DE2937878A1

DE2937878A1 - Optisches geraet mit einrichtung zur bildstabilisierung

Info

Publication number: DE2937878A1
Application number: DE19792937878
Authority: DE
Inventors: Spencer O Gullicksen; Thomas A Roberts
Original assignee: Tracor Inc
Current assignee: Tracor Inc
Priority date: 1978-11-09
Filing date: 1979-09-19
Publication date: 1980-05-22
Also published as: US4260218A; DK472779A; JPS5567724A; SE7908559L; NL7908187A; NO793061L; FR2441240A2; IT7950768A0

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Stabilisierung optischer Systeme und insbesondere solcher Systeme, die einen Stabilisator außerhalb der optischen Achse verwenden.

Ein optisches System zur Vergrößerung, wie z. B. ein Feldstecher oder ein Fernrohr, neigt dazu, im produzierten Bild jede Erschütterung, die dem System während des Hindurchsehens mitgeteilt wird, überzubetonen. Als eine Folge sind stärkere optische Systeme (z. B. mit einer Vergrößerung von mehr als 7) häufig nicht benutzbar ohne ein Hilfsmittel zur Stabilisierung, das solche Effekte aufhebt, da Vibrationen, Muskelbewegungen des Benutzers usw. die betrachteten Bilder in einem solchen Maße stören, daß sie nicht wahrnehmbar sind. Folglich ist es

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nötig, in optischen Systemen mit starker Vergrößerung solche Vibrationen zu kompensieren, besonders wenn solche Systeme in Gebieten mit hoher Vibration oder häufiger Bewegung, wie z. B. an Bord eines Schiffes oder eines Flugzeuges, benutzt werden sollen.

Eine Technik, die benutzt werden kann um ein stabilisiertes Bild zu bekommen, ist, das gesamte optische System von der störenden Bewegung zu isolieren. Eine solche Lösung neigt dazu, teuer zu sein und erfordert einen großen und sperrigen Apparat. Gemäß anderen Vorschlägen, das Stabilisationsproblem zu lösen, werden einzelne Komponenten des optischen Abbildungsweges isoliert. Wenn eine optische Komponente von der störenden Bewegung isoliert wird, kompensiert die sich hieraus ergebende Bev/egung dieser Komponente relativ zum Rest des Systems die Störung, die dem betrachteten Bild durch das restliche optische System mitgeteilt wird.

Diese Methode der Isolierung von Komponenten kann illustriert werden am Beispiel eines typischen interessierenden optischen Systemes, wie eines Feldstechers oder Monokulars. Solche optische Systeme enthalten normalerweise ein Objektiv, ein Okular und ein optisches Verbindungselement. Das Verbindungselement, das häufig aus einem oder mehreren Prismen gebildet ist, ist dem System hinzugefügt, um die Umkehrung und Seitenverkehrung des Bildes, die durch Objektiv und Okular hervorgerufen ist, zu korrigieren.

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In Feldstechern und Monokularen wird das Okular nicht als das für die Stabilisierung geeignete Teil angesehen, da es stationär und nahe am Auge des Betrachters gehalten werden sollte. Zwar wurde auch die Stabilisierung des Objektivs in solchen Systemen versucht, jedoch wurde allgemein von Fachleuten erkannt, daß die erstrebenswerteste Lösung des Stabilisierungsproblemes ist, das Zwischenelement, d. h. das umkehrende und seitenverkehrende Prisma, zu isolieren. Stabilisierte Systeme dieses Types sind bekannt. Typische Beispiele sind beschrieben und erläutert in US-PS 4 013 339 und in einem Artikel von David B. Fräser mit dem Titel "Design of a Low Cost, High Magnification, Passively Stabilized Monocular, the Stedi-Eye" in SPIE Proceedings, Band 39, August 1973. Auf den Inhalt dieser beiden Druckschriften wird für die Offenbarung der vorliegenden Anmeldung Bezug genommen.

Verschiedene Techniken zur Stabilisierung des verbindenden optischen Elementes in binokularen und monokularen Systemen wurden vorgeschlagen, u.a. kreiselstabilisierte zentrale afokale Einrichtungen, programmierte Stabilisierung unter Verwendung hydrostatischer Techniken, abgestimmte und gedämpfte Isolatoren mit Benutzung von Federn und Lagern, und axial orientierte Trägheitsstabilisierungssysteme, wie sie im oben erwähnten US-Patent ^ 013 339 erwähnt sind. All diese verschiedenen bekannten Techniken leiden aber unter Nachteilen. Manche dieser Einrichtungen z. B. benutzen Trägheitselemente, die im optischen Abbildungsweg angeordnet sind. Als Folge benötigen diese Einrichtungen spezialgefertigte optische Elemente, wie z. B. Linsen, die um ihre Achse

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gedreht werden können usw. Deshalb neigen solche Einrichtungen dazu, übermäßig teuer in der Herstellung zu sein und ferner die Gesamtlänge des optischen Abbildungsweges zu verlängern, was für einzelne Anwendungen nicht erwünscht sein könnte, wie z. B. wenn das Gerät in der Hand gehalten und transportiert werden soll. Andere Stabilisierungseinrichtungen nach dem Stand der Technik benutzen ein Stabilisierungselement, wie z. B. ein Gyroskop, das außerhalb der optischen Achse liegt, das durch irgendeine Form der Verbindung mit dem optischen Element gekoppelt ist. Frühere Vorschläge für Stabilisatoren außerhalb der optischen Achse haben elastische Teile in die Verbindung zwischen Trägheitselement und dem stabilisierten optischen Element eingebaut, um die Nutations- und Präzessionsbewegung des Gyroskops aufzufangen. Wegen der Nachgiebigkeit, die durch solch ein elastisches Element eingeführt wird, kann in solchen Entwürfen eine akkurate Ausrichtung des optischen Elementes nicht immer erreicht werden und ein verschlechtertes Bild kann die Folge sein.

