DE1623404A1

DE1623404A1 - Automatic leveling instrument

Info

Publication number: DE1623404A1
Application number: DE1967C0043784
Authority: DE
Inventors: Hartmut Dipl-Phys Ehbets; Dieter Groeger
Original assignee: Franke & Co Optik GmbH
Current assignee: Franke & Co Optik GmbH
Priority date: 1967-11-09
Filing date: 1967-11-09
Publication date: 1971-03-25
Also published as: DE1623404B2

Description

CONTINENTAL ELEKTROINDUSTRIECONTINENTAL ELECTRICAL INDUSTRY

AKTIENGESELLSCHAFT Askania-WerkeSHARED COMPANY Askania works

P 16 23 tofr.1 Berlin, den 21. Juli 1969P 16 23 to 1 Berlin, July 21, 1969

(V107)(V107)

Automatisches NivellierinstrumentAutomatic leveling instrument

Die Erfindung betrifft ein Nivellierinstrument mit einem um eine Stehachse drehbar gelagerten Fernrohr bestehend aus einem Objektiv, einem im Abstand der halben Bildweite dahinter angeordneten, unter dem Einfluß der Schwerkraft pendelnd gelagerten Planspiegel, an dem der Abbildungsstrahlengang zurück zum Objektiv in dessen Bildebene reflektiert ist, aus einer in der Bildebene des Objektivs angeordneten Zielmarke und aus einem gebrochenen Okularsystem zur Betrachtung der Bildebene des Objektivs, bei dem die Stehachse im ,Abstand vom vorderen Knotenpunkt des FernrohrObjektivs oder im Abstand von einem virtuellen Bild dieses Punktes, welches von etwa vor dem Objektiv angeordneten optischen Elementen mit konstanter Ablenkung des Abbildungsstrahlenganges entworfen ist, angeordnet ist.The invention relates to a leveling instrument with a telescope rotatably mounted about a standing axis and consisting of an objective, one arranged at a distance of half the image width behind it, below The plane mirror pendularly mounted under the influence of gravity, on which the imaging beam path back to the lens in its image plane is reflected, from a arranged in the image plane of the lens Target mark and from a broken eyepiece system for viewing the image plane of the lens, in which the standing axis is at a distance from the front Node of the telescope lens or at a distance from a virtual one Image of this point, which is made up of optical elements arranged approximately in front of the lens with constant deflection of the imaging beam path is designed, is arranged.

Nivelliere dieser Ausbildung sind bekannt. Sie weisen den Nachteil auf, daß Nivellements, welche mit ihrer Hilfe ausgeführt werden, mit einem systematischen Meßfehler behaftet sind,"der dann auftritt, wenn die Stehachee des Gerätes nicht exakt in die Vertikale ausgerichtet ist* Der Höhenmeßfehler macht sich bei Messungen in verschiedenen Fernrohrlagen bemerkbar und ist dem Produkt aus dem Winkel der Fehlaufstellung der Stehachse mit dem Abstand zwischen der Stehache· und vorderen Knotenpunkt des Objektivs bzw. seines virtuellen Bildes näherungsweise proportional* -Levels of this training are known. They have the disadvantage that leveling, which are carried out with their help, are subject to a systematic measurement error, "which occurs when the stehachee of the device is not aligned exactly in the vertical * The height measurement error occurs when measuring in different telescope positions noticeable and the product of the angle of the incorrect formation is the vertical axis with the distance between the Stehache · and front nodal point of the lens or of its virtual image approximately proportional * -

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Zur Vermeidung des genannten Fehlers ist es bekannt, die Stehachse durch den vorderen Knotenpunkt bzw· durch sein virtuelles Bild quer zur Richtung der optischen Achse des Fernrohrobjektivs zu legen.To avoid the error mentioned, it is known to use the vertical axis through the front node or through its virtual image across to the direction of the optical axis of the telescope objective.

