DE4042241A1 - Fernrohr - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernrohr, insbesondere ein binokulares Fernrohr, das vorzugsweise mit den Händen gehal­ ten wird und ein optisches System mit mindestens einem Objektiv und mindestens einem Okular aufweist. Ein solches Fernrohr kann zur visuellen, elektronischen oder photographischen Beobachtung dienen.

Das optische System eines solchen bekannten Fernrohrs enthält bei monokularer Ausbildung üblicherweise ein Objektiv und ein Okular, die beide in einem gemeinsamen Gehäuse unterge­ bracht sind, des im einfachsten Fall als Tubus ausgebildet ist. Die Anpassung des Fernrohrs an verschiedene Abstände der zu beobachtenden Objekte und an verschiedene Sehfähigkeit des menschlichen Auges geschieht beispielsweise durch Verschiebung des Okulars in Richtung der optischen Achse oder durch Ver­ schiebung einer im Gehäuse untergebrachten Zusatzlinse. Im Gehäuse können außerdem Umkehrlinsen, Prismen oder andere optische Elemente untergebracht sein. Das optische System kann zur Verbesserung der Handhabung des Fernrohrs auch mit zusätz­ lichen Vorkehrungen ausgerüstet sein; beispielsweise mit Okular- Ansatzstücken, welche angenehmes Anlegen des Okulars an den Kopf des Beobachters ermöglichen und zugleich vor dem Einfall störenden Seitenlichtes schützen.

Das optische System eines binokularen Fernrohrs besteht im allgemeinen aus zwei einander im wesentlichen gleichen optischen Teilsystemen, deren jedes im Prinzip wie ein mon­ okulares Fernrohr ausgebildet ist. Diese beiden optischen Teilsysteme sind meist derart miteinander verbunden, daß der Abstand der beiden Okulare verändert werden kann und dabei dennoch die optischen Achsen der beiden optischen Teilsysteme stets parallel zueinander bleiben. Häufig ist bei binokularen Fernrohren ein Stellorgan vorgesehen, durch welches die Ver­ schiebung der beiden Okulare in Richtung ihrer optischen Achse gemeinsam erfolgen kann, um die Bedienung zu vereinfachen.

Diese bekannten Fernrohre der eingangs genannten Gattung werden üblicherweise mit beiden Händen gehalten und gegebenen­ falls zusätzlich mit Okular-Ansatzstücken an den Augenhöhlen abgestützt. Dadurch werden Zitterbewegungen vor allem von den Händen, aber auch vom Kopf des Beobachters, auf das Fernrohr übertragen, was zu einem Verwackeln des Bildes führt. Dieses Verwackeln wächst zudem mit der Vergrößerung.

Dieser schwere Nachteil ist schon bei den Standard- Fernrohren mit 7-facher oder 8-facher und erst recht mit 10-facher Vergrößerung sehr unangenehm. Denn selbst bei diesen relativ kleinen Vergrößerungen macht sich das Zittern in doppelter Weise störend bemerkbar: erstens ist die Erkennbarkeit von feinen Strukturen wesentlich verschlechtert und zweitens bedarf es großer Anstrengung um solche Strukturen trotz des Zitterns wenigstens einigermaßen auflösen zu können. Also genau das ist entscheidend gestört, worauf es dem Naturfreund ankommt, nämlich das leichte Erkennen aller Feinheiten. Stärkere Fern­ rohre mit 12-facher, 15-facher oder gar 20-facher Vergrößerung werden daher im Alltag nur selten benutzt, weil beim Halten mit den Händen das Zittern allzusehr stört und die Benutzung eines Stativs zu aufwendig ist. Das ist sehr bedauerlich. Denn bei den üblichen Objektiv-Durchmessern von 40 mm und 50 mm könnten 15-fache, 20-fache und sogar 25-fache Vergrößerung eine will­ kommene Steigerung der Auflösung bringen - wenn eben das Zittern nicht wäre.

