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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Vermessungsinstrument, und insbesondere
ein Vermessungsinstrument, durch das es möglich ist, das Zentrum eines Zieles
leicht und exakt mit der optischen Achse eines Teleskops des Instruments
auszurichten.
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Wenn Abstände oder Winkel gemessen werden, muss die optische Achse des
Teleskops des Vermessungsinstrumentes mit dem Zentrum des Ziels ausgerichtet
werden. Sowohl Abstandsmessungen als auch Messungen von vertikalen oder
horizontalen Winkeln können durch die Genauigkeit der Ausrichtung
beeinträchtigt werden.
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Wenn die optische Achse des Teleskops mit dem Zentrum eines Ziels
ausgerichtet werden muss, verwendet der Vermesser in einem herkömmlichen
Vermessungsinstrument zunächst das Teleskop zur Kollimation, dann stellt er die
Einstellvorrichtung für den vertikalen Winkel und die Einstellvorrichtung für die
horizontale Richtung des Teleskops unter Benutzung der Einstellvorrichtungen
des Teleskops ein, um ein Fadenkreuz des Teleskops mit dem zu vermessenden
Ziel auszurichten. Bei einer Position, bei welcher der Vermesser beurteilt, dass
die Ausrichtung zueinander erfolgt ist, werden der Abstand und der Winkel
elektronisch ausgelesen, und der Wert wird auf einer Anzeigevorrichtung angezeigt.
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In diesem wie oben beschriebenen, herkömmlichen Verfahren variiert die
Genauigkeit entsprechend den Unterschieden zwischen individuellen Vermessern.
Selbst bei Messungen durch den gleichen Vermesser kann es Unterschiede bei
der Ausrichtgenauigkeit aufgrund der Vermessungseinstellungen geben.
Weiterhin ist es bei einem weit entfernten Ziel oft schwierig, genau das Zentrum des
Ziels zu identifizieren. Beim Einstellen der Einstellvorrichtung für den vertikalen
Winkel und der Einstellvorrichtung für die horizontale Richtung ist es
erforderlich, eine Sperrvorrichtung zu sperren und zu entsperren, und wiederholt
Feineinstellungen vorzunehmen, dies führt zu komplizierten Verfahren und erfordert viel
Zeit.
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Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Vermessungsinstrument bereit zu
stellen, in dem es möglich ist, automatisch die optische Achse eines Teleskops
mit dem Zentrum des Ziels auszurichten, um individuelle Unterschiede zwischen
Landvermessern zu eliminieren. Es ist ein weiteres Ziel, das Ausrichtverfahren zu
vereinfachen und die erforderliche Zeit zu reduzieren.
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US-Patent US-A-5216480, das als nächstliegender Stand der Technik angesehen
wird, weist die Merkmale im Oberbegriff des Anspruchs 1 auf. Andere Systeme
sind in der GB-A-2018422 und GB-A-2231222 offenbart.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Vermessungsinstrument durch die
kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 charakterisiert.
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Das Teleskop ist zur Drehung um eine vertikale oder horizontale Achse oder
beide angeordnet. Dies kann erreicht werden, indem es zentral auf eine vertikale
Welle und eine horizontale Welle angeordnet wird, z. B. durch ein Zapfenlager.
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Benutzerhinweiseinrichtungen können angeordnet werden, um den Benutzer des
Instruments darauf hinzuweisen, wenn der horizontale Winkel und der vertikale
Winkel des Zentrums des Ziels erreicht sind. Eine ähnliche oder die gleiche
Benutzerhinweiseinrichtung kann bereitgestellt werden, um den Benutzer des
Gerätes darauf hinzuweisen, wenn die optische Achse des Teleskops mit dem Zentrum
des Ziels ausgerichtet ist. Solche Benutzerhinweiseinrichtung können einen
akustischen oder einen visuellen Alarm umfassen.
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Die Erfindung kann auf vielerlei Weisen in die Praxis umgesetzt werden, und
eine spezielle Ausführungsform wird nun beschrieben, als Beispiel, in bezug auf
die beigefügten Zeichnungen, wobei:
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Fig. 1 schematisch eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung darstellt;
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Fig. 2 die Wirkungsweise der Ausführungsform aus Fig. 1 zeigt;
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Fig. 3 die Beziehung zwischen der Abweichung eines
Festkörperbildsensors und einem der Abweichung entsprechenden Winkel darstellt;
und
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Fig. 4 ein Blockdiagramm der bevorzugten Ausführungsform aus Fig. 1
ist.
