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Optisches Gerät zur Abstandsmessung für allgemeine Verwendung Die
Erfindung bezieht sich auf ein optisches Gerät zur Abstandsmessung für allgemeine
Verwendung, vor allen Dingen zum Messen der Höhendifferenz zwischen verschiedenen
Flächen oder Teilen eines Gegenstandes, der auf seine genauen Abmessungen überprüft
werden soll. Zu diesem Zweck hat das Gerät ein Objektiv bzw. einen Schirm od. dgl.,
durch das die von dem zu prüfenden Gegenstand ausgesandten oder reflektierten Lichtstrahlen
zwischen zwei nahe dem Umfang des Objektivs liegenden Objektivteilen hindurchtreten
und anschließend in Form von zwei voneinander getrennten Strahlen oder Strahlenbündeln
zu einem hinter dem Objektiv befindlichen optischen System gelangen, durch das eine
Vereinigung der beiden Lichtstrahlen oder Strahlenbündel und der dadurch erzeugten
Bilder zu einem einzigen Bild erfolgt.
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Die Erfindung besteht nun vor allen Dingen darin, daß das Objektiv,
das dahinter befindliche optische System und das Okular gegenüber dem in einem Halter
sitzenden Prüfgegenstand eine verstellbare Einheit bilden und Mittel zum Messen
der Lage dieser Einheit an dem Halter vorgesehen sind.
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Durch das Ausmessen der jeweiligen Lage der Einheit gegenüber der
vorhergehenden Lage ergibt sich ein Maß für den Höhenunterschied zwischen den verschiedenen
Teilen oder Flächen des Prüfgegenstandes.
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Im Gegensatz zu den als Abstandsmesser dienenden Entfernungsmessern,
wo der Abstand der Gegenstände voneinander veränderlich ist und die Lage des als
Einheit zu betrachtenden Gerätes feststeht, ist gemäß der Erfindung die Entfernung
konstant und die Lage der Einheit veränderlich. Gegenüber einem Mikroskop ergibt
sich der Unterschied einer wesentlich schärferen und genaueren Anzeige der Brennpunktlage.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung hat das
Objektiv einen konkav-konvexen Linsensatz, der an den hinteren Kanten und dem vorderen
Zentrum einen Silberbelag aufweist und dessen konkave Seite dem zu prüfenden Gegenstand
zugekehrt ist. Ferner besitzt die Vorrichtung zum Messen der Lage der Einheit einen
Fühler, der gegen einen Teil der Einheit liegt und Bestandteil einer Vorrichtung
zum Anzeigen der Lage der Einheit ist bzw. mit der Anzeigevorrichtung zusammenarbeitet.
Das Gerät eignet sich auch zum Messen der Brennweite von Linsen. In diesem Falle
ist die Lage des Objektivs durch eine Linsenhaltevorrichtung und die Lage des Gegenstandes,
d. h. der Linse, durch eine beleuchtete Skala bestimmt, während das Okular als Coniometer
zum Messen des zwischen zwei Linien auf der erleuch-
teten Skala liegenden Winkels
durch die in dem Linsenhalter sitzende zu prüfende Linse dient.
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In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt.
Es zeigt Fig. 1 einen Längsschnitt durch die wesentlichen optischen Teile der Vorrichtung,
Fig. 2 eine Seitenansicht der gesamtenVorrichtung, Fig 3 eine Vorderansicht der
Vorrichtung und Fig. 4 schaubildlich eine Ansicht einer Vorrichtung zum Bestimmen
der Brennweite von oder für Kollimatorlinsen.
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Die in Fig. 1 bis 3 gezeigte Vorrichtung weist ein Objektiv 11 auf,
das aus einer dicken konkav-konvexen Linse besteht, deren konkave Seite dem zu untersuchenden
Werkstück 12 zugekehrt ist. Der Rand der Linse 11 ist auf der Rückseite bei 13 versilbert.