Solche Konstruktionen weisen jedoch einen mechanisch ungünstigen Aufbau auf, weshalb der Anwendungsbereich von Nivellieren der eingangs näher bezeichneten Bauart hinsichtlich ihrer Verwendung, bei Nivellements über größere Strecken Einschränkungen unterworfen ist.However, such constructions are mechanically unfavorable Structure, which is why the scope of leveling of the type described in more detail at the beginning with regard to their use, is subject to restrictions when leveling over longer distances.

Die vorliegende Erfindung befaßt sich mit der Aufgabe, Nivelliere der eingangs näher bezeichneten Art in der Weise auszubilden, daß der Fehler eines Nivellements über größere Entfernungen trotz mit einem systematischen Fehler behafteten Stellungen der Stechachse des Instruments unterhalb eines vorgegebenen Wertes gelegen ist.The present invention is concerned with the object of training levels of the type specified in more detail in such a way that the error of leveling over large distances despite the position of the plunging axis with a systematic error of the instrument is below a specified value.

Erfindungßgemäß wird ein Nivellierinstrument der eingangs näher bezeichneten Bauart vorgeschlagen, das sich dadurch kennzeichnet, daß die Zielmarke des Fernrohres im Abstand vom optischen Mittelpunkt des Objektivs oder von einem virtuellen Bild desselben, welches von hinter ihm gelegenen Teilen des Objektivs und/oder anderen optischen Elementen entworfen ist, angeordnet ist und dieser Abstand d zu d = ■■ - gewählt ist, wobei η den Brechungsindex desAccording to the invention, a leveling instrument is described in greater detail in the opening paragraph proposed design, which is characterized in that the target mark of the telescope at a distance from the optical center of the lens or of a virtual image of the same, which of parts of the lens located behind it and / or others optical elements is designed, arranged and this spacing d is chosen to be d = ■■ -, where η is the refractive index of the

ELTbsp

Lichtweges zwischen dem Ort der Zielmarke und dem Ort ihrer Sollage, a eine wählbare Objektweite des Fernrohres, a* die dazugehörige Bildweite und b den Abstand der Stehachse von ihrer Sollage bezeichnen. Light path between the location of the target mark and the location of its target position, a a selectable object distance of the telescope, a * the corresponding one Image distance and b denote the distance between the vertical axis and its target position.

Die erwähnte Objektweite a ist dabei vom vorderen Knotenpunkt des Fernrohrobjektivs gezählt und wird zweckmäßig gleich der Zielweite einer üblichen Nivellementsmessung, z.B. zu a 3 1*0 m, gewählt.The mentioned object distance a is from the front node of the Telescope objective is counted and is expediently equal to the target range a normal level measurement, e.g. for a 3 1 * 0 m.

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Unter der Sollage des Strichkreuzes soll der optische Mittelpunkt des Objektivs bzw. bei Anwesenheit von zusätzlichen optischen Elementen (z.B. Umlenkspiegel) zwischen Planspiegel und Bildebene jene Position, welche durch die zusätzlichen optischen Elemente virtuell in dem bildseitigen Knotenpunkt abgebildet wird, verstanden werden.Below the target position of the crosshair, the optical center point of the objective or in the presence of additional optical ones should be Elements (e.g. deflection mirror) between the plane mirror and the image plane, the position that is determined by the additional optical elements is virtually mapped in the image-side node can be understood.

Befindet sich die Lage der Stehachse in Lichtrichtung betrachtet hinter dem Ort des vorderen Knotenpunktes bzw. seines virtuellen Bildes, so ist die Zielmarke objektseitig von ihrer Sollage gelegen.Is the position of the standing axis, viewed in the direction of light, behind the location of the front node or its virtual point Image, the target mark is located on the object side from its target position.

Liegt der Ort der Stehachse vor dem genannten Knotenpunkt bzw. vor dem Ort seines virtuellen Bildes, so iet die Zielmarke bildseitig von ihrer Sollage gelegen.Is the location of the vertical axis in front of the named junction or before the location of his virtual image, the target mark is located on the image side from its target position.

Die anliegenden Figuren erläutern die Erfindung.The attached figures explain the invention.