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Fig. 1 zeigt die Hauptteile der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, in
der eine Objektivlinse 1, ein dichroitische Spiegel 2 für eine nahezu vollständige
Reflexion von infrarotem Licht, eine Kondensorlinse 3 und ein
Festkörperbildsensor 4, wie ein CCD, entlang einer optischen Achse O eines Teleskops
angeordnet sind. Ein Dreiecksspiegel 5 ist in der dargestellten Position angeordnet, in
der er dem dichroitischen Spiegel 2 gegenüber liegt. Parallel zur optischen Achse
O des Teleskops, und mit dem Dreiecksspiegel 5 im Zentrum, gibt es eine weitere
Gruppe von Einrichtungen, mit einem Emitter 6 für das Emittieren von Blitzen
modulierten Lichts (z. B. Licht im nahen infraroten Bereich) und mit einer
Kondensorlinse 7 auf der einen Seite der Spiegel und mit einem
Lichtempfangselement 8 und mit einer weiteren Kondensorlinse 9 auf der anderen Seite.
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Die Wirkungsweise der Ausführungsform aus Bild 1 wird nun beschrieben.
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Vom Emitter 6 emittiertes Licht wird an dem Dreieckspiegel 5 und an dem
dichroitischen Spiegel 2 reflektiert. Nach Durchgang durch die Objektivlinse 1,
wird der Strahl auf ein Zielprisma (nicht dargestellt) gerichtet. Nach Reflexion
vom Zielprisma geht das zurückkehrende Licht den gleichen Weg zurück zum
dichroitischen Spiegel 2, von wo es auf den Dreieckspiegel 5 und durch die
Kondensorlinse 9 hindurch reflektiert wird, um auf das Lichtempfangselement 8
fokussiert zu werden. Ein Teil des zurückkehrenden Lichts wird durch den
dichroitischen Spiegel 2 durchgelassen und nach Durchgang durch die Kondensorlinse 3
auf den Festkörperbildsensor 4 geworfen.
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Aus der Phasendifferenz zwischen dem ausgehenden oder emittierten Licht und
dem einfallenden oder zurückkehrenden Licht wird die Entfernung bestimmt.
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Sichtbares Licht, das durch die Objektivlinse 1 zurückkehrt, geht durch den
dichroitischen Spiegel hindurch und wird von der Kondensorlinse 3 gebündelt
und auf dem Festkörperbildsensor 4 abgebildet. Das Bild wird dann auf einer
Anzeigeeinrichtung wie einer Flüssigkristall-Anzeigeeinheit, einem CRT oder
einer anderen geeigneten Einrichtung angezeigt, wie in Fig. 2 dargestellt.
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Fig. 2(A) zeigt ein Zielprisma 11 auf einem Stativ 10, zusammen mit der
Umgebung. Wenn der Emitter 6 Licht emittiert, wird ein Bild des vom Zielprisma
zurückkehrenden Lichtes zusätzlich zu dem Bild des sichtbaren Lichtes und mit
diesem überdeckend gebildet. Entsprechend erhält man ein nur durch das
reflektierte/zurückkehrenden Licht 12 gebildetes Bild, wenn die Differenzen zwischen
dem Bild bei angeschaltetem Emitter 6 und dem Bild bei ausgeschaltetem Emitter
6 bestimmt werden. Wie in Fig. 2(B) gezeigt, ist dieses Bild nahezu von der
gleichen Größe wie das Zielprisma 11, von dem es kommt.
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Wenn man annimmt, dass das Zentrum des Bildschirms ein mit der optischen
Achse O ausgerichteter Punkt ist, kann die horizontale Abweichung H und die
vertikale Abweichung V des reflektierten/zurückkehrenden Lichts 12 auf der
Basis der Bildposition leicht berechnet werden. Durch Verschieben der optischen
Achse des Teleskops um H in horizontaler Richtung und um V in vertikaler
Richtung kann die optische Achse des Teleskops mit dem Zielprisma 11
ausgerichtet werden.
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Als nächstes wird eine Beschreibung der Vermessungssteuervorrichtung unter
Bezugnahme auf Fig. 4 gegeben.
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In einer vorgegebenen Position entlang der optischen Achse O befindet sich ein
elektronischer Shutter 15. Einfallendes, von der Objektivlinse 1 kommendes
Licht geht durch den elektronischen Shutter 15 und bildet auf dem
Festkörperbildsensor 4 ein Bild. An den Festkörperbildsensor 4 sind ein A/D-Wandler 16
und eine Anzeigeeinrichtung 22 angeschlossen. Ein erster Speicher 17 und ein
zweiter Speicher 18 sind an den A/D-Wandler angeschlossen, und eine
Differenzbildungsschaltung 19 und ein dritter Speicher 20 sind seriell an den ersten
und den zweiten Speicher 17, 18 angeschlossen.
