DE1082058B

DE1082058B - An optical system that can be rotated in all directions around the projection center of a measurement image in a photogrammetric evaluation device

Info

Publication number: DE1082058B
Application number: DEZ3284A
Authority: DE
Inventors: Dr Walter Bauersfeld; Heinrich Sonnberger
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1953-03-04
Filing date: 1953-03-04
Publication date: 1960-05-19

Description

Um das Projektionszentrum eines Meßbildes in einem photogrammetrischen Auswertegerät allseitig drehbares optisches System Die Erfindung betrifft ein um das Projektionszentrum eines Meßbildes in einem photogrammetrischen Auswertegerät allseitig drehbares optisches System, das dazu dient, einen Ausschnitt des Meßbildes auf eine mit einer Meßmarke versehene Platte zu projizieren.Around the projection center of a measurement image in a photogrammetric Evaluation device in all directions rotatable optical system The invention relates to a the projection center of a measurement image in a photogrammetric evaluation device Optical system that can be rotated in all directions and is used to display a section of the measurement image to project onto a plate provided with a measuring mark.

Bekannte Geräte dieser Art weisen ein fest angeordnetes Objektiv und ein optisches Zusatzsystem mit veränderlicher Brennweite auf, welches eine scharfe Projektion des Bildes in verschiedene Projektionsebenen ermöglicht. Wegen seines begrenzten Bildwinkels ist das Zusatzsystem in einem Kardan aufgehängt, wobei das Projektionszentrum mit dem Kardanmittelpunkt zusammenfällt. Die Geräte dieser Art haben den Nachteil, daß sie bei Verwendung eines bestimmten Objektivs nur für die Auswertung von Meßbildern geeignet sind, die mit einer diesem Objektiv entsprechenden Brennweite aufgenommen worden sind, und daß einem Wechsel der Brennweite des Aufnahmeobjektivs für das Meßbild ein Wechsel des Ob- jektivs des Auswertegerätes entsprechen muß, was eine unbequeme Maßnahme bedeutet.Known devices of this type have a fixed lens and an additional optical system with variable focal length, which enables a sharp projection of the image in different projection planes. Because of its limited angle of view, the additional system is suspended in a cardan, the center of the projection coinciding with the center of the cardan. The devices of this type have the disadvantage that when using a certain lens they are only suitable for the evaluation of measurement images that have been recorded with a focal length corresponding to this lens, and that a change in the focal length of the recording lens for the measurement image is a change of whether - Must correspond to the evaluation device, which is an inconvenient measure.

Es ist auch schon bekannt, für den genannten Zweck ein Abbildungssystem zu verwenden, welches als Ganzes um das Projektionszentrum drehbar ist und sowohl auf der Seite des Meßbildes als auch auf der Seite der Projektionsebene je ein verstellbares Objektiv aufweist. Die durch die Objektive fallenden Strahlen werden über Prismen einem Okular zugeführt, und der Benutzer hat es in der Hand, durch Verstellen der Objektive sowohl das Meßbild als auch die Projektionsebene scharf einzustellen. Die Verwendung eines in der Brennweite mit dem Aufnahmeobjektiv übereinstimmenden Auswerteobjektivs ist hierbei nicht erforderlich. Trotzdem haben derartige Geräte gegenüber den eingangs erwähnten bekannten Auswertegeräten mit feststehenden Auswerteobjektiven keine Bedeutung erlangt, denn sie haben den Nachteil, daß das Projektionszentrum nur dann eindeutig definiert ist, wenn die mechanischen und optischen Achsen sich ständig streng in einem Punkt schneiden. Diese Bedingung läßt sich aber bei den erforderlichen Objektivversehiebungen praktisch nicht mit hinreichender Genauigkeit einhalten, so daß die Meßergebnisse mit entsprechenden Fehlern behaftet sind. Außerdem ist die Bedienung dieses Systems wegen der Verstellbarkeit der Objektive von Hand recht unbequem.It is also already known to use an imaging system for the stated purpose to use which is rotatable as a whole around the projection center and both one adjustable each on the side of the measurement image and on the side of the projection plane Has lens. The rays falling through the lenses are via prisms fed to an eyepiece, and the user has it in hand by adjusting the Objectives to focus both the measurement image and the projection plane. The use of a lens that matches the focal length of the taking lens An evaluation lens is not required here. Still have such devices compared to the known evaluation devices mentioned at the beginning with fixed evaluation lenses gained no meaning, because they have the disadvantage that the projection center is only clearly defined when the mechanical and optical axes are mutually exclusive constantly cut strictly at one point. However, this condition can be applied to the required lens shifts practically not with sufficient accuracy comply so that the measurement results are subject to corresponding errors. aside from that is the operation of this system because of the adjustability of the lenses by hand quite uncomfortable.

