DE2016067A1

DE2016067A1 - Optisches Aufbau und Einstell system

Info

Publication number: DE2016067A1
Application number: DE19702016067
Authority: DE
Inventors: Der Anmelder Ist
Original assignee: Bardocz, Dr Arpad, 8000 München
Priority date: 1970-04-03
Filing date: 1970-04-03
Publication date: 1971-10-21
Also published as: FR2094951A5; GB1352169A; US4033539A; DE2016067B2; US3857643A

Description

Dr. Arpad Bardocz

Optisches'Aufbau- und Einstellsystem

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Anordnung, deren wesentlichster Bestandteil als Grundkomponente ein optischer Träger, oder aus diesem Träger zusammengesetztes Trägersystem ist. Die Punktionsflächen des Trägers sind teilweise parallel, teilweise symmetrisch angeordnete, gegeneinander schräg geneigte zwei Flächenpaare. Aus dieser Grundkomponente lassen sich optische Systeme mit beliebiger Konfiguration und Starrheit aufbauen. Die eigentlichen optischen Komponenten, wie linsen, Spiegel usw. werden auf dem Träger, bzw. Trägersystem mittels entsprechend ausgebildeten Verbindungskomponenten befestigt bzw. eingestellt. Das in den. Rahmen der Erfindung gehörige optische Trägersystem ist in Abb. 1 zusammengefaßt.

Noch vor etwa zehn Jahren wurde die Y/issenschaft der Optik als ein abgeschlossenes Gebiet betrachtet, aus dem keine großen Entwicklungen mehr zu erwarten waren, und es schien fast völlig ausgeschlossen, daß in der wisaenschaftlichen Optik noch grundlegende Entdeckungen gemacht werden könnten. Diese praktische und wissenschaftliche Situation führte zu einer Stagnation. Etwa zehn Jahre sind inzwischen vergangen, seit der Maser und der Laser entdeckt wurden.

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Diese Entdeckungen revolutionierten nicht nur unsere Auffassungen über die theoretische, sondern auch die Anwen dung der Optik in fast allen Gebieten. Es folgt daraus unmittelbar, daß eine so bedeutende Entwicklung in den Grundlagen auch neue Anforderungen an Apparate mit sich bringt.. Diese Beschreibung behandelt ein optisches Aufbau- und Einstellsystem, im folgenden kurz optisches System genannt, das diesen Anforderungen gewachsen ist. Bevor wir dieses System beschreiben, sind einige Bemerkungen nötig, die nicht nur die neuesten Entwicklungen betreffen, sondern allgemeine Gültigkeit.haben.

Die in Unterricht, Forschung und Industrie verwendeten optischen Einrichtungen lassen sich in drei Gruppen einteilen. Die eine Gruppe dieser Einrichtungen wird aus entsprechenden Bestandteilen dem jeweiligen Zweck entsprechend an Ort und Stelle zusammengebaut. Diese Aufbauten haben normalerweise nur provisorischen Charakter. Der Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, daß, wenn die nötigen Komponenten zur Verfügung stehen, sich die gewünsch ten Einrichtungen schnell aufbauen lassen, Änderungen im Aufbau immer leicht möglich sind und nach Beendigung der Arbeit die Einrichtung auseinandergenommen werden kann, die Komponenten also für spätere Aufbauten vollwertig zur Verfügung stehen.

In die zweite Gruppe fallen fertige, von kommerziellen Firmen gebaute Einrichtungen mit ziemlich beschränktem

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Verwendungszweck. Diese Instrumente sind in den meisten Fällen die Ergebnisse provisorischer Einrichtungen, wie in der ersten Gruppe erwähnt. Vorteil dieser Instrumente ist, daß diese stabil zusammengebaut sind und ohne jede Vorarbeit immer betriebsfähig sind. Normalerweise sind gewisse Parameter dieser Instrumente variabel und können auf breiterer Basis angewendet werden. Die in Instrumente eingebauten Komponenten können nicht für andere Zwecke verwendet werden. So enthalten diese Instrumente, wenn sie nicht verwendet werden, eine Menge-von wertvollem nicht ausgenütztem Material. .

In der dritten Gruppe können optische Einrichtungen zusammengefaßt werden, in welchen aus Komponenten provisorisch aufgebaute Teile mit fertigen Instrumenten kombiniert verwendet werden.

Um die Einführung des neuen Systems noch weiter zu begründen, möchten wir noch einige Worte über die fertigen kommerziellen Geräte sagen. Die Ansprüche an ähnliche Geräte sind* so verschiedenartig, daß für die Lösung der verschiedenen Aufgaben eine Menge von Instrumenten nötig sind. Past jede Aufgabe braucht ihr eigenes Instrument, das bedeutet, daß man so viele Apparate wie Aufgaben haben sollte. Studiert man die Kataloge der solche Instrumente erzeugenden Firmen, steht man einer Instrumenten-Inflation gegenüber, die weder räumlich noch finanziell zu beherr-

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sehen ist. Darüber hinaus: Kauft man für eine bestimmte Aufgabe ein bestimmtes Instrument, so ist das doch immer nur ein Kompromiß. Normalerweise ist ein fertiges Instrument so weit wie möglich entwickelt und hat normalerweise größere Fähigkeiten als für den bestimmten Zweck benötigt. Als Folge davon wird das Instrument im Vergleich mit der zu lösenden Aufgabe zu teuer. Ein Umbau dieser Instrumente ist praktisch unmöglich, und wenn man mehrere Instrumente hat, so gibt es eine Reihe von Bestandteilen, die so oft wie Instrumente vorhanden sind, obwohl normalerweise gleichzeitig nur ein Instrument verwendet wird. Werden solche Instrumente in größere Systeme eingebaut, so ist der fertige Bau sehr oft ein Hindernis.

Die oben beschriebenen Umstände sind bei fast allen optischen Instrumenten gleich.

