Optisches Glied zur Beeinflussung der Richtung des Fernrohr-oder
Kreisablesestrahlenganges in optischen Instrumenten
Es sind optische Anordnungen im Fernrohr-oder im Kreisablesestrahlengang an Theodoliten, Nivellieren und anderen optischen Messinstrumenten bekannt, bei welchen ein Flüssigkeitskeil als brechendes und/oder reflektierendes Glied verwendet wird, wobei die Eigenschaft, dass die Flüssigkeitsoberflä- che immer selbsttätig im Horizont liegt, dazu ausgenützt wird, die Aufgabe derartiger Instrumente, Richtungen gegenüber dem Horizont festzulegen, unabhängig von der Horizontierung des Instrumentes automatisch und korrekt zu erfüllen.
Bei Abweichungen des Instrumentes von der horizontierten Lage verändert sich der Keilwinke1 des in einem fest am Instrument angeordneten Gehäuse befindlichen Flüs- sigkeitskeiles und damit dessen optische Wirkung.
Diese Tatsache wird zur Steuerung des Fernrohr- oder Kreisablesestrahlenganges im geforderten Sinn, d. h. zur Kompensation der fehlerhaften Horizontie- rung des Instrumentes ausgenützt.
Da jedoch der Brechungskoeffizient von Flüssig- keiten verhältnismässig stark von der Temperatur abhängt, i, st auch die Wirkung eines solchen Flüssig keitskeiles temperaturabhängig. Die Erfindung bezweckt, den fehlerverursachenden Einfluss der Anderung des Brechungskodfizienten der verwendeten Flüssigkeit bei Temperaturänderungen weitgehend zu vermindern.
Gegenstand der Erfindung ist ein optisches Glied zur Beeinflussung der Richtung des Fernrohr-oder Kreisablesestrahlenganges in optischen Instrumenten, welches aus einem in einem fest im Instrument an geordneten Gehäuse enthaltenen Flüssigkeitsprisma besteht, welches eine frei im Horizont liegende FlÏche, an welcher das Strahlenb ndel total reflektiert wird, aufweist und dessen ubrige Begrenzungsflächen gegenüber Glas derart angeordnet sind, dass das einretende Strahlenbündel die Eintrittsfläche in das Flüssigkeitsprisma mindestens angenähert senkrecht durohsetzt.
Wie nachstehend nachgewiesen wird, ist ein solches Flüssigkeitsprisma dem Fehler verursachenden Einfluss der Änderung des Brechungskoeffizienten der Flüssigkeit bei Temperaturänderungen in wesentlich geringerem Masse unterworfen als die bekannten Fliissigkeitskeile.
In der Zeichnung sind zwei Flüssigkeitskeile be kannter Art und zwei'beispielsweise Ausfuhrungs- formen des als optisches Glied im Fernrohr-oder Kreisablesestrahlengang eines optischen Messinstrumentes verwendeten Flüssigkeitsprismas gemäss der Erfindung schematisch dargestellt.
Fig. la und Fig. lb zeigen einen Flüssigkeitskeil bekannter Art bei genau horizontierter Lage des Instrumentes und bei gegenüber dem Horizont um den Winkel u gekippter Lage des Instrumentes.
Fig. 2a und 2b zeigen eine andere bekannte Anordnung mit einem bekannten Flüssigkeitskeil, eben- falls bei genau horizontierter Lage des Instrumentes und bei gegenüber dem Horizont um den Winkel u gekippter Lage und dienen zur Erläuterung der der Erfindung zugrunde liegenden ¯berlegungen.
Fig. 3a und Fig. 3b zeigen eine erste beispielsweise Ausführungsform des erfindungsgemässen Flüssigkeitsprismas bei genau horizontierter und bei um den Winkel u gekippter Lage des Instrumentes.
Fig. 4 zeigt eine zweite Ausführungsform des er findungsgemässan Flüssigkeitsprismas.
In Fig. la und lb ist mit 1 eine Schale aus Glas bezeichnet, welche fest in einem nicht dargestellten Messinstrument, beispielsweise einem Theodoliten, einem Nivellier, im Fernrohr-oder im Kreisablese- strahlengang angeordnet ist. Diese Schale 1 ist zum Tei mit einer klar durchsichtigen Flüssigkeit 2 gefüllt. Bei genau horizontierter Lage des Messinstrumentes (Fig. 1a) durchsetzt das senkrecht auffallende Strahlenbündel 3, das parallel', konvergent oder divergent sein kann, die Flüssigkeit 2 und den Boden der Schale 1 und geht ungebrochen in das Strahlenbündel 3'über.
In Fig. lb ist das Messinstrument und damit die Schale 1 mitsamt dem gerätefesten Strahlenbündel 3 um den Winkel u gegenüber dem Horizont gekippt.
Die Flüssigkeit 2 wird dadurch zum optisch wirkenden Keil und lenkt das Strahlenbündel 3'nach 3"ab.
Der Winkel zwischen entsprechenden Strahlen der Strahlenb ndel 3' und 3" betrÏgt ?1 (v) = u (nF-1), wenn nF der Brechungskoeffizient der Flüssigkeit 2 ist.
Andert sich der Brechungskoeffizient der Flüssig- keit 2 infolge einer Temperaturänderung derselben um Anp, so ändert sich auch 91 um A nF.