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Eine Rechnereinrichtung 21 ist an den elektronischen Shutter 15, den ersten
Speicher 17, den zweiten Speicher 18, die Differenzbildungschaltung 19, den
dritten Speicher 20 und die Anzeigeeinrichtung 22 angeschlossen. An der
Rechnereinrichtung 21 sind eine Entfernungsmessschaltung 23, eine Steuervorrichtung
für vertikalen Antrieb 24 und eine Steuervorrichtung für horizontalen Antrieb 26
angeschlossen. Die Steuervorrichtung für vertikalen Antrieb 24 ist angeordnet,
um den Vertikalmotor 25 anzutreiben; die Steuervorrichtung für horizontalen
Antrieb 26 ist angeordnet, um den Horizontalmotor 27 anzutreiben. Es gibt
ebenfalls einen vertikale Kodierer 28 zur Messung des vertikalen Winkels und einen
horizontalen Kodierer 29 zur Messung des horizontalen Winkels. Diese sind auf
der optischen Achse des Teleskops angeordnet, und Signale des vertikalen und
des horizontalen Kodierers 28, 29 werden in die Rechnervorrichtung 21
eingespeist.
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Nun wird eine Beschreibung der Wirkungsweise der Steuervorrichtung aus Fig. 4
gegeben.
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Die Entfernungsmessschaltung 23 umfasst den Emitter 6 und das
Lichtempfangselement 8. Die Entfernung wird berechnet, wie oben erwähnt, aus der
Phasendifferenz zwischen dem ausgehenden (emittierten) Licht und dem einfallenden
(zurückkehrenden) Licht. Die Ergebnisse der Berechnung werden auf der
Anzeigeeinrichtung 22 angezeigt, nachdem sie von der Rechnereinrichtung 21
bearbeitet worden sind.
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Einfallendes, von der Objektivlinse 1 kommendes Licht bildet auf dem
Festkörperbildsensor 4 ein Bild, wobei der Sensor eine photoelektrische Wandlung
durchführt. Das Bildsignal vom Sensor 4 wird vom A/D-Wandler 16 in ein
digitales Signal gewandelt, und dann durch ein Synchronisierungs-/Taktsignal der
Rechnereinrichtung 21 in der Entfernungsmessschaltung 23 mit dem Blitzen des
Emitters 6 in der Entfernungsmessschaltung 23 synchronisiert, das Bildsignal bei
eingeschaltetem Emitter wird im ersten Speicher gespeichert, und das Bildsignal
bei ausgeschaltetem Emitter wird im zweiten Speicher gespeichert.
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Die Differenzbildungsschaltung 19 ermittelt dann die Differenz zwischen den
beiden gespeicherten Bildern, und diese Differenz wird an den dritten Speicher
gesendet. Das Bildsignal 20, das im dritten Speicher 20 gespeichert ist, entspricht
dem in Fig. 2(B) dargestellten Bild. Auf der Basis dieser Bilddaten berechnet die
Rechnereinrichtung 21 die horizontale Abweichung H und die vertikale
Abweichung V des Zentrums des reflektierten/zurückkehrenden Lichts 12 von der
optischen Achse O.
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Wie in Fig. 3 dargestellt, wollen wir annehmen, dass der Festkörperbildsensor 4
in der Brennweite f der Linse angeordnet ist, und dass der Winkel des
reflektierten/zurückkehrenden Lichts 12, das auf den Festkörperbildsensor fällt, Θ ist. Die
Abweichung X von der optischen Achse O auf dem Sensor 4 ist dann f*tanΘ.
Durch Bestimmung der Abweichung X wird der Drehwinkel, der zur Einstellung
des Teleskops erforderlich ist, eindeutig ermittelt. Entsprechend können
ungeachtet der Entfernung 1(A), 1(B) oder 1(C) zum Zielprisma 11 der horizontale
Winkel und der vertikale Winkel, die für die Korrektur des Teleskops
erforderlich sind, durch Berechnung der horizontalen Abweichung H und der vertikalen
Abweichung V auf dem Bild bestimmt werden.
