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Die Erfindung betrifft eine spannungsoptische Meßeinrichtung mit
einem Beleuchtungs- und Analysatorsystem und einem spannungsoptisch aktiven Körper,
bei welchem auf beiden Seiten reflektierende Schichten vorgesehen sind.
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Es ist bekannt, zur Messung der Deformationen von Hochbaukonstruktionen,
Bergwerkseinrichtungen u. dgl. spannungsoptische Elemente zu verwenden.
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Dies sind meistens Plättchen aus plastischen Stoffen, in welchen eine
dauernde Doppelbrechung eingeprägt ist, die sich in Form eines oder mehrerer Interferenzstreifen
senkrecht zur Längsachse des spannungsoptischen Plättchens manifestiert. Die Plättchen
sind an der zu untersuchenden Konstruktion angeheftet. Die obere Fläche des Plättchens
ist mit einer Polarisationsfolie, die untere Seite mit einer Reflexschicht versehen.
Auf dem Plättchen ist sodann eine Skala angebracht, auf der die Lage des Interferenzstreifens,
die von der Deformation des auszumessenden Konstruktionsteils abhängt, bestimmt
werden kann. Der Lichtstrahl geht bei diesen bekannten Meßelementen zweimal durch
den aktiven Körper.
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Die Empfindlichkeit der geschilderten, bekannten Meßelemente ist
im wesentlichen gegeben durch die optische Empfindlichkeit des Materials und dessen
Stärke bzw. durch die eingeprägte Doppelbrechung.
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Sie übersteigt nicht wesentlich die durch mechanische Deformationsgeräte
erreichbare Empfindlichkeit. Insbesondere kann die Empfindlichkeit der geschilderten
spannungsoptischen Elemente nicht ohne Einschränkung durch Vergrößern der Stärke
erhöht werden, da die Ubertragung der Deformation des zu untersuchenden Objektes
auf das spannungsoptische Plättchen dann Schwierigkeiten macht, und die Plättchen
bei einer größeren Stärke insbesondere nicht mehr im ganzen Bereich durch gleichmäßige
Spannung beansprucht würden.
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Es ist nun bekannt (H. Wolf, »Spannungsoptik«, Springer-Verlag, 1961,
S. 123 bis 127; Journal of Applied Physics, 30,5, Mai 1959, S. 785 und 786; Aircraft
Engineering, 32, 380, Oktober 1960, S. 295), eine Verschärfung und Vervielfachung
von Isochromaten durch mehrfache Reflexion zu erzielen. Dazu werden halbdurchlässige
Spiegel verwendet, die auf beiden Seiten des zu untersuchenden Modells angeordnet
sind. Wenn die Spiegel parallel sind und einen Durchlässigkeitskoeffizienten von
T = 0,1 bis 0,2 haben, so ist eine Verschärfung der Isochromaten erreichbar. Wenn
die Spiegel in einem kleinen Winkel zueinander geneigt sind, so kann eine Vervielfachung
der Isochromaten erreicht werden. Der Nachteil dieser bekannten Anordnung besteht
jedoch darin, daß beim Durchtritt durch die halbdurchlässigen Spiegel eine ganz
erhebliche Herabsetzung der Intensität eintritt. Daraus ergibt sich aber, daß die
Anzahl der Reflexionen begrenzt ist und damit auch nur eine begrenzte Verbesserung
der beobachtbaren Isochromaten erreichbar ist. Überdies treten bei der bekannten
Anordnung noch Schwierigkeiten bei der richtigen Ausrichtung und Scharfeinstellung
auf.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine sp annungsoptische
Meßeinrichtung zu schaffen, welche bei einfacher und billiger Ausführung eine wesentliche
Empfindlichkeitserhöhung gegenüber den bekannten Meßeinrichtungen erbringt.
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Dies wird bei einer Meßeinrichtung der eingangs geschilderten Art
dadurch erreicht, daß die Fläche einer der beiden Schichten kleiner ist als die
ihr zu-
gewandte Oberfläche des optisch aktiven Körpers und sie dieser Oberfläche
derart zugeordnet ist, daß jeweils zwei durch die Schicht voneinander getrennte
freie Abschnitte entstehen, und daß das Beleuchtungs- und Analysatorsystem derart
angeordnet sind, daß das Einfallslichtbündel durch den einen freien Abschnitt in
den Körper einfällt und nach mehreren Totalreflexionen an den Schichten durch den
anderen freien Abschnitt in das Analysatorsystem gelangt.
