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Photometrisches Gerät zur Messung oder Prüfung des Rückstrahlvermögens
Bei der Messung oder Prüfung des Rückstrahivermögens lichtzerstreuender Körper,
die sich nicht wie ideale Lambertsche Strahler verhalten, also eine mehr oder minder
stark gerichtete Rückstrahlung besitzen, ist es notwendig, sowohl die Anstrahlung
als auch die Messung der Rückstrahlung unter festgelegten Bedingungen erfolgen zu
lassen.
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Insbesondere bei stark gerichtet rückstrahlenden Lichtbildschirmen,
Rückstrahlern (Katzenaugen), glänzenden Anstrichen u. dgl. dürfen die Öffnungswinkel
weder der ausstrahlenden noch der zur Messung gelangenden zurückgestrahlten Lichtbündel
ein gewisses Maß überschreiten.
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Es ist bereits ein photometrisches Gerät bekannt, bei dem die Messung
in der Richtung der -Ausstrahlung oder in einer nicht sehr davon abweichenden Richtung
erfolgt und bei dem die Strahlen sowohl der anstrahlenden wie der zur Messung gelangenden
Lichtröhre gegeneinander nur sehr kleine Winkel einschließen (s. Handbuch der Lichttechnik
von Sewig, 2. Teil, I938, S. 954). Bei diesem Gerät werden die-zu prüfenden Rückstrahler
mit einer starken Lichtquelle geringer Ausdehnung aus einer mehrere Meter betragenden
Entfernung angestrahlt, und das Photometer wird in annähernd der gleichen Entfernung
aufgestellt. Der Hauptnachteil dieser bekannten Anordnung ist in dem außerordentlich
großen Platzbedarf zu erblicken.
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Die Erfindung bezieht sich auf ein photometrisches Gerät, mit dem
rückstrahlende Körper mit sehr großer Genauigkeit photometriert werden können und
bei dem die Nachteile der bekannten Anordnung vermieden sind.
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Erfindungsgemäß werden bei einem photometrischen Gerät, bei dem nach
dem obenenvähnten Autokollimationsverfahren gearbeitet wird, zwischen den rückstrahlenden
Körper und den Empfänger sowie zwischen den rückstrahlenden Körper und die ihn anstrahlende
Lichtquelle ein oder mehrere optische Systeme eingeschaltet, welche die genannten
Teile virtuell in eine größere gegenseitige Entfernung projizieren, als ihre
wirkliche
Entfernung voneinander beträgt.
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Weitere Verbesserungen und Ausgestaltungen bilden den Inhalt der Ansprüche
2 bis S.
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Die einfachste Anordnung des neuen photometrischen Geräts ergibt
sich, wenn man nach Abb. 1 vor den zu messenden rückstrahlenden Körper 1, z. B.
einen Rückstrahler (Tretstrahler), eine Linse 2 bringt. welche die Lichtquelle 3
in der erforderlichen großen Entfernung von einigen Metern bei 4 virtuell abbildet.
Damit dieses Bild ebenso groß ist wie die sonst bei 4 unmittelbar aufzustellende
Lichtquelle, wird die Lichtquelle j entsprechend kleiner gewählt, oder man stellt
bei 3 eine kleine Blende auf, auf der die Lichtquelle abgebildet und durch die sie
auf die der gewünschten Bildgröße bei 4 entsprechende Größe abgeblendet wird. Der
Rückstrahler I wird demnach von der gleichen Lichtröhre getroffen wie sonst bei
Anleuchtung aus großer Entfernung mit einer Lichtquelle vom Durchmesser des Blendenbildes
4, nur daß jetzt der größere Teil der Lichtröhre virtuell ist. Das gleiche gilt
nun fiir die Ausstrahlung (Rück strahlung). Damit in Autokollimation. gemessen werden
kann, ist in den Strahlengang in an sich bekannter Weise ein halbdurclilässiger
Spiegel 5 eingeschaltet, der den Rückstrahler I und die Linse 2 bei I' und 2' virtuell
abbildet. Die vom Rückstrahler , also auch von seinem virtuellen Bild I' ausgehende
Lichtröhre wird dadurch begrenzt, daß der als Blende dargestellte Empfänger bei
6 in solcher Entfernung von der Linse 2 bzw. ihrem Bild 2' angebracht wird und eine
so geringe Größe erhält, daß er in der sonst angewandten großen Meßentfernung bei
7 virtuell abgebildet wird, und zwar in der gleichen Größe, die man sonst einem
bei 7 aufzustellenden Empfänger mit Rücksicht auf die gewünschte Reinheit der Messung
geben würde.
