Probeglas- Herstellung


Probeglas- Herstellung

Allgemein

Das Probeglas dient zur vergleichsweisen Messung der Krümmung oder Ebenheit polierter Glas- oder Metallflächen

Seine Wirkungsweise beruht auf der Erscheinung der "Newtonschen Ringe", die in der Auf- und Durchsicht zu sehen sind, wen man zwei polierte Glasplatten aufeinander legt, deren Flächen nur unwesentlich voneinander abweichen. Frauenhofer benutzte diese Erscheinung als erster zu Meßzwecken an optischen Flächen und schuf damit das heute dem Optiker unentbehrliche Probeglas

Die Newtonschen Ringe sind "Farben dünner Blättchen", die sich aus der Wellennatur des Lichtes erklären.

Sendet man auf ein sehr dünnes , von spiegelnden Flächen begrenztes Blättchen ein Lichtstrahl, so wird er an der oberen sowie an der unteren Fläche teilweise reflektiert. Das an der oberen Fläche reflektierte Licht eilt dabei dem an der unteren Fläche reflektierten um ungefähr die doppelte Blättchendicke voraus, die Wellenbewegung beider Strahlen sind deshalb gegeneinander verschoben. Beide reflektierten Lichtstrahlen sind aber schwingungsgleich (kohärent) und interferieren deshalb. Das heißt, die Schwingungen beide Lichtstrahlen gingen ineinander auf. Dabei verstärken sie sich, wenn die Amplituden der beiden Lichtwellen nach der gleichen Seite und schwächen sich, wenn sie entgegengesetzter Richtung schwingen (wenn sie sich überlagern multipliziert man die Amplituden "es wird Hell", wenn sie um eine halbe Wellenlänge versetzt sind gleichen sie sich aus "es wird Dunkel"). Beleuchtet man ein paralleles Blättchen mit einfarbigem (monochromatischen) Lichte, so wird es je nach seiner Dicke und der Wellenlänge des verwendeten Lichtes hell oder dunkel erschienen.

Im Falle des Probeglases ist das dünne Blättchen der Luftspalt zwischen den aufeinander gelegten Gläsern.

Die Physik lehrt uns, daß Dunkelheit bei einer Blättchendicke d= 0, 0,5λ, 1λ, 1,5λ usw.

herrscht. Dabei ist λ die Wellenlδnge des verwe

Wir sehen also, daß mit wachsender Dicke d des Blättchen der Zustand von hell und dunkel immer wiederkehrt. Ist also das Blättchen keilförmig, wie das beim Probeglas fast immer der Fall ist, so werden bei einfarbigem Licht helle und dunkle Linien entstehen. Aber auch die Wellenlänge λ kann verδnderlich sein, das heißt, wir könne mit mehrfarbigem, etwa mit weißem Licht beleuchten. Es erscheinen dann nebeneinander verschiedenfarbige Interferenzlinien. Diese verschiedenfarbigen Interferenzstreifen wiederholen sich aber nur etwa fünfmal, wobei sie immer undeutlicher werden, so das der sechste Ring kaum noch zu erkennen ist. Die Orte der Intensitätsverstärkung der verschiedenen Farben fallen bei größere Blättchendicke oft auf die gleiche Stelle, so das dann eine Mischfarbe entsteht, die letzten Endes wieder weiß ergibt.

Beleuchtet man mit einfarbigen Licht, so sieht man je nach Reinheit des verwendeten Lichtes sehr viele Streifen. Das heißt also, daß man die Interferenz noch bei größerem Abstände der spiegelnden Flächen wahrnimmt. Als farbige Lichtquelle benutzt man zur Beleuchtung der Probegläser gern Lampen mit Rotfiltern. Das Interferenzbild besteht dann aus roten und schwarzen Linien. Da das gefilterte rote Licht nicht ganz farbenrein ist, sind die roten Streifen breiter als die schwarzen, letztere eigne sich deshalb besser für Messungen

Auswertung der Interferenzstreifen

Mit Hilfe der Interferenzstreifen kann man den Luftabstand zwischen zwei spiegelnden Flächen recht genau messen. Es ist deshalb auch möglich, die Abweichung der Krümmung der Kugelfläche von der einer Vergleichsfläche, z.B. eines Probeglases zu messen.

Hierbei befindet sich zwischen zwei Gläsern eingeschlossen eine Luftschicht als dünnes Blättchen. Durch die Kugelflächen bedingt sind die Zonen gleicher Schichtdicke kreisförmig, die Interferenzstreifen entstehen deshalb als Ringe. Bei Planflächen werden diese Ringe in der Endphase zu geraden Linien

Wie oben gesagt entstehen dunkle Linie bei d= 0, 0,5λ, 1λ, 1,5λ usw.