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Statt der halbdurchlässigen reflektierenden Schichten bei den bekannten
Meßinstrumenten werden also nunmehr total reflektierende Spiegel verwendet, bei
welchen lediglich ein Intensitätsverlust durch Absorption auftritt, welcher nur
in der Größenordnung von 1 bis 20/0 liegt. Durch die Parallelität der Schichten
kann die Anzahl der Reflexionen je nach Bedarf beliebig groß gewählt werden. Außerdem
ist die Doppelbrechung im spannungsoptisch aktiven Plättchen über den ganzen Querschnitt
konstant, so daß der Strahl in beliebigen Winkeln verlaufen kann. Daraus ergibt
sich, daß die Beobachtungsrichtung und Scharfeinstellung im Gegensatz zu den bekannten
Einrichtungen keinerlei Schwierigkeiten macht.
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Der spannungsoptisch aktive Körper besteht vorzugsweise aus plastischem
Stoff. Er kann nur mit der unteren Reflexschicht versehen sein, in welchem Fall
die kleinere Reflexionsschicht an einem auf dem sp annungsoptisch aktiven Körper
unmittelbar aufsetzbaren optischen Element des Analysatorsystems angebracht ist.
Das optische Element des Analysatorsystems ist vorzugsweise ein Kontaktprisma. Natürlich
kann die obere Reflexschicht auch direkt auf der Oberfläche des spannungsoptisch
aktiven Körpers angebracht sein, wobei dann das Analysatorsystem kein Kontaktprisma
mit Reflexschicht aufweist.
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Meßeinrichtungen nach der Erfindung sind nachstehend an Hand von
Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert. Hierbei zeigt F i g. 1 den
spannungsoptisch aktiven Körper ohne Beleuchtungs- und Analysatorsystem im Längsschnitt,
F i g. 2 einen Schnitt gemäß C-C der F i g. 1 mit Beleuchtungs- und Analysatorsystem,
jedoch ohne Kontaktprisma, und F i g. 3 einen Schnitt entsprechend F i g. 2, jedoch
mit Kontaktprisma.
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Der spannungsoptische Körper ist mit 10 bezeichnet. Er weist eine
obere Reflexionsschicht 4 und eine untere Reflexionsschicht 5 auf. Er ist an zwei
gegenüberliegenden Seiten mit Hilfe eines Klebemittels 11 auf einer zu untersuchenden
Konstruktion 12 angeklebt.
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Das Beleuchtungssystem umfaßt eine Lichtquellen, deren Lichtstrahlen
durch einen Kollimator 2 und ein Polarisationsfilter 3 verlaufen, wobei die Polarisationsebene
des Polarisationsfilters 3 zur Längs- und Querachse des spannungsoptisch aktiven
Körpers 10 unter 450 geneigt ist.
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Die Lichtbündel fallen dann auf den von der oberen Reflexionsschicht
nicht bedeckten Teil der Oberfläche des Körpers 10 und dringen dann unter dem Winkel
in den Körper ein. Anschließend erleiden die Lichtbündel an den beiden Reflexionsschichten
4 und 5 vielfache Reflexionen, bis sie am von der oberen Reflexionsschicht nicht
bedeckten Teil der Oberfläche des optisch aktiven Körpers 10 wieder austreten.
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Die aus dem Körper 10 austretenden Lichtbündel gelangen dann in das
Analysatorsystem, welches gemäß
F ig. 2 eine Blende 6, einen Ordnungskompensator
9, den Analysator 8 und das Okular 7 umfaßt.
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In F i g. 3 ist an dem optisch aktiven Körper nur die untere Reflexionsschicht
5 angebracht. Die obere Reflexionsschicht 13 befindet sich an einem Kontaktprisma
14, welches auf die Oberfläche des Körpers 10 aufgesetzt ist. Die optische Verbindung
zwischen dem Kontaktprisma 14 und dem optisch aktiven Körper 10 wird durch eine
Kontaktflüssigkeit mit dem Brechungskoeffizienten des Körpers 10 hergestellt.
