DE2410897A1

DE2410897A1 - Vorrichtung zum kompensieren von optischen beobachtungsinstrumenten, insbesondere von nivellierinstrumenten

Info

Publication number: DE2410897A1
Application number: DE2410897A
Authority: DE
Inventors: Victor Louis Paul Richarme
Original assignee: Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Current assignee: EssilorLuxottica SA
Priority date: 1973-03-13
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1974-09-19
Also published as: JPS49127657A; FR2221788A1; DE2410897B2; SU697060A3; IT1009276B; FR2221788B1; DE2410897C3; GB1464951A; CH584397A5; US3910704A

Description

DipL-lng. P. WIRTH · Dr. V. SCHMIED-KOWARZIK Plpl.-lng. G. DANNENBERG · Dr. P. WEINHOLD · Dr. D. GUDEL

281134 β FRANKFURTAM MAIN

TELEFON COeii)

287014 Ga ESCHENHEIMER STRA3SE 38

6.3.1974
Gu/Ar

ESSILOR INTERNATIONAL (Cie. Generale d'Optique) 7 rue de la Liberte
94340-J0INVILLE-LB-P0NT, France

Vorrichtung zum Kompensieren von optischen Beobachtungsinstrumenten, insbesondere von Nivellierinstrumenten

Die Erfindung betrifft eine ,Vorrichtung zum Kompensieren einer nicht-horizontalen Einstellung von optischen Instrumenten, insbesondere Beobachtungsinstrumenten, und vorzugsweise Nivellierinstrumenten, wie auch ein optisches Instrument, insbesondere ein Nivellierinstrument, welches eine derartige Vorrichtung hat.

Es sind Nivellierinstrumente bekannt, d.h. Instrumente, mit denen durch horizontales geometrisches Nivellieren mittels einer Nivellierlatte die jeweiligen Höhen topografischer Punkte aufeinanderfolgend gemessen werden, die einen Sucher aufweisen, meistenteils eine Linse mit einem Objektiv, fernerhin eine divergierende Linse für die innere Einstellung, ein Fadenkreuz und ein Okular, wie auch ein torisch gebogenes Pläschchen oder auch V7asserwaage, das eine Flüssigkeit einschliesst, die eine Luftblase enthält, um die horizontale Einstellung der Beobachtung

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sicherzustellen. Die Luftblase wird dabei zwischen Markierungen der Wasserwaage dadurch gebracht, dass auf eines oder mehrere Einstellorgane des Suchers eingewirkt wird, vorzugsweise auf eine Kippschraube des Suchers.

Es sind auch schon sogenannte automatische Nivellierinstrumente bekannt geworden, bei denen die Horizontalität der Visierlinie nach der Aufstellung des Instruments und der Grobeinstellung der Horizontalität der Linse mittels einer kleinen kugelförmigen Wasserwaage dadurch sichergestellt wird, dass ein sog. Kompensator, der auf die in die Sucher linse eintretenden Lichtstrahlen., einwirkt, diese Lichtstrahlen konvergieren lässt, und zwar zur horizontalen Linie, die durch den Mittelpunkt des ]?adenkreuzes geht, und zwar innerhalb gewisser Grenzen des Neigungswinkels unabhängig von der Ausrichtung des Körpers der Linse bezogen auf die Horizontale.

Bei den bekannten automatischen Nivellierinstrumenten besteht der Kompensator aus einem Pendel, an dem eine optische Einrichtung befestigt ist, die die Lichtstrahlen beeinflusst. Ein reibungsloser Schwingungsdämpfer ist vorgesehen, um die Schwingzeit des Pendels und somit auch die Zeit zu verringern, die zwischen der Aufstellung des Instruments und seiner ingebrauehnahme liegt. Die Pendelkompensatoren haben jedoch verschiedene Nachteile, ins₌ besondere eine begrenzte Genauigkeit wegen der Reibung der Aufhängung, eine den verwendeten mechanischen Bauelementen inhärente Zerbrechlichkeit, ein hoher Herstellungspreis, der vor allem durch die Herstellung dieser mechanischen Einrichtungen hervorgerufen ist. Daher benutzen Geometer und Topografen noch häufig Nivellierinstrumente mit Wasserwaagen, und nicht so sehr automatische Nivellierinstrumente, trotz der Vorteile bei der Verwendung dieser automatischen Nivelliergeräte.

Der Erfindung liegt somit allgemein die Aufgabe zu Grunde, eine Kompensator für ein Beobachtungsinstrument sowie ein Instrumerr mit einem derartigen Kompensator, insbesondere ein automatisches

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Nivellierinstrument vorzuschlagen, welches die genannten Nachteile vermeidet.

Es ist daher Ziel der Erfindung, einen Kompensator und ein Instrument mit einem derartigen Kompensator vorzuschlagen, die kein einziges bewegliches mechanisches Bauteil nahen, woraus sich einerseits eine Genauigkeit ergibt, die nicht von Reibungsphänomenen "begrenzt ist, und andererseits eine grosse Zuverlässigkeit. Ausserdem soll ein Kompensator und ein mit einem Kompensator versehenes Instrument vorgeschlagen werden, die einfach und preisgünstig hergestellt werden können.

Des weiteren soll mit der Erfindung ein automatisches Nivellierinstrument vorgeschlagen werden, "bei dem Objektiv und Okular nach der Achse des Instruments ausgerichtet sind, so dass der Instrumentenkörper länglich im Gegensatz zu den bekannten automatischen Nivellierinstrumenten aufgebaut ist, die oft periskopartig ausgebildet sind, um das Pendel des Kompensators unterbringen zu können. Fernerhin soll mit der Erfindung ein Nivellierinstrument mit aufrechtem Bild geschaffen werden, so dass die Handhabung erleichtert wird, und ausserdem eine ausreichende Vergrösserung vorgesehen sein kann, um topografische Präzisionsablesungen zu ermöglichen.