Erfindungsgemäß werden diese Nachteile des bekannten Abbildungssystems durch die Verwendung an sich bei photogrammetrischen Auswertegeräten bekannter fokussierbarer optischer Systeme beseitigt, die aus je einer feststehenden Linse oder Linsengruppe negativer Brennweite und einer axial verschiebbaren Linse oder Linsengruppe gleich großer positiver Brennweite bestehen, in Verbindung mit der bekannten selbsttätigen Steuerung der auf der Seite der mit einer Meßmarke versehenen Platte liegenden verstellbaren Linse oder Linsengruppe in Abhängigkeit vom Abstand der Platte vom Projektionszentrum und einer selbsttätigen Steuerung der Verschiebung der auf der Seite des Meßbildes liegenden verstellbaren Linse oder Linsengruppe in Abhängigkeit von dem Winkel, den die optische Achse des Gesamtsystems jeweils mit der Meßbildnormalen einschließt. Bei dieser Linsenanordnung durchsetzen die Projektionsstrahlen das Projektionszentrum parallelstrahlig, und die Knotenpunkte der fokussierbaren optischen Systeme behalten ihre Lage im Projektionszentrum unabhängig von der jeweiligen Entfernungseinstellung bei, so daß dieses eindeutig definiert ist. Die selbsttätige Fokussierung macht überdies das Abbildungssystem nach der Erfindung dem bekannten mit visueller Einstellung bedienungsmäßig weit überlegen.According to the invention, these disadvantages of the known imaging system become apparent through the use of focusable ones known per se in photogrammetric evaluation devices eliminates optical systems, each consisting of a fixed lens or lens group negative focal length and an axially movable lens or lens group large positive focal length exist, in conjunction with the well-known automatic Control of the adjustable plate lying on the side of the plate provided with a measuring mark Lens or lens group depending on the distance of the plate from the projection center and an automatic control of the displacement of the on the side of the measurement image lying adjustable lens or lens group depending on the angle, which the optical axis of the overall system includes with the normal to the measurement image. With this lens arrangement, the projection rays penetrate the projection center parallel beam, and keep the nodes of the focusable optical systems their position in the center of the projection regardless of the respective distance setting so that this is clearly defined. The automatic focus makes Moreover, the imaging system according to the invention is the known one with visual adjustment far superior in terms of operation.

Ein besonders vorteilhaftes selbsttätiges Einstellgetriebe für das meßbildseitige Fokussierelement ergibt sich aus folgender Überlegung: Wenn die dem Meßbild zugewandte Linsengruppe aus zwei einfachen oder zusammengesetzten Linsen besteht und die feststehende, wie gefordert, eine negative Brennweite f und die axial verschiebbare eine gleich große positive Brennweite f aufweist, wenn ferner F die Aufnahmebrennweite des Meßbildes und u der Winkel ist, den die optische Achse des Systems mit der Meßbildnormalen einschließt, so ist das Maß d der Linsenverschiebung zur Erzielung eines parallelen Strahlenverlaufes im Projektionszentrum d= (f2-1F) cos u, d. h. das Maß d ist proportional zu cos u, Es ist daher nur notwendig, die Bewegung so zu steuern, daß sie proportional dem Kosinus des Verdrehungswinkels wird. Eine Lösung dieser Aufgabe geht aus der nachfolgenden Beschreibung der Zeichnung hervor.A particularly advantageous automatic adjustment gear for the focussing element on the measuring image side results from the following consideration: If the lens group facing the measuring image consists of two simple or composite lenses and the fixed, as required, has a negative focal length f and the axially displaceable one has the same positive focal length f If, furthermore, F is the focal length of the measurement image and u is the angle that the optical axis of the system includes with the normal to the measurement image, then the dimension d of the lens displacement to achieve a parallel beam path in the projection center is d = (f2-1F) cos u, ie the dimension d is proportional to cos u. It is therefore only necessary to control the movement so that it becomes proportional to the cosine of the twist angle. A solution to this problem emerges from the following description of the drawing.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt, und zwar zeigt Fig.1 ein optisches System mit zwei Fokussierelementen, Fig.2 die Seitenansicht einer mechanischen Einstellvorrichtung für das meßbildseitige Fokussierelement, teilweise geschnitten.The drawing shows an exemplary embodiment of the subject matter of the invention shown, namely Figure 1 shows an optical system with two focusing elements, 2 shows the side view of a mechanical adjustment device for the measurement image side Focusing element, partially cut.

