DE1622500C3 - Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode - Google Patents
Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der SchlierenmethodeInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode
unter Verwendung einer undurchsichtigen Schneide mit geradliniger Kante, die in das zu untersuchende
Lichtbündel eingeschoben wird.
Mittels der von Toepler angegebenen und von Cranz und Schardin für quantitative Anwendungen
ausgestalteten Schlierenmethode können optische Einrichtungen, z. B. Hohlspiegel, Glasplatten od. dgl.
geprüft oder Dichteänderungen, Konzentrationsänderungen, Druckwellen, Strömungsvorgänge, akustische Vorgänge in Gasen oder Flüssigkeiten untersucht
werden (VDI-Forschungsheft 367, Juli/August 1934, S. 14 und 15). Die Vorrichtung, welche dabei
verwendet wird, besteht im wesentlichen aus einer rechteckförmigen Lichtquelle, die in die Ebene einer
undurchsichtigen Schneide einer Schlierenblende abgebildet wird. Die Schneide wird nun so weit in das
zu untersuchende Lichtbündel vorgeschoben, daß — Schlierenfreiheit des Objekts vorausgesetzt — das
Bild der Lichtquelle gerade von der Schneide abgedeckt würde. Durch die optischen Wegunterschiede,
welche durch Abbildungsfehler in dem zu untersuchenden optischen Gegenstand oder durch Brechungsunterschiede
hervorgerufen werden, gelangt nun ein Teil des Lichtes an der Schneide vorbei. Dieses bildet ein Schlierenbild, das z. B. mittels eines
Photo-Objektivs auf einer lichtempfindlichen Platte erzeugt werden kann und das um so heller oder
dunkler ist, je nachdem das durch die Schliere hindurchtretende Licht mehr oder weniger von der
Schlierenblendenkante weg oder auf die hinaufgebrochen wird.
Die Auswertung von Schlierenphotographien ist äußerst schwierig und stellt an die subjektive Geschicklichkeit
der Person, welche die Untersuchung ausführt, beträchtliche Anforderungen. Schließlich
muß aus einer photographischen Schwärzung unter Eliminierung der sich bei der Entwicklung ergebenden
quantitativen Unsicherheit auf die Fehlerstellen, z. B. in einem zu untersuchenden Hohlspiegel, geschlossen
werden. Es ist nicht möglich, quantitativ exakt anzugeben, welche Beträge an den verschiedenen
Stellen eines Hohlspiegels abzuschleifen sind und diesen einem idealen Spiegel anzunähern. Man beseitigt
dementsprechend meistens immer nur einen stark ins Gewicht fallenden Fehler und prüft dann
den Gegenstand wiederum nach dem Schlierenverfahren. Da jeweils bis zur Erstellung und Auswertung
der Photographie ein längerer Zeitraum vergeht, ist dieses Verfahren sehr mühselig. Weiterhin ist es
nicht möglich, den fehlerhaften Gegenstand mit verschiedenen theoretisch fehlerfreien Gegenständen zu
5 6
den soll, befindet sich als Lichtquelle ein rechteckiges verschoben, so daß der schnellen Verschiebung des
Fenster S (Fig. 2), welches aus großen Seiten 20 beleuchteten BereichesM' eine langsame Verschie-
und 21 — der diesen Seiten parallele Spiegeldurch- bung in einer dazu senkrechten Richtung überlagert
messerLx ist bei x' (Fig. 6) dargestellt — und aus ist.
dazu senkrechten Seiten 22 und 23 besteht. Der 5 Das Ausgangssignal der Photozelle PM wird über
Spiegel M wird von Seiten 51 und 52 des V-förmigen eine Leitung 30 (Fig. 7) an eine elektronische
Einschnittes eines Blockes 53 abgestützt (F i g. 5). Mischeinrichtung 31 gelegt, welche über eine Leitung
Der Mittelpunkt 24 des Fensters S liegt in einer Ent- 32 eine Rechteckspannung erhält, die in einer Einfernung
vom Scheitel L des Spiegels, welche im richtung 33 erzeugt wird. Es sind Mittel 34 vorgewesentlichen
gleich dem Kugelradius ist, der die io sehen, um die Amplitude und die Länge der Rechtreflektierende
Fläche des Spiegels erzeugt. In einer eckspannung nach Belieben und'voneinander unab-Ebene,
die das vom Spiegel M gelieferte Bild S' des hängig einzustellen. Auf der Welle 19 des Spiegels m
Fensters 5 enthält, liegt eine Schneide C; ihre Kante sitzt fest ein Drehkontakt 56, mit welchem ein
25 (F i g. 1,4 und 6) steht senkrecht zur Richtung Lx Stromabnehmer 57, dessen Winkelstellung einstellbar
und parallel zur Tangentialebene des Spiegels in 15 ist, zusammenarbeitet (F i g. 5). Der Stromabnehmer
dessen Scheitel L. 57 ist über eine Leitung 58 mit der Einrichtung 33
Das Fenster S wird von einem Kondensor beleuch- verbunden, so daß der Rechteckimpuls auf eine betet.
Zur präzisen Einstellung des Spiegels M dienen stimmte Winkelstellung des Spiegels m synchronisiert
Schrauben 54, die eine den Block 53 tragende Platte wird. Das von der Mischeinrichtung 31 gelieferte
55 abstützen (F i g. 5). Diese Einstellung erfolgt so, 20 Signal wird mit Hilfe eines Kathodenstrahloszillodaß
das vom Spiegel M gelieferte Bild S' des Fen- graphen 36 (F i g. 7) sichtbar gemacht und weiterhin
sters S in unmittelbarer Nachbarschaft des Fensters 5 über eine Verzweigung 60 an eine Integrationsschalliegt.
Die Schneide C kann in Richtung eines Doppel- tung 37 geschaltet, deren Ausgangssignal an einen
pfeiles 26, d. h. in ihrer Ebene parallel zu der er- Käthodenstrahloszillographen 38 gelegt wird. Gewähnten
Tangentialebene des Spiegels und parallel 25 gebenenfalls ist auch ein einziger Oszillograph auszur
Richtung Lx hin und her zu verschoben werden. reichend, nämlich beispielsweise ein Zweistrahl-
Weiterhin kann die Schneide C in Richtung eines Oszillograph oder auch ein Einstrahloszillograph mit
Doppelpfeiles 27 senkrecht zu ihrer Ebene verscho- einer Umschalteinrichtung, dem man wahlweise ent-
ben werden, wobei im letzteren Fall sich die Schneide weder die aus der Mischeinrichtung 31 austretenden
dem Spiegel M nähert oder sich von ihm entfernt. 30 Signale oder die aus der Integrationsschaltung 37
Eine der Bilderzeugung dienende Linse41 (Fig. 5) stammenden Impulse zuführt.
ist im wesentlichen in der Ebene der Schneide C an- Die Arbeitsweise der beschriebenen Anordung ist
geordnet. Weiter entfernt vom »sphärischen« Spie- folgende:
gel M als die Schneide C befindet sich ein Plan- Die aus dem Fenster S austretende Energie wird
spiegel m (Fig. 1 und 5), welcher um eine Achse 19 35 von dem Spiegel M reflektiert und liefert das Bild S',
drehbar angeordnet ist, wobei diese Achse 19 in der welches gegenüber dem Fenster S mit Bezug auf den
Ebene des Spiegels m und senkrecht zu derjenigen Spiegel M optisch konjugiert ist. Ein Teil der Licht-Ebene
verläuft, die durch den Mittelpunkt 24 des energie wird von der Schneide C abgeschnitten. Der
Fensters S, den Scheitel L des zu untersuchenden andere Teil tritt durch die Linse 41 und liefert ein
Spiegels M und den Mittelpunkt des Bildes S' be- 40 Schlierenbild M' (F i g. 3) des Spiegels M, das nach
stimmt ist. Ferner kann der Spiegel m um die Achse der Reflexion am Spiegel m auf den Schirm 29
19 in eine gleichförmige Rotationsbewegung versetzt projiziert wird. Das projizierte BiIdW besitzt eine
werden, was durch das Bezugszeichen 28 angedeutet kreisförmige Kontur 61, die der Kontur des Spieist.
In der Ebene eines Bildes, das die Linse 41 vom gels M entspricht in Form eines mehr oder weniger
Spiegel M über den Spiegel m liefert, befindet sich 45 hellen kreisförmigen Bereiches auf dem dunklen
ein undurchsichtiger Schirm 29, welcher eine kleine Untergrund des Schirmes 29. In der F i g. 3 ist dieser
rechteckige Lochblende F besitzt. Die kleine Seite Bereich symbolisch durch eine Schraffierung dargeder
BlendeF liegt senkrecht zur Richtung der Dreh- stellt. Infolge der Rotationsbewegung/ (Fig. 1) des
achse 19. Hinter dem Schirm 29 in Fluchtung mit Spiegels m um seine Achse 19 verschiebt sich dieses
der Lochblende F ist eine Photozelle PM angeordnet, 50 Bild M' auf den Schirm 29 relativ zur Lochblende F.
die der aus dem Fenster 5 austretenden Strahlung Der Richtungssinn dieser Verschiebung ist durch den
angepaßt ist. Pfeil Fr in F i g. 3 angegeben. Die Photozelle tastet
Es sind ferner schematisch mit 29' bezeichnete infolge der Rotation des Spiegels m einen parallel
Einrichtungen vorgesehen, um den Schirm 29 nach zu F' verlaufenden Streifen des Bildes ab, der durch
jedem vollen Umlauf des Spiegels m senkrecht zum 55 die Geraden 63 und 64 begrenzt ist, wobei entspre-Lichteinfall
zu verschieben, und zwar genau um die chend F i g. 3 die Bildkontur des Spiegels von 61
Breite der Lochblende F in der Verschiebungsrich- nach 61' wandert. Nun ist aber der durch die Getung.