Schliesslich ist es ein Ziel der Erfindung, ein Nivellierinstrument vorzuschlagen, welches vollständig selbsttätig arbeitet, d.h. bei dem nach einer Grobeinstellung der Horizontalität der Achse der Linse diese horizontale Einstellung der Beobachtungsachse ohne irgendeine Manipulation aufrechterhalten bleibt.

Zur lösung dieser Aufgaben ist die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges Blättchen mit einer Oberfläche vorgesehen ist, die ständig horizontal bleibt, mit dem ein Reflexionssystem verbunden ist, das den Lichtstrahlen zwischen deren Einfall in das System und der Flüssigkeit eine gerade Anzahl von Reflexionen mitteilt, wobei die Lichtstrahlen nach einem ersten Durchqueren

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des Blättchens dieses abermals nach einer Totalreflexion an der stets horizontalen freien Oberfläche des Blättchens oder an einer reflektierenden Flüssigkeitsoberflache durchqueren, die mit dem Blättchen verbunden ist.

Die Erfindung zielt fernerhin auf ein automatisches Nivellierinstrument mit einer Beobachtungslinse nach Art eines Teleobjektives, mit einem Fadenkreuz und Okular, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Kompensator der vorstehend angegebenen Art vorgesehen ist, der zwischen dem Objektiv und dem Fadenkreuz in einem Abstand derart vom Fadenkreuz angeordnet ist, dass die Länge 1 des optischen Weges der Lichtstrahlen zwischen dem Mittelpunkt des Fadenkreuzes und dem Reflexionspunkt der Lichtstrahlen unter der freien Oberfläche des flüssigen Blättchens oder auf der reflektierenden flüssigen Oberfläche, die mit diesem verbunden ist, bei Einstellung auf das Unendliche folgender Gleichung genügt:

wobei f die Brennweite des Teleobjektivs ist und χ eine Konstante, die von den Brechungsindices der Flüssigkeit und des Materials, das das reflektierende System herstellt, wie auch von der Geometrie des Kompensators abhängt.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform eines Nivellierinstruments

' f
nach der Erfindung ist 1 = w , wobei f die oben angegebene Be-

deutung hat, und η den gemeinsamen Brechungsindex der Flüssigkeit und des Materials darstellt, das das reflektierende System ergibt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert, aus denen sich weitere wichtige Merkmale ergeben. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Nivellierinstruments nach der Erfindung;

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Fig. 2 ein Schema einer ersten Ausfiüirungsform eines Nivellierinstruments nach der Erfindung;

Pig. 3 perspektivisch einen Teil des in Fig. 2 schematisch gezeigten Instruments;

Fig. 4 ein Schema zur Erläuterung des Funktionierens des Instruments nach Fig. 2; -

Fig. 5 ein Schema zur Erläuterung der Berechnung der Abweichung, die vom Kompensator "bewirkt wird;

Fig. 6 ein Schema ähnlich Fig. 2 für eine andere Ausführungsform;

Fig. 7 ein Schema zur Darstellung der Funktionsweise des Instruments nach Fig. 6;

Fig. 8 eine Teilansicht einer Abänderung des in Fig. 6 gezeigten Instruments;

Fig. 9 eine Ansicht entsprechend Fig. 8 für ein«=* andere Variante;

Fig. 10 eine Ansicht entsprechend Fig. 8 und 9 für eine weitere Variante.

Das automatische Nivellierinstrument 10 nach Fig. 1 enthält ein Beobachtungsfernrohr 11, das auf einer Befestigungsplatte 13 auf einem Dreibein T oder einem ähnlichen Gestell unter Zwischenfügung einer Einstellschraube 14 und einer Richtschraube 15 montiert ist. Auf der Befestigungsplatte 13 ist eine kleine kugelförmige Wasserwaage montiert, mit der die horizontale Einstellung der Befestigungsplatte über Einstellschrauben 14 grob eingestellt werden kann. Die Linse 11 besteht aus (vgl. Fig. 2): einem Blättchen 21 mit parallelen Seiten für den Einfall von Lichtstrahlen r. Das Blättchen kann um eine horizontale Achse 22 " geschwenkt werden. Es bildet insbesondere für stark vergrössernde Fernrohre ein optisches Mikrometer, um mit Genauigkeit die Bruchteile der Gradeinteilung auf einer Nivellierlatte zu messen. Das Blättchen braucht aber bei wenig starken Fernrohren nicht vorhanden zu sein;

einem Teleobjektiv variabler Brennweite f mit einem Objektiv 23 aus zwei oder .mehreren Linsen gefolgt von einer Linse oder einem

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Linsenpaar 24, die zum Einstellen des Bildes der Nivellierlatte in Abhängigkeit von dessen Entfernung im Niveau verkettet sind, Die Einstellung erfolgt durch Längsverschiebung der Linse oder der Linsen 24; ■ '

einem Fadenkreuz 25 mit Visierfäden, und hinter dem Fadenkreuz am Ausgang der Lichtstrahlen einem Okular 26 mit Linsen 27.