Im großen und ganzen genügten die oben aufgezählten Möglichkeiten für die optischen Erfordernisse von Unterricht, Forschung und Industrie und, abgesehen von der stürmischen Entwicklung der Spektroskopie nach den zwanziger-dreißiger Jahren, erschienen keine so sprunghaften Entwicklungen, die grundsätzliche Veränderungen der Möglichkeiten erforderten. Grundsätzlich aber hat sich die Lage nach dem Erscheinen des Lasers verändert. Heute ist schon klar, daß die verbreitete Anwendung der Spektroskopie, der Hochgeschwindigkeitsphotographie, inbegriffen die zeitaufgelöste Spektroskopie, des weiteren das Erscheinen des Lasers und

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die damit sehr eng zusammenhängende Interferometrie sowohl als auch die Holographie eine Menge von instrumenteilen !Problemen mit sich brachte, die mit den konventionellen Instrumenten und der alten Instrumentenpolitik nicht mehr zu lösen waren. Daneben sind die momentan gebrauchten optischen Instrumente so zahlreich in ihrer Art, Dimension, Anwendung und Kombination, daß eine zweckmäßige und wirtschaftliche optische Versuchseinrichtung nur aus entsprechend ausgebildeten Komponenten zusammengebaut werden kann.

Ein weiterer Zwang für die Einführung von Komponenten auf der Grundlage einer neuen Konzeption sind die größenmäßig angewachsenen Anforderungen betreffend Starrheit, Stabilität und Präzision in den Einrichtungen der modernen Optik. Die mechanische Starrheit gegen Gebäude-Deformationen soll mit entsprechenden Gestellen, die Erschütterungsfreiheit mit entsprechenden Dämpfungskomponenten gesichert werden.

In dieser Arbeit geben wir die Ergebnisse einer Entwicklung bekannt, die System-^Komponenten liefert, mit deren Hilfe alle denkbaren optischen Einrichtungen, mit aller denkbaren Starrheit und Stabilität zusammengebaut und mit beliebiger Präzision betätigt werden können. Das System ist vorzüglich geeignet auch für den Bau von halbstationären Einrichtungen. Das System ist geeignet außer für gewöhnliche optische Aufstellungen für den Bau von zeitauflösenden Geräten für Hochgeschwindigkeits-Photo-

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graphie und zeitaufgelöste Spektroskopie,
Instrunente für Spektroskopie,
Laser,

Interferometer,
Instrumente für Holographie,

Instrumente für nichtlineare optische Phänomene (harmonische Lichterzeugung, Lichtmodulierung, stimulierte Lichtstreuung usw.),

Instrumente für Ultraschall-Spektroskopie
usw. usw.

Neben alltäglichen Problemen der Optik können solche Forschungsgebiete wie
stimulierte Raman-Streuung,
selbstinduzierte Durchlässigkeit,

Studium von Molekülen und Pestkörpern mit nichtlinearer Streuung,

optische Modulation,

sowie noch andere, fast täglich vorkommende Probleme auf dem Gebiet nichtlinearer Optik beherrscht werden.

Wenn man neben dem heutigen Stand der Wissenschaft und
Technik die Anforderungen betrachtet, die an ein optisches System betreffend Tragfähigkeit, Starrheit, Präzision,
Justierbarkeit, Erzeugung, Wirtschaftlichkeit usw. gestellt werden, dann bekommt man folgendes Ergebnis:

1) Das System soll dreidimensional sein,

2) das System soll nach drei Dimensionen justierbar sein,

3) das System muß aus denselben Bestandteilen mit verschie-

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denen Tragfähigkeiten und Starrheiten zusammenzubauen sein,

4) das System soll ohne übertriebene Anfertigungspräzision mit theoretischer Präzision justierbar sein,

5) das System soll so aufgebaut sein, daß seine Bestandteile in gewöhnlichen Xaborwerkstätten mit nicht allzu großem Aufwand angefertigt, geändert, bzw. schnell ergänzt werden können. ■

6) Die Konstruktion des Systems soll so sein, daß jeder Bestandteil sowohl aus magnetischem wie auch aus nichtmagnetischem Material angefertigt werden kann.

7) Das System soll auch bei größten Tragfähigkeitsansprüchen nur aus solchen Teilen bestehen, die ohne Anstrengung möglichst von einer Person bedient werden können,

8) das System soll geeignet sein für den Aufbau halbstationärer Einrichtungen, .

9) das System soll wirtschaftlich sein.

Um das hier beschriebene optische System richtig werten zu können, erscheint es nötig, die bisherigen Systeme hier kurz zusammenzufassen.

Auf dem Gebiet des physikalischen Experimentierens war in früheren Zeiten die Optik die einzige Disziplin, in deren Rahmen die Lage der Versuchsobjekte mit ziemlich großer Genauigkeit eingestellt und fixiert werden mußtj^rHiegeben durch die gerade Fortpflanzung des Lichtes," sollten die optischen Komponenten nacheinander in gerader Linie ange-

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ordnet werden. So entstanden vor einigen Jahrzehnten gerade Träger, heute als optische Schienen oder optische Bänke bezeichnete Gegenstände, auf denen die optischen Bestandteile aufgestellt, eingestellt und fixiert werden. Diese Träger wurden ganz am Anfang aus Holz, später aus Metall angefertigt. Optische Träger aus Holz konnte man auch noch in den zwanziger Jahren sehen.

Somit erscheint sofort die optische Schiene bzw. optische Bank als die wichtigste Komponente eines optischen Systems.

* Eine nähere Definition und eine Klassifizierung der optischen Träger ist notwendig.

Die in Unterricht, Forschung und Industrie verwendeten . optischen Träger lassen sich in drei, nicht allzu scharf getrennte Gruppen einteilen.

1) Unter optischer Schiene werden wir einen optischen Träger verstehen mit verhältnismäßig kleinem Querschnitt, kleiner Starrheit, relativ leicht, tragbar und als Folge

* davon mit kleiner Tragfähigkeit. Die Bearbeitungsgenauigkeit dieser Schienen ist nicht allzu groß. Da die Tragfähigkeit und Starrheit dieser Schienen nur mäßig ist, hängt ihre Geradheit unter Belastung von der Unterlage ab. Diese Schienen sind die durchschnittlichen Komponenten in Schul- und Universitätsunterricht, nehmen aber einen großen Teil auch in Forschung und Industrie ein.

2) In diese Gruppe möchten wir optische Tragkomponenten einteilen, die einen größeren Querschnitt, größere Starrheit und als Folge größere Tragfähigkeit haben als die

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Komponentenin Punkt T. Diese Komponenten sind acnon trJEtgfähig genug» um auch ohne Unterlage selbsttragend zu sein. Da die $n diese Gruppe fallenden Präger einen HohXquerschnitt haben, möchten wir sie optische Bänke - nennen* ;;/: "■■. '.- . . .. ' ."" ■ -. . ;^: . ."; ■"■ ■ .