Die Photozelle PM nimmt an der Bewegung raden 63 und 64 des Bereiches M' begrenzte Streifen
des Schirmes 29 teil. An Stelle einer diskontinuier- das Bild eines Streifens des Spiegels M, welcher
liehen Verschiebung des Schirmes 29 nach jedem 60 durch die Geraden 67 und 68 begrenzt ist, wobei
Umlauf des Spiegels m kann auch eine kontinuier- diese Geraden senkrecht zur Rotationsachse 19 des
liehe Verschiebung des Schirmes 29 derart vorge- Spiegels m liegen. Wenn der gesamte durch die Gesehen
werden, daß während der Zeit eines vollen raden 63 und 64 begrenzte Streifen an dem Loch F
Umlaufs des Spiegels m sich der Schirm 29 über eine vorbeigewandert ist, wird infolge der Verschiebung
Strecke gleich der Breite der Lochblende verschiebt. 65 des Schirmes 29 beim folgenden Umlauf des Spie-
Es kann auch der Schirm 29 unbeweglich sein. Es gels m der benachbarte Streifen des Bereiches abge-
werden dann der Spiegel m und sein Antriebsmotor tastet, der durch die Gerade 63 und die zu ihr par-
senkrecht zur Achse 19 und parallel zum Schirm 29 allele Gerade 69 begrenzt wird. Dabei empfängt also
vergleichen. So gibt es z.B. eine Anzahl von verschiedenen idealen Hohlspiegeln, die man aus einem
fehlerhaften Spiegel näherungsweise herausarbeiten kann. Eine unmittelbare quantitative Auswertung
des erhaltenen Schlierenbildes ist jedoch bis jetzt nicht möglich.
Bei einem Phasenkontrastverfahren ist es bekannt, mittels einer photographischen Platte oder einer
Photomultiplikatorzelle die Bildebene abzutasten und an einen Aufzeichner die Werte des Phasenkontrastbildes
weiterzugeben. Die verschiedenen Teile dieses Phasenkontrastbildes können zwar zur Bestimmung
von Brechungskoeffizienten einer zu untersuchenden Probe verwendet werden, jedoch ließe sich bei Anwendung
der bekannten Abtasteinrichtung bei einer Vorrichtung, welche nach dem Schlierenverfahren
arbeitet. Fehlerstellen in den verwendeten vorhandenen Spiegeln nicht exakt nach Lage und Größe bestimmen,
so daß eine unmittelbar quantitative Auswertung des Schlierenbildes nicht möglich wäre.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung vorzuschlagen, welche eine unmittelbar
quantitative Auswertung einer Schlierenuntersuchung ermöglicht.
Diese Aufgabe wurde gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gelöst, daß hinter der Schneide ein
Drehspiegel angeordnet ist, mittels dessen ein Schlierenbild des zu untersuchenden Gegenstandes auf
einen mit einer Lochblende versehenen Schirm projiziert wird, und daß eine Einrichtung vorgesehen
ist, mittels welcher eine Relativverschiebung zwischen der Lochblende und dem Schlierenbild quer
zu der vom Drehspiegel erzeugten Wanderbewegung des Schlierenbildes erzielt wird, ferner, daß hinter
der Lochblende eine Photozelle vorgesehen ist, die den Lichtwerten der punktförmigen Abtastung des
Schlierenbildes entsprechende Impulse einer Auswerteeinrichtung zuleitet.
Vorzugsweise besitzt die Lochblende eine rechteckige Gestalt. Die punktförmige Abtastung erfolgt
in parallelen Streifen. Das Signal der Photozelle kann mit einem Rechteckimpuls gemischt werden,
dessen Amplitude regulierbar ist. Die Regulierung erfolgt dabei derart, daß das resultierende Mischsignal
den Mittelwert Null hat. Das Mischsignal kann integriert und auf einen Kathodenstrahl-Oszillographen
aufgeschaltet werden. Weiterhin können, wie weiter unten noch ausführlich beschrieben wird,
auf die Vorrichtung einwirkende Vibrationen kompensiert werden. Es können auch Doppelprismen zur
Anwendung kommen, wie sie in Interferenzschlierenverfahren benutzt werden.
Gemäß einer abgewandelten Ausführungsform des Gegenstandes der Erfindung wird eine elektronische
Abtastung des Schlierenbildes mittels einer Fernsehkamera vorgenommen.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung eignet sich besonders gut zur Prüfung von Spiegeln, wobei die
Impulse der Photozelle mit elektronisch erzeugten Signalen verglichen werden, welche einem völlig
fehlerfreien Spiegel entsprechen wurden. Weiterhin eignet sich die Vorrichtung zur Untersuchung von
Strömungsvorgängen in gasförmigen und flüssigen Medien.
Die nachstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung dient im Zusammenhang
mit den Zeichnungen der weiteren Erläuterung. Es zeigt
Fig. 1 eine schematische Draufsicht einer bevorzugten
Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß der Erfindung,
F i g. 2 eine Draufsicht auf die rechteckige Lichtquelle,
F i g. 3 eine Draufsicht auf den die Lochblende enthaltenden Projektionsschirm,
Fig. 4 eine schematische Darstellung eines Lichtbündels,
welches aus einem Element des zu prüfenden Spiegels stammt,
F i g. 5 eine schematische und perspektivische Ansicht der in F i g. 1 gezeigten Vorrichtung, ... .
F i g. 6 eine schematische und perspektivische Ansicht eines Teiles der Vorrichtung,
Fig. 7 ein Schema des elektronischen Teiles der Vorrichtung,
F i g. 8 eine schematische Darstellung einer Wellenfläche,
Fig. 9 ein Diagramm eines Spannungsimpulses, F i g. 10 das Schema der Integration,
F i g. 11 die Anpassung des integrierten Impulses,
Fig. 12 ähnlich Fig. 11 eine für andere Anwendungsfälle
vorgesehene Anpassung,
Fig. 13 eine Schneide in zwei Stellungen,
Fig. 14 ein Diagramm der Photozellenspannurig,
Fig. 14 ein Diagramm der Photozellenspannurig,
Fig. 15 die aus dem Diagramm der Fig. 14 durch
Integrierung sich ergebende Impulsform,
Fig. 16 einen Rechteckimpuls, \
Fig. 17 die Integration des Rechteckimpulses gemäß Fig. 16, ·,
Fig. 18 eine schematische Ansicht einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung zur Untersuchung aerodynamischer Phänomene,
Fig. 19 eine schematische Ansicht des Stiomfadens im Transversalschnitt, ■ ;-. .
Fig. 20 eine Seitenansicht eines Teiles "der in
Fi g. 27 dargestellten Vorrichtung,.
Fig. 21 eine schematische Darstellung mit Bezug
auf die Untersuchung eines Stromfadens in der Nähe eines Modells, .''..... .'...'..·. .·
Fig. 22 eine Darstellung zur Erläuterung der Schneideneinstellung, , ...
F i g. 23 die schematische Darstellung eines resultierenden Oszillogramms,
Fig. 24 eine schematische Ansicht einer weiteren bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung mit einer zusätzlichen Verbesserung,
Fig. 25 eine schematische Seitenansicht eines Teiles dieser Vorrichtung,
F i g. 26 ein Blockschaltbild einer anderen bevorzugten Ausführungsform einer Vorrichtung gemäß
der Erfindung,
F i g. 27 eine schematische Ansicht des Schirmes einer Fernsehkamera dieser Vorrichtung mit einem
beleuchteten Bereich,
Fig. 28 eine Seitenansicht des Schirmes eines Fernsehempfängers dieser Vorrichtung mit der schematischen
Darstellung eines Fernsehbildes,
Fig. 29 schematisch eine verbesserte Schaltung, welche bei der in Fig. 41 gezeigten Vorrichtung zur Anwendung gelangen kann,
Fig. 29 schematisch eine verbesserte Schaltung, welche bei der in Fig. 41 gezeigten Vorrichtung zur Anwendung gelangen kann,
Fig. 30 eine Schemaansicht einer verbesserten
Schaltung, welche ebenfalls bei der erwähnten Vorrichtung zur Anwendung kommen kann.
Im folgenden wird zunächst auf die Fig. 1 bis 17 Bezug genommen. Vor einem »sphärischen« Spiegel
M (Fig. 5), dessen Kugelgestalt überprüft wer-
23j' ist die Projektion von 23' bezüglich dsM auf
die Ebene 24, L, 240' und
A ist das Intervall zwischen di0 und dsM.
