DE3909336C2 - Optisches Abbildungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbil­ dungssystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es sind optische Abbildungssysteme zur Bewirkung unterschiedlicher Gesichtsfelder bekannt, wie z B. katadioptrische optische Systeme, die diskrete weite und enge Gesichtsfelder durch die Bewegung optischer Elemente in den und aus dem optischen Pfad ermög­ lichen. Die Bewegung dieser Elemente wird durch kom­ plizierte mechanische Verbindungen optischer Bau­ elemente bewirkt.

Aus der EP 0.145.845 A1 ist ein optisches Abbildungs­ system der gattungsgemäßen Art mit zwei wahlweise umschaltbaren unterschiedlichen Gesichtsfeldern bekannt, bei dem für das enge Gesichtsfeld ein kata­ dioptrisches und für das weite Gesichtsfeld ein koaxial zum katadioptrischen System ausgerichtetes dioptrisches Linsensystem vorgesehen sind. Die Um­ schaltung zwischen beiden Systemen erfolgt durch Ein­ bringen eines Spiegels oder durch thermisch-optisches Umschalten einer Vanadium-Dioxidschicht. Ein gewisses Übersprechen durch Restreflexionen zwischen beiden Kanälen wird dabei in Kauf genommen. Nachteilig bei beiden bekannten Systemen ist die unvollständige Trennung beider Abbildungswege.

Der Erfindung liegt von daher die Aufgabe zugrunde, das optische Abbildungssystem der gattungsgemäßen Art derart zu verbessern, daß die beiden Abbildungswege ohne gegenseitige Störungen optisch besser voneinander trennbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den nebengeordneten Patentansprüchen 1, 4 und 7.

Der Patentanspruch 1 bezieht sich darauf, daß das Sperrelement ein Luftspalt ist, in den eine spiegelnde Flüssigkeit ein- und ausbringbar ist.

Der Patentanspruch 4 in Nebenordnung bezieht sich darauf, daß das Sperrelement als eine Flüssigkristall­ scheibe mit einer zentralen Öffnung ausgebildet ist, die von einer Ringscheibe umschlossen ist, wobei die zentrale Öffnung und die Ringscheibe getrennt vonein­ ander betätigbar sind, um so austauschbare lichtun­ durchlässige oder transparente Eigenschaften zu erzeugen.

Der nebengeordnete Patentanspruch 7 bezieht sich darauf, daß das Sperrelement eine drehbare Ringscheibe und eine darin angeordnete Scheibe, beide aus licht­ undurchlässigem Material, umfaßt, die in senkrechter Anordnung innerhalb der Ringscheibe fest angeordnet ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand dreier, in den Zeichnungen dargestellter Ausführungsbeispiele des optischen Abbildungssystemes näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Längsschnitt durch das optische Abbildungssystem in der ersten Ausführungsform,

Fig. 2 eine Vorderansicht des optischen Abbildungssystems nach Fig. 1,

Fig. 3 eine Prinzipdarstellung des optischen Abbildungsystems nach Fig. 1 mit den Strahlengängen beider Gesichtsfelder,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch das zweite Ausführungsbeispiel des optischen Abbildungssystems,

Fig. 4a einen partiellen Querschnitt durch das optische Abbildungssystem entlang der Linie A-A in Fig. 4,

Fig. 5 einen Längsschnitt durch das dritte Ausführungsbeispiel des optischen Abbildungssystems,

Fig. 5a einen partiellen Querschnitt gemäß der Linie B-B in Fig. 5 und

Fig. 6 das optische Abbildungssystem gemäß Fig. 5 und 5a in einer anderen Betriebslage.

