte
30 verläuft immer senkrecht zu den Gitterlinien 60, 61 des Spiegelgitters 15.
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Sind die Ebene des Spiegelgitters 15 genau senkrecht zur optischen
Achse 19 und die Gitterlinien genau waagerecht eingestellt, beträgt also der Seiten-und
der Höhenwinkel Null, so befindet sich das helle punktförmige Primärbild der Punktlichtquelle
28 im Koordinatenursprung der Koordinatennetz-Meßplatte 30. Die übrigen sekundären
Beugungsbilder mit beiderseits des Primärbildes abnehmender Helligkeit liegen dann
auf einer mit einer Koordinatenachse zusammenfallenden senkrechten Linie, d. h.
senkrecht zu den Gitterlinien 60, 61, wie in F ig. 3 a dargestellt.
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Bleibt das Spiegelgitter 15 in seiner Ebene senkrecht zur optischen
Achse, d. h. sein Seiten- und Höhenwinkel unverändert Null, werden aber seine Gitterlinien
um die optische Achse 16, 19 gedreht, so behält nur das Primärbild der Blendenöffnung
28 seine Lage im Koordinatenursprung der Meßplatte 30 bei. Die Linie der übrigen
sekundären Beugungsbilder dagegen schwenkt um den Koordinatenursprung in eine zu
den Gitterlinien 60, 61 senkrechte Lage, wie sie beispielsweise für eine Rechtsdrehung
um 450 in Fig. 3d gezeigt ist.
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Diese Drehung der Beugungsbildlinie, die also mit der Drehung des
Spiegelgitters 15 und des Meßobjekts 14 übereinstimmt, wird gemessen durch Drehung
der Meßplatte 30 um die optische Achse 19, bis eine Fadenkreuzlinie oder eine ihr
parallele Linie des Koordinatennetzes mit der Linie der Beugungsbilder übereinstimmt
bzw. parallel zu ihr ist.
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Dieser Drehwinkel der Meßplatte 30 wird an einer mit ihr verbundenen
und drehbaren Winkelskala 31 abgelesen, und zwar mittels zweier am Fernrohrgehäuse
12
diametral befestigter Nonien 32 und zweier vergrößernder Okulare 34, 35. Die an
beiden Nonien 32 abgelesenen Winkelwerte werden in bebekannter Weise gemittelt,
um eventuelle Exzentrizitäten der Meßplattenlagerung auszugleichen.
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Wird das Spiegelgitter 15 außer um die optische Achse 16, 19 auch
noch um die Höhenwinkelachse 18 gedreht, so wird das helle Primärbild der Blendenöffnung
28 aus dem Koordinatenursprung der Meßplatte 30 senkrecht nach oben oder unten in
Richtung des Höhenwinkelpfeiles 22 abgelenkt, und außerdem wird die Beugungsbildkette
um das Primärbild als Drehpunkt geschwenkt, und zwar um den Drehwinkel des Spiegelgitters
um dessen optische Achse. Als entsprechendes Beispiel zeigt Fig. 3 c eine Verschiebung
des Primärbildes auf der senkrechten Koordinatenachse nach oben entsprechend einem
bestimmten positiven Höhenwinkel und außerdem eine der 450-Drehung des Spiegelgitters
15 um die optische Achse 16, 19 genau entsprechende 450-Schwenkung der Bengungsbildkette
im Uhrzeigersinn.
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Wenn auch noch der Seitenwinkel des Spiegelgitters 15 verändert wird,
so erfährt das Primärbild der Blendenöffnung 28 außer der senkrechten auch noch
eine waagerechte Ablenkung nach rechts oder links in Richtung des Seitenwinkelpfeiles
21. Als Beispiel zeigt Fig. 3b das Beugungsbild auf der Meßplatte 30 bei Drehungen
des Spiegelgitters 15 um gleich große positive Höhen- und Seitenwinkel, was eine
waagerechte Verschiebung des Primärbildes nach links um denselben Betrag der senkrechten
Verschie bung nach oben bewirkt. Die gleichzeitige positive 450-Drehung des Spiegelgitters
um die optische Achse 16, 19 bedingt wie in den vorbeschriebenen beiden Fällen außerdem
eine 450-Rechtsschwenkung der Beugungsbildkette um das Primärbild als Drehpunkt.
