Messungen mit Autokollimator
Autokollimatoren sind eine Kombination aus Kollimator und Teleskop, die sich über einen Strahlenteiler denselben optischen Pfad teilen. Durch die Kollimatorfunktion wird die Struktur der Strichplatte ins Unendliche abgebildet. Das zu prüfende Objekt wird in den Strahlengang gestellt und reflektiert das Licht zurück in den Autokollimator. Dieses reflektierte Licht wird durch die Teleskopwirkung in die Kameraebene des Autokollimators abgebildet.
Eine typische Anwendung ist die Messung des Neigungswinkels einer Oberfläche, die das Licht zurück in den Autokollimator reflektiert.
Winkelmessung optischer Komponenten
Der aus dem Autokollimator austretende parallele Strahl wird von beiden Oberflächen des Keils reflektiert. Der Keilwinkel δ ist gegeben durch:
δ = d / (2nf)
mit
d – Verschiebung des reflektierten Bildes
n – Brechungsindex des Glases
f – Brennweite des Autokollimators
Für die schnelle Messung in der optischen Fertigung kann die Verschiebung d für eine gegebene Winkeltoleranz und Brennweite f berechnet und auf das beleuchtete Fadenkreuz in Form einer Lochblende übertragen werden, so dass die Bestimmung des Bauteils auf einer “gut” und “schlecht” Basis erfolgen kann:
A) Keil außerhalb der Toleranz
B) Keil am Toleranzlimit
C) Keil innerhalb der Toleranz
Der Ablenkungswinkel durch den Keil ist für kleine Winkel gegeben durch:
γ = d(n-1) / (2nf)
Die reflektierten Bilder von den 90°-Seiten (die unempfindlich gegen Drehung um die Dachkante sind) werden um einen Betrag x verzerrt, wenn eine Abweichung vom 90°-Winkel α vorliegt.
Das Vorhandensein einer Höhenverschiebung um den Betrag y beweist ebenfalls einen Pyramidenfehler ϓ:
α = X / (4nf) γ = Y / (4nf)
n – Brechungsindex des Glases
f – Brennweite des Autokollimators
Das 90°-Prisma wird auf eine ebene Fläche gestellt. Der austretende Strahl des Autokollimators wird an der Prismenseite und der ebenen Fläche reflektiert und kehrt auf dem ursprünglichen Weg zurück, wenn der Winkel genau 90° beträgt. Im Okular ist keine Verschiebung zu erkennen. Abweichungen von 90° können im Okular gemessen werden.
Die Fehlergröße:
α = d / (4f)
wobei f= Brennweite des Autokollimators. Das Vorzeichen -/+ des Fehlers wird durch Defokussieren des Okulars bestimmt: Bewegt man die Brennebene des Okulars in Richtung Objektivlinse, ergibt sich ein negativer Fehler, wenn der Abstand d kleiner wird.
Bei der Messung des 45°-Winkels eines Prismas sind zwei Methoden möglich:
a) Relative Messung des 45°-Winkels
Zur Messung des 45°-Winkels wird ein Referenzprisma verwendet. Beide Prismen werden auf eine präzise Ebene gelegt. Der 90°-Winkel des zu prüfenden Prismas muss zuerst geprüft werden, da der Fehler dieses Winkels die Messung beeinflusst.
b) Absolute Messung des 45°-Winkels
Der Autokollimator wird auf eine Seite des 90°-Winkels gerichtet. Es werden zwei Bilder von beiden Seiten des Prismas erzeugt. Die interne Reflexion im Prisma erzeugt eine Verschiebung d, die vom Fehler des 45°-Winkels α abhängt:
α = d/(4nf) ± δ/2
wobei δ der Fehler des 90°-Winkels ist.
Der Autokollimator ist auf einem verstellbaren Stativ montiert und kann in jedem Winkel geneigt werden. Zur Ausrichtung des Autokollimators auf den Spiegel wird ein Referenzprisma verwendet. Das Referenzprisma wird durch das zu prüfende Prisma ersetzt, und die Winkeldifferenz wird durch das Okular abgelesen.
Prüfung der Geradheit, Rechtwinkligkeit, Parallelität und Ebenheit
Die Messung geometrischer Parameter mechanischer Teile ist eine typische Anwendung im Maschinenbau, bei Werkzeugmaschinen und in der Luft- und Raumfahrtindustrie.
Ein Spiegel wird entweder entlang der Oberfläche bewegt oder an einem beweglichen Teil der zu messenden Maschine angebracht. Der Spiegel wird von Kugeln oder Stiften getragen, die in einem als Basislänge bezeichneten Abstand b angeordnet sind. Abweichungen von der Geradheit führen zu einer Verkippung des Spiegels. Die Abweichung von der Geradheit ist gegeben durch:
h = b tan α
wobei:
α = Spiegelneigung
b = Basislänge
Wenn computergesteuerte oder elektronische Autokollimatoren verwendet werden, können die Messwerte automatisch an den Computer übertragen werden. Das Softwareprogramm ermöglicht die Geradheitsmessung an Gleitbahnen von Werkzeugmaschinen, Wellen, Linearführungen, Rollen usw.
