Verfahren zum Kompensieren des Fehler verursachenden Einflusses der Temperatur abhängigkeit des Brechungsindexes der Flüssigkeit von Flüssigkeitskeilen bei deren Verwendung in optischen Strahlengängen
Es sind optische Anordnungen im Fernrohr- oder im Kreisablesestrahlengang von Theodoliten, Nivellieren und andern optischen Messinstrumenten bekannt, in denen Flüssigkeitskeile als brechende und/oder reflektierende Glieder verwendet werden, wobei die Eigenschaft solcher Flüssigkeitskeile, dass ihre Flüssigkeitsoberfläche immer selbsttätig im Horizont liegt, dazu benützt wird, die Funktion derartiger Instrumente, Richtungen in bezug auf den Horizont festzulegen, unabhängig von der Horizontierung des Instrumentes zu machen.
Bei der Ver änderung der Horizontierung des Instrumentes bzw. bei einer grösseren oder kleineren Abweichung von der genau horizontierten Lage des Instrumentes ver ändert sich nämlich der Keilwinkel des Flüssigkeits- keils und damit dessen optische Wirkung und diese Tatsache wird zur Steuerung des Strahlenganges im geforderten Sinne ausgenützt.
Da jedoch der Brechungsindex von Flüssigkeiten verhältnismässig stark von der Temperatur abhängt, ist die Arbeitsweise einer solchen Anordnung bzw. eines solchen Flüssigkeitskeils temperatur- abhängig. Dieser schwerwiegende Nachteil kann durch die Erfindung behoben werden.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren des Fehler verursachenden Einflusses der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Flüssigkeit von Flüssigkeitskeilen bei deren Verwendung in optischen Strahlengängen, gemäss welchem man das zu steuernde Strahlenbündel unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel in die Flüssigkeit des Flüssigkeitskeils eintreten lässt und durch Verändern des Einfallwinkels den Fehler verursachenden Einfluss der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Flüssigkeit kompensiert.
Gegenstand der Erfindung ist ferner eine Kom pensationseinrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens mit mindestens einem Flüssigkeitskeil, welche dadurch gekennzeichnet ist, dass der Eintrittsfläche des Strahlenbündels in den Flüssigkeitskeil ein einstellbares, das Strahlenbündel ablenkendes optisches Glied vorgeschaltet ist, mittels welchem der Einfallswinkel des Strahlenbündels in die Flüssigkeit des Flüssigkeitskeils entsprechend der herrschenden Temperatur gesteuert wird.
Die Einstellung des der Eintrittsfläche vorgeschalteten optischen Gliedes, welches brechend oder spiegelnd sein kann, kann von Hand durch den Benutzer des Instrumentes vorgenommen werden, oder es kann zu diesem Zwecke eine automatische, auf Temperaturänderungen ansprechende Vorrichtung vorgesehen sein.
In Fig. la und Fig. lb der Zeichnung ist ein Flüssigkeitskeil bekannter Art bei senkrecht einfallendem Strahlenbündel und in Fig. 2a und Fig. 2b bei schief einfallendem Strahlenbündel je bei genau horizontierter und bei fehlerhaft horizontierter Lage des Instrumentes schematisch dargestellt, und an Hand dieser Figuren werden die der Erfindung zu Grunde liegenden Uberlegungen dargelegt.
In Fig. 3 ist dann eine beispielsweise Ausfühw rungsform der erfindungsgemässen Kompensationseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Der in Fig. 1 und 2 dargestellte, im Fernrohroder im Kreisablesestrahlengang eines nicht dargestellten optischen Messinstrumentes, beispielsweise eines Theodoliten, eines Nivelliers, angeordnete Flüssigkeitskeil F befindet sich zwischen einer untern Glasplatte Gr und einer obern Glasplatte G2, wobei zwischen der Oberfläche der Flüssigkeit F und der obern Glasplatte G2 ein mit einem Luft-Dampf- Gemisch L gefüllter Raum vorhanden ist. Der Brechungsindex des Glases der Glasplatten G1 und G2 ist ncT, und der Brechungsindex der Flüssigkeit des Flüssigkeitskeils F ist nF.
