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Optische Vorrichtung zum Prüfen von Achsenrichtungen In der Patentschrift
366 29o ist eine Zielvorrichtung beschrieben, mit der man das Zusammenfallen zweier
Achsenrichtungen oder die Ebenheit einer Fläche prüfen kann. Die Prüfung einer Geradführung
ist eiUe verwandte Aufgabe, die sich mit denselben Mitteln lösen läßt. Diese Aufgaben
werden nach der genannten Patentschrift dadurch gelöst, daß man hintereinander entweder
zwei Richtmarken oder dieselbe Richtmarke in zwei oder mehr verschiedenen Entfernungen
mit einem Fernrohr einstellt. Das Fernrohr entwirft dabei von der Richtmarke ein
aufrechtes und ein umgekehrtes Bild, und die Einstellung besteht darin, daß man
diese beiden Bilder zum Zusammenfallen bringt. Diese Hilfsmittel versagen jedoch,
sobald die Richtmarke auf nähere Entfernung gebracht wird, weil dann ihre beiden
Bilder seitliche Bewegungen gegeneinander ausführen, sobald man das Auge seitlich
bewegt, also eine Parallaxe gegeneinander zeigen. Der Grund hierfür liegt darin,
daß die beiden Bilder nicht mehr in dieselbe Ebene fallen. So wird z. B. in Abb.
5 der Patentschrift der durch den ringförmigen, äußeren Teil des Objektivs tretende
Teil der Strahlenbündel einen weiter hinter der Brennebene liegenden Bildpunkt erzeugen
als der durch den kreisförmigen Kern tretende, zweimal an Silberflächen und einmal
an einem Dach reflektierte.
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Diesen Übelstand beseitigt die Erfindung gemäß folgender Erkenntnis.
Die in der genannten Patentschrift beschriebenen Zielvorrichtungen für die Richtmarken
sind Sonderfälle von zwei miteinander verbundenen, aus spiegelnden oder brechenden
oder spiegelnden und brechenden Flächen bestehenden optischen Systemen, die einen
gemeinsamen Dingraum in einen gemeinsamen Bildraum mit gleicher Vergrößerung so
abbilden, daß die beiden Bilder der Hauptachse des Dingraumes. der Richtung nach
zusammenfallen, daß aber die Bilder zweier zu der Hauptachse und untereinander senkrechter
Nebenachsen einander entgegengesetzte Richtung haben. Die Parallaxe wird beseitigt,
wenn diese beiden verbundenen optischen Systeme so eingerichtet werden, daß jede
auf der Hauptachse senkrechte Dingebene von beiden Systemen in dieselbe Bildebene
abgebildet wird. Die Hauptachse ist hierbei dadurch bestimmt,. daß ihre Bilder der
Blickrichtung des Auges parallel sind. Man braucht sich hierbei nicht auf den Fall
zu beschränken, daß die Bilder beider Nebenachten entgegengesetzte Richtung haben,
daß also die beiden durch die beiden Systeme erzeugten Bilder einer Figur, die in
einer zur Hauptachse senkrechten Ebene liegt, völlig gegeneinander umgekehrt sind;
es brauchen nur die Bilder einer Nebenachse entgegengesetzte Richtung zu haben,
wodurch die beiden Bilder einer solchen Figur spiegelverkehrt zueinander sind. Solche
Systempaare können zur Prüfung von Ebenen benutzt werden.
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Man braucht sich ferner nicht darauf zu beschränken, daß die gekennzeichneten
Systempaare aus einer Anordnung von Spiegeln vor dem Objektiv eines Fernrohres bestehen.
Solche
Spiegelsysteme können auch hinter dem Objektiv an beliebiger Stelle angebracht sein
oder bei geringen Ansprüchen an Genauigkeit ohne Fernrohr verwendet werden; auch
können die Spiegel mit zusätzlichen Linsenkombinationen verbunden werden.