Zählen wir, bei Beleuchtung mit einfarbigem Lichte, vom ersten dunklen Ring an und bezeichnet die Anzahl der Ringe mit z, dann ist der Abstand dh= /2

Um den Abstand dh auf die Radienabweichung dr schließen zu können, differenzieren wir die Näherungsformel h= und erhalten dh=_ dr

                           8r 8r²

Setzen wir hierhin für dh den obigen Ausdruck ein, so erhalten wir für die

Radienabweichung dr: dr=_ 4r²zλ/d²

                                          

Beispiel: Es wird eine Fläche von d=25mm Durchmesser und r=50mm Radius bei rotem Licht, Wellenlänge λ=0,0007mm geprüft. Die Prüfung ergibt 4 Ringe.

Die Radienabweichung dr ist dann nach Gleichung dr=_ 4 x 2500 x 4 x 0,0007

                                                                                           625

dr= - 0,045mm


 

Der Gleichung können wir entnehmen, daß die Messung bei großem r und kleinem d ungenau wird. Auch diese sehr empfindliche Prüfmethode hat also ihre Grenzen.

Anwendung des Probeglases

Der Optiker verwendet das Probeglas, besonders für genaue Arbeiten, meist bei Tageslicht an. Um lästige Spiegelungen auszuschalten, läßt man das Tageslicht durch eine Mattscheibe fallen. Ist die Annäherung der Flächen so innig, das nur noch wenige Ringe zu sehen sind, so können aus den Übergang von einer Farbe zur anderen noch Schlüsse gezogen werden. Oft ist weniger die Anzahl als die Form der Ringe maßgebend. So spricht man von "schmalen Ringen", wenn die Ringe vom Rande Kommen und nicht bis zur Mitte laufen.

"Breite Ringe" nennt man eine Passe, bei der die Ringe bis zur Mitte Laufen, so das über die Fläche verteilt zwei bis fünf Ringe zu sehen sind.

Laufen die Ringe in der Mitte zusammen, so daß nur noch ein blauer Fleck bleibt, so spricht man von "Blaupunkt" .

Verschwindet auch der "blaue Punkt" so bleibt in der Mitte noch ein gelber Fleck, dies nennt man dann "Weiß- Passe".

Als äußerste Annäherung beider Flächen verschwindet auch der gelbe Fleck und es bleibt eine regelmäßig glänzend- graue Fläche übrig.

Liegen die Flächen in der Mitte auf, so laufen die Farben von der Mitte nach dem Rande, die Passe ist dann wie folgt differenziert.

Laufen alle Farben nach dem Rande ab, so das die Fläche farblos ist, so spricht man von "übervoll". Sind mehrere Ringe zu sehen, und die Farben lassen sich durch seitliches Drücken hin und her bewegen, so nennt man diese Passe einen "Buckel".

In dieser Zeit setzt sich, besonders angeregt durch DIN 3140, die Kennzeichnung der Passe nach Ringzahl immer mehr durch. Eine Passe, bei der das Probeglas am Rande aufliegt und 3 Ringe anzeigt, nennt man "3 Ring hohl". Liegt das Probeglas in der Mitte auf so bezeichnet man die Passe als "3 Ring voll".

Besonders wichtig ist es, das man nicht nur die Krümmung an sich prüfen kann, sondern auch feststellt, ob die Krümmung eine wirkliche Kugelfläche ist oder irgendwelche Abweichungen aufweist.

Die Abweichung der Flächen von der Kugelgestallt sind oft bedeutend schädlicher für die optische Abbildung als eine gewöhnliche Radienabweichung. Da aber diese Unregelmäßigkeiten nur dann zu erkennen sind, wenn die Flächen gut zueinander passen, so muß man auch Flächen, bei denen eine Radienabweichung zulässig wäre, gut passend polieren. Die oben beschriebenen übervollen Flächen sind deshalb unbeliebt, weil man bei ihnen Unregelmäßigkeiten schwer erkennt.

Man unterscheidet fünf arten dieser Unregelmäßigkeiten. Im Folgenden sind diese in übertriebener Form an einer Planfläche demonstriert. Dabei ist angenommen, das die Interferenzstreifen in den Abbildungen von unten nach oben laufen

Sind die Unregelmäßigkeiten nur gering, so werden sie am besten erkannt, wenn man das Probeglas leicht anhebt und wieder andrückt und so die Interferenzfarben laufen läßt.