Die Fig. 1 zeigt ein erstes Ausfuhrungsbeispiel mit einem Fernrohr, dessen Objektiv mit seiner optischen Achse in Visierrichtung gelegen ist. Die Fig. 2 erläutert seinen optischen Aufbau. Die Fig. 3 erläutert seine Wirkungsweise. Die Fig. k zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel, bei dem die Stehachse des Fernrohres in Richtung der optischen Achse des Fernrohrobjelctivs angeordnet ist. Die Fig. 5 erläutert den optischen Aufbau dieses Ausführungsbeispiels.Fig. 1 shows a first exemplary embodiment with a telescope, the objective of which is located with its optical axis in the direction of sight. Fig. 2 explains its optical structure. 3 explains its mode of operation. FIG. K shows a second exemplary embodiment in which the vertical axis of the telescope is arranged in the direction of the optical axis of the telescope lens. Fig. 5 explains the optical structure of this embodiment.

In Fig. 1 bezeichnet 1 das Gehäuse des Nivellierinstruments, welches mit einer (nicht dargestellten) Dosenlibelle zur Ausrichtung seiner Stehachse S verbunden ist. Das Gehäuse 1 ist durch Fußschrauben 2 justierbar auf einer Grundplatte 3 gelagert und kann auf dem Lagerzapfen k um die Stehachse S gedreht werden. Das Gehäuse dient zur Lagerung eines aus den drei Linsen 5» 6 und 7 bestehenden Objektivs Hinter dem Objektiv ist im Abstand der halben Bildweite ein Planspiegel 9 angeordnet. Der Planspiegel 9 ist mittels einer Aufhängung 9* an einem Bauteil 10 derart pendelnd gelagert, daß sich seine Spiegelebene stets in die vertikale Richtung einstellt. Er ist im übrigen mit (nicht dargestellten) Mitteln zur Dämpfung seiner Bewegung verbunden. In Fig. 1, 1 designates the housing of the leveling instrument, which is connected to a circular level (not shown) for aligning its vertical axis S. The housing 1 is adjustably mounted on a base plate 3 by means of foot screws 2 and can be rotated about the vertical axis S on the bearing journal k. The housing is used to mount an objective consisting of the three lenses 5, 6 and 7. A plane mirror 9 is arranged behind the objective at a distance of half the image width. The plane mirror 9 is mounted in a pendulum manner by means of a suspension 9 * on a component 10 in such a way that its mirror plane is always set in the vertical direction. It is also connected to means (not shown) for damping its movement.

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Das Bauteil 10 ist zusammen mit dem Spiegel 9 in Richtung des eingezeichneten Pfeiles über von der Außenseite des Gehäuses 1 her zugängliche Stellmittel zum Zwecke der Fernrohrfokussierung verschiebbar gelagert.The component 10 is together with the mirror 9 in the direction of the indicated arrow over from the outside of the housing 1 accessible adjusting means for the purpose of telescope focusing movably mounted.

Vor dem Objektiv 3 bzw. in -Lichtrichtung hinter dem Spiegel 9 ist ein Glasprisma 11 gelagert, welches an einer Planglasscheibe befestigt ist. Seine unter V? gegen die optische Achse des Objektivs 8 geneigt angeordnete Prismenfläche 13 ist verspiegelt. Der Spiegel ist Teil eines gebrochenen Okularsystems 1*f, welches es gestattet, über das Umlenkprisma 15 und den Spiegel 13 die Bildebene 16 des Objektivs 8 zu betrachten.In front of the lens 3 or behind the mirror 9 in the direction of light, a glass prism 11 is mounted, which is attached to a flat glass pane is attached. Its under V? against the optical axis of the lens 8 inclined prism surface 13 is mirrored. The mirror is part of a broken eyepiece system 1 * f, which allows Via the deflecting prism 15 and the mirror 13, the image plane 16 of the Lens 8 to look at.

