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Verfahren und Anordnung zum Messen von Entfernungen mit moduliertem
Licht Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen von Entfernungen mit moduliertem
Licht, bei welcher in Abhängigkeit von Helligkeitsänderungen des am Ferupunkt reflektierten
Lichtes - infolge Phasenverschiebung der Modulationsschwingung - auf die Entfernung
geschlossen wird. Hierbei wird etwa wie bei dem Verfahren von Fizeau zur Messung
der Lichtgeschwindigkeit vorgegangen, indem man Licht von einer Lichtquelle zweimal
durch einen Modulator hidurchtreten läßt, und zwar zum zweiten male auf seinem Rückweg
von dem im Fernpunkt befindlichen Reflektor. Das reflektierte Licht trifft im allgemeinen
den Modulator in einem anderen Schwingungszustand, d. h. in einer anderen Phase
au wie beim Durchtritt auf dem Wege zum Reflektor hin. Damit ändert sich für den
Beobachter die Helligkeit eines optisch erzeugten Bildes der Lichtquelle oder einer
derselben vorgeschalteten Blende. Durch Verschieben des Reflektors in der optischen
Achse läßt sich die Phase des reflektierten Lichtes schieben, so daß der Beobachter
bei einer Phasenverschiebung von 1800 = A/2 eine maximale Lichtschwädlung wahrnimmt.
Aus bekannten Gründen tritt jedoch eine vollkomuiene Auslöschung des Lichtes auch
bei einer Phasenverschiebung von A/2 nicht ein, und die Schärfe der Minimumstellung
hängt weitgehend von den Umfeldbedingungen im Gesichtsfeld des Beobachters ab. Hat
man, wie dies bei den visuellen Photometern. der Fall ist, zwei längs einer unsichtbaren
Grenzlinie aneinanderstoßende Flächen. von wenigstens 11/20 Winkeldurchmesser miteinander
zu vergleichen, so liegt die relative Empfindlichkeitsschwelle des normalempfindlichen
Auges bei etwa 0,02.
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Bei verhältnismäßig großen Entfernungen von einigen Kilometern ist
der durchmesser des beobachteten Lichtfleckes, z. B. das vom Objektiv eines solchen
Entfernungsmessers entworfene Bild der im Reflektor am Ende der Meßstrecke gespiegelten
Austrittspupille des Lichtsenders, nur noch von der Größenordnung einer Beugungsfigur;
es erscheint dem beobachtenden Auge unter einem Winkel durchmesser von wenigen Bogenminuten.
Eine Vergrößerung des Abstandes bewirkt keine weitere Verminderung seiner Größe,
sondern nur noch eine Minderung der scheinbaren Leuchtdichte. Die visuelle Einstellung
auf das Helligkeitsminimum eines derart kleinen Lichtfleckes ist naturmäßig mit
einem sehr großen Unsicherheitsfaktor verbunden. Dieser ist auch bei photoelektrischer
Messung nicht unerheblich.
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Zur Steigerung der Meßempfindlichkeit werden im Gesichtsfeld des
Beobachters oder in einem lich, t, eleltrischen Empfänger gemäß der Erfindung über
Reflektoren und. licbtsammelude Elemente am Meßort gleich zeitig zwei auf gleiche
Helligkeit einstellbare Bilder der am Fernort gespiegelten Austrittspupille des
Senderobjektivs erzeugt. Man wird so von der unsicheren Einstellung eines einzelnen
Bildes auf minimale Helligkeit frei und kann sich. des wesentlich empfindlicheren
Vergleichs zweier auf gleiche Leuchtdichten einstellbarer Lichtflecke bedienen.
Beispielsweise wird dem Reflektor im Fernpunkt ein zweiter Reflektor derart zugeordnet,
daß durch moduliertes .Licht über beide Reflektoren, und lichtsammelnde Elemente
im Gesichtsfeld des Beobachters zwei Licht scheibchen erzeugt werden, deren Helligkeit
im allgemeinen. zunächst verschieden sein wird. Die Einstellung auf gleiche Leuchtdichte
gewinnt man durch axiale Verschiebung der Reflektoren oder Änderung der Modulationsfrequenz,
bis beide Lichtscheibchen Licth von Phasen gleicher Amplitude erhalten.
