DE1498233A1

DE1498233A1 - Beobachtungsgeraet mit Kollimator

Info

Publication number: DE1498233A1
Application number: DE19651498233
Authority: DE
Inventors: Kegelmann Thomas D; Abel Irving R
Original assignee: United Aircraft Corp
Current assignee: Raytheon Technologies Corp
Priority date: 1964-07-29
Filing date: 1965-07-26
Publication date: 1968-12-05
Also published as: GB1081034A; US3446916A; DE1498233B2; SE319321B

Description

Für diese Anmeldung wird die Priorität aus der amerikanischen Patentanmeldung Serial-No. 385.880 vom 29. Juli 1964 in Anspruch genommen·

Die Erfindung betrifft ein Beobachtungsgerät mit Kollimatort insbesondere zur Kombination γοη Bildern, welches Verzerrungen vermeidet und trotzdem einen einfachen und gedrängten Aufbau zeigt.

Es ist allgemein bekannt, daß der Raum im Innern des Kockpits eines Flügzeugs mit größter Sorgfalt eingeteilt werden muß. Wegen der großen Anzahl der verschiedenartigsten Instrumente und Steuergeräte, die dem Piloten zur Verfügung stehen müssen, ist es von größter Bedeutung, daß jedes einzelne Gerät nur einen möglichst kleinen Raum beansprucht.

Ss sind zahlreiche Geräte bekannt geworden, die Bilder liefern, welche dem Piloten die Bedienung des Flugzeugs er-

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leichtern sollen, insbesondere, wenn das Landemanöver durchgeführt werden soll. Bei der Durchführung des Landemanövers besteht für die meisten Piloten ein ganz natürliches Bestreben, ihre Aufmerksamkeit dem Gelände und der ganzen Umgebung außerhalb des Flugzeugs zuzuwenden und die Geräte, welche die Bilder liefern und ihm eine sichere Landung ermöglichen sollen, nicht zu beobachten. Hieraus entstehen natürlich verschiedene Probleme, so daß man bereits vor längerer Zeit versucht hat, optische Geräte zu schaffen, die es dem Piloten ermöglichen, gleichzeitig das Gelände außerhalb des Flugzeugs und auch das Bild der Umgebung von seiner normalen Stellung im Kockpit aus zu beobachten· Bei einem Gerät dieser Irt ist ein ebener Spiegel vorhanden, der das Bild zusammensetzt und sich unmittelbar vor dem Piloten befindet; ein optisches System aus einzelnen Linsen entwirft ein Bild mit parallelen Lichtstrahlen von der Oberfläche einer Kathodenstrahlröhre, und dieses Bild wird von dem Kombinator reflektiert. Eine derartige Einrichtung ist in gewissem Umfang nützlich, weist aber eine Anzahl von fachteilen auf. Es ist in erster Linie relativ kompliziert, benötigt ungewöhnlich viel Baum und ist auch recht teuer. Außerdem muß das optische System hinsichtlich der chromatischen Aberration korrigiert sein·

Zur Beseitigung dieser fachteile des bekannten Geräts hat man eine Lösung gefunden, bei der ein parabolisches Bildkombinationsgerät unmittelbar vor den Piloten hingestellt wird. Sollen bei einem solchen Gerät starke optische Aberrationsfehler vermieden werden, dann muß das parallelgerichtete Bild in die

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Parabolachse verlegt werden und der Sektor der Parabel, welcher der Kollimation dient, auf Bereiche in der Nähe der Achse beschränkt werden. Um dies zu erreichen, hat man bisher optische Systeme nach dem ^Hüber-die-Sohulter-Systern" (over-the-shoulder) oder dergleichen entwickelt, um das BLId in eine Stellung in der Brennpunktsebene des Kombinators zu werfen. line solche Anordnung ist nicht nur optisch verwickelt und räumlich äußerst umfangreich, sondern hat noch den Kachteil, daß der Pilot seine Beobachtungestellung nicht bequem ändern kann, ohne die Übertragung des Bildes auf den Kombinator zu stören.