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Werden beide Nebenachsen so abgebildet, daß ihre Bilder entgegengesetzt
liegen, so gibt es .stets eine zu ihnen senkrechte Linie, deren beide Bilder nicht
nur der Richtung, sondern .äuch der Lage nach übereinstimmen. Diese ist die durch
das Paar optischer Systeme festgelegte Ziellinie. Das die Erfindung kennzeichnende
Merkmal, daß die beiden Bilder einer auf der Hauptachse senkrechten Ebene zusammenfallen,
bewirkt, daß die beiden Bilder der Ziellinie Punkt für Punkt zusammenfallen. An
diesem Zusammenfallen prüft und erkennt man, ob sich eine Richtmarke in der Ziellinie
befindet. Hat nur die eine Nebenachse die Eigenschaft, daß ihre beiden Bilder entgegengesetzte
Richtung besitzen, während die Bilder der anderen Nebenachse der Richtung nach übereinstimmen,
so gibt es keine Ziellinie, sondern nur eine der Hauptachse parallele Ebene, deren
beide Bilder zusammenfallen; sie steht auf der erstgenannten Nebenachse senkrecht.
Bringt man eine zur Hauptachse senkrechte, der anderen Nebenachse parallele Linie
in diese Ebene, so fallen die beiden Bilder dieser Linie zusammen; man kann so prüfen,
ob sich eine Richtmarke, die z. B. als der zweitgenannten Nebenachse parallele Linie
ausgebildet ist, in der Zielebene befindet.
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Die von der Richtmarke ausgehenden, die eine Abbildung bewirkenden
Strahlen können mit denen, die die andere Abbildung bewirken, identisch sein; dann
müssen diese Strahlen durch physikalische Teilung (z. B. an einer teils durchlässigen
und teils spiegelnden Fläche) gespalten werden. Sie können aber auch räumlich getrennt
verlaufen, bevor sie die beiden Systeme erreichen. Nach dem Durchsetzen beider Systeme
ist es Zwar an sich möglich, die Strahlenbündel getrennt zu halten, aber für die
Genauigkeit der Messung ist es vorteilhafter, wenn sie spätestens vor dem Eintritt
in das Auge physikalisch wieder zum Zusammenfallen gebracht werden, was durch dieselben
Mittel wie die physikalische Teilung geschieht.
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Bei Verwendung eines Fernrohrs ist es besonders vorteilhaft, wenn
dieses mit einem teleskopischen Objektiv ausgerüstet ist, damit die Richtmarke in
allen Entfernungen gleich groß erscheint; auch wird dadurch ermöglicht, daß man
sie bis dicht vor das Objektiv bringen kann, ohne große Verschiebungen des Okulars
vorzunehmen.
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Die neuen optischen Systempaare. können eine besondere neue Verwendung
finden, um Teilungen in wechselnder Entfernung abzulesen. Bei der Koordinatenmessung
liegt z. B. die Aufgabe vor, die Verschiebung eines Schlittens in einer Richtung
zu ermitteln, während er, sich gleichzeitig in verschiedenen Abständen von einem
festen Ablesefernrohr befindet. Versieht man dann das Ablesefernrohr mit einem Paar
optischer Systeme der beschriebenen Art und macht eine senkrecht zur Teilung stehende
Ebene zur Zielebene dieses Systempaars, so sieht man zwei Bilder der Teilung, die
entgegengesetzt verlaufen. Als Ablesepunkt gilt derjenige Skalenpunkt, wo gleiche
Skalenwerte zusammenfallen. Hierbei kann es zweckmäßig sein, den beiden Bildern
der Skala senkrecht zur Richtung der Skala eine Versetzung zu geben, um sie besser
voneinander zu unterscheiden. Man kann aber auch zur Trennung der beiden Skalenbilder
die Abbildung so vornehmen, daß das eine Skalenbild senkrecht zur Richtung der Skala
entgegengesetzt zu dem andern gerichtet ist und die Fußpunkte der Skalenstriche
in einer Linie zusammenstoßen.