A ist das Intervall zwischen di0 und dsM.
Dann ist die Abweichung zwischen asa und άΣ
gleich 2 A.
Die Neigung von άΣ bezüglich as0 ist das Doppelte
der Neigung von d% bezüglich ds0. Es gilt:
NN = 2N N
Wenn man den Mittelpunkt der Kugelwelle, welche in die senkrecht zu NnL bei N0 gelegene Ebene einfällt,
verschiebt, was darauf hinausläuft, sie um einen bestimmten Winkel bezüglich der theoretischen Kugel
zu verdrehen, dreht sich auch die austretende Wellenfläche mit Bezug auf die ursprüngliche Welle um
einen gleichen und entgegengesetzten Wert, und zwar unabhängig davon, ob diese Welle kugelförmig ist,
was einem vollkommenen Spiegel entspricht, oder deformiert ist, was einem wirklichen Spiegel entspricht.
Wenn man infolgedessen eine einfallende Welle betrachtet, die von einem auf der Seite 23 des
Fensters gelegenen Punkt stammt, dreht sich die austretende Wellenfläche um einen Winkel ΝηάΣ230'.
Die Abweichung t stellt also auch die Neigung im Punkt άΣ zwischen der hier betrachteten neuen
Wellenfläche und der bei 23,,' zentrierten Kugelwelle
dar, die ein als vollkommen vorausgesetzter Spiegel liefern würde.
Man kann allgemein sagen, daß das elektrische Signal, welches dem nicht verdeckten Teil eines
Bildes S' für ein bestimmtes Spiegelelement entspricht, repräsentativ ist für die Neigung oder den
Gradienten des optischen Weges 2άΛ/άχ zwischen
der wirklichen Wellenfläche mit Ursprung bei 23 und einer Bezugskugel, die ihren Mittelpunkt auf der
Kante 25 der Schneide hat. Unter diesen Umständen ist das am Ausgang der Mischeinrichtung 31 auftretende,
korrigierte Signal also repräsentativ für den Gradient des optischen Weges 2ά/Μάχ oder für das
tangentiale Profil. Dieser Gradient ist auf dem Schirm des Oszillographen 36 direkt sichtbar. Die durch die
Integrationsschaltung 37 erfolgende Integration des korrigierten Signals liefert ein Oszillogramm, das
2 Δ (χ) darstellt oder das Oszillogramm des normalen Profils. Ein derartiges Oszillogramm ist rechts außen
in F i g. 7 sichtbar.
In F i g. 9 ist in größerem Maßstab in strichpunktierten Linien das Oszillogramm eines tangentialen
Profils dargestellt, und zwar vor Anlegen des Korrektursignals. In ausgezogenen Linien zeigt F i g. 9
dasselbe Oszillogramm nach »Korrektur«, wobei jeweils O der Ursprung des Koordinatensystems ist.
In Fig. 10 zeigt die strichpunktierte Kurve das
Oszillogramm der integrierten Spannung, welches, ausgehend von dem strichpunktierten Oszillogramm
der F i g. 9, erhalten wird, also ohne Anwendung des Korrektursignals. Durch die ausgezogene Kurve ist in
F i g. 9 das integrierte Signal dargestellt, wie man es unter Anwendung des Korrektursignals erhält.
Die schematisch in F i g. 6 durch den Doppelpfeil 26 angegebenen Reguliereinrichtungen werden so
eingestellt, daß mit Rücksicht auf die Unvollkommenheiten des gerade kontrollierten Spiegels immer
noch ein. Lichtrluß verbleibt, der auf den Schirm 29
fällt, d.h., daß das ganze Bild5' einen Abschnitt besitzt, der über die Kante 25 vorspringt und weiterhin,
daß über das ganze Bild S' hinweg ein Teil durch die Schneide C verdeckt wird.
Mittels einer durch den Doppelpfeil 27 angegebenen Schneidenverstelleinrichtung kann die Schneide C
in einer Translationsbewegung parallel zur optischen Achse des Spiegels verschoben werden. Eine solche
Verschiebung entspricht der Auswahl einer neuen Bezugskugel, nämlich einer Kugel, die immer noch
auf der Schneide zentriert ist und deren Radius einen neuen Wert besitzt. Mit Bezug auf diese neue Bezugskugel wird dann der optische Weglängenunterschied
gemessen.
Die Schneidenverstelleinrichtung 27 kann derart eingestellt werden, daß das Oszillogramm der integrierten
Spannung auf beiden Seiten der Abszissenachse maximale Ordinaten hat, die dann im wesentlichen
gleich groß sind. Das integrierte Oszillogramm realisiert somit die optischen Wegänderungen bezüglich
derjenigen Bezugskugelfläche, die sich am besten der Spiegelfläche anschmiegt. Aus einer derartigen
Einstellung gestattet das Oszillogramm dann auch-die
Fehler des Spiegels am besten zu berechnen.
Fig. 11 zeigt als Beispiel in strichpunktierter Linie
ein Oszillogramm der optischen Wegänderungen vor Einstellung der Schneideneinstelleinrichtung 27 und
in ausgezogener Linie das entsprechende Oszillogramm nach Einstellung derselben.
Die Schneidenverstelleinrichtung 27 kann auch derart eingestellt werden, daß das Oszillogramm insgesamt
auf einer Seite der horizontalen Achse liegt und diese berührt. Die Abweichungen Δ werden alsdann
bestimmt, indem man von einer theoretischen Kugelfläche ausgeht, von der aus gesehen alle tatsächlichen
Fehler auf ein und derselben Seite ihrer Oberfläche liegen.
Fig. 12 zeigt als Beispiel in strichpunktierter
Linie ein Oszillogramm vor dieser zweiten Einstellung und in ausgezogener Linie ein Oszillogramm
nach dieser Einstellung, welche durch Verstellung der Schneideneinstelleinrichtung erhalten wurden.
Ein solches Oszillogramm wird vorzugsweise erzeugt, um eine Nacharbeitung an einem Spiegel auszuführen.
Ganz allgemein sei an dieser Stelle erwähnt, daß es sich bei den Unregelmäßigkeiten eines Spiegels gewöhnlich
um Drehunregelmäßigkeiten mit Bezug auf die Spiegelachse handelt.
Die Erfindung gestattet weiterhin die nahezu augenblickliche Bestimmung des numerischen Wertes der
Steigungen *x und der Abweichungen A (x) in jedem
untersuchten Punkt des Spiegels. Man geht dabei in folgender Weise.vor: Man erzeugt zunächst ein für
die tangentialen Abweichungen repräsentatives Oszillogramm sowie ein für die normalen Abweichungen
repräsentatives Oszillogramm, und zwar für einen bestimmten Streifen des Spiegels. Derartige Qszillogramme
sind in den Fig. 14 und 15 dargestellt. Wenn die Differenz e zwischen der maximalen tangentialen
Abweichung und der minimalen tangentialen Abweichung ziemlich groß ist (einige Millimeter),
verschiebt man die Schneide C in Richtung des Pfeiles 26 um einen bekannten Wert T, beispielsweise
mit Hilfe einer Millimeterteilung, die auf den Steuereinrichtungen für die Verschiebung der Schneide
vorgesehen ist. Die Größe T soll in der gleichen Größenordnung wie die Amplitude der Abweichungen
e liegen.
Hierauf erzeugt man ein neues Oszillogramm, das für die Steigungen oder tangentialen Abweichungen
die Photozelle die Energiemengen, die der Aufhellung der verschiedenen Zonen des Bandes zwischen
den Linien 63 und 69 entsprechen, d. h., das Schlierenbild der Zone zwischen den Linien 67 und
70 wird abgetastet.
In F i g. 6 ist bei S' ein Bild des Fensters S dargestellt, welches von einem Element eines vollkommenen
sphärischen Spiegels geliefert würde, dessen Mittelpunkt N0 in jeweils gleicher Entfernung zwischen
den Mittelpunkten des Fensters S und seinem Bild S' liegt und dessen Radius R gleich der Entfernung
zwischen dem Punkt N0 und dem Scheitel L des
Spiegels ist. In der Figur ist durch Schraffur derjenige Teil S0' des Bildes angedeutet, welcher von Lichtstrahlen
geliefert wird, die über die Kante der Schneide C hinaus auf den Schirm 29 gelangen.
Wenn alle Elemente ds des Spiegels M auf dem durch die Geraden 67 und 68 begrenzten Ausschnitt
xv X1' auf einer theoretischen Kugelfläche mit
Radius R und Mittelpunkt N0 liegen, liefert jedes
dieser Elemente von dem Fenster S dasselbe Bild S0,
welches um den Punkt 240' zentriert ist, der seinerseits
das Bild des Mittelpunktes 24 des Fensters S ist. Die Helligkeit des Streifens A1, A1 auf dem Schirm
29 zwischen den Geraden 63 und 64 ist gleichförmig ■ und im Verlauf der Überprüfung des Spiegels M aus
irgendeinem Element ds des Ausschnitts stammende, durch die Lochblende F hindurchtretende Lichtmenge
ist während der Verschiebung des hellen Bereiches M' auf dem Schirm konstant. Sie entspricht
der über die Schneidenkante gelangenden Lichtmenge der schraffierten Bereiche S0'. Diese Fläche
ist von der Abbildung 230' der Seite 23 und von den über die Schneidenkante 25 vorstehenden Teilen der
Bilder 2O0' und 2I0' der Seiten 21 und 20 sowie
durch die erwähnte Kante 25 der Schneide begrenzt. Unter diesen Umständen hat das Ausgangssignal der
Photozelle PM eine rechteckige Form, wobei die Höhe des Rechtecks der konstanten Lichtmenge entspricht,
welche in jedem Augenblick auf die Photozelle PM auftrifft.
