DE1802120A1

DE1802120A1 - Vermessungs- und Beobachtungstheodolit

Info

Publication number: DE1802120A1
Application number: DE19681802120
Authority: DE
Inventors: La Roche Dipl-Ing Dr Ulrich
Original assignee: Oerlikon Contraves AG
Current assignee: Rheinmetall Air Defence AG
Priority date: 1968-02-05
Filing date: 1968-10-09
Publication date: 1969-09-04
Also published as: CH474047A; FR1586008A; US3532410A

Description

CO]JiDEAVES AG,

8o52 CH-Zürich/Schweiz

Schaffhauserstr. 58o

Patentanmeldung

"Vermessungs- und Beobachtungstheodolit"

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Vermessungs- und Beobachtungstheodolit, der vorzugsweise dazu bestimmt und ausgebildet ist, von einem definierten Standort aus ein Flugzeug, eine Rakete und/oder einen andersartigen Flugkörper dauernd zu verfolgen und dabei fortlaufend in Bezug auf ein ortsfestes Koordinatensystem die Momentanwerte der Polarkoordinaten dieses Flugkörpers zu ermitteln.

Vielfach werden an derartigen Theodoliten Kameras angebaut, um damit in vorbestimmten Zeitabständen, beispielsweise jede Zehntelsekunde, eine ^ufnahme des Flugkörpers zu machen, wobei jeweils auf dem Bild auch ein Fadenkreuz und die Momentanwerte der Polarkoordinaten dieses Fadenkreuzes sowie die Aufnahmezeit aufgezeichnet werden.» Sofern mit Hilfe eines zweiten, gleichartigen Fototheodoliten, von einem andern, ebenfalls definierten Standort aus jeweils gleichzeitig entsprechende Bilder mit den zugehörigen Koordinatenwerten aufgenommen werden, ist es möglich, durch Auswertung der beiden Bilderfolgen die Flugbahn des

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!Plugkörpers mathematisch.- zu ermitteln.

Es ist schon vorgeschlagen worden, auf einem gemeinsamen Träger, der im Theodolitgehäuse um eine horizontale Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, wobei das. Theodolitgehäuse seinerseits um eine Vertikalachse drehbar in einer Soekelkonstruktion gelagert ist, mehrere verschiedenartige Teleskope mit daran angebauten, verschiedenartigen Aufnahmekameras auswechselbar anzubauen. Damit soll ermöglicht werden, je nach den Erfordernissen die Aufnahmen mit besonders geeigneten Kamera-Typen oder sonstigen Bildauswertegeräten zu machen, z_oB. mit Ultraschnell-Filmkameras, um besonders interessante Flugphasen in Zeitlupenart aufzunehmen oder mit Fernsehkameras, um die Bilder momentan an einen entfernten Ort ίÜbermitteln zu können usw.

Diese bekannte Konstruktionsweise von Flugbahnvermessungsgeräten mit einem Träger für darauf auswechselbar moirfci erbare Bildaus--Wertegeräte hat wesentliche Nachteile:

Vor allem ist es schwierig, in ein erzeugtes Fotobild ein Fadenkreuz und die Koordinatenwerte mit der gewünschten Genauigkeit einzublenden, weil die betreffenden Aufnahmekameras nicht mit dem Theodolitgehäuse integriert, sondern nur auf der genannten horizontalen Schwenkachse montiert sind. Aus demselben Grunde is1 es auch schwierig, bei raschen Winkelbeschleunigungen elastische Verformungen des Trägersystemes zu verhindern und damit Meßfehler zu vermeiden. Besonders schwierig ist es aber, jeder Kamera ein Teleobjektiv mit großer Reichweite und hohem Auflösevermögen genau angepaßt zuzuordnen, weil solche teleskopischen Systeme groß, schwer und teuer sind. -

Die vorliegende Erfindung geht andere vie ge., mit dem 28el, die oben genannten Nachteile der bekannten.Systerne zu vermeiden. Der j erfindungsgemäße Vermessungs- und üeobachtungstheodolit umfaßt ein Teleskoprohr, welches um eine horizontale Schwenkachse relativ zu einem '-thBodolit-Gehäuse schwenkbar gelagert ist-_t wobei das

