HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen automatischen Winkelkompensator, der für
Vermessungsinstrumente und für Meßinstrumente verwendet wird, um die Änderung des
Neigungsgrades zu messen oder die optische Achse des Instrumentes in einer vertikalen oder
horizontalen Richtung zu halten oder eine Strahlungsebene für einen horizontalen oder vertikalen
Lichtstrahl zu bilden.
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Wenn verschiedene Vermessungsvorgänge unter Verwendung eines Vermessungsinstrumentes oder
eines Meßinstrumentes durchgeführt werden, ist es notwendig, die Bezugsebene der Vermessungs-
oder Meßinstrumente auszugleichen oder die Vertikalität der optischen Achse zu kompensieren.
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In der Vergangenheit waren automatische Winkelkompensatoren bekannt, bei denen ein Linsen- oder
Prismen-Pendel von zwei oder drei Aufhängungsleinen herabhängt, wobei, wenn die Haupteinheit des
Vermessungs- oder Meßinstrumentes geneigt wird, das Pendel durch einen Bremsmechanismus, wie
z. B. einen Magnetbremsenmechanismus, gebremst wird, um den Strahlengang automatisch
auszugleichen. Durch Verwendung der Rück-Reflexion einer transparenten Flüssigkeit wird der
Strahlengang andererseits automatisch kompensiert, indem man ein optisches System, wie z. B. ein
anamorphotisches Prisma so einsetzt, daß der reflektierte Lichtstrahl eine optische Achse mit
derselben Sensitivität bezüglich der Veränderung der Flüssigkeitsoberfläche in allen
Neigungsrichtungen aufweist.
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Im oben beschriebenen Stand der Technik kann der Kompensator jedoch nur dann verwendet
werden, wenn das gesamte System annähernd in horizontalen oder vertikalen Richtungen installiert
ist, und es ist schwierig, den Kompensator sowohl für annähernd horizontale als auch annähernd
vertikale Installationsbedingungen zu verwenden. Um den Kompensator für beide Bedingungen
einzusetzen, muß ein getrennt angefertigtes optisches System verwendet werden, oder ein Teil des
optischen Systems muß austauschbar gestaltet sein, so daß es horizontalen oder vertikalen
Anwendungen entsprechend ausgetauscht werden kann. In solchen Fällen wird die
Reproduzierbarkeit niedrig und die Genauigkeit sinkt, weil das optische System entfernt oder
zusammengebaut werden muß. Außerdem besteht auch noch das Problem höherer Kosten für die
Bauteile.
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Die EP-A-0,161,207 beschreibt ein Flüssigkeitsprisma zur Verwendung in einem Neigungsmeßgerät.
Das Prisma umfaßt einen Behälter, der eine Flüssigkeit zur Bereitstellung einer freien
Flüssigkeitsoberfläche, die senkrecht zur Richtung der Schwerkraft verläuft, enthält. Dabei ist ein
optisches System vorgesehen, um einen Lichtstrahl unter einem vorgegebenen Winkel so auf die freie
Flüssigkeitsoberfläche zu lenken, daß der Strahl von dieser Oberfläche reflektiert wird. Dieses System
kann jedoch nicht sowohl für annähernd horizontale als auch für annähernd vertikale
Installationsbedingungen verwendet werden.
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Die EP-A-0,366,150 beschreibt ein Bezugs-Höhenstrahl-Projektionsgerät zur Verwendung bei
Vermessungsinstrumenten. Das Gerät umfaßt ein planparalleles Glas zum Ausgleich der Neigung des
Strahls und um die Richtung des Strahls relativ zur Neigung des Gerätes konstant zu halten. Es wird
jedoch weder ein Element mit einer freien Flüssigkeitsoberfläche beschrieben, noch kann das System
sowohl für annähernd horizontale wie auch für annähernd vertikale Installationsbedingungen
eingesetzt werden.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird ein Gerät zur Verwendung in einem automatischen
Winkelkompensator nach Anspruch 1 bereitgestellt. Einige bevorzugte Merkmale sind in den
abhängigen Ansprüchen ausgeführt.
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Ein Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen automatischen Kompensator bereitzustellen,
mit dem es möglich ist, den Strahlengang unter Einsatz einer freien Flüssigkeitsoberfläche
automatisch auszugleichen und den Kompensator sowohl für annähernd horizontale als auch
annähernd vertikale Installationsbedingungen zu verwenden, ohne daß ein speziell gestaltetes
optisches System oder ein Zusatzmechanismus erforderlich wären, um einen Teil des optischen
Systems auszutauschen oder anders anzuordnen.
