Messfernrohr
Die Erfindung betrifft ein Messfernrohr mit mindestens einem Markenträger in der Bildebene des Objektivs sowie mechanischen Mitteln zur Kompensation des Temperatureinflusses auf die Bildweite. Derartige Messfernrohre werden vornehmlich zu Richtungsmes- sungen verwendet, bei denen die Neigung eines Projek tionsstrahlenganges gegenüber der Ziellinie des Fernrohrs an Hand einer in der Fernrohrbildebene befindlichen Skala gemessen wird.
Bekanntlich üben Abweichungen von einer be stimmten Bezugstemperatur erhebliche Einflüsse auf Messfernrohre und die mit ihnen durchzuführenden Messungen aus. Temperaturänderungen, die im wesentlichen das gesamte Messfernrohr betreffen, bewirken durch Beeinflussung der Optikbauteile und deren Fassungen eine Brennweiten-oder Bildweitenveränderung des optischen Systems des Messfernrohrs und durch Beeinflussung des Fernrohrkörpers eine Anderung des Abstandes zwischen Fernrohrobjektiv und Strichpiatte.
Diese Anderungen miissen nicht in der gleichen Richtung erfolgen und sind letztlich nicht gleich. hIan hat bei Messfernrohren bisher die Temperatureinflüsse im Vertrauen darauf in Kauf genommen, dass die durch sie erzeugten Fehler die zulässigen Toleranzen nicht iibersteigen. Mit zunehmenden Genauigkeitsansprüchen unter den unterschiedlichsten Temperaturen ist diese Annahme jedoch nicht mehr gerechtfertigt. Bei Messfernrohren, bei denen die SchrÏgstellung eines entfernten Reflektors an in der Objektivbildebene befind- lichen Skalen gemessen werden, kommt es auf eine genaue Einhaltung des Abstandes des Skalen-oder Mar kenträgers vom Objektiv ebenso an wie auf eine genaue Einhaltung der Brennweite.
Eine durch Tempera turänderungen bewirkte Änderung des Abstandes bringt eine Bildunschärfe in der Objektivbildebene hervor, während eine durch Temperaturänderungen bewirkte Brennweitenänderung eine Verschiebung der Objektivbildebene zur Folge hat. Die Veränderung der Brenn- weite zieht aber eine Abweichung dei Skalenintervalle von ihrem Eichwert und damit Fehlmessungen nach sich.
Bei grösseren astronomischen Spiegelteleskopen wurden bereits mechanische Mitte ! zur Kompensation desjenigen Einflusses der Temperatur verwendet, der eine Anderung der Lage der Fokalebene oder eine unscharfe Abbildung bewirkt. Eine temperaturbedingte Anderung der Brennweite wird bei den astronomischen Teleskopen nicht kompensiert und braucht auch nicht kompensiert zu werden.
Die vorliegende Erfindung ermöglicht die Schaffung eines Linsen als Abbildungsglieder besitzenden Messfernrohrs, bei dem der Einfluss der Temperatur auf den Abstand von Objektiv und Strichplatte sowie auf die Brennweite vöttig oder so gut wie völlig kom pensiert ist.
Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Kombination folgender Alerkmale gelöst : 1. Das Objektiv besteht aus mindestens zwei Glie- dern ;
2. mindestens eines der Objektivglieder und/oder der ISlarkenträger ist ! sind axial verschiebbar gelagert ;
3. das oder die verschiebbar gelagerten Teile sind mit Hlilfe der mechanischen Mittel mit dem Fernrohrkörper verbunden.
Die mechanischen Mittel zur Kompensation de Temp. ratureinflusses könllen besondere, im Fernrohrgehäuse angeordnete Hohlkörper oder Stäbe sein. ER ist aber auch möglich, die Vfaterialien von Fernrohrgehäuse und Fassung der Objektivglieder und Markenträ- ger so zu wähien, dass durch sie wenigstens ein Tei. des Temperatureinflusses kompensiert wird.