Deshalb hat sich das Bedürfnis entwickelt nach einem verbesserten stabilisierten optischen System, das einen Stabilisator außerhalb der optischen Achse enthält.

Außerdem würde es vorteilhaft sein, ein solches System mit einer starren Verbindung zwischen dem stabilisierten optischen Element und dem Stabilisator zu versehen, um die exakte Ausrichtung des optischen Elements durchgehend zu gewährleisten.

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^ y j 7 8 7 a

Zusätzlich wäre es vorteilhaft, ein solches System mit einer
Nutationsdämpfung und Präzessionskompensation zu versehen, die
das stabilisierte Bild, das durch das optische System produziert
wird, nicht verschlechtert.

Auch wäre es von Vorteil, ein solches System in einem kompakten und leichten Gehäuse, das gut transportabel ist, anzuordnen.

Außerdem wäre es vorteilhaft, ein solches System mit einem verkürzten optischen Abbildungsweg zu versehen, um die Handhabung und die Transportierbarkeit des Systems zu verbessern.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung eines neuen und verbesserten stabilisierten optischen Gerätes mit Bildstabilisierung,
das die vorstehend genannten Vorteile ermöglicht.

Das stabilisierte, optische System gemäß der Erfindung besteht
aus einem Gehäuse, einem Objektiv, das an diesem Gehäuse befestigt ist, und das das Licht von einem Bild, das betrachtet werden soll, sammelt, einem Okular, das einstellbar an dem Gehäuse befestigt
ist zur Fokussierung des Bildes auf das Auge des Betrachters, einem stabilisierten optischen Element, das drehbar zwischen den Linsengruppen des Objektivs und des Okulars am Gehäuse befestigt ist, eineir gyroskopischen Stabilisator, der außerhalb der optischen Achse der Linsengruppen positioniert ist, und einer starren Verbindung zwischen dem stabilisierten Element und dem Stabilisator, um das stabilisierte Element von Drehbewegungen des Gehäuses in horizontaler oder vertikaler Richtung zu isolieren.

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In einer bevorzugten Ausführung ist das stabilisierte optische Element ein Pechan-Dachkantenprisma (roof Pechan prism), welches für Höhenwinkel und Azimuth drehbar gelagert ist bezüglich Achsen, die durch den Mittelpunkt zwischen den Knotenpunkten des Okulars und Objektivs gehen, wobei dieser besondere Platz des Drehpunktes eine Sichtbildstabilisierung des Systems erlaubt.

In der bevorzugten Ausführung enthält die starre Verbindung zwischen dem stabilisierten Prisma und dem gyroskopischen Stabilisator einen Kardanrahmen für den Höhenwinkel, der drehbar um— eine horizontale Achse, die durch den Mittelpunkt zwischen den Knotenpunkten von Okular und Objektiv geht, am Gehäuse angebracht ist, einen Kardanrahmen für den Azimuthwinkel des Prismas, der, drehbar um eine erste vertikale Achse durch den Mittelpunkt, den Höhenwinkelkardanrahmen mit dem Prisma verbindet, einen azimuthalen Kardanrahmen für den Stabilisator, der, drehbar um eine zweite vertikale Achse, den Höhenwinkelkardanrahmen mit dem gyroskopischen Stabilisator verbindet, und ein Verbindungsstück zur Ausrichtung des Prismas mit dem gyroskopischen Stabilisator, das, drehbar um eine dritte vertikale Achse, mit dem Prisma und, drehbar um eine vierte vertikale Achse, mit dem Stabilisator verbunden ist. Die vertikalen Achsen sind so angeordnet, daß sie ein Parallelogramm bilden, und in der bevorzugten Ausführung bilden sie ein Rechteck.

Das Stabilisationssystem kann ferner einen Nutationsdämpfer enthalten, der elastisch um die horizontale Achse mit dem Höhenwinkelkardanrahmen verbunden ist, um eine Nutationsdämpfung zu erreichen. In einer bevorzugten Ausführung besteht die elastische

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Verbindung aus einem energieabsorbierenden Vinylpolymer, das einen hohen Dämpfungskoeffizienten hat.

Das System kann auch einen Präzessionskompensator enthalten, der den Auswirkungen der Gyroskoppräzession entgegenwirkt. In einer bevorzugten Ausführung enthält der Kompensator einen Magneten, der am Gehäuse befestigt ist und zur Drehrichtung des gyroskopischen Stabilisators ausgerichtet ist, und ein sich mitdrehendes, nichtmagnetisches Teil, das am gyroskopischen Stabilisator befestigt ist und zur Drehachse ausgerichtet ist. Dies nichtmagnetische Teil ist so angepaßt, daß es das Feld des Magneten schneidet, wenn der gyroskopische Stabilisator in Höhen- oder Azimuthwinkel kippt, und dadurch wirbelstrominduzierte Bremskräfte erzeugt, die den gyroskopischen Stabilisator wieder ausrichten.