Der Basisspiegel wird entlang von Diagonalen und Rechtecken über die zu messende Oberfläche bewegt. Entlang jeder Linie wird eine Geradheitsmessung durchgeführt. Aus den Daten werden die Form der Oberfläche und die Abweichungen von der Ebenheit berechnet.
Die Daten können in einen Computer eingegeben werden, um eine Topografie der zu prüfenden Oberfläche zu erstellen.
Das Verfahren ist ähnlich wie bei der Geradheitsmessung. Die Messung der ersten Fläche erfolgt auf die gleiche Weise. Außerdem wird ein genaues Pentaprisma verwendet, um den Autokollimatorstrahl auf die zweite Fläche zu übertragen. Die Geradheit der zweiten Fläche wird gemessen. Die Daten werden dann kombiniert und um den Fehler des Pentaprismas korrigiert.
Ein spiegelndes Polygon wird auf den zu prüfenden Drehtisch oder Teilkopf gelegt. Eine Seite des Polygons wird rechtwinklig zur optischen Achse des Autokollimators ausgerichtet. Der Drehtisch wird auf Null gestellt. Der Drehtisch mit dem Polygon wird gedreht, bis die nächste Polygonseite rechtwinklig zum Autokollimator steht. Die Skalenteilung des Tisches wird mit dem erwarteten Winkel verglichen.
Die Referenzfläche wird auf den Autokollimator ausgerichtet. Der Autokollimator wird in dieser Position fixiert. Der Spiegel wird auf die nächste Fläche übertragen, die auf denselben Autokollimator ausgerichtet ist.
Nachdem das erste Lager auf den Autokollimator ausgerichtet ist, wird der Spiegel auf das nächste Lager übertragen. Die Abweichung von der Parallelität wird abgelesen und das Lager ausgerichtet.
Ein auf einem Prismenblock montierter Spiegel wird auf die ersten (Referenz-)Rollen gesetzt. Nach der Einstellung ist der Spiegel rechtwinklig zum Autokollimator. Die Referenzrolle ist nun entlang der X-Achse des Autokollimators ausgerichtet. Der Spiegel wird auf die nächsten Rollen übertragen und der Vorgang wird wiederholt. Zum Nivellieren der Rollen können zwei am Prisma montierte Wasserwaagen verwendet werden.
Messung optischer Parameter
An einem Ende des Autokollimatortubus sind zusätzliche Achromate angebracht. Das beleuchtete Bild des Autokollimators wird in die Brennebene des Achromaten projiziert. Dieses Bild wird vom Scheitelpunkt der Linse und dem Krümmungsmittelpunkt der Linsenoberfläche zurückgeworfen. Die lineare Verschiebung zwischen diesen beiden Positionen – wo ein scharfes Bild im Okular zu sehen ist – ergibt den Krümmungsradius.
Es können sowohl konkave als auch konvexe Flächen gemessen werden. Auch sphärische und zylindrische Oberflächen können gemessen werden. Bei konvexen Flächen muss die hintere Brennweite des Achromats länger sein als der zu prüfende Radius.
Für die Messung sehr langer Krümmungsradien können fokussierende Autokollimatoren mit ausziehbaren Rohren verwendet werden. Durch Herausziehen des Tubus mit dem Autokollimationskopf kann der Autokollimator auf den Scheitelpunkt und den Krümmungsmittelpunkt der Linse fokussiert werden. Da der nächstgelegene Fokuspunkt für einen fokussierenden Autokollimator in einigen Metern Entfernung liegt und die Fokussierung auf den Scheitelpunkt praktisch schwierig ist, wird folgende Konfiguration empfohlen:
Das zu prüfende Objektiv wird mit dem Scheitelpunkt in einem Abstand f von der Autokollimatorlinse positioniert.
(f ist die wirksame Brennweite EFL des Autokollimators). Nach der Fokussierung im Krümmungsmittelpunkt der Linse ergibt sich der Radius wie folgt:
R = f²/d
wobei d = Verschiebung des Auszugsrohrs, abgelesen an der Skala.
Das Anlagemaß, auch als Auflagemaß oder Flanschbrennweite bezeichnet, ist der Abstand zwischen der Auflagefläche des Objektivanschlusses und der Bildebene. Die Überprüfung und Einstellung dieses Abstands ist besonders bei Kameraobjektiven wichtig. Die Bildebene wird durch einen Spiegel ersetzt, der auf einer verstellbaren Vorrichtung montiert ist.