Die Brechungsindexdifferenz des Luft-Dampf-Gemisches L gegenüber Luft ist sehr gering und vernachlässigbar.
In Fig. la ist angenommen, dass sich das Me¯instrument in genau horizontierter Lage befinde, in welcher der Keilwinkel des Flüssigkeitskeils F gleich Null ist. Die Oberfläche des Flüssigkeitskeils F ist in dieser Stellung parallel zu den Flächen der Glasplatten G1 und G2. Trifft hierbei ein Strahlenbündel 1, das parallel, konvergent oder divergent sein kann, senkrecht auf die Glasplatte G1 auf, so geht es ungebrochen in das Strahlenbündel 1'über.
Ist jedoch gemäss Fig. lb das Instrument um den Winkel v zum Horizont gekippt, so ist der Keilwinkel des Flüssigkeitskeils nicht mehr Null, sondern gleich v, und das Strahlenbündel 1 wird deshalb gebrochen ; es geht nicht mehr in das Strahlenbündel 1', sondern in das Strahlenbündel 2 über. Entsprechende Strahlen der beiden Strahlenbündel 1'und 2 schliessen einen Winkel 3 ein. Dieser Winkel 3 ist eine Funktion f1 (v, nG, nF), das heisst der Kippung v und der Brechungsindizes nc und nF.
In guter NÏherung ist f1(v,nG,nF)= nF-1ò V. nc ;
In Fig. 2a ist angenommen, dass bei gleichem Flüssigkeitskeil und bei genau horizontierter Lage des Instrumentes ein Strahlenbündel 4, das ebenfalls parallel, konvergent oder divergent sein kann, unter einem Einfallswinkel a auf die untere Glasplatte Gl auftreffe. Dieses Strahlenbündel 4 wird dabei parallel versetzt und geht in das Strahlenbündel 4'über.
Wird jedoch gemäss Fig. 2b das Instrument um den Winkel v gekippt, so wird das Strahlenbündel 4 nicht nur parallel versetzt, sondern auch abgelenkt ; es geht in das Strahlenbündel 5 über. Entsprechende Strahlen der Strahlenbündel 4'und 5 schliessen einen Winkel 6 ein. Dieser Winkel 6 ist eine Funktion fO (v, a, nG, nl.), das heisst der Kippung bzw. des Keilwinkels v des Flüssigkeitskeils, des Einfallswinkels a und der Brechungsindizes n, und Kp. In guter NÏhe rung ist
EMI2.1
Für a = 0 geht f2 (v, a, Kp, nF) in fi (v, Mg, nr) über.
In f (v, a, nG, nF) ist nF dem Temperatureinfluss unterworfen. Die Wirkungsweise der Anordnung ist also temperaturabhängig. Der Temperatureinfluss auf n,, ist zwei Zehnerpotenzen kleiner und kann vernachlässigt werden. Der Fehler verursachende Einfluss der Temperaturabbängigkeit des Brechungsindexes nF kann durch entsprechende Veränderung des Einfallswinkels a kompensiert werden. Zu diesem Zwecke muss der Einfallswinkel a in Funktion der Temperatur derart gesteuert werden, dass fz (vs a, nG, nr) temperaturabhängig wird.
Diese Steuerung des Einfallswinkels a kann durch eine automatisch wirkende oder eine von Hand zu betätigende Einstellvorrich- tung bewirkt werden.
Aus der Gleichung : df2 (v, a, nG, nF)?f2. da+?f2. dnF=0 dT ?α dT ?nF dT ergibt sich als Kompensationsbedingung für :
EMI2.2
Dabei ist es notwendig, dass nG und nI, verschieden gross sind.
Bei dem in Fig. 3 dargestellten Ausführungsbei- spiel der erfindungsgemässen Einrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung befindet sich der Flüssigkeitskeil F in einem Gehäuse, welches unten durch ein Prisma Pl und oben durch ein zweites, gegengleiches Prisma Pg abgeschlossen ist.