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Ferner ist das Zentrum der Vorderseite 14 versilbert.
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Vor der Linse 11 sitzt eine Meniskuslinse 15, die dafür sorgt, daß
das Licht von dem Gegenstand oder Werkstück 12 im wesentlichen rechtwinklig auf
die Linsenoberfläche fällt.
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Das von dem Gegenstand 12 ausgesandte Licht fällt durch die Vorderseite
der Linse 11 um den versilberten Teil 14 und wird von dem versilberten Rand 13 auf
den versilberten Teil 14 reflektiert und dann entlang den beiden Linien 16, 17 auf
die Rückseite der Linse gelenkt. Wenn der ganze Umfang der Linse versilbert ist,
dann muß ein Schirm mit zwei Öffnungen für die beiden Strahlen hinter dem Objektiv
augeordnet werden. Dieser Schirm kann z. B. auf der
Rückseite der
kleinen Linse 18 mittels Farbe aufgestrichen werden. Diese Linse 18 liegt gegen
die Rückseite der Linse 11 und bewirkt, daß die Lichtstrahlen rechtwinklig zur Oberfläche
des Objektivs austreten.
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Die Linse 11 sitzt in einer Haltevorrichtung 19 und ist hier mittels
eines Schraubringes 20 in ihrer Lage gesichert. In der Bahn der Strahlen 16, 17
liegt ein Prisma 21, dessen Vorder- und Rückseite rechtwinklig zu den Strahlen 16,
17 liegen. An jedem Ende sind geneigte Flächen 22, 23 vorgesehen, von denen die
eine in der Bahn des Strahles 16 und die andere in derjenigen des Strahles 17 liegt.
Vor der geneigten Fläche 23, die in der Bahn des Strahles 17 liegt, sitzt ein kleines
dreieckiges Prisma 24. Dadurch wird erreicht, daß der Strahl durch die Fläche 22
hindurch und in die Bahn des Strahles 17 reflektiert und diesem überlagert wird.
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Die Haltevorrichtung 19, die das Objektiv 11 enthält, sitzt am Ende
des Mikroskoprohres 25. Am oberen Ende dieses Rohres sitzt eine schräg liegende
Verlängerung 27, die durch ein Okular 28 abgeschlossen ist. Das Licht fällt hinter
dem Prisma 21 durch eine Kollimatorlinse 26, die in dem Rohr 25 sitzt, und dann
durch ein Reflexionsprisma 29, das sich in der Verlängerung 27 befindet. Von hier
gelangt das Licht in das Okular, das mittels eines Gewindes 30 verstellbar ist.
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Wenn die Prismenflächen 22, 23 parallel sind und die hinter dem Objektiv
liegende Linse 26 eine entsprechende Brennweite hat, dann fallen die beiden Bilder
zusammen und erscheinen dem Betrachter als ein einziges Bild. Wenn sich aber die
Linse 11 etwas außerhalb des Brennpunktes der Linse 21 befindet, dann entstehen
zwei Bilder. Der Punkt, an dem die beiden Bilder zusammenfallen, kann mit größerer
Genauigkeit bestimmt werden als der Punkt, an dem genau der Brennpunkt erreicht
wird. Durch diese Mittel können bei Verwendung eines Objektivs mit einer numerischen
Öffnungsweite von 0,5 die Flächen des Arbeitsstückes mit einer Genauigkeit von weniger
als einem zehntausendstel Zoll eingestellt werden.
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Die Formel für die Brennweite eines gewöhnlichen Mikroskops ist etwa
folgende: il fe2 F.F.R (nu.)2 VM2 Hierin bedeutet A = die Wellenlänge des Lichtes,
das verwendet wird und normalerweise 0,000022 Zoll ist, fe = die Brennweite des
Okulars, das zum Wahrnehmen des Bildes dient, M = die Vergrößerung des Objektivs,
V = die minimalste Entfernung des Okularbildes vom Okular, N. A. = die numerische
Öffnungsweite des Objektivs.
