DE2410897B2

DE2410897B2 - Automatisches nivellierinstrument

Info

Publication number: DE2410897B2
Application number: DE19742410897
Authority: DE
Original assignee: Essilor International Compagnie Generale dOptique SA
Current assignee: EssilorLuxottica SA
Priority date: 1973-03-13
Filing date: 1974-03-07
Publication date: 1977-05-26
Also published as: FR2221788B1; US3910704A; GB1464951A; DE2410897A1; DE2410897C3; SU697060A3; JPS49127657A; IT1009276B; FR2221788A1; CH584397A5

Description

/ · sin 2 B

45

ist, wobei / die Brennweite des Teleobjektivs (23, 24) ist, n' der Brechungsindex der Flüssigkeit (31, 63) ist, η der Brechungsindex des das reflektierende System (35, 41; 66,71; 76, 77; 79, 80, 83, 84) aufbauenden Materials ist, und B der Winkel zwischen der Eingangsfläche und der Hypotenusenfläche des Eingangsprismas ist.

2. Automatisches Nivellierinstrument nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindizes η und n' gleich groß sind, wobei der optische Weg / gleich

X
2 h

60

ist.

3. Automatisches Nivellierinstrument nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eines der beiden Prismen ein Dachprisma (41; 71, 76) ist, dessen Dachflächen (43, 44) die reflektierende Hypotenusenfläche bilden.

4. Automatisches Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn- _fryh'ft da« das Objektiv (23) und diis Okular (26) üiif tier Achse des Instrumentes ungeordnet sind und daß dor Körper des Fernrohres (81) im wesentlichen gerade ausgebildet ist.

5. Automatisches Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche I bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß es Mittel (52) zum Justieren der Lage des Kompensator (29,60,75,78,82) bezüglich des _Mj_ttelp_UnI,_tcs (/) des Fadenkreuzes (25) enthält.

6. Automatisches Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich Justiermittel (51 a -51 c) für die Höhe und die Neigung des Kompensator bezüglich der Bauelemente des Fernrohres (H)cnt-

7. Automatisches Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel zur Drehung des gesamten Kompensator (29, 60, 75, 78, 82) um tine halbe Drehung um seine Symmetrieachse (50) vorgesehen sind.

8. Automatisches Nivellierinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine anallaktische Linse vorgesehen ist.

Die Erfindung betrifft ein automatisches Nivellierinstrument mit einem Fernrohr mit einem Teleobjektiv, einem in der Fokalebene des Teleobjektivs angeordneten Fadenkreuz und einem Okular und mit einem optischen Kompensator, der zwischen dem Objektiv und dem Fadenkreuz angeordnet ist und der eine Flüssigkeitsschicht mit einer Oberfläche enthält, die ständig horizontal bleibt, mit dem ein Reflexionssystem verbunden ist, das den Lichtstrahlen zwischen deren Einfall in das Reflexionssystem und der Flüssigkeit und zwischen der Flüssigkeit und deren Ausgang aus dem Reflexionssystem eine bestimmte Anzahl von Reflexionen mitteilt, wobei die Lichtstrahlen nach einem ersten Durchqueren der Flüssigkeitsschicht diese abermals nach einer Totalreflexion an der stets horizontalen freien Oberfläche der Flüssigkeitsschicht oder an einer reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche durchqueren, die mit der Flüssigkeitsschicht verbunden ist, wobei das Reflexionssystem ein Eingangsprisma und ein Ausgangsprisma enthält.

Ein derartiges Nivellierinstrument ist durch die FR-PS 8 74 021 bekanntgeworden. Der Kompensator besteht dort aus insgesamt drei Prismen. Zwei dieser Prismen sind Pentagon-Prismen, die relativ teuer in der Herstellung sind. Das dritte, trapezförmige Prisma muß sehr genau hergestellte Winkel haben, die von dem Brechungsindex der verwendeten Flüssigkeit abhängen. Dieser Brechungsindex hängt wiederum von der Temperatur der Flüssigkeit und damit von der Umgebungstemperatur des Nivellierinstruments ab. Dieses bekannte Nivellierinstrument kann daher horizontale Fehler in der Ausrichtung nur innerhalb eines sehr kleinen Temperaturbereiches kompensieren. Außerdem sind die Bilder dort seitenverkehrt.