Der das Luft-Dampf-Gemisch enthaltende Raum über der Oberfläche der den Flüssigkeitskeil F bildenden Flüssigkeit ist mit L bezeichnet. Die Einfallsfläche, durch welche ein Strahlenbündel, das wiederum parallel, konvergent oder divergent sein kann, in das Prisma P, eintritt, und die Austrittsfläche, durch welche das Strahlenbündel nach dem Durchgang durch den Flüssigkeitskeil F aus dem Glasprisma P2 austritt, sind parallel und beispielsweise um 45 zum Horizont geneigt.
Der Eintrittsfläche in das Prisma Pi ist ein Drehkeil 8 aus Glas vorgeschaltet, durch welchen der Einfallswinkel a des Strahlenbündels in das Prisma ? i gemäss der vorstehend erwähnten Kompensationsbedingung gesteuert wird. Die Einstellung dieses Drehkeils 8 erfolgt entweder von Hand durch den Benüzer des Instrumentes oder aber selbsttätig durch eine an sich bekannte, auf Temperaturänderungen ansprechende Einstellvorrichtung, z. B. eine solche, welche nach dem Bimetall-Prinzip ar beitet.
Das auf den Drehkeil 8 auftreffende Strahlenbündel 7 wird durch diesen Drehkeil 8 gebrochen und geht in das Strahlenbündel 7' ber, welches durch die vorgenommene Einstellung des Drehkeils 8 so gerichtet ist, dal3 es unter dem verlangten, dem Brechungsindex nF bei der herrschenden Temperatur entsprechenden Einfallswinkel a in den Flüssigkeits- keil F eintritt und durch diesen entsprechend der Neigung v des Instrumentes nach der Funktion f2 ("G'r) abgelenkt wird und in das Strahlenbündel 7"über- geht.
Durch zweckentsprechende Einstellung, sei es selbsttätig durch die auf Temperaturänderungen ansprechende Einstellvorrichtung oder sei es von Hand, des Drehkeils 8 kann der Einfallswinkel a immer so gesteuert werden, dass der Einfluss der jeweils herrschenden Temperatur auf den Brechungsindex nF der Flüssigkeit des Flüssigkeitskeils F kompensiert wird.
Beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist der Austrittsfläche des Prismas P2 ein weiterer Drehkeil 9 aus Glas nachgeschaltet. Dieser zweite Drehkeil 9 hat auf die Funktion f2, (v, a, n ;, nF) keinen Einfluss mehr, und er ist auch nicht unbedingt erforderlich ; er dient lediglich der Justierung, indem er es ermög- licht, die bei einer gegebenen Ausgangslage, z. B. bei v = 0, bei einer Drehung des Drehkeils 8 zwecks Temperaturkompensation dieselbe gegenseitige Lage des Strahlungsbündels 7 und des aus ihm austretenden Strahlenbündels 7"'wiederherzustellen.
Dieser zweite Drehkeil 9 wird in gleicher Weise wie der Drehkeil 8 betätigt, und zwar entweder von Hand durch den Benutzer des Instrumentes oder durch eine automatische, auf Temperaturändelungen ansprechende Einstellvorrichtung.
Als optische Mittel können an Stelle der in Fig. 3 dargestellten Drehkeile 8 und 9 auch andere optische Mittel, z. B. kippbare Spiegel oder Prismen, verwendet sein.
Bei zweckentsprechender Ausbildung und Anordnung kann auch ein Flüssigkeitskeil verwendet werden, bei welchem das Strahlenbündel an der im Horizont liegenden Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird. Gegebenenfalls kann die Kompensationseinrichtung zur Durchführung des Verfahrens gemäss der Erfindung auch zwei oder mehr Flüssigkeitskeile aufweisen.
PATENTANSPRtYCHE I. Verfahren zum Kompensieren des Fehler verursachenden Einflusses der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Fl ssigkeit von Fl ssigkeitskeilen bei deren Verwendung in optischen Strahlengängen, dadurch gekennzeichnet, dass man das zu steuernde Strahlenbündel unter einem von Null verschiedenen Einfallswinkel in die Flüssigkeit des Flüssigkeitskeils eintreten lässt und durch Verändern des Einfallswinkels den Fehler verursachenden Einfluss der Temperaturabhängigkeit des Brechungsindexes der Flüssigkeit kompensiert.