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Kleinste Messunsicherheiten für Autokollimatoren

Die Kalibrierung hochauflösender elektronischer Autokollimatoren, die zur Bestimmung kleiner Winkeldifferenzen eingesetzt werden, erfordert entsprechend kleine Messunsicherheiten. Mit dem Winkelkomparator der PTB lassen sich jetzt Unsicherheiten von bis zu 3,4 · 10–8 rad oder 0,007 Winkelsekunden erreichen. Das entspricht, von der Erde aus gesehen, auf dem Mond (Abstand etwa 384 000 km) einer Strecke von nur rund 13 Metern.

Kalibrierung eines Drehtisches (Indextisch) mit Autokollimator und Spiegelpolygon

Autokollimatoren sind optische Präzisions-Mess-instrumente, die mit Hilfe eines Planspiegels kleine Winkeldifferenzen bestimmen. Sie werden sowohl in der industriellen Messtechnik als auch in Forschung und Entwicklung eingesetzt. Mit ihnen werden zum Beispiel an Werkzeugmaschinen oder Koordinatenmessgeräten die Winkelabweichungen von Führungsbahnen oder Winkelmesstischen bestimmt. Wissenschaftliche Anwendungen von Autokollimatoren, bei denen eine Kalibrierung mit Messunsicherheiten von besser als 0,01 Winkelsekunden über einen Messbereich von etwa 300 Winkelsekunden gefordert wird, sind beispielsweise die Messung von Winkeldifferenzen in der hochgenauen Bestimmung von Ebenheitsabweichungen (siehe PTB-News 02.3). Auch bei der Bestimmung der Gravitationskonstante in einem Drehwaagen-Experiment kommen sie zum Einsatz.

Um diese Genauigkeitsanforderungen zu erfüllen, werden elektronische Autokollimatoren auf dem Winkelkomparator der PTB im Reinraumzentrum kalibriert und damit direkt auf die SI-Einheit des ebenen Winkels, rad, rückgeführt. Dabei ist für das optische Messprinzip besonders die laminare und extrem temperaturstabile Luftströmung von Vorteil. Das messtechnische Herzstück des Komparators ist eine Teilkreisscheibe aus Glas mit einer Radialgitterteilung, die 131 072 (= 217) Teilungsstriche auf 360° aufweist. Die Teilkreisscheibe, die in einem luftgelagerten Präzisionsrotor eingebaut ist, wird von acht Abtastköpfen mit einer neuartigen Phasengitter-Reflexionstechnik photoelektrisch abgetastet. Dies ermöglicht eine Auflösung von 0,0012 Winkelsekunden. Die Winkelabweichungen des Komparators lassen sich dann mit Hilfe zweier voneinander unabhängiger Kalibrierverfahren mit einer bisher nicht erreichten Unsicherheit von 0,005 Winkelsekunden (k = 2) bestimmen.

Hochauflösende elektronische Autokollimatoren können jetzt in der PTB mit einer Unsicherheit von bis zu 0,007 Winkelsekunden (3,4 · 10–8 rad) (k = 2) kalibriert werden. Damit lassen sich die zurzeit gestellten Anforderungen insbesondere aus der Forschung erfüllen.

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