Das in der Fig. 1 im axialen Längsschnitt dargestellte erste Ausführungsbeispiel des optischen Abbildungs­ systems mit zwei wahlweise umschaltbaren unterschied­ lichen Gesichtsfeldern umfaßt ein zylindrisches, optisches Gehäuse 12, das hinter einem Fenster 14 angeordnet ist, durch welches Objekte betrachtet werden können. Eine Linse 15 ist mit einem Ende des optischen Gehäuses 12 verbunden. Das andere Ende des optischen Gehäuses 12 wird durch eine Endwand 16 gebildet, an deren Innenwand ein konkaver Spiegel 17 befestigt ist, der einen ersten Reflektor bildet, wie es der Strahlengang nach Fig. 3 zeigt. Ein umwandeln­ des Linsensystem 20 ist entlang der optischen Achse 18 angeordnet und in einer zentralen Durchgangsöffnung durch die Endwand 16 befestigt. Das umwandelnde Linsensystems 20 umfaßt ein Paar von Linsen 22, 24, die von einem hinteren Leitring 26 eingefaßt sind. Ein dünnwandiger, konisch ausgebildeter vorderer Leitring 27 erstreckt sich einwärts von der inneren Oberfläche der Linse 15, um Streulichtreflexionen innerhalb des Gehäuses 12 zu vermeiden.

Die Linse 15 ist für ein enges Gesichtsfeld vorge­ sehen. An einem zentralen Teil der Linse 15 ist eine Linse 28 für ein weites Gesichtsfeld angeordnet. Ein Sperrelement 30 ist zentral entlang der optischen Achse angeordnet und umfaßt einen Umfangskanal 32 und eine transparente Endwand 34, die hinter der Linse 28 angeordnet und von dieser durch einen Luftspalt 36 getrennt ist. Der Umfangskanal 32 arbeitet mit dem Luftspalt 36 über eine Öffnung 54 zusammen, wie es in Fig. 2 dargestellt ist. Innerhalb des Umfangskanales 32 befindet sich normalerweise eine spiegelnde Flüssigkeit 38, die in den Luftspalt 36 gepumpt werden kann, um darin eine spiegelnde Schicht zu bilden, um so Licht zu sperren, das vom Objekt kommt und durch die Linse 28 mit dem weiten Gesichtsfeld eintritt. Die spiegelnde Flüssigkeit 38 ist Quecksilber oder ein anderes reflektierendes Fluid.

Die Fig. 2 zeigt die Vorderansicht des optischen Abbildungssystems 10 nach Fig. 1. Dieses umfaßt zur Betätigung des Sperrelementes 30 eine Vorrichtung 39 mit einer abgedichteten zylindrischen Kammer 40 und mit einem darin gleitbar bewegbaren Kolben 42. Zur Bewirkung der Gleitbewegung des Kolbens 42 ist eine Spule 44 vorgesehen, die in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal betätigt werden kann.

Ein Teil der zylindrischen Kammer 40 auf beiden Seiten des Kolbens 42 kommuniziert mit einem Ende eines von zwei Rohren 46, 48. Das Rohr 46 ist mit seinem anderen Ende mit dem Einlaßende 50 des Umfangskanales 32 verbunden. Das andere Ende des Rohres 48 ist mit dem Luftspalt 36 über eine Öffnung 52 verbunden. Eine andere Öffnung 54 sorgt für eine Verbindung zwischen dem Umfangskanal 32 und dem Luftspalt 36. Eine Bewegung des Kolbens 42 versorgt das Volumen des Umfangskanales 32 und das Volumen des Luftspaltes 36 mit einer Saugwirkung, während gleichzeitig Druck auf das andere Volumen über das entsprechende Rohr 46, 48 ausgeübt wird.

