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Nivelliergerät. Die Erfindung betrifft ein Nivelliergerät mit spiegelnden
und brechenden Planflächen, die so zusammengestellt sind, daß die wagercelite, Richtung
beim Durchblick bestimmt werden kann. Eine Fläche des Planspiegelsyst-erns ist als
FlüssIgkeitsspiegel ausgebildet, dessen Oberfläche im Ruhezustand des Geräts die
wagerechte Ebene verkörpert.
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Die bekannten Geräte dieser Art haben den NTachteil, daß die Meßergebnisse
unzuverlässig sind, weil eintretende Lageänderungen der einzelnen Glieder des optischen
Aufbaues das
Maßergebnis fälschen, ohne daß der Messende in der
Lage ist, solche. Änderungen zu er#ennen und zu berichtigen.
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Im Gegensatz hierzu werden bei dem vorliegenden Nivelliergerät alle
seine optischen Teile so zueinander angeordnet, daß der Mes-,;ende beim Durchblick
jede meßbare Lageänderung dieser Teile sofort erkennen kann. Durch die Messung selbst
werden stets die jeweiligen Veränderungen des Meßgeräts richtiggestellt. Während
bei anderen Geräten dieser Art jedoch die wagerechte Richtung mit Hilfe der in sich
zurückkehrenden Ab-
bildung mehrerer Bildfeldmarken eines Fernrohrs und durch
zwei Einstellungsmaßnahmen bestimmt wird, werden hier von dem Planspiegelsystern
mehrere optisch verschiedene Bilder eines Gegenstandes (Zielpunktes, Meßlatte o.
dgl.) entworfen. Dieser dient als seine eigene E, instellungsmarke. Durch
einen einzigen Einstellungsvorgang wird die Wagerechte als Sehlinie nach den gemeinsamen
Bildorten gleicher Zielteile bestimnit.' Das neue Nivelliergerät erfordert also
keine besonderen Einstellungsmarken. Als Einstellziel kann erfindungsgemäß eine
Meßlatte, die nach Art einesbekannten, jedoch um go' almaßstabes mit einer gedrehten
Transvers größeren Anzahl senkrechter und schräger Einstellinien versehen ist, verwandt
wer-den. Die Zeichnung zeigt den Gegenstand der Erfindung an Ausführungsbeispielen,
und zwar: Abb, i bis 5 das Spiegelsystern zunächst für sich allein dargestellt.
Hierbei sind Abb. I bis 3 und 5 Längsschnitte und Abb. 4 eine Ansicht
des Systems in der Durchblicksrichtung.
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Die Abb. 6 stellt eine Ausführungsform des Nivelliergeräts
in Verbindung mit dern Spiegelsystem nach Abb. 1 Iyis 5 dar, das durch
die Einteilung des Meßgeräts nach Abh. io vervollständigt wird.
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Abb. 7 ist ein beliebiger künstlicher Zielpunkt, dessen Bildwirkung
irn Gesichtsfeld des Fernrohrs durchdie Abb. 8 und 9 dar-gestellt
wird, und zwar in Abb. 8 vor und in Abl). 9 nach Durchführung des
Meßvorgangs.
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Abb. i i zeigt die Bildwirkung der Nivellierlatte nach Durchführung
des Meßvorgangs.
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Das in Abb. i bis 6 dargestellte Spiegelsystern hat die ebenen
Begrenztingsflächen a, b, it und c, von denen nein Flüssigkeitshorizont
ist, dessen Einstellung im Ruhezustand des Nivelliergeräts die Wagerechte anzeigt,
».die optisch auf die Häuptstrahlrichtung :der übrigen Teile des Spiegelsysterns
übertragen werden soll.
