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Lichtelektrisches Entfernungsmessgerät
Die Erfindung betrifft ein lichtelektrisches Entfernungsmessgerät, vorzugsweise zur Messung irdischer
Entfernungen von der Grössenordnung von Metern bis Kilometer.
Es ist bekannt, dass man irdische Entfernungen mit Zuhilfenahme der Bestimmung der bekannten und streng konstanten Lichtgeschwindigkeit messen kann. Die hiezu bisher vorgeschlagenen Methoden und Geräte waren aber mit dem Nachteil behaftet, dass dieselben die Entfernungsmessung durch Messung der
Frequenz oder der Phasendifferenz von Lichtimpulsen vornahmen. Die Genauigkeit der Entfernungsmes- sung hängt bei diesen Methoden und Geräten notgedrungen von der Genauigkeit der Konstanz der Grundfrequenz ab, und daher sind diese Methoden und Geräte zur praktischen Ausführung genauer Entfernungsmessungen wohl geeignet, doch ist die sehr strenge Konstanthaltung der Grundfrequenz mit Schwierigkei- ten verbunden, infolge welcher die Geräte verwickelt, schwer und sehr kostspielig sind.
Bekanntlich kann man nämlich streng genaue Frequenzen nur mittels solcher kristallgesteuerteroszillatoren herstellen, die zwecks Konstanthaltung ihrer Temperatur in einem Thermostat angeordnet sind. Diese Hilfsvorrichtungen sind aber teuer, umfangreich und verwickelt und verursachen daher infolge ihres Vorhandenseins die obengenannten Nachteile.
Es ist ferner bekannt, Entfernungsmessungen durch Messung der Phasendifferenz der dem Gerät entsandten Mikrowellen vorzunehmen, deren Wellenlängen in der Grössenordnung des Zentimeters liegen. Hiebei treten aber verschiedene praktische Schwierigkeiten auf, wodurch die Genauigkeit der Messung ziemlich begrenzt ist.
Es ist ausserdem auch ein Verfahren zurEntfernungsmessung bekannt, bei welchem durch Veränderung der Frequenz der ausgestrahlten Impulse zwischen dem ausgestrahlten Impuls und dem reflektierten Impuls eine Koinzidenz hervorgebracht wird. Bei diesem Verfahren ist aber die Messgenauigkeit ebenfalls von der Genauigkeit der Frequenz der ausgestrahlten Impulse abhängig, und deshalb sind die Vorrichtungen zur Durchführung desselben ebenfalls mit den hiedurch bedingten obengenannten Nachteilen behaftet.
Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass die Messung umso genauer sein kann, je geringer die Wellenlänge der zur Messung benützten Strahlung ist, und dass es daher vorteilhaft ist. zur Messung Lichtstrahlen zu benützen, aber mittels eines solchengerätes, bei Verwendung dessen die obengenannten praktischen Schwierigkeiten vermieden werden.
Mittels des erfindungsgemässen Gerätes werden die Entferungen zwischen zwei irdischen Punkten derart gemessen, dass aus dem Gerät Lichtstrahlimpulse ausgesandt, diese Impulse durch einen an dem entfernten Punkt, dessen Entfernung vom Gerät zu messen ist, angebrachten Spiegel in das Gerät zurückreflektiert werden und die zu messende Entfernung aus derjenigen Zeitdifferenz bestimmt wird, welche zwischen den die zu messende Entfernung doppelt durchlaufenden Lichtstrahlimpulsen und den im Gerät selbst verlaufenden Lichtstrahlimpulsen infolge der endlichen Geschwindigkeit des Lichtes bei der Erreichung der Wabrnehmeorgane des Gerätes durch beide Reihen obiger Impulse vorhanden ist.
Bei einer solchen Messmethode kann man Lichtimpulse beliebig kurzer Wellenlänge verwenden, und die Genauigkeit der Messung ist beim erfindungsgemässen Gerät von der zu messenden Entfernung praktisch unabhängig. Dieselbe kann die Genauigkeit sämtlicher bisher bekannter irdischer Messmethoden übertreffen, ohne dass man hiezu die Frequenz bzw. Wellenlänge des zur Messung verwendeten Lichtes, oder die
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Frequenz der zur Messung benutzten, einer identischen Lichtquelle entstammende. Lichtimpulse streng konstant halten müsste.