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Die Formel enthält zwei Teile, von denen der zweite von dem verwendeten
Okular abhängig ist. Vorrichtungen nach der Erfindung eliminieren den zweiten Teil
und reduzieren den ersten auf etwa die Hälfte, wodurch die Genauigkeit wesentlich
vergrößert wird.
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Wenn die beiden Flächen des Prismas 21, das zum Reflektieren des
ersten Lichtstrahles 16 von dem Objektiv verwendet wird, parallel oder unter einem
kleinen Winkel zueinander liegen, dann fallen die beiden Bilder zusammen, was sehr
wichtig ist, da das
Prisma naturgemäß klein ist und nur eine dem ursprünglichen Abstand
der beiden Strahlen voneinander entsprechende Länge besitzt.
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Die optische Meßvorrichtung nach Fig. 1 ist in einem Ständer gelagert,
der in den Fig. 2 und 3 dargestellt ist und eine Grundplatte 31 mit Einstellschrauben
32, 33 aufweist. Am hinteren Ende der Grundplatte erhebt sich ein Ständer 34, der
eine Gleitführung 35 und eine Zahnstange 36 zum Betätigen eines Schlittens 37 aufweist.
Das Rohr 25 der optischen Vorrichtung ist mittels einer Klemmschelle 38 am Schlitten
37 befestigt. Diese Klemmschelle wird mittels einer Klemmschraube 39 angezogen.
Der Schlitten 37 kann mittels geränderter Einstellknöpfe 40 gehoben und gesenkt
werden, die zusammen mit einem Knopf 41 für die Feineinstellung und einem Feststellknopf
42 auf die Zahnstange 36 arbeiten.
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Das Werkstück bzw. der Gegenstand 12 wird auf einem Tisch befestigt,
der einen Schlitten 43 aufweist, auf dem das Werkstück liegt und der in dem Tisch
44 mittels Kugellagern 45 verschiebbar geführt und in der gewünschten Lage mit Hilfe
einer Schraube 46 feststellbar ist, die gegen das eine Ende des Schlittens 43 liegt.
Der Schlitten wird durch eine Feder 47 gegen die Schraube gezogen. Die Feder 47
ist mit ihrem einen Ende an einem Ansatz 48 des Tisches 44 und mit ihrem anderen
Ende an einem Zapfen 49 eines Ansatzes 50 befestigt, der auf dem Schlitten 43 sitzt.
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Der Tisch 44 läuft auf Kugellagern 51 und wird mittels einer Schraube
52 verstellt, die gegen sein eines Ende liegt. Der Tisch wird durch eine Feder 53
gegen die Schraube 52 gezogen. Diese Feder ist in Fig. 2 von der einen Stirnseite
aus sichtbar und mit einem Ende an einem Ansatz 54 befestigt, der an der Grundplatte
sitzt. Das andere Ende der Feder ist an einem waagerecht an der Seite des Tisches
44 vorstehenden Ansatz 54' befestigt. Dadurch kann der Gegenstand 12 in die gewünschte
Stellung zu dem in dem Gehäuse 19 sitzenden Objektiv 11 gebracht werden.
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Da die relative Höhe der nach oben gerichteten Teile des Werkstückes
12 festgestellt werden soll, müssen Bezugspunkte vorhanden sein, von denen aus die
Messung erfolgt. Das obere Ende des Ständers 34 hat einen seitlichen Arm 55, in
den ein Zeigermeßgerät 56 eingeklemmt ist, von dem ein verschiebbarer Fühler 57
nach unten ragt. Der Schlitten 37 hat ein nach oben gerichtetes Widerlager 58 für
den Fühler 57, der normalerweise dagegenliegt.
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Das Werkstück 12 wird auf den Tisch 44 unter das Objektiv 11 gelegt.