In Fig. 1 wird ein Bildpunkt A einer Photoplatte 1 durch ein optisches System 2 in einen Punkt A' einer Platte 3 abgebildet. Am Ort des Projektionszentrums 4 ist eine Blende 5 angeordnet, die von den Lichtstrahlen des Bildpunktes A parallelstrahlig durchsetzt wird. Im Gehäuse 6 sind zwei Zerstreuungslinsen 7 und 8 beiderseitig der Blende 5 fest angeordnet. Auf jeder Seite der Blende 5 sind weiter zwei Sammellinsen 9 und 10 mittels Hülsen 11 und 12 im Gehäuse 6 axial verschiebbar vorgesehen. Die Verschiebung dieser Linsen erfolgt von außen durch an den Hülsen 11 und 12 befestigte Stifte 13 und 14, die durch Aussparungen 15 und 16 des Gehäuses 6 greifen. Durch Verschiebung der Linse 9 kann erreicht werden, daß die Lichtstrahlen jedes Bildpunktes A beim Drehen des Systems 2 um das Projektionszentrum 4 und bei beliebigem Abstand des Photobildes 1 vom Projektionszentrum 4 die Blende 5 parallelstrahlig durchsetzen. Das gleiche wird für den Punkt A' auf der Platte 3 durch Verschiebung der Linse 10 erzielt.In FIG. 1, an image point A of a photographic plate 1 is imaged into a point A ′ of a plate 3 by an optical system 2. At the location of the projection center 4, a diaphragm 5 is arranged, through which the light rays of the image point A pass through with parallel rays. In the housing 6, two diverging lenses 7 and 8 are fixedly arranged on both sides of the diaphragm 5. On each side of the diaphragm 5, two converging lenses 9 and 10 are also provided axially displaceably in the housing 6 by means of sleeves 11 and 12. These lenses are displaced from the outside by means of pins 13 and 14 which are fastened to the sleeves 11 and 12 and which engage through recesses 15 and 16 in the housing 6. By shifting the lens 9 it can be achieved that the light rays of each image point A when the system 2 is rotated around the projection center 4 and at any distance of the photo image 1 from the projection center 4 pass through the diaphragm 5 with parallel rays. The same is achieved for point A 'on plate 3 by shifting lens 10 .