Falls ein Oberflächenelement ds, das im Punkt 18 des Ausschnittes X1, X1 des Kugelspiegels M liegt,
nicht in der theoretischen Kugelfläche liegt, trifft die Flächennormale dieses Elements die Schneide C
anstatt in dem Punkt N0 in einem Punkt N. Das Bild,
welches das Element ds vom Fenster S liefert, liegt anstatt bei S0' bei S'. Die von diesem Flächenelement
ds herrührende Lichtmenge, welche in die Streifen A1, A1 (Fig. 3) fällt und welche im Verlauf
der Rotation des Spiegels m die Lochblende F bei der Abbildung des Elements ds auf die Lochblende
durchsetzt, entspricht der durch den schraffierten Abschnitt des Rechtecks S' hindurchtretenden Lichtmenge.
Dieser Abschnitt ist durch die Abbildung 23' der Seite 23, die Bildabschnitte 20' und 21', welche
über den Rand 25 der Schneide C vorspringen, sowie durch die Kante 25 der Schneide begrenzt. Die von
der Photozelle PM empfangene Lichtmenge ist also kleiner, als wenn das Element ds in einer exakten
Kugelfläche liegen würde, und zwar um eine Menge, die proportional der Flächendifferenz der über die
Schneidenkante vorstehenden schraffierten Bildabschnitte S0' und S' ist. Dieser Unterschied ist der
Größe und dem Vorzeichen nach einem Vektor proportional, welcher den Punkt 240' mit dem Punkt
24,' verbindet. Der letztere Punkt 24,' liegt im Schnittpunkt der durch 24' gezogenen Parallelen zur
Schneidenkante 25 und der durch 240' zu dieser Kante gezogenen Senkrechten.
Wenn « der Winkel ist, den die die Punkte 18 und
24n' verbindende Gerade mit der die Punkte 18 und
24' verbindenden Geraden einschließt, wenn ferner 1 die Entfernung zwischen den Punkten 240' und 24'
ist, ergibt sich in guter Näherung:
1 = Ra.
Wenn .\x die Projektion des Winkels λ auf diejenige
Ebene ist, die durch die die Punkte 18 und 240' verbindende
Gerade und parallel zu xx' verläuft, und wenn t die Projektion von 1 auf diese Ebene ist, gilt:
Wenn Λ die Normalenabweichung zwischen der
theoretischen Kugelfläche und der Fläche des Spiegels im Punkt 18 ist, nämlich die Abweichung, die
so entlang der Kugelnormalen gerechnet wird, ist die
Ableitung -=— gleich V2 · ax, und es gilt:
t = 2R
άΔ
~ά~χ~
~ά~χ~
Nun ist aber die Lichtmenge, welche auf die Photozelle PM fällt, in jedem Augenblick proportional
zum Wert von t, vermehrt um eine Konstante, die dem Wert des schraffierten Teiles des Bildes S0'
entspricht, wie dies aus F i g. 6 hervorgeht. Das Ausgangssignal der Photozelle PM wird somit durch
^- + C" dargestellt.
Falls die Flächennormale des nicht in der theoretischen Kugelgestalt liegenden Elements ds trotzdem
durch den Punkt N0 verläuft, fällt das Bild von S, das dieses Element liefert, mit S0' zusammen. Jedoch
sind dann dieser Fläche ds andere Flächen ds benachbart, deren Normalen nicht durch N0 verlaufen.
Die Rechteckimpulserzeugungseinrichtung 33 kann durch die Einrichtung 34 derart eingestellt werden,
daß die von ihr gelieferte Amplitude des Rechteckimpulses genau gleich und entgegengerichtet zu k0
ist. Die Größe k0 ist dabei der Wert der elektrischen
Spannung, die der obenerwähnten Konstante entspricht, welche ihrerseits von der transversalen, d. h.
in Richtung des Doppelpfeiles 26 erfolgenden Einregulierung der Schneide abhängt.
Unter Bezug auf F i g. 8 sei vorausgesetzt:
as0 ist ein Element der theoritsichen Kugelfläche,
deren Mittelpunkt bei N0 liegt,
dsM ist ein entsprechendes Element des wirklichen Spiegels M,
dsM ist ein entsprechendes Element des wirklichen Spiegels M,
d2" ist ein entsprechendes Element der Wellenfläche
einer aus N0 stammenden Kugelwelle nach Reflexion am Element des wirklichen
Spiegels,
N0 ist auch der Mittelpunkt der theoretischen
N0 ist auch der Mittelpunkt der theoretischen
Kugelfläche mit dem Scheitel L,
N1 ist die auf die durch die Punkte 24, L und 240' bestimmte Ebene erfolgende Projektion des Schnittpunktes der Normalen auf dsM mit der zu N0L in N0 senkrechten Ebene,
N1 ist die auf die durch die Punkte 24, L und 240' bestimmte Ebene erfolgende Projektion des Schnittpunktes der Normalen auf dsM mit der zu N0L in N0 senkrechten Ebene,
N, ist die auf diese Ebene erfolgende Projektion des Schnittpunktes der Normalen auf d2" mit
der zu N0L in N0 senkrechten Ebene,
509 615/68
13 14
Im Falle einer parabolischen Fläche, die an Hand derjenigen Vorrichtung, wie sie oben mit Bezug auf
einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einer die Überprüfung eines Kugelspiegels beschrieben
Schneide im Krümmungsmittelpunkt der zu unter- wurde. Wenn der Strömungsbereich V ein vollkom-
suchenden Fläche kontrolliert werden soll, variieren men isotropes Medium ist, ist das von der Photozelle
die Abweichungen zwischen der vollkommenen Para- 5 PM gelieferte Signal konstant. Im Verlauf der Ver-
bolfläche und der Berührungskugel zu dieser Fläche Schiebung der Lochblende F im Schirm 28 gelangen
in derem Scheitel nach einem r»-Gesetz. Um die nacheinander die aufeinanderfolgenden Bilder der
Abweichungen zwischen der wirklichen Fläche und verschiedenen Elemente ds des Bandes A1, A1 in
der vollkommenen parabolischen Fläche hervortreten Überlagerung mit der Lochblende (vgl. Fig. 21).
zu lassen, legt man an das Tangentialprofil ein Kor- io Den Grenzlinien 81,82 dieses Bandes entsprechen
rektursignal in x3 an und an das normale Profil ein als Bilder die Linien 83 und 84 des aufgehellten
Korrektursignal in x*. Beide Korrektursignale werden Bereiches 85, welche durch die kleinen Seiten 86
auf elektronischem Wege bereitgestellt. Es läßt sich und 87 der Lochblende F verlaufen (F i g. 20). In-
weiterhin auf diese Weise eine direkte Kontrolle von folgedessen empfängt die Photozelle PM nachein-
parabolischen wie auch anderen asphärischen Flächen 15 ander Strahlungsmengen, die durch die verschiedenen
verwirklichen. Elemente ds dieses Bandes gegeben sind. Dabei
Die Erfindung gestattet es, Abweichungen zu mes- werden die Strahlungsmengen durch das Durch-
sen, welche zwischen einer wirklichen, deformierten queren des Strömungsbereiches beeinflußt. Wenn der
Welle und einer theoretischen Bezugskugelwelle be- Strömungsbereich nicht isotrop ist, beispielsweise in-
stehen. Die Erfindung erlaubt es deshalb, Abweichun- 20 folge des Einflusses eines zu untersuchenden, in den
gen an allen optischen Systemen zu messen, welche Bereich eingetauchten Modells Q (F i g. 19), äußern
an sich solche vollkommene Kugelwellen erzeugen. sich die Änderungen des Brechungsindex des Strö-
Die Erfindung erstreckt sich also auch auf die mungsbereiches durch Änderungen des von der
Überprüfung oder Herrichtung anderer optischer Ein- Photozelle PM gelieferten Signals. Die Änderungen
richtungen als Konkavspiegel (beispielsweise auch »5 des Brechungsindex sind dabei durch die auf der
auf Konvexspiegel, Planspiegel und weiterhin auf Einführung des Modells beruhenden Änderungen des
optische Linsensysteme). Volumens oder der Dichte des Mediums hervor-
Die Erfindung umfaßt ferner weitere Anwendungs- gerufen. Das Maß dieser Signaländerung gestattet
gebiete der Strioskopie, insbesondere auch außerhalb eventuell nach elektronischer Behandlung die Gewinder
oben beschriebenen Überprüfung von Spiegeln. 30 nung einer numerischen Auskunft über die Ände-Ein
besonderes Interesse findet die Erfindung hin- rungen des Brechungsindex oder des Volumens längs
sichtlich der Untersuchung aerodynamischer Phäno- des untersuchten Bandes. Hierauf untersucht man ein
mene. Hier kann eine zu dem oben beschriebenen anderes Band oder eine andere Scheibe A2,A2 neben
Apparat analoge Vorrichtung Anwendung finden. dem ersten Band usw., wobei der Übergang von
Fig. 18 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform einer 35 einem Band auf ein anderes durch Verschieben des
Vorrichtung, die insbesondere für eine derartige Schirmes 29 in der durch den Doppelpfeil (F i g. 20)
Untersuchung geeignet ist. Die von dem rechteckigen angegebenen Richtung erfolgt. An dieser Verschie-Fenster
S gebildete Lichtquelle liegt in einem sekun- bung nimmt auch die hinter der Lochblende F aufdären
Brennpunkt 24 eines ersten konkaven Kugel- gestellte Photozelle teil. Die Erfindung zieht in
spiegeis M1, der ein Parallellichtbündel zurückwirft. 4° gleicher Weise auch Ausführungsformen in Betracht,
In dieses Lichtbündel ist ein zu untersuchender Strö- bei denen für den Übergang von einem Band zu
mungsbereich V eingeschaltet, der im vorliegenden einem anderen andere Mittel verwendet sind.