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In seiner Gesamtheit stelltdieses optische System eineageradsichtigen
Körper dar, der mehrere optisch verschiedene Bilder seiner Umgebung entwirft, deren
Hauptstrählrichtung nur dann bei c parallel austretende Strahlenbündel ergibt, wenn
die Eintrittsfläche a in einer senkrechten Ebene liegt, Dieser Zustand des Spiegelsystems
wird durch die Stellung nach Abb. i veranschaulicht. Unter Hauptsuahlen werden diejenitr
n "e Strahlecbündel verstanden, die senkrecht zurEintrittsflächeaeintreten. IndenAbb.i
,I)is6silild solche I-Iauptsti-ahleiimitx-x" 1 und Il. bezeichnet.
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Ohne den Körper auf die gezeichnete Ausführungsform beschränken zu
wollen, wird er am einfachsten aus zwei Glaskeilen mit den optisch wirksamen Flächen
a und b einerseits und; b und c anderseits hergestellt. Beide
Glaskeile werden mitden noch zu erläuternden Versilberungen s, bis s, versehen
und mit ihren Flächen b so aufeinandergelegt-,oder verkittet, daß die Eintrittsfläche
a möglichst parallel zur Austrittsfläche c des Systems liegt.
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Die in der Mitte der Aibb. 4 nicht schraffierten hellen Flächenteile
des Systems bleiben von Versilberungen frei. Die hier senk---echt zu a eintretenden
Strahlenhündel z---, treten ohne Richtungsänderungen durch das System, -wenn a parallel
zu c liegt und die Lauft- oder Kittschicht bei b parallel ist.
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Für dieseBildwirkuhng ist das System dann m behandeln wie eine planparallele
Platte. Doch ist damit, daß a und c oder die Kittschicht b nicht parallel
ist, stets zu rechnen. Es er-geben sich dann Keilwirkungen des Systems, die als,
Richtungsänderungen der Strahil#effbün-delx---, hinter b wirksam, werden.
Hier haben solche Abweichungen lechglich die Bedeutung, daß (die Brechungen praktisch
nicht Beträge erreichen dürfen, bei denen ihre fatbenzerstreuenden Wirkungen augenfällig
werden. Die entstehenden Richtungsänderungen, sind belanglos, da sie durch gleiche
der optisch verschiedenen Vergleichsbilder des Systems wieder aufgehoben wer-.den,
was später gezeigt wird.
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Diese Vergleichsbilder entstehen nach Abb,- 3, die einen Schnitt
3-3 durch, Abb- 4 darstellt, auf folgende Weise: Ein Hauptstrahl
1 trifft nach seinem Eintritt bei a den Spiegel s, wird zur Fläche
a zurückgeworfen, wo er eine Totalreflexion erfährt und die Oberfläche desFlüssigkeitsspiegelset
trifft, der sich in dem Trog d, e (Abb. i) befindet und, Aurch die Schraube
f eingefüllt ist. Diese Flüssigkeit bat möglichst gleiche optische Dichte
wie der Körper tt" b des Spiegelsvstems. Es wird hierzu zweckmäßig.
eine glasklare Flüssigkeit (Zedernholzöl, Monobromnaphthalin, Glyzerin, Wasser o.
idgl.) verwandt. -
An dem Flüssigkeits:gpiegel n wird, der
Strahl
I total reflektiert und trifft nun die Fläche b ztun zweiten Male am Spiegels-Von
hier wird der Strahl I in Richtung auf ,die Fläche a reflektiert, trifft den Spiegel
s"-. ,der' ihn über s, und c in der Eintrittsrichtung,- (Pfeilrichtung) wieder
austreten läßt. Hierzu ist der Spiegel s. nur halb. versilbert,
d. h. mit einer Versilberungsschicht versehen,-die ebensoviel Strahlen durchläßt
als reflektiert.
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Symmetrisch zur Anordnung der Spiegel s,
bis s" der Abb.
3 fiegen die Spiegel s, bis s,
der Abb. 5, die einen. Schnitt
5-5 durch Abb. 4 darstellt. Die Symmetrieachse ist die Mitte des Körpers
nach, Abb. 4.