Fig.2 zeigt eine mechanische Vorrichtung zum Verschieben der Linse 9 proportional dem Kosinus des Verdrehungswinkels des optischen Systems. Das optische System 2 weist auf der Seite der Photoplatte 1 die zwei Linsen 7 und 9 auf, wobei die feststehende Linse 7 eine negative Brennweite f und die axial verschiebbare Linse 9- eine gleiche, jedoch positive Brennweite f besitzt. Die Linsen 8 und 10 auf der Seite der Projektionsebene sind der Einfachheit halber nicht gezeichnet worden. Das System 2 ist um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene im Projektionszentrum 4 drehbar an einem Rahmen 32 befestigt, und der Rahmen 32 ist um die Achse B-B in einem Rahmen 16 drehbar. Parallel zum System 2 sind eine Hülse 17 eines Hauptlenkers 18 und eine Hülse 19 eines Nebenlenkers 20 mit entsprechenden Bewegungsmöglichkeiten wie das System 2 im Rahmen 32 angeordnet und durch eine Stange 38 gelenkig miteinander verbunden, so daß die Aufhängung des Systems 2 und der Lenker 18 und 20 im Rahmen 16 kardanisch ist. Der Rahmen 16 ist um die Achse B-B in einem Rahmen 21 drehbar gelagert; der Rahmen 21 kann feststehend oder auch vertikal verstellbar sein. Am Rahmen 16 ist ein Plattenhalter 22 um eine Achse senkrecht zur Zeichenebene drehbar angebracht, derart, daß bei aufgelegtem Meßbild die Normale 37 im Bildhauptpunkt stets durch das Projektionszentrum 4 geht. In gleicher Weise ist ein Hilfsträger 23 im Rahmen 16 drehbar so angebracht, daß seine Längsachse stets durch den Kardanpunkt 24 geht. Plattenhalter 22 und Hilfsträger 23 sind somit kardanisch im Rahmen 21 gelagert, d. h., sie können unabhängig von der Bewegungsmöglichkeit. des Systems- zzvei.--Be=. wegungen ausführen. Der Hilfsträger 23 -weist--eine drehbare Kugel 25 am Ende eines verstellbaren Bolzens 26 auf. Mit Hilfe einer Verbindungsstange 27 wird die Achse des Hilfsträgers 23 stets parallel zur Normalen 37 des Plattenhalters 22 ausgerichtet. In der Hülse 19 gleitet der Nebenlenker 20, der an seinem oberen Ende eine Scheibe 28 aufweist. Am unteren Ende des Nebenlenkers 20 ist eine Schnur 29 befestigt, die über Rollen 30 und 31 mit dem Stift 13 der Gleithülse 11 der Linse 9 verbunden ist. Die Drehachsen der Rollen 30 und 31 sind in dem Kardanrahmen 32 derart gelagert, daß sie senkrecht auf der Achse B-B stehen und durch die Kardanpunkte 24 und 4 gehen. Die Gleithülse 11 ist mit einem Zusatzgewicht 33 versehen, um die Scheibe 28 ständig an die Kugel 25 zu ziehen.FIG. 2 shows a mechanical device for displacing the lens 9 proportionally to the cosine of the angle of rotation of the optical system. The optical system 2 has the two lenses 7 and 9 on the side of the photographic plate 1, the fixed lens 7 having a negative focal length f and the axially displaceable lens 9 having the same but positive focal length f. The lenses 8 and 10 on the side of the projection plane have not been drawn for the sake of simplicity. The system 2 is fastened to a frame 32 so as to be rotatable about an axis perpendicular to the plane of the drawing in the projection center 4, and the frame 32 is rotatable about the axis BB in a frame 16. Parallel to system 2, a sleeve 17 of a main link 18 and a sleeve 19 of a secondary link 20 with corresponding possibilities of movement as the system 2 are arranged in the frame 32 and articulated to one another by a rod 38 so that the suspension of the system 2 and the links 18 and 20 in frame 16 is gimbal. The frame 16 is rotatably mounted about the axis BB in a frame 21; the frame 21 can be fixed or also vertically adjustable. A plate holder 22 is attached to the frame 16 so that it can rotate about an axis perpendicular to the plane of the drawing, in such a way that the normal 37 in the main point of the image always goes through the projection center 4 when the measurement image is placed. In the same way, an auxiliary carrier 23 is rotatably mounted in the frame 16 in such a way that its longitudinal axis always passes through the cardan point 24. The plate holder 22 and the auxiliary carrier 23 are thus mounted in a cardanic manner in the frame 21, ie they can be moved independently of the possibility of movement. of the system- zzvei .-- Be =. perform movements. The auxiliary carrier 23 has a rotatable ball 25 at the end of an adjustable bolt 26. With the aid of a connecting rod 27, the axis of the auxiliary carrier 23 is always aligned parallel to the normal 37 of the plate holder 22. The secondary link 20, which has a disk 28 at its upper end, slides in the sleeve 19. A cord 29 is attached to the lower end of the secondary link 20 and is connected to the pin 13 of the sliding sleeve 11 of the lens 9 via rollers 30 and 31. The axes of rotation of the rollers 30 and 31 are mounted in the cardan frame 32 in such a way that they are perpendicular to the axis BB and pass through the cardan points 24 and 4. The sliding sleeve 11 is provided with an additional weight 33 in order to constantly pull the disk 28 onto the ball 25.