In einer bevorzugten Ausführunfjp&rm enthält das System ferner einen Bolzen, der am gyroskopischen Stabilisator befestigt ist, und eine konische Führung, die verschiebbar am Gehäuse befestigt ist und so eingerichtet ist, daß sie den Bolzen aufnehmen kann. Auf diese Weise können der gyroskopische Stabilisator und das optische Element zur optischen Achse ausgerichtet werden,bevor mit dem System gezielt wird.

Zusammengefaßt besteht die erfindungsgemäße Einrichtung zur Stabilisierung für ein stabilisiertes optisches System aus einem Gehäuse, einem an diesem Gehäuse befestigten Objektiv, das zum Sammeln des Lichtes vom betrachteten Bild dient, und einer Okularlinsengruppe, die einstellbar am Gehäuse befestigt ist, um das Bild auf das

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Auge des Betrachters scharf einstellen zu können, besteht. Zwischen Objektiv und Okular ist ein Pechan-Dachkantenprisma drehbar befestigt. Das Prisma ist mit einer starren kardanischen Verbindung mit einem gyroskopischen Stabilisator verbunden, der ausserhalb der optischen Achse liegt, so daß Drehbewegungen des Gehäuses nicht auf das Prisma übertragen werden, wodurch das durch das optische System betrachtete Bild stabilisiert wird. Der gyroskopische Stabilisator ist mit einem Dämpfer zur Minderung der Nutationsbewegung des Stabilisators und einem Präzessionskompensator, der der Präzession des Gyroskops entgegenwirkt, ausgestattet. Die Okularlinsengruppe enthält eine Zerstreuungslinsenkomponente, die zwischen der Objektivlinsengruppe und den restlichen Komponenten des Okulars angeordnet ist.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht teilweise im Schnitt eines optischen Systems gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Schrägansicht eines optischen Elementes zur Darstellung der Aufrichtwirkung eines Pechanprismas;

Fig. 3 eine Schrägansicht eines optischen Elementes zur Darstellung der seitenumkehrenden Wirkung der Dachkante eines Prismas;

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Fig. 4 eine vergrößerte, geschnittene Draufsicht des stabilisierten optischen Elements und des gyroskopischen Stabilisators des in Fig. 1 gezeigten optischen Systems;

Fig. 5 eine Schnittansicht des optischen Systems von Fig. 1 entlang der Schnittlinie von Fig. 1;

Fig. 6 eine schematische Ansicht der Strahlführung der optischen Komponenten des Okulars für das optische System nach Fig. 1.

In Fig. 1 ist eine teilweise geschnittene Draufsicht der bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung illustriert. In dieser Ausführungsform ist das optische System eingebaut in ein kompaktes Monokular 11, das für freihändige Durchsicht gedacht ist.

Ein Monokulargehäuse 10 enthält ein Objektiv 12, ein stabilisiertes Prisma 14 und ein Okular 16, die alle auf der optischen Achse 18 liegen. Das Prisma 14 ist stabilisiert mit Hilfe des gyroskopischen Stabilisators 20.

Das Objektiv 12 hat die Funktion, das Licht vom betrachteten Objekt zu sammeln. In der dargestellten speziellen Ausführung enthält die Linsengruppe 12 eine Frontabdeckung aus Glas oder einen Filter 22 und drei Linsen, eine erste Sammellinse 24, eine Zerstreuungslinse 26 und eine zweite Sammellinse 28. Zusammen bilden diese drei Linsen ein Triplet mit guten Abbildungseigenschaften im von der Achse entfernten Bereich und mit einer geeigneten Brennweite für das optische System. Die spezielle Lin-

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senanordnung, Brennweite und Abbildungseigenschaften können,wie Fachleute verstehen werden, so eingesetzt werden, daß sie den speziellen Eigenschaften, die die gegebene Anwendung erfordert, entsprechen. In der dargestellten Ausführung sind die guten Abbildungseigenschaften im von der Achse entfernten Bereich erforderlich um jederzeit einen Blickwinkel von 6,5 Grad zu gewährleisten. Ein noch größerer Blickwinkel jedoch ist nötig um einen Störungskegel von z. B. - 6,5 auszugleichen, da das stabilisierte Prisma 14 die Freiheit zur Winkelbewegung hat, wie hier später erklärt werden wird. Deshalb ist das Objektiv 12 in der bevorzugten Ausführung angelegt, einen Blickwinkel von mehr als 19 abzudecken.

Die nächste Komponente auf der optischen Achse 18 ist das stabilisierte Prisma 14. Im System dieser Erfindung erfüllt das Prisma 14 die zwei Hauptfunktionen der Stabilisation und des Umkehrens und Seitenumkehrens des Bildes. Wegen der Art, in der Objektiv 12 und Okular 16 auf das vom System gesehene Bild wirken, erscheint das Bild nach dem Durchgang durch diese zwei optischen Elemente für den Betrachter umgekehrt (d. h. auf dem Kopf stehend) und seitenverkehrt (d. h. spiegelbildlich). Damit das Bild für einen Betrachter, der das Gerät benutzt, in der richtigen Richtung erscheint, ist das Prisma 14 in den optischen Weg eingebracht um eine zusätzliche Umkehrung und Seitenumkehrung des Bildes auszuführen.