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Der Strahl II nach Abb. 5 verläuft durch. (las System wie der
Strahl I nach Abb. 3 je-
doch mit dem für die Biläwirkung wichtigen Unterschied,
daß der Strahl II nach seinem Eintritt bei a und Reflexion am Spiegel s,
der Fläche b unmittelbar zum Plüssigkeitsspiegel n reflektiert wird. Erst von hier
aus trifft er wieder die F läche a, dann den, Spiegel s" zuletzt s, und tritt durch
s, an der Fläche c wieder aus.
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Aus dein gezeichneten Strahlenverlauf ist zu, erkennen, dia3 idas
optische System beim Durchblick drei Bilder seiner Umgebung entwirft; von diesen
entsteht das mittlerex-x. ohne Reflexionen und, ist daher von dem mit unbewaffnetem
Auge beobachteten Abbild eines. Gegenstandes nicht verschieden. Die beiden anderen
Bilder -entstehen durch je
fünf Spiegelungen bei je zweimaliger Umkehrungder
Strahlenrichtungen I und, II. Beide geben optisch gleichartige Bilder eines Gegenstandes,
die von dem mittleren Bild in--sofern verschieden sind, als. das System in bezug
auf die wagerechte Ebene alle Vorzeichen vertauscht. Während also durch das Spiegelsystem
das inittlere Bild x-x, aufrecht und seitenrichtig erscheint, werden d#ie Bilder,
die durch die Strahlenb#ünidelI und II entstehen, auf dem Kopfe stehend, im übrigen
seitenrichtig wahrgenommen.
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Zur Veranschaulichung der Umkehrung aller Höhenvorzeichen der im System
reflektierten, Strahilen I und II ist in Abb. i der Verlauf eines um den, Winkel
+ 2 zum Hauptstrahl geneigten Strahles gezeichnet. Der Strahl tritt unter dem gleichen
Winkel aber mit entgegengesetztem Vorzeichen, also - E bei c wieder
aus.
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"'#us dem. Strahlenverlauf r-x, und I und II der Abb-. i ist zu erkennen,
#daß alle senkrecht zur Fläche a eintretenden Strahlen parallel aus dem System wieder
austreten, wenn, wie im gezeichneten Falle, der Winkel a = go' ist, den die
Splegelflächen a und ii, miteinander bilden. Dieser Doppelspiggel hat dann
die Gesamtaiblenkung von. 18o0 (sie ist immer doppelt so groß als der Winkel, den
beide Spiegel einschließen). Deshall> erfahren alle Curch a eintreten-den und anden
Spiegeln der Pläche b reflektierten Strahlen beliebiger Richtung eine Umkehrung
ihres Richtungssinnes rlurch den Doppelspie"gel a und n, treffen die'Fläche
b unter dern gleichen Winkel zum zweiten Male und werden von hier entgegengesetzt
zur ursprünglichen Eintrittsrichtung zur Fläche a reflektiert, wo sie wie-.c12ruin
eine Umkehrung ihres Richtungssinnes erhalten. Innerhalb, --des Spiegelsystems zwischen
den Flächen a und b #rfah.ren die Strahlen I und II gegenüber ihrer ursprünglichen
Eintrittsrichtung keine Richtungsäniderung, sofern sie senkrecht zu a eingetreten
sind. Für j ede andere Eintrittsrichtung tritt schließlich durch die fünfte
Reflexion an der Flächea der Wechsel ihres Vorzeichens gegenüber der Senkrechten
von a der (Horizontalen) ein, d.h. sie verlaufen stets symmetrisch zur Horizontalebene,
,die durch n-n gegeben ist, denn der vorsteilend beschriebene Strahlenverlauf setzte
voraus,daß die Spiegelflächen a und n den Winkel von go' einschließen.
Man erkennt ferner aus dieser Überlegung, daß die Neigung der Fläche b gegen
die Eintrittsrichtung gleichgültig ist, denn alle Strahlen I und II erfahren an
den Spiegeln der Fläche b zwei gleichgerichtete Reflexionen, wobei sich-
alle Lageänderungen der Fläche b gegenseitig aufheben.
