DE1772827A1 - Einrichtung zum selbsttaetigen Ausgleich der Einfluesse zufaelliger Bewegungen von optischen Geraeten - Google Patents

Description

Dip! Inq Helmut Zoeoke ⁰P^i⁰³-¹ Research, sind. Development Corporation Dipl. Ing. Ca?! O. Zoepke 526 Brand Avenue, Oakland, California y4.b10

Patentanwälte (Y.St.A.) β München 5, Erhardtstraße 11

Einrichtung zum selbsttätigen Ausgleich der Einflüsse zufälliger Bewegungen von optischen Geräten

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum selbsttätigen Ausgleich der Einflüsse zufälliger Bewegungen von optischen Geräten * mit .einem Gehäuse und einem daran oder darin angeordneten optischen System, mit einem dem Ziel zugewandten gerätefesten und einem nach-' folgenden pendelnd gelagerten afokalen System.

Es sind verschiedene Stabilisierungseinrichtungen für optische Systeme und Geräte bekannt. Eine Möglichkeit besteht in der Verwendung eines Gestells oder einer Plattform mit stabilisierter räumlicher Lage als Trageinrichtung für das optische Gerät, z.B. eine Kamera. Diese Art der Lösung des Problems bringt, Insbesondere be- ■ dingt durch Größe und Gewicht der Anordnung, beispielsweise einer durch einen Kreisel stabilisierten Plattform, verschiedene Schwierigkeiten und Nachteile mit sich und ist etwa für in der Hand zu haltende optische Geräte kaum geeignet. Eine andere Möglichkeit ist die elektronische und elektrische Kompensation, wobei dem Licht i entsprechende andere Strahlen, wie Elektronenstrahlen, zum Ausgleich von Winkelabweichungen des Gerätegehäuses von der ursprünglichen Zielrichtung beeinflußt werden. Diese Methode bietet zwar verschiedene Vorteile, erfordert Jedoch einen verhältnismäßig hohen konstruktiven Aufwand, so daß sie in zahlreichen "möglichen Anwendungsfällen dennoch nicht zum Einsatz kommen kann. Es wurde auch bereite vorgeschlagen zum Peststellen von Winke!abweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Zielrichtung einen Kreisel vorzusehen und danach optische Elemente zum Ausgleich der Abweichung zu verstellen. Dabei waren aber auch noch verschiedene Schwierigkeiten und Beschränkungen vorhanden, wie sie unter anderem durch komplizierte

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mechanische Ubertragungseinriehtungen auftraten.

Durch die vorliegende Erfindung werden Beschränkungen mechanischer und optischer Natur überwunden. Die Erfindung besteht darin, daß das gerätefeste afokale System durch ein ein umgekehrtes Bild lieferndes, angenähert zweifach vergrößerndes Fernrohr gebildet ist, das zur Faltung des Strahlenganges eine ungerade Anzahl von Reflexionsflächen enthält, so daß einfallendes Licht im wesentlichen entgegengesetzt zur ursprünglichen Richtung in Form im wesentlichen paralleler Strahlen gegen das pendelnd gelagerte afokale System geworfen wird, das durch ein reflektierendes optisches Element ) mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionsflächen gebildet ist, welches mit einer Trägheitsstabillsierungsvorrichtung verbunden und im Gehäuse um zwei zueinander senkrechte Achsen, die im wesentlichen senkrecht zur ursprünglichen Zielrichtung stehen, bewegbar angeordnet ist, 30 daß durch das Fernrohr empfangenes Licht als im wesentlichen paralleles, in bezug auf das Gehäuse stabilisiertes. Strahlenbündel reflektiert wird, wobei ein Linsensystem mit wenigstens einer Linse im Strahlengang der stabilisierten Lichtstrahlen angeordnet ist.

Die Erfindung ist sowohl für Kameras als auch für Beobachtungsgeräte wie Fernrohre, Teleskope u.dgl. anwendbar. Das mechanische System ist nicht kompliziert, Größe und Gewicht können klein gehalten werden und auch die Genauigkeitsenforderungen sind nicht extrem hoch, wobei aber dennoch eine hohe optische Gute ohne Einführung wesentlicher zusätzlicher Fehler erzielbar ist, so daß die erfindungsgemäße Einrichtung auch für Geräte alt starker Vergröß·- rung und hohem Auflösungsvermögen vorteilhaft anwendbar ist.