Wenn der Kolben 42 bewegt wird, um das Volumen des Umfangskanales 32 über das Rohr 46 und die Öffnung 50 zu komprimieren, wird eine entsprechende Saugwirkung auf den Luftspalt 36 über das Rohr 48 und die Öffnung 52 ausgeübt. Diese Wirkung wird umgekehrt, sobald der Kolben 42 bewegt wird, um das Volumen des Luftspaltes 36 über das Rohr 48 und die Öffnung 52 zu komprimie­ ren. Da der Umfangskanal 32 die spiegelnde Flüssigkeit 38 speichert, bewirkt der Saug-Druck-Effekt, der durch die Bewegung des Kolbens 42 hervorgerufen wird, daß die spiegelnde Flüssigkeit 38 in den Luftspalt 36 hinein oder aus diesem heraus gepumpt wird. Wenn die spiegelnde Flüssigkeit 38 in den Luftspalt 36 gepumpt ist, bildet die spiegelnde Flüssigkeit 38 eine spie­ gelnde Flüssigkeitsschicht hierin. Der Weg des Kolbens 42 bestimmt die Höhe 56 des Flüssigkeitsniveaus inner­ halb des Luftspaltes 36. Folglich ist das Sperrelement 30 wahlweise betätigbar, um das vom Objekt durch das Fenster 14 einfallende Licht zu sperren oder passieren zu lassen.

Die Materialien zur Herstellung der Vorrichtung 39 sind so gewählt, daß die spiegelnde Flüssigkeit 38 keine chemische Reaktion ausführt oder Korrosion hervorruft. Im Falle von Quecksilber sind verwendbare Materialien rostfreier Stahl, Glas und Kunststoff, jedoch keine Metalle mit einer Affinität für Queck­ silber.

Die Fig. 3 zeigt die abwechselnden optischen Pfade der Bildlichtstrahlen in Verbindung mit jedem der beiden Gesichtsfelder des optischen Abbildungssystems gemäß Fig. 1. Ein enges Gesichtsfeld ist mit den Strahlen in einem Lichtband 60 verbunden, die in symmetrischer Anordnung zur optischen Achse 18 dargestellt sind. Diese Strahlen passieren das Fenster 14 auf beiden Seiten der Linse 28. Ein weites Gesichtsfeld ist mit den Lichtstrahlen verbunden, die ein zentrales Strahlenbündel 62 bilden, das durch die Linse 28 hindurchgeht. Das Sperrelement 30 ist so ausgelegt, daß es in dem gemeinsamen Teil der abwechselnden optischen Pfade angeordnet ist, die mit dem weiten und dem engen Gesichtsfeld verbunden sind.

Wenn das optische Abbildungssystem 10 mit einem engen Gesichtsfeld benutzt wird, wird die spiegelnde Flüs­ sigkeit 38 mittels der Vorrichtung 39 gemäß Fig. 2 in den normalerweise lichtdurchlässigen Luftspalt 36 des Sperrelementes 30 gepumpt, so daß dieses eine spie­ gelnde Flüssigkeitsschicht bildet und als ein zweiter Reflektor in der Form eines Mangin-Spiegels wirkt. Folglich erreicht das mit dem Lichtband 60 verbundene Licht des engen Gesichtsfeldes den ersten Reflektor, der durch den konkaven Spiegel 17 auf der Endwand 16 des optischen Gehäuses 12 gebildet wird. Dieses Licht wird reflektiert, so daß es konvergiert an der und sekundär reflektiert wird von der spiegelnden Flüs­ sigkeit 38 und die Fokalebene erreicht, die vom um­ wandelnden Linsensystem 20 gebildet wird, von dem das Licht zum Betrachter oder einer anderen Erkennungsein­ richtung in Richtung des Pfeiles 66 weitergegeben wird.

Gleichzeitig mit der Betätigung des Sperrelementes 30, um das enge Gesichtsfeld vorzusehen, werden die mit dem weiten Gesichtsfeld verbundenen Lichtstrahlen im zentralen Strahlenbündel 62 durch die spiegelnde Flüs­ sigkeit 38 im Luftspalt 36 gesperrt, so daß diese die lichtdurchlässige Endwand 34 und das umwandelnde Linsensystem 20 nicht erreichen können.

