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Vorrichtung zum Messen der Dicke einer durchsichtigen Platte Die Erfindung
betrifft eine Vorrichtung zur optischen Dickenmessung von durchsichtigen Platten
mit einem optischen Beobachtungssystem zur Betrachtung der durch Reflexion an der
dem Beobachtungssystem abgewandten Seite der Platte entstehenden Abbildung einer
auf der gleichen Plattenseite wie das Beobachtungssystem angeordneten Meßskala.
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Bei einer bekannten Vorrichtung dieser Art wird die Skala durch partielle
Reflexion zweimal abgebildet, und zwar sowohl an der dem Ablesefemrohr zugewandten
wie auch an der abgewandten Seite der Platte. Der seitliche Abstand der beiden so
entstehenden Bilder wird gemessen und dient zur Ermittlung der Plattendicke. Da
bei dieser bekannten Vorrichtung das beobachtete Bild durch partielle Reflexionen
entsteht, ist entsprechend viel Licht erforderlich. Bei dieser bekannten Vorrichtung
sind daher besondere Mittel zur Beleuchtung der Skala vorgesehen.
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Bei einer anderen bekannten Vorrichtung zur op tischen Dickenmessung
von durchsichtigen Platten ist eine besondere Lichtquelle mit einer einen Lichtstrahl
begrenzenden Blende vorgesehen. Die Messung erfolgt bei dieser bekannten Vorrichtung
durch Beobachten der Bahn des reflektierten Lichtstrahles auf einem Maßstab, der
zwischen der Platte und einem Ablesefernrohr angeordnet ist. Bei dieser bekannten
Vorrichtung wird ein Teil des zur Verfügung stehenden Lichtes an der dem Ablesefemrohr
zugewandten Plattenseite reflektiert und geht für die Messung verloren. Außerdem
wird wie bei der vorangehenden Vorrichtung das Licht an der abgewandten Seite der
Platte wiederum nur partiell reflektiert.
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Der reflektierte Anteil stellt nur etwa lO0/o der einfallenden Lichtmenge
dar. Deshalb läßt sich auf die hier vorgesehene besondere Lichtquelle wegen der
schlechten Lichtausnutzung dieses Gerätes nicht verzichten.
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In den vorhergehend beschriebenen Geräten läßt sich die Plattendicke
nicht mit großer Genauigkeit ablesen. Dies ist darauf zurückzuführen, daß entweder
beim Vergleich zweier Bilder diese nicht in derselben Ebene abgebildet werden oder
daß notgedrungenerweise ein nicht genügend scharfes Lichtstrahlenbündel zur Verfügung
steht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so auszugestalten, daß möglichst hohe Lichtausnutzung besteht, damit
auf besondere, aufwendige Mittel zur Beleuchtung verzichtet werden kann und damit
auch bei starker Störlichteinstrahlung mit großer Genauigkeit gemessen werden kann.
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Dies wird durch die Erfindung erreicht durch ein
durchsichtiges Prisma,
dessen Brechungsindex im wesentlichen gleich dem der Platte ist und das mindestens
den Bereich des Eintritts des beobachteten Lichtstrahlenbündels in optischem Kontakt
mit der Platte bedeckt, und durch solche Festlegung des Beobachtungssystems, daß
die Beobachtungsrichtung in der zu messenden Platte oberhalb des Grenzwinkels der
Totalreflexion liegt.
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Durch das Prisma wird die Reflexion an der dem Ablesefernrohr zugewandten
Seite der Platte weitgehend unterdrückt, und es ist möglich, das Licht unter einem
Winkel in die Platte einfallen zu lassen, der gleich dem Grenzwinkel oder größer
als dieser ist. Dann findet an der anderen Plattenseite Totalreflexion statt, so
daß das gesamte zur Verfügung stehende Licht für die eine erforderliche Abbildung
der Skala zur Verfügung steht. Die Erfindung ermöglicht eine schnelle und genaue
Messung der Dicke einer durchsichtigen Platte durch unmittelbare Ablesung einer
lediglich durch das Außenlicht beleuchteten Gradeinteilung.
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Vorrichtungen nach der Erfindung können so justiert und geeicht werden,
daß die abgelesenen Meßwerte entweder unmittelbar die Plattendicke anzeigen oder
eine Größe anzeigen, aus der die Plattendicke leicht errechnet werden kann.