Die Art und Weise, in der ein Prisma eingesetzt werden kann, um

die notwendige Umkehrung und Seitenumkehrung zu bewirken, kann aus den Fig. 2 und 3 ersehen werden. In Fig. 2 ist ein Pechanprisma 30

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dargestellt. Solch ein Prisma raus zwei Teilen aufgebaut, mit einem schmalen Luftspalt 32 zwischen den parallelen Innenflächen der zwei Bestandteile. Licht, das in das Prisma 30 eintritt, wird im ganzen fünfmal reflektiert, wodurch das übertragene Bild invertiert wird, wie in Fig. 2 zu sehen ist. Fig. 3 zeigt, daß ein Prisma das Bild auch seitenumkehren kann, wenn es mit einem Dach versehen ist. In Fig. 3 ist ein Dachkantenprisma 34 versehen mit einem Dach 36. Verfolgt man den Strahlengang, wie er in den Fig. gezeigt ist, so kann man sehen, daß die Wirkung des Daches 36 ist, daß das Ubertragene Bild seitenverkehrt wird. So kann man dadurch, daß man das Pechanprisma mit einem Dach versieht, das Prisma dazu bringen, daß es das einfallende Bild sowohl umkehrt als auch seitenumkehrt.

In einer bevorzugten Ausführungsart der vorliegenden Erfindung ist das stabilisierte Prisma 1*+ ein Dachkanten-Pechanprisma und verwirklicht so die notwendige Umkehrung und Seitenumkehrung des betrachteten Bildes. In Fig. 1 ist das Prisma 14 ein Pechan-Dachkantenprisma, das aus zwei Prismenhälften 38 und 40 aufgebaut ist, die einander gegenüberstehende diagonale Oberflächen 42 und 44 aufweisen, die in einem Winkel von 45° zur Eingangsfläche 46 angeordnet sind. Das Dach des Prismas 14 ist mit der Dachkante 48 auf der Prismenhälfte 38 angebracht. In diesem Aufbau wird das einfallende Licht sechsmal im Prisma 14 reflektiert, wie durch die gestrichelten Linien veranschaulicht wird, wodurch das Bild umgekehrt und seitenverkehrt wird, um die durch die Linsengruppen 12 und 16 verursachte Umkehrung und Seitenumkehrung des Eingangsbildes zu korrigieren. Dieses Umkehren und Seitenumkehren durch das Prisma ist

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allgemein als Bildaufrichtung bekannt. Das Dachkanten-Pechanprisma 14 in diesem Aufbau kann also wie Üblich als bildaufrichtendes Prisma bezeichnet werden, das dank seiner gefalteten Konfiguration eine stark verkürzende Wirkung auf den optischen Abbildungsweg hat.

Im dargestellten System ist das Prisma 14 vor der Bildebene des Objektivlinsensystems 12 angeordnet und arbeitet daher mit konvergierendem Licht. Der Weg der Strahlen, die das Bild formen, durch Glas, der in der dargestellten AusfUhrungsform über 143 mm lang ist, bricht die Lichtwellen ohne den Konvergenzwinkel zu verändern. Die Auswirkung des Einbringens von so viel Glas in die rückwertige Brennweite der Objektivlinsengruppe 12 ist, daß die Bildebene weiter von den Linsen wegbewegt wird. Diese scheinbare Verlängerungswirkung der Vorrichtung wird aber durch die gefaltete Geometrie des Pechan-Dachkantenprismas großenteils umgelenkt, da die tatsächliche Länge entlang der optischen Achse 18 in diesem Beispiel nur ungefähr 36 mm ist. Da der Konvergenzwinkel des Prisma 14 nicht verändert wird, bewirkt es keine Vergrößerung. Die Einbringung des Prismas erfordert, daß die Okularlinsengruppe 16 in der Lage sein muß, die chromatische Dispersion auf ein erträgliches Maß zu korrigieren.

Wie die Fig. 1 und 5 zeigen, erfüllt das Prisma 14 außerdem eine wichtige Betriebsfunktion als das stabilisierende Element im optischen System dieser Erfindung. Das Prisma erfüllt diese Funktion mit Hilfe seiner starren Verbindung mit dem gyroskopi-

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sehen Stabilisator 20. Als ein Teil dieser Verbindung ist das Prisma 14 in einer Prismahalterung 50 befestigt. Ein Gewindestehbolzen 52 1st mit einer Mutter 54 und einem Gewicht 53 daran versehen, um das Prisma 14 und die Halterung 50 um die Drehpunkte ausbalancieren zu können. Die Prismenhalterung 50 wiederum ist drehbar befestigt am Kardanrahmen 56 für den Höhenwinkel mit Hilfe des Kardanrahmens 58 für den Azimuthalwinkel des Prismas. Der azimuthale Kardanrahmen 58 ist so angeordnet, daß das Prisma 14 sich um eine Bezugsachse drehen kann, die durch den Mittelpunkt zwischen den Knotenpunkten von Objektivlinsengruppe 12 und Okularlinsengruppe 16 geht.