Nach dem Stand der Technik gibt es zwar verschiedene Möglichkeiten, um Fernrohre gegen unerwünschte Kippbewegungen zu stabilisieren. Solche (in der deutschen Auslegeschrift 17 72 827 erwähnten) Möglichkeiten sind: die Verwendung eines durch einen Kreisel stablisierten Gestells, die Verwendung einer durch Hilfsstrahlen gesteuerten elektronischen Kompensation oder die Verwendung eines trägheits-stabilisierten kardanisch aufgehängten Prismas in einem Fernrohr mit zweifacher Vergrößerung. Derartige Maßnahmen sind vor allem dazu gedacht, störende Bewegungen von auf Schiffen und Landfahrzeugen befestigten Spezialfernrohren zu unterdrücken. Sie sind aber wegen ihres hohen baulichen Aufwandes und ihres hohen Gewichtes nicht zur Unterdrückung der von den Händen auf Standard- Fernrohre übertragenen Zitterbewegungen geeignet.

Die Aufgabe der Erfindung ist daher darin zu sehen, ein Fernrohr der eingangs genannten Gattung für visuelle elektro­ nische oder photographische Beobachtung zu schaffen, das den vorgenannten Nachteil vermeidet.

Gemäß der Erfindung wird die genannte Aufgabe dadurch gelöst, daß zwecks Verringerung der von den Händen auf das optische System übertragenen Zitterbewegungen mindestens eine mit dem optischen System gekuppelte Vorrichtung vorgesehen ist, welche auf das optische System rückwirkende Ausgleichsbewegungen ausführt, die von mindestens einem mit dem optischen System verbundenen Sensor gesteuert werden, der auf wenigstens eine senkrecht zur Beobachtungsrichtung stehende rotatorische Komponente der Zitterbewegungen anspricht.

Durch diese Maßnahmen ergibt sich ein handliches Fernrohr, dessen Beobachtungsqualität vom Zittern der Hände entscheidend weniger beeinflußt wird als die Beobachtungs­ qualität eines üblichen Fernrohrs. Ein Fernrohr nach der Erfindung liefert selbst für 20-fache und 25-fache Vergrößerung noch ausgezeichnete Beobachtungsqualität. Für die Standard- Vergrößerungen, nämlich 7-fach, 8-fach und 10-fach ist die Beobachtungsqualität eines Fernrohrs nach der Erfindung vergleichbar mit der Beobachtungsqualität eines auf einem Stativ montierten Fernrohrs.

Die Lösung nach der Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß nicht alle Zitterbewegungen gleich schädlich für die Beobachtungsqualität sind. Es kommt somit darauf an, die Übertragung derjenigen Zitterbewegungen auf das optische System zu verringern, die für die Beobachtungsqualität besonders schädlich sind. In diesem Zusammenhang ist die Lage der optischen Achse des optische Systems bzw. jedes der beiden optischen Teilsysteme wichtig. Bei optischen Systemen mit gewinkeltem Strahlengang ist unter der optischen Achse diejenige des Objektivs zu verstehen. Diese optische Achse bzw. diese beiden optischen Achsen bestimmen die Beobachtungsrichtung.

Wenig schädlich für die Beobachtungsqualität sind trans­ latorische Bewegungen und rotatorische Bewegungen um die optische Achse. Wenig schädlich sind auch rotatorische Bewe­ gungen um irgendeine zur Beobachtungsrichtung parallele Achse. Denn eine solche Bewegung läßt sich zerlegen in eine trans­ latorische Bewegung und eine rotatorische Bewegung um die optische Achse.

Besonders schädlich für die Beobachtungsqualität sind rotatorische Zitter-Bewegungen um irgendeine zur Beobachtungs­ richtung senkrecht stehende Achse. Die Schädlichkeit solcher Bewegungen ist etwa proportional V-1, wobei V die Vergrößerung bedeutet.

Beim Erfindungsgegenstand werden mithilfe eines Sensors oder mehrerer Sensoren diese besonders schädlichen rotatischen Zitter-Bewegungen des optischen Systems gemessen und mithilfe dieser Meßwerte die Ausgleichsbewegungen der Vorrichtung derart gesteuert, daß die Rückwirkung dieser Ausgleichsbewegungen auf das optische System dessen besonders schädliche rotatorische Zitterbewegungen verringern. Somit kann die Anordnung als eine Reglerschleife aufgefaßt werden, deren Sollwert-Geber der mindestens eine Sensor ist.