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Um das obige Ziel zu erreichen, umfaßt der automatische Winkelkompensator gemäß der
vorliegenden Erfindung einen flüssigkeitsdichten Behälter mit einer durchsichtigen Flüssigkeit zur
Bildung einer in diesem eingeschlossenen, freien Flüssigkeitsoberfläche, ein erstes
Lichtprojektionssystem zum Ausstrahlen eines Lichtstrahls unter einem vorbestimmten Winkel auf die
freie Flüssigkeitsoberfläche derart, daß er von der freien Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird, ein
zweites Lichtprojektionssystem, das direkt gegenüber dem ersten Lichtprojektionssystem, mit der
freien Flüssigkeitsoberfläche dazwischen, angeordnet ist, zum Ausstrahlen eines Lichtstrahls unter
einem vorbestimmten Winkel auf die freie Flüssigkeitsoberfläche derart, daß der Lichtstrahl von der
freien Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird, wenn das gesamte System um 90º gedreht wird, und ein
optisches Profilprojektionssystem zum Lenken und Projizieren des von der freien
Flüssigkeitsoberfläche reflektierten Lichtstrahls.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Fig. 1 ist eine Zeichnung zur Erläuterung einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 2 ist eine Darstellung zur Erläuterung der ersten Ausführungsform, wenn sie um 90 Grad gedreht
wird;
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Fig. 3 zeigt eine Vorderansicht eines flüssigkeitsdichten Behälters, der mit einer Einrichtung zum
Verhindern einer Flüssigkeitsbewegung versehen ist und für die vorliegende Erfindung benutzt wird;
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Fig. 4 ist eine quergeschnittene Seitenansicht des flüssigkeitsdichten Behälters, der mit der
Einrichtung zum Verhindern einer Flüssigkeitsbewegung ausgestattet ist;
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Fig. 5 zeigt eine Perspektivansicht der Einrichtung zum Verhindern einer Flüssigkeitsbewegung;
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Fig. 6 ist eine Zeichnung zur Erläuterung eines Anwendungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 7 ist eine Darstellung zur Erklärung der Beziehung zwischen dem Strahlenpunkt und einer
Lochblende bei einem Anwendungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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Fig. 8 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Änderung des Reflexionswinkels des reflektierten
Lichtstrahls für den Fall, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist;
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Fig. 9 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Änderung des Reflexionswinkels des reflektierten
Lichtstrahls für den Fall, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist;
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Fig. 10 ist eine Zeichnung zur Erklärung einer automatischen Winkelkompensation für den Fall, daß
der Lichtstrahl von der freien Flüssigkeitsoberfläche einmal reflektiert wird;
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Fig. 11 ist eine Darstellung zur Erläuterung der Veränderung der optischen Achse des übertragenen
Lichtstrahls in bezug auf ein anamorphotisches Prismensystem;
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Fig. 12(A) und Fig. 12(B) zeigen jeweils eine Zeichnung zur Darstellung der Änderung der optischen
Achse des übertragenen Lichtstrahls in bezug auf ein anamorphotisches Prismensystem;
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Fig. 13 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Änderung des Reflexionswinkels des reflektierten
Lichtstrahls für den Fall, daß er von der freien Flüssigkeitsoberfläche zweimal reflektiert wird, und
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Fig. 14 ist eine Zeichnung zur Erläuterung der Änderung des Reflexionswinkels des reflektierten
Lichstrahls, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist, für den Fall, daß der Lichtstrahl zweimal
von der freien Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
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Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den
Zeichnungen beschrieben.
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Wenn ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel auf eine freie Flüssigkeitsoberfläche ausgestrahlt
und von der freien Flüssigkeitsoberfläche vollständig reflektiert wird, variiert das Ansprechen auf eine
Änderung des Reflexionswinkels entsprechend der Neigungsrichtung der Flüssigkeitsoberfläche,
wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche relativ zum Lichtstrahl geneigt ist.
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Zunächst wird ein Kompensator mit einem optischen System zum Ausgleichen der Sensitivität
gegenüber einer Änderung des Reflexionswinkels der optischen Reflexionsachse in allen Richtungen
und mit einem Strahlaufweiter zur Winkelvergrößerungseinstellung beschrieben, die beide an
vorbestimmten Positionen auf der optischen Reflexionsachse angeordnet sind und die optische
Reflexionsachse unabhängig der Neigung des gesamten Systems in einer konstanten Richtung halten
können.
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Wenn ein Lichtstrahl unter einem bestimmten Winkel auf eine freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet
und von der freien Flüssigkeitsoberfläche vollständig reflektiert wird, variiert die Empfindlichkeit
gegenüber einer Veränderung des Reflexionswinkels entsprechend der Neigungsrichtung der
Flüssigkeitsoberfläche, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche relativ zum Lichtstrahl geneigt ist. Dies
wird nun unter Bezugnahme auf die Fig. 8 und 9 erläutert.
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Tatsächlich wird die freie Flüssigkeitsoberfläche in einer horizontalen Richtung gehalten, und die
Einfallsrichtung variiert, wobei davon ausgegangen wird, daß die Richtung des einfallenden
Lichtstrahls konstant ist und daß die freie Flüssigkeitsoberfläche geneigt ist, um die nachfolgende
Erläuterung zu vereinfachen.
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In den Figuren steht das Bezugszeichen 1 für eine freie Flüssigkeitsoberfläche, und es wird
angenommen, daß ein einfallender Lichtstrahl 2 unter einem Winkel θ auf die freie
Flüssigkeitsoberfläche trifft. Ferner wird davon ausgegangen, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche 1
ungefähr mit einer x-z-Koordinatenebene übereinstimmt, die durch die Koordinatenachsen x und z
gebildet wird, und daß y eine senkrecht zur Koordinatenebene verlaufende Koordinatenachse
darstellt. Außerdem sei angenommen, daß die optische Achse des einfallenden Lichtstrahls 2 in einer
Koordinatenebene vorliegt, die durch die Koordinatenachse z und die Koordinatenachse y gebildet
wird. Wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche vom obigen Zustand aus unter einem Winkel α um die
Koordinatenachse x geneigt ist, verschiebt sich die optische Achse des reflektierten Lichtstrahls 3
innerhalb der x-z-Koordinatenebene, und der Reflexionswinkel wird um ξ 1x innerhalb der y-z-
Koordinatenebene geändert. In diesem Fall wird die Beziehung zwischen dem Verschiebungswinkel α
der Flüssigkeitsoberfläche und dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1x als ξ 1x = 2a angegeben.