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Gemäß einer zweckin ßigen Weiterbildung der Erfindung ist die Skala
rechtwinklig zu der zu messenden Platte angeordnet. In einem solchen Falle erscheint
die beobachtete Abbildung der Skala immer in der gleichen Entfernung, unabhängig
davon, wie dick die zu messende Platte ist. Es ist daher nicht nötig, das Beobachtungssystem
entsprechend der Dicke der Platte jeweils besonders einzustellen.
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Gemäß einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist die Skala in
unmittelbarem Kontakt mit dem durchsichtigen Prisma. Die Justierung der Anordnung
ist dann besonders einfach, weil eine Versetzung des Lichtstrahlenbündels~ zwischen
der Skala und dem Prima nicht stattfindet.
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In Fig. 1 ist schematisch die Wirkungsweise der neuen Meßvorrichtung
dargestellt; Fig. 2 zeigt im Schnitt eine Ausführungsform der neuen Meßvorrichtung.
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In Fig. 1 ist mit I die durchsichtige Platte bezeichnet, auf welche
die eine Fläche des Prismas von rechtwinklig-dreieckigem Querschnitt aufgesetzt
wird. Solange die durchsichtige Platte noch fehlt, wird der von dem Teilstrich 0
der Skala ausgehende Strahl ON bei N auf der unteren Fläche des Prismas total reflektiert
und -tritt bei P in der RichtungPX aus, um darauf nach dem optischen Beobachtungs-System
zu gelangen. Nach Einlegen der durchsichtigen Platte 1, deren Dicke gemessen werden
soll, kommt der Strahl, welcher nach Reflexion auf der rückwärtigen Fläche der Platte
den gleichen Weg NPX nach dem optischen Beobachtungssystem nimmt, von dem TeilstrichA
der graduierten Skala.
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Eine einfache geometrische Uberlegung ergibt, daß die Dicke der Platte
der Länge OA proportional ist.
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Unter der Voraussetzung einer zweckentsprechenden Gradeinteilung der
Skala OA ergibt die Beobachtung des Teilstriches A durch einfaches Ablesen die Dicke
der Platte.
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Da der Brechungswinkel des Prismas nicht genau der gleiche wie der
der Platte sein kann, deren Dicke gemessen werden soll, wird die Reflexion auf der
oberen fläche der Platte nicht völlig unterdrückt.
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Da bekanntlich der Reflexionsfaktor eines Lichtstrahlenbündels auf
der Trennebene von zwei durchsichtigen Medien von den Brechungsindizes dieser Medien
und dem Einfallswinkel des Strahlenbündels auf diese Trennebene- abhängt, wird das
Material, aus welchem das Prisma besteht, so ausgewählt, daß sein Brechungsindex
dem des Werkstoffes der Platte entspricht, und als optische flüssige Zwischenschicht
eine solche verwendet, deren Brechungsindex möglichst nahe dem der Stoffe liegt,
aus denen das Prisma und die Platte bestehen.
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Ferner wird, um den Reflexionsfaktor auf der ersten Fläche der Platte
möglichst zu verringern, eine Beobachtungsrichtung gewählt, bei der der Beobachtungswinkel
sowenig-s möglich größer als der totale Reflexionswinkel ist, vorzugsweise im Falle
von üblichen durchsichtigen Werkstoffen, wie von Glas oder Methylmetacrylat, in
der Größenordnung von 450, Um das Ablesen der Gradeinteilung weiter zu erleichtern,
wird durch Verwendung eines zweiten geraden Prismas mit rechtwinklig-dreieckigem
Querschnitt, das mit dem ersten Prisma über eine der den rechten Winkel bildenden
Flächen so verbunden ist, daß die das erste Prisma verlassenden Lichtstrahlen ohne
Ablenkung in das zweite Prisma eintreten, eine zweite, totale Reflexion der Lichtstrahlen
auf der
Hypotenusefläche des zweiten Prismas bewirkt, worauf die austretenden Lichtstrahlen
durch eine in zweckmäßiger Weise regelbare Vorrichtung nach dem Objektiv des optischen
Beobachtungssystems geleitet werden.
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Sämtliche Reflexionen, denen die Lichtstrahlen auf ihrem Wege unterliegen,
sind Totalreflexionen. Das Auge empfängt deshalb das gesamte Licht, das in die Vorrichtung
eintritt, und die der Dicke der Platte entsprechende, durch das Fadenkreuz des Beobachtungssystems
geortete Gradeinteilung liegt in der Mitte einer gut beleuchteten Zone.
