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Optische Vorrichtung Die üblichen Mikroskope weisen folgende Nachteile
auf: i. Sie erschließen die durchsichtigen oder durchscheinenden Körper nicht mit
genügendem Kontrast und zwingen zur Anwendung von Farbmitteln; 2. trotz ihrer Aufhellungsvorrichtungen,
wie Parabolspiegel, Doppelprisma, Halbsilberspiegel, die den Zweck haben, die Prüfung
der Oberflächenzustände zu ermöglichen, können sie zu Irrtümern führen, wenn man
Mikrofurchen messen will, weil sie diese nicht in wirklicher Größe, sondern oft
durch eine Schattenwirkung erkennen lassen; 3. da sie im allgemeinen mit
Einstellung arbeiten, sind sie schlecht zur Beobachtung von krummen Flächen, insbesondere
von zylindrischen, kugeligen und torischen Flächen, geeignet, die gerade die häufigsten
im Maschinenbau sind. Die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung ist von einfacherer
Bauart als die üblichen Mikroskope und weist nicht die soeben erwähnten Nachteile
auf.
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Die erfindungsgemäße optische Vorrichtung besteht aus einer Kammer
mit undurchsichtigen Wänden, einer im wesentlichen punktförmigen Lichtquelle im
Innern der Kammer, einem optischen System, das das von der Lichtquelle ausgestrahlte
Lichtbündel in ein Bündel größerer Öffnung umwandelt und die Lichtquelle in der
Nähe des zu untersuchenden Gegenstandes abbildet, und aus einer in der Wandung angebrachten
Öffnung, durch welche der Gegenstand beobachtet wird, oder aus einer Auffangvorrichtung
für das die Lichtquelle abbildende Strahlenbündel.
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Weitere Ausgestaltungen und Verbesserungen dieser erfindungsgemäßen
Vorrichtung bilden den Inhalt der Ansprüche 2 bis :13.
Die Erfindung
soll an Hand der beigefügten schematischen Zeichnungen erläutert werden, die nur
als Beispiel gegeben sind und auf denen dasselbe Bezugszeichen gleiche Teile bezeichnet.
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Fig. i ist ein Längsschnitt einer Vorrichtung, die zur Prüfung von
Gegenständen durch Lichtdurchlässigkeit dient und ein Okular aufweist; Fig. 2 ist
ein Längsschnitt einer Vorrichtung zur Prüfung durch Lichtdurchlässigkeit, die jedoch
anstatt eines Okulars einen Schirm aufweist; Fig. 3 ist ein Längsschnitt
einer Vorrichtung zur Prüfung durch Reflexion und weist ein Okular auf; Fig. 4 ist
ein Längsschnitt einer Vorrichtung zur stereoskopischen Prüfung durch Lichtdurchlässigkeit
und weist einen Schirm auf; Fig. 5 ist eine schaubildliche Ansicht einer
Vorrichtung, deren obere Hälfte abgenommen worden ist und die zur Prüfung durch
Reflexion von Hohlflächen dient und einen Schirm aufweist; Fig. 6 stellt
eine Abänderung der Vorrichtung der Fig. 4 dar; Fig. 7 stellt die Vorrichtung
der Fig. 3 von unten gesehen dar.
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In Fig. i sieht man bei 3 eine Kammer mit undurchsichtigen
Wänden, bei P eine im wesentlichen punktförmige Lichtquelle im Innern der Kammer.
Zwei in einen Schlitz der Kammer eingefügte Platten 4 halten den zu prüfenden Gegenstand,
der durch einen PfeilAB schematisch dargestellt ist. Ein optisches System
S, in der Zeichnung durch eine bikonvexe Linse dargestellt, gibt von der
Lichtquelle P ein in der Nähe des beobachteten GegenstandesAB und hinter ihm gelegenes
Bild P'. Eine in der Wandung angebrachte Öffnung 5
ist in einer möglichst
geringen Entfernung von P' angeordnet, beispielsweise kleiner als 5 cm, unter
allen Umständen aber kleiner als derAkkommodationsabstand des Auges. Der Beobachter
sieht bei A'B' den Gegenstand AB, wobei B' auf der optischen Achse und
A' in der Verlängerung von AP' liegt. Die soeben beschriebene Vorrichtung
entbindet also von jedweder Einstellung, und der Beobachter ist zu keiner ermüdenden
Akkommodation gezwungen. Die Bilder werden um so schärfer sein, je näher
die Lichtquelle P an dem geometrischen Punkt liegt. Zu diesem Zwecke kann man in
der Nähe der Lichtquelle P eine Blende i anordnen, die gleichzeitig die Lichtstärke
zu regeln und die Ausdehnung der Lichtquelle zu verringern gestattet. Die Vergrößerung
kann beliebig geregelt werden. Sie ist um so größer, j e näher das Lichtquellenbild
P' an den Gegenstand.A B herangerückt wird.