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Bei objektiven Empfängern, wie Photo zellen, und nicht allzu hohen
Ansprüchen an die Sauberkeit des Strahlenganges genügt es, bei 6 eine entsprechend
kleine Blende anzubringen und den Empfänger unmittelbar dahinter zu stellen. Bei
visuellen Photometern dagegen muß bei 6 das Scheideprisma stehen, das aber bei dieser
einfachen Anordnung wegen der verhältnismäßig geringen Brennweite der Linse 2 außerordentlich
klein gemacht werden muß. Ferner ist es bei Photometern, die in Durchsicht arbeiten,
erforderlich, daß die von den einzelnen Punkten des zu messenden Körpers I ausgehenden
Strahlenbündel das Scheideprisma telezentrisch durchsetzen, damit bei jeder Einstellung
des Okularrohres das durch die Okularlinse entworfene Bild des Körpers I unverändert
in der Blendenöffnung des Okulardeckels liegenbleibt. Aus diesem Grunde muß im Falle
der Verwendung einer visuellen Photometriereinrichtung der zu messende Körper 1
in die Objektbrennebene der Linse 2 gestellt werden, Es hat sich nun gezeigt, daß
auch bei kleinen Ausmaßen der Anordnung allen erforderlichen Bedingungen Genüge
geleistet werden kann, wenn mindestens das zwischen den zu messenden Körper und
den Empfänger eingeschaltete optische System aus mindestens drei in endlichem Abstand
voneinander stehenden Teilsystemen zusammengesetzt wird. Zur Ausstrahlung kann ein
gleichartig aufgebautes System Verwendung finden; meist genügt hier aber auch schon
ein aus nur zwei Teilsystemen bestehendes, unter günstigen Konstruktionsbedingungen
llnd bei geeigneter Lichtquelle bisweilen sogar schon ein einzelnes.
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Um die Öffnungsverhältuisse der Teilsysteme bei gegebenem Abstand
zwischen rückstrahlende, Körper und Empfänger möglichst klein zu halten, ist es
zweckmäßig, das erste und letzte Teilsystem möglichst nahe an dem rückstrahlenden
Körper bzw. an dem Empfänger anzuordnen. Die Brennweiten der Teilsysteme können
so gewährt werden, daß einerseits der Objektbrennpunkt des Gesamtsystems mit dem
rückstrahlenden Körper zusammenfällt, damit der Empfänger von telezentrischen Ohj
ektstrahlenbündeln durchsetzt wird, und daß andererseits der Empfänger virtuell
in der gewünschten großen Meßentfernung in der gewünschten Größe abgebildet wird,
so daß die von dem zu messenden Körper ausstrahlende Lichtröhre die gleiche ist
wie bei einer Messung aus großer Entfernung. Iniolgedessen sind auch bei stark gerichtet
rückstrahlenden Körpern die Meßergebnisse in beiden Fällen die gleichen.
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Sieht man von der Forderung ab, daß die Lichtröhren für die Anstrahlung
und die Rückstrahlung streng genau die gleichen sein sollen wie bei Anstrahlung
und Messung aus der üblichen großen, aber endlichen Entfernung und verlangt man
nur, daß die An-und Ausstrahlungswinkel einen bestimmten kleinen Wert nicht überschreiten
sollen, so ist es zweckmäßiger, die Brennweiten und Abstände der Teilsysteme so
zu wählen, daß Wieder einerseits die Objektbrennebene des Gesaintsystenis mit dem
rückstrahlenden Körper, andererseits aber die Bildbrennebene mit der Empfängerblende
zusammenfällt, und in entsprechender Weise das der Anstrahlung dienende optische
System so zu bemessen, daß dessen Objektbrennpunkt mit der Lichtquelle oder einer
sie ersetzenden Blende zusammenfällt. Man erreicht auf diese Weise den Vorteil,
daß
sämtliche Punkte des rückstrahlenden Körpers voneinander gleichen und gleichgerichteten
Lichtbündeln angestrahlt werden und daß auch für jeden Punkt desselben nur unter
sich genau gleiche und gleichgerichtete Lichtbündel zur Messung gelangen.
