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Nivellierinstrument
Die Erfindung betrifft ein Nivellierinstrument mit selbsttätigem Ausgleich kleiner Neigungen des In- struments. Solche Geräte sind bekannt, indem beispielsweise vor dem eigentlichen Nivellierinstrument oder in diesem pendelnd gelagerte Spiegel angeordnet sind, welche bei Neigung des Instruments die Ziel- linie entsprechend aus ihrer Richtung ablenken. Der Benutzer visiert deshalb trotz Neigung des Gerätes denselben Zielpunkt an.
Die bekannten Geräte dieser Art haben nun jedoch den Nachteil, dass ein exakter Ausgleich der Nei- gungen nur unter bestimmten Voraussetzungen möglich ist. So müssen z. B. die Drehachsen der pendelnd gelagerten Spiegel sehr genau justiert sein ; oder falls die Spiegel, wie bekannt, an Gelenkvierecken auf- gehängt sind, müssen an die Längen der Lenker der Gelenkvierecke sehr grosse Genauigkeitsanforderungen gestellt werden. Ferner erfordern die bekannten Nivellierinstrumente mit selbsttätigem Ausgleich kleiner Neigungen des Instruments einen sehr grossen optischen Aufwand.
Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, mit verhältnismässig einfachen optischen Mitteln eine Kompensation kleiner Neigungen zu erwirken und zum andern die pendelnden Elemente möglichst justie- rungsunabhängig auszubilden.
Diese Schwierigkeiten treten auch bei einem bekanntgewordenen Gerät mit zwei sich zu einem afokalen System ergänzendenHohlspiegelnauf. Die Hohlspiegel sind vor dem Fernrohr des Nivellierinstruments angeordnet. Einer von ihnen ist pendelnd gelagert, der andere ist gerätefest. Bei Neigung des Gerätes wird hiedurch eine Ablenkung des Zielstrahles bewirkt, derart, dass er nach wie vor parallel zur optischen Achse des Fernrohres in das Nivellierinstrument eintritt.
Bei diesem Gerät ist ferner eine Schmidt'sche Korrektionsplatte mit der pendelnden Linse verbunden. Diese pendelnde Lagerung der Korrektionsplatte ist deshalb getroffen worden, damit sich der Korrektionszustand beim Auswandern des Hohlspiegels nicht ändert. Mit der vorliegenden Erfindung hat die Schmidt'sche Korrektionsplatte nichts zu tun.
Ein wesentlich einfacherer Kompensator wird erfindungsgemäss dann erhalten, wenn vor dem Fernrohr n sich jeweils zu einem afokalen System ergänzende Linsenpaare vorgesehen werden (wobei n = 1 sein kann), von denen jeweils eine Linse gerätefest und die andere um eine Achse senkrecht zur optischen Achse pendelnd gelagert ist, so dass diese Linsen bei Neigung des Gerätes sich einerseits gegeneinander verschieben und anderseits einen optischen Keil bilden, und wobei die Pendelachsen und die Brechkräfte der pendelnden Linsen der Bedingung genügen
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wenn ri der Abstand des Hauptpunktes der i-ten Linse von ihrem Drehpunkt ist und Cf i die Brechkraft dieser Linse.
Die Brechkraft selbst ist, wie bekannt, Funktion der Brechzahl des verwendeten Glases sowie der
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Brechzahl des umgebenden Mediums sowie der Radien der Linse und der Linsendicke.
Bei Neigung des Gerätes wird der Zielstrahl einmal durch die Versetzung der Linsen gegeneinander abgelenkt und zum andern durch den entstehenden optischen Keil. Durch die besondere Wahl der
Brechkräfte und der Drehachsenlage wird erreicht, dass die Zielstrahlablenkung genau so gross ist, wie 5 die Ablenkung der optischen Achse des Nivellierinstruments aus der Waagrechten, so dass der Zielstrahl trotz Neigung des Gerätes stets auf eine Abkommenmarke in der Brennebene des Objektivs trifft.
Ist vor einem der Linsenpaare ein gerätefest angeordnetes afokales System mit einer Vergrösserung Ni vorgesehen, beispielsweise unmittelbar vor dem i-ten System, dann erfährt die angegebene Formel eine Änderung ; sie lautet in diesem Fall
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Für alle sich ergebenden Glieder, bei denen kein N auftritt, ist N = 1 zu setzen.
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soDie Linsen eines jeden Paares können entgegengesetzt gleiche Brennweite haben und so ausgebildet sein, dass sie sich in der Normalstellung zu einer planparallelen Platte ergänzen ; d. h., hat die eine Linse die Brennweite + fi, so hat die andere Linse des Paares die Brennweite - f i.
Ist in einem ersten Anwendungsfall nur ein Linsenpaar vorgesehen, d. h. n = 1, dann folgt aus der Formel 1') sofort r =f, d. h. der Drehpunkt der pendelnd gelagerten Linse ist im Abstand der Brenn- , -weite f dieser Linse vom Hauptpunkt anzuordnen.
Die pendelnde Linse kann durch ein Ausgleichsgewicht stets in ihrer Lage gehalten werden. Dies kann jedoch gewisse Nachteile mit sich bringen, indem der Drehpunkt dann sehr genau auf der optischen
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bemerkbar.