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Bei der Vorrichtung der Fig. 2 wird der beobachtete Gegenstand zwecks
Verbesserung der Eigenschaft der Bilder mit einfarbigem Licht beleuchtet. Zu diesem
Zwecke wird bei 6 ein Farbfilter vor der Lichtquelle angeordnet. Die Entfernung
der Lichtquelle P in bezug auf das optische System S,. hat den Zweck, den augenscheinlichen
Durchmesser dieser Lichtquelle zu verringern. Man entfernt also optisch mit Hilfe
von Prismen mit totaler Reflexion Pr, die Lichtquelle von dem optischen System SI.,
ohne dabei die Abmessungen der Vorrichtung zu vergrößern. Das optische System
S, ist hier divergent und in der Zeichnung durch eine bikonkave Linse dargestellt.
Das Bild P' der Lichtquelle ist hier virtuell und liegt vor der Linse
S,. Zwecks Verstärkung der Vergrößerung wird hinter dem Gegenstand
A B eine bikonkave Linse S2 eingeschaltet, die die Rolle
eines divergenten optischen Systems spielt. Die in Fig. 2 dargestellte Vorrichtung
weist kein in der Wandung angebrachtes Loch auf, sondern einen Schirm
7, der ein gewöhnlicher weißer Schirm, eine Mattscheibe, ein fluoreszierender
Schirm oder die lichtempfindliche Schicht eines photographischen Apparates sein
kann.
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Die Vorrichtung der Fig. 3 ist anwendbar, wenn die zu untersuchende
Fläche eine geeignete Krümmung besitzt, die es ihr ermöglicht, selbst eine ähnliche
Rolle zu spielen wie die des optischen Systems S,
in Fig. i und2. Die Oberfläche
bildet hier zugleich denzu untersuchenden Gegenstand und das die Lichtquelle abbildende
System. In dieser Abbildung bezeichnet 14 eine in der Dunkelkammer 3 vorgesehene
Öffnung; 2 stellt eine in dem Gang der Lichtstrahlen angeordnete Mikrometerskala
dar, die zur Vornahme von Messungen dient. M, und 1112 bezeichnen Spiegel, die dieselbe
Rolle spielen wie die Prismen Pr, der Fig. ?- Der Spiegel M2 hat insbesondere die
Aufgabe, das von der Lichtquelle P gegen die beobachtete Fläche ausgesandte Lichtbündel
in einer Richtung möglichst in die Nähe der Normalen zu dieser Fläche im PunktA,
dem Mittelpunkt der beobachteten Zone, zu reflektieren. Durch die Reflexion des
Lichtbündels an Spiegeln wird das Licht polarisiert. Diese Wirkung kann große Dienste
leisten, insbesondere bei der Prüfung von Metallflächen.
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In Fig. 4 ist die Lichtquelle P in zwei Lichtquellen P, und P, unterteilt
worden. Das optische SystemS, gibt also von zwei Lichtquellen zwei BilderPl' und
PJ, die den GegenstandAB beleuchten. Man erhält auf diese Weise zwei Bilder A,'B,'
und A2'B2', deren binokulare Prüfung die Reliefwirkung wiederherstellen kann.
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Die Vorrichtung der Fig. 5 ist geeignet, wenn die Krümmung
der zu prüfenden Fläche an sich allein nicht genügt, um die gewünschte Vergrößerungswirkung
zu gewährleisten, die hier durch ein konvergentes optisches SystemS2 erreicht wird.
Diese Vorrichtung ist insbesondere zur Prüfung von Hohlflächen geeignet, wie Sitzen
von Kugelgelenken, zylindrischen Bohrungen, torischen Auskehlungen u dgl. Ein Spiegel
M3 reflektiert das von der geprüften FlächeA reflektierte Lichtbündel, so daß dieses
Bündel in einer Richtung zurückgeworfen wird, die im wesentlichen zu der des einfallenden
Bündels parallel ist. Das Gehäuse der Vorrichtung kann alsdann die Gestalt eines
langen und schmalen Zylinders aufweisen.
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In Fig. 6 findet man eine Anordnung von zwei Lichtquellen,
ähnlich der in Fig. 4 dargestellten. Aber während bei der letzten Abbildung angenommen
wurde, daß der Winkelabstand der beiden Lichtquellen P, und P. nicht zu groß
wäre, so daß man sich mit einem einzigen optischen System S, begnügen könnte,
wird dagegen in Fig. 6 angenommen,
daß dieser Abstand es
erforderlich macht, das System S, in zwei Systeme zu unterteilen, wobei jedes
mit der entsprechenden Lichtquelle P in einer Achse liegt.
