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Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Bildaufspaltungssystem
für ein optisches Vermessungsgerät zum Überprüfen der Rechtwinkeligkeit oder der
Ausfluchtung und betrifft ferner ein optisches Vermessungsgerät zum Überprüfen der
Rechtwinkeligkeit oder der Ausfluchtung, welches mit diesem Bildaufspaltungssystem
ausgerüstet ist.
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Es sind optische Bildaufspaltungsgeräte bekannt, bei denen der einfallende
Lichtstrahl mittels eines halbdurchlässigen Spiegels in Form einer dünnen metallischen
Schicht in zwei zueinander senkrecht verlaufende Teilstrahlen aufgeteilt wird. Die
Metallschicht ist dabei auf der Innenfläche eines diagonal gespaltenen Rechteckprismas
aufgebracht. Auf den beiden Grundflächen des Rechteckprismas, auf denen der vom
halbdurchlässigen Spiegel reflektierte und durchgelassene Strahl auftreffen, sind
Dachkantprismen aufgesetzt, die den reflektierten und durchgelassenen Lichtstrahl
um zwei zueinander rechtwinkelige Ebenen umkehren und die umgekehrten Strahlen dem
halbdurchlässigen Spiegel wieder zuführen. Auf diese Weise erhält man längs einer
gemeinsamen Achse zwei Ausgangsstrahlen, die dazu verwendet werden können, zwei
überlagerte Bilder herzustellen, die winkelmäßig gegeneinander um 1800 verdreht
sind.
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Dieses Bildaufspaltungssystem hat eine optische Achse, die durch
die Schnittlinie der von der Eingangsseite her gesehenen virtuellen Bilder derjenigen
Ebenen definiert ist, an denen der ursprünglich reflektierte und ursprünglich durchgelassene
Lichtstrahl umgekehrt werden. Das System kann daher in Verbindung mit einem beleuchteten
Objekt dazu verwendet werden, die Rechtwinkeligkeit oder die Ausfluchtung zu prüfen.
Änderungen in der Stellung der beiden winkelmäßig getrennten Objektbilder, die man
durch das Bildaufspaltungssystem erblickt, stellen ein Maß dafür dar, inwieweit
das Objekt bezüglich der Achse des Systems von der Rechtwinkeligkeit abweicht, und
dafür, inwieweit verschiedene Stellungen des Objekts zueinander kolinear sind, sofern
man das Objekt parallel zur Achse des Systems verschiebt.
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Der Nachteil dieser bekannten Anordnung liegt allerdings darin, daß
auf Grund von Absorptionsverlusten in dem halbdurchlässigen Metallspiegel und außerdem
auf Grund der Tatsache, daß senkrecht zu den beiden eigentlichen Ausgangsstrahlen
zwei weitere Ausgangs strahlen auftreten, das ausgenutzte Licht nur einen kleinen
Bruchteil des einfallenden Lichtes ist.
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Zur Verringerung der Lichtabsorption ist es bereits bekannt, an Stelle
der halbdurchlässigen Metallspiegel dielektrische Schichten zur Lichtstrahlaufspaltung
zu verwenden. So werden beispielsweise bei einem Fabry-Perot-Interferometer als
Verspiegelung alternierende dielektrische Schichten verwendet, die gegenüber den
üblichen Verspiegelungen aus Aluminium ein besseres Auflösungsvermögen und eine
höhere Lichtstärke aufweisen.
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Beim Erfindungsgegenstand wird nun zur Erzielung einer noch besseren
Lichtausbeute nicht nur das geringere Absorptionsvermögen einer dielektrischen Schicht,
sondern auch ihre Eigenschaft ausgenutzt, das Licht in senkrecht zueinander stehenden
Ebenen zu polarisieren.
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Zu diesem Zweck ist ein optisches Bildaufspaltungssystem mit einem
auf der Innenfläche eines
diagonal gespaltenen Rechteckprismas angeordneten, halbdurchlässigen
Spiegel, der einen unter einem Winkel von 450 einfallenden Lichtstrahl in einen
reflektierten und einen durchgehenden Lichtstrahl aufspaltet, deren Achsen aufeinander
senkrecht stehen, und mit auf dem Rechteckprisma aufgesetzten Dachkantprismen, die
den reflektierten und den durchgelassenen Lichtstrahl unter einem Winkel von 1800
auf den halbdurchlässigen Spiegel zurückreflektieren, so daß sich zwei Ausgangsstrahlen
ergeben, die den halbdurchlässigen Spiegel längs einer gemeinsamen Achse verlassen,
die mit der Achse des einfallenden Lichtstrahls einen rechten Winkel bildet, wobei
die Dachkantprismen den ursprünglich reflektierten und den ursprünglich durchgelassenen
Lichtstrahl um zwei Ebenen herum umkehren, die aufeinander senkrecht stehen, so
daß die Ausgangsstrahlen zwei überlagerte Bilder erzeugen, die gegenseitig um einen
Winkel von 1800 verdreht sind, nach der Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß der
halbdurchlässige Spiegel von einer dielektrischen Schicht gebildet ist, die den
ursprünglich reflektierten Lichtstrahl und den ursprünglich durchgelassenen Lichtstrahl
in zueinander senkrecht stehenden Ebenen polarisiert, und daß die Dachkanten der
Dachkantprismen gegenüber der Ebene, die die Achsen des ursprünglich reflektierten
und des ursprünglich durchgelassenen Lichtstrahls enthält, unter einem Winkel von
450 verlaufen.