Ebenso ist der gyroskopische Stabilisator 20 drehbar verbunden mit dem Höhenwinkelkardanrahmen 56 durch einen Kardanrahmen 60 für den Azimuthwinkel des Stabilisators. Der Azimuthkardanrahmen des Stabilisators erlaubt es dem Stabilisator, sich um eine Bezugsachse parallel zur/vorher genannten Drehachse für das Prisma 14 zu drehen. Der Höhenwinkelkardanrahmen 56 wiederum ist mit dem Gehäuse 10 drehbar verbunden, um eine horizontale Achse, die wieder durch den Mittelpunkt zwischen dem Knotenpunkt der Objektivllnsengruppe 12 und dem Knotenpunkt der Okularlinsengruppe 16 geht. Durch diese letztgenannte Verbindung und die Verbindungen der Azimuthkardanrahmen 58 und 60 des Prismas und Stabilisators sind Prisma 14 und der Stabilisator 20 starr miteinander verbunden, so daß sie in bezug auf die Höhenwinkelebene exakt in der räumlichen Ausrichtung übereinstimmen. Zusätzlich ist ein Verbindungsstück 62 mit der Prismenhalterung 50 drehbar um eine vertikale Bezugsachse und mit dem Stabilisator 20 drehbar um eine zweite vertikale Bezugsachse

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verbunden. Die Verbindung des Verbindungsstücks 62 mit den azimuthalen Kardanrahmen 58 und 60 gewährleistet so, daß das Prisma 14 auch in seiner azimuthalen Orientierung mit der azimuthalen Orientierung des Stabilisators 20 übereinstimmt. In der dargestellten AusfUhrungsart ist die nominelle Bewegungsfreiheit des Prismas 14, die durch die Kardanrahmenanordnung erlaubt ist, i 6,5° von der optischen Achse sowohl für den Azimuthwinkel wie für den Höhenwinkel. Die maximale Auslenkung des Prismas muß unter dem Aspekt der optischen Abbildungseigenschäften im gesamten Bereich, den das System erfordert, gewählt werden. In der bevorzugten Ausführungsart z. B. führt eine Win-

kelauslenkung von über ungefähr 3 von der Achse einen Astigmatismus in das betrachtete Bild ein. Die Auswirkung dieses Abbildungsfehlers wäre, daß das Auflösungsvermögen um ungefähr 50 % reduziert wird. Die Einführung eines Astigmatismus ist verursacht durch die Auswirkung des Kippens einer dicken Platte im Abbildungskegel des Objektivs. Die Auslenkung des Prismas 14 taucht allerdings nur auf, wenn das Betrachtungsgerät mit übertriebener Geschwindigkeit geschwenkt wird, was schon an und für sich eine Bildunschärfe verur-Sachen würde, die den Verlust an Auflösungsvermögen übertrifft.

In Fig. 4 ist eine detaillierte Aufsicht im Querschnitt dargestellt, die den gyroskopischen Stabilisator 20 von Fig. 1 zeigt. Durch eine mit verhältnismäßig großer Geschwindigkeit rotierende Masse erzeugt der gyroskopische Stabilisator einen Trägheitswiderstand gegen Drehbewegungen um irgendeine Achse senkrecht zur Drehachse des Gyroskops. Diese Trägheit veranlaßt den gyroskopi-

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sehen Stabilisator 20 seine anfängliche Orientierung in bezug auf die Erde beizubehalten, wenn das Gehäuse 10 im Azimuthwinkel oder Höhenwinkel gedreht wird. Die kardanische Verbindung zwischen dem Stabilisator 20 und dem Prisma 14 wiederum koppelt, wie oben erörtert, das Prisma an den Stabilisator und hält dadurch ebenso das Prisma 14 in seiner Anfangsstellung, wodurch als Folge das Bild, welches durch das optische System betrachtet wird, stabilisiert wird.

Eine Stabilisierung des Bildes, das durch das Objektiv 12 gebildet wird, tritt auf aufgrund der Drehachsenpositionierung des Prismas 14. Die übliche mathematische Auflösung für dieses optische System kann benutzt werden um zu zeigen:

"^f

^V5 ^β "^f0

dabei sind:

y₅ die Bildhöhe des Objektivs nach der Aufrichtung des Bildes

f_Q die Brennweite des Objektivs und

u, die Steigung eines Hauptstrahls vor der Bildaufrichtung durch das Prisma.

Ferner kann gezeigt werden:

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u_r. (2)

dabei sind:

yv' die Dildhöhe nach der Bewegung des stabilisierten Elementes

h>, der Abstand einer außen liegen

den Ecke des Prismas 14 von der optischen Achse

te der Unterschied zwischen den Brennweiten von Objektiv und Okular und

Ur die Steigung eines Hauptstrahles nach der Bildaufrichtung.

Benutzt man diese Gleichungen, so kann man zeigen, daß für eine Winkelablenkung von 5° (θ_ο) und bei einer Objektivbrennweite von 144 mm und einer Okularbrennweite von 18 mm:

yv = 12.586 mm
y « = 1.581 mm

Bei Stabilisierung des betrachteten Bildes kann keine Winkelbewegung sichtbar sein, so daß der Ausgangswinkel des Hauptstrahls

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θ ·, in der Pupille des Okulars auftreten muß.

Deshalb gilt:

tan "¹ Q_c' = y₅«/fe (3)

woraus man ersehen kann:

Wie aus Fig. 4 zu ersehen ist, ist ein Motorgehäuse 64 am Höhenwinkelkardanrahraen 56 befestigt. Innerhalb des Motorgehäuses 64 ist der Anker des Gyrcstopmotors 66 befestigt, welcher über Kabel 68 von der Batterie 70 mit Strom versorgt wird (zu sehen in Fig. 1). Der Anker des Motors 66 dreht eine Antriebswelle 72, die im Motorgehäuse 64 befestigt ist mit Hilfe der Lager 74 und 76. An der Antriebswelle 72 ist ein Kreisel-Schwungrad 78 befestigt, welches auf diese Weise mit der Antriebswelle 72 durch den Motoranker 66 gedreht wird.

