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Optisches Beobachtungsinstrument (Zielfernrohr oder Ablesemikroskop)
mit Dosenlibelle Die Erfindung betrifft ein optisches Instrument (Zielfernrohr oder
Ablesemikroskop), das zum selbsttätigen Ausgleich kleiner Neigungen mit einer Dosenlibelle
versehen und so eingerichtet ist, daß das die Abbildung einer Zielmarke auf einer
Strichplatte bewirkende System die Gasblase der Libelle als Zerstreuungslinse enthält.
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Die Verwendbarkeit von Libellenblasen als Linsen in optischen Systemen
ist an sich bekannt. Die optisch wirksamen Flächen dieser Gaslinse werden gebildet
durch die mit einem konstanten Krümmungsradius hergestellte obere Abschlußfläche
der Dosenlibelle, die als Lauffläche für die Blase dient, einerseits, und die an
die Flüssigkeit angrenzende Fläche der Blase, welche die Lichteintrittsfläche ist,
andererseits.
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Es hat sich nun gezeigt, daß das Volumen der Blase und damit die Lage
der Lichteintrittsfläche relativ zu den anderen optischen Teilen des Instruments
sowie die Brechkraft der Libellenflüssigkeit sehr stark von der Temperatur abhängig
sind. Infolgedessen ändert sich die optische Vergrößerung der über die Libellenblase
abgebildeten Marke mit der Temperatur, was höchst unerwünscht ist.
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Der Erfinder hat gefunden, daß durch die Wahl eines bestimmten Füllungsgrades
(Flüssigkeitsvolumen/Gefäßvolumen) der Dosenlibelle die obengenannten optischen
Daten der Blase derart eingestellt werden können, daß innerhalb eines großen Temperaturbereiches
die Vergrößerung des die Blase enthaltenden optischen Systems praktisch konstant
bleibt.
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Die Erfindung besteht daher in einem optischen Beobachtungsinstrument
mit einer dem selbsttätigen Ausgleich kleiner Neigungen dienenden Dosenlibelle,
deren Blase als zusätzliche Linse im optischen Strahlengang verwendet wird, und
zwar ist erfindungsgemäß ein so bestimmter Füllungsgrad der Dosenlibelle gewählt,
daß bei ihm über einen Temperaturbereich von etwa - 10 bis + 401
C eine Konstanz der optischen Vergrößerung ß mit einer solchen Genauigkeit
erhalten wird, daß sie nicht um mehr als ± 1 % von ihrem Sollbetrag abweicht.
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Die schematische Zeichnung eines Ausführungsbeispiels veranschaulicht
den Strahlengang in einem Zielfernrohr mit einer Dosenlibelle nach der Erfindung.
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Das Objektiv 1 entwirft über ein Penta-Prisma 2 und eine Dosenlibelle
3 ein Bild des Zielpunktes, das ohne Berücksichtigung der optischen Wirkung
der Libellenblase etwa bei 8 liegen würde. Mittels der rotationssymmetrischen
Libellenblase 7, welche als Zerstreuungslinse wirkt, wird das Bild des Zielpunktes
über das Reflexionsprisma 4 auf der Strichplatte 5 abgebildet. Es wird dann
über das Okular 6
zusammen mit der Skala der Strichplatte im Auge scharf gesehen.
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Kippt man das Zielfernrohr innerhalb derZeichenebene um einen kleinen
Winkel cc, so nimmt der horizontale Hauptstrahl relativ zum Instrument die gestrichelt
gezeichnete Lage ein. Das Bild bei 8
würde bei unveränderter Lage der Libellenblase
nach 8' verschoben werden. Der Betrag der seitlichen Versetzung wäre dann
d, = S * cc, wobei s die Bildweite des Objektivs 1 ist.
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Gleichzeitig wandert aber auch die Blase 7 der Libelle um den
Betrag d2 # r » cc in derselben Richtung wie das Bild
8, wobei r der Krümmungsradius der Innenfläche 9 der Libellendose
ist.
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Die Bildweite s des Objektivs ist von der Entfernung des Zielpunktes
abhängig nach
wenn E die Entfernung des Zielpunktes ist. Zur Einstellung auf verschiedene
Zielentfernungen wird das Objektiv 1 entsprechend verschoben.