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Durch die 450-Verdrehung der Dachkanten drehen die Dachkantprismen
die Polarisationsebene des ursprünglich reflektierten und des ursprünglich durchgelassenen
Lichtstrahls jeweils um 900, so daß beim Wiederauftreffen dieser beiden Lichtstrahlen
auf den halbdurchlässigen dielektrischen Spiegel im wesentlichen der gesamte ursprünglich
reflektierte Lichtstrahl durchgelassen und der gesamte ursprünglich durchgelassene
Lichtstrahl reflektiert wird. Im Gegensatz zu den bekannten Anordnungen treten daher
beim erfindungsgemäßen Bildaufspaltungssystem außer den beiden gewünschten Ausgangsstrahlen
keine weiteren Ausgangsstrahlen auf.
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An Stelle der Rechteckprismen zur Umlenkung der Lichtstrahlen und
Drehung der Polarisationsebene um jeweils 900 können auch Winkelspiegelpaare verwendet
werden.
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Oft ist es unzweckmäßig, wenn die Ausgangsstrahlen längs einer Achse
austreten, die auf der Achse, längs der der Strahl in das Bildaufspaltungssystem
eintritt, senkrecht steht. In solchen Fällen ist es vorteilhaft, wenn der einfallende
Strahl, bevor er auf den halbdurchlässigen Spiegel auftrifft, beim Eintritt in das
System an einem Spiegel reflektiert wird, der gegenüber dem halbdurchlässigen Spiegel
einen rechten Winkel bildet. Dieser Spiegel kann beispielsweise die total reflektierende
Hypotenusenoberfläche eines rechtwinkeligen Prismas sein, das zusammen mit dem Rechteckprisma
aus einem Stück hergestellt ist. Auf diese Weise erreicht man, daß die Achsen des
Eingangsstrahls und der Ausgangsstrahlen zueinander parallel laufen.
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Eine zweckmäßige Weiterbildung besteht darin, daß diejenigen Strahlen,
die aus dem halbdurchlässigen Spiegel austreten, zusätzlich an zwei total reflektierenden
Oberflächen gespiegelt werden, die parallel zum halbdurchlässigen Spiegel angeordnet
sind. Hierzu kann man als total reflektierende Oberflächen die entgegengesetzten
Oberflächen eines
Parallelogrammprismas verwenden, das einen Winkel
von 450 aufweist und das mit dem Rechteckprisma zusammen aus einem Stück hergestellt
ist. Mit dieser Anordnung kann erreicht werden, daß die Achsen des Eingangsstrahls
und die Achsen der Ausgangsstrahlen zueinander koaxial sind.
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Zweckmäßigerweise fällt der einfallende Lichtstrahl erst dann auf
den halbdurchlässigen dielektrischen Spiegel, wenn er von einem halbdurchlässigen
Hilfsspiegel, der gegenüber dem ersten halbdurchlässigen Spiegel unter einem rechten
Winkel angeordnet ist, reflektiert oder durchgelassen ist.
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Dieser halbdurchlässige Hilfsspiegel ist zur Verwendung in einem optischen
Kollimator vorgesehen, in dem der kollimierte Strahl am Hilfsspiegel reflektiert
oder durchgelassen wird und anschließend von einem entfernt angeordneten Spiegel
wieder auf den Hilfsspiegel zurückreflektiert wird. Dieser halbdurchlässige Hilfsspiegel
kann beispielsweise durch einen nicht polarisierenden Film dargestellt werden, der
auf der inneren Oberfläche eines diagonal geschnittenen Rechteckprismas aufgebracht
ist, das zusammen mit dem diagonal geschnittenen Rechteckprisma des dielektrischen
Spiegels einen einzigen Bauteil bildet.
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Ein optisches Vermessungsgerät zum Überprüfen der Rechtwinkeligkeit
oder Ausfluchtung mit dem beschriebenen optischen Aufspaltungssystem ist nach der
Erfindung dadurch gekennzeichnet, daß ein beleuchtetes Objekt in an sich bekannter
Weise mit Hilfe eines Sichtgeräts betrachtbar ist, das dazu dient, die beiden Ausgangsstrahlen
des Bildaufspaltungsgerätes aufzunehmen und eine Visierlinie zu definieren, bezüglich
der die Stellungen der beiden, von den Ausgangsstrahlen hervorgerufenen Bilder des
Objekts mit Hilfe einer Meßvorrichtung zu vermessen sind, die dem Bildaufspaltungssystem
zugeordnet ist. Als Sichtgerät kann ein Fernrohr dienen.
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Sicht- und Meßvorrichtungen sind in Verbindung mit herkömmlichen
Bildaufspaltungssystemen bei Meßmikroskopen bekannt, die beispielsweise zum Einstellen
auf Bohrungen, Durchbrüche oder Striche benutzt werden, deren Abstand voneinander
bestimmt oder deren Durchmesser gemessen werden soll. So ist bei einem Mikroskop,
zwischen dessen Objekt und Okular ein herkömmliches Bildaufspaltungssystem mit zwei
Prismen angeordnet ist, und das zur Messung des Durchmessers von feinen Drähten
oder von Blutkörperchen dient, in den beiden Teilstrahlen zwischen den Prismen eines
herkömmlichen Bildaufspaltungssystems jeweils eine Strahlenablenkplatte angeordnet.
Bei dem beschriebenen optischen Vermessungsgerät werden als Meßvorrichtung ebenfalls
eine oder mehrere optische Ablenkplatten verwendet, die jedoch im einfallenden Strahlengang
vor dem Bildaufspaltungssystem angeordnet sind und durch deren Verkantung die Objektbilder
bezüglich der Visierlinie verrückbar sind.
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Im allgemeinen enthält das Gerät zwei Ablenkplatten, die sich um
zwei zueinander senkrechte Achsen verkanten lassen. Dadurch kann die Verschiebung
des Objekts in zwei Koordinatenrichtungen gemessen werden.