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Im allgemeinen gestattet die beschriebene Vorrichtung die Prüfung
jeder beliebigen kontinuierlichen Fläche. Es genügt, die Fläche so anzuordnen, daß
die geprüfte Zone eine bestimmte feste Lage in bezug auf die Gesamtheit des optischen
Systems einnimmt und daß die Normale im geprüften Punkt stets dieselbe Richtung
hat. Wenn es sich also, unter Bezugnahme auf die Fig. 3 und 7, darum
handelt, eine Kugelfläche zu prüfen, wird man diese Fläche so anordnen, daß sie
durch den Prunkt A geht und daß ihr Mittelpunkt auf einer festen Geraden
AO liegt. Zu diesem Zwecke kann sich ein Schieber C auf dem Gehäuse der Vorrichtung
verschieben. Er trägt einen Zeiger 8, der sich vor einer Skala
9, die mit der Kammer 3 verbunden ist, verschiebt und den Radius der
geprüften Kugelfläche anzeigt. Umgekehrt könnte auch der Zeiger an dem Körper und
die Skala an dem Schieber angebracht sein. Der Schieber weist eine Öffnung io in
Form eines Dieders, vorzugsweise mit rechtem Winkel, auf, das mit dem Gehäuse ein
Trieder, vorzugsweise mit drei rechten Winkeln, bildet, in dem die geprüfte Kugel
eine vollkommen bestimmte Lage einnimmt.
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Eine ähnliche Vorrichtung würde sich auch eignen, wenn die geprüfte
Fläche ein Zylinder wäre. In diesem Falle würde man einen Schieber C anwenden, der
an Stelle der Öffnung io eine einzige Ebene aufweist, die mit der Kammer einen vorzugsweise
rechtwinkligen Halter bildet, in dessen Innern die Lage des geprüften Zylinders
auch hier eine vollkommen bestimmte sein würde.
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Bei den Vorrichtungen, die zum Prüfen von Flächen durch Reflexion
dienen, wird die Vergrößerung durch die Krümmung der beobachteten Fläche bestimmt.
Wenn zwischen die beobachtete Fläche und das Auge kein optisches System eingeschaltet
wird, wie dies in Fig. 3 der Fall ist, wird das Gesichtsfeld nur durch die
Öffnung der Iris des Beobachters bestimmt. Wenn dagegen ein optisches Zusatzsystem
S, zwischen die beobachtete Fläche und das Auge eingeschaltet wird, kann
das Feld durch die Öffnung dieses optischen Systems verringert werden. Wenn diese
Öffnung kreisförmig ist, ist das Feld im Grunde genommen kreisförmig, wenn der beobachtete
Körper eine Kugel ist, und zwar wegen der Symmetrie. Wenn der Körper dagegen ein
Zylinder ist, ist das reflektierte Bündel in der Ebene der Achse des Zylinders weniger
divergent als in der zu dieser Achse senkrechten Ebene; mit anderen Worten, wenn
man die in der Ebene der Achse des Zylinders gelegenen Lichtstrahlen betrachtet,
ist der Punkt, von dem aus sie divergieren, von dem Auge weiter entfernt als der
Punkt, von dem aus die in der zu dieser Achse senkrechten Ebene gelegenen Lichtstrahlen
divergieren. Für kreisfönnige Öffnungen des Systems S2 erscheint also das
Feld als Ellipse, derart, daß die große Achse dieser Ellipse und die Achse des geprüften
Zylinders rechtwinklig sind. Wenn man mit einer zylindrischen Fläche ein kreisförmiges
Feld erhalten wollte, würde es zweckmäßig sein, in dem optischen Zusatzsystem eine
elliptische Blende anzuordnen, deren große Achse parallel zu der Achse des Zylinders
sein würde, oder dieses astigmatische System zu wählen, das man beispielsweise aus
einer zylindrischen Linse bildet, die so angeordnet ist, daß ihre Achse und die
Achse der beobachteten zylindrischen Fläche rechtwinklig sind.