Beispiel von zwei Gläsern G1 und G2 mit parallelen F i g. 22 zeigt mit Bezug auf die Schneide C ein Flächen begrenzt ist. Die Flächen der Gläser liegen Bild S0' des Fensters S, welches von einem Element ds zur Richtung des Strahlenbündels senkrecht. Ein 45 geliefert wird, wenn keine Störung im Strömungszweiter konkaver Kugelspiegel M2 bildet das Licht- bereich vorliegt. In diesem Falle liefert die gesamte, bündel in einem sekundären Brennpunkt 24' ab und durch irgendein anderes Element ds des Bandes hinliefert so das Bild S' des Fensters S. Die Schneide C durchtretende Strahlung im Verlauf der Analyse dasist im wesentlichen in der Ebene dieses Bildes S' auf- selbe Bild S0': Die Aufhellung jedes Abschnittes des gestellt. Das teilweise abgedeckte Bündel fällt hierauf 50 Bandes des Schirmes zwischen den Linien 83 und 84 auf einen ebenen Spiegel m, der um die Achse 19 ist also entlang des Bandes konstant. Dabei ist die rotieren kann, wobei die der Drehung dienenden Aufhellung proportional zu derjenigen Strahlungs-Mittel schematisch bei 28 angedeutet sind. Ein Ob- menge, die die Ebene der Schneide überquert, was in jektiv oder eine Linse 41 liegt in unmittelbarer Nach- diesem Falle durch die über die Schneide vorsprinbarschaft der Schneide C im Strahlengang und liefert 55 gende Fläche des Rechtecks gegeben ist. Das im vom Strömungsbereich V oder genauer von einer Verlauf der Abtastung der Lochblende F durch den Längsebene dieses Bereiches in der Ebene des die beleuchteten Bereich 25 von der Photozelle PM ge-Lochblende F aufweisenden, undurchsichtigen Schir- lieferte Signal ist somit ein Signal in Form eines mes 29 ein Bild. Die Lochblende kann beispielsweise Rechtecks oder Zackens.
Beispiel von zwei Gläsern G1 und G2 mit parallelen F i g. 22 zeigt mit Bezug auf die Schneide C ein Flächen begrenzt ist. Die Flächen der Gläser liegen Bild S0' des Fensters S, welches von einem Element ds zur Richtung des Strahlenbündels senkrecht. Ein 45 geliefert wird, wenn keine Störung im Strömungszweiter konkaver Kugelspiegel M2 bildet das Licht- bereich vorliegt. In diesem Falle liefert die gesamte, bündel in einem sekundären Brennpunkt 24' ab und durch irgendein anderes Element ds des Bandes hinliefert so das Bild S' des Fensters S. Die Schneide C durchtretende Strahlung im Verlauf der Analyse dasist im wesentlichen in der Ebene dieses Bildes S' auf- selbe Bild S0': Die Aufhellung jedes Abschnittes des gestellt. Das teilweise abgedeckte Bündel fällt hierauf 50 Bandes des Schirmes zwischen den Linien 83 und 84 auf einen ebenen Spiegel m, der um die Achse 19 ist also entlang des Bandes konstant. Dabei ist die rotieren kann, wobei die der Drehung dienenden Aufhellung proportional zu derjenigen Strahlungs-Mittel schematisch bei 28 angedeutet sind. Ein Ob- menge, die die Ebene der Schneide überquert, was in jektiv oder eine Linse 41 liegt in unmittelbarer Nach- diesem Falle durch die über die Schneide vorsprinbarschaft der Schneide C im Strahlengang und liefert 55 gende Fläche des Rechtecks gegeben ist. Das im vom Strömungsbereich V oder genauer von einer Verlauf der Abtastung der Lochblende F durch den Längsebene dieses Bereiches in der Ebene des die beleuchteten Bereich 25 von der Photozelle PM ge-Lochblende F aufweisenden, undurchsichtigen Schir- lieferte Signal ist somit ein Signal in Form eines mes 29 ein Bild. Die Lochblende kann beispielsweise Rechtecks oder Zackens.
rechteckig sein, wobei die lange Seite des Rechtecks 60 Wenn demgegenüber eine Störung vorliegt, ist das
parallel zur Achse 19 ausgerichtet ist. Hinter der einem Element des Strömungsbereiches entsprechende
Lochblende F befindet sich die Photozelle PM. Weiter- Bild des Fensters S von S0' verschieden und liegt bei-
hin sind Mittel 29' vorgesehen, um den Schirm 29 spielsweise bei S1'. Das hiervon von der Photozelle
senkrecht zu der aus der Drehung des Spiegels m gelieferte Signal ist dann proportional zu derjenigen
resultierenden Verschiebungsrichtung des Bildes des 65 von der Schneide nicht verdeckten Fläche des Bildes
Strömungsbereiches zu verschieben. An dieser Be- S1'. Diese ist im vorliegenden Beispiel größer. Der
wegung nimmt wieder die Photozelle PM teil. Flächenunterschied der nicht verdeckten Teile ist
Die Wirkungsweise dieser Anordnung entspricht proportional der Entfernung, welche auf der Senk-
repräsentativ ist; sowie ein für die optischen oder normalen Abweichungen repräsentatives Oszillogramm,
indem man den Spiegel m eine Umdrehung ausführen läßt, ohne dabei die Stellung des Schirmes
29 zu ändern. Die Ordinatenunterschiede in jedem Punkt der jeweiligen Oszillogramme für die Steigungen
und die optischen Abweichungen entsprechen dann der tangentialen Abweichung bzw. der normalen
Abweichung, die aus der alleinigen Verschiebung T der Schneide resultiert.
Was die Steigung betrifft, so stellt dieser Unterschied eine Größe T/R dar. Was den optischen Weg
betrifft, so stellt diese Differenz, gemessen am Ende Jc1'
des Streifens X1, X1' der Länge X des Spiegels, eine
Größe TX/R dar.
Man kann auch auf folgende Weise vorgehen: Man hält den Antriebsmotor des Spiegels m an, wenn sich
das Bild irgendeines Elementes ds des Spiegels M über der Lochblende F befindet. Mit Hilfe der schematisch
bei 26 angedeuteten Verschiebung verändert man die Stellung der Schneide derart, daß die Tönung,
welche man in diesem Punkt des Schlierenbildes auf dem Schirm 29 beobachtet, genau an der Grenze
zwischen Schwarz und Weiß liegt, d.h., daß, ausgehend von dieser Stellung, eine sehr kleine Verschiebung
der Schneide in der einen Richtung einen schwarzen Abschnitt in Überlagerung mit der Lochblende
F erscheinen läßt und eine Verschiebung in der anderen Richtung einen weißen Abschnitt an
derselben Stelle auftreten läßt. Ausgehend von dieser Stellung, verschiebt man dann die Schneide um einen
bekannten Wert T in Richtung des Pfeiles 26. Anschließend stellt man die Einrichtung 33 mit Hilfe
eines Hilfskontaktes an; das Oszillogramm der Photozelle ist dann, falls die Amplitude des durch die Einrichtung
33 gelieferten Rechtecksignals Null ist, ein Zacken, dessen Höhe TIR den Maßstab auf dem
Tangentialprofil bestimmt. Das Oszillogramm des integrierten Signals ist eine geneigte Gerade; die Ordinate
eines einer Prüflänge X entsprechenden Punktes hat den Wert TX/R; sie bestimmt den Maßstab auf
dem Normalenprofil. Man kann auf diese Weise die Oszillogramme der einen oder anderen Art eichen
und zur quantitativen Auswertung der erwähnten Oszillogramme übergehen.