Bei genauen Prüfungen werden Probeglas und Prüfling mit Spiritus und Lappen sauber geputzt. Mit dem Staubpinsel (meistens aus Dachshaar) wird zuerst das Probeglas gesäubert und dann mit der Prüffläche nach unten gehalten. Nachdem auch das zu prüfende Glas gereinigt ist, legt man das Probeglas auf und drückt es leicht an, damit die eingeschlossene Luft entweicht. Um Temperatureinflüsse auszuschalten läßt man beide Gläser einige Zeit austemperieren und prüft danach die Passe.

Wenn man die Flächen der Linsenkörper an der Poliermaschine prüft, so begnügt man sich meist damit, eine Randlinse zu passen. Diese wird mit Handballen oder Fingern sauber gewischt und dann das Probeglas aufgelegt. Kleinere Linsenkörper hält man dabei in der linken Hand und legt mit der Rechten das Probeglas auf.

Beim anpassen der Linsen während des Polierens ist besonders auf den, durch das Polieren verursachten Temperaturunterschied zu achten. Erhabene Flächen ziehen sich beim Erkalten voller, Hohlflächen hohler. Bei beiden wird also der Radius kürzer, was ja auch physikalisch zu erwarten ist. Über die Größe der Veränderung läßt sich nichts genaues aussagen, weil diese von zu vielen Faktoren abhängt, doch kann man erwarten, daß sie selten über ein Farbring hinausgeht.

Weit schwieriger ist die Veränderung der Passe durch Verspannen aufgekitteter Linsen zu beurteilen. Der Siegellack, mit dem die Linsen aufgekittet sind, zieht sich beim erkalten mehr zusammen als das Glas und deformiert dabei verhältnismäßig dicke Linsen. Dazu kann man sagen, daß eine im polierwarmen Zustande sofort geprüfte Linse im allgemeinen ein noch unverspanntes Bild der Passe liefert.

Herstellung des Probeglases

Probegläser werden aus spannungsfreiem, harten Kronglas hergestellt. Für kleinere Stücke verwendet man auch gerne Quarzglas. Dieses hat neben beträchtlicher Härte, die es unempfindlich gegen Verkratzen macht, ein sehr geringes Ausdehnungsvermögen. Es behält auch bei größeren Temperaturschwankungen seine Form. Ich benutze meistens das sogenannte "Wald und Wiesen- Glas" BK7. Es ist nicht besonders empfindlich, hat eine gute Glasqualität, ist einfach zu bearbeiten und es ist günstig im preis.

Die Dicke der verwendeten Scheiben soll etwa ¹/3 ihres Durchmessers betragen, damit sich das Glas nicht durchbiegt. Der freie Durchmesser ( nach der neuen DIN Zeichennorm effektiver Durchmesser genannt) des Probeglases sollte ca.0,5 mm größer sein als die zu prüfende Fläche.

Von einem Probeglas verlangt man nicht nur, das es die genaue Krümmung hat, sondern es sollte auch einwandfrei sphärisch sein, daher muß stets ein Probeglassatz bestehend aus einem Konvex- und Konkavglas hergestellt werden, um die Kugelform mit Hilfe der Interferenzringe prüfen zu können. Die runden Glasplatten werden auf je einer Seite plangeschliffen bzw. geläppt und poliert, so das sie auf einer Seite durchsichtig werden. Die polierten Flächen werden geschützt und danach an beiden Gläsern die Krümmungen angeschliffen. Die Schleifscheiben werden dazu nach der Krümmungslehre ausgesucht. Sie soll so beschaffen sein, daß die Gläser nach dem Schleifen gegeneinander angerieben leicht vom Rande greifen. Dann wird nach den bekannten verfahren geläppt und poliert und mit Schutzfasen versehen.

Bis zu einem bestimmten Radius bzw. Durchmesser (bis ca. 30mm) ist es möglich das Probeglas als Kugel zu fertigen. Dies hat den Vorteil das es leichter, genauer, ohne möglichen Randabfall und kostengünstig zu fertigen. Erfahrungswerte: Kugeln können bis zu einem Ǿ von 11mm maschinell gefertigt werden, darüber in Einzelfertigung .Es gibt sonst Ausschuss durch: Kratzer, Schläge, Unsauberkeiten und schlechte Sphäre.

Die Kugel als Probeglas muss nicht auspoliert sein.

Es ist sogar besser, wenn sie nicht auspoliert ist, weil damit die Kratzerbildung geringer ist.

Zum Thema Probeglas verweise ich noch auf folgende Normen:

DIN 58161

Teil 2

Radien für Probegläser

DIN 58161

Teil 3

Bestimmung der Krümmungsradien

DIN 58161

 

Radien für Optikteile

DIN 58161

Teil 5

Klassische Probeglasprüfmethode

ndeten Lichtes. Zwischen je zwei der angegebenen Werte liegen die Größen von d, bei denen Helligkeit herrscht.
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