Die Bildebene 16 fällt mit einer Linsenfläche des Objektivs 8, der letzten Fläche der Linse 5i zusammen und enthält ein Fadenkreuz. Das Fadenkreuz ist vor dem Verkitten der Linsen 5 und 6 auf die hintere Fläche der Linse 5» z.B. durch Aufdampfen, aufgebracht.The image plane 16 coincides with a lens surface of the objective 8, the last surface of the lens 5i and contains a crosshair. The crosshairs are applied to the rear surface of the lens 5 ', for example by vapor deposition, before the lenses 5 and 6 are cemented.

Vor der Scheibe 12 ist ein Glaskeil 17 in einer Fassung 18 angeordnet, welche in dem Gehäuse 1 um die Achse des Objektivs 8 drehbar gelagert ist. Der Keil 17 dient zur Korrektur etwaiger Fehlablagen des in der Ebene 16 gelegenen Mittelpunktes des Fadenkreuzes von der optischen Achse des Objektivs 8.In front of the pane 12, a glass wedge 17 is arranged in a holder 18, which is rotatably mounted in the housing 1 about the axis of the lens 8. The wedge 17 is used to correct any incorrect positioning of the center point of the crosshairs located in the plane 16 from the optical axis of the objective 8.

In Fig. 2 ist das Objektiv 8 mit seinen Linsen 5i 6 und 7 noch einmal dargestellt. Vor dem Objektiv ist schematisch eine Planparallelglasplatte 20 angedeutet, die ein Äquivalent für die Glasscheiben 12 und 17 sein soll. Die Scheibe 20 vermittelt eine virtuelle Abbildung des vorderen Knotenpunktes 22 des Objektive an dem Ort 231 und es ist mit S wieder die Lage der Stehachse des Nivellierinstruments angedeutet. 21 bezeichnet den Ort des optischen Mittelpunktes des Fadenkreuz·β in der Ebene 16. Mit H bzw. H' sind die vordere und hintere Hauptebene des Objektivs bezeichnet.In Fig. 2, the objective 8 with its lenses 5i 6 and 7 is still shown once. A plane-parallel glass plate is schematically in front of the objective 20 indicated, which should be an equivalent for the glass panes 12 and 17. The disc 20 provides a virtual image of the front node 22 of the lens at the location 231 and S is again the position of the standing axis of the Leveling instrument indicated. 21 denotes the location of the optical Center of the crosshair · β in plane 16. With H and H 'are denotes the anterior and posterior main plane of the lens.

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Zur fehlerfreien Funktion des Nivelliere nach Fig. 1 wäre es erforderlich, daß die Stehachse S durch das virtuelle Bild 23 des vorderen Knotenpunktes 22 des Fernrohrobjektivs δ gelegt ist. Sie weist indessen den Abstand b vom Ort ihrer Sollage auf. Die Zielmarke 16· ist deshalb * im angegebenen Abstand d vom Ort des optischen Mittelpunktes 21 vor dem optischen Mittelpunkt angeordnet.For the correct functioning of the level according to FIG. 1, it would be necessary that the vertical axis S through the virtual image 23 of the front Node 22 of the telescope lens δ is placed. However, it has the distance b from the location of its target position. The target mark 16 is therefore * arranged at the specified distance d from the location of the optical center point 21 in front of the optical center point.

Infolge dieser Fehllage der Zielmarke verliert das Nivellierinstrument die Eigenschaft, daß die Richtung seiner Zielachse unabhängig von Neigungen des Gerätegehäuses 1 gegen die Horizontalebene stets in eine horizontale Richtung weist, und es tritt eine neigungsabhängige Kippung der Zielachsenrichtung gegen den Horizont auf.As a result of this misalignment of the target mark, the leveling instrument loses the property that the direction of its target axis regardless of inclinations of the device housing 1 relative to the horizontal plane always in a horizontal direction, and a tilt-dependent tilt occurs the target axis direction towards the horizon.

Die Größe und Art dieser neigungsabhängigen Kippung erläutert die Fig* 3, in der δ das Objektiv des Nivelliere nach Fig. 1, S seine Stehachse, 8' das Objektiv δ in einer um 18O gedrehten Lage (bei unveränderter Anordnung der Stehachse) und 30 bzw. 30' Nivellierlatten bezeichnen.The size and type of this tilt-dependent tilt explains the Fig * 3, in which δ the objective of the level according to Fig. 1, S its vertical axis, 8 'the objective δ in a position rotated by 180 (at unchanged arrangement of the vertical axis) and 30 or 30 'designate leveling staffs.