An sich wäre es zur Lösung des Problems, die bei parabolischen Kombinatoren auftreten, möglich, das Element zur Erzeugung des Bildes in die Brennpunktsebene eines parabolischen Kombinators zwischen die normale Beobachtungsstellung des Piloten und den Kombinator zu stellen. Diese sich anbietende lösung hat den offensichtlichen Nachteil, der Störung der Beobachtung der Umgebung durch den Piloten, weil sich das Organ zur Erzeugung des Bildes zwischen dem Auge des Piloten und dem Kombinator m* befindet·

Aus dieser Betrachtung ergibt sich, daß keines der bisher bekannt gewordenen Geräte das Problem, welches oben umrissen worden ist, einwandfrei gelöst hat und welches darin besteht, daß der Pilot ein von einem Instrument entworfenes Bild gleichzeitig mit der visuellen Beobachtung der Umgebung des Flugzeugs auf einfache und bequeme Weise beobachten soll, ohne daß er den Blick entweder von der äußeren Umgebung oder von dem optisch entworfenen Bild abwenden muß«

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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile der bisherigen Geräte zu vermeiden.

Das neue Gerät soll folgende Zwecke erfüllen: 1«) Es soll ein Kollimatorsystem haben, welches die Nachteile der bisher bekannten Geräte mit Bildkombination vermeidet. 2.) Das neue Gerät soll es einem Benutzer ermöglichen, gleichzeitig das von einem optischen Gerät entworfene Bild und die Umgebung außerhalb des Flugzeugs zu beobachten, ohne daß beide Beobachtungen sich gegenseitig stören« 3.) Das neue Gerät soll aber mit seinen sämtlichen einzelnen Bauteilen auch nicht die Bewegungsfreiheit des Piloten beschränken«

4·) Das neue Gerät soll außerdem möglichst wenig Saum beanspruchen«

5.) Schließlich soll das Gerät nach dem Kollimationsprinzip arbeiten, einfach im Aufbau und billig in der Herstellung sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird die Anordnung so getroffen, daß ein Kollimator-Beobachtungsgerät so aufgebaut wird, daß sich ein Element zur Bilderzeugung in der Brennpunktsebene eines asphärischen Kombinators zwischen und unterhalb einer Linie befindet, die von der normalen Beobachtungssteilung des Piloten oder eines sonstigen Benutzers des Geräte· längs einer Visierlinie zu dem Kombinator führt, ohne daß Kollisionen die Beobachtung oder die Bewegungsfreiheit des Piloten stören und ohne daß der Charakter des Bildes beeinträchtigt wird«

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Dabei soll insbesondere die Hinterseite des Schirmes einer Kathodenstrahlröhre auf diese neue Art und Weise angeordnet werden.

In dem nun folgenden Beschreibungsteil soll die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung im einzelnen näher erläutert werden·

In der Zeichnung ist:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Einbaus des Beobachtungsgerätes nach der Erfindung in das Kockpit eines Flugzeugs,

Fig. 2 eine schematische Darstellung in vergrößertem Maßstab mit den einzelnen Bauteilen des Beobachtungsgeräts mit Kollimator nach der Erfindung, und

Fig. 3 eine schematische Darstellung einer abgeänderten Ausführungsform des Beobachtungsgeräts nach der Erfindung.

In Fig. 1 der Zeichnung ist das Kockpit als Ganzes mit 10 bezeichet,und in dem Kockpit ist der Sessel 12 für den Piloten unmittelbar hinter dem Paneel 14 für das Instrumentenbrett angeordnet. In dem Paneel 14 befindet sich auch der Steuerknüppel 16.Die Fußhebel 18 für das Ruder befinden sich unmittelbar oberhalb des Fußbodens 20 und unter dem Paneel 14. Die Skizze zeigt, daß man auch bisher schon den Baum in dem Kockpit 10 mit besonderer Sorgfalt ausgenutzt hat. Natürlich müssen auch alle anderen Instrumente und Geräte für den Piloten so angeordnet sein, daß der freie Blick durch das Kabinenfenster nicht gestört wird.