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In jedem Falle ist die Hinzufügung eines optischen Hilfsmittels (Mikrometers),
z. B. einer kippbaren Planparallelplatte, zweckmäßig, das in meßbarem Betrage das
eine der beiden Skalenbilder oder beide so gegeneinander versetzt, daß zwei Striche
genau miteinander zusammenfallen. Man kann dieses Zusammenfallen beurteilen, indem
man wie bei einem Koinzidenzentfernungsmesser feststellt, ob die Striche sich ineinander
als gerade Linie fortsetzen. Man kann sie aber auch als Doppelstriche ausbilden
und je zwei Doppelstriche so ineinander eingreifen lassen, daß drei gleiche Zwischenräume
entstehen. Die in beiden Skalen zusammenfallenden Orte Sind dann nicht die Mitten
der Doppelstriche, sondern um einen unveränderlichen Betrag gegen diese Mitten versetzt,
was keinen Fehler ergibt.
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In der Zeichnung sind einige Beispiele der Erfindung dargestellt.
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In Abb. i besteht das eine der beiden miteinander verbundenen optischen
Systeme aus den miteinander verkitteten rechtwinkligen Prismen i und 2 einerseits
und 3 und q. anderseits. Die Kittflächen sind dabei halbdurchlässig versilbert.
Für die durchgehenden Strahlenbündel wirkt dieses System wie zwei Planparallelplatten.
Das andere System, das für das an der Kittfläche von 1,.2 reflektierte Bündel wirksam
ist, besteht aus den Prismen i, 5, 6 und 4. sowie den sammelnden Linsen 7 und 8,
die gleiche Bremiweite haben. Diese Linsen sind so angeordnet, daß der hintere Brennpunkt
7 F1' mit dem vordern FE von 8 zusammenfällt; die Linsen bilden
also
ein bildumkehrendes Fernrohr von der Vergrößerung Eins. Der vordere Brennpunkt der
Linse? F1 werde nun von dem System i, 2, 3, 4, das zwei Planparallelplatten bildet,
virtuell in den Punkt FI* abgebildet; F1 falle außerdem zusammen mit dem virtuellen
Spiegelbilde, das das Prisma 4 von dem hinteren Brennpunkt F2 der Linse 8 entwirkt.
Da durch die Teile i, 7, 5, 8 und 6 der Punkt F, in F2 abgebildet wird und das Prisma
q. diesen Punkt in F* abbildet, so bildet das ganze zweite optische System die achsensenkrechte
Ebene in F1 in dieselbe ochsensenkrechte Ebene wie das erste System,, nämlich die
bei Fi*, ab, jedoch unter vollständiger Umkehrung. Da beide Systeme dieselbe Tiefenvergrößerung,
nämlich Eins, haben, so fallen alle ochsensenkrechten Bildebenen des, ersten mit
denen des zweiten zusammen. Wegen der vollständigen Bildumkehrung im zweiten System
ergibt sich hier eine Ziellinie, nämlich -die Achse Z-Z.
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In Abb.2 bestehen die zwei miteinander verbundenen Systeme nur aus
Spiegeln. Ein Prisma g mit einem Dach io und drei optisch ebenen Flächen ist an
seiner Fläche i i mit einem Prisma 12 und an seiner Fläche 13 mit einem Prisma 14
verkittet. Die Flächen i i und 13 wirken teils durchlassend und teils spiegelnd.