All diese Vorteile werden mit dem erfindungsgemässen Gerät dadurch erreicht, dass das Gerat min- destens ein einstellbares Verzögerungsglied enthält, mittels welchem durch einstellbare Verlängerung der j Durchlaufzeit der im Gerät selbst verlaufenden Impulse diese Impulse mit den die zu messende Entfernung doppelt durchsetzenden Impulsen in zeitliche Koinzidenz gebracht werden können. Hiebei enthält das
Gerät einen Koinzidenzverstärker, dem beide in elektrische Impulse umgewandelten Lichtimpulse zu- geleitet werden, und der bekanntlich nur im Fall der Koinzidenz der beiden Impulse bzw. Impulsreihen anspricht. An diesem Koinzidenzverstärker ist ein Anzeigegerät angeschlossen, weiches die tatsächlich t erreichte Koinzidenz anzeigt.
Da nun ein eindeutiger Zusammenhang zwischen der durch das Verzöge- rungsglied oder die miteinander in Reihe geschalteten mehreren Verzögerungsglieder hervorgerufenen
Verzögerung und der Lage der Einstellmittel dieser Verzögerungsglieder besteht, kann die zu messende
Entfernung einfach aus der Lage dieser Einstellmittel bestimmt werden. Zu diesem Zweck sind diese Ein- stellmittel zweckmässig als Zeiger ausgebildet, oder mit Zeigern od. dgl. verbunden, die entlang je einer i mit einer Entfernungsteilung versehenen Skala bewegbar sind, wobei dann die zu messende Entfernung un- mittelbar an dieser Skala abgelesen werden kann.
Zwecks Erhöhung der Messgenauigkeit durch Vermeidung vonAblesefehlern kann es. zweckmässig sein, mehrere miteinander in Reihe geschaltete Verzögerungsglie- der zu verwenden, deren Einstellorgane sich entlang solcher Skalen bewegen können, die Entfernungen ver- schiedener Grössenordnung, also z. B. Kilometer. Meter und Zentimeter anzeigen. Hiebei kann es zweck-
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rungsglieder die Summe der an den einzelnen Skalen abgelesenen Entfernungen. Zwecks Erhöhung der
Messgeschwindigkeit können die Lagen der obengenannten Zeiger bzw. Einstellorgane mitsamt der Anzeige des Anzeigegerätes photographisch, zweckmässig mittels eines selbsttätigen photographischen Apparates, registriert werden.
Hiedurch werden nicht nur subjektive Ablesefehler vermieden, sondern auch eine blei- bende Kontrolle der Messung ermöglicht.
Bei Verwendung des erfindungsgemässen Gerätes hängt die Messgenauigkeit dem Wesen nach nur von der Auflösungsfähigkeit des Koinzidenzverstärkers und von der Genauigkeit des Verzögerungsgliedes ab.
Da bekanntlich mit neuzeitlichen Koinzidenzverstärkern eine Auflösungsfähigkeit von 5 x 10 -10 sec er- reicht werden kann, und auch die Genauigkeit der Verzögerungsglieder sehr hoch getrieben werden kann, beträgt die Messgenauigkeit in diesem Falle etwa 10 cm und ist von der zu messenden Entfernung unabhängig. Bei der Messung von Entfernungen der Grössenordnung des Kilometers übertrifft daher die mit dem erfindungsgemässenGerät erreichbare Messgenauigkeit die mit den besten zur Zeit bekannten geodätischen Messgeräten erreichbare Genauigkeit. Ein weiterer Vorteil ist, dass die Messung mit dem neuen Gerät sehr wenig Zeit beansprucht und auch in der Nacht vorgenommen werden kann.
An den vomGerät entferntenpunkte, dessenEntfernung zu messen ist, ist ein die durch das Gerät ausgesandten Lichtstrahlimpulse reflektierender Spiegel in derselben Art anzubringen und auf das Gerät ein- zustellen, wie dies auch bisher bei mittels reflektierten Lichtstrahlen arbeitenden bekannten Messmethoden üblich war.
Zur Messung werden die im Gerät mittels eines entsprechenden Organs, z. B. mittels eines Doppelspiegels oder durch ein Doppelprisma geteilten Lichtstrahlen einer entsprechenden Lichtquelle, z. B. einer Hochdruck-Quecksilberdampflampe benützt. Das durch diese Lichtquelle entsandte kontinuierliche Lichtstrahlenbündel wird in eine Reihe bzw. zwei oder mehrere Reihen von kurz nacheinanderfolgenden Licht impulsen geteilt. Eine dieser Reihen wird dem Gerät entsandt und nach doppelter Zurücklegung der zu messenden Entfernung, die andere Reihe hingegen unmittelbar dem Impuls Verstärker zugeleitet.