Erfindungsgemäss ist zwischen der oder den Linsen 24 und dem Fadenkreuz 25 ein Kompensator 29 angeordnet. Bei einer ersten Ausführungsform nach Fig. 2 und 4 besteht der Kompensator 29 aus einem Behälter 30, der zum Teil mit einer Flüssigkeit mit einem Brechungsindex n^! gefüllt ist. Die Flüssigkeit bildet ein Blättchen 31, wobei ein Blättchen 32 mit parallelen Flächen aus einem Material mit dem Brechungsindex η mit dem Boden 33 des Behälters 30 verbunden ist. Zwei Prismen 35 und 41 sind mit der Seite 34 des Blättchens 32 verkittet, und zwar unter Abstand vom Boden 33 des Behälters. Das Prisma 35 mit einem Brechungsindex η ist ein rechtwinkliges Prisma mit trapezförmigen Längsund Yertikalabschnitten. Es hat eine Eingangsfläche 36 für die Lichtstrahlen, senkrecht auf der Fläche 34 des Blättchens 32, sowie eine metallisierte Hypotenusenfläche 37, die mit der Fläche 36 einen Winkel von etwa 22°30' bildet, während der Flächenwinkel, den die Flächen 36 und 37 bilden, durch eine Fläche 38 abgeschnitten ist, die parallel zur Fläche 39 verläuft, mit der das Prisma auf das Blättchen mit parallelen Flächen aufgekittet ist. Die Fläche 39 des Prismas 3-5 reicht im wesentlichen bis zur Hälfte der Länge des Behälters 30, gemessen parallel in Einfallsrichtung der Lichtstrahlen derart, dass die Kante 40 des Prismas, die die Schnittkante der Hypotenusenfläche 37 und der Fläche 39 bildet, sich im wesentlichen in der Symmetrieebene senkrecht zur Einfausrichtung der Lichtstrahlen des Behälters 30 befindet.

Das zweite Prisma 41 besteht aus demselben Material wie das Prisma 35 und das Blättchen 32. Wie aus Fig. 3 hervorgeht, hat es eine Ausgangsfläche 42 für die Lichtstrahlen, die im wesent-

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lichen senkrecht auf der Fläche 34 des Blättchens 32 steht, wobei dieser Fläche entgegengesetzt zwei Flächen 43 und 44 dachförmig ausgebildet sind, die vorzugsweise metallisiert sind. Sie schneiden eine Kante 47 senkrecht in Längsrichtung, wobei der Schnitt des Prismas mit der Symmetrie-Längsebene 45 identisch mit dem des Prismas 35 ist. Die Spitze 46 der Kante 47 steht auf der Fläche 34 des Blättchens 32 in Berührung mit der Kante

40 des Prismas 35·

Der Behälter 30, das Blättchen mit parallelen Flächen 32 und die Prismen 35 und 41 bilden ein Bauteil, dessen Symmetrieachse bei Position 50 angedeutet ist. Das Bauteil wird im Beobachtungsfernrohr 11 derart montiert, dass es höhenverstellbar ist, und dass es bezüglich der vertikalen Drehachse des Instrumentes über Schrauben 51a, 51b und 51c gekippt werden kann. Das gesamte Bauelement ist ausserdem derart montiert, dass es in Richtung der Längsachse des Fernrohres durch Betätigung einer Einstellschraube 52 versetzt werden kann. Nicht gezeigte Mittel sind ausserdem vorgesehen, um den gesamten Kompensator um eine halbe Drehung um seine Symmetrieachse 50 drehen zu können, so dass das Prisma

41 dann das Eingangsprisma für die Lichtstrahlen wird, während das Prisma 35 das Ausgangsprisma für die Lichtstrahlen ist.

Das Instrument arbeitet wie folgt:

Befindet sich das Fernrohr 11 exakt horizontal, so tritt ein horizontaler Lichtstrahl r in das Fernrohr ein und erreicht den Knotenpunkt 0 des Objektivs 23, nachdem er im optischen Mikrometer 21, sofern dies vorgesehen ist, umgedreht worden ist. Der Lichtstrahl durchquert die divergente Linse oder die Linsen 24 im Punkt D und dringt in das Prisma 35 am Punkt G ein. Wach einer Reflexion im Punkt H auf der Hypotenusenfläche 37 erleidet der Lichstrahl eine Totalreflexion im Punkt I auf der Eingangsfläche 36, wenn der Brechungsindex η des Materials, aus dem das Prisma 35 besteht, so gewählt .ist, dass der Grenzwinkel der Totalreflexion kleiner als 45° ist. Dieser Wert ist der Einfallswinkel im Punkt I, d.h. wenn der Brechungsindex η grosser

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als 1,4H ist, welche Bedingung bei optischen Gläsern, deren Brechungsindices nicht kleiner als 1,45 ist, immer sichergestellt werden kann. Nach der Totalreflexion im Punkt I auf der Fläche 36 des Prismas 35 (Fig. 2) verlässt der Lichtstrahl das Prisma an der Fläche 39 im Punkt J, wobei er einen Winkel von 45° mit dem Einfallsstrahl OD(J bildet. Der Lichtstrahl durchquert dann das Blättchen 32 mit parallelen Flächen, das er im Punkt K verlässt. Dort wird er beim Übergang von der Materie mit dem Bre~ chungsindex n, d.h. aus dem Prisma und dem Blättchen mit parallelen Flächen, zur Materie mit dem Brechungsindex n¹, d.h. zur Flüssigkeit 31» die im Behälter 30 enthalten ist, gebrochen.

Die Flüssigkeit 31 ist so ausgewählt, dass ihr Brechungsindex grosser als 1,414 ist. Der Lichtstrahl erfährt eine Totalreflexion im Punkt L unter der freien Fläche des flüssigen Blättchens. Er durchquert wiederum die Flüssigkeit 31 zwischen den Punkten L und M, wo er in das Blättchen 32 mit parallelen Flächen eindringt. Am Ausgang dieses Blättchens im Punkt H dringt der Lichtstrahl in das Prisma 41 ein, indem er nach Totalreflexion am Punkt P auf der Ausgangsfläche 42 dieses Prismas eine doppelte Reflexion bei Q, Q₁ auf den Dachflächen 43 und 44 erfährt, um schliesslich das Prisma am Punkt R der Fläche 42 zu verlassen, und bei F im Mittelpunkt des Fadenkreuzes 25 ein aufrechtes Bild wegen der Reflexionen bei H, I, L, P und Q, Q-zu ergeben.