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Berücksichtigt man ferner den Einfluß der Richtungsänderungen infolge
unheabsichtigter Veränderung der Luft- oder Kittschicht zwischen den beiden Glaskeilen
des Systems, ferner auch die entsprechenden Veränderungen der Fläche c, -dann ergibt
sich, daß alle .drei Strahlenbündel des Systems durch diese Abweichungen irn gleichen,
Sinne beeinflußt werden; die beschriebenen Veränderungen beeinflussen die gegenseitige
Lage der Vergleichsbilder nicht.
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Hieraus ist zu ersehen, daß die einzigen empfindlichen Teile des hier
verwandten Spiegelsystezins die Eintrittsfläche a, und der Flüssigkeitshorizont
it sind. Ihre gegenseitige Lage zu bestimmen ist die Aufgalbe des Messenden, die
identisch mit der Bestimmung der wagerechten Richtung ist unddurchden Meßvorgang
dieses Nivelliergeräts erledigt wird.
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Aus diesen Ausführungen gehtbereits hervor, idaß die Hauptstrahlenbündel
I und II durch das System, istets parallel verlaufen, solange die Eintrittsfläche
a einen Winkel a == goo einschließt. Den gleichen Verlauf nehmen dann auch alle
beliebig geneigt zur Eintrittsfläche a eintretenden Strahlenbündel. In #diesem Falle
liegt die Eintrittsfläche a in der senkrechten Ebene, und alle durch die Strahleiil
tuil
II erzeugten Bilder eines Gegenstan les fallen zusammen. ' Man sieht in dem
Falle, (laß a == go-' ist, nur zwei Bilder l#eiiii Durchblick durch das Systein,
ein aufrecht-es, scitenrichtiges und ein umgekehrtes, ',eitenrichtiges, g das aus
zwei sich deckenden Bildern hesteht, die von den Strahlen')imdeln I und Il herrühren.
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Es ist ferner zu übersehen, daß von diesen irlrzi Bildern nur diejeniggen
Teile des angezielten Gegenstandes sich berühren, nach denen die Sehlinie durch
(las Spiegelsystein -n1,recht zur Eintiittsflächea verläuft, denn nur in diesein
Falle treten Strahlenbündel x--r, sowie 1 und 11 parallel wieder aus
dem System. Diese Sehlinie nach dem gemeinsainen- Bildort gleicher Zielteife verläuft
wagerecht, denn wenn a senkrecht zum Flüssigkeitsspiegel ii, steht, dann
liegt die Senkrechte zu a in der wagerechten Ebene.
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An Hand,der #soll jetzt erklärt werden, daß die Bilder, die durch
die Strahlenbündel 1 und II entstehen, nicht zusammenfallen können, wenn
die E intrittsfläche a nicht senkrecht steht. Die Eintrittsfläche a ist in
Abb. 2- -um den Winkel A a gegen die Senkrechte geneigt dargestellt,
sie -bildet also mit Älein l-#l#issiCYk-eitssl)iegel n den Winkel a
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Für die folgende Untersuchung soll voraus-CY dein gesetzt werden, daß der
Winkel Aa so 1,
ist, daß die Brechung wagerecht in die P-läche a eintretender
Strahlen I und II vernachlässigt werden kaiiii. 1-ts wird also angenommen, (laß
ein in a wagerecht eintretendes Strahlenbündel 1 (Abb. 2,) weiter wagerecht
verläuft, - bis es den Spie-U -n es nach "els, der Fläche b trifft,
von del den Reflexionen aiin Doppelspiegel a und n wieder zur Fläche 1) mit
einem Richtungsunterschied gelangt, der i 8o#:' - :z Aa 1 Cträg gt,
Mit dein gleichen Richtungsunterschied trifft dasStrahlenbündel I schließlich flie
um Aa geneigte Eintrittsfläche a wiederuin, von wo es parallel zur Eintrittsrichtung
gegen die Flächen b und c zurückgespiegelt wird, denn die Richtungsänderung 2Au,
die das Strahlenbündel I durch den Doppelspiegel a-, ib erfährt, wird (durch die
letzte Reflexion an a wieder aufgehoben.