Für die Prüfung des Anlagemaßes wird ein Standard-Autokollimator (1) verwendet, wenn das zu prüfende Objektiv auf unendlich eingestellt ist. Für die Prüfung des Objektivs bei anderen Entfernungen als unendlich wird empfohlen:
- Achromaten, die am Autokollimator für kurze Entfernungen angebracht sind (2)
- ein fokussierender Autokollimator für unendliche und große Entfernungen (3)
Die normalerweise verwendete Strichplatte ist ein Siemensstern. Wenn das Fadenkreuz in der gegebenen Entfernung scharf zu sehen ist, ist das Kameraobjektiv richtig eingestellt. Abweichungen können mit einer verstellbaren Lehre gemessen und das Objektiv entsprechend eingestellt werden.
Autokollimatoren können für die Messung von Zentrierfehlern in Transmission (siehe Kollimatoranwendungen) oder in Reflexion verwendet werden:
Für die Messung in Reflexion werden zusätzliche Achromate am Autokollimator angebracht. Der Präzisions-Drehhalter ist mit einem Futter ausgestattet, das genau auf der Drehachse läuft. Die zu prüfende kugelförmige Oberfläche befindet sich auf der vorderen Fläche des Spannfutters und wird mit Hilfe einer kleinen Vakuumvorrichtung in Kontakt gehalten. Bei der Drehung reflektiert die zu prüfende Oberfläche das Bild des Fadenkreuzes. Dieses Bild beschreibt einen Kreis mit einem Durchmesser, dessen Größe der Dezentrierung abhängt.
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Unsere Autokollimatoren sind in der Produktgruppe OptiTest® zusammengefasst. Sie sind in folgenden Varianten erhältlich:
Weitwinkel Autokollimatoren
Autokollimatoren mit sehr großem Sichtfeld und fester Fokuseinstellung
Fokussierbare Weitwinkel Autokollimator
Autokollimatoren mit sehr großen Sichtfeld und variabler Fokusseinstellung
Knowledge Base
Autokollimator
Der Autokollimator kombiniert beide optischen System, den Kollimator und das Teleskop, in einem Instrument mit einem einzigen Objektiv. Die beiden Strahlengänge werden durch einen Strahlteiler getrennt. Der Autokollimator ist ein sehr empfindliches Winkelmessgerät und wird daher zur präzisen Winkeleinstellung von optischen oder maschinellen Bauteilen eingesetzt. Durch den kollimierten Strahl (Unendlich-Einstellung) sind die Messergebnisse unabhängig vom Abstand zum Messobjekt. Das Funktionsprinzip wird im Folgenden erläutert.
Die obige Darstellung zeigt einen schematischen Querschnitt durch einen Autokollimator. Die Kollimatorkomponenten, d. h. Lichtquelle und Kollimatorfadenkreuz, sind vertikal angeordnet, während die Teleskopkomponenten, d. h. Okularfadenkreuz und Okular, horizontal entlang der mechanischen Achse des Objektivtubus angeordnet sind. Die Strahlengänge werden über einen Strahlteiler zusammengeführt und teilen sich eine gemeinsame Objektivlinse.
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Funktionsprinzip
Die Autokollimation ist ein optisches Verfahren, bei dem eine beleuchtete Strichplatte auf unendlich projiziert und das Strichplattenbild nach Reflexion an einem flachen Spiegel empfangen wird. Das reflektierte Bild wird in den Brennpunkt des Objektivs gebracht, in dem sich die Strichplatte des Okulars befindet. Auf diese Weise können das reflektierte Bild des Kollimators (beleuchtete Strichplatte) und die Okularstrichplatte gleichzeitig beobachtet werden. Wenn der kollimierte Strahl auf einen Spiegel fällt, der senkrecht zur Strahlachse steht, wird das Licht auf demselben Weg reflektiert. Zwischen dem reflektierten Bild und der Strichplatte des Okulars, die übereinander liegen, findet keine Verschiebung statt.
Wird der Reflektor um einen Winkel α geneigt, wird der reflektierte Strahl um den doppelten Winkel abgelenkt, d. h. 2α. Das reflektierte Bild ist nun in Bezug auf da Okular seitlich verschoben. Der Betrag dieser Verschiebung d ist eine Funktion der Brennweite des Autokollimators und des Neigungswinkels des Reflektors: d=2 α f. (α im Bogenmaß) Der Neigungswinkel kann mit der folgenden Formel ermittelt werden:
α = d/2f
wobei f die effektive Brennweite EFL des Autokollimators ist. Da f eine Konstante des Autokollimators ist, kann die Strichplatte des Okulars in Winkeleinheiten eingeteilt und der Kippwinkel direkt abgelesen werden.