Eine konstruktiv einfache exakte Lösung ergib sich, wenn die verschiebbar gelagerten Teile durch dk mechanischen Mittel miteinander verbunden sind. Sine die Materialien und die Abmessungen des Fernrohrge häuses sowie der Objektivglieder gegeben, so lasser sich durch geeignete 'ahl der Abmessungen unc hIaterialien der mechanischen Alittel unendliche viel ; Möglichkeiten der Kompensation der Temperaturein fl sse auf die Brennweite und die Scharfabbildung des Fernrohrs schaffen. Es wirken sich also temperaturbe dingte Anderungen der Fernrohrlänge und seiner optischen Parameter nicht auf die Messungen mit dem Fernrohr aus.
Die Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung beispielsweise erläutert. Es zeigen :
Fig. I einen Axialschnitt eines Autokollimationsfernrohrs, in dem beide Objektivglieder ber Tempera turkompensationsmittel miteinander und mit dem Fernrohr verbunden sind ;
Fig. 2 einen Axialschnitt eines Messfernrohrs, dessen Objektiv und Markenträger ber Temperaturkompensationsmittel mit dem Fernrohr verbunden sind ;
Fig. 3 einen Axialschnitt eines Messfemrohrs, in dem das zweite Glied des Objektivs unter dem Einfluss von Temperatureinflüssen axial verschiebbar gelagert ist ;
Fig. 4 einen Axialschnitt eines Autokollimations- fernrohrs, bei dem nur das erste Glied des Objektivs axial verschiebbar gelagert ist und
Fig. 5 und 6 zwei mögliche Markenträgerausbildun- gen.
In Fig. 1 befindet sich in einem Fernrohrgehäuse 1 ein optisches System mit der optischen Achse X1-X1, bestehend aus einem zweigliedrigen Objektiv 2,3, einem Markenträger 4 mit einer Marke 5 und einem Okular 6. Der Markenträger ist in der Brennebene des Objektivs 2,3 und der Dingebene des Okulars 6 vorgesehen. Markenträger 4 und Okular 5 sind im Okularstutzen 7 fest angeordnet. Jedes der Objektivglieder 2 und 3 ist von einer im Gehäuse l verschiebbaren Fassung 8 bzw. 9 umgeben. An der Fassung 8 ist ein Zylinder 10 mit einem Ende befestigt, der mit seinem anderen Ende mit einem am Gehäuse 1 starr befestigten weiteren Zylinder 11 verbunden ist.
Die Fassung 9 ist an ihrem der Fassung 8 zugekehrten Teil ebenfalls mit einem Zylinder 12 versehen, der in gleicher Weise am Zylinder I I befestigt ist. Die Zylinder 10, 11 und 12, die mechanischen Mittel zur Temperaturkompensa- tion sind ineinandergeschoben, sie haben unterschiedliche Durchmesser und sind koaxial zur Achse X,-X, angeordnet.
Am Fernrohrgehäuse j ist ferner eine Beleuch- tungsvorrichtung 13 vorgesehen, die eine Lichtquelle 14. einen Kondensor 15 mit der optischen Achse X1'-X1', ein rechtwinkliges Prisma 16 und einen weiteren MarkentrÏger 17 mit einer Marke 18 enthält. Das Licht der Beleuchtungsvorrichtung 13 gelangt liber einen zwischen dem Objektiv 3 und dem Markenträger 4 angeordneten Strahlenvereiniger 19 in den Zielstrah- lengang des Fernrohrs. Die optischen Achsen X,-X, und X,'-X,'schneiden sich in der Reflexionsfläche des Strahlenvereinigers 19.
Der Markenträger 17 befindet sich in der gemeinsamen Bildebene des Kondensors 15 und des Objektivs 2,3. Die beispielsweise Ausbildung der Markenträger ist aus den Fig. 5 und 6 erkennbar, wo der eine Markenträger mit einem Strichkreuz und der andere Markenträger mit zwei sich rechtwinklig kreuzenden Skalen versehen ist.