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Zur Prüfung der Ausfluchtung weist das Objekt vorzugsweise eine beleuchtete
Platte auf, die in mehrere zueinander kolineare Stellungen bewegbar ist. Das Bildaufspaltungssystem
ist dabei derart montiert, daß seine Achse der Sollrichtung der Bewegung der beleuchteten
Platte parallel ist. Es
ist zweckmäßig, wenn die Platte in dieser Anordnung mit mehreren
abwechselnd hellen und dunklen Sektoren versehen ist, wobei die Grenzen zwischen
zwei nebeneinanderliegenden Abschnitten beziiglich des Mittelpunktes der Bildplatte
axial nach außen verlaufen. Das Bildaufspaltungssystem ist dann derart montiert,
daß seine Achse mit der Sollrichtung der Bewegung dieses Mittelpunktes der Bildplatte
kollinear ist. Dies hat den Vorteil, daß, abgesehen von Änderungen auf Grund der
Nichtkollinearität der Bildplattenstellungen, das Bild dieser Platte immer das gleiche
bleibt, wenn man es durch das Bildaufspaltungssystem betrachtet, und zwar unabhängig
von der Entfernung bis zu einer Maximalentfernung, die nur von der Größe der Bildplatte
abhängt.
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Das Sichtgerät kann an Stelle des Fernrohrs eine fotoelektrische
Meßeinrichtung aufweisen. Dabei benutzt man wieder eine in Sektoren aufgeteilte
Bildplatte. In diesem Falle enthält das Sichtgerät zusätzlich zu einem optischen
Objektiv noch ein fotoelektrisches Empfangsgerät, das einen optischen Verschluß
aufweist. Dieser Verschluß ist so montiert, daß er um die Visierlinie drehbar ist.
Er weist einen oder mehrere Sektoren auf, die eine oder mehrere exzentrische Öffnungen
darstellen. Das fotoelektrische Empfangsgerät liefert dann ein Signal, das nach
Größe und Phase von den Stellungen der Bildplatte bezüglich der Visierlinie abhängig
ist.
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Dieses Bildgerät wird üblicherweise so montiert, daß seine Visierlinie
mit der Achse des Bildaufspaltungssystems kollinear ist.
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Zur Prüfung der Rechtwinkeligkeit weist das optische Vermessungsgerät
eine Lichtquelle, einen optischen Kollimator und das erfindungsgemäße Bildaufspaltungssystem
auf. Das Bildaufspaltungssystem ist dabei noch mit einem zusätzlichen halbdurchlässigen
Spiegel ausgerüstet, auf den zuerst der kollimierte Lichtstrahl auffällt. Der halbdurchlässige
Zusatzspiegel läßt den kollimierten Lichtstrahl zu einem Gegenstandsspiegel hindurch
oder reflektiert den kollimierten Lichtstrahl zu einem Gegenstandsspiegel und empfängt
dann den zurückreflektierten Lichtstrahl, um ihn vor der Bildaufspaltung zu reflektieren
oder durchzulassen. Diese Anordnung kann mit der bereits beschriebenen Ausführungsform
zum Prüfen der Ausfluchtung vereinigt werden, wobei je nach Wunsch für beide Prüfzwecke
ein gemeinsames Sichtgerät verwendet werden kann.
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Es ist günstig, wenn in dem optischen Vermessungsgerät das optische
Bildaufspaltungssystem so montiert ist, daß die Dachkantprismen die Strahlen vom
halbdurchlässigen Spiegel um die horizontale und um die vertikale Ebene umkehren.
Das bedeutet, daß die virtuellen Bilder der Kanten der Rechteckprismen oder Winkelspiegel
horizontal und vertikal angeordnet erscheinen, wenn man in das Bildaufspaltungssystem
hineinblickt.
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Die Erfindung läßt mehrere verschiedene Ausführungsformen zu. Daher
sollen im folgenden einige besonders günstige Ausführungsformen eines optischen
Bildaufspaltungssystems sowie von optischen Vermessungsgeräten beschrieben werden,
in denen solche Bildaufspaltungssysteme enthalten sind. Diese Beschreibung wird
an Hand der Zeichnungen durchgeführt.
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F i g. 1, 2 und 3 zeigen den Seitenriß, Aufriß und den Grundriß einer
praktischen Ausführungsform eines Bildaufspaltungsprismas;
F i g.
4 zeigt eine Ausführungsform eines optischen Ausfluchtungsgerätes, in dem das Bildaufspaltungsprisma
enthalten ist; Fig. 5 und 6 zeigen zwei Ausführungsformen einer Bildplatte, die
in dem optischen Ausfluchtungsgerät verwendet werden können; F i g. 7 zeigt ein
abgewandeltes Lichtgerät für das optische Ausfluchtungsgerät; F i g. 8 zeigt eine
bevorzugte Abwandlung des Ausfluchtungsgerätes; Fig. 9 und 10 zeigen eine bevorzugte
Ausführungsform eines optischen Meßgerätes zum Messen der Rechtwinkeligkeit und
der Ausfluchtung Die Ansichten sind einmal in einer um 450 nach unten geneigten
Richtung von der Seite her und zum anderen in horizontaler Richtung von hinten her
gesehen.
