NO802741L - Instrument til aa maale eller avsette avstander fra en linje eller et plan - Google Patents

Abstract

Instrument til måling av punkters avstand fra et plan eller en rett linje (10) definert ved hjelp av instrumentet. Instrumentet kan også brukes ved avsetning av punkter på et plan eller en rett linje.Instrumentet funksjonerer ved at det danner minst to speilbilder (12) av et måleobjekt (7) på en slik måte at de blir forskjellig orientert ved betraktningen. Dette skjer ved den enkleste utformning av instrumentet ved hjelp av et prisme (8), hvor den forreste flate (6) er halvt reflekterende og de øvrige fasetter (4,5) står vinkelrett på hinannen og er helt reflekterende. Be-finner måleobjektet seg ikke på den definerte flate eller linje (10), gir dette seg til kjenne ved en forskyvning av de forskjellig orienterte speilbilder i. forhold til hinannen.Det vesentligste nye i instrumentet er at alle de bilder hvis relative forskyvning brukes ved avlesningen, er speilbilder av måleobjektet og dannet uten behov for fokuserende optiske komponenter som f.eks. linser og hulspeil.

Description

Oppfinnelsen angår et instrument til måling av punkters avstand fra et plan eller en rett linje definert ved hjelp av instrumentet. Det kan også brukes ved avsetning av punkter fra et plan eller en rett linje.

Arbeide av denne art er vanlig i terreng og på byggeplas-ser i forbindelse med landmåling, anleggsarbeide og bygging av hus og skip. Lignende oppgaver er vanlige i forbindelse med bygging og justering av maskiner og måleapparatur, såkalt optical tooling.

Til dette arbeide brukes nå oftest instrumenter basert på en siktekikkert og et bevegelig objekt, f.eks. en nivellérstang eller et annet måleobjekt med et mønster som er klart synlig.

Ved arbeide på større avstander er man imidlertid av praktiske grunner nødt til å være to personer om arbeidet; én person ved kikkertinstrumentet og én som forflytter måleobjektet. Hvis alle operasjoner inkl. avlesning kan utføres fra måleobjektets posisjon, vil én person kunne utføre både avlesning og flytting av måleobjektet, og arbeidet vil derfor bli betydelig mere effektivt.

Ved optical tooling med stor presisjon vil den uunngåelige varme og vibrasjon fra operatøren forstyrre kikkertinstrumentets nøyaktige innstilling. Det vil derfor være en fordel å få ad-skilt operatøren fysisk fra det instrument hvis stilling definerer det ønskede plan eller den ønskede linje.

Anvendelsen av lysstråler fra gasslasere som utsendes i en gitt retning eller i et gitt plan, er også kjent,^men på grunn av farene ved laserlys og de praktiske vanskeligheter med bl.a. strømforsyningen :tillasere, vil det være fordelaktig å kunne unngå disse komponenter.

Instrumenter som arbeider ved hjelp av billedpar med motsatt orienterte komponenter, er kjent fra de britiske patentskrifter nr. 684 292 og 1 235 664. De funksjonerer slik at motsatt orienterte bilder av et måleobjekt forskyves i hver sin retning ved en ensidig forskyvning av måleobjektet ut fra et gitt plan eller en gitt linje. Denne relative forskyvning av bildene iakttas av et øye, eventuelt i forstørrelse ved hjelp av en kikkert eller lignende.

I instrumenter ifølge førstnevnte patentskrift dannes et billed par ved hjelp av semitransparente speil som er anbragt i begge brennplan av en linse eller i et hulspeils brennplan. Frem-bringelsen av billedparet er med andre ord knyttet til en av-bildning ved et fokuserende system, hvilket vil si at bildene ved store måleavstander må være sterkt forminsket i forhold til måleobjektet for å få rimelige dimensjoner på det optiske system. Dette er meget lite fordelaktig for instrumentets nøyaktighet.