Es gibt keinen Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 2x innerhalb der x-y-Koordinatenebene. In der Figur
steht das Bezugszeichen 14 für einen Umlenkspiegel.
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Im Gegensatz dazu ist der reflektierte Lichtstrahl 3, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 1, wie in Fig.
15 gezeigt, unter einem Winkel α um die Koordinatenachse z geneigt ist, jeweils von der x-y-
Koordinatenebene und von der y-z-Koordinatenebene getrennt und verschoben. Daher erscheinen ein
Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z und ein Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 2x auf der x-y-
Koordinatenebene bzw. auf der y-z-Koordinatenebene. Außerdem ergibt sich die Beziehung zwischen
dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z und dem Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel α
der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 durch:
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ξ 1z = cos&supmin;¹ (cos² θ cos2α + sin² θ)
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ξ 2z = 90º - cos&supmin;¹ ((1 - cos2α)+ sinθ cosθ) (1)
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Beispielsweise sei angenommen, daß α = 10' und θ = 50º, ξ 2z = 1,7", wobei der Wert von ξ 2z
hinsichtlich der Genauigkeit vernachlässigbar ist. Wenn man außerdem davon ausgeht, daß der
Brechungsindex der Flüssigkeit n ist, ergibt sich die optische Achse nach dem Durchlauf durch die
Flüssigkeit durch:
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ξ 1x' = 2nα
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1z' = n · cos&supmin;¹ (cos²θ cos2α + sin² θ) (2)
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Daher schwankt die Empfindlichkeit gegenüber dem Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel α
zwischen dem Reflexions-Verschiebungswinkel 1x' und dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z'.
Der Empfindlichkeitsunterschied zwischen dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1x' und dem
Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z' wird durch eine optische Einrichtung zum Ausgleichen der
Empfindlichkeit kompensiert. Dies hat zur Folge, daß es möglich ist, eine optische Achse zu erhalten,
die relativ zu allen Richtungen stets um ein vorgegebenes Verhältnis abgelenkt ist.
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Eine weitere Erläuterung folgt nun unter Bezugnahme auf Fig. 10.
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In dieser Figur steht das Bezugszeichen 4 für einen flüssigkeitsdichten Behälter, der auf der
Haupteinheit eines Instrumentes, wie z. B. eines Vermessungsinstrumentes, vorgesehen ist, und
außerdem wird eine freie Flüssigkeitsfläche 1 durch die in dem flüssigkeitsdichten Behälter 4
eingeschlossene Flüssigkeit gebildet. Ein von einer Lichtquelle 6 emittierter Lichtstrahl wird unter
einem vorgegebenen Winkel über eine Kollimatorlinse 5 so zur freien Flüssigkeitsoberfläche 1
projiziert, daß er vollständig reflektiert wird, und die optische Achse des Lichtstrahls liegt, wie bereits
beschrieben, in der y-z-Koordinatenebene.
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Mit der nicht geneigten, freien Flüssigkeitsoberfläche 1 ist ein anamorphotisches Prismensystem 9
angeordnet, das ein Paar keilartiger Prismen 7 und 8 entlang der optischen Achse des reflektierten
Lichtstrahls 3 umfaßt, der vollständig von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 reflektiert wurde.
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Nach dem Durchlauf durch das anamorphotische Prismensystem 9 wird der Lichtstrahl von einem
Umlenkspiegel 14 in vertikaler Richtung reflektiert, und der von dem Umlenkspiegel 14 reflektierte
Lichtstrahl läuft durch einen Strahlaufweiter 12, der konvexe Linsen 10 und 11 umfaßt. Geht man
davon aus, daß bei der konvexen Linse 10 die Brennweite f3 und bei der konvexen Linse die
Brennweite f4 ist, so ergibt sich der Abstand zwischen den konvexen Linsen 10 und 11 zu f3 + f4.
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Das anamorphotische Prismensystem 9 kann im Strahlengang angeordnet werden, nachdem der
Lichtstrahl vom Umlenkspiegel 14 reflektiert wurde.
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Wird in Fig. 10 angenommen, daß der voreingestellte Einfallswinkel H zur Flüssigkeit 45º beträgt, so
beträgt der Neigungswinkel α des Instrumentes, d. h. der Neigungswinkel der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1, 10' und der Brechungsindex n der Flüssigkeit 1,5. Der Reflexions-
Verschiebungswinkel ξ 1x' für den Fall, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um die x-Achse geneigt
ist, und der Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z' für den Fall, daß die freie Flüssigkeitsoberfläche 1
um die z-Achse geneigt ist, ergeben sich durch die Gleichung (2) wie folgt: ξ 1x' = 30', und ξ 1z' =
21,213'. Daher beträgt der Sensitivitätsunterschied zwischen dem Reflexions-Verschiebungswinkel
1x' und dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z' : (ξ 1x'/ξ 1z') = 1,414. Somit gilt:
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ξ 1x' = 2nα , ξ 1z' = 1,414nα
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ξ 1x' /ξ 1z' = 1,414 (3)
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Als nächstes wird der obige Sensitivitätsunterschied durch das anamorphotische Prismensystem 9
optisch kompensiert.
