Appareil pour la mesure d'angles La présente invention a pour objet un appareil pour la mesure d'angles et a pour but de permettre de mesurer avec une grande exactitude la distance angulaire entre une paire d'objets ou l'étendue du mouvement angulaire d'un organe rotatif à partir d'un point fixe. La mesure de la distance des objets ou du mouvement de l'organe est faite _ en se référant à une échelle qui est présentée à l'infini.
Le système optique de l'appareil est, par conséquent, exempt de parallaxe et des erreurs de lecture de l'échelle n'apparaissent pas même si le point à partir duquel l'échelle est lue n'est pas déterminé de façon précise par rapport à ladite échelle.
L'appareil selon l'invention est caractérisé en ce qu'il comprend une échelle disposée sur une surface de révolution, des moyens opti ques disposés de telle manière par rapport à l'échelle qu'ils forment une image de celle-ci à l'infini, des moyens pour maintenir fixes les positions relatives de l'échelle et les moyens optiques, et des moyens pour observer l'échelle à partir d'un point situé au moins approximativement à son centre de courbure, l'échelle étant fixée dans une position repère connue.
Le dessin annexé représente, à titre d'exem ple, deux formes d'exécution de l'appareil faisant l'objet de la présente invention. La fig. 1 est une vue en plan avec parties brisées représentées en coupe de la première forme d'exécution. La fi-. 2 est une vue en coupe par la ligne 2-2 de la fig. 1. Les fig. 3 et 4 sont des vues semblables à la fig. 2 dans deux positions différentes d'un des organes de l'appareil. Les fig. 5 et 6 sont des vues schématiques correspondant aux fig. 3 et 4 respectivement mais prises à angle droit par rapport à cel les-ci.
La fig. 7 est une vue en perspective de la deuxième forme d'exécution de l'appareil. La fig. 8 est une coupe schématique ver ticale de l'appareil représenté à la fig. 7 dont certaines parties ont été supprimées. L'appareil représenté aux fig. 1 et 2 est semblable à un théodolite et comprend une paire de bras 10, 11 montés sur un support ou socle approprié et comportant des paliers respectifs 12 et 13 du type à douille bien que des paliers du type antifriction puissent être utilisés.
Plusieurs goujons 14 fixés aux bras 11 s'étendent d'une façon générale parallèlement à l'axe commun des paliers et portent à leurs extrémités extérieures une plaque 15 s'éten- dant normalement audit axe commun. Les goujons portent également des bras 16 s'éten dant radialement et supportant une bande 17 ayant une forme se rapprochant de celle de la zone équatoriale d'une sphère concentrique à l'axe des paliers avec une échèlle inscrite sur sa surface intérieure.
Un second groupe de bras 18 fixés à la bande 17 s'étendent vers l'axe des paliers et supportent des bras 19 qui portent, à une extrémité, une plaque 20, s'éten dant parallèlement à la plaque 15, et, à l'autre extrémité, un télescope 21. L'échelle sur la bande 17 est en face de l'espace séparant les plaques 15 et 20.
Dans l'appareil représenté aux fig. 1 et 2, l'organe dont le déplacement angulaire doit être mesuré, est un télescope 22 ayant un tube avec des tourillons coaxiaux 23 et 24 s'étendant .de chaque côté du tube, à angle droit par rapport à l'axe de celui-ci et étant supportés dans les paliers 12 et 13 respecti vement. Le tourillon 24 traverse son palier 13 et sa face d'extrémité opposée au télescope 22 est plane et taillée suivant un angle de 45 par rapport à l'axe commun des tourillons. Cette face s'étend perpendiculairement à un plan passant par les axes des tourillons et du télescope 22 ; elle est argentée de manière à former un miroir 25.
Une pièce de verre 26, qui a la même section circulaire que le tou rillon 24 et qui présente à une extrémité une face également inclinée suivant un angle de 45 par rapport à son axe, est montée de manière à s'étendre avec ladite face inclinée opposée au miroir 25. La face extérieure 26a de l'élément de verre opposée à ladite face inclinée, est plane et s'étend normalement à l'axe des tourillons et en regard de l'extrémité adjacente du télescope 21.