Zur Betätigung des Linsensystemys 10 mit einem weiten Gesichtsfeld pumpt die Vorrichtung 39 die spiegelnde Flüssigkeit 38 aus dem Luftspalt 36 im Sperrelement 30 heraus und speichert diese im Umfangskanal 32. Da nun die spiegelnde Flüssigkeit 38 nicht mehr im Luftspalt 36 vorhanden ist, ist keine sekundäre Reflexion für das Lichtband 60 des engen Gesichtsfeld mehr vorge­ sehen und nur das Licht des zentralen Strahlenbündels des weiten Gesichtsfeldes erreicht das umwandelnde Linsensystem 20 über den transparenten Luftspalt 36.

Das optische Abbildungssystem arbeitet mit minimaler Störung des statischen Gleichgewichtes, was die Anwendung in stabilisierten Plattformsystemen und stabilisierten Sensoreinrichtungen ermöglicht, wobei eine vereinfachte Lösung in militärischen Sicht­ systemen und in kommerziellen optischen Abbildungs­ systemen geboten wird. Das Prinzip der minimalen statischen Gleichgewichtsstörung ist auch in die weiteren Ausführungsbeispiele integriert.

Die Fig. 4 und 4a zeigen das zweite Ausführungs­ beispiel des optischen Abbildungssystems 10 gemäß Fig. 1, das mit einer als Sperrelement 30 betätigbaren Flüssigkristallscheibe 68 versehen ist. Ein Schnitt durch das optische Abbildungssystem entlang der Linie A-A in Fig. 4 offenbart in Fig. 4a eine Vorderansicht der Flüssigkristallscheibe 68. In diesem Ausführungs­ beispiel ist die Linse 28 für das weite Gesichtsfeld auf die Linse 15 für das enge Gesichtsfeld aufgesetzt, und ein ringförmiger Teil 70 der inneren Fläche der Linse 15 ist mit einer spiegelnden Beschichtung versehen.

Die Flüssigkristallscheibe 68 ist quer zur Achse des vorderen Leitringes 27 an der Stelle angeordnet, an welcher der vordere Leitring 27 die Innenfläche der Linse 15 berührt. Die Flüssigkristallscheibe 68 hat eine zentrale Öffnung 72, die von einer Ringscheibe 74 eingeschlossen ist. Die zentrale Öffnung 72 und die Ringscheibe 74 sind in bekannter Weise durch elek­ trische Einrichtungen betätigbar, um so lichtun­ durchlässige oder lichtdurchlässige Eigenschaften zu erzeugen.

Da die Flüssigkristallscheibe 68 in dem gemeinsamen Teil der wahlweise umschaltbaren optischen Pfade angeordnet ist, kann die Flüssigkristallscheibe 68 betätigt werden, so daß die Ringscheibe 74 licht­ undurchlässig wird und das Bildlicht im Lichtband 60 sperrt, das mit dem engen Gesichtsfeld verbunden ist.

Gleichzeitig mit der Betätigung der Flüssigkristall­ scheibe 68, um das enge Gesichtsfeld zu sperren, bleibt die zentrale Öffnung 72 lichtdurchlässig und ermöglicht den Durchtritt des mit dem weiten Gesichtsfeld verbundenen Bildlichtes im zentralen Strahlenbündel 62.

Um das enge Gesichtsfeld vorzusehen kann alternativ die Flüssigkristallscheibe 68 betätigt werden, um den Durchtritt des Lichtes im Lichtband 60 durch die Ringscheibe 74 zu ermöglichen, wohingegen der Durch­ tritt des Lichtes im Strahlenbündel 62 durch die zentrale Öffnung 72 blockiert wird. In diesem Fall wirkt die spiegelnde Beschichtung des ringförmigen Teiles 70 der Innenfläche der Linse 28 als sekundärer Reflektor, von dem das Licht im Lichtband 60 in die katadioptrische Anordnung reflektiert wird und schließlich das umwandelnde Linsensystem 20 erreicht.

