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Einrichtung zur Entfernungsmessung
Beim optischen Entfernungsmessen im Rahmen von Vermessungen mit der Messlatte am Ziel ist es wünschenswert, dass man auf der Messlatte (in cm) unmittelbar die waagrechte Entfernung des Instrumentes vom Ziel (in m, ablesen kann, denn sonst ist es notwendig, jede geneigt gemessene Entfernung auf die Waagrechte zu reduzieren, indem man sie mit trigonometrischen Funktionen des Höhenwinkels multipliziert, die entsprechenden Tafeln entnommen werden. Um diese Arbeit zu ersparen, wurden Instrumente konstruiert, die durch mechanische Mittel die Reduktion durchführten, darunter solche, die das gleiche durch Kombination optischer Elemente mit mechanischem Antrieb erreichten, was zu einer erheblichen Steigerung der Messgenauigkeit führte.
Bei Instrumenten letzterer Art, soweit sie Eingang in die Praxis gefunden haben, besteht der optische Teil der Reduktionseinrichtung aus zwei drehbaren achromatischen Keilen vor dem Fernrohrobjektiv, die einen Teil von dessen Eintrittspupille abdecken. Durch einen mechanischen Antrieb werden die Keile, jeder in anderem Sinne, um den Höhenwinkel inkel (cp) verdreht. Wenn der distanzmessende Winkel bei waagrechter Visur durch ct, tg ct'-ct (= 1/100) gegeben ist, so wird dieser Winkel bei Neigung der Visur um den Höhenwinkel () auf den Wert
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verkleinert.
Es sei D die waagrechte Entfernung, L die Lattenablesung, dann ist
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so ist aber auch der Winkel, um den sich die Keile verdrehen. Wenn in der mechanischen Übertragung dieses Winkels oder in der Einstellung der mechanischen Übersetzung für waagrechte Visur der Fehler dcp ist, dann gilt :
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Daraus ist zu sehen, dass ein solcher Fehler sich bei wenig geneigten Visuren kaum äussert, aber dass sein Einfluss auf das Messresultat mit dem Höhenwinkel rasch wächst.
Von den Einrichtungen dieser od. ähnl. Art abweichend, ist ein anderer Vorschlag bekannt geworden, bei dem der distanzmessende Winkel nicht durch Glaskeile, sondern durch zwei einander zugekehrte Spiegelflächen erzeugt wird, die bei waagrechter Visur miteinander den halben distanzmessenden Winkel einschliessen, der sich beim Neigen des Fernrohres mittels eines mechanischen Antriebes ändert. Dieser Vorschlag wurde bisher praktisch nicht ausgeführt, offenbar deshalb, weil der Winkel < x* = cxcos sich kaum mit der erforderlichen Genauigkeit realisieren lässt. Dieser Vorschlag bedeutet eine Rückkehr zu den angeführten alten mechanischen Lösungen und das noch mit dem Nachteil, dass jede Abweichung im Winkel zwischen den Spiegelflächen sich im distanzmessenden Winkel doppelt auswirkt.
Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um eine Einrichtung zur Entfernungsmessung mit horizontaler Basis am Ziel und. einem konstanten parallaktischen Winkel zwischen den von den Endpunkten der Basis kommenden Strahlenbündeln, deren eines unmittelbar in Richtung der optischen Achse des Messfernrohres verläuft und deren anderes durch eine vor dem Messfernrohr angeordnete Anordnung von zwei unter dem halben konstanten parallaktischen Winkel zueinander geneigten Spiegelflächen eben-
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falls in Richtung der optischen Achse abgelenkt wird, so dass im Messfernrohr zwei proportional der zu messenden Entfernung gegeneinander verschobene Bilder der Basis entstehen.
Die erfindungsgemässe Ein- richtung zum Entfemungsmessen ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass die beiden spiegelnden
Flächen gemeinsam um eine horizontale, zur optischen Achse des Fernrohres normale Achse drehbar sind und bei beliebig geneigtem Verlauf der optischen Achse des Fernrohres mittels einer mit ihnen verbun- denen Libelle oder automatisch vertikal eingestellt werden können.
Die Vorteile, welche die Einrichtung zur Entfernungsmessung gemäss der Erfindung mit sich bringt, lassen sich in folgende Punkte zusammenfassen :
1) Der distanzmessende Winkel muss beim Neigen der Visur nicht erst reduziert werden, sondern geht unabhängig vom Höhenwinkel der Visur vom Instrument stets mit gleicher Grösse ein. Im Gegensatz zu den Glaskeilen vollführt das den distanzmessenden Winkel erzeugende Element keine Drehung relativ zum
Ziele.