Um in weitgehendem Masse justierungsunabhängig zu werden, insbesondere Kompensationsfehler durch Abweichungen der Drehachse aus ihrer Sollage, z. B. durch Erschütterungen, Stösse u. dgl. zu vermeiden, durchsetzt in weiterer Ausgestaltung der Erfindung der Strahlengang am Ort der pendelnd gelagerten Linse diese in senkrechter Richtung. In diesem Fall liegt der Drehpunkt der pendelnden Linsen auch bei Erschütterungen u. dgl. stets auf der optischen Achse oder in deren Verlängerung. Fehler können bei dieser Ausbildung nur durch Verlagerung des Drehpunktes in der waagrechten Richtung entstehen, was aber im allgemeinen nicht eintritt.
Bei dieser Ausbildung kann darüberhinaus die pendelnd gelagerte Linse durch ihr eigenes Gewicht in stets gleichbleibender Lage gehalten werden. Zur Umlenkung des Strahlenganges in die senkrechte Richtung, und gegebenenfalls wieder in eine waagrechte Richtung, sind vorteilhaft Prismen vorgesehen.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind zwei Linsenpaare vorgesehen, deren einzelne Linsen entgegengesetzt gleiche Brennweiten haben. Die Drehachse der pendelnd gelagerten Linsen ist dann im Abstand der halben Brennweite von diesen angeordnet. Mit ri = fi/2 ist dann die Formel l') wieder erfüllt.
Bei Neigung des Instruments entstehen in diesem Fall zwei Keile, und es verschieben sich die Linsen jedes Paares gegeneinander, wodurch sich ihre Gesamtwirkung wieder addiert.
Da je nachdem, welche der Linsen eines Paares mit Neigung des Gerätes ihre Lage relativ zum Ge-
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rät ändert, die Keilwinkel oberhalb oder unterhalb der Horizontalen liegen, d. h. der Horizontalstrahl nach unten oder nach oben abgelenkt wird, ist bei Verwendung von mehreren Linsenpaaren darauf zu ach- ten, dass sich die Wirkungen der einzelnen Keile nicht aufheben. Aus diesem Grunde ist bei der letztge- nannten Ausführung von dem einen Linsenpaar die positive Linse pendelnd gelagert und von dem andern
Linsenpaar die negative Linse. Es wird dann nähmlich in der Formel l') im zweiten Glied sowohl r. als auch f2 negativ.
Ist zwischen den Linsenpaaren ein Umkehrsystem angeordnet, dann gilt die zweite Formel, weil ein solches Umkehrsystem die Vergrösserung Ni = -1 hat. Da das Umkehrsystem unmittelbar vor dem zwei- ten Linsenpaar angeordnet ist, ist in der Formel 2') Ni= -1 zu setzen und Nt = 1, da ein nicht vorhandenes System auch keine optische Wirkung hervorruft. Es muss dann entwederr oder f positiv sein. Da die Linsen einen gemeinsamen Drehpunkt haben sollten, wählt man zweckmässig f positiv, so dass dann von beiden Linsenpaaren die Positivlinsen pendelnd gelagert sind.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist hinter dem ersten Linsenpaar ein rechtwinkeliges Prisma angeordnet, so dass der Horizontalstrahl durch das zweite Linsenpaar senkrecht hindurchtritt, und hinter diesem Linsenpaar ist ein Penta-Prisma mit einer Dachkante vorgesehen, so dass der Vorsatz zusätzlich für das folgende Nivellier eine Bildaufrichtung veranlasst. Der gemeinsame Drehpunkt der pendelnd gelagerten Linsen kann hiebei vorteilhaft im Knick des Horizontalstrahles liegen, und es kann ein Gewicht vorgesehen sein, welches die pendelnden Linsen in ihrer Lage hält. Auch hier findet eine Bildumkehr zwischen den Linsenpaaren statt, so dass sich der bereits beschriebene Sachverhalt ergibt.
Für die Anordnung der Linsen der einzelnen Linsenpaare ergeben sich, wie schon aus den Formeln hervorgeht, verschiedene Möglichkeiten.
So können in einem ersten Fall die Linsen mit ihren gekrümmten Flächen zueinander liegen. Selbstverständlich muss dabei ein geringer Abstand eingehalten werden, damit die relativen Lageänderungen der Linsen möglich sind.
Es können aber auch in einem zweiten Ausführungsbeispiel die Linsen mit ihren Planflächen gegeneinander liegen. Auch hier muss zwischen den Linsen ein Zwischenraum vorhanden sein, damit die Linsen genügend Spiel für ihre Verschiebung und Neigung gegeneinander haben.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung können die pendelnd gelagerten Linsen der Linsenpaare auch derart angeordnet sein, dass sie zwischen den feststehenden Linsen liegen. In diesem Falle können die feststehenden Linsen gleichzeitig den luft-und staubdichten Abschluss für das Gesamtsystem zum Ausgleich der kleinen Neigungen bilden.
Die Linsenpaare lassen sich zu einem Vorsatzgerät zusammenfassen, welches in Verbindung mit jedem bekannten Nivellierinstrument verwendet werden kann.
In den Fällen, bei denen durch grosse Ablenkungen des Zielstrahles bzw. starke Vergrösserung des Nivellierinstruments eine durch die Keile bedingte Dispersion auftritt. können die Linsen achromatisiert werden.