3) In diese Gruppe gehören die tonnehschwerenoptisehen Bänke für ganz spezielle Zwecke, mit extremen Starrheiten" und" !Tragfähigkeiten und extrem feiner Bearbeitung. Diese sind keine Durchschnittskomponenten und werden nur in selteneren Fallen verwendet.

Im Folgenden werden wir uns nur mit den in Punkt 1) Und 2) angegebenen optischen Schienen bzw. Bänken beschäftigen und mit deren Bestandteilen.

Hach der obigen Einteilung gehen wir zur Besprechung der verschiedenen optischen Systeme über.

Es scheint, ohne, eine allzu gründliche Untersuchung., daß die erste industriell erzeugte optische Schiene die von Firma Carl Zeiss, Jena eingeführte- Schiene ist. Der Querschnitt der Schiene ist dreikantig, und deshalb nennt man diese Schiene auch Dreikantschiene. Diese Schiene ist in verschiedenen Längen hergestellt. Auf die zwei gegeneinander um 6Q° geneigten oberen Schienenflächen kommen die Reiter mit Säulen, welche die optischen Komponenten tragen. Diese Schiene und ihre Bestandteile ist in den DIN-Normen Nr* 58 110* 58 1-T1, 58 113 und 58 114 normiert ► . Die Dreikantschienewurde von der Firma Zeiss vor ungefähr

60 Jahren eingeführt. Die Dreikantschiene ist praktisch die einzige optische Schiene in Deutschland, Frankreich, in Europa im allgemeinen. Sie wird aber auch in fast allen anderen Ländern der Welt verwendet und ist wahrscheinlich die meistverbreitete Schiene auf der Welt.

Eine weitere, wahrscheinlich genauso alte wie die Dreikantschiene ist die Hilger optische Schiene von der Firma Adam Hilger Ltd. in London eingeführt. (Als Literaturquelle im Falle der Firmen sollten die Firmenkataloge dienen.). Bei * der Hilger'sehen Anordnung der Reiter ruht auf zwei zueinander parallel angeordneten horizontalen Tragflächen. Für die Befestigung der Heiter hat die Schiene zwei, gegeneinander nach unten'geneigte Flächen. Da die Firma Adam Hilger in den Commonwealth Ländern die führende optische Firma war, ist diese Schiene dominierend in England und allen Commonwealth Ländern, wie Canada, Australien usw. Es ist interessant zu bemerken, daß diese Schiene die Normschiene auch in der Sowjetunion ist.

Neben den erwähnten zwei gibt es noch eine Reihe von weiteren Schienen. Von diesen weiteren Ausführungen wählt aber keine als Vorbild die Dreikantschiene, sondern fast ausnahmslos dient die Hilger-Schiene als Ausgangspunkt. So dienen bei Jarrell Ash Co. (USA), Baird Atomic Co. (USA), Baush and Lomb Co. (USA) als Schienen für die Befestigung der Reiter zwei gegeneinander nach unten geneigte Flächen, genauso wie bei der HilgerJ-Schiene. Die Dimension der ameri-

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kahlschen Schienen ist im allgemeinen größer als die der europäischen.

Die in die schwerere Klasse fällenden optischen Träger sind alle hohl ausgebildet und fallen in die Kategorie der optischen Bänke» Ähnliche Bänke sind von den Firmen Garl Zeiss, Jena, Gaertner Scientific Corporation (USA) USW* auf den Markt gebracht worden.

Alle bisher beschriebenen optischen Träger haben das gemeinsame Merkmal, daß sie nur für solche Anordnungen geeignet sind, wo die optischen Komponenten nacheinander, in gerader Linie angeordnet sind. Im Folgenden werden wir eine solche Anordnung eindimensional nennen.

Einzweites Merkmal der beschriebenen optischen Träger ist, daß diese mit wenige.n Ausnahmen mit im voraus bestimmter Länge geliefert werden. Als Folge davon ist der Forscher gezwungen, auch wenn kleinere experimentelle Anordnungen aufgestellt werden, bei denen Tragfähigkeit und Starrheit der Träger nicht notwendig sind, mit überflüssig aufwendigen und teuren Einrichtungen zu arbeiten. Ausnahmen sind die Dreikantschienen, die Hilger-Schiene. Im allgemeinen sind die Trägeranordnungen überhaupt nicht teilbar.

Will man aus den beschriebenen Trägern eine Anordnung aufbauen, in welcher Komponenten auch senkrecht zur optischen Achse, in horizontaler Ebene placiert werden, ist dies unmöglich* Die Ursache ist, daß diese Systeme keine solchen Bestandteile und Verbindungsstücke haben, die dieses

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lichen. Auf diese Weise ist der Aufbau von Spektrographen, Interferometern, Einrichtungen für Holographie usw. mit diesen Komponenten entweder unmöglich oder sehr umständlich.

Es gibt Fälle, in denen die optieche Anordnung auch in vertikaler Richtung ausgedehnt werden muß. Dies kann manchmal einfach aus Platzersparnis geschehen. Diese Möglichkeit fällt auch weg bei den vorhandenen optischen Schienen- und Banksystemen.

Wegen der außerordentlichen Verbreitung der Dreikantschiene P erscheint eine Kritik in Zusammenhang mit der Ausbildung des Querschnittes der optischen Träger angebracht.

Wenn man die beschriebenen sämtlichen Trägerquerschnitte vergleicht, stellt man fest, daß mit Ausnahme der Dreikantschiene eine solche Ausführung sorgfältig vermieden wird, wo die Halterung und die Führung des Reiters nur auf einem nach oben gerichteten V-Profil möglich ist. Dies hat ernsthafte praktische Ursachen. Diese Ursachen sind die Folgen- ^ den.