Die verhältnismässige Änderung von cpl infolge einer Temperaturänderung der Flüssigkeit 2 beträgt A Anp ?1 nF-1
In Fig. 2a und Fig. 2b ist ein ähnlicher Flüssig- keitskeil dargestellt. Der Boden des wiederum fest in dem nicht dargestellten Instrument im Fernrohroder im Kreisablesestrahlengang angeordneten Behälters 11, in welchem sich die klar durchsichtige Flüssigkeit 12 befindet, ist durch ein Glasprisma lla gebildet.
Der Behälter 11 ist derart im Instrument angeordnet, dass ein Strahlenbündcl 13 senkrecht auf die zum Horizont geneigte Einfallsflächellb des Glasprismas lla-auftrifft. Dieses Strahlenb ndel 13 wird beim Ubergang vom Glas des Prismas lla in die Flüssigkeit 12 gebrochen, dann an der freien Oberfläche der Flüssigkeit 12 total reflektiert und beim Dbergang von der Flüssigkeit 12 in das Glas des Prismas 11a gegengleich gebrochen, um dann, wenn das Instrument genau horizontiert ist, als Strahlenbündel 13'senkrecht aus der gegengleich zur EinfallsflÏche llb des Prismas zum Horizonte geneigten Awstrittsfläche llb des Prismas auszutreten.
nF ist der Brechungskoeffizient der Flüssigkeit 12 und nG der Brechungskoeffizient des Glases des Prismas lla.
Wird nun das Instrument und damit der Behäl- ter 11 mitsamt dem gerätefesten Strahlenbündel 13 um den Winkel u gekippt (Fig. 2b), so tritt das Strah lenbündel nicht mehr als Strahlenbündel 13'senkrecht aus der Austrittsfläche llc des Prismas 11a aus, sondern erfährt eine Ablenkung nach 13". Der Ablenkungswinkel?2 (v) ergibt sich aus der Gleichung :
EMI2.1
wenn mit a der Einfallswinkel des Strahlenb ndels 13 auf die Grenzfläche zwischen dem Prisma lla und der Flüssigkeit 12 bezeichnet ist. Tritt eine Temperaturänderung ein, so ist lediglich deren Einfluss auf den Brechungskoeffizienten nf der Flüssigkeit von Belang.
Die Änderung A92 von y, beträgt :
EMI2.2
Die verhältnismässige Änderung von 92 infolge einer Temperaturänderung beträgt : ??2 nF. np. AnF cp2 nF2-nG2 sin2α In dieser Beziehung liegt die Möglichkeit begründet, den Faktor möglichst klein zu machen dadurch, dass zwar die Fl ssigkeitsoberflÏche immer noch total reflektiert, der Eintri. ttswinkel in die Flüssigkeit aber gleich Null gemacht wird, d. h. dadurch, dass man gemäss der Erfindung den Flüssigkeitskeil zum Flüssigkeitspris- ma macht.
Das in Fig. 3a und Fig. 3b dargestellte Flüssig keitsprisma besitzt ein Gehäuse, welches zwei senkrecht zueinander stehende WÏnde 21a und 21b aus Glas aufweist, zwischen welchen sich die klar durchsichtige Flüssigkeit 22 befindet. Dieses Gehäuse ist im Fernrohr-oder im Kreisablesestrahlengang eines nicht dargestellten Instrumentes derart angeordnet, dass das gerätefeste Strahlenbündel 23 senkrecht auf die Wand 21a auftrifft. Bei genau horizontierter Lage des Instrumentes tritt das Strahlenbündel 23 durch die Wand 21a hindurch ungebrochen in die Flüssigkeit 22 ein und wird an deren Oberfläche total reflektiert, um dann als Strahlenbündel 23'wiederum ungebrochen senkrecht durch die Wand 21b auszutreten.
Wird das Instrument und damit das Gehäuse 21a, 21b mitsamt dem gerätefesten Strahlenbündel 23 um den Winkel u gekippt, so tritt das Strahlenbündel 23'nicht mehr senkrecht durch die Wand 21b hindurch aus, sondern wird nach 23"abgelenkt. Der Ablenkungswinkel zwischen der Senkrechten auf die Wand 21b und dem austretenden Strahlenbündel 23" ist cps (u) = 2u. nF. Die temperaturbedingte Anderung von (ps beträgt Ay, = 2u. AnF.
Daraus ergibt sich die verhältnismässige Anderung als 93 ?nF = ?3 nF Dieser Faktor ist wesentlich kleiner als
1 , ?1 d. h. der bei einer TemperaturÏnderung infolge Ver änderung des Brechungskoeffizienten nF der Flüssig- keit verursachte Fehler ist erheblich kleiner als bei den bekannten Flüssigkeitskeilen.
Das in Fig. 4 dargestellte Flüssigkeitsprisma un terscheidet sich vom Flüssigkeitsprisma nach Fig. 3a und Fig. 3b lediglich dadurch, dass es f r gestreckten Strahlengang ausgebildet ist. Zu diesem Zwecke weist der Behälter fiir die Flüssigkeit 32 an Stelle der planparallelen Wände 21a und 21b des vorbeschriebenen Beispiels als WÏnde zwei Glasprismen 31a und 31b auf, welche bewirken, dass bei genau horizontiertem Instrument das austretende Stralenb ndel 33' in die Richtung des eintretenden StrahlenbundeIs 33 gebracht wird.