Schliesslich sei noch darauf hingewiesen, dass die Brennweiten der einzelnen Linsenpaare nicht unbedingt entgegengesetzt gleich sein müssen. Ungleiche Brennweiten können dann erforderlich werden, wenn in Abhängigkeit von den Linsendicken und ihren Abständen eine brennpunktlose Abbildung gewährleistet werden soll.
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Die Erfindung beseitigt auch diesen Nachteil, indem jetzt wegen der vorgesehenen pendelnden Linsen das Fernrohr des Nivellierinstruments nur noch annähernd senkrecht eingestellt zu werden braucht.
Vorteilhaft ist die pendelnde Linse von positiver Brechkraft und die gerätefeste Linse von negativer Brechkraft.
) Zwischen den zum Neigungsausgleich dienenden Linsen kann eine Flüssigkeit zur Dämpfung der Pendelbewegung vorgesehen sein.
Bei Verwendung einer pendelnden Linse, welche überdies nur in einer Richtung schwingt, wird ein selbsttätiger Ausgleich kleiner Neigungen nur in einer Richtung erzielt.
Um einen Neigungsausgleich in jeder Richtung, d. h. in jedem Azimut zu erhalten, kann die pendelnde Linse kardanisch gelagert oder einfacher an drei Fäden aufgehängt sein. Bei der Aufhängung verwendet man vorteilhaft Perlonfäden, welche nur zwei bestimmte Knickpunkte aufweisen.
Auf der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt, u. zw. zeigen : Fig. 1 ein Nivellierinstrument mit einem Linsenpaar zum Ausgleich kleiner Neigungen des Gerätes, Fig. la das Gerät i nach Fig. 1 in geneigtem Zustand, Fig. 2 zeigt ein geändertes Ausführungsbeispiel entsprechend der Fig. 1, Fig. 3 ein Nivellierinstrument mit zwei als optische Keile wirkenden Linsenpaaren, Fig. 4 das Gerät nach Fig. 3 mit einem Unikehrsystem, Fig. 5 die Ablenkung des Zielstrahles beim Gerät nach Fig. 4, Fig. 6 ein weiteres Gerät mit Bildumkehr, Fig. 7,8, 9 und 10 verschiedene Anordnungen der einzelnen Linsen von zwei Linsenpaaren, Fig. 11 ein Instrument zum Ausrichten einer Fläche.
In Fig. 1 ist mit 1 ein übliches Nivellierinstrument bezeichnet, welches ein Objektiv und ein Okular besitzt und bei dem in der Brennebene des Objektivs eine Strichplatte 2 angeordnet ist. Auf die Marke dieser Strichplatte fällt der Horizontalstrahl 3, wenn das Gerät genau waagrecht steht.
Auf das Nivellierinstrument 1 ist ein Vorsatzgerät 4 gesteckt worden, welches aus zwei Linsen 5 und 6 besteht. Die Linse 5 ist eine Zerstreuungslinse und bildet den Abschluss des Vorsatzgerätes 4 nach vorn.
Die Linse 6 ist eine Sammellinse. Die Linsen 5 und 6 haben gleiche, jedoch entgegengesetzte Brennweiten. Die Linsen 5 und 6 liegen mit ihren gekrümmten Flächen zueinander und bilden in der ausgezogenen Lage eine planparallele Platte. Die Linse 6 ist um eine Welle 7 drehbar gelagert. Damit sie bei Neigung des Nivellierinstrumentes 1 sowie des Vorsatzgerätes 4 ihre Lage im Raum beibehält, ist sie mit Ausgleichsgewichten 8, 8'verbunden.
Die Drehachse 7 ist im Abstand der Brennweite f der Linse 6 von dieser angeordnet, womit, da nur ein Linsenpaar vorgesehen ist, die Gleichung 1) bzw. l') in der vorangegangenen Beschreibung erfüllt ist.
Wird das Gerät um einen kleinen Winkel in die in Fig. la gezeichnete Lage geneigt, dann bilden die Linsen 5 und 6 optisch einen Keil. Der Horizontalstrahl wird durch diesen und durch die Versetzung der Linsen 5 und 6 gegeneinander in die Richtung 3'parallel zur Achse des Nivellierinstruments gelenkt. Er tritt in das Nivellierinstrument ein und fällt wieder auf die Marke der Strichkreuzplatte 2.
Kleine Verschiebungen der Drehachse 7 in Richtung der optischen Achse wirken sich für die Kom -- pensation der Ziellinie nicht aus. Wohl können aber Fehler bei der Ablenkung des Zielstrahles entstehen, wenn die Drehachse 7 im Laufe der Zeit senkrecht zur optischen Achse durch Erschütterungen od. dgl. auswandert und damit die Justierung stört. Um von solchen Fehlern unabhängig zu werden, ist in Fig. 2 eine geänderte Anordnung getroffen worden. Der Zielstrahl fällt zunächst auf ein Prisma 20, welches ihn senkrecht nach oben ablenkt. Er durchsetzt die Linsen 21 und 22, welche wieder entgegengesetzt gleiche Brennweiten haben. In Verlängerung der optischen Achse ist die Drehachse 23 angeordnet. Ein weiteres Prisma 24 lenkt den Horizontalstrahl in das Nivellierinstrument.
Da der Horizontalstrahl 3 die Linsen 21 und 22 erst nach einer Reflexion im Prisma 20 erreicht, ist also in der Formel 2) der Beschreibung N. r/f = 1 zu setzen. Da das Prisma 20 eine Bildumkehr bewirkt, ist N = -1, und es wird r =-f.