Bei der maschinellen Bearbeitung der Bestandteile ist es außerordentlich schwer, Winkel genau einzuhalten. Bei der Dreikantschiene erlauben die Normen eine Winkeltoleranz von -2 Bogensekunden. Das Problem aber besteht darin, daß auf der Schiene der Reiter mit seinen miteinander einen Winkel einschließenden bearbeiteten Flächen aufliegen soll. Nach Norm ist die Winkeltoleranz zwischen den zwei Reiterflächen

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wiedei +2 ]k>gensek^ndenv Der Reitet liegt eigentlich auf ctey Schiene mit ' RippenV die in zwei gegeneinander geneigt; ί im Planflache» liegen» Der Heiter hat auf einerAuflage-V fläche rieri auf der anderen drei Auflagepunkte* J^s be¥,^v deutet mit anderen Worten, daß zwei mit einer Winkeltöleranz von +2 Bogensekunden "bearbeitete Flächen (Reiterflachen) auf zwei weiteren, mit einer Winkeltolerahz von -2 Bogensekunden bearbeiteten Flächen, auf sieben Punkten genau aufliegen sollteh. Das ist eine technische Unmöglichkeit. Wenn man die Wirtschaftlichkeit außer acht läßt, könnte zwar die Rede davon sein, daß Schiene und Reiter nach der maschinellen Bearbeitung noch mit Nacharbeit zusammengepaßt werden, aber dies scheitert daran, daß ein optischer Reiter mit verschiedenen Schienen verwendbar sein muß und umgekehrt. Wird Schiene und Reiter nach der Bearbeitung nicht zusammengepaßt, wird die Auflage und damit die Xage der Reiter auf der Schiene unbestimmt.

l?ir wollen jetzt untersuchen, wie sich ein Reiter auf einer Dreikantschiene verhält, wenn dieser mit der Fixierungsschraube darauf befestigt wird.

In Abb. 2 ist I die Dreikantschiene, R ist der Reiter* 0 ist die Säule und S ist die Befestigungssehraube des ReI-terö. In normaler lage ist die Symmetrieachse der Schraube S horizontal und ihre Endfläche ist mit einem Kone mit dem Spitzenwinkel von 90° abgeschlossen. Die Befestigungsschraube greift gegen eitte fläche; au| der Schient, die gfegen, die Vertikale eine Neigung von 4P^Ö M*· ZwisQiien dieser Fläche

und dem Schraubenkone bleibt ein Winkel von 5° frei.

Liegt der Reiter auf der Schiene und wird zwecks Befestigung die Schraube S angezogen, greift diese gegen die sOhon erwähnten schrägen Flächen der Schiene. Als Folge des ausgeübten Druckes gleitet das Ende der Befestigungsschraube entlang der schrägen Angriffsfläche und zieht den Reiter in vertikaler Richtung gegen d.ie Schiene. Als Folge des nach unten gerichteten Druckes wird die Schiene in der oberen öffnung des Reiters eingekeilt.

Während des Befestigungsvorganges des Reiters auf der Schie ne bildet sich als Folge der nach unten gerichteten Kraft ein Drehmoment (M1) um die obere Kante der Schiene. Gleichzeitig aber müssen wir auch mit einem anderen Moment rechnen, welches dem schon erwähnten entgegenwirkt. Dieses ist das Drehmoment um die obere Kante der Schiene (M2), welches als Folge des horizontalen Druckes der Befestigungsschraube entsteht. letzteres Moment hat die Tendenz, die die Befesti gungsschraube enthaltenden Schenkel des Reiters von der Schiene zu heben.

Sind die entsprechenden Winkeltoleranzen des Reiters und der Schiene gleich Null, mit anderen Worten, liegt der Reiter vollständig auf der Schiene auf, so ist diese Befestigungsart eben noch erträglich, vorausgesetzt, daß der Reiter starr genug ist, um in Folge des von der Schraube ausgeübten Druckes nicht herauszubiegen. Aber auch in diesem Falle ist die Befestigungsart mechanisch nicht konstruktiv genug. Erstens ist sie asymmetrisch, zweitens, wenn wir uns

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vorstellen, daß die BefestigungssGhräube gegen eine schräg ge Fläche greift, wird der Reiter am Anfang der Befestigung entlang der linken schrägen Pläche der Schiene gleisten und beim Anziehen"-will" die Befestigungsschraube den Reiter von der Schiene heben*

Weiehen die Winkel der Schiene und des Reiters voneinander ab, dann entsteht ein labiler Zustand, die relative Lage der Schiene und des Reiters betreffend, wegen der Bearbeitungstoleränz. Normalerweise ist der Öffnungswinkel des Reiters großer als der der Schiene, in diesem Falle fallen die Symmetrieachse des Reiters und die der Schiene nicht mehr zusammen. Das wäre noch nicht das Schlimmste, sondern schlimm ist, daß der Reiter in verschiedenen Lagen fixiert werden kann, so daß seine Symmetrieachse mit der Symmetrieachse der Schiene verschiedene Winkel bilden kann; Folge ■ ist, daß der Reiter nicht reproduzierbar auf der Schiene fixiert werden kann. Schlimm ist weiter, daß mit der Änderung des Anziehens der Fixierschraube die Verhältnisse nicht besser werden. Ähnlich gestalten sich die Verhältnisse auch dann, wenn der Öffnungswinker des Reiters kleiner ist als der Winkel der Schiene*

Die. im vorigen Absatz beschriebene Unsicherheit ist die Folge der erwähnten gegenseitig wirkenden Drehmomente, die die Lage des Reiters auf der Schiene unkontrollierbar beeinflussen.

Der Hersteller des Dreikäntschienen^Systems war sich der beschriebenen Probleme bewußt* Während der zwanziger·Jahre

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und später waren Reiter im Verkehr, die in einem Schenkel Justierschrauben enthielten. Zwecks Justierung wurde der Reiter auf die Schiene gelegt und mit der die Justierschraube nicht enthaltenden Auflagefläche gegen die Schiene gedrückt. In dieser Lage wurden dann die Justierschrauben soweit gedreht, bis diese die ihnen gegenüberliegende Auflagefläche der Schiene berührten. In diesem Zustand war das Schiene-Reiter-System justiert. Es konnte als nahezu toleranzlos betrachtet werden. Später wurden die Justierschrauben weggelassen und heute werden nur Reiter ohne Justierschrauben hergestellt.

