Autokollimator erklärt: Prinzipien, Arten und Hauptvorteile

Was ist ein Autokollimator?

Der Autokollimator (oder Autokollimation) ist ein optisches Instrument zur Messung kleiner Winkelunterschiede, Änderungen oder Ablenkungen. Er wird auch zur Bestimmung von Geradheit, Ebenheit, Ausrichtung usw. verwendet.

Ein Autokollimator ist ein Gerät, das Optik nutzt, um kleine Winkeländerungen zu messen. Dieses Gerät ist extrem empfindlich gegenüber sehr kleinen Winkeländerungen und kann Winklabweichungen präzise messen. Im Wesentlichen handelt es sich um einen Kollimator und ein Unendlich-Fernrohr in einem. Autokollimatoren werden verwendet, um die verschiedenen Komponenten eines Systems auszurichten und ihre mechanischen oder optischen Ablenkungen zu messen.

Bestandteile eines Autokollimators

Sechs Bestandteile des Autokollimators sind:

• Lichtquelle
• Reflektierende Fläche
• Zerstreuungslinse
• Strahlteiler
• Zielgitter (Target Graticule)
• Mikrometermikroskop

1. Lichtquelle

Die Lichtquelle dient zur Erzeugung von Lichtstrahlen, damit diese den Reflektor erreichen.

2. Reflektierende Fläche

Sie ist die Fläche, die als Werkstück für den Autokollimator dient. Der Neigungswinkel dieser reflektierenden Fläche soll mit dem Autokollimator gemessen werden. Sie reflektiert die parallelen Lichtstrahlen, die durch das Objektiv hindurchtreten.

3. Zerstreuungslinse

Die Zerstreuungslinse, auch als Objektivlinse bekannt, dient dazu, die Lichtstrahlen, die durch den Strahlteiler kommen, zu parallelisieren, damit sie den Reflektor parallel erreichen.

4. Strahlteiler

Der Strahlteiler dient dazu, die Lichtstrahlen zu teilen und in Richtung der Objektivlinse zu lenken.

5. Zielgitter

Die reflektierten Lichtstrahlen erreichen dieses Zielgitter, und der Abstand zwischen einfallenden und reflektierten Strahlen wird in diesem Zielgitter nachverfolgt.

6. Mikrometermikroskop

Es dient dazu, die Einfalls- und Reflexionsstrahlpunkte im Zielgitter deutlich zu sehen und den Abstand zwischen ihnen zu messen.

Funktionsprinzip des Autokollimators

Es beinhaltet zwei optische Prinzipien:

1. Die Projektion und Empfang eines parallelen Lichtstrahls durch eine Linse,
2. Und die Richtungsänderung eines von einer ebenen Fläche reflektierten Strahls bei Änderung des Winkels der Fläche.

Wenn ein Lichtstrahl einer monochromatischen Lichtquelle auf einen Strahlablenker fällt, wird der Strahl um 90 Grad in Richtung der Sammellinse abgelenkt. Die Sammellinse parallelisiert die Strahlen und leitet sie zum Objekt oder zur reflektierenden Fläche.

Um den Lichtstrahl parallel zu halten, muss der Strahlablenker nahe am Brennpunkt der Sammellinse gehalten werden. Die parallelen Strahlen werden dann gerichtet, um eine reflektierende Fläche oder ein Objekt zu treffen. Wenn keine Winkelabweichungen auf der Objektfläche vorliegen, werden die Strahlen zurückreflektiert und verlaufen entlang desselben Pfades in entgegengesetzter Richtung, bis sie schließlich im Empfänger konvergieren, der sich im Brennabstand von der Sammellinse befindet. Wenn das Objekt unter einem Winkel geneigt ist, bildet der reflektierte Strahl einen Winkel von 2α Grad zum einfallenden Strahl.

Verständnis anhand eines Beispiels

Stellen Sie sich zunächst eine Sammellinse mit einer Punktlichtquelle O im Hauptbrennpunkt vor, wie in Abbildung (a). Wenn ein Lichtstrahl auf eine ebene reflektierende Fläche trifft, wird ein Teil des Strahls absorbiert und der andere Teil reflektiert. Wenn der Einfallswinkel null beträgt, d. h. die einfallenden Strahlen fallen senkrecht auf die reflektierende Fläche, kehren die reflektierten Strahlen den ursprünglichen Weg zurück, wie in Abbildung (a).

Wenn die Fläche unter einem anderen Winkel geneigt ist, beträgt der Gesamtwinkel, um den das Licht abgelenkt wird, das Doppelte des Winkels, um den der Spiegel geneigt ist, und wird in derselben Ebene wie die Lichtquelle, aber seitlich versetzt, fokussiert, wie in Abbildung (b). Offensichtlich gilt:

OO' = 2αf = x (sagen wir), wobei f die Brennweite der Linse ist.