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In der Ausführungsform nach den Fig. 1 bis 3 ist das Bildaufspaltungssystem
als ein zusammengesetztes Prisma aufgebaut. Der Grundbaustein dieser Prismenanordnung
ist ein Würfel aus optischem Glas, von dem angenommen ist, daß seine Flächen horizontal
und vertikal orientiert sind. Die Flächen dieses Würfels werden im folgenden Vorder-
und Hinterfläche, obere Fläche und Grundfläche sowie Seitenfläche genannt, um die
Beschreibung einfacher zu gestalten. Der Würfel ist aus zwei Prismenteilen A 1 und
A 2 zusammengesetzt, so daß der Würfel diagonal gespalten ist. Diese Spaltfläche
verläuft von der Kante zwischen seiner Vorderfläche und seiner oberen Fläche bis
zur Kante zwischen seiner hinteren Fläche und seiner Grundfläche. Die beiden Prismenteile
A 1 und A 2 sind miteinander verkittet, wobei die WürfeldiagonaleA3 mit einer dazwischenliegenden
dichroidischen Schicht überzogen ist. Diese Schicht stellt einen halbdurchlässigen
Spiegel dar, so daß ein vertikaler Lichtstrahl a2, der von unten kommt und der auf
den Spiegel unter 450 auffällt, in zwei Lichtstrahlen aufgespalten wird.
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Der eine der beiden Lichtstrahlen a4 wird in vertikaler Richtung bis
zur oberen Fläche des Würfels A 1, A 2 hindurchgelassen, während der andere Lichtstrahl
a3 nach vorn auf die Vorderfläche des Würfels zu reflektiert wird. In einer solchen
dielektrischen Schicht treten auf Grund von Absorption nur sehr geringe Lichtverluste
auf. Diese Schicht ist innerhalb der Grenzen der Möglichkeiten so ausgebildet, daß
der einfallende Lichtstrahl a2 zu etwa gleichen Teilen reflektiert und durchgelassen
wird.
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Weiterhin ist diese Schicht so ausgebildet, daß der reflektierte Strahl
a3 und der durchgelassene Strahl a4 beide linear polarisiert sind, wobei die Polarisationsebenen
der beiden Lichtstrahlen aufeinander senkrecht stehen. Die Achsen des reflektierten
und des durchgelassenen Strahl es liegen in einer gemeinsamen Ebene, die parallel
zu den Seitenflächen des Würfels A 1, A 2 verläuft.
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An der Vorderfläche sowie an der oberen Fläche des Würfels A 1, A
2 sind zwei Dachprismen B 1, B2 angekittet. Die Dachflächen dieser beiden Prismen
sind total reflektierend ausgebildet. Das eine der beiden Prismen dient dazu, den
Strahl aufzunehmen, der von dem halbdurchlässigen Spiegel A 3 reflektiert ist, während
das andere Dachprisma den Strahl aufnimmt, der von dem halbdurchlässigen Spiegel
hindurchgelassen worden ist. Jedes der beiden Dachprismen B 1, B2 ist so konstruiert,
daß seine DachkanteB3 oder B4 gegenüber derjenigen vertikalen
Ebene einen Winkel
von 450 bildet, in der die Achsen der Strahlen enthalten sind, die ursprünglich
an dem halbdurchlässigen Spiegel reflektiert oder von ihm durchgelassen worden sind.
Die Hypotenusenflächen dieser Dachprismen verlaufen parallel zu der Vorderfläche
und der Oberfläche des Würfels A 1, A 2. Die Dachkanten B 3 und B 4 dieser Dachprismen
B 1 und B 2 stellen daher geneigte Linien dar, die miteinander einen Winkel von
600 bilden.
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Wenn man jedoch in diese zusammengesetzten Prismen hineinblickt, stehen
die virtuellen Bilder dieser Dachkanten senkrecht aufeinander. Die Dachprismen B
1 und B 2 kehren nicht nur auf die übliche Weise den ursprünglich reflektierten
Strahl A 3 und den ursprünglich durchgelassenen Strahl A 4 um und reflektieren diese
Strahlen längs ihrer Achsen auf den halbdurchlässigen Spiegel a 3 zurück, sondern
drehen auch die Polarisationsebenen dieser Strahlen um 900. Aus diesem Grund wird
der ursprünglich reflektierte Lichtstrahl a3 bei seinem erneuten Wiederauftreffen
auf den halbdurchlässigen Spiegel A 3 praktisch vollständig durchgelassen, während
der ursprünglich durchgelassene Strahl a 4 praktisch völlig reflektiert wird. Auf
diese Weise erhält man zwei Ausgangsstrahlen a5 auf einer gemeinsamen Achse. Diese
Achse ist mit der Achse des ursprünglich reflektierten Lichtstrahles a3 kolinear
und bildet daher mit der Achse des auf den halbdurchlässigen Spiegel einfallenden
Lichtstrahles a2 einen rechten Winkel. Die Ausgangsstrahlen a 5 treten aus der hinteren
Fläche des Würfels aus. Sie bleiben um zwei zueinander senkrechte Ebenen umgekehrt,
die durch die virtuellen Bilder der DachkantenB 3 undB 4 definiert sind, die man
erblickt, wenn man in das zusammengesetzte Prisma hineinsieht. Die beiden Ausgangsstrahlen
a5 sind etwa gleich stark, und der gesamte Lichtgehalt dieser Strahlen ist nur geringfügig
kleiner als die Lichtmenge, die in dem Strahl a2 enthalten ist, der zu Beginn auf
den halbdurchlässigen Spiegel A 3 auffällt.
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Auf Wunsch kann man, was aus Zweckmäßigkeitsgründen ebenfalls in
F i g. 2 und 3 gezeigt ist, den Lichtstrahl a 2, der auf den halbdurchlässigen Spiegel
A 3 auffällt, zuerst von vorn in das zusammengesetzte Prisma eintreten und an einem
um 450 geneigten total reflektierenden Spiegel reflektieren lassen. Zu diesem Zweck
ist der Prismenteil A 1 unterhalb des halbdurchlässigen Spiegels A 3 mit einem Ansatz
C versehen, der mit dem Prismenteilt1 einen gemeinsamen Bauteil bildet und von der
unteren Fläche des Würfels A 1 und A 2 ausgeht.