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Der Betrag der Höhen- und Seitenverschiebung des Primärbildes der
Punktlichtquelle 28 als Maß für die Höhen- und Seitenwinkelstellung des Spiegelgitters
15 kann unmittelbar an der Meßplatte 30 abgelesen werden, von der in F i g. 3 a
bis 3 d der Einfachheit halber nur das Kaordinatenkreuz dargestellt, dagegen das
übrige Koordinatennetz weggelassen ist.
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Die Messung der Primärbildverschiebungen kann jedoch auch dadurch
erfolgen, daß die Meßplatte 30 zusammen mit ihrer Drehlagerung und den Okularen
33, 34 und 35 gegenüber den anderen Teilen des Fernrohrs 10 um genau ablesbare Strecken
senkrecht und waagerecht so verstellt wird (z. B. mittels Mikrometerschraubentrieben
od. ä.), bis Koordinatenursprung und Primärbild sich decken.
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Die vorstehend beschriebene Meß- bzw. Einstelleinrichtung nach Fig.
1 für Drehwinkel des Meßobjekts um drei zueinander senkrechte Drehachsen gehört
zu der allgemeinen Gruppe derAutokollimatorfernrohre. Sie arbeiten mit einer Lichtquelle
25... 28, die mit dem Skalenfernrohr 10 konstruktiv vereinigt ist. Ihr Licht wird
nach entsprechender Umlenkung (z. B. um 900) mittels eines Lichtteilers 29 vom Fernrohrobjektiv
50 als parallele Lichtstrahlenbündel ausgesandt und nach Reflexion durch einen am
Meßobjekt 14 befestigten, vollständig reflektierenden Spiegel von demselben Fernrohrobjektiv
- zumindest teilweise - wiederaufgenommen und auf einer Meßplatte 30 zu einem Bild
der Lichtquelle konvergiert.
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Dieser Gruppe sehr ähnlich ist die andere allgemeine Gruppe der Kollimatorfernrohre,
zu der das weitere Ausführungsbeispiel der Erfindung nach F i g. 4 gehört. Bei ihr
ist die Lichtquelle 28, 27 vom Skalenfernrohr 10 getrennt am Meßobjekt 14 angebracht
an Stelle des vollständig reflektierenden Spiegels der Autokollimatoranordnung.
Die Lichtquelle kann zweckmäßigerweise aus den gleichen Teilen 25...28 aufgebaut
sein, wie bei der Autokollimatoranordnung nach F i g. 1, jedoch ist in F i g. 4
der Einfachheit halber nur die für die eigentliche Messung maßgebliche Blende 27
und ihre Öffnung 28 dargestellt. Um das Licht dieser Lichtquelle zu einem parallelen
Lichtstrahlenbündel zu sammeln, ist hier ein vom Fernrohrobjektiv 50 getrenntes,
ebenfalls am Meßobjekt 14, und zwar im Abstand seiner Brennweite von der Blende
27 befestigtes sammelndes Linsensystem 50 erforderlich. Dagegen wird ein halbdurchlässiger
Strahlteiler (29 in Fig. 1) zur 90°-Umlenkung des Lichtstrahls hier nicht benötigt.
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Eine solche bekannte Kollimatoranordnung ohne Beugungsgitter 15'
gestattet - wie eine Autokollimatoranordnung nach Fig. 1 mit einem vollständig reflektierenden
Meßobjektspiegel - nur die Messung bzw. Einstellung von Drehungen des Meßobjekts
um kleine Hohen- bzw. Seitenwinkel um die zur optischen Achse 16, 19 senkrechten
Achsen 18 bzw. 17 (s. F i g. 2), dagegen nicht von Drehungen des Meßobjekts um die
optische Achse.
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Um nun auch mit der Kollimatorfernrohranordnung Drehungen des Meßobjekts
um die optische Achse 19 messen zu können, wird nach Fig. 4 das vom Linsensystem
50' erzeugte parallele Lichtstrahlenbündel durch ein senkrecht zur optischen Achse
19 ebenfalls am Meßobjekt befestigtes durchsichtiges Beugungsgitter 15' geschickt.