Patentskrift 1 235 664 beskriver et instrument som ved hjelp av speilinger i plane flater danner et opp/ned-vendt bilde i naturlig størrelse av måleobjektet. Ved betraktning av dette bilde sammen med det direkte sikte gjennom instrumentet oppnås samme virkning som ved et billedpar med motsatt orienterte komponenter og en nøyaktighet som svarer til arbeidet med en siktekikkert. Et instrument ifølge dette patentskrift skal imidlertid brukes på samme måte og med prinsipielt samme oppstilling som en siktekikkert, idet måleobjektet skal betraktes gjennom instrumentet, og målingen kan derfor ikke foretas av en person i måleobjektets posisjon.

Hensikten med den foreliggende oppfinnelse er til de nevnte måle- og avsetningsoperasjoner å skaffe instrumenter som under målingene kan betjenes av en person på måleobjektets plass og ikke behøver noen person til betjening av det utstyr som definerer den ønskede retning eller detønskede plan, og som funksjonerer uten bruk av laserlys.

Hensikten oppnås ifølge oppfinnelsen med instrumenter som danner mist to bilder med forskjellige orienteringer av et måleobjekt,karakterisert vedat det optiske system er slik innrettet at alle de motsatt orienterte bilder som anvendes til målingen,er speilbilder av.måleobjektet, samt at alle reflekterende eller lysbrytende flater som er nødvendige for dannelsen av de nevnte speilbilder, er plane eller slik krummet at de anvendte reflekterende eller lysbrytende systemer har så liten samlet optisk styrke at der oppnås hovedsakelig samme virkning som om alle flater er plane.

Oppfinnelsen kan utformes på mange forskjellige måter som vist ved eksempler nedenfor, men felles for alle er at der i instrumentet ved hjelp av plane speilende flater dannes minst to speilbilder av et måleobjekt slik at et av bildene er orientert motsatt et annet i en eller flere retninger. Hvis bildene betraktes av et øye, eventuelt ved hjelp av optiske hjelpe-midler til forstørrelse av bildene, vil en forskyvning i motsatt retning av to forskjellig orienterte bilder indikere en av-vikelse av måleobjektet fra det plan eller den rette linje som defineres ved instrumentets plasering.

Det viktigste ved oppfinnelsen er at de forskjellig orienterte bilder som betraktes ved målingen, er speilbilder av måleobjektet,slik at dette kan befinne seg på observatørens plass, samtidig med at der ikke behøves fokuserende optiske systemer som f.eks. linser og hulspeil til dannelse av disse speilbilder,slik at de alltid blir i full størrelse.

Istedenfor en visuell betraktning av billedparene kan deres relative forskyvning detekteres på elektro-optisk vei, som vist nedenfor.

Det kan undertiden være fordelaktig istedenfor helt plane flater å benytte krumme flater. Hvis krumningen er meget liten, eller hvis flere krumme flaters optiske styrke helt eller delvis opphever hverandre, kan der i det vesentlige oppnås samme virkning som om alle flater er plane.

Oppfinnelsen forklares nærmere i forskjellige utforminger under henvisning til tegningen.

Fig. 1 og 2 viser den enkleste utformning som består av kun ett prisme med semitransparent forside,

fig. 3 viser en koaksial utformning hvor måleobjektet er transparent og gjennomlyst av et arrangement med en glødelampe og reflektor,

fig. 4 viser en versjon utformet someet optisk lodd,

fig. 5 viser en enkel utformning til definering av et plan hele veien rundt instrumentet, .

fig. 6 viser en mere utbygget utformning enn systemet på fig. 5, hvor de to bilder kan ses i en større vinkel, og hvor systemet kan utføres som automatisk horisonterende niveller-instrument,

fig. 7 viser en utformning til å definere et plan mere nøyaktig enn den mekaniske rundføring av de optiske komponenter,

fig. 8 viser en versjon av systemet påfig. 7 med større synsvinkel,

fig. 9 viser en utformning hvor de motsatt orienterte bilder

ligger i nøyaktig samme plan, og

fig. 10 viser en utformning med elektro-optisk avlesning.

Fig. 1 viser et rettvinklet prisme 8, hvor 3 er den rettvinklede kant som står vinkelrett på papirets plan. Flatene 4, 5 og 6 er likeledes vinkelrette på papirets plan. Ifølge kjent optisk teori er flatene 4 og 5 reflekterende for lysstråler som faller omtrent vinkelrett inn på flaten 6, og den samlede speiling i 4 pluss 5 svarer til en speiling om linjen 3.