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Dieser Ansatz ist im Schnitt ein rechtwinkeliges gleichschenkliges
Dreieck. Die Hypotenusenfläche C1 oder die Rückfläche des Ansatzes ist gegenüber
dem halbreflektierenden Spiegel in einem rechten Winkel angeordnet. Diese Fläche
reflektiert total. Die Vorderfläche dieses Ansatzes C liegt in einer vertikalen
Ebene, die mit der Vorderfläche des Würfels A 1, A 2 koplanar ist. Der Eingangsstrahl
a 1 geht daher durch diese Fläche ohne Brechung hindurch.
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Zweckmäßigerweise wird auch der Prismenteil A 2 oberhalb des halbdurchlässigen
Spiegels A 3 mit einem solchen Ansatz D versehen, der dazu dient, daß die Ausgangsstrahlen
a5 nach hinten als Strahlen a6 auf einer Achse austreten, die mit der Achse des
Ausgangsstrahles al kolinear ist. Dieser AnsatzD ist an der hinteren Fläche des
Würfels A 1, A 2 gebildet und ist im Vertikalschnitt ein Parallelogramm
von
450. Die oberen und die unteren Oberflächen D 1 und D 2 des Parallelogramms sowie
der halbdurchlässige Spiegel A 3 sind einander parallel, und die untere Oberfläche
D 2 liegt mit diesem halbdurchlässigen Spiegel A 3 in einer Ebene. Die Oberfläche
D 1 und D 2 dieses zweiten Ansatzes D sind ebenfalls total reflektierend ausgebildet,
so daß die Ausgangsstrahlen zweimal reflektiert werden, und zwar zuerst nach unten
und anschließend wieder nach hinten.
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Die hintere Fläche des parallelogrammförmigen Ansatzes D liegt in
einer vertikalen Ebene, so daß die koaxialen Strahlen a 6, die aus dem zusammengesetzten
Prisma austreten, nicht gebrochen werden.
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Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß das zusammengesetzte
Prisma aus vier Glaselementen aufgebaut ist, unabhängig davon, ob die Ansätze C
oder D vorgesehen sind oder nicht. Zwei dieser Glaselemente werden von den Dachprismen
B 1 und B 2 dargestellt. Die anderen beiden Glaselemente der beschriebenen Anordnung
sind mit den Ansätzen und D versehen.
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Das eine der beiden Elemente ist durch die Teile A 1 und C dargestellt,
die ein gemeinsamer Bauteil sind und einen dreieckigen Querschnitt haben. Die Hpyotenuse
dieses Dreiecks bildet die Vorderfläche des Würfels A 1., A 2 und in ihrer Fortsetzung
die Eingangsfläche des Ansatzes C unterhalb dieses Würfels. Die anderen beiden Flächen
dieses Dreiecks sind einmal die diagonale SchnittflächeA3 des Würfels und zum anderen
der total reflektierende Spiegel C1, an dem der Eingangsstrahl zuerst reflektiert
wird. Das vierte Element stellt die beiden Teile A 2 und D 2 gemeinsam dar. Der
Vertikalschnitt durch das vierte Element ist ein Trapez. Die untere der beiden parallelen
Trapezflächen bildet die diagonale Schnittfläche A 3 des Würfels A 1, A 2 und in
ihrer Fortsetzung den zweiten totalen Reflektor D 2 für die Ausgangsstrahlen.
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Die obere der beiden parallelen Trapezflächen stellt den ersten totalen
Reflektor D 1 für den Ausgangsstrahl dar. Die anderen beiden Flächen sind die obere
Fläche des Würfels sowie die Austrittsfläche des rückwärtigen Ansatzes D dieses
Würfels.
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Das Prisma hat eine optische Achse, die durch die Schnittlinie der
vom Eingang her gesehenen virtuellen Bilder derjenigen Ebenen definiert ist, um
die herum der ursprünglich reflektierte und der ursprünglich durchgelassene Strahl
a 3 und a4 umgekehrt werden. Eine punktförmige Lichtquelle, die auf dieser Achse
vor der Eintrittsfläche des Prismas angeordnet ist, erscheint daher durch das Prisma
hindurch als ein einzelnes Punktbild. Wenn die punktförmige Lichtquelle jedoch außerhalb
dieser Achse angeordnet ist, erscheint sie durch das Prisma hindurch als Doppelbild.
Die beiden Bilder sind winkelmäßig um 1800 gegeneinander verdreht, da die Lichtstrahlen
a6, die diese Bilder abbilden, um Ebenen gedreht sind, die zueinander einen rechten
Winkel bilden. Die Tatsache, daß die Prismen, außer für Punkte, die auf der Achse
liegen, ein Doppelbild hervorrufen, macht ein solches Prisma für einen Nachweis
sehr geeignet, inwieweit eine Anzahl von theoretisch kolinearen Punkten auf einer
Linie parallel oder koaxial zur Prismenachse von dieser Kollinearität abweicht.
Darüber hinaus stellt die relative Stellung der beiden Bilder, die durch das Verrücken
der Quelle aus der Achse heraus hervorgerufen werden, ein Maß dafür dar, inwieweit
in
zwei Koordinatenrichtungen ein Ausfluchtungsfehler vorhanden ist. Das ist durch
die Achsen bestimmt, um die der ursprünglich reflektierte und der ursprünglich durchgelassene
Strahl a 3 und a4 umgedreht werden.
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In der Ausführungsform eines Ausfluchtungsgerätes nach F i g. 4 ist
eine beleuchtete Bildplatte E verwendet. Diese Bildplatte läßt sich in eine Anzahl
von verschiedenen Stellungen bringen, die theoretisch zueinander kolinear sind.