Es ist eine seltsame Sache, daß die Dreikantschiene in ihrem auf den Kopf gestellten Zustand im Prinzip ein einwandfreier optischer Träger wäre. In diesem Falle wäre es möglich, Reiter wie in dieser Beschreibung zu verwenden. Die praktische Anwendung der normierten Dreikantschiene (DIN 58 110) auf diese Weise ist dadurch behindert, daß diese teilweise hohl ausgebildet ist und flache Auflageflächen nur an beiden Enden und zwischen diesen nur in gewissen Abständen besitzt.

Im Rahmen dieser Erfindung werden im Prinzip Reiter nach Abb.3 angewendet. Es erscheint zweckmäßig, das Spiel der Kräfte bei der Befestigung dieses Reiters auf einem optischen Träger mit nach unten sich verjüngender schwalbenschwanzfö'rmiger Führung zu studieren. Der die Säule 0 tragende R Reiter liegt auf dem T Träger. Greift die Fixierungsschraube S auf eine schräge Fläche mit Kraft P, er-

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scheint diese Kraft mit-entgegengesetztem Vorzeichen auf der anderen schragen Fühiöingsflache» gerlegt jnaii. die Kiraft P in zwei Komponenten;, deren eine, parallel JBT), ^eren andere senkrecht (P2) auf die schrägen FÜhrungsflachen isJt, dann hat die Komponenter Pt die iendenz, den Heiter entlang dieser Fläche nach unten zu treiben und gleichzeitig den Reiter gegen die horizontale Führungsfläche der Bank zu ; drucken» Die Komponente P2 drückt den Reiter gegen die ■ schräge Fläche der Bank. Die führungsleiste der Bank wird in den Reiter eingekeilt. Die Reaktionswirkung der Kräfte PI und P2 erzeugt gegeneinander gerichtete Drehmomente zu den Bankführungen, die sich aber.teilweise kompensieren» Die Dimensionierung des Reiters ist stark genug, um die niehtkompensierten Momententeile ohne Biegung aushalten zu. können.

Im folgenden wird ein optisches System beschrieben, das den gestellten Anforderungen restlos gewachsen ist.

Das neue optische System besteht grundsätzlich aus einem Grundträger, der sich mit sich selbst zu einer Reihe von mehreren Trägern kombinieren läßt.und einer Reihe von Verbindungsbestandteilen, die diese Kombination ermöglichen. Für das Tragen der optischen Komponenten wird das System durch eine Reihe von Reitern ergänzt, die auf die verschiedenartigen Tragerkombinationen passen.

fragereystem ist auf Abb*;t ange|i;eutet und;besteht,, aus— von dem Profil nach Bild a» aus einer Reihe von

binationen, so, wie dies auf den Abb.1a, h, 1 und q bzw.£ angedeutet ist.

Die einfachste Grundkomponente des neuen optischen Trägersystems ist in Abb.1a dargestellt. Es ist die kleine Schiene oder nach ihrer Form X-Schiene genannt, und sie ist schon allein verwendbar für sehr viele Zwecke. Diese Schiene ist sehr verschiedenartig aufstellbar. Beispiele für die Aufstellung geben die Abbildungen. Die Reiter werden auf der oberen Hälfte der Schiene befestigt, wie Abb.4 zeigt. Die zu dieser Schiene passenden Reiter haben eine schräge Fläche, die auf einer Seite der schrägen Schienenfläche aufliegt; die Befestigung erfolgt von der anderen Seite mit Hilfe einer Fixierschraube.Die Säule wird am Reiter mit einer Mutter befestigt. Abb.4 ist im Schnitt gezeichnet. Abb.5 zeigt die X-Schiene und den Reiter perspektivisch. Der Reiter auf Abb.4 und 5 läßt sich verschiedenartig ausbilden, um die Justiermöglichkeiten zu vergrößern. So sieht man in Abb.6 einen Reiter, der auf seiner oberen Seite eine Halb-X-Schiene trägt. Einen auf diese Halbschiene gelegten zweiten Reiter nach Abb.7 kann man senkrecht zur optischen Achse bewegen. Dies ist schon eine zweidimensionale Justiermöglichkeit ohne besondere Hilfsmittel.

Zwei X-Schienen nach Abb. lakönnen quer zueinander nach Abb.8 angeordnet werden. Dann braucht man entsprechend ausgebildete Querreiter. Abb.9 zeigt dieselbe Anordnung wie Abb.8, aber mit einem Reiter auf der oberen Schiene. Abb. 10 zeigt ein Verlängerungsstück, Abb.11 ein T-Stück und

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Abb.12 ein Kreuzstück für die X-Schiene. Bei diesen letzten drei Anordnungen liegen die Schienen in derselben Ebene. Das T-Sttick nach Abb.11 ist mit Flansch versehenj was eine Befestigung auf der Unterlage ermöglicht. Die Verbindungsstücke nach Abb.10 und 12 werden auch mit Planschen ausgeführt. Abb.13 zeigt ein vertikales Verbindungsstück für vertikale Anordnung zweier X-Schienen. Abb.14 zeigt ein aus verschiedenen Bestandteilen zusammengebautes X-Schienensystem. Abb.15 zeigt ein Verbindungsstück für x-, y- und z-Anordnung dreier X-Schienen. Die Fixierungsschräuben sind in dieser Abbildung nicht eingezeichnet. Wenn es sich wegen der Tragfähigkeit oder aus anderen experimentellen Gründen als notwendig zeigt, kann die kleine X-Schiene nach Abb..1a mit sich selbst kombiniert werden, wie dies auf den Abb. 1b bis g angedeutet ist. In Abb.1b werden die zwei Schienen mit Hilfe eines offenen Rahmens zusammengehalten. Für die Anordnungen nach Abb.1e-g braucht man entsprechende Halteglieder. Die Halteglieder sind in Abb.1 mit gestrichelten Linien angedeutet. Bei der Anordnung nach Abb.if und g können, neben den schon angegebenen kleinen Heitern auch die später beschriebenen großen Reiter verwendet wer- den-. Darauf kommen wir noch zurück. Nach Abb. 1 h können zwei kleine X-Schienen in einem Stück zusammengefaßt wer- ^: den. Dieses Profil nennen wir X=X-Schiene. Diese horizontale Doppelschiene (X=X), oder Flachschiene kann so zusammengefaßt werden wie die kleine Schiene in den Abb,1b-d. Die entsprechenden Doppelschienen-Zusammenfassungen sieht man in Abb.1i-k. . ,

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Ein besonders tragfähiges und starres Gebilde erhält man, wenn man die kleinen Schienen wie nach Abb.11 zusammenfaßt. Dieses Profil nennen wir X/X-Schiene. Zwei Schienen nach Abb.11 können wie in Abb.1m zusammengebunden werden.