Letzteres weist ähnlich dem Spiegelgitter 15 in F i g. 1 abwechselnd durchsichtige
und undurchsichtige parallele Streifen bzw. Linien auf, die gleiche Beugungsbilder
auf der Meßplatte 30 erzeugen. Das Beugungsgitter 15' der Kollimatoranordnung nach
F i g. 4 hat also dieselbe Funktion wie das Spiegelgitter 15 der Autokollimatoranordnung
nach F i g. 1. Trotz der abweichenden gemeinsamen Anbringung von Lichtquelle 25...28,
zusätzlichem Linsensystem 50' und Beugungsgitter 15' am Meßobjekt 14' sind Wirkungsweise
und Meßverfahren der Kallimatorfernrohranordnung nach F i g. 4 mit der bereits für
die Autokollimatoranordnung nach Fig. 1 beschriebenen identisch, so daß sich deren
nochmalige Erläuterung erübrigt.
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Bei den beiden vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen der
Erfindung ist das Autokollimator-bzw. Kollimatorfernrohr (10 bzw. 10') mit dem Bezugskörper
identisch oder an ihm befestigt, auf den die drei zu messenden bzw. einzustellenden
Drehwinkel des Meßobjekts bezogen sind. Demgegenüber zeigt F i g. 5 ein Ausführungsbeispiel
mit einem ersten Meßobjekt 70, dessen optische Achse mit derjenigen (19) des Autokollimatorfernrohrs
74 fluchtet sowie mit einem zweiten Meßobjekt 71, dessen optische Achse die Fernrohrachse
19 rechtwinklig schneidet.
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Hier kommt es mehr auf die Winkellage beider Meßobjekte zueinander
als gegenüber dem gemeinsamen Fernrohrbezugssystem an. An beiden Körpern 70, 71
sind Spiegelgitter 72 und 73 gleicher Art wie das Spiegelgltter 15 in Fig. 1 mit
sich schneidenden optischen Achsen befestigt. Im Schnittpunkt dieser optischen
Achsen
ist ein Strahlteiler 75, beispielsweise in Form eines halbdurchlässigen Spielgels,
angeordnet.
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Er läßt das von einem ersten Spiegelgitter, z. B. dem des ersten Meßobjekts
70, reflektierte Licht zur Hälfte unabgelenkt hindurchtreten in das Autokollimatorfernrohr
74 längs dessen optischer Achse, die mit der des Meßobjektspiegelgitters 72 in Übereinstimmung
gebracht ist. Der Strahlteiler 75 ist unter einem solchen Winkel o; gegen die andere
optische Achse des Spiegelgitters 73 am zweiten Meßobjekt 71 geneigt, daß die Strahlteilerspiegelfläche
den Winkel (2 zwischen den optischen Achsen beider Körper 70, 71 halbiert und daher
die Hälfte des vom Spiegelgitter 73 am Bezugskörper 71 reflektierten Lichts ebenfalls
längs der optischen Achse des Autokollimators 74 in diesen hineinreflektiert. In
Fig.5 ist beispielsweise angenommen, daß die optischen Achsen der Körper 70 und
71 einen Winkel von 90° einschließen und somit der Winkel o; = 450 beträgt.
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Auf der Meßplatte 30 des Autokollimators 74, der entsprechend dem
Autokollimatorfernrohr 10 nach Fig. 1 aufgebaut ist, überlagern sich demnach die
von den Spiegelgittern 72 und 73 getrennt erzeugten Beugungsbilder, die, wie bereits
beschrieben, aus je einem Primärbild des Blendenlochs 28 (F i g. 1) und einer geradlinien
Kette sekundärer Beugungsbilder beiderseits des primären bestehen. Zweckmäßigerweise
sind die von den Spiegelgittern 72 und 73 erzeugten Beugungsbilder in bekannter
Weise durch unterschiedlich farbselektive Schichten auf den Spiegelgittern verschieden
gefärbt und dadurch leichter unterscheidbar bzw. identifizierbar gemacht. Durch
entsprechende Drehung der Spiegelgitter werden die von ihnen erzeugten Beugungsbilder
(vgl. Fig. 3 a bis 3 d) zur Deckung oder in jede gewünschte Lage zueinander und
dementsprechend die drei Winkel der Spiegelgitter in Übereinstimmung oder in ein
bestimmtes Verhältnis zueinander gebracht.