Die Bildplatte kann abwechselnd in helle und dunkle Sektoren unterteilt sein, so
daß alle Grenzflächen zwischen solchen Sektoren radiale Linien sind. Ein Beispiel
für eine solche Bildplatte E ist in der Fig. 5 gezeigt. Diese Bildplatte kann 15
dunkle Sektoren Ei haben, von denen sich jeder über einen Winkel von 60 erstreckt.
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Die dazwischenliegenden 15 hellen Sektoren E2 erstrecken sich über
180. Eine andere Bildplatte E, die in der Fig. 6 gezeigt ist, hat zwei dunkle Sektoren
E3, die einen Winkelbereich von 50 einnehmen und die von einem hellen Sektor von
850 getrennt sind. Jeder dieser dunklen Sektoren steht diametral einem hellen Sektor
E 4 gegenüber, der einen Winkel von 80 einnimmt und zwischen zwei dunklen Sektoren
ES von 10 eingeschlossen ist. Solche Bildplattenanordnungen sind deswegen vorteilhaft,
weil man mit ihnen, wenn man durch das Bildaufspaltungsprisma hindurchblickt, bereits
kleine Ausfluchtungsfehler mit großer Empfindlichkeit nachweisen kann. Außerdem
ist die Erscheinungsform der Bilder dieser Bildplatte immer die gleiche, ausgenommen
von Anderungen, die auf Ausfluchtungsfehlern beruhen, und zwar bis zu einer Maximalentfernung,
die nur von der Größe der Bildplatte abhängt. Aus diesem letzten Grund ist es nicht
notwendig, das Ausfluchtungsgerät gegenüber Abberationsfehlern und astigmatischen
Fehlern zu korrigieren.
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Das Bildaufspaltungsprisma, das ganz allgemein mit dem Bezugszeichen
A bezeichnet ist, ist so montiert, daß seine Achse mit der theoretischen Bewegungsrichtung
des Mittelpunktes der Sektorbildscheibe E zwischen den theoretisch kolinearen Prüfstellungen
kolinear ist. Um nun die Abbildungen der Bildplatte zu betrachten, ist ein fokussierendes
Teleskop F verwendet. Es ist günstig, wenn in diesem Teleskop positiv fokussierende
Linsen verwendet sind. Um das Gerät einstellen zu können, wird das Prisma A von
einer einstellbaren Halterung getragen (nicht gezeigt), durch die sich die Prismen
achse kolinear mit einer Linie einstellen läßt, die durch den Mittelpunkt der Bildplatte
E in den beiden äußersten Bewegungsstellungen dieser Bildplatte hindurchgeht. Die
Einstellung wird also so durchgeführt, daß die Bilder der Bildplatte, durch das
Teleskop gesehen, bezüglich der Prismenachse für diese beiden Endstellungen der
Bildplatte ausgefluchtet sind. Das Teleskop F erhöht die Empfindlichkeit, mit der
die Messungen durchgeführt werden können. Das Teleskop ist dazu mit Vorzug so montiert,
wie es gezeigt ist, daß nämlich seine Visierlinie mit der Achse des Bildaufspaltungsprismas
A koaxial ist. Zwischen der Bildplatte E und dem Prisma A ist eine optische Ablenkplatte
G eingesetzt, die um zwei Achsen zu verkanten ist, die aufeinander senkrecht stehen.
Diese Achsen brauchen nicht den beiden Ebenen zu entsprechen, um die herum die ursprünglich
reflektierten und ursprünglich durchgelassenen Lichtstrahlen umgekehrt werden. Das
Verkanten der optischen Ablenkplatte
kann mit Hilfe zweier Bedienungsknöpfe
durchgeführt werden (nicht gezeigt). Bei G1 ist eine Skala gezeigt, an der abgelesen
werden kann, um welchen Winkel die Platte G verkantet worden ist.
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Wenn die Bildplatte G in dieser Anordnung von einer Prüfstellung zur
nächsten bewegt wird, ruft jeder Ausfluchtungsfehler Änderungen in der Stellung
der überlagerten Bilder zueinander hervor, die durch das Teleskop F betrachtet werden.
Diese Änderungen können dadurch gemessen werden, daß man die optische Ablenkungsplatte
G entweder um eine oder besser noch um beide Achsen verkantet, um solche Stellungsänderungen
der beiden überlagerten Bilder wieder aufzuheben. In der Zeichnung ist nur eine
Ablenkplatte gezeigt. Es ist jedoch häufig günstiger, zwei solche Platten zu verwenden,
die um Achsen verkantet sind, die aufeinander senkrecht stehen. Dann wird jede dieser
Platten durch ihren eigenen Steuerknopf verkantet. Auf Wunsch können diese Steuerknöpfe
mit einer Meßskala ausgerüstet sein. Weiterhin soll noch folgendes erwähnt werden:
Die oben beschriebene optische Ablenkplatte oder die optischen Ablenkplatten sind
mit Vorzug zur Messung verhältnismäßig kleiner Ausfluchtungsfehler verwendet, die
in einer beliebigen Richtung zwischen 2,5 10-3 mm und etwa 0,125 mm liegen. Größere
Ausfluchtungsfehler werden dagegen günstiger durch ein Versetzen der Bildplatte
gemessen.
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In der F i g. 7 ist eine abgewandelte Form eines Sichtgerätes gezeigt.
Dieses Sichtgerät weist eine Bildröhre auf, in der eine foto elektrisch empfindliche
Fläche drehend abgetastet wird, um die Abbildungen der Bildplatte zu zeigen. Das
Teleskop ist durch ein optisches Objektiv H1 ersetzt sowie durch eine Fokussierungslinse
H2 und durch eine Bildaufrichtungslinse H 3.
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Ein anderes abgewandeltes Sichtgerät, das mit der in Sektoren abgeteilten
Bildplatte aus Fig. 5 verwendet werden kann, arbeitet ebenfalls foto elektrisch.