Hvis flaten 5 får påført et skikt som gjør den delvis transparent og delvis speilende, danner dette prisme to speilbilder som er motsatt orientert. Således vil måleobjektet 7 speiles om linjen 3 til speilbildet 2 og i flaten 6 til speilbildet 1 .

Flyttes måleobjektet 7's midtpunkt stykket a ut av planet 10 i retning av 7's pil, vil speilbildene 1 og 2 flyttes stykket a i hver sin retning som vist påfig. 2. Denne relative forskyvning av bildene vil kunne iakttas av øyet 9 i nærheten av måleobjektet og således indikere at måleobjektets midtpunkt er ute av planet 1 0.

Selve avlesningen av instrumentet kan gjøres ved at måleobjektet er utført som en målestav, slik at de motsatt orienterte bilders relative forskyvning kan avleses direkte. En i praksis nøyaktigere måte er å forskyve måleobjektet på plass igjen, slik at de to bilder faller, sammen. Denne forskyvning til sammenfall av bildene måles direkte med en skala eller målestokk på instrumentet.

Planet 10 som herunder defineres av prismet, er bestemt ved at det er vinkelrett på flaten 6 og inneholder linjen 3.

En variant av instrumentet fås ved anvendelse av et trihedralprisme istedenfor det rettvinklede prisme. Dette prisme virker ifølge kjent optisk teori slik at en gjenstand plasert foran prismet og nær dets akse speiles omkring toppunktet i prismet.

På fig. 1 og 2 antas det inntegnede prisme nå å være et slikt trihedralprisme, og 3 er dettes toppunkt. Speilbildet 1 er som før en speiling i flaten 6, men bildet 2 er nå en speiling om punktet 3 og derfor orientert motsatt av bildet 1 ikke bare i figurens plan, men også vinkelrett på dette i planet 10. En relativ forskyvning av de to bilder fremkommer nå ved en forskyvning av måleobjektet 7 ikke bare i figurens plan, men også 1 planet 10. Dette instrument definerer med andre ord en rett linje gjennom punktet 3 og vinkelrett på flaten 6.

Til forbedring av målenøyaktigheten kan betraktningen av billedparet 1 og 2 skje gjennom en kikkert, et mikroskop etc.,

og for at der skal oppnås bekvemme arbeidsstillinger, kan lys-veien fra billedparet til øyet bøyes eller foldes ved hjelp av prismer og speil.

Disse ekstra komponenter kan med fordel bygges sammen til én enhet. Instrumentet kommer således til å bestå av to ad-skilte deler: definisjonsdelen som inneholder de komponenter som danner de forskjellige orienterte speilbilder og dermed fast-legger den definerte linje eller plan, og betraktningsdelen som inneholder måleobjektet m.m. og de komponenter som sørger for at operatørens øye kan se de forskjellig orienterte speilbilder i en bekvem retning og med en passende forstørrelse.

Hvis det arbeides på lengre avstander, vil det være ønskelig at hele det optiske system er koaksialt for at kompo-nentene ikke skal bli for store.

Et eksempel på et slikt arrangement ses på fig. 3. 11 er et semitransparent speil, 12 og 13 er henholdsvis objektiv og okkular i en kikkert somøyet 78 ser billedparene igjennom. 79 er måleobjektet, som vanligvis vil være et mønster av parallelle linjer og linjer vinkelrett på disse. Et tradisjonelt belysnings-arrangement bestående av en lampe 15, et hulspeil 16 og en kon-densatorlinse 14 er tilføyet for å forhøye linjemønsterets luminans.

Fig. 4 viser en annen variant av oppfinnelsen, som her er utnyttet som et optisk lodd. 17 er en eske med en kvikksølv-overflate og et optisk vindu oventil. Kvikksølvoverflaten er speilende og danner et bilde svarende til bildet 1 på fig. 1. 18 er et sammenkittet prisme med en semitransparent diagonalflate.

