-
Stabilisiervorrichtung für optische Geräte Die vorliegende Erfindung
betrifft optische Vorrichtungen, die dazu dienen, in einem Bildrahmenbereich der
Vorrichtung die Abbildung eines äußeren Objekts gegen kleine Bewegungen der Vorrichtung
gegenüber diesem Objekt zu stabilisieren. Das stabilisierte Bild kann dabei entweder
innerhalb des Bildrahmens feststehend gehalten werden oder so, daß es die Tendenz
aufweist, sich quer zum Rahmen zu versetzen, z. B. um hiermit die Vorrichtung zu
einer entsprechenden Bewegung in der entgegengesetzten Richtung zu zwingen, so daß
das Bild feststehend im Rahmen gehalten wird.
-
Die Erfindung ist insbesondere für Zwecke gedacht, bei denen
in der Spitze eines Geschosses eine Fernsehkamera eingebaut ist, um zu einer entfernten
Station ein Bild des verfolgten Zieles zu übertragen, an Hand dessen das Geschoß
von einem Piloten in dieser Station genau gesteuert werden kann. Die Bewegung bestimmter
Geschosse ist durch kleine regellose Schwingungen um die Längsneigungsachse und
die I-Tochachse gekennzeichnet, wodurch das im Empfänger dargestellte Bild durch
starkes Zittern gestört wird und nicht mehr in befriedigender Weise für Geschoßsteuerzwecke
verwertet werden kann, wenn nicht ein System zum Stabilisieren des Bildes an der
Kamera vorgesehen würde. Außerdem kann ein Geschoß mit ausreichender Genauigkeit
gestartet werden, um einen Empfangspunkt zu erreichen, worunter eine Stellung verstanden
wird, von der aus das Ziel sichtbar sein sollte, in dem zwar die Blickrichtung im
Raum auf das Ziel bekannt ist, aber die Orientierung des Geschosses (die nicht genau
bestimmbar ist) nicht richtig sein kann, so daß das Ziel nicht in die Sichtlinie
der starr eingebauten Kamera fällt.
-
Es ist bekannt, ein Bild, das von einem sich bewegenden Film erhalten
wird, durch einen Spiegel zu stabilisieren, welcher sich um eine einzige Achse entgegengesetzt
und entsprechend der Filmbewegung innerhalb eines begrenzten Winkelbereiches dreht.
Solch eine Anordnung ist jedoch nur anwendbar, wenn die Bewegung nicht willkürlich,
#d. h. in verschie,denen Richtungen erfolgt, sondern regelmäßig und vorbestimmt
ist, anderfalls der Spiegel nicht mit der entsprechenden Geschwindigkeit zur Bildstabillsation
gedreht werden kann.
-
Beide Aufgaben der vorliegenden Erfindung nämlich das Stabilisieren
des Bildes gegen Zitterbewegungen und das Ausrichten der Sichtlinie in eine vorbestimmte
Richtung - könnten durch ein Stabilisieren der Kamerastellung mit Hilfe eines
Servosystems gelöst werden, das mit einem Kreisel betrieben wird. Das Gewicht der
Kamera würde jedoch ein Hilfsgerät erfordern, das sehr teuer und kompliziert wäre.
-
Der Gegenstand der Erfindung kann auch in Fällen Anwendung finden,
in denen ein billiges und nicht überladenes Stabilisierungssystem für Fernsch-oder
Fotokameras, für ein Teleskop oder andere optische Geräte auf der Erde erwünscht
ist, beispielsweise zum Stabilisieren gegen kleine Bewegungen des Stützrahmens oder
der Bedienungsperson, die die Vorrichtung hält.
-
Diese Aufgaben werden gemäß der vorliegenden Erfindung mit einer Vorrichtung
erreicht, die keine schwierige oder teure Ausstattung benötigt. Die optische Vorrichtung
zum Stabilisieren des Bildes eines äußeren Objektes gegen kleinere Drehbewegungen
des Instruments gegenüber dem Objekt um senkrecht zueinander verlaufende Achsen
in einem Bildrahmenbereich der Vorrichtung mittels eines Spiegels, welcher so befestigt
ist, daß er sich um jene Achsen drehen kann und die ein Linsensystem, das diesen
Spiegel enthält, aufweist, ist dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel erfindungsgemäß
bezüglich der beiden senkrecht zueinander verlaufenden Achsen durch einen Kreisel
gesteuert wird, welcher so eingebaut ist, daß er die Freiheitsgrade dieser Achsen
besitzt.