Wie der Figur entnommen werden kann, weist die Zielachse des Fernrohres in den beiden um 18O verschiedenen Fernrohrlagen jeweils eine unterschiedliche Höhenlage auf. Der Abstand zwischen diesen beiden Höhenlagen beträgt 2h. Er ist in Näherung dem Produkt aus dem Neigungswinkel oL der Stehachse S gegen den Horizont und aus dem Abstand b proportional.As can be seen from the figure, the sighting axis of the telescope has a different elevation in each of the two telescope positions which differ by 180. The distance between these two altitudes is 2 hours. As an approximation, it is proportional to the product of the angle of inclination oL of the vertical axis S against the horizon and the distance b.

Zur Verringerung dieses Fehlere ist nun - wie erläutert - eine neigungsabhängige Kippung Δ oteingeführt, welche so durch entsprechende Anordnung der Zielmarke justiert ist, daß der Höhenversatz 2h für die Fernrohrzielweite a gleich Null ist.To reduce this error - as explained - an inclination-dependent tilting Δ ote is now introduced, which is adjusted by appropriate arrangement of the target mark such that the height offset 2h for the telescope target range a is equal to zero.

In de« AusfUhrungabeispiel nach Fig. k ist das Fernrohrobjektiv 8 in dem Gehäuse 1 derart gelagert, daß «eine optische Achse mit der Richtung der Stehachse S zusammenfällt. Der Spiegel 9 ist nunmehrIn de "AusfUhrungabeispiel of FIG. Telescope lens is mounted in such a k in the housing 1 8 that" an optical axis coincides with the direction of the vertical axis S. The mirror 9 is now

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an einer Aufhängung 9' derart pendelnd gelagert, daß seine Spiegelebene stets mit der Horizontalebene zusammenfällt.'Der Lagerpunkt der Aufhängung 9' ist wiederum zum Zwecke der Fernrohrfokussierung über (nicht dargestellte) Stellmittel in Richtung der optischen Achse des Objektive 8 verschiebbar.mounted in a pendulum manner on a suspension 9 'in such a way that its mirror plane always coincides with the horizontal plane.' The bearing point the suspension 9 'is again for the purpose of telescope focusing Can be displaced in the direction of the optical axis of the objective 8 via adjusting means (not shown).

Vor dem Objektiv des Fernrohres ist zum Zwecke der Umlenkung der Zielrichtung ein Pentapriama angeordnet, welches die Zielachse um 90° knickt. Die Bildebene 16 des Fernrohres ist über den Spiegel 13 und das Okularsystem 1*f betrachtbar.In front of the objective of the telescope is for the purpose of deflecting the Aiming direction a Pentapriama arranged, which the target axis around 90 ° bends. The image plane 16 of the telescope can be viewed via the mirror 13 and the eyepiece system 1 * f.

Eine solche Anordnung ist der in Fig. 1 dargestellten Anordnung α optisch äquivalent. Durch das Pentaprisma kO wird nämlich im vorliegenden Fall das Objektiv δ virtuell an den Ort 8A abgebildet und die Anordnung ist mit einer solchen äquivalent, bei der das Objektiv mit seiner optischen Achse in horizontaler Richtung gelegen und die Stehachse vor dem Objektiv angeordnet ist. Auch solche Anordnungen weisen deshalb den erwähnten systematischen Meßfehler auf, obwohl die Stehachse den objektseitigen Knotenpunkt enthält.Such an arrangement is optically equivalent to the arrangement α shown in FIG. In the present case, the objective δ is virtually imaged by the pentaprism kO at the location 8A and the arrangement is equivalent to one in which the objective is located with its optical axis in the horizontal direction and the standing axis is arranged in front of the objective. Such arrangements therefore also have the aforementioned systematic measurement error, although the standing axis contains the node on the object side.