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Theodolitgehäuse seinerseits um eine Vertikalachse drehbar in einer Sockelkonstruktion gelagert ist und das Teleskoprohr dazu bestimmt und ausgebildet ist, eine Primärbildfläche des Gesichts feldes aplanatisch abzubilden und ferner dieses Primärbild mit Hilfe einer hinter der Bildfläche koaxial zur horizontalen Teleskop-Schwenkachse eingebauten Kollimationsobjektives unter Korn pensation seiner astigmatisehen Fehler in Richtung der genannten horizontalen Schwenkachse mit Parallelstrahlengang ins Unendlich abgebildet wird und beidseitig von diesem Kollimationsobjektiv Spiegelorgane im Theodolitgehäuse derart verstellbar eingebaut sind, daß das aus dem Kollimationsobjektiv austretende, afokale Lichtstrahlenbündel wahlweise einer von mehreren am Theodolitgehäuse angebauten Bildauswertekameras zugeführt werden kann.

Ein AusfUhrungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Theodoliten ist in der Zeichnung mit seinen wesentlichen Bestandteilen halbschematisch dargestellt. Es zeigen:

Pig. 1 Ein um eine vertikale Achse A drehbares Theodolitgehäuse mit einem darin um eine Horizontalachse B schwenkbaren Teleskoprohr und zwei darin montierten Bildauswertekameras,

Pig. 2 Eine Variante zu Pig. 1 mit anderer Ausbildung der verstellbaren Spiegelorgane und anderer Anordnung der Bildauswertekameras.

In Pig. 1 ist mit 1 ein mit einer nicht gezeichneten Sockelkonstruktion fest verbundener Lagerring bezeichnet, auf welchem mit Hilfe des Wälzlagers 2 die Basisplatte 3 a eines Theodolitgehäuses 3 derart drehbar gelagert ist, daß sie um die vertikale Achse A drehbar ist. Zum Erzwingen dieser azimutalen Drehbewegung der Theodolit-Basisplatte 3 a kann die Welle 30 dienen, die beispielsweise von einem Torque-Motor oder einem anderen Servomotor verdreht wird. In zwei lagern 31 des Theodolitgehäuses 3 ist eine Horizontalv/elle 40 mit der Achse B schwenkbar gelagert. Diese Welle 40 trägt ein dazu quer orientiertes Teleskoprohr 4 a

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mit einer darin eingebauten Spiegelteleskopoptik. Die Horizontal· welle 40 kann ebenfalls mit einem Torquemotor oder einem anderen Servomotor angetrieben werden. Es ist vorgesehen, daß die optische Achse C des Teleskoprohres 4 durch entsprechende Steuerung der Servomotoren zum Antrieb der Wellen 30 und 40 stets auf ein fortlaufend zu ortendes Flugobjekt, beispielsweise auf eine Rakete gerichtet bleibt. Weiterhin ist vorgesehen, aber in der Zeichnung nicht dargestellt, daß die momentanen Drehstellungen der feodolitplatte 3 a und des Teleskoprohres 4 je in Bezug auf eine Ausgangsstellung, also die momentanen Werte des Azimutwinkels oC und des Elevationswinkelsλ der Teleskopachse C mit Hilfe geeigneter Winkelmeßvorrichtungen 30 a, 40 a fortwährend ermittelt werden.