Bei einem mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgestatteten optischen Gerät tritt das einfallende Licht zuerst in das Hilfe-• Fernrohr ein, vird darin um 180° umgelenkt and verläßt dieses als Ib wesentlichen paralleles Strahlenbündel, das gegen das reflektierende optische Element mit z.B. einer oder drei ReflexionefUiche(n)

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gerichtet Ist. Dieses optische Element wird gemäß der Erfindung unabhängig von kleinen Winke !.abweichungen des Gehäuses des optischen Gerätes in der ursprünglichen Zielrichtung ausgerichtet gehalten, und zwar nach der Höhe und nach der Seite sowie in allen dazwischen liegenden Richtungen, aber nicht notwendigerweise In bezug auf Drehbewegungen ug; die optische Achse des Gerätes. In der weiteren Beschreibung sollen daher unter "räumlicher Ausrichtung" die Ausrichtung In der bzw. parallel zur ursprünglichen Zielrichtung und unter "Winkelabweichung¹¹ der Winkel zwischen der optischen Achse des Gerätes und der ursprünglichen Zielrichtung, aber nicht ein Verdrehungewinkel um die optische Achse verstanden werden. Der ge- g wünschte Ausgleich wird gemäß der Erfindung durch Ausrichtung des pendelnd gelagerten reflektierenden Elementes mittels einer Trägheitsstabilisierungsvcrrlchtung erzielt, die Im einfachsten Fall z.B. aus einem System statisch auebalancierter Massen besteht. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung enthält die Trägheitsstabilislerungsvorrlchtung einen Kreisel, wobei eine dessen Präzession beeinflussende Nachführeinrichtung vorgesehen sein kann, 30 daß bei einer einen kleinen vorbestimmten Bereich Überschreitenden Winkelabweichung des Gerfites, beispielsweise bei einer absichtlich vorgenommenen Schwenkbewegung einer Filmkamera, das ( pendelnd gelagerte reflektierende Element mit dem Kreisel durch eine mit steigender Winkelabweichung progressiv zunehmende Kraft in Richtung der Gehäusebewegung mitbewegt wird.

Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes sind in der Zeichnung dargestellt und werden Im folgenden.näher erläutert. Es zeigt:

Flg. 1 schematisch den Strahlengang in einer Aueführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung;

Fig. 2 den Strahlengang In der Einrichtung nach' Flg. 1 nach Verschwenkung derselben um einen kleinen Winkel Θ, wie dies beim praktischen Gebrauch vorkommen kann;

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Pig. 3 ein anderes Ausführungsprinzip eines dreifach reflektierenden optischen Elementes für die erfindungsgeaäße Einrichtung und

Fig. 4 eine besonders für optische Beobachtungsgeräte geeignete Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Das in Pig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel umfaßt verschiedene in einem lichtdichten Gehäuse 11 eingebaute optische Elemente. Auf aas Gehäuse 11 wird im folgenden ira Hinblick auf dessen räumliche Ausrichtung Bezug genommen werden. Sofern nichts anderes angegeben ist, soll stets angenommen werden, daß es sich bei dem optischen Gerät um eine Kamera handelt. Für Beobachtungsgeräte sind cämlich gegenüber Kameras bestimmte Abwandlungen erforderlich, die noch gesondert besprochen werden.

Das Gehäuse 11 enthält unter anderem ein ein umgekehrtes Bild lieferndes, angenähert zweifach vergrößerndes afokales Fernrohr 12, das eine ungerade Anzahl von Reflexionsflächen aufweist, so daß einfallendes Licht im wesentlichen in Richtung zum betrachteten Objekt zurückgeworfen wird. Das Fernrohr 12 besitzt ein in einer Wand des Gehäuses 11 fest eingebautes Objektiv 13. Ein dreifach reflektierendes optisches Element 14 ist im Gehäuse 11 ebenfalls fest und an einer solchen Stelle eingebaut, daß es Licht vom Ob-Jektiv 13 empfängt. In Fig. 1 1st das Element 14 als Prisma dargestellt. Es sind hierfür aber auch andere AusfUhrungsformen möglich· Das Element 14 wirft das einfallende Licht im wesentlichen in die Einfallsrichtung zurück. Label 1st in der Nähe des Elementes 14 eine zweite Linse (oder Linsensatz) 16 angeordnet; diese stellt das Okular des Fernrohres 12 dar. Zusätzlich.können eine oder men-

rere Feldlinsen 17 zur Konzentration des Lichtes vom Objektiv 13 in das Okular 16 vorhanden sein und eine derartige Feldlinse kann zwischen dem Objektiv 13 und dem reflektierenden Element 14 unmittelbar vor letztere-, angeordnet sein. Alle bisher genannten optlsohen Glieder 3lnd mit dem Gehäuse 11 lest verbunden.