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Ein wichtiges Instrument, welches dem Piloten das Landemanöver erleichtern soll, enthält beispielsweise eine Kathodenstrahlröhre 24. Bisher mußte der Pilot immer den Schirm eines solchen Gerätes beobachten. Außerdem hat man schon Geräte für die Kombination der Bilder entwickelt, die es dem Piloten ermöglichen, das Bild auf dem Bildschirm der Kathodenstrahlröhre gleichzeitig mit der Umgebung des Flugzeugs zu beobachten. Zur Erreichung dieses Ziels benutzen die bisher bekannt gewordenen Kombinatoren verhältnismäßig verwickelte optische Systeme, die dazu dienen, das Bild von der Vorderfläche der Röhre auf den Kombinator zu übertragen.

In dem Gerät nach der Erfindung wird ein Kombinator 26 (siehe Fig. 1 und 2) benutzt, der in dem Fenster der Kabine liegen und einen Teil dieses Fensters bilden kann. Der Kombinator besitzt eine Innenfläche, die mit einem teilweise reflektierenden Film 28, beispielsweise mit einem sehr dünnen Aluminiumfilm_y bedeckt sein kann. Die äußere Fläche des Kombinators trägt einen nicht reflektierenden Überzug 30 aus einem geeigneten Material, beispielsweise aus Magnesiumfluorid. Der Kombinator selbst besteht aus einem durchscheinenden Material, beispielsweise aus Glas oder einem durchsichtigen Kunststoff passender Stärke.

Der Kombinator hat asphärische Gestalt, so daß er mit besonderem Vorteil hinsichtlich der verschiedenen optischen Eigenschaften verwendbar ist. Vorzugsweise erhält der Kombinator 26 parabolische Form. Die asphärische Oberfläche kann definiert sein durch die Brennpunktsebene, die optische Achse und eine

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asphärische Gleichung für die Oberfläche. Für den speziellen Fall einer parabolischen Oberfläche lautet die asphärische Gleichung:

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(1) z= , worin

f ■ Brennweite bzw. Abstand von dem Scheitel Y des

Paraboloids zu dem Fokus F, ζ = Abstand der optischen Achse von dem Scheitel der

Parabel gemessen, und x,y ■ rechtwinklige Koordinaten in der Ebene senkrecht zur optischen Achse ist.

Die Leitlinie D-D¹ der parabolischen Fläche des Kombinators ist eine Ebene, die senkrecht zu der optischen Achse in einem Abstand f auf der anderen Seite des Scheitels verläuft.

Für eine rotationssymmetrische asphärische Oberfläche ist die Form gegeben durch die Gleichung:

(2) ζ . a(x²+y²)₊b(x²+y²)²+c(x²+y²)⁵+d(x²+y²)⁴+ ,

worin a, b, c, d usw. konstante Koeffizienten sind. Bs versteht sich von selbst, daß auch nicht-rotationssymmetrische Flächen verwendet werden können.

Fig· 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel für einen parabolischen Koabinator 26 mit einer Leitlinie D-D¹, einem Brennpunkt F und einem Scheitelpunkt Y,sowie mit der in strichpunktiertem Linienzug angedeuteten Krümmungslinie des Querschnitts des Kombinat ore·

Bei dem Beobachtungsgerät mit Kollimator nach der

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Erfindung ist die Anordnung so getroffen, daß die Kathodenstrahlröhre 24 gegenüber dem Kombinator 26 so eingestellt ist, daß die Eückseite 32 der Kathodenstrahlröhre 24 von dem beobachtenden Piloten über die reflektierende Oberfläche 28 des Kombinators betrachtet werden kann. Infolgedessen kann der Leuchtschirm 32 mit einer Metallscheibe 34 bedeckt werden, die den Phosphorbelag 36 trägt, auf die der in gestrichelten Linien angedeutete Elektronenstrahl fokussiert wird. Da also in diesem Falle die Scheibe, welche die Antikathode bildet, aus Metall besteht, kann die !öhre 24 ait einer sehr viel höheren als der normalen Leistung betrieben werden. Außerdem kann die Oberfläche der Metallscheibe 34 unmittelbar hinter dem Phosphorbelag 36 poliert werden, so daß sich eine bessere Lichtausbeute ergibt, die in dem Phosphor erzeugt wird. Die Eigenschaften des entstehenden Bildes werden dadurch merklich verbessert«