Ein in das Prisma g von links eintretender Strahl wird an der Fläche i i: in zwei
Teilstrahlen zerlegt, deren einer an dem Dach io gespiegelt wird und dann Fläche
13 durchsetzt. Der durch die Fläche i i hindurchtretende Teilstrahl wird in dem
Prisma 14 zweimal total und dann an der teilweise spiegelnden Fläche 13 so
reflektiert, daß er mit dem ersten zusammenfällt. Daß die von beiden Systemen gelieferten
Bilder zusammenfallen, ist hier dadurch erreicht, daß die optischen Wege beider
Strahlen gleich lang sind. Das eine optische System besteht aus dem Prisma g und
einem Teil des Prismas 14, das andere aus einem Teil des: Prismas g und den Prismen
12 und 14. Die Ziellinie ist der gezeichnete eintretende Strahl. Alle mit zweimaliger
physikalischer Teilung versehenen Systempaare sind umkehrbar verwendbar.
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Abb. 3. bis 5 zeigen ein dem vorigen gleichwertiges Systempaar in
drei Ansichten. Ein bei 0 in ein rechtwinkliges Prisma 15 eintretender Strahl wird
an der halbversilberten Fläche 16 in zwei Teilstrahlen zerlegt; der eine Teilstrahl
geht durch diese Fläche hindurch, wird durch Spiegelung in einem rechtwinkligen
Prisma 17 um 9o° und durch zweimalige Spiegelung in einem Prisma 18 um i8o° abgelenkt,
trifft in einem Prisma ig auf eine halbversilberte Fläche 2o und wird dort in -die
der Eintrittsrichtung parallele Richtung0' geworfen. Der andere Teilstrahl. geht
von der Fläche 16 rechtwinklig gespiegelt in ein Prisma 21, in dem er zweimal gespiegelt
wird, und in ein Prisma 22, in dein er durch Spiegelung die Richtung 0' erhält und
das er durch Durchsetzen der Fläche 2o verläßt. Alle Prismen können verkittet sein;
man kann aber auch z. B. die Prismen 18 und 21 etwas von dem übrigen Körper mit
Luftzwischenraum abrücken, um durch Änderung des Zwischenraumes die optischen Längen
beider Systeme genau einander gleichmachen zu können. Die Linie 0 (bei umgekehrter
Benutzung 0') ist Ziellinie.
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Während bei den drei Beispielen nach Abb. i, 2 und 3 bis 5 die Dingstrahlen
für beide optischen Systeme gemeinsam verlaufen, ist dies bei den- nächsten beiden
Beispielen Abb. 6 und 7 nicht der Fall. Das erstere hat den Vorteil, daß man solche
Systempaare z. B. auch hinter dem Objektiv eines Fernrohres verwenden, also bei
kleinem Gesichtsfeld in geringer Größe ausführen kann. Das letztere ergibt größere
Helligkeit, weil eine der beiden physikalischen Teilungen der Büschel wegfällt;
jedoch sind solche Systempaare dann zweckmäßig nur vor dem Obj ektiv eines Fernrohres
zu verwenden.
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In Abb. 6 ist die Anordnung ähnlich wie in Abb. i, jedoch ist das
Prisma 2 weggefallen; das in gerader Richtung durchlaufende Büschel trifft nicht
mehr auf das Prisma i, sondern geht seitlich vorbei. - Das eine abbildende System
besteht aua den eine Planplatte bildenden Prismen 3 und 4, deren Hypothenusenflächen
halbdurchlässig sind; das andere aus den Teilen. i, 7, -5, 8, 6 und 4. Die Linsen
7 und 8 bilden wieder ein umkehrendes, einfach vergrößerndes Fernrohr. Das! Spiegelprisma
4 bildet hier F2 in einem Punkt R virtuell ab, der in derselben ochsensenkrechten
Ebene wie der vordere Brennpunkt Fi der Linse-? liegt. Es folgt dann aus denselben
Betrachtungen wie bei dem Beispiel nach Abb. i, daß die beiden Bilder einer ochsensenkrechten
Ebene zusammenfallen, jedoch liegt hier diejenige Linie Z-Z des Objektraumes, die
in sich selbst abgebildet wird, also die Ziellinie, gegenüber der in den Dingraum
zurückgespiegelten Achse des Systems i, 7, 5, 8, 6, 4 um halb so viel seitlich versetzt,
wie diese selbst durch das System 3,4 seitlich versetzt wird. Ein Fernrohrobjektiv
hinter diesem Doppelsystem erfüllt zweckmäßig die öffnung 0-0. Die Ziellinie geht
dann hier nicht durch seine Mitte, während bei Abb. i die Achse eines hinter dem
Doppelsystem anzuordnenden Fernrohrs mit der Ziellinie zusammenfallen würde.