Die in ungerader Anzahl vorhandenon Rcflexionsflächen des

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Elementes 14 können In verschiedenen Konfigurationen angeordnet sein. In der Einrichtung gemäß Fig. 1 1st dieses Element als Prisma aus Glas oder Kunststoff ausgebildet und hat im Querschnitt die Form eines gleichschenlcellgen Dreiecks, dessen Spitze gewünschtenfalls abgeschnitten sein kann. Die Vorderseite 18 des Prismas, die durch die Basis des Querschnitt-Dreiecks geht, ist dem Objektiv 13 zugekehrt, so daß durch das Objektiv in Richtung der strichpunktiert gezeichneten Achse 19 einfallendes Licht in das Prisma eintritt und dort an der einen, gegen die Vorderseite 18 geneigten Rückseite 21 reflektiert wird. Weiters wird das Licht an der Vorderseite 18 und sodann an der anderen, gegen die Vorderseite geneigten Rückseite 22 reflektiert, worauf es durch die Vord-erseite austritt und die Linse 16 durchsetzt. Die Rückseiten 21 und 22 des Prismas sind gegen die Vorderseite 18 je unter einem Winkel von etwa 15 bis 45° geneigt. Die Grenzwerte für den Winkel ergeben sich aus der Forderung, daß das Licht von der Rückseite wieder zur Vorderseite zurückgeworfen wird, daß im Prisma an der Vorderseite im wesentlichen Totalreflexion eintritt und daß ein bestimmter gewünschter seitlicher Abstand zwischen den eintretenden und den austretenden Lichtstrahlen vorhanden ist. Das reflektierende Element 14 kann Im wesentlichen als ebener Spiegel angesehen werden, da es tatsächlich I viele Eigenschaften eines scheinbar an der Stelle 23 angeordneten, hinter dem Prisma liegenden Spiegele hat. Mathematisch-geometrische Betrachtungen des Strahlenganges im Prisma zeigen, daß dies stimmt· Sie Wirkung des Prismas ist also derart, als ob einfallendes Licht an der gedachten Spiegelfläche bei 23 reflektiert , aber außerdem um einen bestimmten Abstand seitlich verschoben würde.

Das in Pig, 1 dargestellte dreifach reflektierende Element 14 ist nur ein Beispiel aus einer Vielzahl möglicher Konstruktionen; tin anderes AusfUhrungsprlnzip hierfür ist in Fig. 3 gezeigt. Dabei sind drei ebene Spiegel 26, 27 und 26 la gegenüber einander unveränderlicher lage angeordnet, so dad ein auf den ersten Spiegel 26

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einfallender Lichtstrahl 29 auf den zweiten Spiegel ZJ und von dort auf den dritten Spiegel 28 geworfen wird, von wo er parallel und entgegengesetzt zur Einfallsrichtung, aber seitlich versetzt aus der Spiegelanordnung austritt. Die drei Spiegel können in verschie denster Yfelse relativ zueinander angeordnet sein. Bine Bedingung, die sowohl beim Prisma nach Pig. 1 als auch bei der Spiegelanordnung gemäi3 Fig. 3 erfüllt sein muß, ist die, daß die drei reflektierenden Flächen so ausgerichtet sind, daß eine Gerade auf irgendeiner dieser Flächen parallel zu Geraden auf den beiden anderen verläuft.

Außer dem ein umgekehrtes Bild liefernden afokalen Fernrohr mit einer ungeraden Anzahl von Reflex.cnsflachen enthält die erfindungsgemäße Einrichtung ein trägheitsstabllisiertes reflektierendes optisches Elecent 31. Dieses Element 31 kann gleichartig wie das Prisma 14 von Flg. 1 oder andere vorstehend erwähnte Ausführungsformen ausgebildet sein, so daß ein einfallender Lichtstrahl eine Reflexion, die scheinbar an der gedachten Spiegelebene 36 stattfindet, und eine seitliche Verschiebung erleidet. Die Trägheitsstabilisierung des reflektierenden Elementes 31 nach der Seite und nach der Höhe wird durch schwenkbare Lagerung des Elementes um zwei zueinander senkrechte Achsen ermöglicht, die quer zur Richtung des einfallenden Lichtes liegen. In Pig. 1 1st In der Nähe der Hinterkante

Schwenkpunkt des Prismas 31 ein XxgcxxxfftM 32 angedeutet. Der Schwenkpunkt 32 kann beim Schnittpunkt der zwei zueinander senkrechten Achsen liegen. Es ist aber nicht notwendig, da£ die beiden Achsen einander tatsächlich schneiden, und es let auch nicht notwendig, dafl der Schwenkpunkt bei der Hinterkante des Prismas 31 liegt. Der Schwenk-• ρunkt bzw. die erwähnten Achsen, am welche das Element 31 stabil!* eiert ist, können innerhalb vernünftiger Grenzen überall liegen, ohne dafl die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Einrichtung beeinträchtigt wird, so daß das Elecent 31 trotz kleiner Vinkelabwel- ohungen des Gehäuses 11 von der ursprünglichen Zielrichtung in