Un dispositif collimateur est constitué par une lentille annulaire 27 montée entre les pla ques 15 et 20 et entourant les faces inclinées du tourillon 24 et de la pièce de verre 26. Cette lentille comporte une surface intérieure cylindrique 27a s'étendant coaxialement aux paliers et une surface extérieure sphérique 27b ayant un centre côincidant avec le centre de courbure de l'échelle 17.
Bien que le rayon de la surface 276 soit représenté égal à la moitié de celui de l'échelle 17, cette relation n'est pas nécessaire et l'essentiel est que l'échelle 17 s'étende au foyer de la lentille 27 et que, par conséquent, la lumière provenant d'un point P sur l'échelle soit collimatée en passant à travers la lentille 27 comme repré senté par les lignes en trait mixte aux fig. 1, 5 et 6.
La pièce 26 et la lentille 27 sont en un verre présentant le même indice de réfrac tion et l'espace entre la surface intérieure de la lentille et les surfaces du tourillon 24 et de la pièce 26, peut être rempli d'un film de liquide d'étanchéité optique 28 maintenu en place, par exemple, par des anneaux de caout chouc 29 placés dans des canaux circonféren- tiels ménagés sur les plaques 15 et 20 et s'appuyant contre les surfaces du tourillon 24 et de la pièce de verre 26 respectivement.
Si les différents organes sont ajustés de façon étanche, le liquide d'étanchéité peut être éli miné puisque la mince lentille d'air cylindrique laissée par la suppression du liquide ne pro voque pas une aberration sensible. Lorsqu'un liquide d'étanchéité est utilisé, son indice de réfraction est de préférence le même que celui des éléments de verre. Dans la forme d'exé cution décrite, la lumière provenant de l'échelle 17 et traversant la lentille 27 et la pièce 26 reste collimatée en quittant la face 26a et en entrant dans le télescope 21. L'image de l'échelle se trouve à l'infini lorsqu'elle est vue à travers le télescope 21.
Les télescopes 21 et 22 contiennent des fils croisés dans une position fixe les uns par rapport aux autres de sorte que lorsque les fils croisés du télescope 22 sont fixés sur un objet et que l'échelle est ensuite examinée à travers le télescope 21, la position de l'objet sur l'échelle peut être déterminée. L'échelle et l'objet étant, en effet, à l'infini, l'exactitude avec laquelle le télescope 22 est monté et centré par rapport au télescope fixe 21 et le reste du système optique n'a pas d'importance. Le télescope 21 permet à un observateur de voir l'échelle à partir d'un point au centre ou à proximité du centre de l'échelle, et ceci évite l'effet des erreurs de montage et de centrage du télescope 22 comme il ressort de ce qui va suivre.
Si une lecture sur l'échelle est faite au moyen du télescope 21 à un moment où les tourillons 23 et 24, les paliers 12 et 13 et l'échelle 17 sont exactement coaxiaux, la lumière provenant d'un point P sur l'échelle est collimatée par la lentille 27 et tombe sur le miroir 25 où elle est réfléchie. La lumière collimatée pénètre ensuite dans le télescope 21 où est formée l'image du point qui peut être examinée à travers l'oculaire du télescope.
Cependant si au moment de faire la lecture les tourillons, les paliers et l'échelle ne sont pas coaxiaux et que les tourillons sont dépla cés comme indiqué par le tourillon 24 à la fig. 3, l'image formée dans le télescope est encore celle du point P. Ceci pour la raison suivante : dans les conditions indiquées, une partie du faisceau collimaté provenant du point P tombe sur le miroir 25 et pénètre dans le télescope 21, où une image du point P est formée.
Si au moment de faire la lecture, l'axe des tourillons est incliné par rapport à l'axe com mun des paliers et de l'échelle comme indiqué par le déplacement du tourillon 24 à la fig. 4, de la lumière provenant d'un point P' sur l'échelle qui est sur un même trait de gradua tion que le point P représenté à la fig. 6, sera collimatée par la lentille 27 et une partie de la lumière collimatée sera dirigée dans le téles cope 21 par le miroir 25. A l'intérieur du télescope la lumière collimatée est concentrée et une image du point P' est formée.