Die Marke 18 wird von der Lichtquelle 14 beleuchtet und durch das Objektiv 2,3 in unendlicher Entfernung abgebildet. Die Abbi ! dungsstrahten werden an einem oberfl chenverspiegelten entfernten Reflektor 20 in sich selbst reflektiert und durch das Objektiv 2, 3 in der Ebene des Markenträgers 4 vereinigt. Durch das Okular 6 lässt sich ab. esen, in welcher Richtung und um welchen Betrag das Bild der Marke 18 von der Marke 5 abliegt, wie und um welchen Winkel der Reflektor 20 gegenüber der optischen Achse X,-X, geneigt ist.
Sindert das Fernrohrgehäuse infolge eines Tempera tureinflusses seine Länge, dehnt es sich beispielsweise aus, und erfahren demzufolge auch die optischen Bauteile, insbesondere das Objektiv 2,3 Ausdehnungen, so Ïndern sich einmal die AbstÏnde zwischen dem Objektiv 2,3 und den Markenträgern 4 und 17 und zum anderen die Objektivbrennweite.
Beide werden grösser, jedoch nicht im g) eichen Masse. In der Regel ist die Brennweitenänderung geringer als die Abstandsände- rung zwischen dem Objektiv 2, 3 und den Markenträ- gern 4, 17. Der Kompensation der Abstands-und Brennweitenänderung dienen die drei hinsichtlich der Ausdehnungskoeffizienten ihrer Nlaterialien passend gewählten Zytinder 10,11 und 12. Zur Kompensation der Brennweitenänderung muss beim angegebenen Typ des Objektivs 2,3 der Abstand zwischen den Objektivgliedern vergrössert werden.
Andererseits muss das Objektiv 2,3 zur Kompensation der Abstandsvergrös- serung näher an den Markenträger herangeführt werden. Zu dem Zweck sind die Zylinder 10,11,12 in der angegebenen Weise miteinander verbunden und von unterschiedticher Länge. Der Zylinder 11 besteht aus einem Material mit einem relativ hohen positiven Ausdehnungskoeffizienten, die ebenfalls positiven Aus dehnungskoeffizienten der Z i'inder 10 und 12 sind niedriger und einander gleich oder annähernd oleich.
Fig. 2 zeigt ein Fernrohrgehäuse 21 ohne Autokol- limationseinrichtung, bei dem der Okularstutzen im wesentlichen aus Vereinfachungsgründen weggelassen worden ist. Die optische Achse des Fernrohrs ist mit X2-X2 bezeichnet. Das Fernrohrgehäuse 21 schliesst ein erstes Objektivgtied 22 mit einer Fassung 23. ein in einer Fassung 24 befind ! iches zweites ObjektivgHed 25 und einen von einer Fassung 26 umgebenen Slarl ; en- träger 27 mit einer Marke 28 in sich ein.
WÏhrend die Fassung 24 starr mit d Gehäuse 21 verbunden ist, einen Teil des Gehäuses darstellt, sind die Fassungen 23 und 26 so gelagert, dass sie bei Temperaturände- rungen eine definierte axiate Verschiebung gegenüber dem Gehäuse 21 erfahren. Deshalb steht die Fassung 23 iiber einen Zylinder 29 und die Fassung 26 ber zwei Zvlindern 30 und 31 mit dem Fcrnrohrgehäuse 21 in Verbindung.
Der Zylinder 29 ist einerseits an der Fassung 23 und andererseits durch Stifte 32 am Fernrohrgehäuse 21 befestigt ; er besteht aus einem Materiat mit positi- vem Ausdehnungskoeffizienten, er dehnt sich also bei Erwärmung aus und zieht sich bei Abkiihlung zusam- men. Unter Berücksichtigung der Glasarten des Objektivs 22, 22 wird bei entsprechender Wah ! des Materials des Zyttnders 29 die Brennweite des Objektivs unab hängig von Temperaturänderungen konstant schatten.
Eine Erwärmung bewirlXt eine Vergrösserung, eine Ab- 'iihlung eine Verringerung des Abstandes der beiden Objektivgiieder 22 und 25 voneinander, so dass die Brennweitekonstantgehatten ist.