Der Außenkörper 35 der Bohre 24 besteht aus durchsichtigem Glas, damit die Oberfläche des Phosphorbelags 36 beobachtet werden kann. Mn Metallring 36 wirkt wie ein Kollektor für die Elektronen, die auf die Scheibe 34 auftreffen. Die Metallscheibe 34 hat ferner die Wirkung, daß sich im Innern der Kathodenstrahlröhre keine merkliche Raumladung ausbildet. Auf diese Heise erhält man auch ein besseres Auflösungsvermögen.

Im Innern der Kathodenstrahlröhre 24 befindet sich in üblicher Weise eine Elektronenkanone 38 und Ablenkelektroden, beispielsweise vertikale Ablenkplatten 40 und horizontale Ablenkplatten 42, die den Elektronenstrahl relativ zu einem vor-

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bestimmten Ablenkungszentrum ablenken. Man sieht ohne weiteres, daß die Differenz der Winkel des Elektronenstrahls und des Elektronenstrahls gegenüber der Achse der Bohre 24 das leuchtbild gegenüber dem Phosphor empfindlicher gestalten als dies bei dem Elektronenbild der Fall ist. Die bilderzeugende Fläche 36 liegt dabei im allgemeinen in der Brennpunktsebene der asphärischen reflektierenden Oberfläche 28,und die Achse der Bohre 24 liegt in der optischen Achse des Kombinators 26·

Es ist gefunden worden, daß für eine geeignete Kollimation der Lichtstrahlen aus dem Phosphor, die von der Fläche 28 reflektiert werden müssen, ein besonderer Vorteil dadurch erzielt wird, wenn man dieser Fläche eine etwas asphärische Gestalt gibt. Außerdem ist der Ablenkungsmittelpunkt der Bohre erfindungsgemäß in den Scheitelpunkt des Kollimators gelegt, so daß die Krümmung dee Kombinators nicht mit der korrekten Winkelstellung kollidiert. Selbstverständlich müssen die inneren und äußeren Flächen des Kombinators parallel oder mindestens annähernd parallel zueinander verlaufen.

Das Beobaehtungsgerät mit Kollimator nach der Erfindung weist im übrigen noch eine Heike anderer bemerkenswerter Merkmale auf« So wird beispielsweise kein vollkommen rotationssymmetrischer Kombinator verwendet, sondern ein in Abschnitte unterteilter Kombinator; die assyrischen Koeffizienten sind außerdem so gewählt, daß bestimmte Bereiche des Kombinators die Feldwinkel, unter denen diese Bereiche benutzt werden, bevorzugen·

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Mit anderen forten, es werden die asphärischen Koeffizienten so ausgewählt, daß die Winkelstellung, unter welcher der Beobachter die Scheibe betrachtet, günstig beeinflußt wird»

Es gelangen ferner nur ganz wenige Parallaxenbereiche für unterschiedliche Feldwinkel zur Anwendung, damit diese nach Möglichkeit mit den Bereichen zusammenfallen, die von den Feldwinkeln überstrichen werdenj auch dies geschieht durch geeignete Auswahl bestimmter Sätze asphärischer Koeffizienten» Da die Aberrationskurven unterschiedlichen Spitzen ier Feldwinkel in verschiedenen Hghen an dem Koabinator entsprechen, werden die Aberrationskurven für diejenigen Feldwinkel bemessen, die in den Bereichen an dem Kombinator auftreten, unter denen diese Feldwinkel beobachtet werden·