Wenn die Amplitude der tangentialen Abweichungen e sehr gering ist (einige Hundertstelmillimeter),
ist die Verschiebung T der Schneide, welche in der gleichen Größenordnung wie e liegen muß, schwierig
zu messen. Man verfährt in diesem Fall auf folgende Weise:
Man stellt parallel zum Pfeil 26 eine Verschiebung der Schneide mit einer Länge T ein, die ausreicht,
um gemessen zu werden; nierauf schiebt man ein Material, dessen Absorptionsvermögen oder »Dichte«
mit Bezug auf die benutzte Strahlung bekannt ist, in den Strahlenfluß ein, bevor dieser auf die Photozelle
fällt. Dadurch wird einerseits die Übersteuerung des letzteren vermieden, und andererseits ist es auf diese
Weise möglich, Oszillogramme zu gewinnen, die nicht über den Schirm des Oszillographen hinaustreten.
Wenn τ der Durchlässigkeitskoeffizient des eingeschobenen
Materials ist, erhält man ein Steigungsdiagramm, wie es in Fig. 16 dargestellt ist. Es ist
dies ein rechteckiges Diagramm mit der Ordinate H = τΤ/R. Das integrierte Oszillogramm, welches
für die Veränderungen des optischen Weges repräsentativ ist, ist in Fig. 17 dargestellt. Es besteht aus
einem Abschnitt einer geneigten Geraden, die den Ursprung der Abweichung mit einem oberen horizontalen
Niveau verbindet, dessen Ordinate gleich W ist. Diese Verschiebung W ist ein Maß für die Abweichung
der Normalen A (x):
Χι
-ί'τ
dx
oder
= r^X.
R
Hier ist X die Länge des untersuchten Segmentes auf dem Spiegel.
In einem Beispiel war
R= 5 m,
X = 0,5 m,
T=S mm,
X = 0,5 m,
T=S mm,
τ = ΙΟ-2
gewählt.
gewählt.
Wenn die Amplitude der Ordinate H (F i g. 16)
20 mm ist, entspricht der Steigungsmaßstab auf dem Oszillogramm des tangentialen Profils dem Wert:
5· 10-6rad/cm.
Wenn die Verschiebung W gleich 50 mm ist, entspricht der Maßstab auf dem zugehörigen normalen
Profil dem Wert:
1 μ/cm .
Im Verlauf einer experimentellen Untersuchung war die Rotationsgeschwindigkeit des Spiegels m derart,
daß die Dauer des Vorbeiwanderns des Lichtfleckes M' entlang einer Durchmesserzone in der
Größenordnung einer Millisekunde lag. Die Weite des Loches senkrecht zur Richtung des Vorbeiwanderns
war gleich Vioo des Durchmessers des Lichtflecks.
Die Weite des Loches in der Richtung des Vorbeiwanderns lag in derselben Größenordnung.
Bei einem anderen Versuch hatte das Loch einen im wesentlichen kreisförmigen Umfang.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung ist nicht nur auf die Kontrolle von reflektierenden sphärischen
Flächen, wie oben angegeben, anwendbar, sondern in gleicher Weise auch auf die Überprüfung asphärischer
Flächen. Da bei der Anwendung auf einen sphärischen Spiegel das von der Zelle des Photoverfielfachers
gelieferte Signal mit einem rechteckigen Signal oder einem Zacken verglichen wird, wobei
dieses Signal demjenigen entspricht, das von der Zelle im Falle eines vollkommenen Kugelspiegels
geliefert würde, wird bei der Anwendung auf die Kontrolle reflektierender asphärischer Flächen das
von der Zelle gelieferte Signal bei der Überprüfung mit einem zweiten Signal verglichen. Dieses zweite
Signal wird elektronisch erzeugt. Es entspricht einem Signal, wie es von der Zelle geliefert würde, wenn sie
ein Strahlenbündel empfängt, das aus der Reflexion an dem asphärischen Spiegel von vollkommener geometrischer
Gestalt resultiert.
Die Bestimmung des Vergleichssignals kann mit Hilfe geometrischer Überlegungen erfolgen, welche
die Beziehung zwischen der vollkommenen asphärischen Fläche mit einer Kugelfläche zum Ausdruck
bringen, deren entsprechendes Signal eine horizontale Gerade ist.
rechten zur Schneidenkante 25 zwischen den Mittelpunkten
240' und 24/ der Bilder S11' und S1' bestimmt
wird. Dieser Unterschied ist proportional zum Winkel rtv zwischen den Lichtstrahlen, die jeweils den
Punkten 240' und 24/ entsprechen. Das ausgehend von dem durch die Photozelle PM gelieferten Signal
gezeichneten Oszillogramm kann als repräsentativ für das »tangentiale« Profil angesehen werden. Die Integration
im algebraischen Sinne führt zu dem »normalen« Profil.
Die Erfindung läßt sich mit Vorteil bei Untersuchungen zweidimensionaler Strömungen anwenden,
wie sie durch ein Modell entstehen, das in die Strömung eines Windkanals derart eingesetzt ist, daß
seine Erzeugenden senkrecht zur Richtung der Strömung verlaufen, d. h., wenn der Querschnitt des
Modells in Ebenen parallel zur Richtung der Strömung konstant ist. Die Vorrichtung wird so aufgebaut, daß
die Richtung des Lichtstrahlbündels, das die Strömung durchsetzt, parallel zu den Erzeugenden des Modells
liegt.
Wenn ο die Volumenmasse (Dichte) in einem
Punkt der Strömung und η der Brechungsindex des Mediums in diesem Punkt ist, gilt das Gesetz von
Gladstone:
η — 1 = k ο,
k ist eine Konstante.
Da die Strömung eine zweidimensionale Struktur besitzt, sind die Volumenmasse und der Brechungsindex
entlang jeder Geraden parallel zu den Erzeugenden konstant. Wenn die Lichtstrahlen parallel zu
den Erzeugenden verlaufen, gilt für den optischen Weg Δ, der diesen Lichtstrahlen entspricht:
Δ = η e,
e ist die Dicke der Strömung.
Mit Rücksicht auf das obenerwähnte Gesetz von Gladstone ergibt sich also:
Wenn der Strömungskanal in Betrieb ist und wenn ein Modell in die Strömung eingetaucht ist, stellt sich
ein heterogenes Dichtefeld ein, das im allgemeinen um das untersuchte Modell herum stabil ist. Die
Wellenfläche wird also nach Durchqueren des Versuchsbereiches V deformiert und bildet mit der einfallenden
ebenen Welle variable Abweichungen Δ aus. Die in jedem Punkt zur Wellenfläche normalen
Lichtstrahlen werden nach Durchlaufen des Strömungsbereiches V in unterschiedlicher Weise abgelenkt.
Infolgedessen verstreuen sich auch die Bildkomponenten 5' des hellen Rechtecks, welche von
elementaren Bereichen ds der Wellenfläche stammen, in der Ebene der Schneide. Das Beobachtungsfeld
erscheint nicht mehr gleichförmig erhellt.
Jeder Punkt des Feldes bringt eine Aufhellung, welche zur Komponente t der ßildverschiebung in
Richtung senkrecht zur Schneidenkante 25 proportional ist (bei entsprechender Wahl des Ursprungs,
von welchem aus die Komponente / gemessen wird).
Unter Verwendung bereits oben eingeführter Bezeichnungen ergibt sich:
QX
/ ist die Brennweite des Spiegels, und Kx = dAIdx ist
die Abweichungskomponente des Strahles in Richtung senkrecht zur Schneidenkante.
Die Untersuchung des strioskopischen, auf dem Schirm 29 entstehenden Bildes gestattet also die Gewinnung
des tangentialen Profils άΔΙάχ und, nach
Integration, des normalen Profils Δ(χ), welches bis
auf eine Konstante den Aufbau der Volumenmasse ο auf der Untersuchungsgeraden darstellt (Fig. 23).
Die Konstante ist durch die Volumenmasse ρ0 in
ίο einem nicht gestörten Strömungsbereich bestimmt.
Sie kann durch eine andere Methode gemessen werden, beispielsweise interferometrisch oder durch eine
Druckbestimmung in einem nicht gestörten Strömungsbereich. Die Festlegung der numerischen Maßstäbe
auf den beiden Profilen wird analog zu demjenigen Vorgehen vorgenommen, wie es oben mit
Bezug auf die Untersuchung von Spiegeln angegeben wurde. Man nimmt zwei Oszillogramme auf, eines
für das tangentiale und eines für das normale Profil, wobei der Strömungskanal in Betrieb ist. Hierauf
stellt man den Strömungskanal ab und verschiebt die Schneide um eine willkürliche Länge T, wobei man
die schematisch bei 26 angegebenen Reguliermittel benutzt. Auf diese Weise wird die Kante 25 parallel
zu sich selbst verschoben. Hierauf nimmt man ein Oszillogramm für ein tangentiales Profil auf, welches
die Form eines Rechtecks oder Zackens besitzt. Dieser Zacken gibt den Wert der Abweichung 77/,
wobei / die Brennweite des Spiegels M2 ist. Man
integriert hierauf den erwähnten Zacken, um ein normales Profil zu gewinnen, welches sich als geneigte
Gerade darstellt, deren Verschiebung, nämlich der Ordinatenunterschied zwischen ihren Enden, den
Maßstab für die Werte auf dem normalen Profil darstellt.