Dann wird der Schlitten 37 verschoben, damit die obere Fläche des Werkstückes 12
in den Brennpunkt kommt. Vorher können noch Einstellungen vorgenommen werden, um
den Brennpunkt ungefähr festzustellen, wobei die Teile 57, 58 in Berührung miteinander
sind. Dadurch wird erreicht, daß die Anzeigevorrichtung 56 genau in der Mittelstellung
ist, wenn das Werkstück 12 normale Abmessungen hat. Anderungen der Abmessungen des
Werkstücks werden dann angezeigt, wenn die neuen Werkstücke nacheinander auf den
Tisch gelegt werden. Abweichungen von der normalen Größe werden durch die Anzeigevorrichtung
angegeben, wenn die Vorrichtung auf jedes Werkstück eingestellt wird.
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Wenn auch die Erfindung bei der Verwendung als optischer Tiefenmesser
beschrieben worden ist, so kann sie auch zum genauen Einstellen von Teleskopen
und
Kollimatoren dienen oder kann in eine Brennweitenmeßvorrichtung eingebaut werden.
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Die Fig.4 zeigt eine Vorrichtung, welche eine Linsenhaltevorrichtung
60 aufweist, die auf einem Träger 61 sitzt. Ferner ist ein Skalenträger 62 vorgesehen,
der auf einem länglichen Schlitten 63 sitzt.
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Schließlich ist noch ein Goniometer 64 vorhanden, das in einer Linie
mit der Linsenhaltevorrichtung 60 und dem Skalenträger 62 liegt.
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Der Schlitten 63 sitzt auf Führungsstangen 65, 66, welche durch aufrecht
stehende Wände 67, 68 od. dgl. gehalten werden und parallel zueinander verlaufen.
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Der Schlitten 63 läuft auf einer Seite auf in Nuten sitzenden Rollen
oder Kugeln 69, die gegen die Führungsstange 65 liegen. Ferner sind auf der anderen
Seite waagerechte Kugeln oder Rollen 70 vorgesehen, welche auf der Führungsstange
66 laufen. Der Träger 61 ist auf einer Grundplatte 100 befestigt. Der Skalenträger
62 besteht aus einem zylindrischen Gehäuse, das eine Lampe 72, einen Kondensator
73 und an seinem nach innen gerichteten Ende eine durchscheinende Skala 74 hat,
wie die Zeichnung zeigt.
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Die Linsenhaltevorrichtung 60 weist einen Rahmen auf mit kreisförmiger
Öffnung und verstellbaren Halterm 75 für die zu prüfende Linse80. Die Linsenhaltevorrichtung
60 sitzt auf einem waagerechten Teil 76 des Trägers 61, der die Wand 68 umspannt,
ohne sie zu berühren. Der Träger 61 weist nach unten gerichtete Seitenplatten77,
78 auf, zwischen denen ein runder Führungsstab 81 und ein rechteckiger Führungsstab
82 sitzen. Die Stäbe 81, 82 verlaufen parallel zueinander. Der runde Führungsstab
81 geht durch eine Bohrung der Wand 68 rechtwinklig zu den Führungsstangen65, 66
hindurch. Der Stab 82 ragt durch einen Schlitz im Boden der Wand hindurch.
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Mit seiner einen Seite liegt er gegen den Schlitz. Die am anderen
Ende der Führungsstangen 65, 66 sitzende Wand 67 ruht auf Rollen 71, welche quer
auf der Grundplatte verfahrbar sind, so daß die Führungsstangen zusammen mit der
Linsenhaltevorrichtung 60 und dem Skalenträger 62 quer zur Blickrichtung verschoben
werden können.