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dieser Zielrichtung nach der Seite und nach der Höhe ausgerichtet gehalten wird. Die Wirksaickeit der Trägheitsstabllisierung ist noch besser, wenn mit dem Element 31 ein Kreisel 33 verbunden und mit diesem um den Schwenkpunkt_x32 beweglich ist. Wenn ein Kreisel vorhanden ist, kann im Gehäuse eine dessen Präzession beeinflussende Nachführeinrichtung 34- vorgesehen werden. Lie Wiricungscharakteristik der Nachführeinrichtung kann dem Jeweiligen Anwendungssweck angepaßt werden. Ganz allgemein wird durch die Nachführeinrichtung gemäß Fig. 1 auf den Kreisel eine Kraft senkrecht zur gewünschten Richtung der Präzession ausgeübt. Die Nachführeinrichtung kann in üblicher Weise auf den Kreisel wirken, ihre Kennlinie kann Jedoch im mittleren Bereich einen flachen Verlauf haben, so daß in einem " kleinen Winkelbereich um die Euhelage die Nachführeinrichtung unwirksam ist und ein vollständiger Ausgleich von Winkelabweichungen erfolgt. Bei Vorhandensein eines Kreisels ist in einem kleinen vorbestimmten Winkelbereich eine noch bessere Stabilisierung des Elementes erzielbar; wenn aber die Winkelabweichung diesen kleinen vorbestimmten Bereich überschreitet, wird die Nachführeinrichtung 34 wirksam und führt das Element 31 cit der Schwenkung des Gehäuses 1ΐ mit. Diese Nachführung des Elementes 31 bei größeren Winkelabweichungen ist beispielsweise wichtig bei einer absichtlich vorgenommenen Schwenkbewegung einer Filmaufnahmekamera, aber auch bei Fernrohren und Teleskopen, wenn mit diesen ein bewegtes Objekt beobachtet wird. Eine solche Weiterbildung der erfindungsgemäßen Einrichtung ermöglicht eine Blldstabilislerung bei kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Zielrichtung, die etwa dadurch bedingt sind, daß das Gerät unruhig in der Hand gehalten wird, wobei aber durch beabsichtigte Schwenkbewegungen über große Winkel keine Störungen hervorgerufen werden.

Kurz zusammengefaßt ergibt sich bei einen: mit der erfindungsgemäßen Einrichtung ausgerüsteten optischen Gerät folgender Strahlengang: nach Durchgang durch das Fernrohr 12 tritt das Licht aus

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der Linse (oder Linsensatz) 16, die dessen Okular bildet, in Form im wesentlichen paralleler Strahlen aus, die gegen das Element 31 gerichtet sind, in welchem sie eine ungerade Anzahl von Reflexionen erleiden, worauf das aus dem reflektierenden Element 31 austretende Licht durch eine Linse (oder Linsensystem) 41 zur Projektion eines

42 stabilisierten 3ildes auf eine Blldebene/fokussiert wird. Im Falle einer Kamera befindet sich bei der Ebene 42 das Bildfenster· Bei optischen Beobachtungsgeräten leitet die Linse 41 das Licht in das Okular des Gerätes, was nachstehend noch näher erläutert wird.

Zur Illustration der Wirkung der erfindungsgeaäSen Einrichtung 1st in Fig. 2 das Gerät von Flg. 1 um einen kleinen Winkel θ gegen die Waagerechte geneigt dargestellt. Die Größe dieses Winkels ist in der Zeichnung deutlichkeitshalber stark übertrieben dargestellt. In Wirklichkeit 1st bei in der Hand gehaltenen Kameras, Ferngläsern, Teleskopen u.dgl. nur ein Ausgleich für sehr kleine Winkel, höchstens einige Bogengrade, erforderlich. Wenn wie in Fig. 2 das Gehäuse 11 um einen Winkel θ aufwärts geschwenkt ist, werden die einfallenden Lichtstrahlen durch das ein umgekehrtes Bild liefernde afokale Fernrohr 12 und das dreifach reflektierende Element 14 gegen das Objekt, aber unter einem Winkel θ gegen die ursprüngliche Zielrichtung geneigt, zurückgeworfen. Das trägheitsstabilislerte Element 31 bleibt in der ursprünglichen Zielrichtung ausgerichtet· Die unter einem Eintrittswinkel θ in das Element 31 einfallenden Lichtstrahlen (unter einem Winkel 2Θ gegen die optische Achse des Fernrohres 12 geneigt) verlassen dieses unter einem Auatrittswinkel Θ, welcher der Verschwenkung des Gehäuses 11 gegen die ursprüngllehe Zielrichtung entspricht. Daher bleibt die Richtung der das Element 31 verlassenden Lichtstrahlen in bezug auf das Gehäuse 11 unverändert und das Objekt wird stets auf die selbe Stelle im Bildfenster projiziert, und zwar unabhängig von kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Zielrichtung.