Bsi einem automatischen Nivellierinstrument, welches die FR-PS 11 71 765 und dessen erste Zusatzpatentschrift 73 482 beschreiben, befindet sich ein Kompensator vor dem Objektiv des Nivellierinstru-

B. Diese Lösung Mim /u einer Verwendung von sehr voluminösen und schweren Prismen, die die Handlichkeit des Nivellierinstruments insbesondere in seiner Längsnusnchtung herabsetzen. Weitere Nachteile bestehen darin, daß die Apertur und das Beobaehtungsfcld des Instruments verringert werden. Fernerhin werden sehr komplexe mechanische Montage-„ vorrichtungen und optische Einslelleinrichlungen notwendig, wodurch die Herstellung des Instruments sehr teuer wird. Auch bei diesem bekannten Nivellierinstrument wird das Objektivbild nicht vollständig aufgerichtet.

Die Erfindung vermeidet diese Nachteile. Ihr liegt die Aufgabe zugrunde, ein automatisches Nivellierinstrument der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welches in einem großen Temperaturbereich genau arbeitet, ohne daß teure Prismen für den Kompensator verwendet werden müssen.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Erfindung da- *durch gekennzeichnet, daß das Eingangsprisma und das Ausgangsprisma rechtwinklige Prismen sind, die jeweils eine reflektierende Hypotenusenfläche aufweisen, sowie dine Eingangsfläche und eine Ausgangsfläche, die vertikal bzw. horizontal ausgerichtet ^fsind, wenn das automatische Nivellierinstrument horizontiert ist, daß der vertikale SchnHt durch die Prismen längs der Visierlinie gleich ist, und daß der Kompensator derart angeordnet ist, daß der optische Weg / vom Mittelpunkt des Fadenkreuzes zum Punkt der Totalreflexion der Lichtstrahlen auf der freien Oberfläche der Flüssigkeitsschicht oder der reflektierenden Flüssigkeitsoberfläche neben der Flüssigkeitsschicht bei Einstellung auf Unendlich gleich

/ · sin 2 B

ist, wobei / die Brennweite des Teleobjektivs ist,ri der Brechungsindex der Flüssigkeit ist, η der Brechungsindex des das reflektierende System aufbauenden Materials ist, und B der Winkel zwischen der Eingangsfläche und der Hypotenusenfläche des Eingangsprismas ist.

Die beiden Prismen können wegen der erwähnten Merkmale preisgünstig hergestellt werden, wobei der Winkel B in sehr weiten Grenzen variiert werden kann. Wenn die beiden erwähnten Brechungsindizes einander gleich sind, wie dies bevorzugt wird, kann der Winkel B sogar beliebig sein. Das wie vorstehend gekennzeichnete Nivellierinstrument arbeitet sehr genau in einem sehr großen Temperaturbereich.

Es wird bevorzugt, wenn eine« der beiden Prismen ein Dachprisrna ist, dessen Dachflächen die reflektierende Hypotenusenfläche bilden. Der Beobachter sieht bei dieser Ausgestaltung die Bilder seitenrecht und aufrecht.

Weitere bevorzugte Ausgestaltungen des Gegenstands der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen 4—8.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine perspektivische Gesamtansicht eines Nivellierinstruments nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schema einer ersten Ausführungsform eines Nivellierinstruments nach der Erfindung,

Fig. 3 perspektivisch einen Teil des in F i g. 2 schematisch gezeigten Instruments,

Fig. 4 ein Schema zur lirllUilcrung des l-'urkiin· nicrcns des Instruments nach l^; i g. 2,

K i tj. 5 ein Schema zur Erläuterung der Berechnung der Abweichung, die vom Kompensator bewirkt wird, F i g. 6 ein Schema ähnlich F i g. 2 IXIr eine andere Ausftihrunösform,

F i g. 7 ein Schema zur Darstellung der Funktionsweise des Instruments nach Fi ß. 6,
F i g. 8 eine Teilansicht einer Abänderung des in

ίο Fig. 6 gezeigten Instruments,

Das automatische Nivellierinstrument 10 nach F i g. I enthält ein Bcobachtungsfernrohr II, das auf einer Bcfestigungsplattc 13 aufcincm Dreibein T oder einem ähnlichen Gestell unter ZwischenfUgung einer Einstellschraube 14 und dnerRichlschraubc 15 montiert ist. Auf der Befestigungsplatle 13 ist eine kleine kugelförmige Wasserwaage 28 montiert, mit der die horizontale Einstellung der ßefcstigungsplatte über Einstellschrauben 14 grob eingestellt werden kann.