Aufgrund der Störungskräfte, die auf ihn wirken, versucht der Stabilisator 20 über eine gewisse Zeitspanne aus seiner Anfangsstellung parallel zur optischen Achse abzuwandern, bei einer Bewegung des Gehäuses 10. Deshalb ist es notwendig, ein Hilfsmittel vorzusehen, das den Stabilisator 20 und das daran befestigte Prisma 14 parallel zur optischen Achse 18 ausrichtet, bevor das stabilisierte optische System eingesetzt wird, und

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nachdem der Betrachter die optische Achse ungefähr in die erwünschte Betrachtungsrichtung orientiert hat. Um das zu verwirklichen, ist ein Feststellmechanismus 80 angebracht. Der Feststellmechanismus enthält einen Bolzen 82, der am Motorgehäuse 64 befestigt ist, und ein konisches Teil 84, das verschiebbar an einem Träger befestigt ist, der am Gehäuse 10 befestigt ist. Das konische Teil 84 ist am Ende eines Kolbens 86 ausgebildet, welcher mit einer Feder 88 unter Spannung gegen das Motorgehäuse 84 gehalten wird. Also nimmt in der normalen, nicht betätigten Position des Festhaltemechanismus der konische Teil 84 den Bolzen 82 in einer zylindrischen Öffnung 90 auf, wie Fig. 4 zeigt, wodurch die Kardanaufhängung inaktiviert wird und die Drehachse des gyroskopischen Stabilisators 20 in Richtung der optischen Achse 18 eingestellt wird. Ein geschlitzter Kipphebel 92, der drehbar an einem Festhaltebolzen 141 befestigt ist, ist verbunden mit dem Kolben 86 durch den Schlitz 96 und einen Mitnehmerstift 94. Der Kipphebel 92 kann gedreht werden durch Drücken des Druckknopfes 98 in Fig. 1. Wenn das gewünschte Bild eingestellt ist, wird der Druckknopf 98Jlosgelassen. Dadurch wird der Kipphebel 92 um den Festhaltebolzen 141 gedreht, wobei er den Kolben 86 und das daran befestigte konische Teil 84 vom Stift 82 zurückzieht, wodurch die Bewegungseinschränkung vom gyroskopischen Stabilisator 20 genommen wird und ihm so erlaubt wird, die Einstellung des Prismas 14 zu kontrollieren.

Es ist Fachleuten gut bekannt, daß, wenn auf ein Gyroskop eine Kraft senkrecht zur Drehrichtung des Gyroskops ausgeübt wird, ein

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Drehmomentriickdruck versucht, das Gyroskop um eine Achse parallel zur ausgeübten Kraft zu drehen. Um eine drauffolgende Auswanderung des Stabilisators 20 zu vermeiden, muß dieser Effekt, bekannt als Präzession, kompensiert werden. Deshalb ist ein Präzessionskompensator 100 am gyroskopischen Stabilisator 20 angebracht. Präzessionskompensator 100 enthält einen Magneten 102 und eine Aluminiumscheibe 104. Der Magnet 102, der entweder ein Permanent- oder ein Elektromagnet sein kann, ist speziell geformt mit einem umgebenden Schlitz 106, der einen Spalt im Kern 108 des Magneten freiläßt.Die Aluminiumscheibe 104 ist am Kreiselschwungrad 78 befestigt und dreht sich damit. Folglich bewegt sich die Aluminiumscheibe 104, wenn der gyroskopische Stabilisator entweder azimuthal oder im Höhenwinkel von einer Einstellung parallel zur optischen Achse 18 wegkippt, in einen Abschnitt des umgebenden Schlitzes 106 des Magneten 102 hinein.

Dadurch schneidet die Aluminiumscheibe 104 durch einige der magnetischen Feldlinien, die durch den Kern 108 laufen. Dieses Einschneiden in das magnetische Feld erzeugt Wirbelströme in der Aluminiumscheibe 104. Diese Wirbelströme wiederum erzeugen eine proportionale RUcktriebskraft senkrecht zur Präzessionskraft, die den gyroskopischen Stabilisator 20 in die Zentralposition zurücktreibt.

Zusätzlich zur axialen Präzession ist es bekannt, daß ein Gyroskop eine kompliziertere kreisförmige Taumelbewegung der Drehachse ausführt, die sogenannte Nutation. Axiale Nutation taucht auf, wenn äußere Kräfte versuchen, die stabile Drehmomentachse des Gyroskops !5 umzukippen. Es muß ein Hilfsmittel zur Absorption dieser Nutationsenergie angebracht werden, wenn das Gyroskop in einem stabilisierten