19 er et trihedralprisme som danner et bilde svarende til bildet

2 på fig. 1. 80 er måleobjektet, og 81 er det betraktende system. Instrumentet definerer her en loddlinje som går igjennom topp-punktet av prismet 19's speilbilde i prismet 18's diagonalflate. Istedenfor en kvikksølvoverflate kan der benyttes et plant speil som er opphengt på en slik måte at det holdes vannrett av tyngdekraften.

Skal et plan defineres hele veien rundt prismet, kan den variant av oppfinnelsen som er vist på fig. 1 med trihedralprisme, anvendes, idet prismet anbringes svingbart om en akse vinkelrett på det plan som ønskes definert. Dette er vist på fig. 5, hvor 20 er prismet med toppunktet 21. Dette er festet til platen 22 med klosser 23. Platen 22 er nedentil utformet som en aksel som er anbragt dreibart i lagre 24 og 25. Prismet, som til enhver tid definerer en linje gjennom 21 vinkelrett på den forreste, semitransparente flate, vil ved omdreiningen beskrive et plan vinkelrett på omdreiningsaksen, hvis prismet er montert slik at den semitransparente flate er parallell med omdreiningsaksen.

For at denne utformning av oppfinnelsen skal gjøre det mulig å utføre målearbeidet med én person på måleobjektet 82's posisjon, må omdreiningen av prismet foregå til stadighet eller kunne styres derfra. Dette kan f.eks. gjøres ved at dreiningen foretas av en elektromotor som kan startes og stoppes ved signaler fra måleobjektets posisjon.

Arbeides det på store avstander, blir nevnte start og stopp av omdreiningen meget kritisk, idet speilbildet, som dannes av den semitransparente flate, bare kan ses i et lite område omkring den definerte linje. Dette problem kan løses ved den variant av oppfinnelsen som er vist på fig. 6.

På fig. 6 er figurens plan det definerte plan. De tre prismer er faste i forhold til hverandre og kan samlet dreies omkring en akse vinkelrett på figurens plan. 26 er et sammenkittet prisme med semitransparent diagonalflate. 27 er et trihedralprisme uten semitransparent belegg på forsiden, og 2 8 er et rettvinklet prisme som er anbragt slik at kanten 29 med den rette vinkel står vinkelrett på figurens plan. Ved dette kjente arrangement defineres momentant et plan vinkelrett på 29 og gjennom toppunktet av prismet 27's speilbilde på prismet 26's diagonalplan. Dette ses ved at speilbildet 30 omkring linjen 29

i retning vinkelrett på figurens plan blir orientert motsatt speilbildet 31 omkring toppunktet av prismet 27. De to speilbilder 30 og 31 er imidlertid begge orientert motsatt av måleobjektet 32 i figurens plan, og de kan derfor ses fra objektet

32 selv ved meget store dreininger av prismearrangementet.

Hvis omdreiningsaksen for prismearrangementet på fig. 6 er omtrent loddrett, og prismet 28 er opphengt slik at tyngdekraften sørger for at kanten 29 er loddrett, blir instrumentet et automatisk horisonterende nivellérinstrument, idet den definerte flate ifølge tidligere står vinkelrett på kanten 29.

Hvis et plan skal defineres med stor nøyaktighet og ikke være vannrett, slik at den ovennevnte automatisk horisonterende utførelse vil kunne brukes, kan en variant av oppfinnelsen som vist på fig. 7, anvendes. 32 er et pentaprisme med 45° mellom de to speilende flater. Det er montert fast på en skive- 33, som ved hjelp av et lager 34 kan rotere i forhold til en holder 35. 36 er et trihedralprisme med et semitransparent belegg på forsiden. Det er fast-spent på en holder 37, som står i fast forbindelse med holderen 35. Ifølge kjent optisk teori danner prismet 32 et speilbilde av prismet 36, hvis plasering kan finnes ved at det dreies 90° om de to speilende plans skjæringslinje 38. Dette speilbilde 42 er vist strekpunktert på figuren, og det danner selv speilbilder 39 og 40 av et måleobjekt 41 på vanlig måte. Funksjonen av dette instrument svarer helt til det som er vist på fig. 5, men feilen ved rundføringen av den definerte linje er kun en annen ordens feil av feilen ved den mekaniske rundføring, mens feilen ved instrumentet ifølge fig. 5 er av første orden av den mekaniske feil.