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Nun sei das anamorphotische Prismensystem 9 unter Bezugnahme auf Fig. 11 und Fig. 12
beschrieben.
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Dabei wird davon ausgegangen, daß vertikale Winkel der keilartigen Prismen 7 und 8, die das
anamorphotische Prismensystem 9 bilden, a7 bzw. aß sind, daß b den relativen Winkel zwischen den
keilartigen Prismen 7 und 8 bezeichnet, daß der Brechungsindex ng ist, daß der einfallende Lichtstrahl
Din und der austretende Lichtstrahl Dout ist, und daß die keilartigen Prismen 7 und 8 identisch
zueinander und die vertikalen Winkel dieser Prismen a = a7 = a8 sind. Dann gilt:
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Vergrößerung Map = (Din/Dout) = cos²a/(1-ng² · sin²a) (4)
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Deshalb beträgt die Winkelvergrößerung etwa 1/Map. Damit die Beziehung
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Map = 2nα /1,414nα = 1,414 (5)
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erfüllt ist, wird angenommen, daß der vertikale Winkel a des Prismas, der relative Winkel b der
keilartigen Prismen 7 und 8 sowie der Brechungsindex ng entsprechend gewählt werden (z. B. a =
25,559º und b = 40,653º, wenn ng = 1,51). Dann wird der Wert von ξ 1x' nach dem Durchlaufen des
anamorphotischen Prismensystems 9 umgewandelt in: 2nα · 1,414nα / 2nα = 1,414nα, und ξ 1x' =
1z' nach dem Durchlaufen des anamorphotischen Prismensystems 9.
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Die optische Achse des reflektierten Lichtstrahls 3 weist nach dem Durchlaufen des
anamorphotischen Prismensystems 9 stets einen einheitlichen Reflexions-Verschiebungswinkel relativ
zur Neigung der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 in allen Richtungen auf. Selbst wenn die freie
Flüssigkeitsoberfläche 1 in irgendeine Richtung geneigt ist, ist es möglich, stets den Reflexions-
Verschiebungswinkel mit derselben Sensitivität bezüglich der Neigung der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 zu erhalten.
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Zudem dringt der Lichtstrahl, nachdem er das anamorphotische Prisma 9 durchlaufen hat und durch
den Umlenkspiegel 14 nach oben reflektiert wurde, durch den Strahlaufweiter 12. In diesem Fall, wenn
die Winkelvergrößerung des Strahlaufweiters 12 gleich 111,414n beträgt, wird die optische Achse nach
der Übertragung um:
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(ξ 1x' = ξ 1z' = 1,414nα) · 1/1,414n = α (6),
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geneigt, und die endgültige optische Achse nach dem Durchlaufen des Strahlaufweiters 12 verläuft
stets senkrecht zur freien Flüssigkeitsoberfläche 1, d. h. sie wird in einem vertikalen Zustand gehalten.
Geht man davon aus, daß die Brennweite der konvexen Linse 10 des Strahlaufweiters 12 mit f3 und
die Brennweite der konvexen Linse 11 mit f4 bezeichnet wird, so ist die Winkelvergrößerung Mex des
Strahlaufweiters 12 gleich f3/f4. Folglich kann die Winkelvergrößerung Mex durch die Wahl der Werte
von f3 und f4 bei 111,414n eingestellt werden.
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Anschließend können bei der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform die Werte der vertikalen Winkel
a7 und a8 der keilartigen Prismen 7 und 8, der relative Winkel b der keilartigen Prismen 7 und 8 und
der Brechungsindex ng in geeigneter Weise so gewählt werden, daß das anamorphotische
Prismensystem 9 um 90º gedreht werden kann und M = 1/1,414 ist.
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Das anamorphotische Prismensystem 9 in dem vorgenannten optischen System wird allgemein zum
Zwecke einer Änderung des Strahls von elliptischer Form in eine kreisförmige Form verwendet.
Beispielsweise kann für den Fall, daß eine Laserdiode als Lichtquelle verwendet wird, die
Querschnittform des Lichtstrahls mittels des anamorphotischen Prismensystems 9 mehr an eine
kreisförmige Gestalt angenähert werden. (Der Strahl einer Laserdiode weist eine elliptische Form auf).
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Im allgemeinen dient ein Instrument oder eine Vorrichtung mit einer solchen darin aufgenommenen
Laserdiode häufig als ein Laser-Pointer oder ein Laser-Marker, und es ist wünschenswert, daß die
Form des ausgestrahlten Strahls eher einer kreisförmigen Gestalt entspricht. Daher ist die
Kompensation der optischen Achse unter Verwendung des anamorphotischen Prismensystems 9 sehr
wirksam, um den Strahl in kreisförmiger Gestalt zu erhalten.