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Die Deformationsmessung beruht nun auf der Messung der relativen
optischen Doppelbrechung, die im optisch aktiven Körper 10 entsteht. Die weißes
Licht liefernde Lichtquelle 1 ist im Brennpunkt des Abbildungssystems des Beleuchtungssystems
angeordnet, so daß ein Bündel paralleler Strahlen erzeugt wird. Der Einfallwinkel
oc wird so gewählt, daß der Strahl zwischen den beiden Reflexionsschichten 4 und
5 vielfach reflektiert wird. Infolge dieser Vielfachreflexion (Totalreflexion) wird
der Weg im optischen Körper erheblich vergrößert, wodurch die Empfindlichkeit der
erfindungsgemäßen Meßeinrichtung gegenüber spannungsoptischen Elementen mit nur
einer Reflexion um n + 1 erhöht wird.
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C0s cos oc Die aus dem Körper 10 austretenden Lichtstrahlen treten
durch die Blende 6 in das Objektiv, dessen Zweck darin besteht, den mittleren bzw.
Längsschnitt des spannungsoptisch aktiven Körpers 10 in der Brennebene des Okulars
7 abzubilden.
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Das Licht wird beim Durchgang durch den optisch aktiven Körper 10
elliptisch polarisiert. Die Analyse des Lichtes geschieht dann mit dem Kompensator
9, der aus der Kombination eines Ordnungskompensators, in welchem sich die Doppelbrechung
um ganze Vielfache einer Wellenlänge ändert, mit einem elliptischen Analysator,
wie z. B. den Senarmontanalysator, besteht. Der Senarmontanalysator entsteht durch
die Kombination einer Vietelwellenplatte mit einem Polarisator, welche gegeneinander
um eine gemeinsame Achse gedreht werden können. Mit Hilfe eines Ordnungskompensators
kann die relative Doppelbrechung mit einer Genauigkeit ganzer Ordnungen vorkompensiert
werden, während mit dem elliptischen Analysator die eigentliche Doppelbrechung mit
einer Genauigkeit von 0,02 bis 0,01 im Bereich 1 bestimmt werden kann. Der Kompensator
9 ist in der Bildebene des Okulars angeordnet.
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Der Ordnungskompensator besteht aus einem System von Plättchen mit
dauernder Doppelbrechung, wobei die Plättchenstärke in einem solchen Verhältnis
abgestuft ist, daß die relativen Phasenverschiebungen des Lichtstrahls beim Durchgang
durch zwei be-
nachbarte Plättchen sich gerade um eine Wellenlänge unterscheiden.
Im Gesichtsfeld des Apparates befinden sich immer zwei solche Plättchen. Wird ein
Satz von Plättchen derart ausgewählt, daß die gesamte relative Phasenverschiebung
beim Durchgang durch den spannungsoptischen Körper 10 und den Ordnungskompensator
im Intervall 0-1 liegt, so kann durch Drehung des Polarisationsfilters des elliptischen
Analysators, der aus einer Viertelwellenplatte und einem Polarisationsfilter gebildet
ist, eine maximale Verdunkelung im Gesichtsfeld des Apparates erreicht werden. Auf
der Skala des Ordnungskompensators können die ganzen Ordnungen der relativen Doppelbrechung,
und auf der Kreisskala des elliptischen Analysators die Bruchteile der Ordnung der
relativen Doppelbrechung des Strahls abgelesen werden.
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Ist der Ordnungskompensator nicht so eingestellt, daß die relative
Doppelbrechung nach dem Durchgang durch den spannungsoptischen Körper 10 und den
Kompensator 9 im Intervall 0-1 liegt, dann kann durch Drehung des Polarisationsfilters
des elliptischen Analysators keine Verdunkelung erreicht werden; vielmehr wird das
Gesichtsfeld immer verfärbt sein.
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Mit dem Kompensator 9 kann die relative Doppelbrechung mit einer
Genauigkeit von etwa 0,02 gemessen werden.