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Wenn die horizontale Abweichung H und die vertikale Abweichung V berechnet
worden sind, treibt die Rechnereinrichtung 21 den Vertikalmotor 25 und den
Horizontalmotor 27 über die Steuereinrichtungen für horizontalen und vertikalen
Antrieb 26, 24 so an, dass das Zentrum des reflektierten/zurückkehrenden Lichts
12 mit der optischen Achse O ausgerichtet ist.
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Die Rechnereinrichtung 21 kann die horizontale Abweichung H und die vertikale
Abweichung V als Winkelwerte berechnen.
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Wie oben beschrieben, wird der vertikale Winkel der optischen Achse des
Teleskops über den vertikalen Kodierer 28 in die Rechnereinrichtung 21 eingegeben,
und der horizontale Winkel wird über den horizontalen Kodierer 29 in die
Rechnereinrichtung 21 eingegeben. Auf der Basis des horizontalen und des vertikalen
Winkels, sowie der Abweichungen V und H, erhält man den horizontalen und
den vertikalen Winkel der Position des Zentrums des Ziels, und sie werden auf
der Anzeigeeinrichtung 22 angezeigt.
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Entsprechend ist es auf der Basis des horizontalen Winkels, nach Bestimmung
des vertikalen Winkels in Bezug auf die Abweichung und den Winkel der
optischen Achse O auch möglich, den horizontalen Winkel und den vertikalen
Winkel der Position des Zentrums des Ziels zu bestimmen, sogar ohne Ausrichtung
der optischen Achse O mit dem Zentrum des Ziels.
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Wie oben beschrieben, wird die Differenz zwischen dem Bild bei angeschaltetem
Emitter 6 und dem Bild bei ausgeschaltetem Emitter ermittelt, während die
Haupteinheit des Vermessungsinstrumentes in Ruhe verharrt, um das Bild des
reflektierten/zurückkehrenden Lichtes vom Zielprisma 11 zu erhalten. Es ist
jedoch auch möglich, das Bild des reflektierten/zurückkehrenden Lichtes vom
Zielprisma auf der Basis der Differenz zwischen dem Bild bei angeschaltetem
Emitter und dem Bild bei ausgeschaltetem Emitter zu erhalten, wenn sich die
Haupteinheit des Vermessungsinstrumentes dreht. Dies wird nun genauer
beschrieben.
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Die Geschwindigkeit, mit der sich das Bild in Bezug auf das
Vermessungsinstrument bewegt, wild durch die Rechnervorrichtung 21 auf der Basis von
Impulssignalen
aus dem vertikalen Kodierer 28 und dem horizontalen Kodierer 29
berechnet. Die Geschwindigkeit des elektronischen Shutters 15 wird gesteuert
und angetrieben, wie von der Rechnervorrichtung 21 bestimmt, mit einer
hinreichend hohen Geschwindigkeit, so dass das Bild nicht verzerrt ist.
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Der elektronische Shutter wird mit dem Emitter 6 synchronisiert. Wie oben
dargestellt, wird das Bild bei angeschaltetem Emitter im ersten Speicher 17
gespeichert, und das Bild bei ausgeschaltetem Emitter im zweiten Speicher 18
gespeichert.
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Ein Beispielbild für diesen besonderen Fall ist in Fig. 2(C) gezeigt, auf das nun
Bezug genommen wird. Hier wird als Beispiel angenommen, dass das
Vermessungsinstrument nur um die vertikale Achse bewegt werden kann.
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In Fig. 2(C) zeigen die durchgezogenen Linien die Position an, in die das
Vermessungsinstrument gebracht wird, um das Zielprisma mit der Kollimationsachse
des Teleskops auszurichten; in dieser Position emittiert der Emitter 6 Licht.
Wenn nun der Emitter ausgeschaltet und das Bild gespeichert worden ist, wird
das Vermessungsinstrument in die Position gedreht, die mit der unterbrochenen
Linie dargestellt ist. Dieses Bild wird dann aufgenommen. Wie aus der
Abbildung ersichtlich gibt es eine Abweichung X zwischen den beiden Bildern. Wenn
also die Differenz zwischen den beiden Bildern berechnet wird, wird das Bild des
Zielprismas 11 ebenfalls um X abweichen; somit kann das Differenzbild (das
Bild bei Emittieren minus dem Bild beim Nicht-Emittieren) nicht ermittelt
werden.
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Dieses wird gelöst, indem die Abweichung X zwischen den beiden Bildern
bestimmt wird, und dann eines der beiden Bilder verschoben und mit dem anderen
zur Deckung gebracht wird, so dass die Differenz dann berechnet werden kann.