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Pür den Strahlenverlauf I der Abb. -9 gilt also folgendes:
Solange die Abweichung A a
ler Eintrittsfläche a gegen die Senkrechte klein
ist, erfährt ein wagerecht eintretender Strahl keine Richtungsänderung durch das
System. Allgemein gilt, daß alle Strahlen 1,
die nach ihrem Eintritt parallel
zum Flüssigkeitshorizont ii-it verlaufen, schließlich von der Eintrittsfläche a
auch wieder parallel zu it-ii. zurückgespiegelt werden.
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Einen an-deren Verlauf nimmt -das Stra-hlenbündel II der Abb.
2 infol-e der Winkelzz abweichung A a der Eintrittsfläche a von der Senkrechten.
Es trifft auf seinem Wege,durch las Svstein die beiden Spiegel a und n in der ,iiiigefzehrten
Reihenfolge wie das Strahlen-)ün"lel I. Die Richtungsänderungen, welche lie Strahlen
11 durch den Doppelspiegel er-,ahren, sind in ihrem absoluten Betrage die
leichen wie die von 1, nämlich 2 A a, sie veraufen aber entgegen,gesetzt
wie vorhin, so laß der gegenseitige Richtungsunterschied ler beiden StrahlenbündelI
und 11 nach fünf Reflektionen 4 Aa beträgt, ats Folge der Nei-Tung
A a der Eintrittsfläche agegen die Senk--echte.
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Aus der Abb. 2 ist ferner noch zu erseheil laß infolge ider Brechungen,
die die Strahlen 1
und; II beim Ein- und Austritt erfahren, die Richtungsunterschiede
der beiden Strahlenbüridel schließlich noch größere werden. Der Wert 4Aa gilt nur
für sehr kleine Richtungsinderungen Aa. Das System wird -durch jede Abweichung-
der Eintrittsfläche von der Vertikalen ein iiiisyi-limetrisches Spiegelsystein,
denn seine beiden Ein- und, Austrittslächen liegen nur dann symmetrisch zur
wirksamen Spiegelachse des Systeins, wenn Ier Winkel ri. = go0 beträgt.
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Der Ver-leich der beiden Strahlenbündel I und II an Hand der Abb.
:2 ergibt also allge-' in#ein folgendeis: jede Abweichung der Eintrittsfläche a
von der Senkrechten erkennt inan durch eine mindestens vierinal so große Winkelabweichung
der beiden optisch gleichen Bilder, die durch die Strahlenbündel 1
und II
entstehen. Damitergibt sich auch die Genauigkeit des Meßvorgangs. Sie ist hier mindestens
viernial so groß als die der gebräuchlichen Nivelliergeräte und doppelt so groß
wie die ähnlicher Nivelliergeräte mit Flüssigkeitsliorizont und, Strichtnarken.
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Der Gebrauch,des Nivelliergerätes in Verhindung mit einem Fernrohr
wird an Hand der Abb. 6 bis i i beschrieben. Das Spiegel-#system
a, b, c und m ist nach Albb. 6 in dem Gehäuse w gelagert.
Das System ist hier wie das Gehäuse selbst von zylindrischem. Querschniti und wird
seitlich voll einer Flüs,sigkeit mit gleicher optischer Dichte - z. B. Zedernholzöl
- umgeben, deren Oberfläche n-n eine horizontale Spiegelfläche verkörpert.
Die Verschraubung g dient zum Abschluß des Flüssigkeitsbehälters
d und zur Fassung des Systems. Das Objektiv z ist lediglich zur EinschränkungderGrenzflächen
zwischenLuft und Glas in unmittelbarer Verbindung mit der Flächec des Spie-gelsysterns.
Das Okular k vervollständigt::das, Fernrohrsystem. Das Fernrohrgehäuse w
ist auf dem Träger t um die Achse o drehbar gelagert. Mit Hilfe der Dreifußschrauben
i, i, wird die Achse it des Unterteils p annähernd senkrecht -gestellt.