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Nachstehend wird als Beispiel eine Ausführungsform einer Vorrichtung
gemäß der Erfindung an Hand der Fig. 2 der Zeichnung, welche eine solche Vorrichtung
im axialen Schnitt veranschaulicht, im einzelnen erläutert.
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Die neue Meßvorrichtung besteht aus einer Kammer 1 und einem oberhalb
derselben angeordneten vertikalen Rohr 2, mit welchem die Kammer in Verbindung steht.
Diese Teile sind innen geschwärzt und dicht miteinander verbunden. Die Kammer bildet
den Sockel der Vorrichtung. Ihr Boden weist eine große rechteckige Öffnung 3 auf.
Seitlich besitzt sie eine langgestreckte, rechteckige Öffnung 4, durch welche das
Licht in die Vorrichtung eintritt. Die Kammer enthält ein gerades Prisma 5 von gleichschenkelig
rechtwinkligdreieckigem Querschnitt, bei welchem eine der den rechten Winkel bildenden
Flächen genau die untere Öffnung 3 der Kammer schließt, während die andere dieser
Flächen vor der seitlichen Öffnung4 liegt, die ihrerseits durch eine durchsichtige
Platte 6 abgedeckt ist, in welche an der dem Prisma zugeordneten Fläche eine Gradeinteilung
eingraviert ist. Der optische Kontakt zwischen dieser Skala und dem Prisma erfolgt
durch einen zweckentsprechend gewählten Leim so, daß die Gradeinteilung als auf
die Fläche des Prismas aufgraviert erscheint. Diese Skala liegt deshalb vollkommen
rechtwinklig zu der unteren fläche des Prismas. Der Nullpunkt der Skala entspricht
der Dicke »Null« der zu messenden Platte 1.
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Die Einstellung des Prismas in der Kammer muß besonders sorgfältig
so erfolgen, daß es genau jeder der beiden Öffnungen 3 und 4 angepaßt ist. Die untere
Fläche des Prismas springt etwas, jedoch sehr wenig über den Boden der Kammer vor,
so daß sie sich während der Messungen in gutem Kontakt mit der zu messenden Platte
I befindet. Die Platte 6 ist matt geschliffen, so daß die Skala durch diffuses Licht
beleuchtet wird.
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Mit dem ersten Prisma ist ein zweites gerades Prisma 7 von kleineren
Abmessungen mit gleichschenkelig rechtwinklig-dreieckigem Querschnitt verbunden,
das über eine der den rechten Winkel bildenden Flächen mit der Hypotenusenfläche
des großen Prismas verklebt ist.
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Der Spiegel 8 oder ein im oberen Teil der Kammer 1 liegendes Prisma
mit Totalreflexion, dessen reflektierende Oberfläche hinsichtlich ihrer Neigung
gegenüber der Grundfläche der Vorrichtung einstellbar ist, empfängt die Strahlen,
die auf der Hypotenu senfläche des zweiten Prismas total reflektiert worden sind,
und leitet sie nach einem im unteren Bereich des Rohres 2 liegenden Objektiv 9.
Die Neigung des Spiegels 8 kann so gewählt werden, daß ein für alle mal der Nullpunkt
der Skala sich auf den Fall der Dicke »Null« der zu messenden Platte I bezieht.
In einem Rohr, welches innerhalb des Rohres 2 liegt
und durch Schrauben
12 befestigt ist, kann ein OkularlO gleiten, welches die Einstellung des optischen
Beobachtungsmechanismus für den Beobachter ermöglicht. Fest im Inneren des Rohres
11 liegt in der dem Objektiv zugeordneten Ebene der Skala ein Fadenkreuz 13.
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Zwecks Durchführung einer Messung wird die Meßvorrichtung auf die
Platte l, deren Dicke gemessen werden soll, aufgesetzt, wobei der Kontakt zwischen
dem Prisma und der Platte z. B. durch einen Paraffinöltropfen, der vor dem Aufsetzen
der Meßvorrichtung auf die Platte aufgebracht wird, gesichert wird.