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Auch in diesem abgewandelten Sichtgerät werden wiederum die ObjektivlinseH1,
die FokussierungslinseH2 und die Bildaufrichtungslinse H3 verwendet.
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Die Bildebene liegt an einem Verschluß H4, der um die optische Achse
herum drehbar ist und der eine als Sektor ausgebildete Öffnung aufweist. Dieser
Verschluß H4 ist der Zweckmäßigkeit halber in der Fig.7 in gebrochenen Linien dargestellt.
Hinter diesem Verschluß H4 ist eine fotoelektrische Vorrichtung H5 angeordnet. Wenn
man einmal annimmt, daß die Bildplatte 2 nu 1 helle Sektoren aufweist, so daß das
Doppelbild 4n+2 helle Sektoren besitzt, wenn die Targetbilder in der Visierlinie
angeordnet sind, ist der Winkelbereich der Sektoröffnung in dem rotierenden Verschluß
H4 so eingerichtet, daß er 3600/(8nf4) beträgt. Das Ausgangssignal der fotoelektrischen
Vorrichtung H5 hinter dem Verschluß H4, auf der die Blendenöffnung des Systems abgebildet
ist, ist daher mit einer Frequenz moduliert, die das (4n+2)-fache des Drehverschlusses
beträgt. Wenn jedoch die Bildplatte derart bewegt wird, daß das Doppelbild der Bildplatte
aus der Visierlinie herausrückt, erhält man ein Signal, das mit dem 2n+l-fachen
der Drehfrequenz des Verschlusses moduliert ist. Dieses Signal ist in dem Ausgang
der fotoelektrischen Vorrichtung H5 enthalten. Die Phase dieses modulierten Signals
entspricht der Richtung des Ausfluchtungsfehlers und kann in die beiden Koordinatenrichtungen
aufgelöst
werden, was beispielsweise mit Hilfe eines üblichen Phasendemodulators
durchgeführt werden kann.
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Phasendemodulatorschaltungen sind bekannt und sind daher nicht gezeigt.
In der zuletzt beschriebenen Anordnung kann der Verschluß H4 zwei oder mehrere Öffnungen
von passender Größe haben.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform des optischen Vermessungsgerätes
ist angenommen worden, daß das Prisma so montiert ist, daß die Flächen des Würfels
Al, A2 (s. wieder Fig. 1 bis 3) in horizontalen und vertikalen Ebenen orrientiert
sind.
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In dieser Ausführungsform erscheinen die virtuellen Bilder der Dachkanten
B 3 und B 4 der Dachprismen B1 und B2, wenn man in das zusammengesetzte Prisma A
hineinblickt, als Linien, die aufeinander senkrecht stehen und die um 450 gegenüber
der Vertikalen geneigt sind. Demzufolge findet auch die Umkehrung des Lichtstrahles
a3, der ursprünglich an dem halbdurchlässigen Spiegel A 3 reflektiert wurde, und
die Umkehrung des Lichtstrahles a4, der ursprünglich von dem halbdurchlässigen Spiegel
hindurchgelassen wurde, an zwei geneigten Ebenen statt. Was nun die Betrachtung
angeht, so bedeutet das, daß ein Punkt der Bildplatte E, der vertikal oberhalb der
Achse angeordnet ist, zwei Abbildungen besitzt, die in horizontaler Richtung links
und rechts neben der Achse in einem gewissen Abstand voneinander angeordnet sind.
Um diesen möglichen Nachteil zu vermeiden, kann man die oben beschriebene Anordnung
so abwandeln, wie es in Fig. 8 gezeigt ist. Diese Abwandlung unterscheidet sich
von der Anordnung nach Fig.4 darin, daß das Prisma A um 450 um seine Achse herumgedreht
worden ist, so daß der halbdurchlässige Spiegel A 3 nun in einer um 450 geneigten
Ebene liegt. Wenn man nun in das zusammengesetzte Prismas dieser abgewandelten Ausführungsform
hineinblickt, erscheinen die Bilder der Dachkanten B 3 und B 4 der Dachprismen B1
und B2 als horizontale und vertikale Linien, und die Umkehrung der aufgespaltenen
Lichtstrahlen a3 und a4 findet nun an vertikalen und horizontalen Ebenen statt.
Wenn nun ein Punkt auf der Bildplatte E vertikal oberhalb der Achse erscheint, läßt
sich dieser Punkt mit Hilfe des Sichtgerätes als zwei Bildpunkte betrachten, die
in vertikaler Richtung einen gewissen Abstand voneinander haben.
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Eine Weiterentwicklung des oben beschriebenen Gerätes ist in den
F i g. 9 und 10 dargestellt. In dieser Weiterentwicklung ist ein Kollimator aufgenommen
worden, der dazu dient, die Rechtwinkeligkeit einer Bildplatte bezüglich der Prismenachse
zu prüfen.
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Diese Bildplatte wird durch einen Spiegel dargestellt.
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Die Ansätze C und D des Prismas sind weggelassen worden, und der Ausgangsstrahl
tritt gegenüber dem Eingangsstrahl unter einem rechten Winkel aus. Der Ausgangsstrahl
wird mit Hilfe einer Linse J auf ein OkularJ1 fokussiert. Auf Wunsch kann das nach
einer Reflektion an einem getrennten rechtwinkeligen Prisma J2 geschehen. Zwischen
das Prisma A i, A 2 und die Ablenkplatte E ist ein optisches Objektiv J3 eingesetzt.