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In Abb. 7 kann.als eines der beiden Systeme das Objektiv
01, das totalreflektierende Prisma 23 und die aus dem Pentagonalprisma-
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und dem angekitteten Prisma 25 gebildete Planparallelplatte angesehen werden; als
das andere System das Objektiv 02 und das mit einem Dach versehene Pentagonalprisina
24. Die Kittfläche 26 ist halbversilbert. Der Abstand zwischen den einander zugekehrten
Flächen der Prismen 23 und 25 ist so gewählt, daß die beiden einander gleichen Objektive
01 und 02 eine achsenrechte Dingebene in dieselbe Bildebene abbilden: Die Ziellinie
ist Z-Z. Durch Hinzufügen eines Okulars 03 ist das Zielfernrohr zu vervollständigen.
Man kann auch das Okular den Teilen. des einen wie denen des anderen Systems hinzurechnen;
ebenso kann man bei den vorhergehenden Beispielen die Teile eines hinzugefügten
Fernrohrs also sowohl dem einen wie dem anderen System zugehörig auffassen.
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Systempaare, die nur eine Zielebene ergeben, gewinnt man z. B. aus
den Beispielen nach Abb.2 und 7 durch Weglassen des Daches.
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Eine solche Abänderung des Spiegelsystems der Abb. 7 zeigt Abb. B.
Die halbversilberte Spiegelfläche 27 ist die Kittfläche zweier Glaskörper, deren
einer, ein Pentagonalprisma 28, hier statt eines Daches eine versilberte Spiegelfläche
29 trägt. Die Weglängen der beiden Teilstrahlen sind gleich lang. Z-Z deutet die
Ziellinie an, Z'-Z' ist ihr Bild.
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Abb. 9 zeigt schematisch eine Einrichtung zur Ablesung der einen Koordinate
y eines nach zwei Koordinaten x und y verschieblichen Teils. Ein Unterschlitten
3o kann sich zwischen zwei Führungen 31 und 32 parallel zur x-Achse verschieben.
Er trägt zwei Führungen 33 und 34, zwischen denen sich ein Oberschlitten 35 mit
einer Teilung 36 parallel zur y-Achse verschiebt. Zur Messung der y-Koordinate dient
ein optisches Systempaar, dessen eines System aus einem Okular 37, zwei halbdurchlässig
verkitteten Prismen 38 und 39, einem Pentagonalprisma 4o, dem positiven Teil 41
und dem negativen Teil 42 eines Fernrohrobjektivs und einer Plan parallelplatte
43 besteht, die um die Achse A,-Ai drehbar ist. Das andere System besteht aus dem
Okular 37, dem Prisma 38, einem Objektiv 44 und einer Planparallelplatte 45, die
um die zur Achse AI-Al. senkrechte Achse A2 drehbar ist. Diese Drehung ist mit einer
nicht gezeichneten Kreisteilung verbunden zu denken.
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Man sieht die Teilung im Fernrohr zweimal; die Bilder sind spiegelverkehrt.