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Wie oben beschrieben, ist es möglich, eine optische Achse zu erhalten, die konstant mit einem
konstanten Verhältnis bezüglich aller Richtungen abgelenkt ist, und zwar durch Kompensation des
Sensitivitätsunterschiedes der Verschiebungswinkel zwischen dem Reflexions-Verschiebungswinkel
ξ 1x' und dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1x' relativ zum Verschiebungswinkel der
Flüssigkeitsoberfläche mittels optischer Mittel und durch Ausgleichen der Sensitivität.
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Unter Bezugnahme auf Fig. 13 und Fig. 14 sei nun der Sensitivitätsunterschied für die Veränderung
des Reflexionswinkels für den Fall beschrieben, daß der Lichtstrahl unter einem vorgegebenen Winkel
auf eine freie Flüssigkeitsoberfläche gerichtet und von der freien Flüssigkeitsoberfläche vollständig
reflektiert wird, der ausgesandte Lichtstrahl von einem reflektierenden Element, wie z. B. einem
Spiegel, reflektiert und erneut zur freien Flüssigkeitsoberfläche gerichtet sowie vollständig von der
freien Flüssigkeitsoberfläche reflektiert wird, und ebenso für den Fall, daß der Lichtstrahl von der
freien Flüssigkeitsoberfläche relativ zur Neigungsrichtung der Flüssigkeitsoberfläche zweimal
vollständig reflektiert wird, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche relativ zum Lichtstrahl geneigt ist.
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In den Fig. 13 und 14 ist dasselbe Bauteil wie in den Fig. 8 und 9 mit demselben Zeichen
angegeben.
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Nun sei der Fall beschrieben, bei dem der einfallende, von einem Strahlenteiler 15 reflektierte
Lichtstrahl 2 in die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 unter einem Winkel θ eintritt und von der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 vollständig reflektiert, sodann von einem Umlenkspiegel 16 erneut reflektiert
wird, wieder in die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 einfällt, von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1
vollständig reflektiert wird, durch den Strahlenteiler 15 läuft und vom Umlenkspiegel 14 reflektiert wird.
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Es sei angenommen, daß die x-z-Koordinatenebene, die durch die Koordinatenachsen x und z
gebildet wird, ungefähr mit der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 zusammenfällt und daß die
Koordinatenachse, die senkrecht zur obigen Koordinatenebene steht, y ist. Außerdem sei
angenommen, daß die optische Achse des einfallenden Lichstrahls 2 in einer Koordinatenebene
vorliegt, die von den Koordinatenachsen z und y gebildet wird. Falls die freie Flüssigkeitsoberfläche 1
vom vorgenannten Zustand um einen Winkel a um die Koordinatenachse x geneigt ist, wird die
optische Achse des reflektierten Lichtstrahls 3 innerhalb der y-z-Koordinatenebene verschoben, und
der Reflexionswinkel wird innerhalb der y-z-Koordinatenebene um ξ 1x geändert. In diesem Fall ist die
Beziehung zwischen dem Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel α und dem Reflexions-
Verschiebungswinkel ξ 1x durch ξ 1x = 4α gegeben, und es gibt keinen Reflexions-
Verschiebungswinkel ξ 2x in der x-y-Koordinatenebene.
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Im Gegensatz dazu wird der reflektierte Lichtstrahl 3, wenn die freie Flüssigkeitsoberfläche 1 um einen
Winkel α um die Koordinatenachse z geneigt ist, wie in Fig. 14 dargestellt, sowohl von der x-y-
Koordinatenebene als auch von der y-z-Koordinatenebene getrennt und verschoben. Daher
erscheinen der Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z und der Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 2z in
der x-y-Koordinatenebene bzw. in der y-z-Koordinatenebene. Zudem ist die Beziehung zwischen dem
Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z und dem Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel α der
freien Flüssigkeitsoberfläche 1 gegeben durch:
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ξ 1z = cos&supmin;¹ {cos2α · sin²θ - cos2θ · sin²θ - (sin²2α - cos²2α · cos2θ) cos²θ}
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ξ 2z = 90º - cos&supmin;¹ [{1/2 (sin²2α - cos²2α · cos2θ - cos2θ) + cos2α · cos2θ} sin2θ] (7)
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Wenn beispielsweise davon ausgegangen wird, daß α = 10' und θ = 45º, ξ 22 = 3,49" sind, so ist der
Wert von ξ 2z hinsichtlich der Genauigkeit vernachlässigbar. Wird zudem angenommen, daß der
Brechungsindex der Flüssigkeit n ist, so wird eine optische Achse des Lichtstrahls, nachdem der
Lichtstrahl durch die Flüssigkeit gelaufen ist, vorgegeben durch:
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ξ 1x' = nξ 1x
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ξ 1z = nξ 1z (8)
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Konkreter gilt, wenn α = 10', θ = 45º und n = 1,5
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ξ 1x' = 60'
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ξ 1z' = n cos&supmin;¹ {cos2α - 1/2 (sin²2α)} = 42,426'
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ξ 1x/ξ 1z' = 1,414 (9)
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Somit ist der Unterschied in der Empfindlichkeit für den Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel
α im Vergleich zum Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1x' und zum Reflexions-Verschiebungswinkel
1z', wenn θ = 45º, derselbe, wie der Unterschied für den Fall, daß der Lichtstrahl einmal von der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 reflektiert wird. Daher kann das anamorphotische Prismensystem 9
eingesetzt werden, was es ermöglicht, einen Reflexions-Verschiebungswinkel mit derselben
Neigungsempfindlichkeit zu erhalten.