Weil die Winkel der Prismen 35 und 41 genau die oben angegebenen Werte haben und weil die wirksamen Flächen des Blättchens 32 genau zueinander parallel sind, ist der Lichstrahl, der das Prisma 41 verlässt, genau parallel zum Lichtstrahl, der in den Kompensator eintritt.

Die Verhältnisse sind genau gleich, wenn die von Prisma 35 eingeführte Abweichung von 45° abweicht, vorausgesetzt, dass die Anzahl der Reflexionen der Lichstrahlen im Prisma eine gerade Anzahl ist, und dass die Reflexionswinkel in den Punkten I und L kleiner als der entsprechende Winkel bei einer Totalreflexion

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sind, was in der Grössenordnung von 41°48' für ein Medium mit einem Brechungsindex von 1,5 ist.

Wenn die Achse des Fernrohres 11 zur Horizontalen um einen Winkel i geneigt ist (Fig.. 4)» so dringt ein horizontaler Lichtstrahl h, der den rückwärtigen virtuellen Knotenpunkt des TeIeobjektives passiert, in das Prisma -35 im Punkt G¹ ein. Dieser Einfallslichtstrahl steht nicht senkrecht auf der Eingangsfläche 36 dieses Prismas, Er wird also zu einem Strahl G'H¹ gebrochen, der durch Reflexion auf der reflektierenden Fläche 37 einen Strahl H¹I¹ ergibt, der nach Totalreflexion auf der Fläche im Punkt I¹ das Prisma im Punkt J' verlässt. Der Lichtstrahl durchquert das Blättchen 32 mit parallelen Flächen zwischen den Punkten J¹ und K¹, wo er in das Flüssigkeitsblättchen 31 eindringt, das den Behälter 30 berührt, wobei der Lichtstrahl zu einem Strahl K'L¹ gebrochen wird. Im Punkt L¹ der freien Oberfläche der Flüssigkeit 31 erleidet der Lichtstrahl eine Totalreflexion, durchquert" von neuem das flüssige Prisma 31 zwischen den Punkten L¹ und M', wobei der Punkt M¹ der Eingangspunkt in das Blättchen 32 ist, wo der Lichtstrahl eindringt und eine neue Brechung erleidet. Am Ausgang des Blättchens bei N¹ tritt der Lichstrahl in das Prisma 41 ein, erleidet eine Totalreflexion bei P¹ auf der Ausgangsfläche 42 dieses Prismas, darauf eine Reflexion bei Q^r und tritt auf der Fläche 42 des Prismas 41 im Punkt R' aus, wo der Lichstrahl abermals gebrochen wird.

Wenn der Kompensator erfindungsgemäss zwischen dem Teleobjektiv 23-24 und dem Fadenkreuz 25 derart angeordnet ist, dass der optische Weg 1 des Kreuzungspunktes F des Fadenkreuzes zum Punkt L der Totalreflexion der Lichtstrahlen unter der freien Oberfläche des flüssigen Blättchens 31 bei Einstellung auf Unendlich folgender Gleichung genügt:

1 = -"— (D

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wobei f die Brennweite des Teleobjektivs gebildet vom Objektiv 23 und der oder den divergierenden Linsen 24 ist, und der bei R¹ auf die Ausgangsfläche 42 des Prismas 41 gebrochene Lichtstrahl ist, der am Punkt F des Fadenkreuzes 25 vorbeigeht·

Wie die Pig. 5» die ein Schema der optischen Achse darstellt, · und zwar entwickelt quer durch den Kompensator 29 in der Tat zeigt, liegen die folgenden Verhältnisse vor: das Prisma 35 und das Blättchen 32 mit parallelen Pläehen sind aus optischer Sicht gesehen mit einem Prisma mit dem Brechungsindex η äquivalent, wobei das Prisma am Dach B einen Winkel von 45° hat, und wobei auf der Eingangsfläche 36 des Prismas ein Lichtstrahl h einfällt, der den rückwärtigen virtuellen Knotenpunkt des Teleobjektivs 23, 24 passiert; das flüssige Blättehen 31 ist einerseits einem Prisma mit dem Brechungsindex n^A äquivalent, 'das einen kleinen Winkel am Dach 2i hat, und andererseits einem horizontalen Spiegel, der einen Winkel i mit der optischen Achse des Instruments einschliesst und der durch die strichpunktierte Linie m,m^f der Fig. 5 dargestellt wird, und

das Blättchen mit parallelen Flächen 32 und das Prisma 41 sind mit einem Prisma mit dem Brechungsindex η äquivalent, dessen Winkel beim Dach C 45° beträcht, und dessen Ausgangsfläehe 42 um einen Winkel -i zur Vertikalen geneigt ist.

Die Gesamtabweichung, die vom Kompensator 29 eingeführt wird, ist also die Summe einer Abweichung d^ im Einfallspunkt G¹ auf der Fläche 36, einer Abweichung d₂ in. den Punkten K¹, L¹ und M¹, die jeweils Eintrittspunkte sind, der Totalreflexion und des Austritts des flüssigen Blättchens 31, sowie einer Abweichung d* im Austrittspunkt R¹ auf der Fläche 42 des Kompensators.