Der Horizontalstrahl wird also bei Neigung des Gerätes um einen kleinen Winkel u im entgegengesetzten Sinne wie in Fig. 1 abgelenkt. Um dies zu erreichen, ist die Zerstreuungslinse 21 pendelnd gelagert und die Linse 22 gerätefest angeordnet.
Die Linse 21 ersetzt bei dieser Anordnung gleichzeitig das Ausgleichsgewicht 8 der Fig. 1.
In Fig. 3 sind zur Ablenkung des Zielstrahles zwei Linsenpaare 30,. 31 und 32,33 vorgesehen, welche um eine Welle 34 drehbar sind. Der Brennpunkt der Linsen 30 und 31 liegt zwischen den Linsen 32 und 33 im Punkt 35 und der Brennpunkt der Linsen 32 und 33 zwischen den Linsen 30 und 31 im Punkt 36. Die Welle 34 ist in der Mitte zwischen den Punkten 35 und 36 angeordnet, hat also von diesen Punkten den Abstand der halben Brennweiten der Linsen 30 - 33. Die Formel) ist also dann wieder erfüllt, wenn bei Neigung des Gerätes die Sammellinse 31 und die Zerstreuungslinse 33 in ihrer Lage stehenbleiben, die Linsen 30 und 32 jedoch die Neigung des Gerätes mitmachen, d. h. bei Verschiebung der Linse 30 nach oben und der Linse 32 nach unten entstehen zwei Keile, deren Keilkanten beide oberhalb der optischen
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Achse liegen (gestrichelt dargestellt).
Der Horizontalstrahl wird somit sowohl durch die Linsen 30,31 als auch durch die Linsen 32,33 nach unten abgelenkt. Die Wirkungen beider entstehender Keile summieren sich damit.
In Fig. 4 ist zwischen Linsenpaaren 40,41 sowie 42,43 ein gerätefestes Umkehrsystem in Form eines Pechan-Prismas 44 angeordnet. Die Drehachse 45 liegt wieder im Abstand 0der halben Brennweite der Lin-
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werden durch ein Gewicht 46 in ihrer Lage gehalten. Wie aus Fig. 4 ferner zu erkennen ist, sind die sich gegeneinander verschiebenden und den Neigungsausgleich bewirkenden Linsen in einem gesonderten Ge- häuse angeordnet, welches auf ein bereits vorhandenes Nivellierinstrument aufsteckbar ist. Die feststeh- henden Linsen bilden einen luft-und staubdichten Abschluss dieses Vorsatzgerätes.
Bei Auslenkungen des Nivellierinstrumentes um den Winkel u wird der Horizontalstrahl 50, wie in
Fig. 5 schematisch dargestellt ist, durch die Linsen 40,41 nach oben abgelenkt, durch das Pecan-Prisma
44 nochmals geneigt, und diese Neigung wird durch die Linsen 42,43 derart rückgängig gemacht, dass der Horizontalstrahl 50 nach Verlassen des Linsenpaares 42,43 parallel mit der Achse 51 des Nivellier- instruments läuft.
Fig. 6 zeigt eine geänderte Ausführungsform, bei der wieder Linsenpaare 60,61 und 62,63 vorge- sehen sind. Von diesen sind die Sammellinsen 61 und 62 um eine Welle 64 drehbar. Die Sammellinsen
61 und 62 werden wieder durch ein Gewicht 65 in ihrer Lage gehalten. Die Zerstreuungslinsen 60 und 63 sind gerätefest. Zwischen den Linsenpaaren 60,61 und 62,63 ist ein gerätefestes Spiegelprisma 66 an- geordnet, welches den Horizontalstrahl 67 senkrecht nach oben lenkt. Nach Verlassen der Linsen 62,63 gelangt der Horizontalstrahl 67 in ein Penta-Prisma 68, welches eine Dachkante 69 hat. Er verlässt das
Penta-Prisma 68 in Richtung der Achse des Nivellierinstruments. Diese Anordnung bewirkt ebenfalls eine
Kompensation kleiner Neigungen des Nivellierinstruments mit einer Bildumkehr.
Fig. 7 zeigt eine Linsenanordnung, bei der Linsenpaare 70,71 und 72,73 mit ihren Planflächen ein- ander zugeordnet sind. Um eine Summation der Keilwirkungen der Linsenpaare 70,71 und 72,73 zu er- reichen, sind hier wieder die Sammellinse 71 und die Zerstreuungslinse 72 um eine Welle 74 drehbar gelagert. Die Linsen 70 und 71 sowie 72 und 73 weisen einen geringen Abstand voneinander auf, so dass Pendelbewegungen der Linsen 71 und 72 möglich sind. Wie zu erkennen ist, sind hier die inneren Linsen pendelnd gelagert und die äusseren Linsen 70 und 73 gerätefest angeordnet. Diese können gleichzeitig einen Abschluss für das Vorsatzgerät bilden, damit Staub, Feuchtigkeit usw. nicht ins Innere des Gerätes dringen kann.