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Statt am Fernort kann ein zweiter Reflektor, in Reichweite des Beobachters,
dicht vor dem Lichtsenderobjektiv angeordnet werden, über den ein Teil des ausgesandten
Lichtes abgeleitet und über den Modulator wieder dem Beobachtungsobjektiv zugeführt
wird. Damit wird. die Justierung der Anordnung erheblich erleichtert. Mit einer
Schwenkung des zweiten Reflektors oder des Beobachtungsfernrohres läßt sich bequem
die gewünschte Lage der beiden Bildchen zueinander einstellen.
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Beim visuellen Vergleich zweier Lichtflecke hat sich gezeigt, daß
die Empfindlichkeitsschwelle des Auges nicht unabhängig ist von dem Abstand der
beiden Lichtflecke. Ein. Optimum ergibt sich bei einem Ah stand von etwa 15 Bogenminuten.
Der zweite Licht-Heck kann bei Anordnung eines zweiten Reflektors am Fernort dadurch
im optimalen Abstand ereugt werden, daß der zweite Reflektor mit entsprechend bemessener
seitlicher Versetzung zum anderen reflek-
tor angeordnet ist. Entsprechende
Einstellmöglichkeiten sind bei Anordnungen mit in Reichweite des Beobachters angebrachtem
zweitem Reflektor oder Lichtteiler ohne weiteres gegeben.
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Eine auch unter gleichen Phasenbedingungen etwa bestehende Ungleichheit
in der Leuchtdichte beider Lichtflecke läßt sich unschwer durch eine im Strahlengang
des den helleren Lichtfleck erzeugenden Strahlenbündels angeordnete lichtschwächende
Vorrichtung beseitigen.
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Eine weitere zweckmäßige Ausführungsform erhält man, indem man in
einer derartigen Anordnung in an sich bekannter Weise zwei reelle Bilder der beiden
Lichtflecke in. zwei Photozellen in Differenzschaltung erzeugt oder aber nach Art
eines Wechsellichtphotometers die beiden reellen Bilder in einer Photozelle zur
Deckung miteinander bringt und, beispielsweise mittels einer mit Niederfrequenz
umlauf enden oder schwingenden Blende, wechselweise zur Wirkung bringt.
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Hierbei kann es in Weiterausbildung der Erfindung vorteilhaft sein;
das zur Erzeugung eines zweiten Bildes dienende Strahlenbündel aus dem am Fernort
reflektierten Lichtbündel abzuleiten und ohne Zwischenabbildung unter Umgehung des
Modulators der zugeordneten Photozelle zuzuleiten. Es bedarf dann zur Erzeugung
dieses zweiten Bildes keiner Zwischenabbildung, und man erhält ein in seiner Leuchtdichte
nicht vom Abstand eines zweiten Reflektors abhängiges Bild. Die Justiermittel lassen
sich ohne weiteres in Reichweite des Beobachters anordnen.
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In den Fig. 1 udn 2 ist in schematischer Darstellung je ein Ausführungsbeispiel
der Entfernungs-Meßanordnung nach der Erfindung dargestellt.
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Fig. 1 zeigt eine Anordnung, bei welcher dem im Fernpunkt aufgestellten
Reflektor in unmittelbarer Nähe ein zweiter Reflektor zugeordnet ist, während Fig.
2 eine Anordnung darstellt, bei welcher der zweite Reflektor in Reichweite des Beobachters
hinter der das Lichtbündel parallel richtenden Linse im parallelen. Strahlengang
angeordnet ist; Fig. 3 zeigt eine Anordnung, in welcher ein Teil des am Fernort
reflektierten Lichtes unter Umgehung des Modulators zur Herstellung eines zweiten
Bildes verwendet wird.
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Nach der Fig. 1 wird über den Kondensor 2 bei 1' ein Bild der flächenhaften
Lichtquelle 1 erzeugt, von welchem zwei Strahlenbündel a und b, durch das Objektiv
3 parallel gerichtet, auf den am Ende der Meßstrecke zu denkenden Fernpunkt gerichtet
werden.
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Am Fernort befindet sich der ebene Spiegel 4 und im Abstand ihrer
Brennweite eine Sammellinse 4', also eine Anordnung, die in bekannter Weise die
auf den Spiegel gelangenden Strahlen in. sich selbst reflektiert.
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Etwas hinter dem Spiegel 4 mit seitlicher Versetzung befindet sich
ein weiterer Spiegel 5 mit einer entsprechenden Sammellinse 5'.