Die asphärischen Koeffizienten des Kombinators 26 sind ferner erfindungsgemäß so gewählt, daß der Astigmatismus einen Miadeatwert erreicht· Es ist gefunden worden, daß die zu dieses Zweck ausgewählten Koeffizienten mit den erwünschten Koeffizienten für die Korrektur der Parallaxe kompatibel sind· Bereits erwähnt wurde, daß die Verzerrung durch geeignete Formgebung der Phosphoroberfläche auf ein Mindestmaß gebracht wird, Biest präzise Formgebung der Phosphoroberfläche für die Zwecke der Korrektur der Verzerrung bei der linearen Ablenkung in der Kathodenstrahlröhre ist durchaus kompatibel mit der richtigen Fokussierung infolge dtr großen Winkeldifferenz zwischen dem auf die Scheibe (Antikathode) fokussierttn Elektronenstrahl und dem Lichtstrahl, der aus der Phosphor schicht herauskommt. Da die

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innere und äußere Fläche des Kombinators praktisch parallel zueinander verlaufen, ist das durch den Kombinator übertragene Bild durch die vorgenommene Gesamt "brechung praktisch nicht beeinflußt,

Fig. 3 zeigt eine abgeänderte Ausfuhrungsform des Beobachtungsgerätes nach der Erfindung, bei welcher das zu beobachtende Bild mit Hilfe einer linse 46 auf eine optische Bohre 44 aus einer Vielzahl τοπ optischen Fasern und von da auf eine Fläche 48 übertragen wird, die sich in der Brennpunktsebene des in Segmente eingeteilten asphärischen Kombinators 26 befindet«

Bei Benutzung des Beobachtungsgerätes nach der Erfindung kann der Pilot in aufrechter Sitzstellung auf den Kombinator schauen· Sr ist ohne weiteres in der Lage, sowohl das Gelände außerhalb des Flugzeugs als auch das Bild auf dem Phosphorschirm 36 bzw· auf der Fläche 48 ohne jede Verzeichnung zu betrachten« Die Oberfläche, die das Bild trägt, ist so angeordnet, daß der Hlot absolute Bewegungsfreiheit hat und daß keine Gefahr besteht, daß er mit dem auf die Fläche 28 reflektierten Bild in Kollision gerät. Es sei hier ausdrücklich erwähnt, daß bei dem neuen Beobachtungsgerät nach der Erfindung nur eine einzige reflektierende Fläche zur Anwendung gelangt, im Gegensatz zu den verwickelten optischen Systemen bei den bisher bekannt gewordenen Geräten·

Aus der obigen Beschreibung geht hervor, daß die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe durch den Erfindungsgegenstand einwandfrei gelöst ist. Die 2wecke, die das neue Gerät

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erfüllen soll, »erden einwandfrei erreicht. Tatsächlich kann ein Pilot oder ein anderer Beobachter mit dem Beobachtungsgerät gleichzeitig ein von einem Instrument erzeugtes Bild und das außenliegende Gelände beobachten, ohne daß die eine Beobachtung mit der anderen Beobachtung kollidiert« Das neue Beobachtungsgerät zeigt einen einfachen Aufbau und nimmt sehr wenig Platz in Anspruch. Die einzelnen Bauteile des Geräts sind so angeordnet, daß die Bewegungsfreiheit eines Beobachters, beispielsweise eines Piloten, nicht beeinträchtigt wird.

Der Erfindungsgegenstand ist in der obigen Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung an Hand zweier Ausführungsbeispiele näher erläutert* Is versteht sich indessen τοπ selbst, daß der Fachmann auf diesem Spezialgebiet der Technik zahlreiche .änderungen an dem Srfindungsgegenstand Tornehmen kann, ohne deshalb den Rahmen der Erfindung verlassen zu müssen·

- Patentansprüche -

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ßAD ORIGINAL

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Claims

Dr, Expi, j

Patentansprüche

rU Beobachtungsgerät mit Kollimator und einem in Segmente unterteilten parabolischen Kombinator für das Bild, gekennzeichnet durch einen Kombinator (26), der eine zum Teil reflektierende Schicht (28) auf der einen Seite zwecks Bildung einer Fläche mit einem Scheitel und einer Brennpunktsebene sowie einer optischen Achse besitzt, ferner einen nicht-reflektierenden überzug (30) auf der anderen Seite, und eine Katho^ denstrahlröhre (24) mit einem asphärischen Schirm (32), der eine Scheibe (34) aus Metall und einen Phosphorbelag (36) trägt, auf dem ein Bild erzeugt wird, wobei die Kathodenstrahlröhre in an sich bekannter Weise einen Ablenkungsteil (40,42) aufweist und zusammen mit diesem im Scheitelpunkt und mit der bilder zeugenden Fläche in der Brennpunkts ebene im paraxialen Bereich der Oberfläche angeordnet ist.

2, Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kombinator ein Segment mit asphärischer reflektierender Oberfläche aufweist, und die Kathodenstrahlröhre (24) einen aephärisehen Schirm besitzt·

3. Ausführungsform des Beobaohtungsgerätes nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet durch einen in Segmente unterteilten parabolischen Bildkombinator mit einem optischen Körper, der auf der einen Seite einen teilweise reflektierenden Überzug trägt» der eine Fläche bildet, die eine eigene optische Achse,

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eine Brennpunktsebene und einen nicht^-reflekti er enden Überzug auf der anderen Seite trägt.

4. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, gekennzeichnet durch eine Kathodenstrahlröhre mit einem Bildschirm, auf dessen Rückseite ein Bild erzeugt werden kann, wobei die Rückseite des Schirms in der Brennpunktsebene in dem paraxialen Bereich der Oberfläche liegt»

5. Beobachtungsgerät nach Artspruch t oder Ilnteransprüchen, dadurch gekennzeichnet», daß sich das Element zur Bilderzeugung in der Brennpunkts ebene eines asphärischen Eombinators für das Bild unterhalb einer linie befindet, die von äei normalen Beobachtungsstelle des Piloten oder eines anderen Benutzers des Gerätes längs einer Yisierlinie zu dem Kombinator führt*

6. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine asphärische reflektierende Oberfläche mit einer optischen Achse und eine Brennpunktsebene und eine Kathodenstrahlröhre mit Bildschirm und einer Einrichtung zur Befestigung dieser Röhre in solcher Anordnung, daß die Rückseite des Schirms in der Brennpunktsebene der asphärischen reflektierenden Oberfläche in deren paraxialem Bereich liegt.

7. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 oder Ilnteransprüchen, gekennzeichnet durch eine Visierlinie, die es ermöglicht, ein Bild längs einer Beobachtungslinie Tön einer Beobachtungsstelle aus zu betrachten, und einen in Segmente unterteilten asphärischen

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Bildkombinator, dessen optische Achse parallel zu der Beobachtungslinie und unterhalb dieser Linie verläuft.

8. Beobachtungsgerät nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildkombinator einen durchsichtigen Teil und einen teilweise reflektierenden Überzug auf einer Fläche dieses Teils soiie einen nicht-reflektierenden Belag auf der anderen Oberfläche dieses Teils aufweist.

9. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenkörper (35) der Kathodenstrahlröhre (24) aus durchsichtigem Glas besteht und der leuchtschirm (32) mit einer Metallscheibe (34) bedeckt ist, die ihrerseits den Hiosphorbelag (36) trägt.

10. Beobachtungsgerät nach Anspruch 1 oder Unteransprüchen zur Beobachtung eines Slides längs einer Visierlinie aus einer Beobachtungsstellung, gekennzeichnet durch eine parabolförmige reflektierende Oberfläche mit einer optischen Achse und einer Einrichtung zur Anordnung und Befestigung dieser reflektierenden Oberfläche unterhalb der Visierlinie.

11· Ausführungsform des Beobachtungsgerätes nach Anspruch 10, gekennzeichnet durch einen asphärischen Bildkombinator mit einer optischen Achse und einer Einrichtung zur Befestigung des Kombinators in solcher Stellung, daß seine optische Achse unterhalb der Visierlinie und parallel zu dieser verläuft.

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12, Ausführung sform des Beobachtungsgerätes nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der asphärische Bildkombinator so angeordnet ist, daß seine optische Achse unter der Visierlinie liegt.

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