Fig. 8 zeigt eine andere Zusammenstellung von Linsenpaaren 80,81 und 82,83. Es sind auch hier die inneren Linsen 81 und 82, nämlich eine Sammel- und eine Zerstreuungslinse, um eine Welle 84 pendelnd gelagert, und die äusseren Linsen 80 und 83 sind gerätefest angeordnet. Auch diese Linsen können Abschluss für ein Vorsatzgerät sein. Zum Unterschied von dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 sind die Linsen 80 und 81 mit ihren gekrümmten Flächen einander zugekehrt, die Linsen 82 und 83 dagegen mit ihren planen Flächen.
Bei den Einrichtungen nach Fig. 7 und 8 ergeben die gekrümmten Doppellinsen als brennpunktlose Systeme eine geringe Fernrohrverkleinerung entsprechend einem umgekehrten galileischen System. Dies bedeutet, dass ein nachgeschaltetes Nivellierinstrument in seiner Vergrösserung etwas gemindert wird.
Dies kann unter Umständen nachteilig sein. Will man diesen Einfluss kompensieren, so ist es notwendig, zwischen dem Vorsatzsystem nach den Fig. 7 und 8 und dem nachgeschalteten Nivellierinstrument ein schwaches galileisches Fernrohr von genau entgegengesetzter Wirkung einzuschalten.
Fig. 9 zeigt eine abermals geänderte Anordnung von Linsen 90,91 und 92,93, bei der wieder die inneren Linsen 91 und 92 um eine Welle 94 drehbar sind und die äusseren Linsen 90 und 93 gerätefest angeordnet sind. Die Linsen des Paares 90,91 sowohl als auch die Linsen des Paares 92,93 sind bei dieser Ausbildung mit ihren gekrümmten Flächen einander zugekehrt.
Fig. 10 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei der die Negativlinsen von zwei vorgesehenen Linsenpaaren pendelnd gelagert sind.
In Fig. 11 ist an höhenverstellbaren Füssen 100 drehbar ein Fernrohr 102 befestigt. Das Fernrohr 102 hat ein objektiv 103, eine Strichplatte 104 und Okularlinsen 105. Im unteren Teil des Fernrohrgehäuses 106 ist ein Penta-Prisma 107 mit einem Glasdrehkeilpaar 108 sowie ein Fenster 109 angebracht. Mittels einer Dosenlibelle 110 kann das Fernrohr annähernd senkrecht eingestellt werden.
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Ist die optische Achse des Fernrohres genau senkrecht, dann verlässt der Zielstrahl 111 das Fernrohr in genau horizontaler Richtung. Beim Drehen des Teiles 106, welcher mit dem Fernrohr 102 fest verbunden ist, beschreibt der Horizontalstrahl 111 eine horizontale Fläche.
Um unabhängig von der genauen senkrechten Einstellung der optischen Achse zu werden, sind in Fig. 11 zum Ausgleich kleiner Neigungen Linsenpaare 112,113 und 114,115 vorgesehen. Die Linsen 112 und 115 sind fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Linsen 113 und 114 sind pendelnd gelagert. Die Linsen 113 und 114 pendeln auf Grund ihrer Schwerkraft um die Knickpunkte 116 und 117 an verstärkten Perlonfäden. Es sind drei solcher Fäden vorgesehen, von denen jedoch nur der Faden 120 in der Fig. 11 zu sehen ist. Durch diese Aufhängung wird ein Neigungsausgleich für alle denkbaren Abweichungen des Gerätes aus lotrechter Richtung heraus bewirkt.
Durch Drehung des Handrades 118 ist es möglich, über die eingezeichneten Kegel- und Stirnräder eine Drehbewegung des Gerätes einzuleiten, die es ermöglicht, das Fernrohr in jeder beliebigen Richtung einzustellen.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Nivellierinstrument, bei dem vor dem Fernrohr wenigstens ein afokales optisches System mit teilweise pendelnden optischen Gliedern zum Ausgleich kleiner Neigungen des Instruments vorgesehen ist, gekennzeichnet durch n sich jeweils zu einem afokalen System ergänzende Linsenpaare (wobei n = 1 sein kann), von denen jeweils eine Linse gerätefest angeordnet ist und die andere um eine zur optischen Achse senkrecht liegende Achse pendelnd gelagert ist, so dass die Linsen jedes Paares bei Neigung des Gerätes sich einerseits gegeneinander verschieben und anderseits einen optischen Keil bilden, und wobei die Summe sämtlicher Produkte, gebildet aus dem Abstand des Hauptpunktes jeder pendelnden Linse von ihrem Drehpunkt und ihrer Brechkraft gleich 1 ist.
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Leveling instrument
The invention relates to a leveling instrument with automatic compensation of small inclinations of the instrument. Such devices are known in that, for example, mirrors are arranged in front of the actual leveling instrument or in this pendulum-mounted mirror, which when the instrument is inclined deflect the target line accordingly from its direction. The user therefore aims at the same target point despite the inclination of the device.
However, the known devices of this type now have the disadvantage that an exact compensation of the inclinations is only possible under certain conditions. So z. B. the axes of rotation of the pendular mirror can be adjusted very precisely; or if, as is known, the mirrors are hung on hinge quadrilaterals, very great accuracy requirements must be placed on the lengths of the links of the hinge quadrilaterals. Furthermore, the known leveling instruments with automatic compensation of small inclinations of the instrument require a very large optical effort.
The object of the invention is to use relatively simple optical means to compensate for small inclinations and, on the other hand, to make the oscillating elements as independent of adjustment as possible.