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Die Brennweiten, die den beiden Gesamtsystemen zu geben sind, sind
durch die Größe der Lichtquelle bzw. des Empfängers und die gewünschten tfflnungswinkel
der anstrahlenden bzw. ausstrahlenden Lichtbündel bestimmt. Setzt man das Gesamtsystem
aus drei Teilsystemen zuammen, so erhalten die beiden äußeren Teilsysteme unter
den obigen Voraussetzungen positive Brennweiten. Dem mittleren Teilsystem kann man
sowohl positive als auch negative Brennweite geben; im ersteren Fall erhält dann
das Gesamtsystem eine negative Brennweite, im zweiten Fall eine positive. Das Gesamtsystem
kann aber auch aus mehr als drei Teilsystemen zusammengesetzt werden.
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Das Gesamtsystem kann auch als teleskopisches ausgebildet werden.
Dann kann aber die virtuelle Lichtröhre zwischen rückstrahlendem Körper und Bild
der Empfänger blende bzw. zwischen Empfängerblende und Bild des rückstrahlenden
Körpers nur eine endliche Länge erhalten. Als Zwischensystem kommt in diesem Fall
praktisch nur ein solches positiver Brennweite in Betracht.
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Durch passende Wahl der Stärke des Zwischensystems läßt sich das die
Empfängerblende anstrahlende Bild des zu messenden Körpers beliebig weit, jedoch
nur in endliche Entfernung zurückverlegen.
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Eine Ausführungsform der Optik eines Gerätes nach der Erfindung mit
einem dreifachen optischen System zwischen dem zu messenden rückstrahlenden Körper
und dem Empfänger ist in Abb. 2 dargestellt. Der zu messende Körper ist mit 8 bezeichnet
und beispielsweise als Tripelprismenrückstrahler dargestellt. Das von ihm ausgestrahlte
Licht wird durch die drei TeilsystemeLl, L2 und L3 über den halbdurchlässigen Spiegel
9 der Blende 10 des Empfängers zugeleitet. Der Einfachheit halber sind die Teilsysteme
nur durch ihre zusammenfallend gezeichneten Hauptebenen angedeutet. Wählt man als
Empfänger ein visuelles Photometer, so ware die Blende 10 dessen Gesichtsfeldblende,
die praktisch mit der Ebene der Trennungslinie des Scheideprismas zusammenfallend
gedacht werden kann. Der Objektbrennpunkt F des dreifachen Gesamtsystems liegt in
der Ebene des Rückstrahlers 8. Infolgedessen gehen alle von den einzelnen Punkten
des Rückstrahlers ausstrahlenden Lichtbündel, von denen nur das von F ausgehende.
gezeichnet ist, durch die Blende 10 als telezentrische Bündel hindurch. Der Bildbrennpunkt
F' liegt in der Ebene der Blende I0, so daß für jeden Punkt des Rückstrahlers nur
solche Strahlenbündel zur Messung gelangen, deren Symmetrieachsen senkrecht aus
der Ebene des Rückstrahlers austreten. In der Abb. 2 sind nur die Achsen der von
den beiden äußersten Rändern des Rückstrahlers herkommenden Lichtbündel eingezeichnet.
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Die Konstruktionsdaten des dreifachen Systems sind bei diesem Ausführungsbeispi
l die folgenden: Gesamtbrennweite ............................. f' = + 2000 mm Brennweite
des Teilsystems L1 ................. f1' = + 259,0 mm - . - - L2 ............. f2'
= - 30,3 mm - - - L3 --------------- f3' = + 229,3mm Abstand zwischen den entsprechenden
Hauptebenen der Teilsysteme L1 und L2:e = 234,2r mm, Abstand zwischen den entsprechenden
Hauptebenen der Teilsysteme L2 und L3 : c2 = 202,3 mm, Abstand der Objektbrennebene
F von der Objekthauptebene des Teilsystems L1 = -9,3 mm, Abstand der Bildebene F'
von der Bildhauptebene des Teilsystems L3 = 1- 25,9 mm. Ausgeleuchtete Öffnung des
Teilsystems L1 ................ 40,0 mm - - - - L2 ............... 5,0 mm - - -
- L5 ............... 10,5 mm Durchmesser der Blende 10 ..............................
10,0 mm In Abb. 2 sind alle Durchmesser im Verhältnis zu den axialen Entfernungen
verdoppelt gezeichnet.