Puisque le point P' est sur le même trait de graduation que le point P, la lecture de l'échelle pour le point P' est la même que pour celle du point P.
Dans les cas décrits ci-dessus, dans les quels l'axe commun des tourillons est déplacé à partir de l'axe commun des paliers et du support de l'échelle, une partie de la lumière provenant du point P qui a été collimatée est perdue et ne pénètre pas dans le télescope 21. Cependant, une quantité suffisante de lumière collimatée est dirigée dans le télescope pour former une image du point P ou d'un point situé sur un même trait de graduation que le point P.
Ainsi il est possible de faire une mesure exacte d'un déplacement angulaire de l'organe 22 même si l'axe de rotation dudit organe n'est pas exactement coaxial à l'axe commun des paliers et de l'échelle au moment de la lecture sur l'échelle.
Si l'on désire éviter une perte de lumière résultant d'un déplacement excessif de l'axe du télescope 22, le télescope 21 peut être fixé directement à la pièce 26 et les bras de support 19 supprimés de telle sorte que le télescope 21 se déplace avec le télescope 22. Cette variante conduit à un meilleur aligne ment du télescope 21 sur la ligne de visée.
Dans l'appareil représenté à la fig. 1, l'échelle est formée sur une surface sphérique, une telle surface pouvant être remplacée par une autre surface de révolution, par exemple cylindrique qui, dans quelques cas, donne des résultats acceptables. La lentille 27 qui forme une image virtuelle de l'échelle à l'infini est disposée dans la bande portant l'échelle dans la première forme d'exécution de l'appareil, mais si on le désire, les positions de l'échelle et de l'élément optique peuvent être inversées et le télescope 21 peut être remplacé par un viseur du type réflexe qui superpose l'échelle sur une image qui est vue à travers un téles cope correspondant à celui désigné en 22.
Une telle construction est représentée aux fi-.<B>7</B> et<B>8.</B>
L'appareil représenté à la fig. 7 comprend un montage à cardan comportant un pilier 30 à l'extrémité duquel est montée une tige 31 supportant un bras mobile 32 de cardan par l'intermédiaire d'un pivot 33. Le bras 32 s'étend vers le bas à partir du pivot et un second bras de cardan 34 est supporté sur l'extrémité inférieure du bras 32 sur un pivot horizontal 38. Un télescope 36 est fixé à l'extrémité libre du bras 34 et est mobile sur le pivot 33 comme axe d'azimut et sur le pivot 38 comme axe d'élévation. Le télescope est muni d'un objectif 37 monté dans l'extré mité avant de son tube et d'un oculaire 35 dans son extrémité intérieure.
Le télescope contient un élément 39 de séparation de faisceau et un tube latéral 40 dans l'aligne- ment du séparateur de faisceau. Le tube laté ral contient un miroir-plan incliné 41 à son extrémité extérieure et présente un tronçon d'extrémité 42 muni d'une lentille 43 de collimation. L'axe optique du tronçon 42 est parallèle à celui du télescope 36.
Un miroir sphérique 44 est monté sur un support 45 au-dessous du télescope et un élément hémisphérique transparent 46 est supporté dans le miroir par des bras radiaux 47 venant en prise avec le bord du miroir. L'élément hémisphérique 46 est muni sur sa surface extérieure de lignes 48 inscrites sur celle-ci et formant une échelle ayant la forme d'une grille, cette échelle étant si mince qu'elle est pratiquement sans effet optique. L'échelle est éclairée _ par plusieurs lampes électriques 49 montées le long du bord de l'élément 46 et par-dessus celui-ci dans des enveloppes 50 ouvertes à une extrémité.
L'élé ment et le miroir sont concentriques et le rayon du miroir est le double de celui de la surface extérieure de l'élément hémisphérique pour que les lignes 48 s'étendent au foyer du miroir 44. La lumière provenant d'un point sur l'échelle est collimatée lorsqu'elle est ré fléchie par le miroir 44 de sorte que la lumière collimatée passe à travers la lentille 43 comme représenté en trait mixte et par les flèches à la fia. 8. Les axes d'azimut et d'élévation du support à cardan pour le téles cope 38 passent par le centre commun de l'élément 46 et du miroir 44.