Die Anordnung ist deshalb - wie der Fig. 5 entnommen werden kann -derart getroffen, daß die Zielmarke 16* des Fernrohres im Abstand d hinter dem optischen Mittelpunkt *H des Objektivs 8 angeordnet ist. Der Abstand d ist der eingangs erwähnten Dimensionierung entsprechend gewählt, wobei die Zielweite a etwa zu 30... 50 m gewählt ist.The arrangement is therefore - as can be seen in FIG. 5 - made in such a way that the target mark 16 * of the telescope at a distance d is arranged behind the optical center point * H of the objective 8. The distance d corresponds to the dimensioning mentioned at the beginning selected, whereby the target range a is chosen to be about 30 ... 50 m.

™ Die erläuterten Nivelliere weisen den Vorzug auf, daß mit ihrer Hilfe Nivellements über größer· Strecken bei hinreichend kleinem Höhenfehler auch dann ausgeführt werden können, wenn die Stehachse nicht exakt in die vertikale Richtung auegerichtet ist.™ The explained levels have the advantage that with their help Leveling over long distances with a sufficiently small height error can also be carried out if the vertical axis is not exact is aligned in the vertical direction.

1 Patentanspruch 3 Zeichnung sbHLtter1 claim 3 drawing sbHLtter

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Claims

PatexTta-nspruc hPatexTta-nspruc h

Nivellierinstrument mit einem um eine Stehachse drehbar gelagerten Fernrohr bestehend aus einem Objektiv, einem im Abstand der halben Bildweite dahinter angeordneten« unter dem Einfluß der Schwerkraft pendelnd gelagerten Planspiegel, an dem der Abbildungsstrahlengang zurück zum Objektiv in dessen Bildebene reflektiert ist, aus einer in der Bildebene des Objektivs angeordneten Zielmarke und aus einem gebrochenen Ökularsystem zur Betrachtung der Bildebene des Objektivs, bei dem die Stehachse im Abstand vom vorderen Knotenpunkt des Fernrohrobjektivs oder im Abstand von einem virtuellen Bild dieses Punktes, welches von etwa vor dem Objektiv angeordneten optischen Elementen mit konstanter Ablenkung des Abbildungsstrahlenganges entworfen ist, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Zielmarke (16') des Fernrohres (8, 9, 13, 1¹O im Abstand vom optischen Mittelpunkt (21) des Objtktivs(8) oder von einem virtuellen Bild desselben ■, welches von feister ihm gelegenen Teilen des Objektivs und/oder anderen optischen Elementen entworfen ist, angeordnet ist und dieser Abstand d zu d= · ·— gewählt ist, wobei η den Brechungsindex des LichtwegeQ zwischen dem Ort der Zielmarke und dem Ort ihrer Sollage, a eine wählbare Objektweite des Fernrohres, a¹ die dazugehörige Bildweite und b den Abstand der Stehachse (S) von ihrer Sollage bezeichnen«A leveling instrument with a telescope rotatably mounted around a vertical axis, consisting of an objective, a plane mirror arranged behind it at a distance of half the image distance, pendular under the influence of gravity, on which the imaging beam path is reflected back to the objective in its image plane, from one in the image plane of the lens arranged target mark and from a broken eccular system for viewing the image plane of the lens, in which the standing axis at a distance from the front node of the telescope lens or at a distance from a virtual image of this point, which of about in front of the lens arranged optical elements with constant deflection of the Imaging beam path is designed, is arranged, characterized in that the target mark (16 ') of the telescope (8, 9, 13, 1 ¹ O at a distance from the optical center (21) of the lens (8) or from a virtual image of the same. which of the parts of the lens that are more fiery to it s and / or other optical elements is designed, is arranged and this distance d is chosen to be d = · · -, where η is the refractive index of the light path Q between the location of the target mark and the location of its target position, a selectable object distance of the telescope, a ¹ denotes the corresponding image distance and b denotes the distance between the vertical axis (S) and its nominal position «

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Askania -We rkeAskania factory

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M9U6 documents (Art. 7 gi Para.

2 No. I sow 3 of the Anderungegee. v. 4.9.1967)

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