Gestrichelte Komponenten bedeuten immer lösbare Verbindungen.

Je eine X/X- und eine X=X-Schiene lassen sich nach Abb.1n-p kombinieren. Die Stairheit dieser Kombinationen ist besonders gut sowohl in vertikalen wie in horizontalen Richtungen.

In allen Bildern der Abb.1 sind die vertikalen und horizontalen Abstände der im Prinzip immer anwesenden kleinen X-Schiene nach Abb.1a normiert. Bei der Beibehaltung dieses Prinzips können vier kleine Schienen auch nach Abb.iq. in einem Stück zusammengefaßt werden. Auf diese Weise erhält man eine besonders tragfähige und starre optische Bank. Wenn die optische Bank nach Abb.1q den Anforderungen hinsichtlich Tragfähigkeit und Starrheit noch immer nicht genügt, dann können zwei oder mehrere von diesen so zusammengebunden werden, wie dies Abb.ir und s zeigt. Die Abb.1t-v zeigen eine Bankanordnung, in der die vier X-Schienen-Grundkomponenten kastenförmig zusammengefaßt sind. Die Hautpdinnansionen der Abbildungen 1q-s und 1t-v sind dieselben.

Die in Zusammenhang mit der kleinen X-Schiene beschriebenen Komponenten lassen sich sinngemäß auch mit allen Schienen- und Bank-Anordnungen nach Abb.1 verwenden.

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PUr die Doppel führungen auf Abb,1f, g, h, 1, j, fc, m, o, ρ sowie q. bis ν sind verschiedene Reiter vorgesehen» Der eine von diesen ist auf Abb,5 dargestellt. Dieser Reiter ist im Prinzip dem kleinen Reiter auf Abb-...4 und 5 gleich* Diese Reiter liegen in der horizontalen Ebene auf den Doppelführungen in drei Punkten auf. Auf. den der Fixierungsschraube gegenüberliegenden schrägen Führungsflächen liegt der Reiter in zwei Punkten auf. Die Auflagepunkte sind in den Abbildungen nicht angedeutet.

Sind in den Anordnungen nach Abb.If und 1g die gestrichelt gezeichneten Zusammenhaltestücke voneinander zu weit entfernt, biegen bei Verwendung des großen Reiters nach Abb.3 sich die einzelnen X-Schienen zusammen in Folge der mit dem Reiter ausgeübten Seitenkraft. In solchen Fällen sollen Reiter nach Abb. 16 verwendet werden. Bei diesem werden die Fixierungskräfte nur auf eine Schiene ausgeübt. Auf der anderen Seite liegt der Reiter einfach auf der zweiten Schiene. Auf der Abb.16 ist auch ein Zusammenhaltestück für zwei X*-Schienen dargestellt.

Eine andere Gr.oßreiteraüsführung ist auf Abb. 17 dargestellt. Hier wird der Reiter mit Säule auf der Bank mit einem Unterteil befestigt. Das Unterteil hängt auf einer Schraubenspindel, Mit dieser. Schraube wird das Unterteil gegen die schrägen Flächen der Bahkführungen gezogen. Das Reiterunterteil i$t nur so schmal, daß es, wenn es parallel mit den führungen der Bank steht, von ^_er B^ⁿk entfernt werden Die Fixierungsschraube. des Rjeite.rs i^3t neben^der Säule.in

der Symmetrieachse der Bank angeordnet. Versieht man den Reiter nach Abb.17 mit Magneten und ist die Schiene aus magnetischem Material angefertigt, dann werden die Fixierungskräfte von Magneten übernommen. In diesem Falle erübrigt sich die Fixierungsschraube.

Wie Abb.18 zeigt, besteht die Möglichkeit, auf einer optischen Bank zwei Kleinreiter zu placieren und somit auf derselben Bank zwei parallele Strahlengänge zu verwirklichen. Mit Hilfe des Reiters nach Abb.16 kann die Zahl der Strahlengänge noch weiter gesteigert werden. Es sind insgesamt fünf parallele Strahlengänge denkbar. Diese Möglichkeit sieht man auf Abb.19 und 20. Der Übersichtlichkeit halber sind in Abb.19 nur drei Reiter mit ihren Säulen eingezeichnet, aber die Möglichkeit der Placierung noch zweier Kleinreiter ist klar, wie das aus Abb.20 hervorgeht. In Abb.20 ist der untere Ständer so ausgebildet, daß er zwei X-Schienen trägt. Auf den X-Schienen sind die Reiter befestigt.

Die großen Reiter können mit Querführung für die kleinen Reiter (Abb.21), mit Querhalterung für die kleine X-Schiene (Abb.22), mit Querführung für den großen Reiter (Abb.23) und Querhalterung für die flache Doppelschiene (X=X) (Abb. 24) ausgeführt werden. Einen Aufbau für die Halterung einer X-Schiene in Queranordnung mit Klein-Querreiter auf einer Bank zeigt die Abb.25.

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Pur die Herstellung von vertikalen Aufbauten, wie in Abt). 26, können die schon aus Abb.13 bekannten Vertikalverbindungen dienen. Wenn diese Vertikalverbindungen doppelt verwendet werden, können mit ihrer Hilfe sowohl Schienen wie die Bänke vertikal aufgestellt werden. Ähnliche Komponenten können zweiseitig angewendet werden, wenn die vertikal stehende Schiene oder. Bank von zwei Seiten aus gestützt werden muß.

Verlängerungsstücke sowie Kreuz- und T-Verbindungen, ähnlich wie in'-Abb .-1O, 11 und 12 dargestellt, stehen zur Verfugung für die Herstellung aller denkbaren Kombinationen zwischen den Schienen sowie zwischen Schienen und Bänken. Beispiele dafür zeigen die Abb.27 und 28.

Die Abb.29 zeigt ein Beispiel dafür, wie man einen rotierenden Spiegel auf der optischen Bank aufstellt. Der Spiegel selbst befindet sich in der optischen Achse.