Die Winkel sind hinreichend klein, so dass der Sinus dem Winkel selbst gleichgesetzt werden kann« Die Abweichung d* beträgt also

0 9 'κ J / 0 9 7 2

- 11 η - 1

- i

Die Abweichung d₂, die aus einer Eeflexionswirkung und einer Brechungswirkung resultiert, ist gleich Ϊ« - i₂, wobei I₁ und i, die Einfallswinkel in den Punkten K¹ und M¹ sind, so dass sich für diese Abweichung ergibt:

λ - ο* η' cos r>| (ίτί)

^a2 - ^¹ η cos ij ^U1JJ

wobei T₁ den Brechungswinkel im Punkt K¹ ist. Die Abweichung d, beträgt:

d₃ = (n-1) (d₂+d₂-i) (IV)

Die Gesamtabweichung d beträgt also:

d = d₁ '+ a₂ + d₅ = 2in« (V)

d.h., dass die vom Kompensator eingeführte Abweichung proportional dem Zweifachen seiner Neigung zur Horizontalen, sowie dem Brechungsindex der Flüssigkeit 31» die sich im Behälter 30 befindet, und dem Verhältnis der Cosinus der Brechungswinkel und des Einfallswinkels der Lichstrahlen in ihrem Einfallspunkt in die Flüssigkeit ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel, bei dem i..=45⁰ ist, wird der Faktor:

cos r

n¹

cos

— =\Λ? η·² - η*

so dass sich für die vom Kompensator eingeführte Abweichung d ergibt:

d = 2i V2 n'² - n² (VI)

Somit ergibt sich für die Gleichung (i) als notwendige und hinreichende Bedingung dafür, dass der bei R¹ auf der Ausgangs-

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fläche 42 des Prismas 41 gebrochene Lichtstrahl durch den Punkt P des Fadenkreuzes 25 geht:

1 χ d = f χ i.

Wenn man, um die Aberrationen und die parasitären Reflexionen zu annullieren, den Brechungsindex n' der Flüssigkeit gleich demjenigen des Materials wählt, das die Prismen 35 und 41 und das Blättchen mit parallelen Flächen 32 ausbildet, so dass sich gar keine Abweichung durch Brechung ergibt, wie dies durch Mischung von zwei geeigneten Flüssigkeiten erhalten werden kann, von denen die eine einen Brechungsindex hat, der grosser, und die andere einen Brechungsindex hat, der kleiner,ist als der des Glases, das die Prismen und das Blättchen 32 bildet, so wird die Gleichung (I) geschrieben als:

j (VII)

Für ein Glas vom Typ BSC B 1664, das von der Firma SOVIREL hergestellt wird, dessen Brechungsindex gleich 1,5165 ist, be-

■f
trägt der optische Weg 1 = ¹ . Das heisst, dass der Kompen-

J S ^J J J

sator derart eingesetzt wird, dass die Reflexion bei L unter der freien Oberfläche der Flüssigkeit des Behälters im wesentlichen ein Drittel der Brennweite des Teleobjektivs ausgehend vom Fadenkreuz beträgt. Unter diesen Bedingungen wird die vorstehend angegebene Gleichung immer ganz exakt eingehalten.

Die richtige Einsetzung des Kompensators verlangt, dass der optische Weg von G nach F kleiner als f-e ist, wobei e den Abstand OD bezeichnet, d.h., dass das Prisma 35 nicht mit der oder den Linsen 24 verkittet sein darf, sondern von diesen einen Abstand einhalten muss.

Die nutzbare Öffnung des Kompensators ist etwas grössep4ls ein Drittel der Öffnung des Objektivs.

Um die Änderungen des Brechungsindex der Flüssigkeit in Abhängig-

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keit von der Temperatur zu berücksichtigen, ist erfindungsgemäss weiter vorgesehen, den Brechungsindex der Flüssigkeit gleich dem des Materials zu wählen, das die Prismen und das Blättchen mit den parallelen Flächen ausbildet, und zwar für eine mittlere Betriebstemperatur von beispielsweise 20⁰G (Zimmertemperatur), so dass die Bedingung der Gleichung (VIl) erfüllt wird, um den Kompensator 29 mittels der Einstellschraube 52 versetzen zu können, um den optischen Weg 1 abändern zu können.

Wenn man mit An die Änderung des Index der Flüssigkeit 31 bezeichnet, die auf einer Temperaturänderung beruht, kann man zeigen, dass die Änderung Δ1 des optischen Weges 1, die dem Kompensator mitgeteilt werden muss, um die Änderung des Brechungsindex wegen Temperaturänderungen zu kompensieren, folgender Gleichung genügt:

Δ1 = -

Dies entspricht für einen Brechungsindex nahe 1,5 einer Brennweite des. Teleobjektivs von 450 mm. Eine mittlere Temperaturänderung von 25⁰C zwischen Winter und Sommer, mit der eine Änderung des Brechungsindex in der Grössenordnung von -I/IOO einhergeht, hat somit folgenden Wert:

^Δ1 = W- '2725 = ^+2mm

Bin anderer Faktor, der den Effekt der Kompensation beeinflussen kann und der ebenfalls auf Temperaturänderungen beruht, ist derjenige, der aus der Wärmeausdehnung der in dem Behälter 30 enthaltenen Flüssigkeit resultiert. Diese Wärmeausdehnung ergibt eine Verschiebung des Punktes L der Totalreflexion unter der freien Oberfläche des flüssigen Blättchens. Um den systematischen Fehler der Horizontalität zu eliminieren, die auf diesem Faktor beruht, kann man sich entweder der bei Nivellierinstrumenten herkömmlichen Methode bedienen, wonach die Reichweiten nach vorn und hinten bei jedem Messpunkt gleich sind, oder man kann in vorteilhafter Weise Mittel nach der Erfindung benutzen, um

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-H-

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die Höhe des !Compensators bezogen auf die Achse des Fernrohres zu kompensieren, und zwar mittels der Schrauben 51» oder dadurch, dass der Kompensator auf einer Gleitfläche fixiert wird, die um etwa 1° geneigt ist. Sie neigt sich nach vorne und gestattet es, gleichze itig den Effekt der Änderung des Brechungsindez wegen Temperaturänderungen und den Effekt der Wärmeausdehnung der Flüssigkeit zu korrigieren.

