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Verfahren zum Herstellen eines spannungsoptischen Prüfelementes
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines spannungsoptischen Prüfelementes aus einem Material, das eine dauernde, über seine Fläche abgestufte Vorspannung aufweist und dadurch doppelt brechend ist.
Es ist bereits bekannt, dass Spannungen auch in optisch isotropen Materialien erhalten bleiben und in diesen eine Doppelbrechung hervorrufen, wenn die Abkühlung dieser Stoffe von der Schmelztemperatur nicht unter besonderen Vorsichtsmassnahmen, insbesondere mit ganz geringer Geschwindigkeit, erfolgt. Dieser Umstand macht die Herstellung absolut spannungsfreier optischer Gläser sehr schwierig und ist die Ursache unerwünschter Schlierenbildung.
Aufgabe der Erfindung ist unter Ausnützung des dargestellten bekannten Effektes die Schaffung eines Materials, bei welchem der eine Hauptbrechungsindex n eine definierte Funktion n (x) des Ortes ist. Erreicht wird dies dadurch, dass als Ausgangsmaterial ein plattenförmiger Rohling mit an allen Stellen gleicher Dicke dient, dass dieser Rohling zunächst auf eine dem Material des Rohlings entsprechende Erweichungs-bzw. Hochelastizitätstemperatur erwärmt wird, dass hierauf unter Aufrechterhaltung dieser Temperatur der Rohling verschiedenen, über seine Flächen abgestuften Belastungskräften ausgesetzt wird und dass schliesslich der Rohling bis unter die genannte Temperatur abgekühlt wird, unter Aufrechterhaltung der Belastungskräfte bis nach Unterschreitung der genannten Temperatur.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung. Auf der Zeichnung sind mehrere Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, u. zw. zeigen Fig. 1 eine Ausführungsform einer Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens in perspektivischer Darstellung sowie mit strichliert angedeutetem örtlichem Verlauf des einen Hauptbrechungsindex, Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform einer Anordnung zur Ausübung des erfindungsgemässen Verfahrens in Seitenansicht, Fig. 3 eine Ausführungsform eines nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten spannungsoptischen Prüfelementes, Fig. 4 ein Anwendungsbeispiel für ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes spannungsoptisches Prüfelement bei einem Belastungsmesser und Fig.
4a, 4b und 4c den Belastungsmesser von Fig. 4 in Draufsicht und bei verschiedenartigen Belastungen.
Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist ein plattenförmiger Rohling 1 von trapezförmigem Zuschnitt an seinen beiden parallelen Kanten mit Schienen 2 und 3 von U-förmigem Profil eingefasst. Diese Schienen dienen zur gleichmässigen Verteilung von in einem Punkt angreifenden Kräften auf den gesamten Rohling.
Die Platte 1 weist an allen Stellen gleiche Dicke auf und besteht vorzugsweise aus heisshärtenden polymerisierbaren Kunststoffen.
Zunächst wird erfindungsgemäss der Rohling 1 auf eine dem Material entsprechende Erweichungsbzw. Hochelastizitätstemperatur erwärmt und danach Belastungskräften ausgesetzt, welche an den Schienen 2 und 3 angreifen und senkrecht zu diesen gerichtet sind. Durch die unterschiedliche Länge der bei- ien parallellaufenden Kanten des Rohlings 1 wird hiebei der Rohling verschiedenen über seine Fläche abgestuften Belastungskräften ausgesetzt. Schliesslich wird der Rohling unter Aufrechterhaltung der Bela- ; tungskräfte unter seine Hochelastizitätstemperatur abgekühlt. Die während des Erhitzens eingeprägte Voripannung wird dadurch fixiert.
Als Folge der Behandlung ergibt sich ein gewisser örtlicher Verlauf des einen Hauptbrechungsindex n, lessen Grösse in Fig. 1 auf der z-Achse eines räumlichen Koordinatensystems x y z ablesbar ist. Da bei lern dargestellten Ausführungsbeispiel eine Vorspannung nur in der x-Richtung erfolgte, ist der Brechungs-
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index n auch nur in dieser Richtung ortsveränderlich, in der y-Richtung hingegen konstant. Der Brechungs- index n ist also eine Funktion n (x), welche im wesentlichen linear ist.
Zur Verwendung in einem spannungsoptischen Messgerät kann man aus dem Rohling nach erfolgter
Behandlung rechteckige Stücke a b c d ausschneiden.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 ist ein plattenförmiger Rohling 4 von rechteckigem Zuschnitt an zwei parallelen Kanten von Schienen 5 und 6 eingefasst. An einem Ende ist die Schiene 5 mittels eines Sei- les 7 in einem Gehäuse 8 aufgehängt, während das dem Seil 7 gegenüberliegende Ende der Schiene 6 mit einem Gewicht 9 belastet ist. Zur Vorspannung werden heisse Gase oder Flüssigkeiten durch das Gehäuse 8 geführt, welche den Rohling über seine Hochelastizitätstemperatur erwärmen ; danach schliesst sich unter
Fortdauer der Belastung eine Abkühlung an. Die weitere Verarbeitung erfolgt, wie im Zusammenhang mit Fig. 1 bereits beschrieben.
Während bei den Ausführungsbeispielen nach Fig. 1 und 2 der Gradient des Brechungsindex n parallel zur x-Achse verläuft, ist es auch möglich, Prüfelemente herzustellen, bei denen der Gradient des Brechungsindex n normal zu dem Umfang einer Kreisscheibe verläuft, wobei sich der Brechungsindex längs des Kreisradius ändert. In Fig. 3 ist ein derartiges Element 15 dargestellt, welches während des Erhitzens sowie des nachfolgenden Abkühlens in konstante Drehung versetzt wird. Durch die Abhängigkeit der Zentrifugalkraft vom jeweiligen Radius ergeben sich hiebei unterschiedliche Verspannungen in den verschiedenen Radialbereichen der Kreisscheibe 15.