Durch Drehung der Platte 43 um die Achse A,-A, kann man das eine Bild in der. Höhe
gegen das andere versetzen. So entsteht ein Gesichtsfeld entsprechend Abb. io. Die
untere der beiden Teilungen trägt von links nach rechts die Bezifferungen o, 5,
io; unter jeder der Ziffern ist dieselbe Ziffer in Spiegelschrift angebracht. Die
obere der beiden Teilungen, die das Spiegelbild: der unteren ist, ist in der Abbildung
beispielsweise um o,2 des Teilstrichwertes gegen die untere nach rechts verschoben;
zu ihr gehören die beiden oberen Ziffernreihen, von denen jetzt die untere lesbar
ist. Der Wert des zusammenfallenden Ortes beider Teilungen ist 5,1. Den Bruchteil
erhält man genauer, indem man die Teilstriche 5 durch Drehen der Platte 45 um die
Achse A2 zum genauen Übereinanderstehen bringt; man liest dann den Bruchteil an
der erwähnten Kreisteilung ab. Man kann dafür sorgen, daß nur die zweite und die
dritte Ziffernreihe sichtbar sind.
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Durch Verwendung eines Systempaares nach Abb. 7 würde man ein Skalenbild
entsprechend Abb. i i erhalten. Auch hier ist es zweckmäßig, durch ein optisches
Mittel, wie eine Planparallelplatte, die man hier am besten vor beide Objektive
gemeinsam setzt, ein genaues Zusammenfallen beider Strichsysteme zu erzeugen; außerdem
wird man die Ablesung der umgekehrten Teilung, wie angedeutet, dadurch erleichtern,
daß man unter die Ziffern deren Umkehrungen anbringt.
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Statt auf geradlinige Fortsetzung einzelner Striche einzustellen,
kann man sowohl im Falle der Spiegelung als im Falle der vollständigen Umkehrung
des zweiten Bildes der Teilung gegen deren erstes Bild die Teilung nach Abb. 12
aus Doppelstrichen herstellen und die Einstellung dadurch vollziehen, daß man aus
den zwei Strichen des ersten und den zwei Strichen des zweiten Skalenbildes drei
gleiche Zwischenräume entstehen lä3t. Abb. a2 zeigt dies für den Fall vollständiger
Umkehrung.
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Falls man Einrichtungen entsprechend Abb. 9 verwendet, also zwei spiegelverkehrte,
senkrecht zur Skalenrichtung gegeneinander verschobene,Bilder erhält, kann man auch
die Teilung so ausführen, daß jeder Teilstrich durch einen Doppelstrich und einen
darunter oder darüber befindlichen Mittelstrich dargestellt ist. Abb.
13 zeigt die dann entstehenden Bilder; das eine in ausgezogenen, das andere
in punktierten. Linien.
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Abb. 14 zeigt eine vollständige, der Erfindung entsprechende Vorrichtung,
die mit einem teleskopischen Objektiv ausgerüstet ist. Dieses Objektiv besteht aus
einem sammelnden System 46 und einem zerstreuenden System 47, die zusammen ein holländisches
Fernrohr ergeben. Zwischen beide ist ein Prismensystem 48 geschaltet, das Abb. 3
bis 5 entspricht, also zwei vollständig gegeneinander umgekehrte Bilder ergibt.
Diese drei Systeme werden von einem Träger 49 gehalten,
der auf
eine Grundplatte 50 geschraubt 'ist. Richtmarken, z. B. solche nach Abb.
3 der Patentschrift 366 29o, werden von diesem System im Verhältnis der Brennweiten
der Systeme 46 und 47 verkleinert abgebildet. Die Bilder sind ferner im Quadrat
dieses Verhältnisses enger zusammengedrängt als die Abstandsverschiedenheiten der
Richtmarken betragen. Zur Betrachtung der Bilder dient ein vergrößerndes Mikroskop,
das aus einem Objektiv 5 1 und einem Okular 52 besteht. Es wird von einem
Träger 53 gehalten, der gleichzeitig die Führung für die mit einem Trieb 54. zu
bewirkende Scharfeinstellung auf die von dem holländischen Fernrohr erzeugten Bilder
dei Richtmarke abgibt.