In den Fig. 5, 5a und 6 ist das dritte Ausführungs­ beispiel des optischen Abbildungssystemes 10 nach Fig. 1 dargestellt, das eine Ringscheibenanordnung 76 umfaßt, die als Sperrelement 30 betätigbar ist, um ein enges Gesichtsfeld zu bewirken. Das optische Abbil­ dungssystem ist identisch mit dem Abbildungssystem nach Fig. 4 mit der Ausnahme, daß die dort durch die Flüssigkristallscheibe 68 gebildete Funktion in diesem Ausführungsbeispiel durch die Ringscheibenanordnung 76 ausgeführt wird.

Die Ringscheibenanordnung 76 umfaßt ein dünnes licht­ undurchlässiges Material, das als Ringscheibe 68 ausgebildet ist, innerhalb welcher in senkrechter Anordnung eine zentrale Scheibe 80 mit magnetischen Eigenschaften angeordnet ist. Die Ringscheiben­ anordnung 76 ist von einer Stange 82 getragen, die sich vertikal von den Außenkanten der Ringscheibe 78 erstreckt und die in der Innenwand des vorderen Leit­ ringes 27 drehbar befestigt ist. Eine in den vorderen Leitring 27 eingebettete elektrische Spule ist durch elektrische Einrichtungen betätigbar, um ein Magnet­ feld zur Drehung der zentralen Scheibe 80 auf der Stange 82 zu bewirken. Ein nicht dargestellter Feder- Rückstrahlmechanismus kann verwendet werden, um die zentrale Scheibe 80 in ihre Ausgangslage zurückzu­ führen.

Die Ringscheibenanordnung 76 ist in dem gemeinsamen Teil der abwechselnden optischen Pfade angeordnet. Wenn die Ringscheibenanordnung 76 gedreht wird, wie es in Fig. 5 dargestellt ist, sperrt die lichtundurch­ lässige Scheibe 80 das mit dem weiten Gesichtsfeld verbundene Bildlicht im Strahlenbündel 62. Dies kann bei Betrachtung der Fig. 5a erkannt werden, in der ein Schnitt durch das optische Abbildungssystem entlang der Linie B-B von Fig. 5 dargestellt ist. In Fig. 5a ist die lichtundurchlässige zentrale Scheibe 80 sichtbar und so ausgerichtet dargestellt, daß diese das auf die Zeichenebene gerichtete Bildlicht im Strahlenbündel 62 sperrt.

Gleichzeitig ist die Ebene der Ringscheibe 78 dann parallel zum optischen Pfad orientiert, der mit dem engen Gesichtsfeld verbunden ist. Folglich wird der Durchtritt des Lichtes im Lichtband 60 ermöglicht, und dieses Licht wird vom Sekundärreflektor reflektiert, der durch die Oberfläche 70 der in der katadiop­ trischen Anordnung im gemeinsamen Teil des optischen Pfades gebildet wird, in dem das umwandelnde Linsen­ system 20 diese für eine Erkennung verfügbar macht.

Wenn die Ringscheibe 78 um 90° gedreht wird, wie es in Fig. 6 dargestellt ist, um so das mit dem engen Gesichtsfeld verbundene Licht im Lichtband 60 zu sperren, ist die zentrale Scheibe 80 parallel zum optischen Pfad orientiert, der mit dem weiten Gesichtsfeld verbunden ist, und ein Durchtritt von Licht im Strahlenbündel 62 ist möglich.

Das optische Abbildungssystem mit zwei wahlweise umschaltbaren Gesichtfeldern basiert auf einer einfachen optischen Anordnung, die das Sperrelement 30 im optischen Pfad verwendet und die mit minimalen optischen Systemstörungen arbeitet.