-
Alles Nähere über die Erfindung ergibt sich aus der nachfolgenden
Beschreibung in Verbindung mit den Zeichnungen. Im einzelnen zeigt
F
i g. 1 eine schematische, teils geschnittene und teils perspektivische Ansicht
eines Ausführungsbeispiels des Erfindungsgegenstandes, F i g. 2 bis
5 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsbeispiele des Erfindungsgeggenstandes.
Die Erfindung wird zunächst an Hand eines Ausführungsbeispieles in der Verwendung
zur Stabilisierung eines auf die Aufnahmeröhre einer Fernsehkamera gelangenden Bildes
gegen Längsneigungen und Gierbewegungen beschrieben, wobei die Kamera im Kopf eines
Geschosses so angeordnet ist, daß sie zu einer entfernten Station, beispielsweise
zu einer Bodenstation oder zu einem Steuerflugzeug, ein Bild des verfolgten Zieles
zum Zwecke der Steuerung des Geschosses übertragen kann, wie bereits vorstehend
erwähnt worden ist.
-
Die optische Vorrichtung gemäß der Erfindung hat ein lichtdichtes
Gehäuse 10, in welchem ein Kreisel 11 mit einem in einem inneren Aufhängebügel
13 und einem äußeren Aufhängebügel 14 gelagerten Rotor 12 angeordnet ist.
Das Gehäuse ist im Geschoß so gelagert, daß:die Achsen 13' und 14' der Bügel
parallel zu den senkrecht aufeinander stehenden Längsneigungs- und Hochachsen des
Flug-.körpers verlaufen. Der Rotor wird von einem nicht dargestellten Motor angetrieben,
der auch innerhalb des Rotors angeordnet sein kann. Auf dem überden Aufhängebügel
13 vorstehenden Teil der Welle des Rotors ist ein gesteuerter Spiegel
15 befestigt, dessen Spiegelebene senkrecht zu der Drehachse 12' verläuft.
Der Spiegel könnte auch an dem Aufhängebügel 13 so befestigt sein, daß er
senkrecht zu der Drehachse liegt.
-
Auf der dem Spiegel gegenüberliegenden Seitedes Gehäuses sind ein
Linsensystem in Form einer Linse 17, die aus Einzellinsen zusammengesetzt
sein kann, und ein Bildrahmenbereich 20 angeordnet, innerhalb dessen das Schinnende
einer Femseh-Aufnahmekamera 21 liegt. Brauchbare Werte für die Länge des optischen
Weges 22 vom ersten Hauptpunkt der Linse 17 zum Spiegel und für die Länge
des optischen Weges 23 vom Spiegel bis zum Bildbereich 20 werden nachstehend
erörtert.
-
Die optische Anordnung weist auch eine Einrichtung auf, die gewährleistet,
daß die SichtEnie 24 vom ZielzurVorrichtungbeinormalemBetrieb annähernd parallel
zu der Drehachse 12' des Kreisels verläuft. Diese Vorrichtung kann gewöhnlich die
Form eines Spiegelpaares25 zum Erzielen einer konstanten Ab-
lenkung haben.
-
Um das Gehäuse gegen das Eindringen von Staub zu schützen, gelangt
das Licht in das Gehäuse durch ein Fenster 26, das auch eine Linse sein könnte,
die einen Teil des optischen Systems bildet.
-
Das Instrument ist im Kopf eines Geschosses so angeordnet, daß der
Blick vor dem Fenster 26 frei ist. Die durch die optischen Wege 22 und
23 bestimmte Ebene ist so angeordnet, daß sie senkrecht zu der Längsneigungsachse
verläuft, wobei die Achse 14' des äußeren Aufhängebügels parallel zu der Hochachse
verläuft. Durch diese beiden Merkmale wird gewährleistet, daß die Sichtlinie 24
parallel zu der Längsachse des Geschosses verläuft. Der Kreisel wird so hochgefahren,
daß seine Drehachse parallel zu der Längsneigungsachse und damit zu der Sichtlinie
liegt. Der Kreisel und der Spiegel haben so zwei Freiheitsgrade gegenüber den senkrecht
zueinander verlaufenden Längsneigungs- und Hochachsen. Die vorstehend beschriebene
optische Anordnung ist so ausgebildet, daß bei einem normalen Flug, bei dem die
Längsachse des Geschosses auf das Ziel gerichtet ist, eine Abbildung dieses Zieles
durch das Fenster 26 hindurch über die Spiegel 25, die Linse
17
und den gesteuerten Spiegel 15 in den Bildrahmenbereich 20 projiziert
wird und somit auf den Schirm der Kamera 21, von wo aus sie zu der entfernten Empfangsstation
durch irgendein bekanntes Fernsehübertragungsverfahren gelangt.