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Die Anordnung des Teilsystems L1 zwischen Rückstrahler 8 und halbdurchlässigem
Spiegel 9 bietet, abgesehen von der Raumersparnis, den Vorteil, daß dieses System
gleichzeitig auch zur Anstrahlung benützt werden kann. Zu diesem Zweck ist jenseits
des halbdurchlässigen Spiegels 9 in der Brennebene des Systems, eine von der Lichtquelle
zu beleuchtende Blende II von
2,0 mm Durchmesser angeordnet, an
deren Stelle man auch unmittelbar eine Lichtquelle von gleich geringer Ausdehnung
setzen kann.
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Zur Vermeidung störenden, an dem System L, gespiegelten Nebenlichtes
ist es zweckmäßig. das Systeme, so weit zu verkanten, daß alle an ihm reflektierten
Strahlen außerhalb der Öffnung des Systems L2 fallen.
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Ein Ausführungsbeispiel für den Aufbau eines vollständigen Photometers
unter Verwendung einer Optik ähnlich der vorstehend beschriebenen zeigt Abb. 3.
Zwecks bequemer und schneller Bedienung ist das Gerät vertikal angeordnet, so daß
der zu messende Körper 12, der beispielsweise wieder als Tripelprismenrückstrahler
gezeichnet ist, nur lose von oben auf den mit einer Öffnung versehenen Tisch 13
aufgelegt zu werden braucht. Darunter befindet sich eine Linse 14, die dem Teilsystem
L1 der Abb. 2 ent spricht; zur Vermeidung falschen Lichtes ist sie etwas verkantet.
Die Anstrahlung erfolgt durch eine Glühlampe mit kleinem Leuchtkörper 15 durch die
halbdurchlässigen Spiegel I6 und I7 hindurch und über den vollständig reflektierenden
Spiegel I8. Das zurückgestrahlte Licht wird von dem halbdurchlässigen Spiegel 17
nach oben reflektiert und fällt durch die Negativlinse 19 und die Positivlinse 20
auf den Photometerwürfel 21. Da das aus den Linsen I4, 19 und 20 bestehende Gesamtsystem
so berechnet ist, daß sein Objektbrennpunkt in der Oberfläche des Tisches I3 liegt,
so wird der Rückstrahler durch den Photometerwürfel 21 hindurch ins Unendliche projiziert.
Die Betrachtung der Photometerfelder erfolgt mittels der einstellbaren Hupe22, in
deren Bildbrennebene in der bei Photometern üblichen Weise eine Blende 23 angebracht
ist; infolgedessen entsteht in dieser unabhängig von der jeweiligen Fokussierung
stets ein kleines, scharfes Bild des Rückstrahlers.
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Die zur Messung oder Prüfung des Rückstrahlvermögens erforderliche
Vergleichshelligkeit wird dadurch gewonnen, daß von dem nach dem Rückstrahler hin
ausgestrahlten Licht durch den durchlässigen Spiegel 16 ein Teil nach oben abgezweigt
und auf die Opalglasplatte 24 geworfen wird.
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Diese wird in ihrer untersten Stellung über den Spiegel 25 durch die
Linse 26 ins Unendliche abgebildet und durch das durchsichtige Feld des Photometerwürfels
2I hindurch durch die Lupe 22 gleichfalls auf der Blende 23 abgebildet. Die Einstellung
der Vergleichshelligkeit erfolgt in bekannter Weise durch Verschiebung der Opalglasplatte
zwischen 24 und 24'. Statt dieser können auch andere bekannte Schwächungsvorrichtungen
angewandt werden, z. B. eine verstellbare Blende, durch die ein innen weißer Hohikörper
mit veränderlicher Helligkeit beleuchtet wird.
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Bei Rückstrahlern ist es besonders wichtig, auch in Richtungen messen
zu können, die von der Anstrahlungsrichtung bis zu einigen Graden abweichen. Um
dieser Forderung zu genügen, wird bei dem vorstehend beschriebeinen Gerät ein den
Rückstrahler in der voll Fall zu Fall verlangten Richtung verlassendes Liditbündel
ausgesondert und vor dem Eintritt in den Photometerwürfel wieder mit der optischen
Achse zum Zusammenfallen gebracht, so daß wieder sowohl das Photometerfeld voll
ausgeleuchtet wird als auch ein Bild des Rückstrahlers in der Öffnung der Okularblende
23 entsteht. Zu diesem Zweck mur die Achse des schief austretenden Bündels zweimal
geknickt werden; das erstemal, um sie wieder zur ursprünglichen optischen Achse
hinzulenken und mit ihr zum Schnitt zu bringen, das zweitemal an diesem Schnittpunkt
selbst, um sie wieder mit der ursprünglichen Achse zusammenfallen zu lassen.