These difficulties also occur with a device that has become known with two concave mirrors which complement one another to form an afocal system. The concave mirrors are arranged in front of the telescope of the leveling instrument. One of them has a pendulum bearing, the other is device-proof. When the device is tilted, the aiming beam is deflected in such a way that it continues to enter the leveling instrument parallel to the optical axis of the telescope.
In this device, a Schmidt correction plate is also connected to the oscillating lens. This pendulum mounting of the correction plate was made so that the correction state does not change when the concave mirror moves. The Schmidt correction plate has nothing to do with the present invention.
According to the invention, a much simpler compensator is obtained if lens pairs complementing each other to form an afocal system are provided in front of the telescope n (where n = 1), one of which is fixed to the device and the other of which oscillates around an axis perpendicular to the optical axis is mounted so that when the device is tilted, these lenses move against one another on the one hand and form an optical wedge on the other, and the pendulum axes and the refractive powers of the pendulum lenses meet the condition
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if ri is the distance of the principal point of the i-th lens from its pivot point and Cf i is the refractive power of this lens.
As is known, the refractive power itself is a function of the refractive index of the glass used and the
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Refractive index of the surrounding medium as well as the radii of the lens and the lens thickness.
When the device is tilted, the target beam is deflected on the one hand by the offset of the lenses from one another and on the other hand by the resulting optical wedge. Due to the special choice of
Refractive forces and the position of the axis of rotation are achieved so that the target beam deflection is exactly as large as the deflection of the optical axis of the leveling instrument from the horizontal, so that the target beam always hits an agreement mark in the focal plane of the lens despite the tilt of the device.
If an afocal system fixed to the device and with a magnification Ni is provided in front of one of the lens pairs, for example immediately in front of the i-th system, then the given formula is changed; in this case it is
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N = 1 must be set for all resulting terms in which no N occurs.
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The lenses of each pair can have opposite focal lengths and be designed so that they complement each other in the normal position to form a plane-parallel plate; d. i.e. if one lens has the focal length + fi, the other lens in the pair has the focal length - f i.
If only one pair of lenses is provided in a first application, i. H. n = 1, then from formula 1 ') it follows immediately that r = f, i.e. H. the pivot point of the pendulum-mounted lens is to be arranged at a distance of the focal length f of this lens from the main point.
The oscillating lens can always be held in its position by a counterweight. However, this can have certain disadvantages because the pivot point is then very precisely on the optical
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noticeable.
In order to be largely independent of adjustment, in particular compensation errors due to deviations of the axis of rotation from its nominal position, e.g. B. by vibrations, shocks and. To avoid the like, in a further embodiment of the invention, the beam path at the location of the pendulum-mounted lens passes through it in the vertical direction. In this case, the pivot point of the oscillating lenses is also in the event of vibrations and the like. Like. Always on the optical axis or in its extension. Errors can only arise in this training by shifting the pivot point in the horizontal direction, but this does not generally occur.
With this design, the pendulum-mounted lens can also be kept in a constant position by its own weight. In order to deflect the beam path in the vertical direction, and if necessary again in a horizontal direction, prisms are advantageously provided.
In a further embodiment of the invention, two pairs of lenses are provided, the individual lenses of which have oppositely equal focal lengths. The axis of rotation of the pendulum-mounted lenses is then arranged at a distance of half the focal length from them. With ri = fi / 2, the formula l ') is fulfilled again.
In this case, when the instrument is tilted, two wedges are created and the lenses of each pair shift against each other, which adds up their overall effect.
Since depending on which of the lenses in a pair is inclined, their position relative to the
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advises changes that the wedge angles are above or below the horizontal, d. H. If the horizontal beam is deflected downwards or upwards, care should be taken when using several pairs of lenses that the effects of the individual wedges do not cancel each other out. For this reason, in the last-mentioned embodiment, the positive lens is mounted in a pendulum fashion from one pair of lenses and from the other
Lens pair the negative lens. It is then namely in the formula l ') in the second term both r. as well as f2 negative.
If an inversion system is arranged between the lens pairs, then the second formula applies, because such an inversion system has the magnification Ni = -1. Since the inverting system is arranged directly in front of the second pair of lenses, Ni = -1 and Nt = 1 must be set in formula 2 '), since a non-existent system does not produce any optical effect. Either r or f must then be positive. Since the lenses should have a common pivot point, it is expedient to choose f positive, so that the positive lenses of both lens pairs are then mounted in a pendulum fashion.
In a further embodiment of the invention, a right-angled prism is arranged behind the first pair of lenses so that the horizontal beam passes vertically through the second pair of lenses, and a penta-prism with a roof edge is provided behind this pair of lenses, so that the attachment also for the following level causes an image erection. The common fulcrum of the pendulum mounted lenses can advantageously lie in the bend of the horizontal beam, and a weight can be provided which holds the pendulum lenses in their position. Here, too, an image reversal takes place between the lens pairs, so that the situation already described results.
As can already be seen from the formulas, there are various possibilities for the arrangement of the lenses of the individual lens pairs.
In a first case, the lenses can lie with their curved surfaces to one another. Of course, a small distance must be maintained so that the relative position changes of the lenses are possible.
However, in a second exemplary embodiment, the lenses can also lie against one another with their flat surfaces. Here, too, there must be a gap between the lenses so that the lenses have enough play for their displacement and inclination against one another.