Beim praktischen Gebrauch in der Hand zu haltender optischer

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Geräte, wie Kameras und Ferngläser, sind kleine unbeabsichtigte und -unkontrollierbare Bewegungen unvermeidlich. Diese Unsicherheit beim Halten macht sich durch Winkelabweichungen des Gerätes von der ursprünglichen Zielrichtung in lotrechter, waagerechter oder irgend-, einer dazwischenliegenden Richtung bemerkbar. Für das fest angeordnete dreifach reflektierende Element 14 oder dessen Äquivalent ist die Bewegungsrichtung ohne Belang. Das trägheitsstabilisierte Element 31 besitzt im Schwenlcpunkt 32 eine zweidimensional Lagerung, und zwar um zwei zueinander senkrechte Achsen, die beide im wesentlichen senkrecht zur ursprünglichen Zielrichtung bzw. zur optischen Achse des Hilfs-Fernrohres stehen. Daher gilt das bei der Erläute- i rung der Fig. 1 und 2 Gesagte nicht nur für Winkelabweichungen von der ursprünglichen Zielrichtung in lotrechter Richtung, sondern ebenso in waagerechter Rlchtwng. Mit der erfindungsgeaäßen Elnrich-

tung ist daher eine sehr gute Bilstabillsierung erzielbar. Dabei 1st es bemerkenswert, daß die aus dem Hilfs-Fernrohr 12 austretenden Lichtstrahlen im wesentlichen parallel zueinander sind, so daß verschiedene Beschränkungen und strenge Bedingungen hinsichtlich genauer Anordnung, Justierung und Bewegung der Elemente entfallen können, ΐ/enn die Lichtstrahlen parallel sind, werden alle etwa gleich beeinflußt. Die Austrittspupille des Hilfs-Fernrohres kann an die optisch günstigste Stelle verlegt werden. Pie Linse 16 gemäß Flg. 1 dient tür Abbildung eines reellen und nicht eines virtu^eUen Bildes, *as für ihre Grüße und die Ausbildung der folgenden Elemente sehr günstig ist, wenn man diese mit entsprechenden Elementen bekannter Einrichtungen vergleicht· Eine Bildstabilisierung ist zwar, wie be reits eingangs erwähnt, auf verschiedene Weise möglich, aber die •rfindungsgemäße Konstruktion bietet gegenüber den bekannten Einrichtungen zahlreiche bedeutende Verbesserungen.

Sas tin umgekehrtes Bild liefernde gefaltete afokale Fernrohr 12, das eine Hehrzahl von Linsen in Kombination mit einem reflektierenden Element mit einer ungeraden Anzahl von Reflexioneflächen

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enthält, liefert parallel gerichtete Lichtstrahlen; dieser Teil der Einrichtung kann daher Kollinator genannt werden. Dabei kann die Reihenfolge von Linsen und Reflexionsflächen des Fernrohres geän- · dert werden. Auch die räumliche Anordnung der einzelnen Elemente kann modifiziert werden. Bei bestimmten Anwendungen der Bildstabilisierung, z.B. bei Ferngläsern, ist es wünschenswert den optischen Teil möglichst einfach, zu gestalten, um Kosten, Größe, Gewicht und Kraftaufwand gering zu halten, Ia Zusammenhang damit wird auf Pig. 4 verwiesen, gemäß welcher die Faltung des ein umgekehrtes Bild liefernden afokalen Fernrohres ait Hilfe einer gekrümmten Eeflexionsfläche erzielt wird. Dabei 1st ein erster Linsensatz 51 des Fernrohres, sein Objektiv, in der Wand eines lichtdichten Gehäuses 52 angeordnet, um das einfallende Licht auf dem Weg 43 auf die fest im Gehäuse angebrachte gekrümmte Reflexionsfläche 54 zu leiten. Die Reflexionsfläche 54 kann sphärische und zylindrische Krümmung aufweisen. Sie hat zwei Aufgaben zu erfüllen. Erstens wirkt sie als Feldelement zum Sammeln von Licht und zweitens korrigiert sie die durch die Linsen 51 und 56 bedingte Bildfeldwölbung· Hierfür 1st es wichtig, dafl die Reflexionsfläche 54 in der Nähe jener Stelle angeordnet wird, wo daa reelle Bild entsteht, damit die genannten _Aufgaben erfüllt werden können, ohne daß merkliche Aberrationen entstehen. Man sieht, daß die Reflexionefläche das Licht nicht genau In Einfallerichtung zurückwirft, sondern daß die Reflexionsrichtung einen Winkel alt der Elnfausrichtung einschließt. Das reflektierte Licht durchsitzt den Llnsensatz 56 des Fernrohres·und trifft auf ein trägheitsstablllsiertes reflektierendes Element 31, wi· ·· bereit· im Zusammenhang mit den ?ig. 1 und'2 beschrieben wurde. DU-see Element 31 ist um zwei zueinander senkrechte Achsen schwenkbar, die im wesentlichen senkrecht zur Richtung des einfallenden Licht·· stehen. Das Element 31 1st um einen Funkt 32 schwenkbar, der nail· bei der Hinterkante des¹Elementes liegt. Di·-lag· des Schwenkpunktes in bezug auf das Prisma unterliegt jedoch keinen Beschränkungen.