Claims (9)

1. Optisches Abbildungssystem mit zwei wahlweise umschaltbaren unterschiedlichen Gesichtsfeldern, wobei für ein enges Gesichtsfeld ein Spiegel-Linsen-System und für ein weites Gesichtsfeld ein zum Spiegel- Linsen-System koaxial angeordnetes dioptisches Linsen­ system vorgesehen sind und zur wahlweisen Umschaltung dem dioptischen Linsensystem ein Sperrelement zuge­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement (30) ein Luftspalt (36) ist, in den eine spiegelnde Flüssigkeit (38) ein- und ausbringbar ist.

2. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt (36) durch ein Paar von Linsen (15, 28) gebildet wird, daß ein Umfangskanal (32) mit dem Luftspalt (36) verbunden ist, um die spiegelnde Flüssigkeit (38) aufzunehmen, und daß eine Pumpvorrichtung (39) zum Ein- und Aus­ bringen der spiegelnden Flüssigkeit (38) vorgesehen ist.

3. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die reflektierende Flüssigkeit (38) Quecksilber enthält.

4. Optisches Abbildungssystem mit zwei wahlweise umschaltbaren unterschiedlichen Gesichtsfeldern, wobei für ein enges Gesichtsfeld ein Spiegel-Linsen-System und für ein weites Gesichtsfeld ein zum Spiegel- Linsen-System koaxial angeordnetes dioptisches Linsen­ system vorgesehen sind und zur wahlweisen Umschaltung dem dioptischen Linsensystem ein Sperrelement zugeordnet ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Sperrelement (30) als eine Flüssigkristall­ scheibe (68) mit einer zentralen Öffnung (72) ausge­ bildet ist, die von einer Ringscheibe (74) umschlossen ist, wobei die zentrale Öffnung (72) und die Ring­ scheibe (74) getrennt voneinander betätigbar sind, um so austauschbare lichtundurchlässige oder transparente Eigenschaften zu erzeugen.

5. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallscheibe (68) so betätigbar ist, daß die Ringscheibe (74) lichtundurchlässig ist und den Strahlengang (60) des engen Gesichtsfeldes sperrt, während die zentrale Öffnung (72) gleichzeitig transparent ist und den Strahlengang (62) des weiten Gesichtsfeldes offenhält.

6. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Flüssigkristallscheibe (68) so betätigbar ist, daß die zentrale Öffnung (72) licht­ undurchlässig ist und den Strahlengang (62) des weiten Gesichtsfeldes sperrt, während die Ringscheibe (74) transparent ist und den Strahlengang (60) des engen Gesichtsfeldes offenhält.

7. Optisches Abbildungssystem mit zwei wahlweise umschaltbaren unterschiedlichen Gesichtsfeldern, wobei für ein enges Gesichtsfeld ein Spiegel-Linsen-System und für ein weites Gesichtsfeld ein zum Spiegel- Linsen-System koaxial angeordnetes dioptisches Linsen­ system Vorgesehen sind und zur wahlweisen Umschaltung dem dioptischen Linsensystem ein Sperrelement zuge­ ordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Sperrelement (30) eine drehbare Ringscheibe (78) und eine darin angeordnete Scheibe (80), beide aus lichtundurchlässigem Material, umfaßt, die in senkrechter Anordnung innerhalb der Ringscheibe (78) fest angeordnet ist.

8. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (78) so betätigbar ist, daß sie den Strahlengang (60) des engen Gesichts­ feldes sperrt, während die zentrale Ringscheibe (80) gleichzeitig parallel zur optischen Achse im Strahlen­ gang (62) des weiten Gesichtsfeldes ausgerichtet ist.

9. Optisches Abbildungssystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringscheibe (78) so betätigbar ist, daß sie den Strahlengang (60) des engen Gesichts­ feldes durchläßt, während die zentrale Ringscheibe (80) gleichzeitig den Strahlengang (62) des weiten Gesichtsfeldes sperrt.