Im folgenden wird auf die Figuren 6 und.7 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform eines Nivellierinstrumentes nach der Erfindung zeigen. Dabei sind die Bauteile des Instrumentes mit Ausnahme des Kompensators, die mit denen der ersten Ausführungsform übereinstimmen, mit identischen Bezugsziffern bezeichnet. Der Kompensator 60 dieser zweiten Ausführungsform umfasst einen Behälter 61, der eine Quecksilberschicht 62 einschliesst, über der si cäi ein Blättchen 63 aus einer Flüssigkeit mit einem Brechungsindex n¹ befindet. Der Behälter 61 ist oben von einem Blättchen mit parallelen Flächen 64 aus einem Material mit einem Brechungsindex η geschlossen. Nicht gezeigte Mittel sind vorgesehen, um die freie Ausdehnung des Quecksilbers 62 und der Flüssigkeit 63 bei Temperaturänderungen sicherzustellen. Auf die Oberfläche 65 des Blättchens 64 ist ein Prisma 66 aus einem Material mit einem Brechungsindex η aufgekittet, dessen Eingangsfläche 67 für die Lichtstrahlen senkrecht auf den wirksamen Flächen des Blättchens 64 steht, und dessen Winkel am Dach vorzugsweise gleich sind oder bei 90°, 60° und 30° liegen. Die Hypotenusenfläche 68 des Prismas ist reflektierend ausgestattet, beispielsweise durch eine Metallisierung. Torzugsweise wird auch die untere Hälfte der Fläche 67 verspiegelt. Die Kante 69 des Prismas 66, die die Schnittkante der Hypotenusenfläche 68 und der Fläche ist, die auf- das Blättchen 64 gekittet ist, befindet sich im wesentlichen in der mittleren Symmetrieebene, die zum Behälter 61 quer verläuft. Heben dieser Kante 69 befindet sich ein äusseres Teil der Kante 70, die die Schnittkante der Dachflächen eines Prismas 71 ist. Das Prisma 71 entspricht dem vorher beschriebenen Prisma 41 mit der Ausnahme, dass dessen Schnitt

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mit einer Längs-Symmetrieebene identisch mit dem rechten Abschnitt des Prismas 66 ist. Das Prisma 71 besteht aus einem Material mit demselben Brechungsindex η wie das Material des Prismas 66 und des Blättchens 64. Es ist ebenfalls auf der Fläche 65 des Blättchens 64 aufgekittet. Seine Dachflächen sind reflektierend.

Wie bei der ersten Ausführungsform sind nicht gezeigte Mittel vorgesehen, um die Höhe, die Neigung und die Lage des Kompensators bezüglich des Zentrums Ί? des !Fadenkreuzes 25 einzustellen. Auch dieser Kompensator funktioniert analog dem zuerst beschriebenen Kompensator. Der das Prisma 66 verlassende Lichtstrahl erleidet auf der freien Oberfläche des Quecksilbers 62 eine Reflexion (anstelle einer Totalreflexion unter der freien Oberfläche der Flüssigkeit 31 bei der ersten Ausführungsform).

Analog mit der ersten Ausführungsform wirkt der Kompensator bei der zweiten Ausführungsform nach Pig. 6 und 7 in gleicher Weise auf Lichtstrahlen, und zwar äquivalent zu einem optischen System, welches in dieser Reihenfolge besteht aus: einem Prisma mit dem Brechungsindex η und dem Dachwinkel 30° (Prisma 66 und Blättchen 64);

einem Prisma mit dem Brechungsindex n' mit einem kleinen Dachwinkel 2i und einem Spiegel (flüssiges Blättchen 63 und Quecksilberschicht 62) und

einem Prisma mit dem Brechungsindex η und einem Dachwinkel von 30° (Blättchen 64 und Prisma 71).

Unter diesen Bedingungen wird die vom Kompensator eingeführte Abweichung durch folgende Gleichung dargestellt:

cos r>,
d = 2i.n» —

cos

wobei i-| und r-, dieselben Bedeutungen wie oben bei der ersten Ausführungsform haben. Der Winkel i-j beträgt 30°, so dass sich

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für die Abweichung folgender Wert ergibt:

d = 2i

d hat also einen Wert derart, dass wie bei der ersten Ausführungsform der Kompensator im Nivellierinstrument derart angeordnet wird, dass der optische Weg 1 vom Reflexionspunkt L auf die Oberfläche der Quecksilberschicht 62 zum Zentrum F des Fadenkreuzes bei Einstellung auf Unendlich folgenden Wert erhält:

ι -

\/
2V4n' - η

Horizontale Lichtstrahlen, die in das Beobachtungsfernrohr eintreten, verlassen es bei F, und zwar unabhängig von einer nicht ganz exakten horizontalen Einstellung der Achse des Fernrohrs.

Weil der Brechungsindex n' der Flüssigkeit 63 gleich dem Brechungsindex η des Materials gewählt ist, das das System mit der Linse 64 und den Prismen 66 und 71 umfasst, beträgt die vom Kompensator eingeführte Abweichung d = 2in. Der optische ^eg 1 vom Punkt L zum Zentrum F des Fadenkreuzes, für den die den Punkt R' (Fig. 7) verlassenden Lichtstrahlen diesen Punkt F passieren, wird somit durch folgende Gleichung ausgedrückt:

, _ f
¹ -"2Έ

Analog zur ersten Ausführungsform kann man den Kompensator 60 bezüglich des Fadenkreuzes versetzen, um bei der Verwendung des Nivellierinstrumentes die Änderungen der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen.