Die Abb.30 zeigt ein Beispiel dafür, daß in einem optischen System mehrere optische Komponenten, ohne Störung ihrer relativen Läge, gleichzeitig bewegt werden können. Die zwei seitlichen Reiter ruhen auf der optischen Bank. Ein zwischen diesen Reitern befindlicher Reiter trägt eine X-Schiene. Die auf der X-Schiene placierten Komponenten lassen sich in der Richtung der optischen Achse gleichzeitig bewegen; " - »

Die in Abb.1 dargestellten optischen Schienen- und Bankprofile sind sehr gut dazu geeignet, um aus ihnen größere op-

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tische Arbeitsflächen zu bilden, wie dies in Abb.31 gezeigt ist. Hier sind eine Reihe von Bänken nach 1q mit Hilfe von Querreitern auf zwei querliegenden Bänken befestigt. Ähnliche Fläehenanordnungen sind z.B. bei holographischer Arbeit notwendig.

Ideal wäre ein optisches System, welches unendlich starr wäre und einen langen optischen Träger vorausgesetzt, die optischen Bestandteile, wie Linsen, Spiegel usw. wären mit

^ solcher Genauigkeit auf diesem gelagert, daß ihre optische Achse parallel mit der Führung der Schiene wäre und die optischen Mittelpunkte der Komponenten in die optische Achse fallen wurden, daß weiterhin bei der Verschiebung der Komponenten entlang der Träger die optischen Achsen, bzw. die optischen Mittelpunkte der Komponenten in der optischen Achse bleiben wurden. Obwohl für die letzte Präzision eines optischen Systems die Richtung der Portpflanzung des Lichtes maßgebend ist, ist auch die dazu senkrechte Präzision der Komponenten wichtig. Manche optischen

* Komponenten sollen auch in der senkrechten Richtung auf der optischen Achse mit Genauigkeiten von 0,01 mm oder noch größer aufgestellt werden können. Die aus diesen Forderungen folgenden technologischen Anforderungen sind enorm. Um diesen Genüge zu leisten, werden heute schon optische Träger mit Genauigkeiten größenordnungsmäßig von 0,001 mm auf mehreren Meter Lange hergestellt. Um eine, in engen Grenzen gehaltene Gesamttoleranz zu erzielen, sollen alle Komponenten mit ähnlichen Genauigkeiten gefertigt werden.

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Die Arbeit mit den in dem vorigen Absatz beschriebenen Einrichtungen ist in manchen Fällen außerordentlich schwer, bzw. sogar unmöglich. Die mit den"erwähnten Genauigkeiten angefertigten Komponenten sind außerordentlich schwer, geräumig und nicht bewegbar. Diese Systeme sind nur in einer einzigen langen Anordnung verwendbar. Versucht man mehrere , solche Systeme parallel zu verwenden, dann geht die ganze Genauigkeit verloren, wenn die mehreren Systeme nicht mit derselben Starrheit gelagert sind, wie die Starrheit des einzelnen Systems ist. Solche Systeme sind mit so ungeheuren Kosten verbunden, daß sie nur in ganz wenigen Ausnahmefällen zur Verwendung kommen.

Das zweit.e Prinzip beim Aufbau eines optischen Systems ist jenes, bei welchem man auf eine übertriebene Maß-Präzision der einzelnen Bestandteile verzichtet und trotzdem die verlangte Präzision der Arbeitsweise mit entsprechenden Justiermöglichkeiten sichert.

In dem den Gegenstand der Erfindung bildenden neuen System wird dieses Prinzip angewandt. Zu diesem Zweck sind in ,das System genügend Justiermöglichkeiten eingebaut, mit deren Hilfe alle gewünschten Präzisionseinstellungen nach allen drei Freiheitsgraden gesichert sind. Solch ein optisches System ist nahezu um eine Größenordnung billiger als ein der Ausführung nach Präzisionssystem, und trotzdem ist es möglich, mit ihm nahezu alle solche Arbeiten durchzuführen,. «te mit den sehr kostspieligen und-nur sehr schwer zu hand·· habenden der Axm führung nach Präzisionaety at emen.

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Es gibt aber Umstände, die bei keinem System umgangen werden können. Diese sind die Starrheit des Systems und die Reproduzierbarkeit der Einstellungen. Unter Starrheit verstehen wir die Tatsache, daß die relative Lage der Bestandteile sich während des Versuchs nicht ändern kann.

In dem neuen optischen System erfolgt die Einstellung in drei Stufen, bzw. an drei Stellen.

Die erste Einstellinöglichkeit ist bei der Einstellung des optischen Trägers selbst gesichert. Hier sind Möglichkeiten für die horizontale und vertikale Einstellung. Die zweite Einstellmöglichkeit sichern die Einstellmöglichkeiten der Reiter. Die dritte Einstellmöglichkeit besteht in der vertikalen Verstellung der optischen Komponenten. Alle diese Einstellungen können als grob bezeichnet werden. Die dritte Einstellmöglichkeit sichern die Peineinstellkomponenten, die nichts anderes sind als die verfeinerte Erweiterung der schon erwähnten Einstellmöglichkeiten, sie werden mit Mikrometer, Differential-Mikrometer und piesoelektrischem Wandler durchgeführt.

Im Folgenden werden wir auf einige Justiermöglichkeiten hinweisen, mit denen das neue System versehen ist.

In Abb.32 ist die optische Bank auf eine Tragplatte gelegt und mit zwei horizontal angeordneten Schrauben gehalten. Mit Hilfe dieser Schrauben kann die Schiene in horizontaler Lage fein eingestellt werden. Die Tragplatte in Abb.32 besitzt auch zwei vertikale Justierachrauben· Diese Schrau-

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ben dienen der vertikalen Einstellung sowie der Drehung der Schiene um ihre Längsachse, die vertikalen Justierschrauben, liegen auf einer unteren Tragplatte oder Tragscbeiben auf. Ähnliche Einstellmöglichkeiten sichert auch der Reiter, der in Abb.33 aufgeführt ist. .Der Reiter ruht auf drei vertikalen Schrauben und ist seitlich mit den weiteren zwei Schrauben gestützt, die gegenüber der Fixierschraube liegen. Mit Hilfe der vertikalen Schrauben kann die Symmetrieachse der Säule beliebig eingestellt werden. Mit Hilfe der horizontalen Schrauben kann die Säule um die vertikale Achse gedreht und senkrecht zur optischen Achse verschoben werden. Diese Justieroperationen sollen bei losem Zustand der Fixierschraube ausgeführt werden.