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Auch, beim Ausführungsbeispiel gemäß Flg. 4 kanu die Trägheitsstabilisierung des Elementes 31 durch Anordnen eines Kreisels 33 auf diesem noch verbessert werden, wobei eine mit dem Kreisel zusammen-

aus

wirkende Nachführeinrichtung 34 vorgesehen sein kann. Das/dea letzten Glied 56 des Hilfs-Fernrohres mit der Reflexionsfiäche 54 austretende Licht besteht aus im wesentlichen parallelen Strahlen, die aber im Gegensatz sum ersten Ausführungsbeispiel schräg abwärts gerichtet sind. Daher muß die Ebene 36 des als Ersatz für das Element 31 gedachten ebenen Spiegels in der Ruhelage des trägheitsstabilisierten Elementes unter einem entsprechenden Winkel in bezug auf das Gehäuse geneigt sein, so daß das auffallende Licht gegen die Rückseite des Gehäuses geworfen wird. Eine Linse (oder Linsensystem) 57 ist im Gehäuse zur Fokussierung des aus dem Elemental ausgetretenen Lichtes in ein Okular 58, das in der Gehäuserückwand sitzt, angeordnet, wodurch das Auge 59 eines Beobachters ein stabilisiertes Bild wahrnimmt. (~Ώ1 e Aueführungsform gemäß 71g. 4 enthält die glei chen grundsätzlichen Elemente wie die Ausführungsform gemäß Fig. 1. Es ist ein ein umgekehrtes Bild lieferndes etwa zweifach vergrößerndes afokales Fernrohr vorhanden, das mit Hilfe einer ungeraden Anzahl von Beflexionsflächen gefaltet ist· Ferner ist ein trägheltsstabllielertes dreifach reflektierendes optisches Element 31 vorgesehen. Daher 1st auch die Wirkungsweise Ih wesentlichen gleich wie anhand der Flg. 1 und 2 beschrieben. Beim Ausführungsbeispiel gem&A Fig. 4 ist es wünschenswert und la allgemeinen notwendig eine Trennwand 61 zur Trennung der austretenden von den einfallenden Lichtstrahlen vorzusehen» denn es 1st selbβtverständlich unzulässig, da* Lichtstrahlen auf direktem Wege von der Eintrittssteil« zur Aue- _:' trittsstelle gelangen, da dieser Lichtanteil nicht stabilisiert vä- ■ re und sich dem nutzbaren Lichtanteil störend überlagern würde. Welters nuß noch darauf hingewiesen werden, daß für optische Beobaohtungsgeräte, wie Ferngläser und Teleskope, eine etwas andere Stabilisierung als für Kameras erforderlich ist. Bei Kameras soll |

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ein stabilisiertes Bild auf einen angenähert in der Brennebene angeordneten lichtempfindlichen Film projiziert werden. Bei direkter Betrachtung einer solchen Bildebene mit einem stabilisierten Bild wäre die Stabilisierung für den Betrachter aber nicht vollkommen. Dieser Umstand wird nachstehend noch näher erörtert·