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Die in sich selbst reflektierten Strahlenbündel werden in der Bildebene
bei 1' zu Zwischenbildern vereinigt, welche über die teildurchlässige Spiegelfläche
6 und ein Beobachtungsokular 7 vom Auge 8 des Beobachters. als im Abstand von etwa
15 Bogenminuten nebeneinanderli egende leuchtende Scheibchen wahrgenommen werden.
Als Modulator für das Meßlicht dient die in bekannter Weise geschnittene Quarzplatte
9 zwischen dem Kondensor 2 und dem Senderobjektiv 3. Der Schwinggenerator, weicher
den Quarzkristall zum Schwingen bringt, ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht
mit dargestellt. Vor und hinter dem Quarzkristall sind in bekannter Weise zwei
gekreuzte
Polarisatoren 10 bzw. 10' und 11 angeordnet.
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Die Herstellung des optimalen Abstandes der beiden vom B eobachterauge
wahrgenommenen. Lichtflecke gewinnt man durch geeignete Wahl des achsenseiikrechten
Abstandes der beiden reflektierenden Anordnungen 4, 4'und 5, 5.
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In der Fig. 2 sind die gleichen Teile wie in. der Fig. 1 mit gleichen
Bezugszeichen. bezeichnet. Den am Fernort angeordneten. Reflektor 4 und der ihm
zugeordneten Linse 4' ist eine ähnliche Reflektoranordnung 5> 5' unmittelbar
hinter dem Senderobjektiv 3 zugeordnet. Der Reflektor 5 ist in diesem Falle als
Konvexspiegel mit sehr kleinem Krümmungsradius ausgebildet, um trotz des geringen
Abstandes der Linse 5' von der Linse 3 einen genügend kleinen Lichtfleck in der
Bildebene 1' zu erhalten.
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Die Kombination 5, 5' befindet sich in Reichweite des Beobachters,
so daß durch Schwenken der Linse 5' oder des durch die Linsen 3 und 7 gebildeten
Fernrohres unschwer der optimale Abstand der vom Beobachterauge wahrgenommenen beiden
Zwischenbilder eingestellt werden kann.
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In der Fig. 3 sind für die gleichbleibenden Teile wiederum dieselben
Bezugszeichen verwendet wie in den. Fig. 1 und 2. Aus dem von der Reflektoranordnung
4, 4' am Fernort reflektierten Lichtbündel wird mittels einer Hilfslinse 3' ein
Teil abgespalten und ohne Erzeugung eines Zwischenbildes unter Umgehung des Modulators
6, 9, 11 über Planspiegel 12, 13 und 16 in einem reellen Bild der Austrittspupille
des Objektivs 3. vereinigt. Das durch das Objektiv 3 über den Modulator 6, 9, 11
zurückgeleitete Lichtbündel wird über den teildurchlässigen Spiegel 6, die Hilfslinse
7, den Analysator 10f und die Planspiegel 14, 13 ebenfalls in einem reellen Bild
der Austrittspupille des Senderobjektivs 3 vereinigt. Die beiden Spiegel 15 und
16 sind in der Höhe gegeneinander versetzt.
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Beide Bilder werden auf der Kathode einer Photozelle zur Deckung gebracht.
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Nach Justierung der Anordnung wird eine umlaufende Wechselblende
17 eingeschaltet, welche die beiden Bilder wechselweise in der Photozelle zur Wirkung
kommen läßt, so daß in dieser ein Photo, strom mit einer verstärkungsfähigen Wechselstromkomponente
erzeugt wird. An die Stelle des in den Ausführungsbeispielen dargestellten Quarzmodulators
kann naturgemäß auch ein anderer Lichtmodulator, beispielsweise eine Kerrzellenanordnung
od. dgl. treten.
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PATENTANSPRtJCHE 1. Verfahren zum Messen von Entfernungen mit moduliertem
Licht in Abhängigkeit von Helligkeitsäuderungen des an einem Reflektor am Fernort
reflektierten Lichtes infolge Phasenverschiebung der Modulaionsschwingung, dadurch
gekennzeichnet, daß über Reflektoren und lichtsammelnde Elemente am Meßort gleichzeitig
zwei auf gleiche Helhgkeit einstellbare Bilder der am Fernort gespiegelten Austrittspupille
des Set. der objektivs erzeugt werden.