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Auf diese Weise können auch von mehr als einem Meßobjekt die Winkellagen
in allen drei Freiheitsgraden gleichzeitig gemessen bzw. eingestellt werden durch
stufenweise Überlagerung der von den Spiegelgitter oder durchsichtigen Beugungsgittern
jeweils zweier Meßobjekte ausgehenden parallelen Lichtstrahlen mittels je eines
Strahlteilers, so daß sich auf der Meßplatte des gemeinsamen Autokollimator-oder
Kollimatorfernrohrs die von sämtlichen Meßobjekten erzeugten Beugungsbilder überlagern.
Mehr als zwei Meßobjekte können mit der Anordnung nach Fig. 5 gemessen werden, wenn
auf der optischen Achse eines schon vorhandenen Meßobjekts (z. B.
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70) bzw. von dessen Gitter (z. B. 72) jeweils ein zusätzlicher Strahlteiler
(ähnlich 75 oder 29 in F i g. 1) angeordnet wird, der den vom Gitter eines zusätzlichen
Meßobjekts ausgehenden Lichtstrahl dem vom zugeordneten Meßobjekt (z. B. 70) bzw.
dessen Gitter (72) ausgesandten Lichtstrahl überlagert. Bei Verwendung eines gemeinsamen
Autokollimatorfernrohrs muß dessen Lichtquelle genügend stark sein, weil ihr Licht
durch die Strahlteiler auf alle Meßobjekte aufgeteilt wird und damit die von den
Meßobjektgittern erzeugten und auf der Meßplatte des Fernrohrs überlagerten Beugungsbilder
ausreichend hell sind.
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Bei einer Mehrfachmeßeinrichtung mit gemeinsamem Kollimatorfernrohr
muß jedes einzelne Meßobjekt mit einer eigenen Lichtquelle gemäß F i g. 4 ausgerüstet
sein.
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Bei allen beschriebenen Meßanordnungen mit mehreren Meßobjekten ist
die bereits genannte unterschiedliche Färbung der überlagerten einzelnen Beugungsbilder
mittels farbselektiver Schichten auf den optischen Gittern besonders zweckmäßig.
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Fig. 6 zeigt als weiteres Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes
eine Einrichtung zur Messung bzw. Einstellung der drei Winkellagen zweier Meßobjekte
80 und 81 zueinander, die beide eine gleichförmige Relativbewegung gegenüber dem
gemeinsamen Bezugssystem, dem feststehenden Autokollimatorfernrohr 87, nämlich eine
gleichsinnige synchrone Rotation, ausführen. Um die Welle 80 mit der Welle 81 genau
fluchtend auszurichten und zu synchronisieren, ist auf jedem Wellenende ein Spiegelgitter
82 bzw. 83 derselben Art wie das Gitter 15 in F i g. 1 befestigt. Zwischen den Wellen
ist ein Prisma 84 fest angeordnet, dessen aufeinander senkrechte Spiegelflächen
85 und 86 das vom Autokollimator 87 ausgehende parallele Licht auf die beiden Spiegelgitter
82 und 83 umlenken und das von diesen reflektierte bzw. gebeugte Licht gleichzeitig
in den Autokollimator zurückreflektieren zwecks Überiagerung der von den beiden
Spiegelgittern erzeugten Beugungsbilder auf der Meßplatte 30 (F i g. 1) des Fernrohrs.
Zwecks leichterer Unterscheidung und Identifizierung beider Beugungsbilder werden
sie zweckmäßig ebenfalls verschieden gefärbt durch entsprechende farbselektive Beschichtung
der Oberflächen der Spiegelgitter.
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Da beide Beugungsbilder in Form je einer geraden Lichtpunktkette
auf der Meßplatte entsprechend den zugehörigen Wellen 80 bzw. 81 umlaufen, ist ihre
Beobachtung nur möglich, wenn sie nur kurzzeitig immer dann erzeugt werden, wenn
sie nach jedem vollen Umlauf wieder etwa dieselbe Stelle der Meßplatte erreichen.
Diese nur kurzzeitige Erzeugung der Beugungsbilder erfolgt durch eine bekannte Stroboskopeinrichtung
88, welche die abgehenden oder ankommenden Lichtstrahlen nur kurzzeitig freigibt.