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Gemäß einem weiteren Erfindungsgedenken wird diese Aufgabe dadurch
gelöst, daß die vorhandenen optischen Mittel derart verschwenkbar und/oder verschiebbar
angeordnet werden, daß die Achse des zur Messung ausgewählten schiefen Lichtbündels
wieder mit der ursprünglichen, durch den Photometerwürfel gehenden optischen Achse
zusammenfällt. Zur Lösung dieser Aufgabe können beispielsweise die beiden Linsen
19 und 20 in bestimmtem Verhältnis zueinander dezentriert werden, wobei sie außer
ihrer abbildenden Wirkung je nach dem Grad ihrer Verschiebung gewissermaßen noch
die Wirkung von Keilen variabler Ablenkung übernehmen. Wegen der stärkeren optischen
Beanspruchung müssen sie dann auch für diese dezentrierten Stellungen ganz besonders
korrigiert werden. Auch können verschiedenartige ablenkende Mittel miteinander kombi
niert werden, so z. B. eine Verschwenkung des Spiegels I7 mit einer Verschiebung
des Nega -tivsystems 19. Auch ist es möglich, den Spiegel 17 zu verschwenken und
gleichzeitig zu verschieben und die dabei auftretende Änderung der Länge des Lichtweges
durch eine Längsverschiebung der Systeme Ig und 20 wieder zu kompensieren. In allen
Fällen ist es. zweckmäßig, die erforderlichen Bewegungen mechanisch miteinander
zu kuppeln.
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Statt die vorhandenen optischen Teile zur Lösung der genannten Aufgabe
heranzuziehen. können auch ablenkende Mittel zusätzlich an zwei verschiedienen Stellen
des Rückstrahlungsstrahlenganges eingeschaltet werden, wie bei spielsweise Glaskeile
fester oder veränderlicher Ablenkung u. dgl.
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Da natürlich auch verlangt wird, den Rückstrahler geneigt gegen die
Anstrahlungsrichtung zu prüfen, ist die den Rückstrahler tragende Platte I3 neigbar
ausgeführt.
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Um auch die Farbrichtigkeit des Rückstrahlers prüfen zu können, ist
im Vergleichsstrahlengang ein Wechsler mit verschiedenen Farbgläsern eingeschaltet.
Diese Farbgläser sindbeispielsweise.durchAufkitten von Graufiltern auf gleiche visuelle
Helligkeiten abgestimmt, so daß bei ihrem Wechsel wohl die Farbe des Vergleichslichtes,
nicht aber seine Helligkeit geändert wird.
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Soll das Gerät nach der Erfindung nicht zur visuellen, sondern zur
objektiven Messung oder Prüfung verwendet werden, so tritt, wie in Abb. 4 dargestellt,
an die Stelle des Photometerwürfels 21 eine Vorrichtung, die abwechselnd das vom
Rückstrahler herkommende Licht und das Vergleichslicht auf eine Photozelle leitet.
Diese Vorrichtung kann beispielsweise ein rotierender Spiegelsektor 28 mit der Drehachse
29 sein. Die Linse 22 kann dann dicht an der Blende 27 stehen. Um eine gleichmäßige
und definierte Ausleuchtung der Photokathode zu erzielen, wird vor oder hinter der
Blende 23 eine weitere Linse 30 angebracht, welche die Blende 27 scharf auf der
Photokathode 3I abbildet. Diese Einrichtung zur objektiven Messung und Prüfung entspricht
bezüglich der Optik und des Strahlenganges bei Anstrahlung und Rückstrahlung der
Anordnung nach Abb. I, und zwar für unendlich große virtuelle Anstrahlungs- und
Meßentfiernung, bezüglich des Zusammenbaues mit einem Vergleichsstrahlengang der
Anordnung nach Abb. 3. Entsprechende Teile in Abb. 4 sind deshalb mit den gleichen
Ziffern, wie in Abb. I bzw. 3 bezeichnet.
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Anstatt Rückstrahlungs- und Vergleichsstrahlengang in ein und dieselbe
Richtung zu leiten und auf dieselbe Photozelle fallen zu lassen, kann man auch auf
ablenkende Mittel an der Kreuzungsstelle der beiden Strahlengänge verzichten und
die beiden Lichtströme auf zwei getrennte Photozellen leiten.