Das Objektiv und die Ablenkplatte sind also nicht mehr auf der Sichtseite des Prismas
angeordnet, wie es in den bereits beschriebenen Anordnungen der Fall ist. In der
Anordnung nach den Fig. 9 und 10 ist das Prisma wiederum um seine Achse herum um
450 gedreht, so daß die Flächen dieses Prismas in Ebenen liegen, die um 450 geneigt
sind. Das geht besonders deutlich aus der Fig. 10
hervor. Wie in
der Anordnung nach F i g. 8 erscheint nun ein Punkt auf der Bildplatte E, der vertikal
über der Achse angeordnet ist, an dem Okular J1 in zwei Bildpunkten, die vertikal
einen gewissen Abstand voneinander haben.
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An der Eingangsfläche des Prismenwürfels A 1, A 2 ist aus einem Stück
mit diesem Prismenwürfel ein zweiter PrismenwürfelH1, H2 hergestellt, der diagonal
gespalten ist und der an der Trennfläche H3 eine nicht polarisierende, halbdurchlässige
Reflektorschicht aufweist, die gegenüber dem halbdurchlässigen Spiegel A 3 in einem
rechten Winkel angeordnet ist. Dieser Ansatz Hl, H2 des Prismas A1, A2 spielt normalerweise
keine Rolle, wenn man das Gerät zum Messen von Ausfluchtungsfehlern verwendet, was
genauso durchgeführt wird, wie es bereits beschrieben ist. Dabei wird der Teil des
Lichtstrahles von der beleuchteten Bildplatte E, der von dem halbdurchlässigen Spiegel
H 3 hindurchgelassen wird, an dem dielektrischen halbdurchlässigen Spiegel A3 aufgespalten
und ruft an dem Okular J1 ein Doppelbild der beleuchteten Bildplatte hervor.
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Der halbdurchlässige Spiegel H 3 ist für eine Verwendung in einem
Kollimatorsystem vorgesehen, das eine Lichtquelle K und eine Kollimatorlinse K1
aufweist. Die Lichtquelle und die Kollimatorlinse sind auf einer Achse montiert,
die parallel zur Achse desjenigen Lichtstrahles läuft, der aus dem Prisma A 1, A
2 austritt. Die beiden Achsen haben nur einen gewissen Abstand voneinander. Der
kollimierte Lichtstrahl der LichtquelleK wird von dem halbdurchlässigen Spiegel
H3 längs der Achse des Prismas 4 1, A2 auf eine Bildplatte hin reflektiert, die
durch einen ebenen Spiegel L dargestellt ist. Wenn der Strahl von dem ebenen Spiegel
L her wieder zurückkehrt, wird er von dem halbdurchlässigen Spiegel H 3 hindurchgelassen
und an dem halbdurchlässigen SpiegelA3 in zwei Lichtstrahlen aufgespalten, um an
dem Okulator J1 wieder ein Doppelbild hervorzurufen. In dem Kollimator ist noch
ein Fadenkreuz K2 eingesetzt. Die Doppelbilder dieses Fadenkreuzes, die an dem Okulator
J1 betrachtet werden können, sind nur dann überlagert, wenn der Spiegel L genau
senkrecht, d. h. normal zur Prismenachse angeordnet ist. Für die Messung der Abweichung
von der Rechtwinkligkeit des Spiegels L wird die Ablenkplatte E nicht verwendet
Diese Platte wird daher genau normal zur Achse belassen, so daß sie auf Lichtstrahlen,
die durch sie hindurchgehen, keinen Einfluß ausübt. Die Messung wird vielmehr am
Kollimator durchgeführt, und zwar entweder mit Hilfe einer zusätzlichen verkantbaren
Ablenkplatte K 3 (in gebrochenen Linien gezeigt) oder aber durch eine Bewegung des
Fadenkreuzes K2, oder auch durch eine Kombination dieser beiden Maßnahmen. Das ist
aber bekannt.
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Ein weiterer Punkt soll noch erwähnt werden. Um eine Ausfluchtung
auszumessen, ist es möglich, denjenigen Teil des Lichtstrahles von einer beleuchteten
Bildplatte zu verwenden, der an dem zusätzlichen halbdurchlässigen Spiegel H 3 reflektiert
ist. Man braucht also nicht denjenigen Teil des Strahles zu verwenden, der, wie
oben erwähnt, von diesem halbdurchlässigen Spiegel hindurchgelassen wird. Es ist
daher möglich, durch Verdoppelung der optischen Objektive J3, der Ablenkplatte G
und der Bildplatte E Ausfluchtungsfehler in jeder von zwei aufeinander senkrecht
stehenden Richtungen zu messen.
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Das ist in der Fig. 9 in gebrochenen Linien dargestellt. Diese beiden
Messungen können gleichzeitig durchgeführt werden. Weiterhin kann man durch die
Verwendung eines zweiten Spiegels die Vermessung der Rechteckigkeit auch in einer
zweiten Richtung vornehmen, die auf der Achse des Prismas A 1, A 2 senkrecht steht.
Es soll aber darauf hingewiesen werden, daß es in der Anordnung, die in Verbindung
mit F i g. 9 und 10 beschrieben ist, nicht möglich ist, Ausfluchtungsfehler und
die Rechtwinkeligkeit gleichzeitig zu vermessen. Es müssen also wieder zwei getrennte
Messungen durchgeführt werden.
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Wenn man jedoch eine besondere Bildplattenkonstruktion verwendet,
in der beispielsweise die dunklen Sektoreuflächen aus einem lichtreflektierenden
Überzug auf einer lichtdurchlässigen Platte dargestellt sind, ist es möglich, eine
solche Bildplatte von hinten zu beleuchten, so daß man bei der Vermessung einer
Ausfluchtung über eine beleuchtete Bildplatte verfügt. Schaltet man dann die Beleuchtung
ab, so stellen die reflektierenden Sektoren einen Spiegel dar, der die Vermessung
der Rechtwinkeligkeit erlaubt.