Arbeides det på store avstander, har-det på fig.-7 viste instrument samme ulempe som det som er vist på fig. 5, nemlig at orienteringen mot måleobjektet må innstilles meget presist for at speilbildet 39 skal kunne ses derfra. Løsningen på dette problem er som vist på fig. 6 at de to speilbilder begge skal være orientert motsatt måleobjektet i det definerte plan.

En variant av oppfinnelsen som utfører disse speilinger og altså kombinerer fordelene ved de på fig. 7 og 6 viste instrumenter, ses på fig. 8. 43 er et trihedralprisme som ikke har semitransparent forside, og som danner et speilbilde 44 av et måleobjekt 45 ved hjelp av den del av lyset fra dette som passerer gjennom et semitransparent speil 46 både før og etter speilingen.

Den motsatt rettede komponent 47 i speilbildeparet dannes ved at lyset fra objektet 45 speiles i speilet 46 enten før eller etter speilingen i prismet 43 og derfor ledes rundt i systemet av speil 46-48-49-50-46, hvor speilet 49 er et faststående speil, hvis normal blir normal på det definerte plan, svarende til den semitransparente forside av prismet 36 i det på fig. 7 viste instrument. Prismet 43 og speilene 48, 46 og 50 er fastmontert på en kloss 51 med utboringer til lysveiene som vist. Klossen 51 er montert på en ring 52, som ved hjelp av et lager 53 er dreibart i forhold til en holder 54.

Det kan matematisk vises at hvis vinkelen mellom speilene

46 og 48 er like stor som vinkelen mellom speilene 46 og 50, er den samlede speiling i speilene 43-46-48-49-50-46 ekvivalent med en speiling i et rettvinklet prisme som er anbragt slik at kanten med den rette vinkel er vinkelrett på det faststående speil 49. Speilbildene ligger derfor slik som ved instrumentet på fig. 6, men retningsfeilene i det definerte plan er vesentlig mindre enn retningsfeilene ved rundføringen av speilsystemet.