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Wird diese Stroboskopeinrichtung mit der Drehzahl z. B. der Welle
81 synchronisiert, so ist die Größe und Richtung der scheinbaren Bewegung des vom
Meßobjekt 80 erzeugten Beugungsbildes ein Maß für die Drehzahlabweichung der Welle
80 von der Drehzahl des Meßobjekts 81. Parallelität der Spiegelgitterflächen und
somit genaues Fluchten der Achsen beider Wellen 80 und 81 wird erreicht, indem in
der schon beschriebenen Weise beide Primärbilder der Blendenöffnung 28 (F i g. 1)
auf der Meßplatte 30 im Koordinatenursprung zur Deckung gebracht werden.
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Wie schon angedeutet wurde, können in den Winkelmeßeinrichtungen
nach Fig. 1 und 4 sowie F i g. 5 und 6 für die Lichtquellen außer Lochblenden 27,
28 (F i g. 1, 4) auch Blenden 91 mit einem Kreuzspalt 90 aus zwei sich rechtwinklig
kreuzenden Schlitzen nach F i g. 7 a verwendet werden. Beispielsweise in einer Meßanordnung
nach F i g. 1 sei nun die Lochblende 27, 28 durch eine solche Kreuzspaltblende 91,
90 ersetzt. Wenn das ihr entsprechend geformte, das Fernrohrobjektiv 50 verlassende
parallele Lichtstrahlenbündel auf das Spiegelgitter 15 trifft, dessen Fläche genau
senkrecht zur optischen Achse 19 steht und um diese in eine Stellung gemäß F i g.
7 b gedreht ist, so entsteht auf der Meßplatte 30 ein Beugungsbild des Kreuzspaltes
90 nach F i g. 7 c.
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Die senkrechten spiegelnden Gitterlinien erzeugen nämlich von dem
ihnen parallelen senkrechten Schlitz
des Kreuzspaltes 90 ein helles
Primärbild längs der senkrechten Mittellinie der Meßplatte sowie symmetrisch beiderseits
desselben in zunehmendem Abstand sekundäre B eugungsbilder wachsender Ordnungszahl
mit abnehmender Helligkeit und wachsender Breite der Streifen. Die Helligkeit und
Breite jedes Lichtstreifens ist über seine gesamte Länge konstant. Jedes einzelne
sekundäre Beugungsbild stellt für sich ein aus verschiedenfarbigen Spektrallinien
zusammengesetztes Beugungsspektrum dar. Von dem waagerechten Schlitz des Kreuzspaltes
entsteht nur ein helles waagerechtes Primärbild längs der waagerechten Mittellinie
der Meßplatte 30; Sekundärbilder entstehen nicht, da das Spiegelgitter 15 auf das
zu seinen Linien senkrechte Licht des horizontalen Schlitzes keine beugende Wirkung
ausübt.
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Wird nun nach Fig. 7d das Spiegelgitter 15 im Uhrzeigersinn um den
kleinen Winkel ß gedreht, so beginnt sich eine kleine waagerechte Komponente seiner
Beugungswirkung bemerkbar zu machen, indem jetzt beiderseits des hellen waagerechten
Primärbildes auch ganz schwache und schmale Sekundärbilder des waagerechten Schlitzes
des Kreuzspaltes 90 entstehen, wie sie sich in dem entsprechenden komplementären
Bild (dunkel statt hell) der Meßplatte nach Fig. 7e nur schwer darstellen lassen.
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Dagegen haben die sekundären Beugungsbilder des senkrechten Blendenschlitzes
entsprechend der nur wenig kleiner gewordenen senkrechten Komponente der Beugungswirkung
des Gitters 15 nur unmerklich geringere Helligkeit und Breite gegenüber dem Bild
auf der Meßplatte nach F i g. 7 c.
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Bei einer Drehung des Spiegelgitters 15 um 45° nach Fig. 7f sind
die senkrechte und die waagerechte Komponente seiner Beugungswirkung auf das aus
dem senkrechten bzw. dem waagerechten Blendenschlitz stammende Licht gleich. Infolgedessen
sind nun gemäß Fig. 7g die auf der Meßplatte 30 entstehenden waagerechten (primären
und dazu symmetrischen sekundären) Beugungsbilder des waagerechten Blendenschlitzes
den entsprechenden senkrechten (primären und sekundären) Bildern des senkrechten
Blendenschlitzes nach Helligkeit und Breite vollständig gleich. Gegenüber dem Bild
F i g. 7 c hat die Helligkeit und Breite der senkrechten Beugungsbilder abgenommen
und die der waagerechten Beugungsbilder zugenommen.