Das gleiche Ergebnis lässt sich auch dadurch erreichen, dass ein kreisförmiger Rohling längs seines Umfanges starr eingespannt ist und während Erhitzung auf Erweichungs- bzw. Hochelastizitätstemperatur durch einen bezüglich Richtung, Menge und Geschwindigkeit konstanten Luftstrom oder hydrostatisch ausgeübten Druck gegen seine Oberfläche belastet wird.
Bei dem in Fig. 4 dargestellten Messinstrument ist auf der Oberfläche eines zu beobachtenden Werkstückes 16 unter Zwischenschaltung einer Haftschicht 18 ein nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestelltes Prüfelement 17 mit einem ortsabhängigen Hauptbrechungsindex n aufgesetzt. Auf dem Prüfelement 17 liegt eine A/4-Platte 21 und auf letzterer wieder eine Polarisationsfolie 20 aus dichroitischem Material. Die der Haftschicht zugewendete Oberfläche des Werkstückes 16 ist entweder verspiegelt oder von vornherein blank.
Beim Auftreffen von monochromatischem Licht senkrecht zur Oberfläche der Polarisationsfolie 20 gelangt linear polarisiertes Licht auf die A/4-Platte 21, durch welche der Polarisationsvektor um Tr/4 verdreht wird. Lässt man die beim doppelten Durchlaufen der Platte 17 und der Schicht 18 infolge Reflexion an der Oberfläche des Werkstückes 16 wirksame optische Weglänge ausser Betracht, so wird der Polarisationsvektor des austretenden Strahles durch die A/4-Platte 21 nochmals um Tr/4 gedreht und gelangt um insgesamt T/2 verdreht zu der inneren Oberfläche der Polarisationsfolie 20. Da der wieder auf die Polarisationsfolie 20 auftreffende reflektierte Strahl hinsichtlich seines Polarisationsvektors um 900 gegenüber dem von der Polarisationsfolie durchgelassenen Vektor verdreht ist, gelangt kein Licht nach aussen.
Zieht man jedoch die optische Weglänge des nach dem erfindungsgemässen Verfahren hergestellten Prüfelemen- tes 17 in Betracht, so erfährt der Polarisationsvektor des reflektierten austretenden Strahles beim Auftreffen auf die Polarisationsfolie 20 eine Verdrehung um einen Winkel > Tr/2. Da der Brechungsindex n und damit die optische Weglänge eine Ortsfunktion ist, welche sich in Fig. 4 beispielsweise in Richtung von oben nach unten ändert, entstehen kontinuierlich verlaufende äquidistante Streifen, welche am Anfang dunkel sind und kontinuierlich heller werden, bis sich infolge Verdrehung des Polarisationsvektors um ein Vielfaches von T/2 ein weiterer Streifen anschliesst.
Legt man gemäss Fig. 4a auf die Polarisationsfolie 20 einen transparenten Massstab 22, so erreichen beispielsweise an den Stellen 23 die Streifen des reflektierten, wieder austretenden Lichtes maximale Helligkeit.
Lässt man gemäss Fig. 4b auf das Werkstück 16 beidseitig in Pfeilrichtung Kräfte 24 einwirken, so wird das Prüfelement 17 deformiert, wobei sich der örtliche Verlauf des einen Hauptbrechungsindex n ändert. Dementsprechend verschieben sich die Stellen maximaler Helligkeit des reflektierten Lichtes beispielsweise nach unten, entsprechend den Bezugsziffern 25 von Fig. 4b. Der Abstand der Stellen 23 und 25 voneinander ist ein Mass für die auf den Prüfling 16 wirkenden Kräfte.
Bei schrägem Angreifen von Kräften in Richtung der Pfeile 26 von Fig. 4c erfolgt eine Verzerrung der Helligkeitsstreifen in der durch die Bezugsziffern 26 angegebenen Weise.
An Stelle von monochromatischem Licht kann auch polychromatisches Licht eingestrahlt werden. In diesem- Falle orientiert man sich an den Abständen periodisch auftretender Streifen von gleicher Farbe bzw. Wellenlänge.
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Wie aus dem in Fig. 4 gezeigten Anwendungsbeispiel für ein erfindungsgemäss hergestelltes Prüfele- ment ersichtlich ist, kann dessen Anbringung ohne besondere Schwierigkeiten an beliebigen Prüflinge aus durchsichtigem oder undurchsichtigem Material erfolgen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Verfahren zum Herstellen eines spannungsoptischen Prüfelementes aus einem Material, das eine dauernde, über seine Fläche abgestufte Vorspannung aufweist und dadurch doppelbrechend ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Ausgangsmaterial ein plattenförmiger Rohling mit an allen Stellen gleicher Dikke dient, dass dieser Rohling zunächst auf eine" dem Material des Rohlings entsprechende Erweichungsbzw. Hochelastizitätstemperatur erwärmt wird, dass hierauf unter Aufrechterhaltung dieser Temperatur der Rohling verschiedenen, über seine Fläche abgestuften Belastungskräften ausgesetzt wird und dass schliesslich der Rohling bis unter die genannte Temperatur abgekühlt wird, unter Aufrechterhaltung der Belastungskräfte bis nach Unterschreitung der genannten Temperatur.