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In dem Falle, wo man eine Fläche prüft, ruft jeder Fehler der geprüften
Fläche, beispielsweise eine Mikrofurche, eine Reflexion des einfallenden Bündels
in den äußeren Richtungen bei den Richtungen der Strahlen hervor, die von der Fläche
reflektiert würden, wenn sie geometrisch vollkommen wäre. jeder Fehler erscheint
also mit großem Kontrast als dunkler Fleck auf leuchtendem Grunde. Die durch die
Fehler zerstreuten Strahlen bilden am Rande des Feldes Unschärfen, deren Leuchtkraft
auf die Dichtigkeit dieser Fehler schließen läßt. Wenn die geprüfte Fläche durch
Schleifen hergestellt worden ist, zeigen sich die Furchen in der beobachteten Fläche
im wesentlichen als Durchdringungsflächen von Unebenheiten auf einer Schleifscheibe
von bekanntem Radius. Wenn man die Krümmung der Fläche kennt, kann man also aus
der Länge jeder Furche ihre Tiefe ableiten. Diese Länge kann mit Hilfe einer Mikrometerskala,
wie sie bei 2 in Fig. 3 dargestellt ist, abgelesen werden. Im Falle eines
Zylinders ist diese Skala so angeordnet, daß ihre Achse und die Achse des beobachteten
Zylinders rechtwinklig sind. Es könnte eine zweite Mikrometerskala senkrecht zu
der ersten, angeordnet werden, um die Anzahl der Furchen pro Längeneinheit zu zählen.
Bei gleicher Tiefe hat die Mikrofurche eine kleinere Länge, wenn der Krümmungsradius
der geprüften Fläche kleiner ist. Aber diese Wirkung wird in sehr glücklicher Weise
dadurch ausgeglichen, daß die Vergrößerung alsdann größer ist.
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Wenn die Vorrichtung einen Schieber aufweist, um den geprüften Körper
in Stellung zu bringen, wie es bei C in Fig. 3 und 7 dargestellt
ist, hängt die Stellung des Schiebers in bezug auf den Körper von dem Durchmesser
der geprüften Fläche ab, und man kann diese Stellung benutzen, um folgende Korrektionswirkung
zu erzielen: Eine fest mit dem Schieber verbundene Skalenteilung ii kann in bezug
auf eine andere, fest mit dem Gehäuse der Vorrichtung verbundene Skalenteilungi2
verschoben werden. Der Beobachter verfährt dann folgendermaßen: Er mißt mit Hilfe
der Mikrometerskala 2 die Länge einer Furche. Er markiert auf einer der Skalen ii
oder 12 die diesem Maß entsprechende Teilung. Die Teilung der anderen Skala, die
sich gegenüber der ersten befindet, zeigt ihm dann in wahrer Größe sowohl die Länge
als auch die Tiefe der Fehler der beobachteten Fläche an; der Einfluß des Radius
der Fläche ist auf diese Weise ausgeglichen.
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Man könnte die verschiedenen Teile der oben beschriebenen beispielsweisen
Ausführungsformen kombinieren oder abändern, so daß Vorrichtungen entstehen, die
von diesen beschriebenen verschieden sind. Derartige Kombinationen oder Abänderungen
sind beispielsweise folgende: Die divergenten optischen SystemeS, und
S, der Fig. 2 können durch konvergente optische Systeme ersetzt werden, und
ebenso können das konvergente
optische System S, der Fig.
1 und das konvergente optische System S, der Fig. 5 durch divergente
optische Systeme ersetzt werden. Das Wesentliche in allen Fällen ist nur, ein Lichtbündel
von großer Öffnung zu erhalten.
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Die Prismen der Fig. 2 können durch Spiegel ersetzt werden, und ebenso
können die Spiegel der Fig. 3 und 5
durch Prismen mit totaler Reflexion
ersetzt werden.
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Anstatt ein Filter 6 in der Fig. 2 anzuwenden, kann man eine
Lichtquelle P von einfarbigem Licht, beispielsweise eine Natriumdampflampe benutzen.
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Das divergente oder konvergente optische System S,
der Fig.
2 und 5 kann sowohl mit einem Okular als auch mit einem Schirm Anwendung
finden.
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Die Vorrichtung der Fig. 4, die die Unterteilung der punktförmigen
Lichtquelle ermöglicht, ist auch zur Prüfung von Flächen durch Reflexion verwendbar.
Man kann sie auch in Vorrichtungen benutzen, die zwei Okulare anstatt eines Schirmes
aufweisen. Anstatt zwei Lichtquellen.Pl. und P, zu benutzen, kann man sich auch
einer einzigen Lichtquelle.P bedienen, von der durch ein geeignetes Zusammenarbeiten
von Prismen oder Spiegeln oder durch Unterteilung des optischen Systems S, zwei
Büder.P,.' und Pj hergestellt werden.
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Die Spiegel 111, der Fig. 3 können durch Nikolsche Prismen
ersetzt werden, die auch die Wirkung haben würden, das Licht zu polarisieren.