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Da die Vergrößerung ß temperaturkonstant gehalten wird, entspricht
- vom Objektiv her gesehen - jeder Neigung m des Instruments eine
konstante Strecke a, um die das Strichkreuz versetzt erscheint. Nach den bekannten
Betrachtungen über den anallaktischen Punkt in Zielfernrohren ist somit der vordere
Brennpunkt des Objektivs die scheinbare Kippachse des Instruments.
Der
Krümmungsradius r der Lauffläche 9 der Libellenblase ist so gewählt, daß
trotz der Neigung des Instruments das Bild des Zielpunktes - über das Reflexionsprisma4
- in der Mitte der Strichplatte5 scharf abgebildet wird. Jener Krümmungsradius
folgt der Beziehung
wenn fl die Brennweite des Objektivs 1 und ß die Vergrößerung ist,
mit der das Bild 8 bzw. 8' auf der Strichplatte 5 abgebildet
wird.
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Die Vergrößerung ß des unter Mitwirkung der Libellenblase,
also ferner durch das Objektiv, die gekrümmte Lauffläche 9 der Blase und
das nachfolgende Prisma erzeugten Bildes auf der Strichplatte hängt von der Brennweite
f7 der Libellenblase und dem Abstand w zwischen der Lichteintrittsfläche
der Blase und der Strichplatte 5 ab.
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Es ergibt sich
Für die Brennweite f7 der Libellenblase ergibt sich unter Berücksichtigung
der Brechzahl n 7 der Libellenflüssigkeit
wobei r. der Krümmungsradius der Blase in ihrem tiefsten Punkt ist.
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Der einwandfreien Arbeit dieser Anordnung steht entgegen, daß sich
mit der Temperatur das Volumen der Libellenflüssigkeit ändert, und zwar um etwa
den 30fachen Betrag der Volumenänderung des Gefäßes. Dadurch entsteht unvermeidbar
eine Formänderung der Blase und damit eine Änderung ihres Krümmungsradius r.. Da
sich auch die Oberflächenspannung der Flüssigkeit mit der Temperatur ändert, wird
auch dadurch die Größe des Blasenradius beeinflußt. Mit seiner Änderung ist wiederum
eine Änderung des Abstandes w der Lichteintrittsfläche der Blase von dem Bild auf
der Strichplatte verbunden.
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Schließlich wird mit der Temperatur auch die Brechzahln
7 der Libellenflüssigkeit geändert, so daß die Brennweite der als Linse wirkenden
Libellenblase einen starken Temperaturgang aufweist.
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Es läge nun nahe, zur Kompensation dieser Temperatureinflüsse auch
den Krümmungsradius r der Lauffläche 9 der Libellenblase temperaturabhängig
zu machen. Derselbe folgt der Beziehung
Zwar sind der Krümmungsradius der Lauffläche und die Brennweite fl des Objektivs
im einander entgegengesetzten Sinne temperaturabhängig. Der Einfluß der Ausdehnung
des Glases und die Änderung der Brechzahl der Gläser des Objektivs beträgt jedoch
nur ein Tausendstel bis ein Hundertstel des Temperatureinflusses auf die Blase.
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Erfindungsgemäß läßt sich die Brechkraft der Libellenblase durch die
Wahl eines ganz bestimmten Füllungsgrades (Flüssigkeitsvolumen/Gefäßvolumen) so
einstellen, daß der Quotient
in einem Temperaturbereich von mindestens - 10 bis + 40'
C
so konstant halten, daß er um nicht mehr als ± % vom Sollwert abweicht.
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Der entsprechende FüHungsgrad läßt sich einpirisch einstellen. Er
ist erreicht, wenn zwischen den Grenztemperaturen (-10 und +40' Q die Bildgröße
auf der Strichplatte konstant bleibt.
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Der richtige Füllungsgrad läßt sich auch über die Integration der
Differentialgleichung für die Lichteintrittsfläche derLibellenblase rechnerisch
ermitteln.
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Bei einer Anordnung mit dem Gefäßvolumen V der Libelle =
1088 mms und den Größen r = 404 mm f., = 112 mm w =
16,4 nun n" = 1,35 (Alkohol bei 201 Q
gelangt man zu einem optimalen
Füllungsgrad Q = 83,6 % sowie zu einer Libellenblase mit dem Krümmungsradius
r7 = 14,4 mm und der Brennweite f7 = 41 mm, deren Vergrößerung
ß = 1,4 innerhalb des oben angegebenen Temperaturbereiches praktisch konstant
ist.