-
Mit Hilfe der Gesetze der Optik kann gezeigt werden, daß bei einer
Länge des optischen Weges 22 gleich der Hälfte der Brennweite des Linsensystems
17 eine kleine Drehbewegung in irgendeiner Richtung um die Längsneigungsachse
- d. h. die senkrecht zu der Zeichnungsebene verlaufende Achse
-
die Lage des Bildes nicht wesentlich stört, das gegenüber dem Rahmenbereich
20 (und damit gegenüber der Kamera) feststehend bleibt. Die Länge des Weges
23 wird durch das Erfordernis bestimmt, den Rahmenbereich 20 in der
Brennebene des Linsensystems, anzuordnen.
-
Das Bild wird in ähnlicher Weise gegen kleine Drehbewegungen um die,
Hochachse stabilisiert, obwohl der Stabilisationsgrad hier etwas weniger genau ist.
Für solche Bewegungen arbeiten auch:die Spiegel 25 für eine konstante Ablenkung
weniger wirkurigsvoll, so daß einige nachstehend angeführte Abwandlungen dieses
Teiles der Vorrichtung erforderlich sind, wenn die Forderung, daß die Drehachse
bei normaler Betriebsweise parallel zu der Sichtlinic verlaufen soll, genauer erfüllt
werden muß. Wo dies nicht erforderlich ist, kann die Vorrichtung so bebetrieben
werden, daß der optische Weg 22 auf das Ziel ausgerichtet ist und die Spiegel
25 weggelassen werden.
-
Anderseits bewirkt eine Winkelabweichung der Zielrichtung von der
Sichtlinie des Instrumentes, die nicht von einer Drehung des Flugkörperrahmens begleitet
ist, keine Kompensationsbewegung des kreiselgesteuerten Spiegels, und entsprechend
bewegt sich das Bild relativ zu dem Schirm der Fernsehkamera. Diese Bewegung wird
von dem entfernten Beobachter dahingehend ausgewertet, daß der Geschoßbahn eine
Korrektur erteilt werden muß.
-
So kann die Steuerung des Geschoßfluges von einem entfernten Beobachter
ausgeführt werden, ohne daß die Beobachtung des Bildes auf dem Schirm der Fernsehempfängerröhre
durch ein Zittern des Bildes infolge kleiner Winkelabweichungen der vorstehend beschriebenen,
Art gestört wird.
-
Da beim Gegenstand der Erfindung das einzige vom Kreisel zu steuernde
Objekt der Spiegel 15 ist, kann die Vorrichtung bedeutend einfacher und billiger
werden, als wenn die Kreiselsteuerung auf die ganze FernsehkamQra ausgeübt werden
müßte.
-
Falls es im Einzelfall günstiger sein sollte, könnte der ebene Spiegel
15 durch einen nicht dargestellten sphärischen Spiegel, der entweder konkav
oder konvex sein könnte, ersetzt werden. Für die Stabilisierung des Bildes sollte
die Länge des optischen Weges 22 etwa gleich der Hälfte der Brennweite der Linse
17
sein wie zuvor auch. Ebenfalls wie beim vorstehenden Ausführunggsbeispiel
wird die Länge des Weges 23 von der passenden Spiegelgleichung bestimmt.
Diese Länge ist kleiner, wenn ein Konkavspiegel verwendet wird, aber immer noch
größer, als wenn der Spiegel wie bei dem Ausführungsbeispiel nach F i
g. 1
eben ist. Durch eine Änderung der Weglänge 22 in geringem
Umfange vondem angegebenen Wert wird die Drehung des Flugkörpers von einer kleinen
Bewegung des Bildes quer zum Bildschirm begleitet. Eine solche Bewegung könnte für
spezielle Steuerzwecke erwünscht sein.