Daher kann die Neigung der reflektierenden Fläche α durch Messen der linearen Distanz QO' (x) bestimmt werden.

Die Position des endgültigen Bildes hängt nicht von der Entfernung des Reflektors zur Linse ab. Das heißt, die Trennung x ist unabhängig von der Position des Reflektors zur Linse. Wenn der Reflektor jedoch zu weit bewegt wird, verfehlt der reflektierte Strahl die Linse vollständig und es wird kein Bild gebildet.

In der Praxis bildet die Werkstückoberfläche, deren Neigung bestimmt werden soll, die reflektierende Fläche, und die Verschiebung x wird mit einem Präzisionsmikroskop gemessen, das direkt auf die Neigungswerte Θ kalibriert ist.

Funktionsweise des Autokollimators

Im Autokollimator ist die reflektierende Fläche die Fläche, deren Neigung mit diesem Gerät gemessen werden soll. Ein Mikrometermikroskop wird verwendet, um den Abstand zwischen der Lichtquelle und dem reflektierten Strahl in der Brennebene zu messen.

Zuerst wird die Lichtquelle beleuchtet, und die Lichtstrahlen werden aus den Schnittpunkten der Kreuziellinien des Zielgitters extrahiert, das in der Brennebene des Objektivs platziert ist.

Anschließend erreicht ein Lichtstrahl den Strahlteiler, und der Strahlteiler leitet die Lichtstrahlen in Richtung des Objektivs.

Das Objektiv parallelisiert die Lichtstrahlen, und diese bewegen sich in Richtung des Reflektors.

Nun können zwei Fälle eintreten:

Fall 1: Der Reflektor ist senkrecht zum Lichtstrahl.

Wenn parallele Lichtstrahlen einen Reflektor erreichen, der senkrecht zu den Lichtstrahlen steht, werden die Lichtstrahlen auf ihren ursprünglichen Wegen zurückreflektiert. Diese Lichtstrahlen werden dann in der Ebene des Zielgitters am Schnittpunkt der Kreuziellinien des Gitters fokussiert. Da ein Teil des reflektierten Lichts direkt durch den Strahlteiler hindurchgeht, ist das Rückbild der Zielkreuziellinien durch das Okular sichtbar, sodass das Fernrohr so funktioniert, als wäre es auf Unendlich fokussiert.

Fall 2: Der Reflektor ist unter einem Winkel geneigt.

Wenn der Reflektor unter einem Winkel geneigt ist, reflektieren die parallelen Lichtstrahlen unter einem Winkel, der doppelt so groß ist wie der Neigungswinkel. Nach der Reflexion werden die Lichtstrahlen in der Ebene des Zielgitters fokussiert, aber linear vom Schnittpunkt der Kreuziellinien um eine Distanz von 2 × (Neigungswinkel) × (Brennweite des Objektivs) verschoben. Je nachdem, ob ein visueller oder digitaler Autokollimator verwendet wird, wird die lineare Verschiebung des Gitterbildes mithilfe eines Okulargitters und eines Mikrometermikroskops oder eines elektronischen Detektorsystems gemessen.

Die meisten Autokollimatoren sind so kalibriert, dass die gemessene Distanz nicht in den Neigungswinkel umgerechnet werden muss. Dies wird im Autokollimator umgerechnet, und der Neigungswinkel kann dort direkt abgelesen werden.

Die Brennweite und die effektive Öffnung eines Autokollimators sind die Faktoren, die seine grundlegende Empfindlichkeit und den winkelmessenden Bereich bestimmen.

Arten von Autokollimatoren

Es gibt hauptsächlich zwei Arten von Autokollimatoren:

1. Visueller Autokollimator

Beim visuellen Autokollimator wird der Neigungswinkel der reflektierenden Fläche durch Betrachten einer graduierten Skala durch ein Okular gemessen. Mit zunehmender Brennweite des visuellen Autokollimators nimmt die winkelmessende Auflösung zu, und das Gesichtsfeld nimmt ab.

2. Digitaler Autokollimator

Beim digitalen Autokollimator wird die Mikrometereinstellung für die Einstellung bereitgestellt, aber die Koinzidenz des Einstellgitters und des Zielbildes wird fotoelektrisch detektiert. Dieser Autokollimator wird im Labor eingesetzt. Er bietet sehr hohe Präzision, liefert Echtzeitmessungen und ist sehr benutzerfreundlich.

A. Elektronischer Autokollimator

Der elektronische Autokollimator ist ein High-End-Hochpräzisions-Winkelmessgerät, das kein optisches Okular enthält. Dieses Gerät kann kleine Winkelabweichungen auf Bruchteile einer Bogensekunde genau messen. Messen mit einem elektronischen Autokollimator ist schnell, einfach und präzise und meist die kostengünstigste Methode.