Die einzelnen Impulse dieser Impulsreihe folgen recht rasch nacheinander, etwa in einem Zeitintervall von 10- bis 10. sec, und die Impulszeitdauer, d. h. die Zeitdauer der einzelnen Impulse, beträgt zwischen etwa 10'7 -5 X 10-10 sec, jeweils von der zu messenden Entfernung abhängig gewählt. Zur Erreichung von so kurzen Impulszeitdauern wird zweckmässig ein Oszillograph-oder ein Drehspiegel verwendet. Die vom Spiegel bzw. von den Spiegeln dieser Geräte reflektierten Lichtstrahlen durchlaufen einen schmalen Spalt vorteilhaft einstellbarer Spaltbreite.
Infolge der grossen Geschwindigkeit, mit welcher das Lichtstrahlenbündel diesen Spalt senkrecht zu seiner Längsrichtung bestreicht, wird hiedurch der Lichtstrahl in eine Reihe kurz nacheinanderfolgener Impulse zerlegt, bei denen die Zeitdauer der Impulse selbst bedeutend kürzer als die Zeitdauer der Intervalle zwischen zwei nacheinanderfolgenden Impulsen ist, damit ein entsandterImpuls nach seinem doppelten Durchlaufen der zu messenden Entfernung das Gerät erreichen kann,
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bevor der nächste Impuls das Gerät verlässt. Die derart beschaffene Impulsreihe gelangt dann auf das Tei- lungsorgan, z. B. auf den Doppelspiegel oder das Doppelprisma, welches die Teilung dieser Lichtimpuls- reihe besorgt.
Hiebei ist zu bemerken, dass diese Lichtimpulsreihe auch in mehr als zwei Teile geteilt und dem i Gerät auch zwei oder mehrere Impulsreihen zu zwei oder mehreren entfernt liegenden Punkten entsandt werden können. In diesem Falle wird ein mehrfacher Koinzidenzverstärker verwendet, der bei Koinzi- denz je eines Paares der ihm zugeleiteten Lichtstrahlimpulsreihen anspricht. Solche Geräte können vor- teilhaft zur Höhenmessung nebst Entfernungsmessung verwendet werden, wenn man im Gerät auch den- jenigen Winkel misst, welcher durch die zwei dem Gerät entsandten Lichtimpulsreihen eingeschlossen ) wird. Eine dieser Lichtimpulsreihen wird nach einem ersten entfernten Punkt, und die andere Lichtim- pulsreihe einem zweiten entfernten, höher oder niedriger als der vorerwähnte erste Punkt liegenden Punkt entsandt.
Aus den derart bestimmten Entfernungen kann die Höhendifferenz der entfernten Punkte in be- kannter Weise berechnet werden. Ein solches Gerät enthält daher Einrichtungen zur Aufteilung des Lichtes der Lichtquelle in mehrere Paare von Bündeln von Lichtstrahlimpulsen und zur Entsendung je eines dieser ! Lichtbündel je Paar in verschiedenen Richtungen und ein Winkelmessgerät zur Messung der von den dem
Gerät entsandten Lichtstrahlenbündeln eingeschlossenen Winkel.
Als Verzögerungsglieder werden im neuen Gerät zumeist elektrische bekannte Verzögerungsglieder verwendet, welche bekanntlich eine Selbstinduktion und eine Kapazität enthalten. Zur Veränderung der mittels dieser Glieder erreichten Verzögerung werden mit dem Einstellglied vorzugsweise die obenge- nannte Kapazität und Selbstinduktion gleichzeitig verändert.
Das Prinzip der optischen Verzögerung eines Teiles des Strahlungsganges ist auf mehreren Gebieten der Optik bekannt und wird z. B. auch bei Interferometem verwendet. Gemäss der vorliegenden Erfindung kann ein optisches Verzögerungsglied zur Feineinstellung der Verzögerung ebenfalls vorteilhaft Verwen- dung finden. Es ist erfindungsgemäss daher oft vorteilhaft, mit einem oder mehreren elektrischen Ver- zögerungsgliedern ein optisches Verzögerungsglied in Reihe zu schalten. Dieses besteht in bekannter Weise aus zwei Planspiegeln, die sich in einer Entfernung von einigen Zentimetern bis Dezimetern voneinander befinden und miteinander einen sehr geringen, vorzugsweise einstellbaren Winkel einschliessen.