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optischen System benutzt wird. Das Hilfsmittel sollte sehr reaktionsschnell sein, um die Taumelbewegung des betrachteten Bildes in kürzester Zeit zu dämpfen. Einige optische Systeme mit gyroskopischer Stabilisierung nach dem Stand der Technik haben zu diesem Zwecke eine Dämpfungskupplung eingeführt mit einer Dämpfung zwischen der gyroskopischen Komponente und dem stabilisierten optischen Element. Solche elastischen Kupplungen helfen die Nutationsstörung zu minimieren, neigen aber dazu, verzögerte Reaktion oder schlechte Ausrichtung des stabilisierten optischen Elementes zu verursachen aufgrund des Mangels an Steifigkeit zwischen dem stabilisierten optischen Element und dem Gyroskop. Als Folge hat sich gezeigt, daß, wenn ein so ausgerüstetes optisches System benutzt wird für abtastende Betrachtung oder eine andere Betrachtungsart, die ähnliche Bewegungen mit sich bringt, das stabilisierte optische Element leicht ins Schwimmen gerät oder sich von der Sichtachse wegbewegt. Dieser Nachteil wird in der vorliegenden Erfindung durch die starre kardanische Verbindung zwischen dem gyroskopischen Stabilisator 20 und dem Prisma 14 vermieden, wie oben beschrieben wurde. Statt dessen wird in der vorliegenden Konstruktion die Nutationsdämpfung durch das Dämpfungsschwungrad 110 erreicht, das am Höhenwinkelkardanrahmen 56 elastisch um die horizontale Drehachse des Kardanrahmens befestigt ist. Das Schwungrad 110 ist mit Bolzen 114 an einem energieabsorbierenden Teil 112 befestigt. Das energieabsorbierende Teil 112 ist in der bevorzugten Ausführung aus einem Vinylpolymer mit großem Dämpfungskoeffizienten gebaut. Das Teil 112 wiederum ist über eine Unterlegscheibe 116 und Bolzen 118 mit dem Höhenwinkelkardanrahmen 56 verbunden. Die Lager 120

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erlauben dem Dämpfungsschwungrad 110 relativ zum Höhenwinkelkardanrahmen 56 sich zu drehen ohne ein Änderung des Schwerpunkts der gesamten Einheit zu erlauben.

Nachdem das vom optischen System aufgenommene Licht durch das Objektiv 12 und durch das stabilisierte Prisma 14 gegangen ist, wird es durch das Okular 16 vergrößert und parallel gemacht. Die Linsengruppe 16 ist in einer verstellbaren Linsenhülse 122 untergebracht, um eine Einstellung der Okularlinsengruppe entlang der optischen Achse 18 ohne Drehung vorzusehen, wodurch für die Möglichkeit der Scharfeinstellung des optischen Systems auf nahe Objekte und der Einstellung auf das Auge verschiedener Betrachter gesorgt wird. Scharfeinstellung wird erreicht durch Drehung einer Einstellmutter 124, an der eine zylindrische Nockenhülse 126 angebracht ist, die eine Spirale in der gewünschten Steigung auizeichnet und einen Bolzen 128 aufnimmt. Der Mitnehmerstift 128 wiederum ist an der Linsenhülse 122 befestigt und die Linsenhülse wird, wie gezeigt, mit Hilfe einer Keilnut am Drehen gehindert. Die Linsenhülse 122 kann sich deshalb, angetrieben durch den Stift 128, der wiederum axial bewegt wird durch die Spiralnockenhülse 126, nur in axialer Richtung bewegen.

Eine Augenabschirmung 130 ist so gestaltet, daß sie sich der Stirn des Betrachters anpaßt und für die bestmögliche Position des Betrachterauges nahe der Okularlinsengruppe 16 sorgt. Die optischen Eigenschaften der Okularlinsengruppe können am besten verstanden werden mit Blick auf Fig. 6, die eine optische Schemazeichnung zur Darstellung des Strahlenganges der Okularlinsengrup-

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Das weitwinklige Okularlinsensystem 16 weist vier Komponenten auf, die entlang der optischen Achse 18 in Abständen voneinander ausgerichtet sind. Die erste Komponente, die Zerstreuungslinse 132, besteht aus einem Sammelmeniskus und einer Zerstreuungslinse, die miteinander verklebt sein können. Diese Komponente hat einen zerstreuenden Effekt und ist, wie oben erwähnt, vor dem reellen Bild angeordnet, das durch das Objektiv 1? projiziert wird. Es wird also ein reelles Bild erst gebildet, nachdem die Lichtstrahlen durch dies zerstreuende Bauteil hindurchgegangen sind. Die zweite Komponente ist eine Feldlinse 134, die zum Sammeln der Randstrahlen dient, wodurch sie eine relativ hohe Pupillenausleuchtung fördert. Die dritte Komponente, ein verklebtes Linsendoublet 140, dient dazu, die verbleibenden Randfarben und Verzeichnungen in Grenzen zu halten. Die letzte Komponente, eine Meniskuslinse 138, dient dazu, Randstrahlen zu sammeln und die Ausgangspupille am gewünschten Ort zu erzeugen.

Ein typisches Weitwinkelokular herkömmlicher Art sorgt für einen Augenabstand von ungefähr dem 0,7 fachen der effektiven Brennweite des Okulars. Mit der in Fig. 6 dargestellten Konstruktion, wird jedoch ein Augenabstand von 18 mm bei einer effektiven Brennweite von 16,5 nun erreicht. Infolgedessen ist ein Weitwinkelokular entwickelt, das einen Augenabstand erzeugt, der um einen Faktor 1,09 größer ist als die effektive Brennweite.

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pe 16 ist. Die Zerstreuungslinse 132 und die Feldlinse 13^ sind in diesem Entwurf auf neuartige Weise angeordnet, um das Okular mit deutlichen Vorteilen vor solchen in Bauart nach dem Stand der Technik zu versehen. Die gestrichelte Position 136 stellt die Bildebene dar, die durch die Objektivlinsengruppe 12 ohne die Linse 13^ gebildet würde.