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Auf dem Träger 61 sitzt ein Querschlitten 83, welcher einen Spiegel
84 trägt, der unter einem Winkel von etwa 450 zu der optischen Achse des Systems
versetzt ist. Ferner trägt dieser Schlitten ein Doppelprisma 85 mit einer halb versilberten
zwischen den beiden Prismenhälften liegenden Fläche. Das Goniometer 64 sitzt auf
einem optischen Teilkreis 90, der auf einem Träger 91 liegt und in horizontaler
Ebene drehbar ist. Die Drehachse des Teilkreises 90 fällt mit dem optischen Mittelpunkt
der vorderen Linse des Goniometers 64 zusammen. Die Winkelverstellung des Goniometers
kann durch Ablesen der optischen Teilvorrichtung mit Hilfe eines Vergrößerungsglases
92 ermittelt werden. Das Goniometer hat ein Okular 93.
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Der Spiegel 84 und das Prisma 85 sitzen verstellbar zueinander auf
dem Querschlitten 83. Bei einer Untersuchung werden sie so eingestellt, daß ihre
Mitten ungefähr zwei Drittel so weit voneinander entfernt sind, wie der Öffnung
der Linse 80 entspricht, die geprüft werden soll. Sie sind dabei so angeordnet,
daß sie symmetrisch zu der Linse liegen. Sie liegen ferner in einer Linie, so daß
zwei parallele von der Linse ausgesandte Lichtstrahlen, die in den Spiegel und das
Prisma einfallen, beim Austritt aus dem Prisma zu einem parallelen Strahl vereinigt
werden. Der Spiegel
84 kann durch Drehen um eine vertikale Achse verstellt werden,
falls dieses notwendig ist. Diese Einstellung wird vor der Prüfung vorgenommen.
Zu diesem Zweck kann hinter dem Prisma 85 und dem Spiegel 84 ein weiterer Spiegel
angeordnet werden und Licht von einem Autokollimator auf die gesamte Anordnung gerichtet
werden, so daß es durch den hinteren Spiegel reflektiert wird. Der Spiegel 84 wird
dann verstellt, bis die beiden von dem Autokollimator ausgestrahlten Bilder zusammenfallen.
Dann wird die Skala 74 durch Verstellung des Schlittens 63 auf den Führungen 65,
66 in die ungefähre Lage der Brennpunktebene der Linse 80 gebracht. Beim Durchblicken
durch das Okular des Goniometers sieht man im allgemeinen zwei Bilder der Skala
74, von denen das eine durch das halbsilbrige Prisma 85 direkt erkennbar ist und
das andere durch Reflexion von dem Spiegel 84 und der halbsilbrigen geneigten Fläche
des Prismas 85 erzeugt wird, wie durch die gestrichelte Linie 87 angedeutet ist.
Wenn jetzt der Schlitten, der die Skala 74 trägt, auf den Führungen verstellt wird,
dann kann eine Stellung gefunden werden, wo die beiden Bilder übereinandergelagert
sind. Damit ist dann die genaue Stellung der Brennpunktebene der Linse 80 ermittelt.
Nachdem die Skala 74 in diese Ebene eingestellt worden ist, wird der Schlitten 83
quer zur Sichtlinie verschoben, bis eine Irisblende 88, die auf dem Schlitten 83
sitzt, in die Stellung gebracht worden ist, in der sich vorher das Prisma 85 befand.
Die zu prüfende Linse und die Skala werden nun quer zu der Sichtlinie verschoben,
bis die Linsenachse mit der Achse des Goniometers 64 zusammenfällt. Das Goniometer
dient zum Messen des Winkels zwischen zwei Linien der Skala, welche symmetrisch
zu der optischen Achse der Linse 80 liegen. Wenn S die Entfernung der einzelnen
Linien der Skala und 0 der halbe Winkel zwischen den Linien ist, dann errechnet
sich die Brennweite der Linse nach der Formel F= S O 2tang Die optische Lage der
Teile, die zur Bestimmung der Brennweite der Linse dienen, ähnelt derjenigen der
Teile nach Fig. 1 bis 3 bei der Bestimmung des Abstandes der Oberfläche des Werkstückes
12 vom Mikroskop. Die Prüflinse 80 nimmt dabei die Stelle des Mikroskopobjektivs
ein.