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Bei weiterer, nicht dargestellter Drehung des Spiegelgltters 15 von
45 bis 900 nimmt die Helligkeit und Breite der senkrechten Beugungsbilder weiter
bis Null ab und gleichzeitig die der waagerechten Beugungsbilder bis zum Maximum
zu. Bei weiterer Drehung des Gitters 15 über 900 hinaus kehrt sich die Anderungstendenz
der Beugungsbilder wieder um usw.
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Wird also eine Kreuzspaltblende 91, 90 nach F i g. 7 a verwendet,
so hat eine Drehung des Spiegelgitters 15 (F i g. 1) oder des durchsichtigen Gitters
15' (F i g. 4) nur um die optische Achse 19 eine Änderung der Helligkeit und Breite
von über die ganze Fläche der Meßplatte 30 verteilten senkrechten Lichtstreifen
und eine gleichzeitig entgegengesetzte Änderung der Helligkeit und Breite von entsprechenden
waagerechten Lichtstreifen zur Folge. Drehungen des Gitters 15 oder 15' um die beiden
anderen zur optischen Achse senkrechten Drehachsen bewirken entsprechende senkrechte
bzw. waagerechte Verschiebungen der waagerechten bzw. senkrechten Beugungs-
bilder
des waagerechten bzw. senkrechten Blendenschlitzes.
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Die eingangs beschriebenen, auf der Meßplatte 30 beweglichen Beugungsbilder
einer durch eine Lochblende dargestellten punktförmigen Lichtquelle in Form einer
punktierten Linie aus ungleich hellen und langen Lichtpunkten nach Fig.3 stellen
gewissermaßen die Projektionen der zu den Gitterlinien senkrechten gedachten Mittellinie
des Spiegelgitters 15 (Fig. 1) dar. Sie lassen also deren Lage unmittelbar erkennen
und sind daher zur visuellen Beobachtung bei manueller Bedienung der Meßeinrichtung
besonders geeignet.
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Demgegenüber werden die Beugungsbilder einer Kreuzspaltblende nach
Fig. 7 a aus zwei Gruppen von die ganze Fläche der Meßplatte 30 bedeckenden senkrechten
und waagerechten Lichtstreifen gebildet.
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Die Helligkeit der Streifen jeder einzelnen Gruppe nimmt beiderseits
eines Maximums symmetrisch ab.
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Die Helligkeitsmaxima beider Gruppen fallen bei zur optischen Achse
19 senkrechter Ebene des Gitters 15 oder 15' mit den Mittellinien des Koordinatennetzes
der Meßplatte 30 zusammen und werden bei Drehungen des Gitters um die beiden zur
optischen Achse senkrechten Achsen senkrecht bzw. waagerecht verschoben. Bei Drehungen
des Gitters um die optische Achse ändert sich dagegen die Gesamthelligkeit und Streifenbreite
der einen Streifengruppe entgegengesetzt zu derjenigen der anderen Streifengruppe.
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Daher erscheint die Verwendung der Kreuzspaltblende 91, 90 besonders
geeignet für automatische Auswertung der Beugungsbilder mittels Photozellen und
für entsprechende automatische Steuerung der Meßeinrichtung.
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Bei den verwendeten Beugungsgittern 15 (F i g. 1) bzw. 15' (Fig.
4) wurde eine abwechselnde Anordnung optimal reflektierender bzw. lichtdurchlässiger
Streifen und ganz undurchlässiger paralleler Streifen angenommen. Zur Erzielung
bestimmter Beugungseigenschaften kann es zweckmäßig sein, das Reflexionsvermögen
bzw. die Lichtdurchlässigkeit der einzelnen Gitterstreifen in Querrichtung abzustufen,
beispielsweise sinusförmig. In ihrer Längsrichtung sollten die Gitterstreifen dagegen
relativ konstante Eigenschaften haben. Ebenso kann die Anzahl der Gitterlinien den
Erfordernissen der jeweiligen Anwendung der Meßeinrichtung angepaßt werden, natürlich
ohne die Beugungseigenschaften durch zu kleine Linienzahl ungünstig zu machen.