La distance focale de la lentille 43 et le parcours optique de la lumière réfléchie à partir du miroir 41 à travers le tube 40 et réfléchie à partir du séparateur 39, sont tels que l'échelle est mise au point au plan focal du télescope de sorte que l'objet et l'échelle peuvent être vus simultanément à l'infini. La lumière passant directement de l'échelle à tra vers le système optique est dispersée dans le système, mais ne fait pas apparaître une se conde image de l'échelle.
Comme dans l'ap pareil représenté à la fia. 1, l'utilisation de lumière parallèle dans le système optique auxiliaire empêche de petites erreurs dans la position du télescope 36 par rapport au centre commun de l'hémisphère 46 et du miroir 44 d'introduire des erreurs dans la lecture de l'échelle. En plaçant un point de repère sur l'échelle, la position initiale d'un objet peut être facilement déterminée et son mouvement à partir de cette position, noté. L'écart angu laire entre deux objets peut être trouvé en prenant un point comme point de référence et en soustrayant sa lecture d'échelle à partir de la lecture du second point.
L'appareil de la fia. 1 peut être utilisé pour déterminer l'écart angulaire de deux objets dans le plan dans lequel le télescope 22 est mobile, ou l'étendue du mouvement angu laire d'un objet dans ce plan. Ordinairement, le télescope 22 est monté pour se déplacer dans un plan vertical mais il ne peut se dé placer que dans un seul plan alors que le télescope 36 est monté de façon à pouvoir se déplacer dans n'importe quel sens. Le téles cope 36 pourrait également être utilisé pour effectuer des mesures dans un seul plan, par des lectures à partir d'une bande équatoriale plutôt qu'à partir de l'élément hémisphéri que 46.
An apparatus for measuring angles The object of the present invention is an apparatus for measuring angles and its aim is to enable the angular distance between a pair of objects or the extent of the angular movement to be measured with great accuracy. 'a rotating member from a fixed point. The measurement of the distance of objects or of the movement of the organ is made with reference to a scale which is presented at infinity.
The optical system of the apparatus is, therefore, parallax-free and scale reading errors do not occur even if the point from which the scale is read is not accurately determined with respect to at said scale.
The apparatus according to the invention is characterized in that it comprises a scale arranged on a surface of revolution, optical means arranged in such a way with respect to the scale that they form an image thereof at the same time. 'infinity, means for keeping the relative positions of the scale and the optical means fixed, and means for observing the scale from a point located at least approximately at its center of curvature, the scale being fixed in a known landmark position.
The appended drawing represents, by way of example, two embodiments of the apparatus forming the subject of the present invention. Fig. 1 is a plan view with broken parts shown in section of the first embodiment. The fi-. 2 is a sectional view taken along line 2-2 of FIG. 1. Figs. 3 and 4 are views similar to FIG. 2 in two different positions of one of the components of the apparatus. Figs. 5 and 6 are schematic views corresponding to FIGS. 3 and 4 respectively but taken at right angles to the latter.
Fig. 7 is a perspective view of the second embodiment of the apparatus. Fig. 8 is a schematic vertical section of the apparatus shown in FIG. 7 parts of which have been deleted. The apparatus shown in Figs. 1 and 2 is similar to a theodolite and comprises a pair of arms 10, 11 mounted on a suitable support or pedestal and having respective bearings 12 and 13 of the sleeve type although anti-friction type bearings can be used.
Several studs 14 fixed to the arms 11 extend generally parallel to the common axis of the bearings and carry at their outer ends a plate 15 extending normally from said common axis. The studs also carry arms 16 extending radially and supporting a strip 17 having a shape approximating that of the equatorial zone of a sphere concentric with the axis of the bearings with a scale inscribed on its inner surface.
A second group of arms 18 fixed to the strip 17 extend towards the axis of the bearings and support arms 19 which carry, at one end, a plate 20, extending parallel to the plate 15, and, at one end. at the other end, a telescope 21. The ladder on strip 17 is opposite the space between plates 15 and 20.