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Hier ist die Winkelvergrößerung Map des anamorphotischen Prismensystems 9 gegeben durch:
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Map = 4nα/2,829nα = 1,414
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1/Map = γ ap = 1/1,414 = 0,70721 (10)
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Daher wird, wenn der Lichtstrahl durch das anamorphotische Prismensystem 9 läuft, seine optische
Achse kompensiert als:
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ξ 1x' = 4nα · 1/1,414 = 2,829nα
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ξ 1z' = 2,829nα (11)
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Wird außerdem angenommen, daß n = 1,5 gilt, so kann die Vergrößerung Mex des Strahlaufweiters
12, der dazu vorgesehen ist, die optische Achse des Lichtstrahls in einer vertikalen Richtung zu
halten, nachdem der Lichtstrahl durch das anamorphotische Prismensystem 9 läuft, wie folgt
angegeben werden:
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Mex = 2,829nα/α = 2,829n = 4,244
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γ ex = 1 / Mex = 1/ 2,829n = 0,236 (12)
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Wie oben beschrieben, ist es möglich, durch den Sensitivitätsunterschied der Verschiebungswinkel
zwischen dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1x' und dem Reflexions-Verschiebungswinkel ξ 1z'
relativ zum Flüssigkeitsoberflächen-Verschiebungswinkel durch optische Mittel und durch Ausgleichen
der Sensitivität eine optische Achse zu erhalten, die konstant bei einem konstanten Verhältnis
bezüglich aller Richtungen abgelenkt wird.
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Nachfolgend seien nun Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben, die mit einem
automatischen Winkelkompensator der oben beschriebenen Art ausgestattet sind.
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Fig. 1 zeigt eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei ist ein flüssigkeitsdichter
Behälter 4 mit einer in ihm eingeschlossenen transparenten Flüssigkeit 20 vorgesehen. Außerdem
sind auch noch ein erstes Lichtprojektionssystem 21, das eine optische Achse dergestalt aufweist,
daß der Lichtstrahl 25 in einer horizontalen Richtung und unter einem Winkel von 45º auf die freie
Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20 gelenkt wird, und ein zweites
Lichtprojektionssystem 22 vorgesehen, das dem ersten Lichtprojektionssystem 21 direkt gegenüber,
mit dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 dazwischen, auf derselben optischen Achse wie die des ersten
Lichtprojektionssystems 21 befindet, angeordnet ist.
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In dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 ist eine Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Einrichtung 23
angebracht. Die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Einrichtung 23 weist ihr Rotationszentrum an
dem Punkt auf, wo die optische Achse des ersten Lichtprojektionssystems 21 die transparente
Flüssigkeit 20 kreuzt. Wie später noch beschrieben, ist die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde
Einrichtung 23 mit einer transparenten, Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Platte 24 an einer
Stelle ein wenig unterhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20
versehen, und ist frei beweglich, um die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Platte 24 stets in einer
horizontalen Position zu halten. Nach seinem Einlauf in den flüssigkeitsdichten Behälter 4 läuft der
Lichtstrahl 25 vom ersten Lichtprojektionssystem 21 durch die transparente Flüssigkeit 20 und die
Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Platte 24. Sodann wird er von der Flüssigkeitsoberfläche der
transparenten Flüssigkeit 20 vollständig reflektiert, läuft durch die Flüssigkeitsbewegungen
verhindemde Platte 24 und die transparente Flüssigkeit 20 und wird aus dem flüssigkeitsdichten
Behälter 4 emittiert.
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Der von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20 reflektierte Lichtstrahl 26
wird von einem Umlenkspiegel 14 in vertikale Richtung reflektiert. Entlang dem Strahlengang des vom
Umlenkspiegel 14 reflektierten Lichtstrahls 26 sind ein anamorphotisches Prismensystem 9, ein
Strahlaufweiter 12 und ein fünfeckiges Prisma 27 angeordnet. Das fünfeckige Prisma 27 ist frei
drehbar und emittiert den reflektierten Lichtstrahl 26 in horizontaler Richtung.
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Wie oben beschrieben, gleicht das anamorphotische Prismensystem 9 die Reflexionsempfindlichkeit
in allen Richtungen aus, und der Strahlaufweiter 12 stellt die Empfindlichkeit abschließend ein. Daher
wird die optische Achse des Lichtstrahls, nachdem er durch den Strahlaufweiter 12 gelaufen ist,
unabhängig von der Neigung des gesamten Systems stets in vertikaler Richtung kompensiert. Dies
führt dazu, daß es möglich ist, durch Drehen des fünfeckigen Prismas 27 jederzeit eine konstante
horizontale Bezugsebene zu erhalten. Mit anderen Worten, die vorliegende Erfindung kann als
Nivellierinstrument eingesetzt werden.
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Als nächstes stellt Fig. 2 den Fall dar, in dem das gesamte System um 90º gedreht wird.
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Die Flüssigkeitsbewegungen verhindemde Einrichtung 23 wird so um 90º gedreht, daß die
Flüssigkeitsbewegungen verhindemde Platte 24 in einer horizontalen Stellung gehalten wird. Da die
freie Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20 in horizontaler Richtung relativ zum
Schwerpunkt gehalten wird, folgt sie dem 90º-Winkel des gesamten Systems und wird um 90º
gedreht.