Da die Ablenkung von Lichtstrahlen durch das dreifach reflektierende Element wie durch einen ebenen Spiegel erfolgt, ist der Reflexionswinkel gleich dem Einfallswinkel. Sine Änderung des Einfallswinkels um θ bedingt daher auch eine Änderung des Reflexionswinkels um θ und die gesamte Winkeländerung zwischen einfallendem und reflektiertem Lichtstrahl beträgt 2Θ. Daraus folgt, daß ein trägheitsstabllisierter Spiegel eine doppelt so große Strahlablenkung bewirkt als sie für die Bildstabilisierung erforderlich wäre. lus diesem Grund ist ein HiIfa-Fernrohr mit etwa zweifacher Vergrößerung vorhanden, damit im Zusammenwirken mit dem trägheitsstabilisierten Spiegel eine Strahlablenkung erhalten wird, die dem Betrag nach gleich groß, aber entgegengesetzt wie die Winkelabweichung des Gerätes von der ursprünglichen Zielrichtung 1st. Eine in die Einrichtung eingeführte optische Vergrößerung bewirkt nicht nur eine Vergrößerung des abgebildeten Objektes, sondern auch dessen schein-) bare Winkelabweichung. Die verbleibende Ablenkung zwischen einem Lichtstrahl und der optischen Achse des Hilfs-Fernrohres ergibt sich bei einem auszugleichenden Vi&kel θ zu: α θ = fVg - 2(Vg-I)]θ, wobei V_H die Vergrößerung des Hilfe-Fernrohre· bedeutet· Tür eiae Kamera, in der das auf die Filmebene projiziert· Bild stabilisiert werden soll, nuß selbstverständlich ΔΘ = 0 und somit V_H = 2 sein· Bine solche Anwendung 1st in den Fig. 1* und 2 dargestellt, wo eine Bildebene 42 mit eines Bildfenster od.dgl. vorhanden ist·

Beobachtungsgeräte, wie Ferngläser, Teleskope u.dgl. erfordern eine etwas andere Art der Kompensation. Es soll an dieser Stell· nicht die gesamte Ableitung der Formel durchgeführt werden, sondern gleich der Resultat angegeben werden, wonach die Vergrößerung des

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Hilfe-Fernrohres um einen Paktor C¹ * ¹A) zu ändern ist. Daher nuß die Vergrößerung des Fernrohres 12 bei Anwendung der erfindurgs ZLarLchtung in optischen ßeobachtungsgerä'teji 2Cf - 7/7, betragen, wobei V die Vergrößerung des gesamten optischen Gerätes ist· Im Klanimerausdruck gilt das Pluszeichen für Geräte, die ein umgekehrtes Bild liefern, und das Minuszeichen für Geräte, die ein aufrechtes Bild liefern. Der in der Beschreibung gebrauchte Ausdruck "angenähert zweifach vergrößerndes Fernrohr" ist in obigem Sinne zu verstehen, d.h. daß der erwähnte Korrekturfaktor berücksichtigt sein kann.

Zur AusfUhrungsform gemäß Fig. 4, wobei das Licht nicht genau λ in Eichtung zum Objekt, sondern unter einem Winkel zur Einfallsrichtung reflektiert wird, ist zu bemerken, daß dadurch die Konstruktion vereinfacht wird, aber die optische Qualität nur so geringfügig herabgesetzt wird, daß dies für sahireiche Anwendungsfälle durchaus tragbar let· Diese Anwendungsmöglichkeit ist besonders für Teleskope und Ferngläser wichtig. Gewünsentenfalle kann für ein binokulares Fernglas mit einer einzigen Einrichtung gemäß Fig. 4 das Auslangen gefunden werden, welche das Licht in zwei Okulare lenkt.

Neben den zwei gezeigten und beschriebenen Ausführungebeispielen sind noch zahlreiche andere Konstruktionen möglich, ohne den " Sahnen der Erfindung zu verlassen. So können Linsen des Hilfe-Fernrohres vor oder auch zwischen den in ungerader Anzahl vorhandenen Bsflexionsflttchsn angeordnet werden« Ebenso kann die Feldline· aa verschiedenen Stellen im Strahlengang der Einrichtung^angeordnet werden. Ein weiterer Vorteil gegenüber bekannten Einrichtungen be-

steht darin, da* Schwierigkeiten hlnsiohtlich Lage und GrOSs der Auetrittepupille des Hilfe-Fernrohres beseitigt sind· Durch Verwendung eines ein umgekehrtes Bild liefernden Fernrohres, bei welch·« 41« Brennweite des zweiten Gliedes etwa halb so groß wie Jen· des ersten ist und die Brennpunkts beider Glieder annähernd zusammenfalten, ist es möglich, die Austrittspupille (durch Wahl der Breoh«

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kraft der Feldlinse) In einigem Abstand davon vorzusehen, da der Querschnitt des stabilisierten Lichtbündels sehr klein gehalten ist. Diee ist ein wichtiger Vorteil bei der Konstruktion optischer Geräte. Weiters 1st es in den meisten Fällen günstig, wenn das stabilisierte Lichtbündel die Einrichtung im wesentlichen parallel zur Zielrichtung verläßt.

Bas Licht kann auch vor dem Passleren des Objektivs reflektiert werden. Beispielsweise kann bei der Spiegelanordnung gemäß Fig. 3 das Objektiv zwischen den Spiegeln 26 und 27 vorgesehen sein; ferner kann der Spiegel 28 nach der ixt des Elementes 54 von Fig. 4 gekrümmt sein, um Lichtstrahlen auf eine zweite Linse des Fernrohres zu konzentrieren, die dann ihrerseits im wesentlichen parallele Lichtstrahlen auf das trägheitsstabilislerte Element mit beispielsweise einer oder drei Seflexionsflachen lenkt. Sie Einrichtung kann somit dem jeweiligen Anwendungszweck weitgehend angepaßt werden.