Der Zylinder 30 ist einerseits mit der Fassung 26 und andererseits ber Stiite 33 mit dem Zylinder 31 verbunden, der mit seinem noch freien Ende mit dem FernrohrgehÏuse 21 fest verbunden ist. Der Zylinder
J besteht aus einem Material mit negativem Ausdeh ungskoeffizienten, er zieht sich also bei Erwärmung zusammen und dehnt sich bei Abkühlung aus, und der Zylinder 31 besteht aus einem Material mit positivem Ausdehnungskoeffizienten. Auf diese Weise nähert oder entfernt sich der Markenträger 27 vom Objektiv 22,25 bei Temperaturänderungen derart, dass er sich unabhängig von der Temperatur in der Ebene grösster Schärfe des durch das Objektiv erzeugten Bildes befindet.
Im übrigen ist die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ähnlich der in Fig. 1 dargestellten.
Anders als in Fig. 2 gezeigt, könnte die Fassung 23 auch Teil eines Gehäuseteils sein, der sich bis zur Fassung 24 erstreckt und aus einem anderen Material als der Gehäuseteil besteht, der das Objektivteil 25 und den Markenträger 27 umfasst. Der Zylinder 29 wäre dann überflüssig.
In Fig. 3 sind in einem Fernrohrgehäuse 34 ein zweigliedriges Objektiv 35,36 mit der optischen Achse Xo-X3 und ein Markenträger 37 mit einer Marke 38 angeordnet, die etwa die in Fig. 5 angegebene Form hat und deren Mittelpunkt auf der optischen Achse X3-X3 liegt. Während Objektivglied 35 und Markenträger 37 in starrer Verbindung mit dem Fernrohrge häuse 34 stehen, befindet sich das Objektivglied 36 in einer Fassung 39, die über vier Stäbe 40, die mechanische Mittel zur Temperaturkompensation darstellen und von denen nur drei sichtbar sind, mit dem Fern rohrgehäuse 34 verbunden sind.
Der Markenträger 37 ist im Okularstutzen 41 des Gehäuses 34 so angeordnet dass die Marke 38 sich in der Bild-bzw. Brennweite des Objektivs 35,36 befindet.
Die Gestalt und die Brechungsindices der Objek tiv-alieder 35 und 36 sowie der Ausdehungskoeffizien- ten des Materials des Gehäuses 34 sind so bemessen, dass infolOe Erwärmung die Brennweite des Objektivs sich verkürz : und die Länge des Gehäuses sich ver grössert. Der Veränderung der Brennweite infolge der thermischen Veränderung des Fernrohrs wirken die Stäbe 40 in ähnlicher Weise entgegen, wie bereits zu den Fig. 1 und 2 beschrieben.
Während in den voranstehenden Figuren prinzipiell einige Anordnungsm¯glichkeiten der mechanischen Mittel beschrieben wurden, sind im nachfolgend zu beschreibenden Ausführungsbeispiel die in diesem Zusammenhang interessierenden Materialkonstanten und Masse angegeben.
In Fig. 4 ist ein Fernrohr mit der optischen Achse X4-XJ dargestellt, das aus zwei fest miteinander verbundenen Teilen 42 und 43, von denen der Teil 42 ein zweigliedriges Objektiv 44,44'und 45,45'und der Teil 43 ein Prisma 46 zur Strahlenteilung und-vereini- gung, zwei Markenträger 47 und 48, einen Umlenkspiegel 49, ein Okular 50, eine Lichtquelle 51, einen Kondensor 52 und einen lichtelektrischen Empfänger 53 enthält. Jedes der Objektivglieder besteht aus zwei Linsen 44,44'bzw. 45,45'mit Luftabstand. Der Markenträger 47 ist eine Kathetenfläche eines recht winkfigen Prismas 54, auf der sich eine Marke 55 befindet. Der Markenträger 48 ist als planparallele durchsichtige Platte ausgebildet, auf deren dem Objektiv 44,45 zugewendeter FlÏche sich eine Marke 56 befindet.
Beide Marken 55 und 56 liegen in der optischen Achse X4-X4 und ebenso wie die mit einem Kreuz 57 bezeichnete Fläche des lichtelektrischen Empfängers 53 in der Brennebene des Objektivs 44-45'. Der lichtelektrische Empfänger 53 kann über elektrische Leitungen 58 mit einem Registriergerät oder einem Steuer-und Regelkreis (nicht dargestellt) verbunden sein.