Die im Teleskoprohr 4 a eingebaute Spiegelteleskopoptik ist dazu bestimmt und ausgebildet, in eine quer zur horizontalen Schwenkachse B orientierte Primärbildfläohe D-D das Gesichtsfeld aplanatisch abzubilden. Zu diesem Zweck umfaßt diese Spiegelteleskopoptik einen im Grund des Teleskoprohres 4 a eingebauten sphärisch geschliffenen Hohlspiegel 41 und einen in der Nähe der Bildeintrittsöffnung in der Teleskopachse 0 eingebauten konvexen Sekundärspiegel 42 sowie einen in der Kreuzungsstelle der Achsen B und C unter 45° geneigten tertiären Planspiegel 43» der auf einem prismatischen Sockel 43 a montiert ist. Die in der Bildeintrittsöffnung des Teleskoprohres 4- a eingebaute Glasplatte sowie der Sekundärspiegel ist als Korrekturplatte so geschliffen, daß das in die Bildfläche D-D entworfene reelle Bild des Blickfeldes aplanatisch korrigiert ist» Derartige Spiegelteleskop-Optiken sind unter der Bezeichnung "Schmidt-^assegrainoptik" bekannt (siehe SKY and Teleskope, April 1962, S. 4 - 6: H.H. Willey: Cassegrain-Type telescopes).

Bei einem Bildfeldöffnungswinkel von 0,5 - 2°, vorzugsweise 1°, einem Durchmesser d, der Eintrittsöffnüng von 400 mm, einer Brennweite f. von 2400 mm,, (in der Zeichnung ΐ-^Ι^+Ι,,+Ι,+Ι^), d.h. einem Verhältnis ^a=Za ^{j d}/ ^von Brennweite f. zu Durchmes-

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ser d. der Eintrittsöffnung im Werte von oa. 4-8, vorzugsweise 6, erreicht man günstigste Werte für die Kombination der Schmidt Cassegrain Spiegeloptik mit dem nachstehend beschriebenen Kollimationsobjektiv.

Das reelle, vergrößerte, aplanatische Bild des Teleskopgesichtsfeldes in der Bildfläche D-D wird seinerseits von einem Kollimationsobjektiv 5 mit linsen 51, 52, 53, 54, das im hohlen Teil 40 b der Horizontalwelle 40, also koaxial zur horizontalen Schwenkachse B des teleskoprohres 4 a eingebaut ist, in Richtung dieser Horizontalachse B afokal mit Parallelstrahlengang im Unendlichen abgebildet, wobei sich mit einer Brennweite fj- im Wert von 24o mm eine totale Bildvergrößerung im Werte von f. :, f,- = 2400 : 240 = 10 ergibt, die durch andere Wahl des Brennweitenver i hältnisses f„ : f_c auch andere Werte im Bereich 7-15 erhalten 1 4 ο

!konnte. Es ist dabei vorgesehen, daß auch das Kollimationsobjekjtiv 5 aplanatisch korrigiert ist und derart an die vorhandene j Teleskopoptik angepaßt ist, daß deren astigmatische Fehler durch ' entsprechende Wahl der astigmatischen Fehler des Kollimations-I objektives 5 zur Astigmatismusfreiheit der beiden Systemteile als Ganzes kompensiert wird. Die Schmidt-Cassegrain-Spiegelteleskop-Optik im TeDeekoprohr 4 und das Kollimationsobjektiv 5 bilden zusammen ein afokales Teleobjektiv zum Entwerfen eines vergrößerten, d.h. lichtstarken Bildes ins Unendliche mit bildseiti-ι gem Parallelstrahlengangο Demzufolge muß das so geschaffene j Teleobjektiv von irgendwelchen Bildauswerte-Kamera-Einheiten j keinen vorbestimmten Abstand haben und es können in den bildseitigen Parallelstrahlengang des Kollimationsobjektives ohne Schaden für die Abbildungsgenauigkeit planparallele Korrekturglieder eingesetzt werden. So sind z.B. in Fig. 1 bildseitig'vom Kollimationsobjektiv 5 hintereinander eine Farbfilterscheibe 6, eine j Graukeilscheibe 7 und ein Prisma 8 mit unter 45 eingesetzter ! zur Optikachse B geneigten teildurehlässigen Spiegelfläche 80 j eingesetzt» Dieses Prisma 8 mit der Spiegelfläche 80 ermöglicht ! das Einblenden eines Fadenkreuzes in den telezentrischen Strahlengang. Zu diesem Zweck steht vom Rohr 40 a ein Hilfsrohr 45 ab_:

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in welchem hintereinander eine Lampe 81, ein Kondensorlinsensystem 821 ein Diaphragma 83 mit Kreuzspält oder Fadenkreuz-Ein-.;. ί satz und ein Kollimationsobjektiv 84 zum Abbilden des beleuchteten Fadenkreuzes ins Unendliche eingesetzt-sind.