Um Schwingungseinflüsse, denen die Vorrichtung unterliegen kann, auf ein Minimum zu beschränken
oder ganz zu beseitigen, kann das durch die Photozelle
gelieferte Signal ein Hochpaßfilter durchlaufen, das in der Lage ist, den Störeffekt der Schwingungen
zu unterdrücken, da die Frequenzen dieser Schwingungen im allgemeinen kleiner als diejenigen des
Signals sind.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird der Störeffekt der Schwingungen automatisch
kompensiert, und der Einsatz eines Filters ist überflüssig. Diese Ausführungsform kann selbst dann verwendet
werden, wenn die Abtastfrequenz relativ klein ist. so daß sich auf diese Weise also eine besonders
feine Analyse ausführen läßt. Das Korrektursignal, welches dem von der Photozelle gelieferten Signal
angelegt wird und welches im Falle der Überprüfung eines Kugelspiegels ein horizontales Signal ist, wird
hierbei in Abhängigkeit von denjenigen Schwingungen variiert, denen die Vorrichtung unterworfen ist, so
daß in jedem Augenblick der Einfluß der Schwingungen auf das von der Photozelle gelieferte Signal kompensiert
wird. Eine Ausführungsform einer derartigen Einrichtung ist in Fig. 24 dargestellt.
Der Aufbau umfaßt einen zum Gegenstand der Fig. 1 analogen Teil, d.h., daß in der Ebene des
Bildes S' der Lichtquelle 5,' welches von dem zu kontrollierenden Spiegel M geliefert wird, falls die Apparatur
für diesen Zweck vorgesehen ist, eine Schneide C angebracht ist. Eine Linse 41 ist derart angeordnet,
daß sie in der Ebene eines Schirmes 29 mit Lochblende F1 ein Bild des Spiegels M liefert. Ein Drehspiegel
m ist so in das Strahlenbündel eingeschaltet,
509 615/68
17 18
daß eine hinter der Lochblende F liegende Photo- Ordnung benutzt werden, wobei das Kompensationszelle PM1 im Verlauf der Rotation des Spiegels m signal dann aus einem nicht gestörten Bereich der
die über die Schneide C hinwegtretende Lichtmenge Strömung, beispielsweise vom Modell stromaufwärts,
empfängt. Diese Lichtmenge entspricht einer von den herrührt.
verschiedenen Elementen eines Bandes oder einer in 5 Bei den bisher beschriebenen Ausführungsformen
bezug auf die Linse 41 zur Lochblende F1 konjugier- der Erfindung wird die Untersuchung mit Hilfe eines
ten Linie des Spiegels M ausgehenden Lichtmenge. drehenden Spiegels vorgenommen. Die Erfindung
Bei der vorliegenden Ausführungsform wird ein Teil sieht auch Ausführungsformen vor, bei denen die
des das strioskopische Bild transportierenden Bün- Analyse mit Hilfe anderer Mittel ausgeführt wird,
dels ISO vor Erreichen des Spiegels m abgelenkt, bei- io Insbesondere kann die Analyse des strioskopischen
spielsweise mit Hilfe eines halbdurchlässigen Blatt- Bildes so vorgenommen werden, wie es im Fernsehen
chens 151. Quer zum Bündel 152, welches durch das für die Übertragung von Bildsignalen zur Anwendung
Blättchen 151 reflektiert wird, ist ein Schirm 29., auf- gelangt. Eine solche Ausführungsform wird nunmehr
gestellt, und zwar in einer Position, die optisch mit beschrieben. In diesem Fall enthält die Vorrichtung
Bezug auf die Linse 41 zur Stellung des Spiegels M 15 eine Fernsehkamera 100 sowie eine Einrichtung 101,
konjugiert ist. Der Schirm 29.,, der mit dem Schirm die auf der empfindlichen Fläche 102 der Kamera ein
29, fest verbunden sein kann, besitzt einen Spalt F., strioskopisches Bild oder ein Striogramm 103 liefert
(Fig. 25). Weiterhin sind Mittel vorgesehen, die ge- (Fig. 26, 27). Dabei besitzt das Striogramm Zonen,
währleisten, daß in jedem Augenblick der Spalt F2 deren Aufhellungsunierschiede auf strioskopischem
dem Bild des Bandes im Verlauf der Untersuchung 20 Wege gewonnen wurden.
des Spiegels M überlagert ist. Diese Mittel können Die im Ausgangskreis der Kamera auftretenden
aus einem Mechanismus zur Verschiebung des Schir- Bildsignale v, welche in üblicher Weise aus Zeilenmes
29., senkrecht zur Richtung des Spaltes F., be- anfangssignalen v, und aus Bildanfangs- oder Rasterstehen,
und zwar nach jeder Rotation des Spiegels m. Signalen t bestehen, werden an eine Einrichtung 105
Man kann weiterhin zu diesem Zweck das halbdurch- 25 angelegt, welche sie unverändert an einen Stromkreis
lässige Blättchen 151 drehbar um eine senkrecht zur 106 weiterleitet. Die Rastersignale/ werden über die
Achse 19 gelegene Achse anordnen, wobei diese Einrichtung 105 durch den Stromkreis 107 an eine
Drehachse in der Ebene der F i g. 24 liegt. Hinter eine Verzögerung erzeugende elektronische Einrichdem
Spalt F2 ist unter Zwischenschaltung einer Feld- tung 109 angelegt, welche in ihrem Ausgangskreis
linse 153 eine Photozelle PV/., angeordnet, so daß das 30 110 Impulse liefert, von denen jeder einem verzögeraus
dem untersuchten Streifen austretende Licht auf tem Rastersignal t entspricht.
die Photozelle P/V/., fällt. Bei jeder Untersuchung Die von der Einrichtung 109 gelieferten Impulse
empfängt die Photozelle PM., eine Lichtmenge, die werden über einen Stromkreis 112 an eine elektroproportional
zur gesamten oder (bei Zwischenschal- nische Kippvorrichtung 113 angelegt, die bei jedem
tung eines absorbierenden Mediums) zur halben 35 empfangenen Impuls / ein rechteckiges Signal r von
Lichtmenge ist, welche nacheinander durch die ver- bestimmter regelbarer Dauer liefert. Die Amplitude
schiedenen, zur Lochblende F1 konjugierten EIe- dieses rechteckigen Signals /· kann mittels des Bemente
des Bandes während der Analyse des Spie- tätigungsorgans 117 geregelt werden. Das rechteckige
gels M läuft. Das von der Photozelle PM., gelieferte Signal r wird über einen Stromkreis 114 an den EinSignal
wird mit dem von der Photozelle PM1 ge- 4° gang einer Mischeinrichtung 115 gelegt, die auf der
lieferten Signal vermischt, wobei das resultierende anderen Seite das Bildsignal ν über den Stromkreis
Signal auf eine Weise behandelt werden kann, die 106 empfängt. Ein Ausgang der Mischeinrichtung
zu derjenigen analog ist, wie sie bei der mit Bezug 115 wird an einen Oszillographen 108 angelegt, der
auf F i g. 1 beschriebenen Ausführungsform ausge- auf der anderen Seite mit der Einrichtung 109 derführt
wird. Vor die Photozelle PM., wird ein absor- 45 art verbunden ist, daß jeder von der erwähnten Einbierendes
Medium 154 gestellt, das auf diese Weise richtung gelieferte Impuls/ den Betrieb des Oszilloden
gewünschten Ursprung desjenigen Diagramms graphen auslöst, und zwar jeweils für eine Unterdefiniert,
welches das von PM., herrührende Signal suchung entlang einer Linie. Der Ausgang 118 der
darstellt. Dieses Signal wird natürlich durch die- Mischeinrichtung ist weiterhin mit dem Eingang eines
jenigen Schwingungen beeinflußt, denen die Vorrich- 50 elektronischen Integrators 119 verbunden, dessen
tung unterliegt und deren Effekte sich sowohl im Ausgangskreis 120 mit einem Kathodenstrahloszillodurch
das Element 151 reflektierten Bündel wie auch graphen oder vorzugsweise auch mit einem zweiten
in demjenigen Bündel bemerkbar machen, das dieses Strahl des Oszillographen 108 in Verbindung steht.
