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Lexikon der Optik: Entfernungsmesser

Entfernungsmesser, Distanzmesser, Telemeter, Gerät oder Einrichtung zur Bestimmung von Entfernungen entweder optisch auf der Grundlage der Messung kleiner Winkel oder elektronisch nach dem Prinzip der Messung der Laufzeit von Lichtimpulsen oder der Phasendifferenzmessung (Vergleich der Phase einer dem Licht aufgeprägten Modulation bei Aussenden des Lichtes und dessen Wiederkehr vom Ziel). Dabei wird unter Entfernung im Gegensatz zur Strecke der Abstand zweier Punkte verstanden, die vor der Messung nicht besonders markiert sind.

1) Optische E. Ihr Meßprinzip basiert auf der Messung des parallaktischen Winkels oder der Länge der Basis b, die im Meßdreieck diesem in der Entfernung d gegenüberliegt. Man unterscheidet E. mit konstanter Basis und veränderlichem Winkel und solche mit konstantem Winkel und veränderlicher Basis, wobei die Basis entweder im Zielpunkte oder im Standpunkte liegen kann. Letztgenannte E. werden als Streckenmeßgeräte im Vermessungswesen eingesetzt, weil sie eine relativ genaue Bestimmung der Entfernung erlauben. E. mit konstanter Basis und veränderlichem Winkel dienen in der Photographie und im Militärwesen zur Entfernungsmessung. Es gibt Zweistandsentfernungsmesser mit prinzipiell zwei Beobachtungsständen an den Endpunkten der Basis und Einstandentfernungsmesser, bei denen Meß- und Beobachtungselemente in einem Gerät, das gleichzeitig als Basis dient, angeordnet sind. Zu den E. mit einäugiger Beobachtung gehören die Mischbildentfernungsmesser, in denen Teile von Mischbildern zur Deckung gebracht werden, und Schnittbildentfernungsmesser, in denen zwei Halbbilder an einer Schnittkante durch Betätigung einer Meßeinrichtung zur Koinzidenz gebracht werden. Zu den E. mit beidäugiger Beobachtung zählen die Raumbildentfernungsmesser (Stereoentfernungsmesser). Sie nutzen den stereoskopischen Effekt zur Entfernungsmessung. Im Raumbildentfernungsmesser mit fester Skale besitzen die Markenplatten der beiden Fernrohre Reihen mit Meßmarken unterschiedlicher stereoskopischer Parallaxe, die dem Beobachter räumlich in verschiedener Entfernung erscheinen. Sie bieten sich als eine in die Tiefe führende Reihe von Raummarken dar. Die räumliche Lage des Zieles wird an der Markenreihe abgelesen. Im Raumbildentfernungsmesser mit wandernder Marke wird eine der beiden Markenplatten, die nur je eine Zielmarke tragen, meßbar verschoben. Die sich scheinbar im Raum bewegende Marke wird neben das Ziel eingestellt.

a) E. für photographische Zwecke. Sie entsprechen in ihrem Aufbau dem Einstand-Mischbildentfernungsmesser. Man wählt eine unsymmetrische Bauart, bei der der Einblick an einem Basisende erfolgt. Der E. kann als Zusatz zur Kamera hergestellt oder unmittelbar mit der Entfernungseinstellung des Photoobjektivs gekoppelt sein. Wird gleichzeitig die Funktion des Suchers gewährleistet, spricht man von einem Meßsucher. Das Auge sieht über einen Strahlteiler gleichzeitig die beiden Basisenden der näher kommenden Bilder (Sucher und zusätzliches Fenster), deren Konturen zur Deckung gebracht werden müssen. Hierzu dient ein Schwenkspiegel, der mit der Entfernungseinstellung des Photoobjektivs gekoppelt ist. An Stelle des Schwenkspiegels kann auch ein Drehkeilpaar oder ein Schwenkkeil vor dem Meßfenster angeordnet sein. Die gesamte Basis wird dann aus Stabilitätsgründen meist als kompaktes Prisma ausgeführt. Bei Verwendung von Wechselobjektiven ist zu beachten, daß die Meß- und Einstellsicherheit solcher Basisentfernungsmesser mit wachsender Brennweite abnimmt und für langbrennweitige Objektive (bei Kleinbildkameras ab einer Brennweite von etwa 150 m) nicht mehr ausreicht.

b) E. für geodätische Geräte dienen zur Messung der Schrägstrecke in dem oben erwähnten Meßdreieck. Bei Strichentfernungsmessern sind in der Bildebene des Zielfernrohres symmetrisch zur Strichfigur zusätzlich zwei Entfernungsmeßstriche (Distanzstriche) angeordnet, durch die der parallaktische Winkel im zur Entfernungsmessung benutzten Meßdreieck festgelegt ist. An der senkrecht im Zielpunkte aufgestellten, in Zentimeter geteilten Meßlatte wird der von den Entfernungsmeßstrichen eingeschlossene Lattenabschnitt l abgelesen. Er stellt die Basis im parallaktischen Dreieck dar. Bei horizontaler Zielung ist die zu messende Strecke d gegeben durch d = kl + c. Dabei gilt für die Multiplikationskonstante k = f/p mit f als Objektivbrennweite und p als Abstand der Entfernungsmeßstriche, und die Additionskonstante c ist der Abstand des anallaktischen Punktes des Fernrohres mit Innenfokussierung von der vertikalen Drehachse des Instrumentes. Strichentfernungsmesser kommen in den Fernrohren der Theodolite und Nivellierinstrumente zur Anwendung und ergänzen diese zu Tachymetern.