Nach
dieser Vorbereitung wird die Meßlatte durch dasFernrohrsystem angezielt. Zur Erläuterung
der Bildwirkung, die durch die Strahlenbündiel einerseits und I und II (Abb.
6) anderseits entsteht, soll zunächst das einfache Markenbild r nach Albb.
7 beobachtet werden. Im Gesichtsfeld desFernrohrs entstehen dann drei Bilder
der Marke r (s. Abb. 8);
hier werden die drei Bilder mit ro, j-, und i-11,1),ezeichnet.
Bei idieser Bildwirkung kann dem Spiegelsystem etwa der Strahlenverlauf nach Abb.
2 zugrunde gelegt werden. Das durch das System. unmittelbar hindurchtretende Bild,
r, entspricht dann dem Strahlenverlauf i7-,vl, während r, und rjj durch die entsprechenden
StrahlenI und-, II entstehen, wenn die Eintrittsfläche a um den Winkel
A a gegen -die Vertikalebene geneigt ist. Hierdurch entsteht die im Gesichtsfeld
erkennbare Winkel-aibweichung der beiden, Bilderr, und r11 (Abb.8), die dem Winkelwert4Aa
entspricht. Die Aufgabe des Messenden besteht nun darin, diese Winkelabweichung
dieser beiden Markenbilder r, und r,1 (Abb. 8)
zu beseitigen, indem er das
gesamte optische System mittels ider Stellschrauben 1 und m um die Achse
o dreht. Die Nase li sichert dabei die Schraube 1 gegen Drehung. Diese
Einstellbewegung -wird so lange durchgeführt, bis die beiden Bilder r, und rj, zusammenfallen
und das Bild nach Abb. 9 im. Gesichtsfel,il entsteht. In diesem Augenblick
gibt die Sehlinie nach den Berührungspunkten gleicher Zielteile die Richtung, der
Wagerechten an. Sie ist für alle schräg verlaufenden Zielpunktlinien der Schnittpunkt
ihrer Spiegelbilderrl, r11 und r, In Ahb. 9 sind diejenigen Zie-lteile, durch
welche nach vollendetem Meßvorgang,die #Vagerechte, geht,durch die Linie v-v veranschaulicht.
Es istganz gleichgültig, an welcher Stelle des Gesichtsfeldes diese Bildorte gleicher
Zielteile lieg-en.
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Die große Empfindlichkeit dieses Meßvorgangs läßt es zweckmäßig erscheinen,
die Teilung der Meßlatte mit einer besonderen Einteilung zu versehen, die es ermöglicht,
die kleinsten mit dem Gerät meßbaren Höhenunterschiede auch abzulesen. Diese besondere
Einteilung der Meßlatte wird in Abb. io veranschaulicht. Es sind zwei Teilungen
auf der Meßlatte vorhanden, von denen eine senkrecht verläuft, während
-die andere zu ihr einen Winkel bildet, so daß die zweite Teilung schräg
zur senkrechten Teilung verläuft. Im Gesichtsfeld des Fernrohrs entsteht nach vollendetem
Meßvorgang dann das Bild der Meßlatte wie in Abb. ii, das zwei übereinanderliegende,
als eins erscheinende Bilder und ferner ein umgekehrtes Bild der Teilung zeigt,
die beide als Spiegelbilder zueinander erscheinen, wie bei einem Kehrbildentfernungsmesser.
Mit Hilfe der hier geschilderten Einteilung der Meßlatte ist ihre beliebig feine
Erinittelung der Höhe nach möglich, wie die Abb. io und ii erkennen lassen. Man
sucht mit Hilfe der Bezifferung zunächst die beiden benachbarten gleichbezifferten
Teilstriche des aufrechten und umgekehrten Spiegelbildes auf und liest in ihrem
Schnittpunkt die Unterteilung an der senkrechten Teilung ab. Im gezeichneten Falle
ergibt sich die Ablesung 5, 4 für den Schnittpunkt der Wagerechten mit der
Meßlatte.