In a further embodiment of the invention, the pendulum-mounted lenses of the lens pairs can also be arranged in such a way that they lie between the stationary lenses. In this case, the fixed lenses can simultaneously form the air-tight and dust-tight seal for the overall system to compensate for the small inclinations.
The lens pairs can be combined to form an attachment which can be used in conjunction with any known leveling instrument.
In those cases in which a dispersion caused by the wedges occurs due to large deflections of the aiming beam or a strong enlargement of the leveling instrument. the lenses can be achromatized.
Finally, it should be pointed out that the focal lengths of the individual lens pairs do not necessarily have to be equal and opposite. Unequal focal lengths can become necessary if, depending on the lens thicknesses and their spacing, a focus-free image is to be guaranteed.
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The invention also eliminates this disadvantage in that the telescope of the leveling instrument now only needs to be adjusted approximately vertically because of the oscillating lenses provided.
Advantageously, the oscillating lens has a positive refractive power and the device-fixed lens has a negative refractive power.
) Between the lenses used to compensate for inclination, a liquid can be provided to dampen the pendulum movement.
When using a pendulum lens, which moreover only vibrates in one direction, an automatic compensation of small inclinations is only achieved in one direction.
To compensate for inclination in each direction, i.e. H. To get in any azimuth, the oscillating lens can be gimbaled or more simply hung on three strings. For the suspension it is advantageous to use nylon threads, which have only two specific kink points.
In the drawing, embodiments of the invention are shown, u. 1 shows a leveling instrument with a pair of lenses to compensate for small inclinations of the device, FIG. 1 a shows the device i according to FIG. 1 in an inclined state, FIG. 2 shows a modified embodiment according to FIG. 1, FIG Leveling instrument with two pairs of lenses acting as optical wedges, FIG. 4 the device according to FIG. 3 with a single-turn system, FIG. 5 the deflection of the target beam in the device according to FIG. 4, FIG. 6 a further device with image reversal, FIGS. 7, 8 , 9 and 10 different arrangements of the individual lenses of two lens pairs, FIG. 11 an instrument for aligning a surface.
In Fig. 1, 1 denotes a conventional leveling instrument which has an objective and an eyepiece and in which a reticle 2 is arranged in the focal plane of the objective. The horizontal beam 3 falls on the mark of this reticle when the device is exactly horizontal.
An attachment 4, which consists of two lenses 5 and 6, has been plugged onto the leveling instrument 1. The lens 5 is a diverging lens and forms the end of the front attachment 4 towards the front.
The lens 6 is a converging lens. The lenses 5 and 6 have the same but opposite focal lengths. The lenses 5 and 6 lie with their curved surfaces to one another and, in the extended position, form a plane-parallel plate. The lens 6 is rotatably mounted about a shaft 7. So that it maintains its position in space when the leveling instrument 1 and the attachment 4 are inclined, it is connected to counterweights 8, 8 ′.
The axis of rotation 7 is arranged at a distance from the focal length f of the lens 6, so that, since only one pair of lenses is provided, equation 1) or l ') in the preceding description is fulfilled.
If the device is tilted at a small angle into the position shown in FIG. La, the lenses 5 and 6 optically form a wedge. The horizontal beam is directed through this and through the offset of the lenses 5 and 6 from one another in the direction 3 ′ parallel to the axis of the leveling instrument. He enters the leveling instrument and falls back onto the mark on the reticle plate 2.
Small shifts of the axis of rotation 7 in the direction of the optical axis do not affect the compensation of the target line. However, errors can arise in the deflection of the target beam if the axis of rotation 7 migrates over time perpendicular to the optical axis due to vibrations or the like and thus interferes with the adjustment. In order to become independent of such errors, a modified arrangement has been made in FIG. The aiming beam first falls on a prism 20, which deflects it vertically upwards. It penetrates the lenses 21 and 22, which again have opposite focal lengths. The axis of rotation 23 is arranged as an extension of the optical axis. Another prism 24 directs the horizontal beam into the leveling instrument.
Since the horizontal beam 3 does not reach the lenses 21 and 22 until after a reflection in the prism 20, N r / f = 1 must be set in the formula 2) of the description. Since the prism 20 reverses the image, N = -1 and r = -f.
When the device is tilted, the horizontal beam is thus deflected by a small angle u in the opposite direction as in FIG. In order to achieve this, the diverging lens 21 is mounted in an oscillating manner and the lens 22 is arranged fixed to the device.
In this arrangement, the lens 21 simultaneously replaces the balance weight 8 in FIG. 1.
In Fig. 3, two pairs of lenses 30, are for deflecting the target beam. 31 and 32, 33 are provided, which are rotatable about a shaft 34. The focal point of lenses 30 and 31 lies between lenses 32 and 33 at point 35 and the focal point of lenses 32 and 33 between lenses 30 and 31 at point 36. The shaft 34 is arranged in the middle between points 35 and 36, has the distance of half the focal lengths of the lenses 30-33 from these points. The formula) is then fulfilled again when the converging lens 31 and the diverging lens 33 remain in their position when the device is tilted, but the lenses 30 and 32 incline participate in the device, d. H. when the lens 30 is shifted upwards and the lens 32 downwards, two wedges are created, the wedge edges of which are both above the optical
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Axis (shown in dashed lines).
The horizontal beam is thus deflected downward both by the lenses 30, 31 and by the lenses 32, 33. The effects of the two resulting wedges add up.