Der an einen dieser Spiegel am Ende desselben in entsprechendem Winkel gelangende Lichtstrahl wird in einer
Zickzacklinie zwischen den beiden Spiegeln wandern, und verlässt dieses Spiegelsystem am andern Ende desselben mit einer dem innerhalb desselben durchlaufenen Weg entsprechenden zeitlichen Verzögerung.
Als Anzeigegerät des Koinzidenzverstärkers kann z. B. ein Galvanometer oder eine Kathodenstrahl- röhre verwendet werden. Im letzteren Fall enthält der Schirm derselben vorteilhaft eine Höhenskala, an welcher die die Koinzidenz anzeigende Linie des Lichtpunktes der Röhre bezüglich ihrer Höhe mit einer bekannten "Marker-Linie" verglichen werden kann, wodurch es ermöglicht wird festzustellen, ob die
Koinzidenz tatsächlich vollständig erreicht ist oder nicht. Die Koinzidenz ist nämlich dann vollständig
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"Marker-Linie" amDiese Ausführungsform des Gerätesermöglicht eine besonders genaue Messung, insbesondere wenn mit dem elektrischen Verzögerungsglied auch ein optisches Verzögerungsglied in Reihe geschaltet ist.
Dies kann z. B. in vorteilhafter Weise so erfolgen, dass das Einstellorgan des optischen Verzögerungsgliedes den Winkel zwischen den beiden Spiegeln desselben verstellt und sofort im Entfernungsmassstab ablesbar ist. Selbstverständlich werden die Lichtimpulse in elektrische Impulse erst nach dem Verlassen des optischen Verzögerungsgliedes umgewandelt.
Das erfindungsgemässe Gerät wird nachstehend im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher beschrieben, welche den schematischen Aufbau zweier Ausführungsbeispiele des Gerätes nebst seiner Verwendung veranschaulichen, u. zw. zeigt Fig. l die allgemeine Anordnung und Fig. 2 den Zusammenbau der Bestandteile zum Gerät.
In Fig. 1 werden die Lichtstrahlen von der Lichtquelle 1 erzeugt und gelangen zum Drehspiegel 2, durch dessen Spiegel sie auf den Doppelspiegel 3 geworfen werden. Ein Teil des hier geteilten Lichtstrahlenbündels, das schon aus einer Reihe nacheinanderfolgender Impulse besteht, da in das Gerät 2 auch der Schlitz eingebaut ist, gelangt auf den Spiegel 4, der andere Teil auf den Spiegel 5. Vom Spiegel 4 gelangen die Lichtimpulse auf das sehr lichtstarke optische System 6, z. B. die dargestellte SchmidtOptik oder ein entsprechendes Linsensystem, und werden durch dasselbe dem Gerät entsandt.
Im entfernten Punkte, dessen Entfernung zu messen ist, befindet sich der Planspiegel 7 oder ein entsprechendes Spiegelsystem. Hiedurch werden die Lichtstrahlimpulse in das Gerät zurückgeworfen, u. zw. in die Empfangsoptik 8, z. B. ein Schmidt-System. Die zu messende Entfernung ist daher die mit der
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gestrichelten Linie bezeichnete Entfernung zwischen den Punkten A und B. Von der Optik 8 gelangen die Lichtstrahlimpu15e in den photoelektrischen Elektronenvervielfacher 9 und von hier in Gestalt elektrischer
Impulse in den Koinzidenzverstärker 10.
Das unmittelbar im Gerät verlaufende Impulsreihenbündel wird durch den Spiegel 5 auf den photo- elektrischenElektronenvexvielfacher 11 geworfen und gelangt von dort über das einstellbare Verzögerungs- glied 12 in der Gestalt elektrischer Impulse in den Koinzidenzverstärker 10, an welchem das Anzeige- gerät 13 angeschlossen ist.
Der Koinzidenzverstärker kann beliebiger geeigneter Bauart sein. Einige geeignete Bauarten sind z. B. im Werke"Millimicrosecond Pulse Techniques"von I. A. D. Lewis & F. H. Wells (Ausgabe 1954, S. 259). beschrieben. In demselben Werke sind auch Verzögerungsglieder beschrieben, die als das Verzögerungsglied 12 verwendet werden können.