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Durch Zählen der Impulse vom horizontalen Kodierer 29, die in einer
Zeitdifferenz Δt erzeugt werden, kann die Abweichung X zwischen dem im ersten
Speicher gespeicherten Bild und dem im zweiten Speicher gespeicherten Bild leicht
ermittelt werden.
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Das Verfahren, das anzuwenden ist, nachdem eines der Bilder verschoben und
die Bilder zur Deckung gebracht wurden, ist genau das gleiche, wie für den Fall,
dass das Vermessungsinstrument nicht gedreht worden ist. Eine weitere
detaillierte Beschreibung wird deshalb hier nicht gegeben.
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Die optische Achse O und das Zentrum des Zielprismas 11 können also ohne
manuelle Bedienung durch den Vermesser zueinander ausgerichtet werden. Die
Positionierung der optischen Achse O mit dem Zielprisma 11 wird automatisch
unter Bezugnahme auf das zweite Bild des Festkörpersensors 4 durchgeführt. Im
Ergebnis ist es ungeachtet des Abstandes zwischen Zielprisma 11 und
Vermessungsinstrument möglich, die Positionierung mit hoher Genauigkeit
durchzuführen.
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Es ist möglich, die optische Achse O mit dem Zentrum des Zielprismas 11 ohne
manuellen Eingriff durch den Vermesser durchzuführen, ungeachtet dessen, ob
das Vermessungsinstrument feststehend ist oder ob es sich dreht.
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Im Vermessungsinstrument kann eine LED angeordnet sein, die leuchtet, wenn
das Zentrum des Prismas mit der optischen Achse O des Teleskops ausgerichtet
worden ist. Alternativ kann eine Meldung auf der Anzeigeeinrichtung 22
angezeigt werden, um den Vermesser über die Ausrichtung des Zentrums des Prismas
mit der optischen Achse O des Teleskops zu informieren.
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Wenn die Positionierung intermittierend oder wiederholt durchgeführt werden
muss, folgt das Teleskop dem Zielprisma 11 sogar dann, wenn das Zielprisma 11
vom Vermesser bewegt wird. Somit fällt das Zielprisma immer in das Sichtfeld
des Teleskops, wodurch die Bedienung stark vereinfacht wird.
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Bei der Bestimmung des horizontalen und des vertikalen Winkels des Zentrums
des Ziels ist vor der Anzeige des gemessenen Wertes für den Vermesser auf der
Anzeigeeinrichtung 22 keine manuelle Ausrichtung erforderlich. Somit können
sowohl die Arbeitseffizienz als auch die Messgenauigkeit verbessert werden.
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Die optische Achse O des Teleskops ist normalerweise durch eine
Fadenkreuzlinie im optischen System des Teleskops angezeigt. In der vorliegenden Erfindung
wird die optische Achse durch Beleuchtung des Fadenkreuzes angezeigt.
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Während in der vorliegenden Ausführungsform der elektronische Shutter 15
vorgesehen ist, kann dieser aber auch weggelassen werden, wenn die Bilder, die von
der Rechnervorrichtung 21 im ersten Speicher 17 und im zweiten Speicher 18
gespeichert werden, in anderer Weise gemäß dem Blitzen des Emitters 6 ermittelt
oder begrenzt werden können. Es ist ebenfalls möglich, einen anderen Emitter für
die Zielpositionierung bereitzustellen, zusätzlich zum oben erwähnten Emitter 6;
wiederum kann durch Blitzen dieses Emitters die Differenz zwischen
angeschaltetem und ausgeschaltetem Zustand bestimmt werden.
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Der Intensitätsunterschied zwischen der Umgebung und dem Bild des
Zielprismas kann durch Verwendung des elektronischen Shutters zusammen mit einem
Emitter von hoher Strahlungsleistung gesteigert werden, und ebenso durch
Verkürzung der zum Öffnen des elektronischen Shutters und zum synchronen
Anschalten des Emitters notwendigen Zeit.
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In der oben beschriebenen Ausführungsform sind der erste, der zweite und der
dritte Speicher getrennt voneinander ausgebildet; selbstverständlich kann statt
dessen auch ein einzelner Speicher mit einem getrennten ersten, zweiten und
dritten Speicherbereich verwendet werden.
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Das Teleskop kann um eine vertikale zentrale Welle und/oder eine horizontale
zentrale Welle gedreht werden. Anstelle der Verwendung eines Dekodierers für
die Winkelbestimmung kann ein Winkeldetektor mit einem Differentialübertrager
verwendet werden.