Man kann zeigen, dass für eine Änderung Δη des Brechungsindex der Flüssigkeit 63 der optische Weg 1 abgeändert werden muss, damit die Betriebsbedingung erhalten bleibt, und zwar um folgenden Wert:

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Δη

Dies entspricht für einen Brechungsindex mit einem Wert bei 1,5 einer Brennweite des Teleobjektivs des Fernrohres 11 von 450 mm und einer mittleren Temperaturechwankung von 25° zwischen Winter und Sommer, mit welchen Werten eine Änderung des Brechungsindex von -1/100 bei einer Änderung des optischen Weges äL ~ +1,5 mm verknüpft ist.

Die Figuren 8, 9 und 10 sind Varianten der Ausführungsform des !Compensators 60. Bei der ersten Variante nach Fig. 8 enthält ein Kompensator 75 mit einem Behälter 61 eine Quecksilberschicht 62, über der sich eine Flüssigkeitsschicht 63 befindet. Der Kompensator enthält als Eingangselement ein Prisma 76, das auf die Oberfläche 65 des Blättchens 64 aufgekittet ist. Das Prisma 76 ist identisch mit dem Prisma 41 der ersten Ausführungsform nach Pig. 2. Das Ausgangsprisma 77 besteht aus einem Prisma, das gleich aufgebaut ist wie das Prisma 35 dieser ersten Ausführungsform nach Fig. 2.

Bei der Variante nach Fig. 9 enthält das reflektierende System als Eingangsprisma für die Lichtstrahlen ein Prisma 79» das auf die Fläche 65 des Blättchens 64 aufgekittet ist. Dieses Prisma 79 ist identisch mit dem Prisma 71 der Ausführungsform nach Fig. 6. Der Ausgang des Kompensators wird von einem rechtwinkligen Prisma mit einem Dachwinkel von 30° gebildet, dessen Hypotenusenfläche 61 auf die Fläche 65 des Blättchens 64 gekittet ist. Bei dieser Variante ist der rückwärtige Körper des Fernrohres des Nivellierinstrumentes um 60° zur Horizontalen geneigt.

Bei der Variante nach Fig. 10 enthält ein Kompensator 82 als Eingangselement des reflektierenden Systems, das mit dem Behälter 61 verbunden ist, und das die Quecksilberschicht 62 und die Flüssigkeitsschicht 63 aufnimmt, ein Prisma 83, das identisch mit dem Prisma 76 ist. Als Ausgangselement enthält das System ein gleichschenkliges rechtwinkliges Prisma 84> das auf die

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Fläche 65 der Schicht 64 mit seiner Hypotenuseiifläche verkittet ist, so dass das Okttlar d(
Horizontalen geneigt ist.

ist, so dass das Okttlar des Beobachtungsfernrohres um 45 zur

Im vorstehenden wurde für den Kompensator nach der Erfindung ein reflektierendes System mit Prismen beschrieben. Die Erfindung ist aber auf diese Ausführungsform nicht begrenzt. Vielmehr können auch andere Systeme verwendet werden, beispielsweise Spiegelsysteme, mit denen eine gerade Anzahl von Reflexionen den'Lichtstrahlen zwischen der Ankunft der Lichtstrahlen im System und dem flüssigen Blättchen des Compensators mitgeteilt werden kann.

Des weiteren ist die Erfindung nicht auf ein Beobachtungsfernrohr wie vorstehend beschrieben_f beschränkt, das ein Objektiv, eine divergente Linse, ein Fadenkreuz und ein Okular hat· Das Beobachtung sfernr ohr kann auch eine zusätzliche konvergente Linse enthalten, die entweder zwischen dem Objektiv und der divergenten Linse vorgesehen ist, oder zwischen der divergenten Linse und dem Kompensator, oder auch zwischen dem Kompensator und dem Fadenkreuz. Diese zusätzliche Linse kann die sog, anallaktische oder unveränderbare Bedingung aufrechterhalten! wodurch es einerseits möglich ist, fehlerfrei von der Orientierungsachse des Instrumentes, und folglieh vom Aufstellungspunkt die Entfernung der Nivellierlatte mittels Messfäden im Fadenkreuz zu messen, und andererseits die richtige automatische Horizontalausrichtung des Fernrohres sichergestellt werden kann, und zwar unabhängig •rom Abstand von der Hesslatte, d.h. unabhängig von der Einstellung des Fernrohres, wobei diese Einstellung entweder durch Versetzung der divergierenden Linse oder durch Versetzung der konvergierenden Linse erfolgt sein kann.