Das oben erwähnte optische Verzögerungsglied, welches gegebenenfalls zur Anwendung kommen kann, ist in der Zeichnung nicht dargestellt und kann in den Strahlengang, z. B. zwischen dem Spiegel 5 und dem Elektronenvervielfacher 11, eingefügt sein. Es ist somit mit dem elektrischen Verzögerungsglied 12 in bezug auf die gemeinsam erreichte Verzögerung in Reihe geschaltet.
Im Falle der Messung von kurzen Entfernungen, bei denen also die Lichtquelle 1 keine sehr hohe Leuchtdichte haben muss, kann die Lichtquelle 1 und der Drehspiegel 2 auch durch eine Kathodenstrahlenröhre ersetzt werden, deren Lichtpunkt am Schirm mit grosser Geschwindigkeit durch die mit hoher Frequenz gespeisten Ablenkplatten bewegt wird, aber auf den Doppelspiegel 3 nur durch das Loch eines vorteilhaft im Mittelpunkt der Bewegung des Lichtpunktes am Schirm angebrachten Diaphragmas gelan- gen kann.
In Fig. 2 bedeuten die mit den in Fig. 1 verwendeten identischen Bezugszeichen identisch wirkende Bestandteile. Bei diesem Gerät gelangen also die Lichtstrahlen von der Lichtquelle 1 auf den Spiegel eines Oszillographen 2, der die Lichtstrahlen durch den einstellbaren Schlitz der Blende 14 auf den Doppelspiegel 3 wirft. Wird nun der Oszillograph 2 z. B. mit einer Wechselspannung gespeist, deren Frequenz 50 KHz beträgt, und derart eingestellt, dass der Lichtpunkt in der Ebene der Blende 14 einen Weg von z. B. 50 cm zurücklegt, kann hiemit eine recht geringe Impulszeitdauer erreicht werden. Wenn die Schlitzbreite z. B.
0, 01-0, 02cmbeträgt, ergibtsicheineImpulsdauerfürdieeinzelnenLichtimpulsevonetwa0, 5x 10-8 sec.
Der weitere Verlauf der geteilten Lichtimpulse ist mit dem in Fig. 1 dargestellten Verlauf identisch, da ja beide Geräte dieselbe Wirkungsweise haben. Beim Gerät gemäss Fig. 2 ist aber das Einstellglied des Verzögerungsgliedes 12 samt seiner Skala derart neben dem Anzeigegerät 13 des Koinzidenzverstärkers 10 angeordnet, dass beide durch die Lichtstrahlen der Lichtquelle 15 beleuchtet und gleichzeitig und gemeinsam durch das photographische Gerät 16 bei Erreichung der Koinzidenz photographiert werden können.
Das Gerät 16 ist zweckmässig derart ausgeführt, dass nach Erreichung der Koinzidenz der Druck eines Knopfes genügt, um die Aufnahme zu machen und den Film für eine weitere Aufnahme weiterzubewegen. Die Lichtquellen'1 und 15 werden durch eine gemeinsame Stromquelle 17 gespeist, während die zur Speisung des Oszillographen 2 erforderliche Wechselspannung in der Wechselspannungsquelle 18 erzeugt wird. Die Geräte 17 und 18 sind einfachheitshalber durch Rechtecke in der Zeichnung dargestellt, da diese Geräte beliebiger bekannter Art sein können. Ihre Verbindungsleitungen mit den Geräten 1 und 15 bzw. 2 sind in der Zeichnung zwecks Vereinfachung derselben nicht dargestellt.
Soll das Gerät gemäss Fig. 2 auch zur Höhenmessung geeignet sein, wird in dasselbe neben dem optischen System 6 ein weiteres optisches Sendesystem, und neben dem optischen Empfangssystem 8 ein weiteres optischesEmpfangssystem eingebaut. Dem Impulsverstärker 10, der in diesem Falle ein Mehrfacherstärker ist, werden sämtliche elektrische Impulsreihen zugeführt, die in dem Gerät durch die photoelektri- schenElektronenvervielfacher erzeugt werden. Ausserdem enthält ein solches Gerät auch ein mit den beiden optischen Sendesystemen verbundenes Winkelmessgerät beliebiger geeigneter Art, mittels welchen der Winkel, den die beiden dem Gerät entsandten Lichtstrahlimpulsbündei miteinander einschliessen, mit entsprechender Genauigkeit gemessen werden kann.
Selbstverständlich kann das erfindungsgemässe Entfernungsmessgerät in sehr verschiedenen Ausfüh- rungsformen hergestellt werden und daher ist die Erfindung keineswegs auf obige Beispiele eingeschränkt.
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