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Der vom zweiten Lichtprojektionssystem 22 kommende Lichtstrahl wird von der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20 vollständig reflektiert, und die optische
Achse des reflektierten Lichtstrahls verläuft entlang derselben optischen Achse, wie die emittierende
optische Achse vor der 90º-Drehung, wobei die optische Achse des Lichtstrahls, der durch den
Strahlaufweiter 12 läuft, stets in horizontaler Richtung gehalten wird. Durch Drehen des fünfeckigen
Prismas 27 wird die bestrahlte Bezugsebene zur vertikalen Richtung hin umgewendet, und es ist
möglich, unabhängig von der Neigung des gesamten Systems eine konstante vertikale Bezugsebene
zu erhalten.
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Die in dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 eingeschlossene transparente Flüssigkeit 20 wird durch eine
äußere Vibration bewegt, während diese Bewegung durch die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde
Einrichtung 23 unterdrückt wird.
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Unter Bezugnahme auf die Fig. 3 bis 5 sei nun die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde
Einrichtung 23 zusammen mit dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 beschrieben.
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In dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 mit regelmäßiger achteckiger Form ist die transparente
Flüssigkeit 20 eingeschlossen, und die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Einrichtung 23, deren
Rotationszentrum sich in der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 der transparenten Flüssigkeit 20 befindet,
wird durch einen Pendelschaft 28 gebildet. Der flüssigkeitsdichte Behälter 4 umfaßt ein transparentes
Element, das aus einem Material wie Glas gefertigt ist, zumindest aber weist ein Teil des
flüssigkeitsdichten Behälters 4, durch den der Lichtstrahl hindurchläuft und einen Lichtstrahl emittiert,
ein transparentes Element auf.
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Die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Einrichtung 23 umfaßt ein sich bewegendes Gestell 29 mit
konkavem Querschnitt, aus dem der Pendelschaft 28 hervorsteht, wobei ein Paar von trapezförmigen
Gewichten 30 von der unteren Fläche des sich bewegenden Gestells 29 herabhängt. Am
Mittelabschnitt des sich bewegenden Gestells 29 ist eine transparente Platte zur Weiterleitung des
Lichtstrahls, d. h. die Flüssigkeitsbewegungen verhindemde Platte 24, die aus einer Glasplatte
besteht, um das Licht nicht abzuschwächen, eingesetzt. Die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde
Platte 24 und die obere Fläche des sich bewegenden Gestells 29 befinden sich auf demselben
Niveau, und die obere Fläche der Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Platte 24 liegt ein wenig
unterhalb der freien Flüssigkeitsoberfläche 1.
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Der Schwerpunkt der Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Einrichtung 23 befindet sich unterhalb
der Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Platte 24, und die Oberfläche der
Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Platte 24 wird unabhängig von der Lage des
flüssigkeitsdichten Behälters 4 in horizontaler Position gehalten.
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Nach dem Eindringen in den flüssigkeitsdichten Behälter 4 läuft der Lichtstrahl durch die transparente
Flüssigkeit 20 und die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Platte 24 und wird von der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 vollständig reflektiert. Dann tritt er erneut durch die Flüssigkeitsbewegungen
verhindernde Platte 24 und die transparente Flüssigkeit 20 und aus dem flüssigkeitsdichten Behälter 4
aus.
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Wenn die natürliche Frequenz der Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Einrichtung 23 auf einen
Wert unterhalb der natürlichen Frequenz der in dem flüssigkeitsdichten Behälter 4 eingeschlossenen,
transparenten Flüssigkeit 20 eingestellt wird, dann wird die Bewegung der freien
Flüssigkeitsoberfläche 1 durch die Viskosität der Flüssigkeit und durch den Widerstand der
Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Platte 24 unterdrückt. Da sich das Drehzentrum der
Flüssigkeitsbewegungen verhindernden Einrichtung 23 am Reflexionspunkt des Lichtstrahls auf der
freien Flüssigkeitsoberfläche 1 befindet, kann derselbe Zustand selbst dann aufrechterhalten werden,
wenn der flüssigkeitsdichte Behälter 4 um 90º gedreht wird. Falls der Lichtstrahl von der
entgegengesetzten Richtung einfällt, wie dies oben beschrieben ist, so wird der Lichtstrahl in
derselben Richtung reflektiert.
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Eine Winkelkompensation kann daher erzielt werden, sowohl wenn der automatische
Winkelkompensator sich in einer horizontalen, als auch wenn er sich in einer vertikalen Position
befindet.
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Hier beträgt der Einfallswinkel des Lichtstrahls aus dem ersten Lichtprojektionssystem 21 und aus
dem zweiten Lichtprojektionssystem 22 zur freien Flüssigkeitsoberfläche 1 etwa 45º.
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Somit muß der Brechungsindex der Flüssigkeit, damit der Lichtstrahl vollständig reflektiert wird, bei
etwa 1,4 oder mehr liegen. Ein Teil des reflektierten Lichtes kann ohne völlige Reflexion genutzt
werden. Außerdem müssen sich die Flüssigkeitsbewegungen verhindernde Platte 24 und die obere
Fläche des sich bewegenden Gestells 29 durchaus nicht auf demselben Niveau befinden, und die
Gewichte 30 sind nicht auf eine trapezförmige Gestalt beschränkt, sondern können auch in
rechteckiger, kreisförmiger oder anderer Gestalt ausgeführt sein. Es bedarf keiner Erwähnung, daß
der Umlenkspiegel 14 durch ein reflektierendes Element anderer Art, wie z. B. ein Prisma, ersetzt
werden kann.