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Claims (1)

1. ⁾ - 15 -

   Patentansprüche :

   1. Einrichtung zun selbsttätigen Ausgleich der Einflüsse zufälliger Bewegungen von optischen Geräten mit einem Gehäuse und einem daran oder darin angeordneten optischen System, mit einen dem Ziel zugewandten gerätefesten und einem nachfolgenden pendelnd gelagerten afokalen System, dadurch gekennzeichnet, daß das gerätefeste afokale System durch ein ein umgekehrtes Bild lieferndes, angenähert zweifach vergrößerndes Fernrohr gebildet ist, das zur Faltung des Strahlenganges eine ungerade Anzahl von Reflexionsflächen enthält, so daß einfallendes Licht im wesentlichen entgegengesetzt zur ursprünglichen Richtung in Form im wesentlichen paralleler Strahlen gegen das pendelnd gelagerte afokale System geworfen wird, das durch ein reflektierendes optisches Element mit einer ungeraden Anzahl von Reflexionsflächen gebildet 1st, welches alt einer Trägheitsstabilislerungsvorrichtung verbunden und im Gehäuse um zwei zueinander senkrechte Achsen, die im wesentlichen senkrecht zur ursprünglichen Zielrichtung stehen, bewegbar angeordnet ist, so daß durch das Fernrohr empfangenes Licht als im wesentlichen paralleles, in bezug auf das Gehäuse stabilisiertes Strahlenbündel reflektiert wird, wobei ein Linsensystem mit wenigstens einer Linse Im Strahlengang der stabilisierten Lichtstrahlen angeordnet 1st.

   2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das pendelnd gelagerte reflektierende optische Element drei ebene, in gegenüber einander unveränderlicher Lage angeordnete Reflexionsflächen aufweist, wobei eine Gerade auf Irgendeiner dieser Flächen parallel zu Geraden auf den beiden anderen verläuft, so daß ein einfallender Lichtstrahl In im wesentlichen entgegengesetzter Richtung und seitlich versetzt zurückgeworfen wird.

   3· Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dafl das fernrohr aus einem ersten und einem zweiten Linsensatz besteht,

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   zwischen welchen eine reflektierende optische Vorrichtung mi"C der erwähnten ungeraden Anzahl von fieflexionsflächen angeordnet ist.

   4, Einrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem ersten und dem zweiten Linsensatz des Fernrohres ein dritter Linsensatz vorgesehen ist um Licht aus dem ersten Linsensatz in den zweiten Linsensatz zu lenken.

   5· Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 "bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß ic Strahlengang des Fernrohres eine einzige gekrümmte Eeflexionsflache vorhanden ist.

   6. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflexionsfläche in der Nähe der Brennebene des Ob^jektivlinsensatzes des Fernrohres angeordnet ist um Licht unter einem Winkel gegen die Einfallsrichtung zu reflektieren.

   7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn zeichnet, daß die Trägheltsstabilisierungsvorrichtung einen Kreisel enthält, der mit dem pendelnd gelagerten reflektierenden optischen Element verbunden ist, und daß eine die Präzession des Kreisels beeinflussende Nachführeinrichtung vorgesehen ist um bei einen kleinen vorbestimmten WinkeIbereich überschreitenden Winke!abweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Zlelriohtung das reflektierende Sie« ment progressiv alt den Gehäuse Bitzuführen·

   8· Einrichtung nach einen der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerung des Fernrohres 2(1 t 1/V) betragt, wobei V die Vergrößerung des gesamten ostischen Gerätes ist and da· Pluszeichen für ein Gerät, das ein umgekehrtes Bild liefert, and das Minuszeichen für ein Gerät gilt, das ein aufrechtes Bild lie fert, und daß in einer Gehäusewand Okular« zum Empfangen des duroh die Einrichtung einfallenden Lichtes vorgesehen sind.

   o„ Einrichtung ηε-ch einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn-

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   zeichnet, daß der Objektivlinsensatz des Fernrohres im Strahlengang zwischen seinen in ungerader Anzahl vorhandenen Eeflexionsflachen angeordnet 1st.

   10, Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daJ3 das Fernrohr drei Reflexionsflächen besitzt, von welchen eine gekrümmt ist um die Bildfeldifb'lbung zu korrigieren und Licht von einem ersten Linsensatz des Fernrohres in einen zweiten Linsensatz desselben zu leiten·

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