Die Fassung des Objektivteils 45,45'ist ein Teil des Gehäuses 42 selbst. Hingegen befindet sich das Objektivglied 44,44'in einer Fassung 59, die in einem Ende eines Zylinders 60 gelagert ist. Der Zylinder 60 ist im erweiterten Teil des Gehäuses 42 koaxial zur optischen Achse X4-X4 angeordnet und mit seinem anderen Ende über verbindende Mittel 61 durch Öffnungen 62 im Gehäuse 42 hindurch mit einem Ende eines sich ausserhalb des Gehäuses 42 befindlichen Zylinders 63 verbunden. Dieser Zylinder ist ebenfalls koaxial zur optischen Achse X4-X4 angeordnet, und mit seinem anderen Ende mittels Schrauben 64 mit dem Gehäuse 42 verschraubt.
Die für die Temperaturkompensation wesentlichen Materialien und Kennziffern des Fernrohrs gemäss Fig. 4 sind folgende : Tei)Länge [mm]Materia]Ausdehnungskoeffizient Gehäuse 42 260 Gusseisen 11. 10-8 Gehäuse 43 200 Aluminiumguss 20.10-3 Zylinder 60 85 Gusseisen 11. 10-e Zylinder 63 85 Polyvinylchlorid 80.10-6 Teil nd Ausdehnungskoeffizient d [mm] r #mm# 154 Linse 44 1,7283 633. 10-8 10
240 Luftabstand 1 5,2
213 Linse 44'1,
7283 757. 10-8 8 12000 Teil nd Ausdehnungskoeffizient d [mm] r [mfn] Luftabstand 1 240
25,3 Linse 45 1,6483 798.10-8 2,9
22,4 Luftabstand 1 2
26 Linse 45'1, 6636 800. lors 2,7
39,3
In der vorstehenden Tabelle bedeuten nd die Bre chungszahlen, d die Dicken der Linsen oder Luftab stände, und r dieLinsenradien. Der Abstand des Befestigungsringes der beiden Gehäuse 42 und 43 aneinander vom Mittelpunkt des Objektivgliedes 44,44'beträgt 145 mm. Die Brennweite des Fernrohrobjektivs ist 430 mm.
Die Wirkungsweise des in Fig. 4 dargestellten Fernrohrs ist ähnlich der zu Fig. 1 beschriebenen. Die Marke 55 wird von der Lichtquelle 51 über den Kondensor 52 beleuchtet und durch das Objektiv 44-45' nach Unendlich abgebildet. An einem nicht dargestellten entfernten Reflektor wird das Abbildungsstrahlen bundet ähnlich wie in Fig. 1 reflektiert und das Paral- lelstrahlenbündel durch das Objektiv 44-45'in der Ebene der Marke 56 bzw. des Kreuzes 57 vereinigt.
Das Bild der Marke 55 und die Marke 56 können mit Hiffe des Okulars 50 betrachtet werden.
Infolge der oben bezeichneten und benutzten Materialien sowie der technischen Kennziffern ändert sich bei Temperaturänderungen weder die Lage des Ver einigungspunktes der Abbildungsstrahlen noch der Objektivhauptebene gegenüber der Marke 56 und dem Kreuz 57.
Anders als beim Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 1 wird bei dem in Fig. 4 dargestellten Ausführungsbei- spiel der Abstand der beiden Objektivglieder 44,44' und 45, 45'bei Erwärmung verringert. Daraus ist ersichtlich, dass die Temperaturabhängigkeit der Objektivglieder von ihrer Form und den Brechungszahlen abhängt. Hierzu gibt es unendlich viele Variationsmög- lichkeiten. In gleicher Weise ist auch die Anordnung und Ausbildung der mechanischen Mittel zur Temperaturkompensation nicht an die Ausführungsbeispiele gebunden. So könnten die Zylinder 60 und 63 (Fig. 4) durch Stäbe ähnlich denen in Fig. 3 ersetzt werden.
Ebenso ist es möglich, mit Hilfe der die Temperatur einflusse kompensierenden mechanischen Mittel Objektiv und Markenträger zu verbinden.