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Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel für die vorliegende Erfindung.
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Wenn jede der obigen Ausführungsformen in praktischer Anwendung eingesetzt wird, ist die Neigung
des gesamten Systems üblicherweise begrenzt. Daher ist es erforderlich, bei der praktischen
Anwendung festzustellen, ob sie innerhalb der erforderlichen Neigungsgrenzen liegt oder nicht. Um
diese Anforderung zu erfüllen, empfiehlt sich die folgende Vorgehensweise:
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Nun sei die erste Ausführungsform, die in Fig. 1 dargestellt ist, beschrieben. Anstelle des
Umlenkspiegels 14 ist ein Halbspiegel 40 vorgesehen, und das anamorphotische Prismensystem 9
wird verschoben und zwischen dem Halbspiegel 40 und dem flüssigkeitsdichten Behälter 4
angebracht. Der von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 reflektierte Lichtstrahl wird in einen
reflektierten Lichtstrahl 41, der in vertikale Richtung gerichtet ist, und in einen übertragenen Lichtstrahl
42 aufgeteilt. Der übertragene Lichtstrahl 42 läuft durch eine konvexe Linse 43 und eine auf einer
Abschirmplatte 44 ausgebildete Lochblende 45 und wird von einem Lichtempfangselement 46
empfangen. Die Lochblende 45 ist am Brennpunkt der konvexen Linse 43 angeordnet. Der
Durchmesser der Lochblende 45 ist in einer Größe ausgestaltet, die dem durch die Einschränkungen
festgelegten Bereich entspricht.
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Wenn das gesamte System geneigt ist, wird der Winkel der optischen Achse im reflektierten
Lichtstrahl von der freien Flüssigkeitsoberfläche 1 abgelenkt. Da diese Anordnung, wie bereits
beschrieben, ein zylindrisches Linsensystem 9 umfaßt, zeigt der reflektierte Lichtstrahl eine gleiche
Empfindlichkeit in alle Richtungen relativ zum Neigungswinkel des gesamten Systems. Der
übertragene Lichtstrahl 42 fällt durch die konvexe Linse 43 und die Lochblende 45 und wird von dem
Lichtempfangselement 46 empfangen.
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Da die Lochblende am Brennpunkt der konvexen Linse 43 angeordnet ist, wird der konvergierte
Lichtstrahl entlang der Lochblende 45 ausgelenkt. Wenn das Maß der Auslenkung zu groß ist, wird
der Lichtstrahl von der Abschirmplatte 44 abgedeckt.
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Wenn dieses Maß der Auslenkung die erforderliche Neigungsbegrenzung überschreitet, wird der
Durchmesser der Lochblende 45 so festgelegt, daß die durch das Lichtempfangselement 46
empfangene Lichtmenge geringer ist als die erforderliche Lichtmenge (siehe Fig. 7).
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Durch eine Überwachung der Lichtempfangsmenge des Lichtempfangselementes 46 läßt sich
beurteilen, ob die Neigung des gesamten Systems innerhalb des Grenzwinkels liegt.
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Auf die Lochblende 45 kann verzichtet werden, das Lichtempfangselement 46 kann als ein
Lichtempfangselement von der Art eines CCD-Sensors ausgebildet sein, und die Position des
Strahlenpunktes kann durch das Lichtempfangselement 46 detektiert werden.
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Wie oben beschrieben, ist es gemäß der vorliegenden Erfindung möglich, den Strahlengang
unabhängig davon, ob das System sich in einer annähernd horizontalen Position oder in einer
annähernd vertikalen Position befindet, automatisch zu kompensieren, ohne ein speziell angefertigtes
optisches System oder einen zusätzlichen Mechanismus, der einen Teil des optischen Systems
ersetzt, zu benötigen. Dies trägt zur einfachen Gestaltung des Systems und zu einer höheren
Arbeitseffizienz sowie zu einer großen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit bei. Da eine stets in einer
horizontalen Richtung gehaltene Reflexion der freien Flüssigkeitsoberfläche eingesetzt wird, kann das
System leicht zusammengebaut werden, ohne ein hochgenaues Montageverfahren zu erfordern, wie
es beim herkömmlichen Winkelkompensator der Art mit einem Pendel erforderlich ist. Statt einer
Aufhängung optischer Elemente, die beim herkömmlichen Winkelkompensator der Art mit einem
Pendel eingesetzt wird, wird in den flüssigkeitsdichten Behälter Flüssigkeit eingespritzt. Dies führt zu
einer sehr großen Arbeitserleichterung und zum Ausgleich von Schwankungen bei der
Montagegenauigkeit in Abhängigkeit von den Personen, die jeweils damit arbeiten. Da die Flüssigkeit
vollständig eingeschlossen ist, erfolgt keine Veränderung mit der Zeit, und das System ist gut gegen
Umweltveränderungen geschützt. Vibrationen oder Stöße von außen können durch die Viskosität der
Flüssigkeit kontrolliert werden, und es wird keine komplizierte Bremseinrichtung benötigt.