Anschließend durchsetzt das ganze, aus dem Spiegelprisma 8 inRichtung der optischen Achse B nach rechts austretende,, telegen-* trische Lichtbündel einen Durchgang eines Schlittens 9 und: tritt in das Objektiv 10 einer fest mit dem Theodolitgehäuse ^verbundenen Fotokamera K^, deren Bildebene mit 11 bezeichnet ist. Wenn, der Schlitten 9 in Richtung des Pfeiles E verschoben wird, gelangt das Lichtbündel aus dem Spiegelprisma 8 in das Objektiv 10 einer anderen, ebenfalls mit dem Theodolitgehäuse 3 verbundenen Kamera Kp, in dem es dann an der Spiegelfläche 90 des Schlittens 9 dorthin gespiegelt wird.

Infolge der Vergrößerung von z.B. 10 χ des afokalen Fernrohres ist die Austrittspupille, d_th.· die Eintrittspupille für die a,peziellen Bildauawertegeräte 10 χ kleiner; jaan-kann^deshalb gere, marktkonforme Kameraoptiken_benützen.

Es kann sich beispielsweise bei der Kamera 1 um eine elektroniscl auslösbare Schnellverschluß-Bildkamera handeln, mit welcher z.B. pro Sekunde 10 oder 30 Bilder erzeugt werden, deren jedes das verfolgte Flugobjekt und das eingeblendete Fadenkreuz sowie die beiden Winkelwerte (K ,λ. für den Schnittpunkt des Fadenkreuzes und die Angabe der Zeit T enthält, zu welcher das Bild aufgenommen worden ist.

In Fig. 2 ist dargestellt, wie eine solche Einblendung von Bilddaten in die erzeugten Bilder bewerkstelligt werden kann₀ In dieser Zeichnung ist mit 5 ebenfalls das Kollimationsobjektiv zur ; Abbildung des Teleskopbildes in der Bildfläche D-D von Fig. 1 ins Unendliche bezeichnet» Mit 6 ist ebenfalls eine dahinter angeordnete Farbfilterscheibe bezeichnet. Eine drehbare G-raukeilscheibe 70 enthält mehrere verschiedenstarke G-raukeileinsätze 7,

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die durch motorisches Drehen der Platte 70 mit dem Servomotor III abwechslungsweise in den Strahlengang längs der Achse B eingeschoben werden können. Das eine halbdurchlassige Spiegelfläche 80 enthaltende Prisma 8 zum Einblenden des beleuchteten Fadenkreuzes aus dem Rohr 45 kann gemäß Figo 2 noch dazu dienen, die momentane Durclischnittshelligkeit des Nutzlichtbündels über eine Abbildungsoptik 11 mit Fotozelle 110 zu messen, so daß es möglic ist, die Trägerscheibe 70 für die Graukeileinsätze 7 servomotorisch so zu drehen, daß stets ein Lichtbündel vorbestimmter Durchschnitts-Intensität zur ausgewählten Kamera gelangt.

Als verstellbares Spiegelorgan zum Umlenken des Nutzlichtbündels in eine von mehreren Auswertekameras K-, , K , K, dient ein um die Achse B schwenkbares Spiegelprisma 91 mit Spiegelfläche 92 und Drehkurbel 93. In der dargestellten Einstellung des Spiegelprismas 91 wird das telezentrische Nutzlichtbündel aua dem Kollimationsobjektiv 5 in das Objektiv der Kamera K₁ gespiegelt, um auf einem Film 12 entsprechende Bilder zu entwerfen, inweiche ein Fadenkreuz eingeblendet ist. In Fig. 2 ist weiterhin eine Codiervorrichtung 13 niit hellen oder dunklen Codefeldern 130 bezeichnet, deren Kombination die von Winkelgebern 30 a, 4-0 a und einen nicht gezeichneten Zeitgeber eingeleiteten Winkelwerte oC, X und die Momentanzeit t kennzeichnen. Eine Abbildungsoptik 14 bildet im Zusammenwirken mit Spiegeln 141, 142 und einem entsprechend geformten Fiberglasbündel 343 die Codedarstellung 130 in die Bildzonen 120 des Filmes 12 ab. Außerdem ist in Fig. 2 dargestellt, wie mit Hilfe einer Okularoptik 15 und eines Hilfsspiegels 150 die Abbildungsgüte visuell geprüft werden kann·