Ved de fleste viste varianter av oppfinnelsen ligger de to motsatt rettede speilbilder ikke på samme avstand fra måleobjektet. Der vil derfor kunne oppstå parallaksefeil ved avlesningen av den relative forskyvning, især hvis der arbeides på korte avstander. Ved tilføyelse av flere optiske komponenter er det i de fleste tilfeller mulig å sørge for at de to speilbilder ligger på samme avstand, se f.eks. fig. 9 hvor utførelsen med et trihedralprisme-med semitransparent forside er utbygget på denne måte. 55 er et trihedralprisme uten semitransparent forside. 56 er dettes effektive toppunkt som speilingen skjer rundt. 57 er et sammenkittet prisme med semitransparent diagonalf late, og 58 er et plant speil anbragt slik at det i prismet 57<*>s diagonalflate speiles inn gjennom punktet 56. Speilingen i den plane flate og i punktet 56 skjer nå på samme optiske avstand fra måleobjektet, hvoretter også speilbildene er på samme avstand fra dette. ;Istedenfor å betrakte den relative forskyvning av de forskjellige orienterte speilbilder med et øye, kan forskyvningen avleses med f.eks. et elektro-optisk system som kan være opp-bygget som vist på fig. 10. Det viste system utmerker seg ved at speilbilder med forskjellige orienteringer presenteres sukses-sivt for fotodetektorer, hvilket gir mulighet for stor følsomhet og stor støyundertrykkelse. ;Dobbeltbildene dannes av et prismesystem 59-6 0-61 på samme måte som det på fig. 9 viste system, men filtre 62 og 63 som er innskutt i lysveiene, forårsaker at bildene som dannes i prismene henholdsvis 60 og 61, består av forskjellige frekvensområder fra det strålingsspektrum som blir sendt ut fra en lampe 64. ;En linse 65 fokuserer bildet av lampens glødetråder på et todelt filter 66, hvis halvdeler er transparente for samme frekvenser som filtrene 62 og 63. Det todelte filter vibreres frem og tilbake i en retning som angitt av en dobbeltpil, slik at det lys som transmitteres fra lampen, skiftevis tilhører det ene og det andre frekvensområde. Det transmitterte lys kollimeres av en linse 67 og belyser et transparent måleobjekt 68, som i dette tilfelle bare kan være en blender, slik at så mye lys som mulig sendes i retning av prismesystemet 59-60-61 via et semitransparent speil 69. ;Et objektiv 70 avbilder de i prismesystemet 59-60-61 dan-nede speilbilder på linser 71 og 72 via et semitransparent speil 73. 74 er et transparent speil med et belegg hvis transparens ;varierer jevnt fra 0 i den ene ende til nær 1 i den annen ende, ;slik at den transmitterte del av lyset til bildet på linsen 71 avhenger av posisjonen av bildet. Linsene 71 og 72 avbilder objektivet 70 på fotodetektorer, henholdsvis 75 og 76, som avgir elektriske strømmer i^ og proporsjonalt med den mottatte strålingseffekt. 77 er et filter tilpasset slik at forholdet mellom de to fotodetektorers spektrale følsomheter er ens for de to anvendte frekvensintervaller. ;11 Hvis en spenning e proporsjonal med forholdet —:—, dannes, ;<1>2;f.eks. i en analog elektronisk krets, er denne spennings størrelse et direkte mål for posisjonen av det speilbilde av objektet 68 hvis filter 62 eller 63 svarer til den del av dobbeltfilteret 66 som i øyeblikket er inne i strålegangen. Er de to bilder forskutt i forhold til hverandre, gir dette seg til kjenne ved at e inneholder en vekselspenningskomponent med samme frekvens og fase som vibreringen av dobbeltfilteret 66. ;Istedenfor at filtrene 62, 63 og 66 har forskjellig transparens for forskjellige frekvenser, kan de ha forskjellig transparens for forskjellige polarisasjonsretninger eller til forskjellige tidspunkter. I sistnevnte tilfelle består filtrene av f.eks. styrte lukkere eller choppere, og det vibrerte filter 66 kan unnværes, da den tidsmessige selektering av bilder med forskjellig orientering direkte foretas av filtrene. ;Istedenfor filtre med forskjellig eller varierende transparens kan der benyttes filtre som virker ved sin forskjellige eller varierende reflektans. ;De varianter av oppfinnelsen som er vist på fig. 4 og 6, kan bygges ut slik at de speilinger som skjer i flater som står vinkelrett på eller parallelt med loddlinjen,reelt dannes ved flere suksessive speilinger i flater som bare har en fast vinkel i forhold til loddlinjen. Dette kan gi bl.a. konstruksjons-messige fordeler*

Claims (3)

1. Instrument beregnet til å måle eller avsette avstander fra en linje eller et plan definert helt eller delvis ved instrumentets plasering, og som funksjonerer ved å danne minst to bilder (1 og 2) med forskjellige orienteringer av et måleobjekt (7) slik at bildenes forskyvning i forhold til hinannen er et mål for den søkte avstand, karakterisert ved at det optiske system er slik innrettet at alle de motsatt orienterte bilder som anvendes til målingen, er speilbilder av måleobjektet, samt at alle reflekterende eller lysbrytende flater (4, 5, 6) som er nødvendige for dannelsen av de nevnte speilbilder (1 og 2) er plane eller slik krummet at de anvendte reflekterende eller lysbrytende systemer har så liten samlet optisk styrke at der oppnås hovedsakelig samme virkning som om alle flater er plane.

2. Instrument som angitt i krav 1, karakterisert ved at en eller flere av de flater som er nødvendige for dannelsen av et eller flere av de nevnte speilbilder, holdes i en fast vinkel i forhold til loddlinjen ved hjelp av tyngdekraften.

3. Instrument som angitt i krav 1 , karakterisert ved at der i lysveiene fra måleobjektet til det system som betrakter de nevnte forskjellig orienterte speilbilder, er anbragt filtre med forskjellig eller varierende transmittans eller reflektans på de strekninger som er spesifikke for hver orientering av speilbildene, slik at bilder med forskjellig orientering består av lys med forskjellig innhold av frekvenser eller polarisasjonsretninger eller er tidsforskjøvet fra hinannen.