2) DiesesElement ist für sich unveränderlich, und deshalb ist es auch die Genauigkeit des distanzmessenden Winkels. Sie ist unabhängig von den unvermeidlichen Ungenauigkeiten der mechanischen Übersetzungen, die bei den beschriebenen bekannten Einrichtungen den distanzmessenden Winkel veränderlich machen, ganz besonders aber im Gegensatz zu dem erwähnten Vorschlag zweier Spiegelflächen mit ver- änderlichem Winkel zueinander.
3) Die Genauigkeit der Grösse des distanzmessenden Winkels ist beim Gegenstand der Erfindung von der Neigung der Visur unabhängig und ist in bezug auf die Einstellung der Lage des distanzmessenden Elementes am Messinstrument unempfindlich, was im weiteren noch begründet werden wird.
4) Daraus geht hervor, dass die automatische (senkrechte) Einstellung des distanzmessenden Elementes keiner aussergewöhnlichen mechanischen Präzision bedarf, im Gegensatz zu den beschriebenen bekannten Einrichtungen, bei denen der Antrieb der drehbaren Keile mit äusserster Genauigkeit durchgeführt sein muss.
5) Die den Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung bewirkt die Ablenkung der Lichtstrahlen zwecks Erzeugung des distanzmessenden Winkels allein durch Spiegelung. Demgegenüber verwenden die erwähnten bekannten Einrichtungen hiezu Lichtbrechung in Glaskeilen, sofern sie praktisch ausgeführt wurden. Dabei kann zwar die chromatische Aberration genügend, wenn auch niemals völlig, beseitigt sein, keineswegs jedoch der Astigmatismus, der die Schärfe der Zeichnung ungünstig beeinflusst, was sich beim Beobachten als merkliche Labilität des optischen Eindruckes äussert.
6) Die den Gegenstand der Erfindung bildende Einrichtung ist mit Rücksicht auf das Gesagte wesentlich einfacher und billiger herstellbar. Es entfallen im Vergleich zu den bekannten, praktisch ausgeführten Einrichtungen die chromatische Korrektur der Glaskeile, deren präzise, drehbare Lagerung, der präzise, komplizierte Mechanismus zum Antrieb der Keile und endlich das zweimal reflektierende Prisma, das jene Strahlen in die Eintrittspupille des Objektives hineinlenkt, die durch die Keile hindurchgehen.,
Die Erfindung soll nun an Hand der Zeichnung näher beschrieben werden, in welcher Fig. 1 eine schematische Seitenansicht der erfindungsgemässen Einrichtung zeigt, Fig. 2 ist ein Schnitt im Grundriss, Fig. 3 veranschaulicht die Verwendung der Einrichtung, dargestellt im Grundriss, Fig. 4 ist ein Schnitt im Grundriss einer besonderen Ausführung der Spiegelflächen.
Das Fernrohr 1 des Messinstrumentes mit dem Objektiv 2 und dem Okular 3 ist im nicht gezeichneten Fernrohrträger um die waagrechte Achse 4 kippbar. Die Fadenkreuzebene ist mit 5 bezeichnet. Die erfindungsgemässe Entfernungsmesseinrichtung ist bei der gezeichneten Ausführungsform als Aufsatz auf das Fernrohr eines Messinstrumentes gedacht, sie kann jedoch auf das Messinstrument ebenso gut von vornherein fest aufgebaut sein. Sie befindet sich In einer Fassung 6, die mittels der Zapfen 7 drehbar gegen- über dem Ring 8 gelagert ist. Dieser wird auf das Fernrohr aufgesetzt. Die Fassung 6 ist mit einer Libelle 9 versehen.
In der Fassung sind zwei Spiegelflächen untergebracht, u. zw. so, dass die Spiegelfläche 10 unter 450 gegen die Vertikalebene durch die Fernrohrachse geneigt ist und ihre spiegelnde Seite dem Objektiv zukehrt. Die zweite Spiegelfläche 11 befindet sich ausserhalb der Eintrittspupille des Fernrohres und ihre spiegelnde Seite ist vom Objektiv abgekehrt. Die Fläche 11 schliesst mit der Fläche 10 den halben distanzmessenden Winkel < x/2 ein. Beim Messen sind die Ebenen der Flächen 10 und 11 stets lotrecht.