In the apparatus shown in FIGS. 1 and 2, the member whose angular displacement is to be measured, is a telescope 22 having a tube with coaxial journals 23 and 24 extending on either side of the tube at right angles to the axis of that tube. here and being supported in the bearings 12 and 13 respectively. The journal 24 passes through its bearing 13 and its end face opposite the telescope 22 is flat and cut at an angle of 45 with respect to the common axis of the journals. This face extends perpendicularly to a plane passing through the axes of the journals and of the telescope 22; it is silvered so as to form a mirror 25.
A piece of glass 26, which has the same circular section as the swivel 24 and which has at one end a face also inclined at an angle of 45 with respect to its axis, is mounted so as to extend with said inclined face opposite to mirror 25. The outer face 26a of the glass element opposite to said inclined face is flat and extends normally to the axis of the journals and facing the adjacent end of the telescope 21.
A collimator device consists of an annular lens 27 mounted between the plates 15 and 20 and surrounding the inclined faces of the journal 24 and of the piece of glass 26. This lens comprises a cylindrical interior surface 27a extending coaxially with the bearings and a spherical outer surface 27b having a center coinciding with the center of curvature of the scale 17.
Although the radius of the surface 276 is shown equal to half that of the scale 17, this relation is not necessary and the main thing is that the scale 17 extends to the focal point of the lens 27 and that , therefore, light from a point P on the scale is collimated when passing through lens 27 as shown by the phantom lines in Figs. 1, 5 and 6.
The part 26 and the lens 27 are made of a glass having the same refractive index and the space between the inner surface of the lens and the surfaces of the journal 24 and the part 26, can be filled with a film of liquid. optical seal 28 held in place, for example, by rubber rings 29 placed in circumferential channels formed on the plates 15 and 20 and resting against the surfaces of the journal 24 and the piece of glass 26 respectively.
If the various components are tightly fitted, the sealing liquid can be removed since the thin cylindrical air lens left by the removal of the liquid does not cause a substantial aberration. When a sealing liquid is used, its refractive index is preferably the same as that of the glass elements. In the embodiment described, the light coming from the scale 17 and passing through the lens 27 and the part 26 remains collimated when leaving the face 26a and entering the telescope 21. The image of the scale is located. to infinity when viewed through the telescope 21.
Telescopes 21 and 22 contain crossed wires in a fixed position relative to each other so that when the crossed wires of telescope 22 are attached to an object and the scale is then examined through telescope 21, the position of the object on the scale can be determined. The scale and the object being, in fact, at infinity, the accuracy with which the telescope 22 is mounted and centered with respect to the fixed telescope 21 and the rest of the optical system is not important. The telescope 21 allows an observer to view the scale from a point at or near the center of the scale, and this avoids the effect of mounting and centering errors of the telescope 22 as is apparent from what will follow.
If a reading on the scale is taken by means of the telescope 21 at a time when the journals 23 and 24, the steps 12 and 13 and the scale 17 are exactly coaxial, the light coming from a point P on the scale is collimated by the lens 27 and falls on the mirror 25 where it is reflected. The collimated light then enters the telescope 21 where the image of the point is formed which can be examined through the eyepiece of the telescope.
However if when reading the journals, bearings and scale are not coaxial and the journals are moved as indicated by journal 24 in fig. 3, the image formed in the telescope is still that of point P. This is for the following reason: under the conditions indicated, part of the collimated beam from point P falls on mirror 25 and enters telescope 21, where a image of point P is formed.
If, when taking the reading, the axis of the journals is inclined with respect to the common axis of the bearings and of the scale as indicated by the displacement of the journal 24 in fig. 4, light coming from a point P 'on the scale which is on the same graduation line as the point P shown in FIG. 6, will be collimated by the lens 27 and a part of the collimated light will be directed into the telescope 21 by the mirror 25. Inside the telescope the collimated light is concentrated and an image of the point P 'is formed.
Since point P 'is on the same graduation line as point P, the scale reading for point P' is the same as for point P.