Der Vollständigkeit halber geben wir in Abb.34 eine Anordnung an, die"der in Abb.33 ähnlich ist mit dem Unterschied, daß hier der Reiter selbst aus einem ,U-Eisenprofil angefertigt ist.

Aus der Abb.1 sieht man, daß mit Hilfe des neuen optischen Systems sich im Prinzip Querschnittkombinationen jeder Tragfähigkeit und Starrheit zusammenbauen lassen. Die Bänke nach Abb.iq und 1t sind schon ziemlich tragfähige und starre Träger, aber es ist eine, im Prinzip beliebige Erweiterung dieser Eigenschaften möglich, wenn mehrere der Träger zusammengefaßt werden, wie das Abb.1s und 1v zeigen. Aber die. mit dem Querschnitt erreichte Starrheit wird nur innerhalb der Trägerlänge erhalten. Werden mehrere unabhängige Träger, kom-

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biniert und die Starrheit des resultierenden Systems soil der der einzelnen Träger entsprechen, so soll für eine entsprechende Unterlage gesorgt werden. Die Unterlage soll so starr sein, daß sie auf Gebäudedeformationen nicht antwortet. Pur diesen Zweck sind die in Laboratorien verwendeten Holztische und Ständer völlig ungeeignet. Aber ebenso ungeeignet sind auch Metallständer, wenn sie nicht entsprechend ausgebildet sind. Bei der Ausgestaltung der Tische bzw. Ständer für optische Untersuchungen stehen wir folgen- W den Problemen gegenüber:

a) Der Ständer soll tragfähig genug sein, damit übermäßige Deformationen vermieden werden können.

b) Der Ständer soll starr genug sein, um zu verhindern, daß Gebäudedeformationen auf das optische System übertragen werden.

c) Der Ständer soll so ausgebildet sein, daß die Vibrationen der Umgebung vom Versuchssystem möglichst ferngehalten werden. Hier sollen sowohl die vertikalen wie auch die horizontalen Komponenten sehr stark gedämpft werden.

d) Das optische System soll seine ursprünglich eingestellte Horizontale während des Versuchs möglichst beibehalten.

Wie viele dieser Forderungen eingehalten werden sollen, hängt von der Natur der Arbeit ab.

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Die wichtigste Forderung, die beim Aufbau eines ausgedehnt.en und aus mehreren voneinander unabhängigen optischen Trägern bestehenden optischen Systems erfüllt werden muß, ist, daß die Unterlage, oder mit anderen Worten, die Versuchsfläche mindestens so starr ist, wie die Starrheit der einzelnen Träger. Solche Flächen können Spannplatten oder Richtplatten aus Eisen oder Granit sein. Ist die optische Anordnung ausgedehnt oder gar rahmenförmig, kann das neue System ohne weitere Befestigung auf einer solchen Fläche angebracht werden. Gegebenenfalls sind Befestigungslöcher oder Nute nötig. Eine andere Möglichkeit ist, die Arbeitsfläche nach Abb.31 aus optischen Trägern aufzubauen. Diese Anordnung kann man für eine optische Arbeitsfläche als ideal betrachten, weil auf den Trägern die optischen Heiter an beliebigen Stellen befestigt werden können. Besteht die Arbeitsfläche aus magnetischem Material, können magnetische Reiter verwendet werden.

Die Arbeitsflächen nach Abb.31 und dergleichen genügen, wenn diese auf drei Punkten gestützt werden, den Anforderungen gemäß Punkt a) und b).

Die optischen Aufstellungen können gegen Erschütterungen (Punkt c)) mit Hilfe von Dämpfungsgiiedern geschützt werden.

Mit Hilfe eines hydraulischen Ausgleichssystems kann man die horizontale Lage (Punkt d)) der Arbeitsfläche sichern.

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Claims

Pat entans prüche

1) Optisches Aufbau- und

Einstell-System für optische Versuche und stationäre optische Einrichtungen, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau der Einzelkomponenten auf mit vier symmetrisch angeordneten schrägen Punktionsflächen versehenen opti-• sehen Trägern erfolgt.

2) Optisches System nach Anspruchspunkt 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optische Träger vier symmetrisch angeordnete schräge und zwei parallel angeordnete Punktionsflächen besitzt.

3) Optisches System nach Ansprachspunkten 1) und 2), dadurch gekennzeichnet, daß der optische Träger vier symmetrisch angeordnete schräge und vier parallel angeordnete Punktionsflächen besitzt.

4-) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 3), dadurch gekennzeichnet, daß für das Zusammenbinden der Träger Bindungskomponenten vorhanden sind.

5) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 4), dadurch gekennzeichnet, daß für die Halterung der eigentlichen optischen Komponenten, wie Linsen, Spiegel usw. es zum optischen Träger passende Reiter besitzt.

6) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 5), dadurch gekennzeichnet, daß für die Halterung der eigentlichen optischen Komponenten es magnetische Reiter besitzt.

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7) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 6), dadurch gekennzeichnet, daß der Reiter mit Justierkomponenten versehen ist.

8) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 7), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem optischen Träger und einem asymmetrisch befestigten Reiter (Abb.16) zusammengesetzt ist.

9) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 8), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem optischen Träger und aus einem von unten mit einem Querträger befestig-; ten Reiter (Abb.17) zusammengesetzt ist.

10) Optisches System nach Anspruchspunkten 1 ) bis 9),dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem optischen Träger und aus einem Querführung enthaltenden Reiter (Abb.7, * 21 und 23) zusammengesetzt ist.

11) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 10), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem optischen Träger und aus einem Quernut enthaltenden Reiter (Abb.8, 9> 22 und 24) zusammengesetzt ist.

12) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 11), dadurch gekennzeichnet, daß es aus mehreren optischen Trägern und aus einem, eine zueinander senkrechte Anordnung der Träger·sichernden Komponente besteht (Abb.13 und 15)*

13) Optisches System nach Anspruchspunkten 1) bis 12), dadurch gekennzeichnet, daß es aus einem optischen Träger und einer justierbaren Unterlagplatte besteht (Abb.32).

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