Element durchquert, so daß man also durch die Ver- Ein vom Stromkreis 104 abgeleiteter Kreis 121 legt
mischung der von PM1 und PM., gelieferten Signale 55 das Bildsignal ν an einen Fernsehempfänger 122 an,
automatisch die Kompensierung der erwähnten welcher auf der anderen Seite über einen Stromkreis
Schwingungseffekte erreichen kann. Vorzugsweise ist 123 ein Rechlecksignal konstanter Amplitude empdie
optische Dichte des benutzten absorbierenden fängt, das von gleicher Dauer wie das Signal r ist und
Mediums einstellbar. Eine solche einstellbare Dichte leicht von dem Signal ;■ selbst erhalten werden
läßt sich beispielsweise auf einer Scheibe realisieren, 60 kann.
deren Durchlaßfaktor progressiv verläuft. Die Scheibe Der Betriebsablauf dieser Vorrichtung ist folgender:
ist verschiebbar, um so die Abschwächung im er- Wenn der Schirm 102 der Kamera ein strioskopisches
forderlichen Maße zu regeln. Bei dieser Vorrichtung Bild empfängt, erscheint auf dem Schirm 124 (Fig. 28)
beeinflussen eventuell Intensitätsschwankungen der des mit der Kamera verbundenen Fernsehempfängers
Lichtquelle ebenfalls das gewonnene strioskopische 65 ein Bild 125. Dieses Bild ist ein Striogramm. Die von
Signal nicht. der Einrichtung 109 gelieferten Impulse lassen auf
Im Falle einer Vorrichtung für die Untersuchung dem Striogramm eine horizontale Linie 126 erschei-
aerodynamischer Phänomene kann eine analoge An- nen, die dunkel oder hell mit dem übrigen Strio-
gramm in Kontrast steht. Beim Regeln des Verzögerungsgenerators 109 mit Hilfe des Organs 111 verschiebt
sich die Kontrast-Linie 126 nach oben oder unten; für eine bestimmte horizontale Linie kann
man deren Ursprung derart verändern, daß er mit dem Rand des Striogramms zusammenfällt.
Die gleichen Impulse / lösen den Oszillographen 108 aus, um den Teil des in diesem Augenblick an
den Oszillographen über den Stromkreis 116 angelegten Signals, das der Linie 126 entspricht, darzustellen.
Am Oszillographen erscheint also auf seiner ersten Leitung ein Linienzug, wie bei 127 dargestellt,
der für die Aufhellung der Linie 128 des auf die empfindliche Fläche 102 der Kamera 100 projizierten
strioskopischen Bildes, welcher die auf dem Empfänger 122 sichtbar gemachte Linie 126 entspricht,
repräsentativ ist, jedoch unter Berücksichtigung der Zufügung des rechteckigen Signals r. Der Linienzug
127 ist ein »Tangentialprofil«, das demjenigen Phänomen entspricht, welches von der strioskopischen
Vorrichtung 101 gerade behandelt wird. Ausgehend von diesem Linienzug, kann man nicht nur qualitative,
sondern auch quantitative Ergebnisse mit Bezug auf die untersuchten Phänomen gewinnen.
Der Integrator 119 liefert ein Signal, dessen Darstellung in der zweiten Leitung des Oszillographen
108 ein Linienzug 130 ist, der für das entsprechende Normalprofil im Bereich des durch die Vorrichtung
101 untersuchten Phänomens repräsentativ ist. Die Beobachtung des Schirmes 124 gestattet es in jedem
Augenblick, den Abschnitt des Organs oder Phänomens, welches untersucht wird, zu lokalisieren.
Bei der in F i g. 29 dargestellten Ausführungsform ist die die Impulse / liefernde Einrichtung 109 über
den Stromkreis 130 mit einer Kippvorrichtung 131 verbunden, die über den Kreis 132 mit einem Gatter
oder elektronischen Tor 133 in Verbindung steht, das andererseits über den Stromkreis 134 die Zeilensignale
V1 empfängt. Der Ausgang 135 des Tores 133 wird sowohl an die die Rechtecksignale r liefernde
Einrichtung 113 als auch an den Kathodenstrahloszillographen 108 angelegt. Bei dieser Ausführungsform läßt das elektronische Tor 133 kein Zeilensignal
V1 passieren, solange es kein Signal aus der
Kippvorrichtung 131 empfängt. Wenn diese letztere von der Einrichtung 109 einen Impuls j empfängt,
liefert sie ein Rechtecksignal, das die Torschaltung 133 derart öffnet, daß diese das erste Zeilensignal V1
passieren läßt, welches ihr über den Stromkreis 134
ίο zugeführt wurde. Unmittelbar hierauf sperrt die Torschaltung
wieder bis zur Ankunft des nächsten Rechtecksignals über die Leitung 132. Das auf diese Weise
die Torschaltung 133 durchquerende Signal V1 wird an die Einrichtung 113 und den Oszillographen 108
angelegt; der Steuerimpuls V1, der immer dem Zeilenanfang
entspricht, unterliegt keinen Fluktuationen mit Bezug auf ein Rastersignal t; man vermeidet so
Bildverschiebungen auf dem Schirm des Oszillographen 108. Diese Fluktuationen würden der Ver-
ao Schiebung zwischen der durch die Einrichtung 109 eingeführten Verzögerung und dem Zeitintervall, das
ein Rastersignal von der Linie im Verlauf der Untersuchung trennt, entsprechen.
Bei der in Fig. 30 dargestellte zusätzlichen Einrichtung
ist der Stromkreis 135 an den Eingang einer Kippvorrichtung 136 angelegt, deren Wirkungsdauer
mit Hilfe eines nicht gezeichneten Organs beliebig regelbar ist. Das vordere Ende des von dieser Kippvorrichtung
gelieferten Rechtecksignals r dient dazu, in einer Einrichtung 137 einen Impuls V1' zu erzeugen,
welcher über einen Stromkreis 138 sowohl an die Einrichtung 113 als an den Oszillographen 108
angelegt wird. Man kann auf diese Weise den Oszillographen 108 und die Einrichtung 113 synchronisieren,
und zwar nicht nur auf ein Zeilenanfangssignal, sondern auch auf den effektiven Beginn eines Striogramms, was dann vorteilhaft ist, wenn das von der
Vorrichtung 101 gelieferte Striogramm in seiner Gesamtheit im Inneren des Feldes der empfindlichen
Fläche der Fernsehkamera 100 liegt.
Hierzu 9 Blatt Zeichnungen
Claims (12)
1. Vorrichtung zur Messung optischer Wegunterschiede nach der Schlierenmethode unter
Verwendung einer undurchsichtigen Schneide mit geradliniger Kante, die in das zu untersuchende
Lichtbündel eingeschoben wird, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Schneide (C)
ein Drehspiegel (m) angeordnet ist, mittels dessen ein Schlierenbild des zu untersuchenden Gegenstandes
(M, V) auf einen mit einer Lochblende (F) versehenen Schirm (29) projiziert wird, und
daß eine Einrichtung (29') vorgesehen ist, mittels welcher eine Relativverschiebung zwischen der
Lochblende (F) und dem Schlierenbild quer zu der vom Drehspiegel (m) erzeugten Wanderbewegung
des Schlierenbildes erzielt wird, ferner, daß hinter der Lochblende (F) eine Photozelle (PM)
vorgesehen ist, die den Lichtwerten der punktförrriigen Abtastung des Schlierenbildes entsprechende
Impulse einer Auswerteeinrichtung (31 bis 38) zuleitet.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lochblende rechteckig ist
und daß das Rechteck vorzugsweise mit seiner kleineren Seite parallel zur Drehachse des Drehspiegels
(m) angeordnet ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Photozelle (PM)
gelieferten elektrischen Signale in einer Mischeinrichtung (31) mit Vergleichssignalen gemischt
werden, welche einem schlierenfreien Untersuchungsgegenstand entsprechen.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zur Überprüfung der Kugelgestalt
eines »sphärischen« Spiegels als Vergleichssignale Rechteckimpulse dienen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß dem Drehspiegel (m) eine
Drehkontakteinrichtung (56, 57) zugeordnet ist, durch weiche die Rechteckimpulse synchronisiert
werden.
6. Vorrichtung nach Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Amplitude und
die Länge der Rechteckimpulse einstellbar ist.
7. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Mischeinrichtung
(31) ein Kathodenstrahloszillograph (36) nachgeschaltet ist, auf welchem das Mischsignal sichtbar
wird.
8. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Integrationseinrichtung
(37) vorgesehen ist, welcher das von der Mischeinrichtung (31) erzeugte Mischsignal zugeleitet
wird und dessen Ausgangsspannung an einem Kathodenstrahloszillographen angelegt ist.
9. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Schneide (C) parallel
und senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ist.
10. Vorrichtung nach Ansprüchen 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannung
der Photozelle (PM1) mit der Ausgangsspannung einer zweiten Photozelle (PM.,) gemischt
wird, die hinter einem Spalt (F.,) angeordnet ist und einen abgezweigten Vergleichslichtnuß
erhält.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß an Stelle der mechanischen Abtastung der Bildpunkte des Schlierenbildes eine elektronische Abtastung mittels einer Fernsehkamera
(100) vorgenommen wird.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine Torschaltung (133), welche
Blockiersignale liefert, die relativ zu den Rastersignalen der Fernsehkamera (100) eine einstellbare
Zeitverzögerung besitzen und die einen Fernsehempfänger (122) steuern, welcher die
Bildsignale der Kamera erhält.
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FR937101A FR1504402A (fr) | 1963-06-05 | 1963-06-05 | Perfectionnements à la strioscopie |
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GB2123549B (en) * | 1982-07-15 | 1985-12-18 | Rolls Royce | Detection of changes in light-affecting-characteristics of optical elements |
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US5343298A (en) * | 1992-08-24 | 1994-08-30 | Larson James K | Correlation of a waveform to a video image |
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Legal Events
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---|---|---|---|
C3 | Grant after two publication steps (3rd publication) | ||
E77 | Valid patent as to the heymanns-index 1977 |