Die Linse 11 besteht aus (vgl. F i g. 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 Tür stark vergrößernde Fernrohre ein optisches Mikro-

_zs meter, 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 / mit einem Objektiv 23 aus zwei oder mehreren Linsen gefolgt von einer Linse oder einem Linsenpaar 24, die zum Einstellen des Bildes der Nivellierlatte in Abhängigkeil 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.

Zwischen der oder den Linsen 24 und dem Fadenkreuz 25 ist ein Kompensator 29 angeordnet. Bei einer ersten Ausführungsform nach F i g. 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 Längs- und Vertikalabschnitten. 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 Flächen winkel, 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 35 reicht im wesentlichen bis zur Hälfte oer Länge des Behälters 30, gemessen parallel in Einfaiisrichtung der Lichtstrahlen derart, daß die Kante 40 des Prismas, die die Schnittkante der Hypotenusenfläche 37 und der Fläche 39 biidet, sich im wesentlichen in der Symmetrieebene senkrecht zur Einfallsrichtung der Lichtstrahlen des Behälters 30 befindet.

Das zweite Prisma 41 besteht aus demselben Material wie das Prisma 35 und das Blättchen 32. Wie aus

F i g. 3 hervorgeht, hat es cine Ausgangsfläche 42 für die Lichtstrahlen, die im wesentlichen 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 Symmctrie-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 dai3 es bezüglich der vertikalen Drehachse des Instrumentes über Schrauben 51 a, 51 b und 51 c 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 Tür 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 O 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. Nach einer Reflexion im Punkt H auf der Hypotenusenfläche 37 erleidet der Lichtstrahl eine Totalreflexion im Punkt / 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 /, d. h., wenn der Brechungsindex /i größer als 1,414 ist. welche Bedingung bei optischen Gläsern, deren Brechungsindizes nicht kleiner als !,45 ist, immer sichergestellt werden kann. Nach der Totalreflexion im Punkt / auf der Fläche 36 des Prismas 35 (F i g. 2) verläßt der Lichtstrahl das Prisma an der Fläche 39 im Punkt J. wobei er einen Winkel von 45 mit dem Einfallsstrahl ODG 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 Brechungsindex M,d. h. ausdcm Prisma und dem Blättchen mit parallelen Flächen, zur Materie mit dem Brechungsindex n'.d. h. zur Flüssigkeit 3!, die im Behälter 30 enthalten ist. gebrochen. Die Flüssigkeit 31 ist so ausgewählt, daß ihr Brechungsindex größer als 1,414 ist. Der Lichtstrahl erfährt eine Totalreflexion im Punkt L unter der freien Fläche des flüssigen Blättchens. Er durchquert wiederum die Flüssigkeil 31 zwischen den Punkten L und M, wo er in das Blättchen 32 mit parallelen Flächen eindringt. Am Ausgang dieses Blättchens im Punkt N dringt der Lichtstrahl in das Prisma 41 ein, indem er nach Totalreflexion am Punkt P auf der Ausgangsflächc 42 dieses Prismas eine doppelte Reflexion bei ß. ß, 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, Q₁ 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, jst der Lichtstrahl, der das Prisma 41 verläßt, genau parallel zum Lichtstrahl, der in den Kompensalor eintritt.

Die Verhältnisse sind genau gleich, wenn die von Prisma 35 eingeführte Abweichung von 45° abweicht, vorausgesetzt, daß die Anzahl der Reflexionen der Lichtstrahlen im Prisma eine gerade Anzahl ist und

,₅ daß die Reflexionswinkel in den Punkten / und L kleiner als der entsprechende Winkel bei einer Totalreflexion sind, was in der Größenordnung von 4ί°48' für ein Medium mit einem Brechungsindex von 1,5 ist. Wenn die Achse des Fernrohres 11 zur Horizontalen um einen Winkel / geneigt ist (F i g. 4), so dringt ein horizontaler Lichtstrahl A, der den rückwärtigen virtuellen Knotenpunkt des Teleobjektivs passiert, in das Prisma 35 im Punkt G' ein. Dieser Einfallslichtstrahl steht nicht senkrecht auf der Eingangsfläche 36

dieses Prismas. Er wird also zu einem Strahl G'H' gebrochen, der durch Reflexion auf der reflektierenden Fläche 37 einen Strahl H'V ergibt, der nach Totalreflexion auf der Fläche 36 im Punkt /' das Prisma im Punkt J' verläßt. Der Lichtstrahl durchquert das