Diese hochempfindlichen Geräte werden weltweit in Werkstätten, Werkzeugräumen, Prüfabteilungen und Qualitätskontrolllabors eingesetzt, um kleine Winkelverschiebungen, Rechtwinkligkeit, Verdrehung und Parallelität mit extrem hoher Präzision zu berechnen.

B. Laser-Autokollimator

Heute, mit dem Aufkommen neuer Technologie, kann die Autokollimationsausrüstung so verbessert werden, dass direkte Messungen reflektierter Laserstrahlen ermöglicht werden. Diese einzigartige Funktion erlaubt die gleichzeitige Ausrichtung von Linsen, Spiegeln und Lasern.

Diese Technologiefusion aus jahrhundertealter Autokollimationstechnologie und moderner Lasertechnologie ergibt ein sehr vielseitiges Instrument, das in der Lage ist, Inter-Ausrichtung zwischen mehreren Sichtlinien, Laser in Bezug auf mechanische Referenzlinien, Ausrichtung verschiedener Bohrungen und Hohlräume, Messung der Parallelität mehrerer Walzen in Walzwerken, Laserdivergenzwinkel und räumliche Stabilität zu messen.

C. Hybrid-Autokollimator

Ein Autokollimator wurde vor mehreren Jahrzehnten als optisches Instrument für präzise, berührungslose Winkelmessungen erfunden. Seit seiner Einführung wird er umfangreich zur Ausrichtung von Winkeln und optischen Elementen eingesetzt. Jüngste Fortschritte in der Photonik haben Optik- und Laserausrichtung und -messung erforderlich gemacht, die die neue Hybridtechnologie adressiert.

Darüber hinaus fügt die moderne motorisierte Fokussiertechnologie durch Fokussierung auf den zu untersuchenden Bereich und Durchführung von Ausrichtungs- und Abweichungsmessungen in Mikrometern eine neue Messdimension hinzu. Diese multifunktionale, mehrprozessuale hybride optische Ausrüstung wird zur Messung hochintegrierter Systeme während der Montage sowie bei Endprüfung und -untersuchung eingesetzt.

Hybridtechnologien können den Anforderungen einer breiten Palette von Technologien gerecht werden, wie Laserausrichtung, räumliche Charakterisierung und Strahlprofiling mehrerer Einzelemitter. Dieses Analyseverfahren erzeugt winkelabhängige räumliche Auflösungsmuster von Lichtquellen in Bezug auf eine mechanische Referenzebene, was eine hervorragende Lösung für die präzise und schnelle Prüfung von VCSEL-Lasern darstellt.

Anwendungen des Autokollimators

1. Direkte Prüfung von Maschinenführungen.
2. Messung sehr kleiner Winkel.
3. Prüfung auf Ähnlichkeiten.
4. Prüfung der Säulenbasis.
5. Prüfung der Ebenheit von Maschinenbetten und Messtischen.
6. Messung sehr kleiner Verschiebungen.
7. Prüfung auf kleinere lineare Verschiebungen.

Vorteile des Autokollimators

• Sehr hohe Genauigkeit.
• Kann einen weiten Winkelbereich messen.
• Sehr einfach zu installieren und zu bedienen.
• Kalibrierung, die internationale Standards übertrifft.
• Kann zur visuellen oder elektronischen Ergebnisanzeige verwendet werden, d. h. auf dem Bildschirm.
• Große Auswahl an verfügbarem Zubehör und Nivellieren.

Nachteile des Autokollimators

• Regelmäßige Wartung erforderlich.
• Zeitaufwendig.
• Erfordert Probenzuschnitt und -verarbeitung für die Detektorverfolgung.

Wir haben versucht, alle Themen im Zusammenhang mit dem Autokollimator abzudecken, von der Definition bis zu Vorteilen, Nachteilen, Arten und Funktionsprinzip. Wenn Ihnen der Artikel gefallen hat, teilen Sie ihn bitte mit Ihren Freunden.

Häufig gestellte Fragen

Was ist die Autokollimationsmethode?

Bei der Autokollimation verlässt ein kollimierter Strahl (paralleler Lichtstrahlen) ein optisches System und wird durch einen Planspiegel in dieses zurückreflektiert. Sie wird verwendet, um die geringen Kippwinkel des Spiegels zu bestimmen.

Wer hat den Autokollimator erfunden?

Der erste Nikon Autokollimator wurde 1942 gebaut.

1942 vollendete Nikon (damals bekannt als Nippon Kogaku K.K.) die Arbeit an einem Autokollimator, der Messwerte mit einer Genauigkeit von einer Bogenminute lieferte.