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Aus Fig. 2 ist der Weg, den die Lichtstrahlen in einer Vorrichtung
gemäß der beschriebenen Ausführungsform der Erfindung nehmen, ersichtlich. Das durch
die gerauhte Fläche der Scheibe 6 in diffusen Zustand verbrachte Außenlicht beleuchtet
die auf dieser Scheibe angebrachte Skala. Das Lichtstrahlenbündel geht durch das
Prisma 5 und die optische Verbindung zwischen dem Prisma und der Platte und tritt
dann in diese ein. Die Strahlen, deren Einfallswinkel zwischen dem der Totalreflexion
entsprechenden Grenzwinkel und 900 liegt, werden auf der rückwärtigen Fläche der
Platte total reflektiert und treten ohne Ablenkung in das kleine Prisma ein. Diejenigen
Strahlen, deren Einfallswinkel größer als der kritische Einfallswinkel zwischen
dem Stoff, aus dem das Prisma besteht, und der Luft ist, werden auf seiner Hypotenusenfläche
reflektiert, um das Prisma zu verlassen und auf den Spiegel 8 aufzufallen, der sie
nach dem Objektiv hin reflektiert. Dieses gibt dann ein teilweises gut aufgehelltes
Bild der Skala, welches dem einfallenden Lichtstrahlenbündel entspricht, das durch
das System der beiden Prismen hindurchgegangen ist. Dieses Bild wird durch das Okular
und sein Fadenkreuz beobachtet, welch letzteres als Folge der entsprechenden Ausbildung
der Apparatur in der Ebene liegt, in welcher das Objektiv das Bild der Skala wiedergibt.
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Die Skala kann vorteilhafterweise unmittelbar in Dicken angab en
eingeteilt sein. In diesem Falle zeigen die Teilungen der Skala, die mit dem Faden
des Fadenkreuzes zusammenfallen, unmittelbar die Dicke an.
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Die Skala kann ferner auch in willkürliche Einheiten eingeteilt sein,
die mittels einer mit der Vorrichtung zusammen verwendeten Tabelle für eine den
üblichsten Werkstoffen entsprechende Reihe von Indizes in Längeneinheiten umgerechnet
werden.
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Infolge ihrer robusten Ausbildung, ihres geringen Raumbedarfs und
der einfachen Art ihrer Verwendung ist die neue Vorrichtung besonders geeignet für
die ständige Kontrolle einer gegebenen Art von bekannten und üblichen Werkstoffen,
wie von Spiegelglas, Fensterglas und organischen Gläsern. Die Dikken, die mittels
der neuen Vorrichtung gemessen werden können, hängen von der Länge der Grundfläche
des großen Prismas ab. Es können, ohne daß die Vorrichtung zu große Abmessungen
erhält, Dikken bis zu 20 mm gemessen werden. In diesem Falle weist die graduierte
Skala zweihundert Teilstriche auf, wobei der Abstand zwischen zwei Teilstrichen
Dickenänderungen von 1/10 mm entspricht. Durch Interpolation zwischen diesen Teilstrichen
kann die Dicke bis auf '/lot oder 2/ovo mm geschätzt werden.
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Die Tatsache, daß bei Verwendung der neuen Vorrichtung eine Hilfslichtquelle
überhaupt nicht erfor-
derlich ist, ist von besonderem Vorteil, weil damit die gesamte
Apparatur als solche unabhängig ist und deshalb z. B. auch sehr gut auf eine vertikale
Platte aufgesetzt werden kann, auf welche das Licht von der Seite, auf welcher sich
der Beobachter aufhält, entgegengesetzten Seite auffällt. In diesem Falle gelangt
kein Licht zu dem Beobachter, das nicht von der Skala herkommt. Dies ermöglicht
es insbesondere, daß der die Messung Durchführende sich im Inneren eines Baukörpers
befindet, um derart Messungen von Spiegelglas bzw. Verglasungen, Fenstern und den
Vitrinen von Auslagen durchzuführen, die diesen Baukörper von der Außenluft trennen.
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PATBNTANSPRÜCHE: 1. Vorrichtung zur optischen Dickenmessung von durchsichtigen
Platten mit einem optischen Beobachtungssystem zur Betrachtung der durch Reflexion
an der dem Beobachtungssystem abgewandten Seite der Platte entstehenden Abbildung
einer auf der gleichen Plattenseite wie das Beobachtungssystem angeordneten Meßskala,
gekennzeichnet durch ein durchsichtiges Prisma (3), dessen Brechungsindex im wesentlichen
gleich dem der zu messenden Platte (1) ist und das mindestens den Bereich des Eintritts
des beobachteten Lichtstrahlbündels in optischem Kontakt mit der Platte (t) bedeckt,
und durch solche Festlegung des Beobachtungssystems, daß die Beobachtungsrichtung
in der zu messenden Platte oberhalb des Grenzwinkels der Totalreflexion liegt.