Blättchen 32 mit parallelen Flächen zwischen den Punkten J' und K', wo er in das Flüssigkeitsblättchen 31 eindringt, das den Behälter 30 berührt, wobei der Lichtstrahl zu einem Strahl K'L' gebrochen wird. Im Punkt L der freien Oberfläche der Flüssigkeit 31 er-

leidet der Lichtstrahl eine Totalreflexion, durchquert von neuem das flüssige Prisma 31 zwischen den Punkten L und M\ wobei der Punkt M' der Eingangspunkt in das Blättchen 32 ist. wo der Lichtstrahl eindringt und eine neue Brechung erleidet. Am Ausgang

des Blättchens 32 bei N' tritt der Lichtstrahl in das Prisma 41 ein, erleidet eine Totalreflexion bei P' auf der Ausgangsfläche 42 dieses Prismas, darauf eine Reflexion bei (T und tritt auf der Fläche 42 des Prismas 41 im Punkt R' aus. wo der Lichtstrahl abermals ge-

brochen wird.

Wenn der Kompensator zwischen dem Teleobjektiv 23 24 und dem Fadenkreuz 25 derart angeordnet ist. daß der optische Weg / des Krcuzungspunktcs F des Fadenkreuzes zum Punkt /. der Totalreflexion der Lichtstrahlen unter der freien Oberfläche des flüssigen Blättchens 31 bei Einstellung auf I 'nendlich folgender Gleichung genügt:

2 2ιΓ*

(I)

wobei / die Brennweite des Teleobjektivs, gebildet vom Objektiv 23 und der oder den divergierenden Linsen 24. ist und der bei K'auf die Ausgangsfläche 42

des Prismas 41 gebrochene Lichtstrahl ist, der am Punkt F des Fadenkreuzes 25 vorbeigeht.

Wie die F i g. 5, die ein Schema der optischen Achse darstellt, und zwar entwickelt quer durch den Kompensator 29. in der Tat zeigt, liegen die folgenden Vcr-

hältnissc vor: das Prisma 35 und das Blättchen 32 mit parallelen Flächen 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 Prismasein Lichtstrahl h einfällt, der den rückwärtigen virtuellen Knotenpunkt des Teleobjektivs 23, 24 passiert, das flüssige Blättchen 31 ist einerseits einem Prisma mit dem Brechungsindex ri äquivalent, das einen kleinen Winkel am Dach 2/ hat, und andererseits einem horizontalen Spiegel, der einen Winkel / mit der optischen Achse des Instruments einschließt und der durch die strichpunktierte Linie m,m' der F 1 g 5 dargestellt wird, und das Blättchen mit pardllelen Flächen 32 und das Prisma 41 sind mit einem Prisma mit dem Brechungsindex « äquivalent, dessen Winkel beim Dach C45° beträgt und dessen A.usgangsf1ache42 um einen Winkel — / zur Vertikalen geneigt 'ist

Die Gesamtabweichung, die vom Kompensator 29 eingeführt wird, ist also die Summe einer Abweichung J₁ im Einfallspunkt G' auf der Fläche 36, einer Abweichung d₂ in den Punkten K', L und M', die jeweils Eintrittspunkte sind, der Totalreflexion und des Austntls des flüssigen Blättchens 31 sowie einer Abweichung d₃ im Austrittspunkt R' auf der Fläche 42 des Kompensators.

Die Winkel sind hinreichend klein, so daß der Sinus dem Winkel selbst gleichgesetzt werden kann. Die Abwcichung J₁ beträgt also

η —

(Π)

= 2r r-,

η cos I₁

(UM

d_i =

Die Gesamtabweichung d beträgt also:

ι j ι / -ι · / ^{C0S r}l

J = d, + J₂ + J, = 2 /n .

cos ι.

(IV)

(V)

, cos,

cos

= 12 η'²-«²

15

Die Abweichung d₂, die aus einer Reflexionswirkung und einer Brechungswirkung resultiert, ist gleich /, - i_z, wobei /, und i₂ die Einfallswinkel in den Punkten K' und M' sind, so daß sich fur diese Abweichung ergibt:

wobei r, den Brechungswinkel im Punkt K' ist. Die Abweichung J₃ beträgt:

40

45

d. h., daß die vom Kompensator eingeführte Abweichui e 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 Lichtstrahlen in ihrem Einfalispunkt in die Flüssigkeit ist.