In FIG. 4, a device-fixed reversing system in the form of a Pechan prism 44 is arranged between lens pairs 40, 41 and 42, 43. The axis of rotation 45 is again at a distance of 0 half the focal length of the
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are held in place by a weight 46. As can also be seen from FIG. 4, the lenses which are displaced against one another and effect the inclination compensation are arranged in a separate housing which can be attached to an existing leveling instrument. The fixed lenses form an airtight and dust-tight seal for this attachment.
When the leveling instrument is deflected by the angle u, the horizontal beam 50, as in FIG
Fig. 5 is shown schematically, deflected upwards by the lenses 40, 41, by the pecan prism
44 inclined again, and this inclination is reversed by the lenses 42, 43 in such a way that the horizontal beam 50, after leaving the pair of lenses 42, 43, runs parallel to the axis 51 of the leveling instrument.
6 shows a modified embodiment in which lens pairs 60, 61 and 62, 63 are again provided. Of these, the converging lenses 61 and 62 are rotatable about a shaft 64. The collecting lenses
61 and 62 are again held in place by a weight 65. The diverging lenses 60 and 63 are fixed to the device. A device-fixed mirror prism 66 is arranged between the lens pairs 60,61 and 62,63, which directs the horizontal beam 67 vertically upwards. After leaving the lenses 62, 63, the horizontal beam 67 reaches a penta-prism 68 which has a roof edge 69. He leaves that
Penta prism 68 in the direction of the axis of the leveling instrument. This arrangement also causes a
Compensation of small inclinations of the leveling instrument with an image reversal.
7 shows a lens arrangement in which lens pairs 70, 71 and 72, 73 are assigned to one another with their flat surfaces. In order to achieve a summation of the wedge effects of the lens pairs 70, 71 and 72, 73, the converging lens 71 and the diverging lens 72 are again rotatably mounted about a shaft 74. The lenses 70 and 71 as well as 72 and 73 are at a small distance from one another, so that pendulum movements of the lenses 71 and 72 are possible. As can be seen, the inner lenses are pivotably mounted here and the outer lenses 70 and 73 are fixed to the device. These can also form a seal for the attachment so that dust, moisture, etc. cannot penetrate the interior of the device.
Fig. 8 shows a different combination of lens pairs 80, 81 and 82, 83. Here, too, the inner lenses 81 and 82, namely a converging lens and a diverging lens, are mounted oscillating about a shaft 84, and the outer lenses 80 and 83 are arranged fixed to the device. These lenses can also be the termination for an attachment. In contrast to the exemplary embodiment according to FIG. 7, the lenses 80 and 81 face one another with their curved surfaces, whereas the lenses 82 and 83 face one another with their flat surfaces.
In the devices according to FIGS. 7 and 8, the curved double lenses as focal-free systems result in a small telescope reduction corresponding to an inverted Galilean system. This means that a downstream leveling instrument is somewhat reduced in magnification.
This can be disadvantageous under certain circumstances. If one wants to compensate for this influence, it is necessary to connect a weak Galilean telescope with exactly the opposite effect between the attachment system according to FIGS. 7 and 8 and the downstream leveling instrument.
9 shows a once again modified arrangement of lenses 90, 91 and 92, 93, in which the inner lenses 91 and 92 can again be rotated about a shaft 94 and the outer lenses 90 and 93 are arranged fixed to the device. The lenses of the pair 90, 91 as well as the lenses of the pair 92, 93 face one another with their curved surfaces in this embodiment.
FIG. 10 shows an embodiment in which the negative lenses of two lens pairs provided are mounted in a pendulum fashion.
In FIG. 11, a telescope 102 is rotatably attached to height-adjustable feet 100. The telescope 102 has an objective 103, a reticle 104 and eyepiece lenses 105. In the lower part of the telescope housing 106, a penta prism 107 with a pair of rotating glass wedges 108 and a window 109 are attached. The telescope can be adjusted approximately vertically by means of a circular level 110.
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If the optical axis of the telescope is exactly vertical, the aiming beam 111 leaves the telescope in an exactly horizontal direction. When the part 106, which is firmly connected to the telescope 102, is rotated, the horizontal beam 111 describes a horizontal surface.
In order to become independent of the exact vertical adjustment of the optical axis, lens pairs 112, 113 and 114, 115 are provided in FIG. 11 to compensate for small inclinations. The lenses 112 and 115 are firmly connected to the housing. The lenses 113 and 114 are mounted in an oscillating manner. The lenses 113 and 114 oscillate due to their gravity around the kinks 116 and 117 on reinforced nylon threads. Three such threads are provided, but only thread 120 of which can be seen in FIG. This suspension compensates for all conceivable deviations of the device from a vertical direction.
By turning the handwheel 118, it is possible to initiate a rotary movement of the device via the drawn bevel and spur gears, which makes it possible to adjust the telescope in any direction.
PATENT CLAIMS:
1. A leveling instrument in which at least one afocal optical system with partially oscillating optical members is provided in front of the telescope to compensate for small inclinations of the instrument, characterized by n pairs of lenses (where n = 1) each complementing an afocal system, of which one lens is fixed to the device and the other is pivoted about an axis perpendicular to the optical axis, so that when the device is tilted, the lenses of each pair move against each other on the one hand and form an optical wedge on the other, and the sum of all products is formed from the distance of the principal point of each pendulum lens from its pivot point and its refractive power is equal to 1.