-
Wenn die Winkelbewegung der Kamera wahrscheinlich klein bleibt, können
die Spiegel 25 durch ein in F i g. 2 dargestelltes optisches Brechungsprisma
ersetzt werden, das so angeordnet ist, daß es in seinem Bereich mit der geringsten
Ablenkung arbeitet. Eine etwas wirkungsvollere Anordnung zum Einhalten einer annähernden
Parallelität zwischen der Sichtli#nie und der Drehachse unter Verwendung eines optischen
Systems zur gleichbleibenden Ab-
lenkung des Lichtstrahls in jedem der optischeaWege
von und zu dem Kreisspiegel ist in F i g. 3 dargestellt. Hier wird das in
der Sichtlinie 24 empfangene Bild auf den Kreisspiegel 15 über ein erstes
Paar von eine konstante Ablenkung bewirkenden Spiegeln 31 und 32,
die ein Linsensysteni 33 zwischen sich haben, projiziert. Das reflektierte
Bild gelangt wieder über den Spiegel 32 und einen dritten feststehenden Spiegel
34 zur Kamera 21, wobei diese beiden Spiegel das zweite Spiegelpaar für eine konstante
Ablenkung bilden. Es könnten auch andere Anordnungen für eine gleichbleibende Ablenkung
verwendet werden.
-
Bei einem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4 kann die Vorrichtung
so angeordnet sein, daß der Weg 22 (F i g. 1) mit der Drehachse 12' und der
Sichtlinie 24 fluchtet und der Spiegel 15 nun mit seiner reflektierenden
Fläche gegen die Rotationsachse geneigt ist und nicht mehr senkrecht zu ihr verläuft,
so daß er das Bild auf den Weg 23 zur Kamera 21 ablenkt.
-
In einer Abwandlung,der Anordnung nach F i g. 3
ist der Spiegel
32 durch einen halbreflektierenden Spiegel 35 (s. F i g. 5)
ersetzt, durch den hindurch die vom Spiegel 15 reflektierten Strahlen zur
Kamera 21 gelangen. Bei dieser Anordnung können die am Spiegel 15 einfallenden
Strahlen senkrecht zu ihm verlaufen.
-
Bei jeder der obengenannten Ausführ-ungsformen könnten in dem Lichtweg
23 weitere Spiegel- oder Linsensysteme zum Ändern der Bildgröße usw. vorgesehen
sein, ohne die Stabilisation des Systems zu beeinflussen. Wenn die Anordnung der
Kamera an einer anderen Stelle zweckmäßiger wäre, beispielsweise außerhalb des Gehäuses
10, kann der Bildrahmenbereich 20 (F i g. 1) wieder innerhalb des
Gehäuscs angeordnet sein wie bei den vorstehend beschriebenen optischen Anordnungen,
und der Bereich 20 und der Schirm der Kamera könnten durch ein weiteres optisches
System miteinander verbunden sein, beispielsweise durch ein Bündel optischer Fasern.
-
In den aufgeführten Ausführungsbeispielen könnte der Kreiselrotor
an Stelle in Aufhängebügeln auch in einem Hookeschen Gelenk gelagert und mit einer
Glocke aus elektrisch leitfähigem Material starr verbunden sein, in der Wirbelstromkräfte
durch Bereichsspulen - d. h. Empfindlichkeitsspulen - so wirksam gemacht
werden, daß der Kreisel in einer gewünschten Richtung präzessiert wird oder bewirkt,
daß die Vorrichtung auf die Drehgeschwindigkeit anspricht. Ein besonderes Anwendungsgebiet
für solch ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ergibt sich bei Fernsehkameras,
die auf Karren, Laufkatzen od. dgl. angeordnet sind. Hier ist der Kreisel nicht
vollständig frei, sondern Zwangskräften ausgesetzt, indem Ströme durch die Bereichspulen
geschickt werden, um dem Kreisel eine gewünschte Stellung relativ zum Gehäuse zu
geben. Eine ungedämpfte Winkelbewegung des Gehäuses aus einer Ausrichtung mit der
Kreiseldrehachse heraus bewirkt einen Rückstelldrall auf den Kreisel, der dadurch
gezwungen wird, der Bewegung mit einer Zeitkonstanten zu folgen, die durch die Ströme
in den Breichsspulen bestimmt wird. Die Sichtlinie folgt so ebenfalls der sich ändernden
Richtung der Kamera mit solch einer Zeitkonstanten, daß sie gegen-über durch ungeregeIte
Bewegungen der Kamera in der Vorrichtung wie vorstehend beschrieben verursachten
Zitterbewegungen gedämpft ist.