Bei dem beschriebenen Ausfuhrungsbeispiel, bei dem I, = 45" ist, wird der Faktor:

no

so daß sich für die vom Kompensator eingeführte Abwcichung d ergibt:

d = 2/ 12m'²-/i²

(Vl)

Somit ergibt sich für die Gleichung (1) als notwendige und hinreichende Bedingung dafür, daß der bei R' auf der Ausgangsfläche 42 des Prismas 41 gebrochene Lichtstrahl durch den Punkt F des Fadenkreuzes 25 geht:

Wenn man, um die Aberrationen und die parasitären Reflexionen zu annullieren, den Brechungsindex ri 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 größer, 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:

Für ein Glas, dessen Brechungsindex gleich 1.5165 ist, beträgt der optische Weg / = . Das heißt, daß der Kompensator derart eingesetzt wird, daß die Reflexion bei L unter der freien Oberfläche der F lüssigkeit 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 größer als ein Drittel der öffnung des Objektivs.

Um die Änderungen des Brechungsindex der Flüssigkeit in Abhängigkeit von der Temperatur zu berücksichtigen, ist 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 sine mittlere Betriebstemperatur von beispielsweise 20 C (Zimmertemperatur), so daß die Bedingung der Gleichung ίVI1) erfüllt wird, um den Kompensator 29 mittels der Einstellschraube 52 versetzen zu können, um den optischen Weg / abändern zu können.

Wenn man mit in die Änderung des Index der Flüssigkeit 3! bezeichne!, die auf einer Temperaturänderung beruht, kann man zeigen, daß die Änderung 1 / des optischen Weges /, die dem Kompensator mitgeteilt werden muß, um die Änderung des Brechungsindex wegen Temperaturänderungen zu kompensieren, folgender Gleichung genügt:

I/i

Dies entspricht für einen Brechungsindex nahe 1.5 einer Brennweite des Teleobjektivs von 450 mm. Eine mittlere Tcmpcralurändcrung von 25 C zwischen Winter und Sommer, mil der eine Änderung des Brc-

709 521/411

chungsindex in der Größenordnung von
.hergeht, hat somit folgenden Wert:

■ 1/100 ein-

H-'"" 100

2,25

= +2 mm.

1„ Ein anderer Faktor, der den Effekt der Kompen-'''satic-η beeinflussen kann und der ebenfalls auf Tempe-■«raturänderungen beruht, ist derjenige, der aus der /fJVärmeausdehnung der in dem Behälter 30 enthalj^tenen Flüssigkeit resultiert. Diese Wärmeausdehnung /ergibt eine Verschiebung des Punktes L der Tota!-

■ reflexion unter der freien Oberfläche des flüssigen 'Blättchens. Um den systematischen Fehler der Hori-'tzontalität zu eliminieren, die auf diesem Faktor be- |₅

ruht, kann man sich entweder der bei Nivellierinstru-" menten herkömmlichen Methode bedienen, wonach ,die Reichweiten nach vorn und hinten bei jedem "Meßpunkt gleich sind, oder man kann in vorteilhafter Weise Mittel benutzen, um die Höhe des Kompensators, bezogen auf die Achse des Fernrohres, zu kom- '.. pensieren, 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, gleichzeitig den Effekt der Änderung des Brechungsindex wegen Temperaturänderungen und den Effekt der Wärmeausdehnung der Flüssigkeit zu korrigieren.

Im folgenden wird auf die F i g. 6 und 7 Bezug genommen, die eine andere Ausführungsform eines Nivellierinstrumentes zeigen. Dabei sind die Bauteile des Instrumentes mit Ausnahme des !Compensators, 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 sich ein Blättchen 63 aus einer Flüssigkeit mit einem Brechungsindex n' 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 π aufgekittet, dessen Eingangsfläche 67 Tür die Lichtstrahlen senkrecht auf den ^v irksamer 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. Vorzugsweise 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 verlauft. Neben dieser Kante 69 befindet sich ein ι 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 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 Fläche65 des Blättchens64 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 F 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 Ausführungsforrn wirkt der Kompensator 60 bei der zweiten Ausführungsfqrm nach F ί g. 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 Vi 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:

d = Ii

, COS T₁ COS l'j '

'-.'•Π

%Μ

wobei /, und r, dieselben Bedeutungen wie oben bei der ersten Ausführungsform haben. Der Winkel /, beträgt 30'', so daß sich für die Abweichung folgender Wert ergibt:

, ,.14η'²-«² ^rf"^2f 3 *

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

(VIII)

Horizontale Lichtstrahl'ii. 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 = 2/«,Der optische Weg/vom Punkt L zum Zentrum F des Fadenkreuzes, für den die den Punkt R' (F i g. 7) verlassenden Lichtstrahlen diesen Punkt J passieren, wird somit durch folgende Gleichung ausgedrückt:

Analog /ur ersten Ausführungsform kann man den Kompensator 60 bezüglich des Fadenkreuzes ver-

setzen, um bei der Verwendung des Nivellierinstrumentes die Änderungen der Umgebungstemperatur zu berücksichtigen.

Man kann zeigen, daii für eine Änderung In des Brechungsindex der Flüssigkeit 63 der optische Weg / abgeändert werden muß, damit die Betriebsbedingung erhalten bleibt, und zwar um folgenden Wert:

, Dies entspricht für einen Brechungsindex mit einem Wert bei 1,5 einer Brennweite des Teleobjektivs des Fernrohres 11 von 450 mm und einer mittleren Temperaturschwankung von 25° zwischen Winter und Sommer, mit welchen Werten eine Änderung des Brechungsindex von — 1/iOO bei emer Änderung des optischen Weges/J/ = +1,3 mm verknüpft ist.

FJ?g. 8 zeigt eine Variante des !Compensators 60. Dort enthält ein Kompensator 75 mit einem Behälter 61 eine Quccksilbcrschicht 62, über der sich eine Flüssigkeitsschicht 63 befindet. Der Kompensator enthält als Eingangselcment 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 F i g. 2. Das Ausgangsprisma 77 besteht aus einem Prisma, das gleich aufgebaut ist wie das Prisma 35 dieser ersten Ausführungsform nach F i g. 2.

Das Beobachtungsfernrohr 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 möglich ist, fehlerfrei von der Orientierungsachse desi Instrumentes und folglich vom Aufsteilungspunkt die Entfernung der Nivellierlatte mittels Meßfäden im Fadenkreuz zu messen.

Hierzu 5 Blatt Zeichnung·»!

Claims

Patentansprüche:

I. Automatisches Nivellierinstrument mit einem Fernrohr mit einem Teleobjektiv, einem in der . Fokalebene des Teicobjektivs angeordneten Fadenkreuz und einem Okular und mit einem optischen ■ Kompensator, der zwischen dem Objektiv und fdem Fadenkreuz angeordnet ist und der eine •Flüssigkeitsschicht mit einer Oberfläche enthäit, •,'die ständig horizontal bleibt, mit dem ein Re-¹ 'flcxionssystem verbunden ist, das den Lichtstrahlen _r zwischen deren Einfall in das Reflcxionssystem und der Flüssigkeit und zwischen der Flüssigkeit und deren Ausgang aus dem Reflexionssystcm eine be-

- stimmte Anzahl von Reflexionen mitteilt, wobei die ; Lichtstrahlen nach einem ersten Durchqueren der

- !Flüssigkeitsschicht dieseabermals nach einer ToIaI- -reflexion an der stets horizontalen freien Ober-

, '-fläche der Flüssigkeitsschicht oder an einer reflek- \ tierenden Flüssigkeitsobeirfläche durchqueren, die mit der Flüssigkejtsschicht verbunden ist, wobei \ das Reflexionssystem ein Eingangsprisma und ein ':" j* usgangsprisma enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Eingangsprisma (35,66,76) und das Ausgangsprisma (41,71,77) rechtwinklige Prismen sind, die jeweils eine reflektierende Hypotenusenfläche (37; 43, 44; 68,70) aufweisen, sowie eine Eingangsfläche (36; 67) und eine Ausgangsfläche (39; 42), die vertikal bzw. horizontal ausgerichtet sind, wenn das automatische Nivellierinstrument horizontiert ist, daß der vertikale Schnitt durch die Prismen längs der Visierlinie gleich ist, und daß der Kompensator (29,60,75,78, 82} derart angeordnet ist, daß der optische Weg / vom Mittelpunkt (F) des Fadenkreuzes (25) zum Punkt (L) der Totalreflexion der Lichtstrahlen auf der freien Oberfläche der Flüssigkeitsschicht (31) oder der reflektierenden Fiüssigkeitsoberfläche(62) neben der Flüssigkeitsschicht (63) bei Einstellung auf Unendlich gleich