Normalerweise wurden Fachleute die Benutzung eines Weitwinkelokulars vom Erfle-Typ in Erwägung ziehen, um in der vorliegenden Eriindung die Abbildung des Objektraumes zu vergrößern. Die Leistungsfähigkeit aber, die in der bevorzugten Ausführung erfordert ist, macht ein im wesentlichen flaches Blickfeld über einen Bereich von 65 nötig. Ferner muß die Austrittspupille des Okulars weiter als üblich von der Oberfläche der Linse 138 entfernt sein. Die Benutzung eines relativ stark zerstreuenden Linsendoublets 132 als Hilfsmittel zur Vergrößerung des Eingangsbildes verringert in hohem Maße die Korrekturschärfe der restlichen Okularelemente. Außerdem erlaubt seine Benutzung die Konstruktion eines außergewöhnlich hohen Verhältnisses der Brennpunktzurücksetzung, was eine der Grundeigenschaften der bevorzugten Auslührung ist.

Das Okular ist so konstruiert, daß der Abstand zwischen dem Auge des Betrachters und der letzten Oberfläche der letzten Linse des Okulars 16 größer als die Brennweite des Okulars ist. Aufgrund dieses Verhältnisses ist der Betrachter in der Lage, während der Benutzung des Monokulars eine Brille zu tragen und es kann eine große Augenabschirmung benutzt werden, ohne daß es notwendig ist, das Blickfeld unter diesen Bedingungen einzuengen.

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Claims

Patentansprüche

1. Optisches Gerät mit Einrichtung zur Bildstabilisierung, mit einem Gehäuse, einer Objektivlinsenanordnung zur Aufnahme des Lichts vom betrachteten Objekt und einer Okularlinsenanordnung, die zur Scharfeinstellung des Bildes auf das Auge des Betrachters einstellbar mit dem Gehäuse verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein stabilisiertes optisches Element (14) zwischen Objektiv (12) und Okular (16) drehbar am Gehäuse (10) befestigt ist, daß ein pyroskopischer Stabilisator

Achse ι
(20) außerhalb der optischenf{18) der Linsenanordnungen (12, 16) untergebracht ist, und eine starre Kopplung (62) das stabilisierte Element (14) mit dem Stabilisator (20) verbindet und da-• urch das stabilisierte Element (14) von Drehbewegungen des Gehäuses (10) isoliert.

ORIGINAL INSPECTED

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2. Gerat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das stabilisierte optische Element (14) aus einem Prisma besteht.

3. Gerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (14) ein Pechan-Dachkantenprisma (roof Pechan prism) ist.

4. Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß das Prisma (14) in der Höhenwinkeleinstellung drehbar um eine horizontale Achse gelagert ist, daß das Prisma (14) in der Azimuthwinkeleinstellung drehbar um eine vertikale Achse gelagert ist und daß die beiden vorgenannten Achsen durch den Mittelpunkt zwischen den Knotenpunkten von Okular (16) bzw. Objektiv (12) gehen.

5. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die starre Kopplung zwischen Stabilisator (20) und stabilisiertem Element (14) darin besteht, daß ein Höhenwinkelkardanrahmen (56) am Gehäuse (10) drehbar um eine horizontale Achse, die durch den Mittelpunkt zwischen den Knotenpunkten von Okular (16) und Objektiv (12) geht, befestigt ist, daß ein Azimuthkardanrahmen (58) drehbar um eine erste vertikale Achse durch besagten Mittelpunkt den Höhenwinkelkardanrahmen (56) mit dem optischen Element (14) verbindet, daß ein Azimuthkardanrahmen (60) drehbar um eine zweite vertikale Achse den Höhenwinkelkardanrahmen (56) mit dem gyroskopischen Stabilisator (20) verbindet, daß ein Verbindungsglied (62), das das optische Element (14) mit dem gy-

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roskopischen Stabilisator (20) einstellt, mit dem optischen Element (14) drehbar um ein dritte vertikale Achse und mit dem gyroskopischen Stabilisator (20) drehbar um eine vierte vertikale Achse verbunden ist, wobei die erwähnten vier vertikalen Achsen so angeordnet sind, daß der Abstand zwischen der ersten und zweiten vertikalen Achse gleich dem zwischen der dritten und vierten vertikalen Achse ist und daß der Abstand zwischen der ersten und dritten vertikalen Achse gleich dem zwischen der zweiten und vierten vertikalen Achse ist.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlich einen Dämpfer (110) zur Dämpfung der Nutationsbewegung aufweist, der elastisch zur erwähnten horizontalen Achse mit dem Höhenwinkelkardanrahmen (56) verbunden ist.

7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elastische Verbindung ein energieabsorbierendes Vinylpolymer (112) mit hohem Dämpfungskoeffizienten enthält.

8. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß es zusätzlic h einen Präzessionskompensator (100) enthält, bestehend aus einem Magneten (102), der ausgerichtet zur Drehachse des gyroskopischen Stabilisators (20) am Gehäuse (10) befestigt ist und einem nichtmagnetischen Teil (104), das ausgerichtet zur Drehachse am gyroskopischen Stabilisator (20) befestigt ist, wobei das erwähnte Teil (104) so angepaßt ist, daß es die magneti-

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sehen Feldlinien des Magneten (102) schneidet, wenn der gyroskopische Stabilisator (20) im Azimuth- oder im Höhenwinkel kippt, und dadurch wirbelstrominduzierte Gegenkräfte zur Widerausrichtung des gyroskopischen Stabilisators (20) erzeugt.

9. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dai3 es zusätzlich eine mechanische Einstelleinrichtung von gyroskopischen Stabilisator (20) und optischem Element (14) besitzt, bestehend aus einem Bolzen (82), der am gyroskopischen Stabilisator (20) befestigt ist, und einer konischen Führung (84), die beweglich am Gehäuse (10) befestigt ist.

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