Autocollimator: Principes, Typen en Toepassingen

Wat is een autocollimator?

Een autocollimator is een optisch instrument voor het meten van kleine hoekverschillen, veranderingen of afbuigingen. Ook gebruikt voor rechtmatigheid, vlakheid, uitlijning.

Het combineert een collimator en een oneindigheidsverrekijker. Zeer gevoelig voor minimale hoekwijzigingen, meet hoekafwijkingen nauwkeurig. Gebruikt voor uitlijning van systeemcomponenten en meting van mechanische/optische afbuigingen.

Onderdelen

1. Lichtbron
2. Reflecterend oppervlak (werkstuk)
3. Divergerende lens (objectieflens)
4. Straalsplitter
5. Doelrooster (target graticule)
6. Micrometermicrocoop

Functies

• Lichtbron: genereert lichtstralen naar reflector
• Reflecterend oppervlak: werkstuk; hoek wordt gemeten; reflecteert parallelle stralen
• Divergerende lens: paralleliseert stralen na straalsplitter
• Straalsplitter: splitst stralen, richt ze naar objectieflens
• Doelrooster: ontvangt gereflecteerde stralen; afstand tussen inval- en reflectiestraal wordt getraceerd
• Micrometermicrocoop: zichtbarmaking en meting van afstand tussen inval- en reflectiepunten

Werkprincipe

Twee optische principes:

1. Projectie en ontvangst van parallel lichtbundel door een lens
2. Richtingsverandering van gereflecteerde bundel bij hoekverandering van vlak reflector

Monochromatische lichtbron → straalsplitter (90° afbuiging) → convergentelens (paralleliseert) → reflector. Bundel dicht bij brandpunt lens houden voor parallelisme.

Geen hoekafwijking: stralen keren terug via dezelfde weg, convergeren in ontvanger op brandafstand.

Reflector onder hoek α: gereflecteerde bundel maakt hoek 2α met invalsbundel.

Voorbeeld

Convergerende lens met puntbron O in brandpunt (fig. a). Invalshoek 0°: reflectiestraal herhaalt pad. Oppervlak gekanteld: totale afbuigingshoek = 2× kantelhoek. Beeld verschuift lineair: OO' = 2αf = x (f = brandafstand). Door x te meten, α te bepalen.

Beeldpositie onafhankelijk van reflector-afstand tot lens (mits bundel lens nog raakt). In de praktijk: werkstuk = reflector, verschuiving x gemeten met gekalibreerde micrometermicrocoop → directe hoekaflezing.

Werking

Reflecterend oppervlak = te meten oppervlak. Micrometermicrocoop meet afstand in brandvlak.

1. Lichtbron aan, stralen via kruislijnen doelrooster in brandvlak objectieflens
2. Stralen bereiken straalsplitter → naar objectieflens
3. Objectieflens paralleliseert → reflector

Geval 1: Reflector loodrecht op stralen

Terugkaatsing via oorspronkelijke weg → focus in kruising doelrooster → terugbeeld zichtbaar door oculair (verrekijker gedrag alsof oneindig scherp).

Geval 2: Reflector gekanteld

Reflectiehoek = 2× kantelhoek. Focus in doelrooster, maar lineair verschuisd van kruising: 2 × α × f. Meting via oculairrooster + micrometermicrocoop (visueel) of elektronisch detectiesysteem (digitaal). Meeste autocollimators gekalibreerd voor directe hoekaflezing.

Gevoeligheid en meetbereik bepaald door brandafstand en effectieve opening.

Typen autocollimators

1. Visuele autocollimator

Hoekmeting door aflezing gegraveerde schaal door oculair. Langere brandafstand → hogere hoekresolutie, kleiner zichtsveld.

2. Digitale autocollimator

Micrometerinstelling, maar coincidentie detectie foto-elektrisch. Hoge precisie, real-time metingen, gebruiksvriendelijk. Labgebruik.

A. Elektronische autocollimator

High-end, geen optisch oculair. Meet tot fracties van boogseconden. Snel, eenvoudig, nauwkeurig, kostenefficiënt. Breed gebruikt in werkplaatsen, meetkamers, kwaliteitscontrole voor hoekafwijkingen, rechthoekigheid, draaiing, parallelisme.

B. Laser-autocollimator

Directe meting gereflecteerde laserbundels. Simultane uitlijning lenzen, spiegels, lasers. Meet: onderlinge uitlijning meerdere zichtlijnen, laser t.o.v. mechanische datum, gat-/caviteituitlijning, parallelisme rollen (walzindustrie), laserdivergeniehoek, ruimtelijke stabiliteit.

C. Hybride autocollimator

Combinatie optische autocollimatie en lasertechnologie. Gemotoriseerde focus voor micronauwkeurige afwijkingsmetingen. Multifunctioneel: laseruitlijning, ruimtelijke karakterisering, straalprofielmeting (bv. VCSEL-lasers).

Toepassingen

1. Directe test machineglijbanen
2. Meting zeer kleine hoeken
3. Gelijkheid controleren
4. Kolombasis controleren
5. Vlakheid machinebedden, meettafels
6. Zeer kleine verplaatsingen meten
7. Kleine lineaire verplaatsingen controleren

Voordelen

• Zeer hoge nauwkeurigheid
• Wijde hoekmeetbereik
• Eenvoudige installatie en bediening
• Kalibratie boven internationale normen
• Visuele of elektronische weergave (computerscherm)
• Breed scala accessoires en waterpassen

Nadelen

• Regelmatig onderhoud vereist
• Tijdrovend
• Monster voorbereiding (snijden/verwerken) voor detectie nodig

Veelgestelde vragen

Wat is de autocollimatiemethode? Een gecollimeerde bundel verlaat een optisch systeem en wordt door een vlakke spiegel teruggekaatst. Gebruikt voor minimale kantelhoeken van de spiegel.

Wie vond de autocollimator? Nikon (toen Nippon Kogaku K.K.) bouwde de eerste in 1942 met nauwkeurigheid van 1 boogminuut.