Wie in Fig. 4 angedeutet, können die Spiegelflächen 10 und 11 als Flächen eines Glaskörpers ausgeführt werden. Dieser ist in einem Schnitt im Grundriss gezeichnet und besteht aus zwei Teilen 13 und 14. Die Spiegelung an Fläche 10 wird durch Versilbern erreicht ; an der Fläche 11 ist die Reflexion bei ge- eigneter Wahl eines höheren Brechungsindex total. Gegenüber der Fläche 11 muss eine unter dem Winkel cx angeschliffene Facette vorgesehen sein, damit die Lichtstrahlen senkrecht und ohne Brechung in den Glaskörper eintreten können.
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Aus den Fig. 2 und 3 ist zu sehen, wie die Einrichtung arbeitet. Zwei (nahezu parallele) Strahlen- bündel 15 und 16 gehen von zwei Punkten 17 und 18 der waagrechten Latte 19 aus und vereinigen sich in einem Punkte 20 in der Fadenkreuzebene 5 des Fernrohres l. Dort entsteht ein Doppelbild der Latte. Wenn
Punkt 17 der Ableseindex (Nullpunkt des Nonius od. dgl.) auf der Latte ist, so deckt er sich im Doppelbild mit dem Punkt 18 der Lattenteilung. Die Strecke 17 - 18 kann abgelesen werden. Diese Art der Ablesung ist die gleiche wie bei den früher beschriebenen bekannten Distanzmesseinrichtungen. Die abgelesene
Strecke ist der Entfernung der Latte vom sogenannten anallaktischen Punkt 21 verhältnisgleich. Falls die- ser Punkt 21 nicht in die Kippachse des Fernrohres fällt, ergibt sich eine Additionskonstante k.
Diese kann durch eine kleine Verschiebung des Index auf der Latte eliminiert werden.
Der distanzmessende Winkel wird am besten mit
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gewählt, damit 1 cm auf der Latte 1 m der Entfernung entspricht. Falls es nicht gelingt, bei der Herstellung die Spiegelflächen 10 und 11 genau um a/2 = 1/200 gegeneinander zu neigen, ist es möglich, den Teilungsmassstab der Latte dem wirklich erreichten Winkel anzugleichen. Falls die Flächen 10 und 11 als Flächen des beschriebenen Glaskörpers ausgeführt werden, ist es deshalb notwendig, die Facette 12 anzuschleifen, dass die Lichtstrahlen senkrecht und ohne Brechung in den Glaskörper eintreten, um Aberrationen zu vermeiden.
Auch bei geneigter Visur bleibt, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, die Fassung 6 in senkrechter Lage. Die zu dieser Einstellung nötigen Stell-und Feinstellschrauben sind der Übersichtlichkeit wegen nicht gezeichnet. Die stets zu erreichende Senkrechtstellung der Fläche 10 und 11 wird an der Libelle 9 beobachtet.
Die Fassung 6 kann beim Kippen des Fernrohres auch automatisch stets senkrecht gehalten werden, z. B. durch ein auf die Achse 7 fest aufgesetztes Zahnrad, das über ein beliebiges Zwischenzahnrad an einem auf der Kippachse des Instrumentes aufgesetzten, feststehenden Zahnrad gleicher Grösse abrollt.
Dabei genügt die Genauigkeit handelsüblicher Zahnräder.
Das selbstreduzierende Prinzip der Entfernungsmessung besteht darin, dass sich beim Neigen des Fernrohres alle Lichtstrahlen vor dem Objektiv in senkrechten Ebenen bewegen (also gleichen Grundrisses), so dass auch der Grundriss des distanzmessenden Winkels sich nicht ändert. Auf diese Weise wird sogleich die Horizontalprojektion der Entfernung gemessen, die man in bezug auf die schräge Entfernung als reduziert bezeichnen kann.
Sind die Flächen 10 und 11 bei der Messung nicht genau senkrecht, sondern um die Achse 7 um den Winkel 6 gegenüber der Senkrechten geneigt (etwa infolge von Ungenauigkeit in der automatischen Senkrechteinstellung oder eines Fehlers der Libelle 9), so wird die gemessene Entfernung D statt auf eine waagrechte Ebene auf eine solche von der Neigung 6 reduziert. Der Fehler im Ergebnis beträgt dann :
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Wenn man zulässt
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also z. B. 1/2 mm auf 100 m Entfernung, was sehr wenig ist, so ergibt sich die Genauigkeit, mit der die Flächen 10 und 11 senkrecht stehen müssen :
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Diese Genauigkeit lässt sich jedenfalls leicht erreichen, womit sich die unter Punkt 3 des einleitenden Teiles der Beschreibung dargelegten Erkenntnisse als richtig erweisen.