Die Vorrichtung arbeitet wie folgt: Bei Verdrehung des optischen Systems 2, beispielsweise in Richtung des Pfeiles C mit Hilfe des Hauptlenkers 18 um einen kleinen Winkel führt der Nebenlenker 20 die gleiche Drehbewegung aus. Da der Abstand des Mittelpunktes der Kugel 25 vom Kardanpunkt 24 konstant ist, drückt die Kugel 25 nicht mehr auf die Scheibe28. Diese kann nunmehr durch Zug des Gewichtes 33 eine Bewegung parallel zur optischen Achse ausführen, bis sie wieder an der Kugel 25 anliegt. Die Größe dieser Verschiebung ist dabei proportional dem Kosinus des Verdrehungswinkels der optischen Achse des Systems gegenüber der Plattennormalen. Größere Bewegungen setzen sich aus den eben beschriebenen infinitesimalen Bewegungen zusammen, wobei die Kugel 25 auf der Scheibe 28 abrollt. Wählt man den Abstand des Mittelpunktes der Kugel 25 vom Kardanpunkt 24 gleich f 21F, so- ist der Abstand der Platte 28 vom Kardanpunkt 24 .gleich d. Es gilt d = (f 2/F) # cos u, wenn u der Winkel zwischen der Plattennormalen und der optischen Achse des Abbildungssystems ist, weil dieser Winkel identisch auf den Hilfslenker übertragen wird, wo er als Winkel zwischen der Achse des Bolzen 26 und der Achse der Hülse 19 in Erscheinung tritt. Da somit die eingangs genannte Bedingung erfüllt ist, wird jeder Punkt der Photoplatte 22 zunächst nach oo und dann durch das nachfolgende nicht weiter dargestellte Bauersfeldsche Zusatzsystem 8, 10 in bekannter Weise scharf in den Meßpunkt 34 abgebildet.The device works as follows: When the optical system 2 is rotated, for example in the direction of arrow C with the aid of the main link 18 by a small angle, the secondary link 20 performs the same rotary movement. Since the distance between the center of the ball 25 and the cardan point 24 is constant, the ball 25 no longer presses on the disk 28. This can now execute a movement parallel to the optical axis by pulling the weight 33 until it rests against the ball 25 again. The size of this shift is proportional to the cosine of the angle of rotation of the optical axis of the system with respect to the normal to the plate. Larger movements are made up of the infinitesimal movements just described, with the ball 25 rolling on the disk 28. If the distance between the center of the ball 25 and the cardan point 24 is selected to be equal to f 21F, the distance between the plate 28 and the cardan point 24 is equal to d. It applies d = (f 2 / F) # cos u, if u is the angle between the plate normal and the optical axis of the imaging system, because this angle is transferred identically to the auxiliary link, where it is defined as the angle between the axis of the bolt 26 and the axis of the sleeve 19 appears. Since the condition mentioned at the beginning is fulfilled, each point of the photographic plate 22 is first mapped sharply in the measuring point 34 in a known manner by means of the subsequent Bauersfeld auxiliary system 8, 10, which is not shown further.

Der Hauptlenker 18, der verschiebbar in der Hülse 17 angeordnet ist, verschiebt bei Drehung des optischen Systems die Platte 3 entsprechend auf dem Tisch 35, so daß die einmal erfolgte Einstellung auf den Meßpunkt immer erhalten bleibt. Ein Zeichenstift 39 zeichnet dabei jeweils den dem Bildpunkt A entsprechenden Meßpunkt auf den Tisch 35.The main link 18, which is slidably arranged in the sleeve 17, moves the plate 3 accordingly on the table when the optical system is rotated 35, so that the adjustment made to the measuring point is always retained. A pen 39 draws the measuring point corresponding to the image point A in each case on the table 35.

Claims

PATENT CLAIMS: 1. To the projection center of a measurement image in one photogrammetric evaluation device, all-round rotatable optical system for projection a section of the measurement image on a plate provided with a measurement mark, the consisting of one focusable optical lens arranged in front of and one behind the projection center Link 'consists, characterized by the use per se in photogrammetric Evaluation devices of known focusable optical systems, each consisting of a fixed Lens or lens group of negative focal length and an axially movable lens or lens group bleaching large positive focal length, in conjunction with the known automatic control of the side with a measuring mark provided plate lying adjustable lens or lens group depending on from the Distance of the plate from the projection center and an automatic control of the Displacement of the adjustable lens lying on the side of the measurement image or Lens group as a function of the angle made by the optical axis of the overall system In each case with the measurement image normal includes.

2. Optical system according to claim 1, characterized in that the evaluation of the rotary movements of the overall optical system (2) are mechanically transmitted to a gimbal-mounted auxiliary link (20) which is movable in a sleeve (19) parallel to the direction of the optical axis and a flat control disk (28) carries that a ball (25) with a fixed center, against which the control disk (28) is constantly pressed, is arranged on the parallel to the image normal running through the gimbal center (24) of the auxiliary link (20) that means (29, 30, 31, 33) are provided which transmit the longitudinal movement of the auxiliary link (20) to the holder (11) of the displaceable lens (9) located on the side of the measurement image.

3. Optical system according to claim 2, characterized in that the position of the ball center point with respect to the cardan center point (24) of the auxiliary link (20) is adjustable in terms of angle and distance. Considered publications: German Patent Nos. 305 128, 306 385, 418 030, 426 363; Finsterwalder: Photogrammetrie, Berlin 1939, pp. 145 ff.