In the cases described above, in which the common axis of the trunnions is displaced from the common axis of the bearings and the ladder support, part of the light from point P which has been collimated is lost and does not enter telescope 21. However, a sufficient amount of collimated light is directed into the telescope to form an image of point P or of a point on the same graduation line as point P.
Thus it is possible to make an exact measurement of an angular displacement of the member 22 even if the axis of rotation of said member is not exactly coaxial with the common axis of the bearings and of the scale at the time of reading on the scale.
If it is desired to avoid loss of light resulting from excessive displacement of the axis of the telescope 22, the telescope 21 may be attached directly to the workpiece 26 and the support arms 19 removed so that the telescope 21 can be attached. moves with the telescope 22. This variant leads to better alignment of the telescope 21 on the line of sight.
In the apparatus shown in FIG. 1, the scale is formed on a spherical surface, such a surface being able to be replaced by another surface of revolution, for example cylindrical which, in some cases, gives acceptable results. The lens 27 which forms a virtual image of the infinity scale is arranged in the band carrying the scale in the first embodiment of the apparatus, but if desired, the positions of the scale and of the optical element can be reversed and the telescope 21 can be replaced by a reflex type sight which superimposes the scale on an image which is seen through a telescope corresponding to that designated at 22.
Such a construction is shown in Figs. <B> 7 </B> and <B> 8. </B>
The apparatus shown in FIG. 7 comprises a gimbal assembly comprising a pillar 30 at the end of which is mounted a rod 31 supporting a movable gimbal arm 32 via a pivot 33. The arm 32 extends downward from the pivot. and a second gimbal arm 34 is supported on the lower end of arm 32 on a horizontal pivot 38. A telescope 36 is attached to the free end of arm 34 and is movable on pivot 33 as an azimuth axis and on the pivot 38 as the axis of elevation. The telescope is provided with an objective 37 mounted in the front end of its tube and an eyepiece 35 in its inner end.
The telescope contains a beam splitter 39 and a side tube 40 in alignment with the beam splitter. The lateral tube contains an inclined plane mirror 41 at its outer end and has an end section 42 provided with a collimating lens 43. The optical axis of section 42 is parallel to that of telescope 36.
A spherical mirror 44 is mounted on a support 45 below the telescope and a transparent hemispherical member 46 is supported in the mirror by radial arms 47 engaging the edge of the mirror. The hemispherical element 46 is provided on its outer surface with lines 48 inscribed thereon and forming a scale having the form of a grid, this scale being so thin that it is practically without optical effect. The ladder is illuminated by several electric lamps 49 mounted along the edge of element 46 and over it in envelopes 50 open at one end.
The element and the mirror are concentric and the radius of the mirror is double that of the outer surface of the hemispherical element so that the lines 48 extend to the focal point of the mirror 44. The light coming from a point on the scale is collimated when it is reflected by mirror 44 so that the collimated light passes through lens 43 as shown in phantom and by arrows at fia. 8. The azimuth and elevation axes of the gimbal mount for the telescope 38 pass through the common center of element 46 and mirror 44.
The focal length of lens 43 and the optical path of light reflected from mirror 41 through tube 40 and reflected from splitter 39, are such that the scale is focused at the focal plane of the telescope so that the object and the scale can be seen simultaneously to infinity. Light passing directly from the scale through the optical system is scattered throughout the system, but does not reveal a second image of the scale.
As in the apparatus shown in fia. 1, the use of parallel light in the auxiliary optical system prevents small errors in the position of telescope 36 relative to the common center of hemisphere 46 and mirror 44 from introducing errors in the reading of the scale. By placing a landmark on the scale, the initial position of an object can be easily determined and its movement from that position noted. The angular deviation between two objects can be found by taking a point as a reference point and subtracting its scale reading from the reading of the second point.
The apparatus of the fia. 1 can be used to determine the angular deviation of two objects in the plane in which telescope 22 is movable, or the extent of angular motion of an object in that plane. Ordinarily, telescope 22 is mounted to move in a vertical plane, but it can only move in one plane while telescope 36 is mounted so that it can move in any direction. The telescope 36 could also be used to take measurements in a single plane, by readings from an equatorial band rather than from the hemispherical element 46.