- 8 Ansprüche

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Claims

A_Q_>i_p_r_ü_c_h_e

1. Vermessungs- und Beobachtungstheodolit, gekennzeichnet durch ein teleskoprohr (4 a^ welches um eine horizontale Schwenkachse (B) relativ zu einem Theodolit-Gehäuse (3) schwenkbar gelagert ist, wobei das Theodolit-Gehäuse seinerseits um eine Vertikalachse (A) drehbar in einer Sockelkonstruktion (l) gelagert ist und das Teleskoprohr (4 a) dazu bestimmt und ausgebildet ist, eine Primärbildfläche (D-D) des Gesichtsfeldes

aplanatisch abzubilden und ferner dieses Primärbild mit Hilfe einer hinter der Bildfläche (D-D) koaxial zur horizontalen Teleskop-Schwenkachse (B) im Theodolit-Gehäuse (3) eingebauten Kollimationsobjektives (5) unter Kompensation seiner astigmatischen Fehler in Sichtung der genannten horizontalen Schwenkachse (B) mit Parallelstrahlengang ins. Unendliche abgebildet wird und beidseitig von diesem Kollimationsobjektiv Spiegelorgane (90, 91) im Theodolitgehäuse (3) derart verstellbar eingebaut sind, daß das aus dem Kollimationsobjektiv (5) austretende, afokale lichtstrahlenbündel wahlweise einer von mehreren am Theodolitgehäuse angebauten Bildauswertekameras (K₁, Kp, K~) zuführbar ist.

2. Vermessungs- und Beobachtungstheodolit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Teleskoprohr (4 a) ein Spiegelteleskop nach Bauart "Schmidt-Cassegrain" angeordnet ist, welches im Grund des Teleskoprohres (4 a) einen sphärischen Hohlspiegel (41) und eine Korrekturglasscheibe (44) in der Objektivöffnung, nahe bei derselben einen konvexen Sekundärspiegel (42) und im Schnittpunkt der optischen Achse C des Teleskoprohres (4a) und dessen horizontalen Schwenkachse B einen Umlenkspiegel (43) zum Umlenken des konvergenten Lichtstrahlenbündels in die horizontale Schwenkachse des Telekoprohres (4a) umfaßte

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Yermessungs- und Beobachtungstheodolit naoh Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch ein Spiegelteleskop (4) nach Bauart "Schmidt-Cassegrain" für einen Bildfeld-Öffnungswinkel von 0,5 - 2° mit einem Verhältnis (F₁) von Brennweite f-j_ zu Durchmesser (d.) der Eintrittsöffnung im Wertbereich 4-8, und einem Kollimationsobjektiv (5), dessen Brennweite 7-15 mal kleiner ist als diejenige der "Schmidt-Cassegrain-Teleskopoptik".

4oVermessungs- und Beobachtungstheodolit nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein aus einer Schmidt-Cassegrain-Ieleskopoptik und einem Kollimationsobjektiv (5) bestehenden Objektiv zur afokalen Abbildung des Gesichtsfeldes in Richtung der horizontalen Schwenkachse (B) des Teleskoprohres (4 a), dahinter angeordneten Lichtbeeinflussungsorganen (6, 7), Mitteln (8, 45) zum Einblenden eines Fadenkreuzes, verstellbaren Spiegelorganen (90, 81) zum Zuleiten des afokalen Nutzstrahlenbündels zu einer von mehreren Auswertekameras sowie Mitteln (13, 130, 141 <s 143) zum Einblenden von Koordinatenwerten (qC,A.> "^) in die erzeugten Momentbilder (120).

Der Patentanwalt

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