Die in der Geodäsie verwendeten Doppelbildentfernungsmesser sind Schnittbildentfernungsmesser. Im Strahlengange vor dem Objektiv des Fernrohres befindet sich ein optisches System, ein Keil oder eine Linse, die das Objektiv nur zur Hälfte bedecken und auf diese Weise von einer horizontalen Meßlatte übereinanderliegend zwei um einen konstanten Winkel gegeneinander verdrehte Meßbilder erzeugen. Multipliziert man deren Versetzung mit einer Konstanten k = 100, so erhält man die gesuchte Schrägentfernung.

2) Elektrooptische E. Sie benutzen zur Entfernungsmessung verschiedene Spektralbereiche des Lichtes als Trägerwelle. Es werden unterschieden:

a) Elektrooptische E., die das Prinzip der Phasendifferenzmessung verwenden. Das Licht im sichtbaren oder nahen infraroten Wellenlängenbereich wird mit günstig gewählten Frequenzen so moduliert, daß aus dem in der zu messenden Strecke enthaltenen Vielfachen der jeweiligen Modulationswellenlänge und aus der Größe des Restintervalles die genaue Streckenlänge abgeleitet werden kann. Die Ausmessung des Restintervalls erfolgt mittels analoger Phasenvergleichsverfahren. Zur Ermittlung der Streckenlänge wird mit mehreren Modulationswellenlängen gearbeitet. Mit dem Einsatz der Gallium-Arsenid-Lumineszensdiode konnten durch direkte Modulation der ausgesendeten infraroten Strahlung mit Meßfrequenzen bis in den GHz-Bereich bei niedriger Modulationsspannung für die elektrooptische Entfernungsmessung große Vorteile erzielt werden. Durch die Verwendung von Mikroprozessoren ließ sich der Prozeß der elektrooptischen Entfernungsmessung automatisieren. Als Empfänger dienen hochempfindliche Photodioden (Avalanche-Dioden). Der Mikroprozessor übernimmt die digitale Messung der Modulationsphase, den Phasenvergleich und die Auswertung, berücksichtigt die Korrekturen bezüglich der Additionskonstante (Lichtweg im Gerät und im Reflektor) und der Einflüsse der Atmosphäre wie Temperatur und Luftdruck und berechnet die gemessene Schrägstrecke zwischen dem Instrumentenstandpunkt und dem Zielpunkt mit dem passiven Reflektor, meist Tripelprismen, die das ausgesendete modulierte Licht in sich zurückreflektieren. Je nach Dimensionierung der Sende- und Empfängeroptik und je nach der meteorologischen Sichtweite können Entfernungen von 3 km mit einem Prisma auf 1 cm genau gemessen werden.

Elektrooptische Präzisionsstreckenmeßgeräte arbeiten mit höheren Modulationsfrequenzen und teilweise mit mindestens zwei Trägerwellenlängen zur Eliminierung der Einflüsse der Atmosphäre.

b) Elektrooptische E., die nach dem Pulsverfahren arbeiten, wie Impulsentfernungsmesser. Sie messen die Laufzeit zwischen Aussendung und Empfang von auf Trägerwellen aufmodulierten Impulsen und leiten aus der gemessenen Zeitdifferenz die Strecke ab. Als Trägerwellen dienen hochfrequente elektromagnetische Wellen. Sie besitzen die Eigenschaften, sich innerhalb eines homogenen nichtleitenden Mediums mit konstanter Geschwindigkeit auszubreiten und an der Grenzfläche unterschiedlicher Medien im allgemeinen reflektiert zu werden. Zur weiteren Steigerung der Genauigkeit werden Laserstrahlen als Trägerwellen zur Messung langer Strecken eingesetzt. Mit dieser Methode der Laufzeitmessung können auch die Entfernungen zum Erdmond und zu Satelliten sehr genau bestimmt werden. Zu diesem Zwecke wurden auf dem Monde Reflektoren aufgestellt, und Satelliten werden ebenfalls mit Reflektoren ausgerüstet. Man arbeitet häufig mit Rubin- oder YAG-Lasern. Laser und Empfangsfernrohr für den reflektierten Impuls müssen ständig sehr genau nachgeführt werden. Die Impulslängen liegen bei 1 bis 3 ns, und die Genauigkeit der Entfernungsmessung beträgt 1 bis 3 m.

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