— Patentansprüche 409838/0972

Claims

ESSIxOR INTlRIWiIONAL

6.3.1974 -/$-

Patentansprüche

( 1. /Vorrichtung zum Kompensieren einer nicht horizontalen Einstellung von optischen Instrumenten, insbesondere Beobachtungsinstrumenten, dadurch gekennzeichnet, dass ein flüssiges Blättchen (31, 63) mit einer Oberfläche vorgesehen ist, die ständig horizontal bleibt, mit dem ein Reflexionssystem verbunden ist, das den Lichtstrahlen zwischen deren Einfall in das System und der Flüssigkeit eine gerade Anzahl von Reflexionen mitteilt, wobei die Lichtstrahlen nach einem ersten Durchqueren des Blättchens dieses abermals nach einer Totalreflexion an der stets horizontalen freien Oberfläche des Blättchens oder an einer reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche durchqueren, die mit dem Blättchen verbunden ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das System einen Behälter (30, 61) aus durchsichtigem Ma- . terial umfasst, der das flüssige Blättchen (31, 63) enthält, ein Blättchen mit parallelen Flächen, das mit dem Behälterboden verbunden ist, und dass wenigstens zwei reflektierende Oberflächen zwischen dem Eintritt der Lichtstrahlen in das System und dem Blättchen mit parallelen Flächen vorgesehen sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Blättchen (31» 63) einerseits einer Quecksilberschicht (62) und andererseits einer Schicht mit parallelen Flächen benachbart ist, wobei zwei reflektierende Oberflächen zwischen dem Eintritt der Lichtstrahlen in das System und dem Blättchen mit parallelen Flächen vorgesehen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden reflektierenden Oberflächen durch ein rechtwinkliges Eingangsprisma für die Lichtstrahlen erhalten werden,

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das . auf das Blättchen mit parallelen Flächen aufgekittet ist, wobei das Prisma eine reflektierende Hypotenusenfläehe hat.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass weiterhin ein Ausgangsprisiaa für die Lichtstrahlen vorgesehen ist, das auf das Blättchen mit parallelen Flächen aufgekittet ist, dass das Ausgangsprisma senkrechte metallisierte Flächen hat, wobei der äussere Teil der Dachkante das Blättchen mit parallelen Flächen berührt und vorzugsweise an die Schnittkante der Hypotenusenfläehe des Eingangsprismas mit den Blättchen mit parallelen Flächen angrenzt.

6. Torrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittkante der Hypotenusenfläehe des Eingangsprismas der Lichtstrahlen mit dem Blättchen mit parallelen Flächen, mit dem es verkittet ist, sich im wesentlichen in der mittleren Querebene des Behälters befindet.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Blättchen (31, 63) einerseits einer Quecksilberschicht (62) benachbart ist, und andererseits einem Blättchen mit parallelen Flächen, auf das ein Eingangsprisma und ein Ausgangsprisma aufgekittet ist, wobei das Eingangsprisma als metallisiertes, orthogonales Dachkantprisma ausgebildet ist, dessen äusserer Teil der Dachkante das Blättchen mit parallelen Flächen berührt und sich im wesentlichen in der mittleren Querebene eines Behälters erstreckt, der die Quecksilberschicht und das flüssige Blättchen enthält, dass das Ausgangsprisma ein rechtwinkliges Prisma mit einer reflektierenden Hypotenusenfläehe ist, dessen Schnittkante mit dem Blättchen mit parallelen Flächen vorzugsweise an den äusseren Teil der Dachkante des ersten Prismas angrenzt, und zwar in Berührung mit dem Blättchen mit parallelen Flächen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass neben dem flüssigen Blättchen einerseits eine Quecksilberschicht und'andererseits ein Blättchen mit parallelen Flächen

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vorgesehen ist, auf das ein Eingangsprisma und ein Ausgangsprisma aufgekittet ist, wobei das Eingangsprisma als orthogonales, metallisiertes Dachkantprisma ausgebildet ist, dessen äusserer Teil der Dachkante das Blättchen mit parallelen •Flächen berührt und vorzugsweise sich im wesentlichen in der mittleren Querebene eines Beh&lters befindet, der die Quecksilberschicht und das flüssige Blättchen enthält, und wobei das Ausgangsprisma ein rechtwinkliges Prisma ist und auf das Blättchen mit parallelen Flächen mittels seiner Hypotenusenfläche aufgekittet ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Brechungsindex der Flüssigkeit mit dem Brechungsindex des Materials des Blättchens mit parallelen . Flächen und dem oder den Prismen übereinstimmt, die das reflektierende System bilden.

10. Selbsttätiges Nivellierinstrument mit einem Beobachtungsfernrohr mit einem Teleobjektiv, einem Fadenkreuz und einem Okular, dadurch gekennzeichnet, dass es einen Kompensator nach einem der Ansprüche 1 bis 9 enthält, der zwischen dem Objektiv und dem Fadenkreuz derart angeordnet ist, dass der optische Weg 1 vom Mittelpunkt des Fadenkreuzes zum Punkt der Totalreflexion der Lichtstrahlen auf der freien Oberfläche der Flüssigkeit oder der Quecksilberschicht neben der

•f Flüssigkeit bei Einstellung auf Unenendlich gleich 1 = — ist, wobei f die Brennweite desTeleobjektivs ist und χ eine Konstante, die von den Brechungsindices der Flüssigkeit und des Materials abhängt, das das reflektierende System aufbaut, sowie von der Geometrie des Kompensators.

11. Nivellierinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass 1 = Tc- ist, wobei η den gemeinsamen Brechungsindex der Flüssigkeit und des Materials darstellt, welches das reflektierende System ergibt.

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12. Nivellierinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeich-' met, dass das Objektiv und das Okular auf der Achse des Instruments angeordnet sind, und dass der Körper des Beobachtungsfernrohres im wesentlichen gerade-.ansgebildet ist.

13. Nivellierinstrument nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zum Justieren der Lage des !Compensators bezüglich des Mittelpunkts (F) des !Fadenkreuzes (25) ent-

• hält.

14. Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass zusätzlich Justiermittel für die Höhe und die Neigung des Kompensators bezüglich der Bauelemente des Beobachtungsfernrohres enthält.

15. Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 10 bis 14» dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Drehung des gesamten Kompensators um eine halbe Drehung um seine Symmetrieachse vorgesehen sind.

16. Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass" eine anallaktische Linse vorgesehen ist, die die horizontale Einstellung des Instrumentes selbsttätig sicherstellt, und zwar unabhängig von der eingestellten Entfernung des Beobachtungsfernrohres.

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