Die Vorrichtung soll mit dem optischen System derart in beweglicher Weise gekupplt sein, daß sie hinsichtlich der genannten besonders schädlichen rotatorischen Zitter-Bewegungen einen ausreichenden Bewegungs-Spielraum hat. Es ist zweckmäßig, den Bewegungs-Spielraum der Kupplung zwischen optischem System und Vorrichtung derart einzurichten, daß er für rotatorische Bewegungen senkrecht zur Beobachtungsrichtung genügend groß, aber für rotatorische Bewegungen um die Beobachtungsrichtung und für translatorische Bewegungen möglichst klein ist.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß die die Ausgleichsbewegungen ausführende Vorrichtung mindestens einen solchen Ausgleichsbewegungen erzeugenden elektrischen Servomotor aufweist, an dem das optische System angeschlossen ist. Demnach werden die vom mindestens einen Sensor gelieferten Meßwert-Signale von mindestens einem elek­ trischen Verstärker ausreichend verstärkt und gegebenenfalls modifiziert und sodann mindestens einem elektro-mechanischen Umsetzer, das heißt einem Servomotor zugeleitet. Dieser Servo­ motor erzeugt die Ausgleichsbewegungen und da er mit dem optischen System gekuppelt ist, übertragen sich die Ausgleichs­ bewegungen auf dieses.

Grundsätzlich genügt ein einziger Sensor, der auf alle senkrecht zur Beobachtungsrichtung stehenden rotatorischen Zitter-Bewegungen anspricht. Oft ist es aber besonders einfach, zwei einander gleiche und aufeinander senkrecht stehende Sensoren einzusetzten, deren Signale in je einem Verstärker elektrisch verstärkt und je einem von zwei zueinander senkrecht stehenden Servomotoren zugeführt werden.

Auf das optische System ausgeübte translatorische Kräfte können in diesem auch rotatorische Bewegungskomponenten hervor­ rufen. Deshalb ist es grundsätzlich auch möglich, mindestens einen nur translatorische Kräfte erzeugenden Servomotor einzu­ setzen. Gewöhnlich ist es aber zweckmäßig, wenn der Servomotor rotatorische Bewegungen und Kräfte erzeugt, die im wesentlichen senkrecht auf der Beobachtungsrichtung stehen. Das schließt natürlich nicht aus, daß er zusätzlich translatorische Bewegungen und Kräfte erzeugt.

Eine weitere günstige Ausgestaltung der Erfindung besteht darin, daß jeder Servomotor auf das optische System Aktions­ bewegungen überträgt, die den von den Händen auf die Vorrichtung übertragenen Zitterbewegungen entgegenwirken. Bei dieser Ausge­ staltung wird das Fernrohr an der Vorrichtung gehalten. Die Vorrichtung folgt mehr oder minder weitgehend den Zitterbe­ wegungen der sie haltenden Hände. Aber wegen der entgegen­ wirkenden Aktionsbewegungen des mindestens einen Servomotors folgt das optische System den besonders schädlichen Zitter­ bewegungen - also den rotatorischen Bewegungen senkrecht zur Beobachtungsrichtung - nur in geringem, für die Beobachtungs­ qualität unschädlichem Maß. Vereinfachend kann das so ausge­ drückt werden: das optische System bleibt infolge der Bewegungen der Vorrichtung stehen, während die Vorrichtung den Zitterbe­ wegungen der sie haltenden Hände folgt. Falls der Servomotor genügend kräftig ist, dann ist es wenig schädlich, wenn Zitter­ kräfte der Hände oder des Kopfes zusätzlich auch auf das optische System übertragen werden. Es muß aber die Haltekraft, welche die Hände auf die Vorrichtung ausüben, diejenigen Kräfte überwiegen, welche von den Händen und dem Kopf direkt auf das optische System ausgeübt werden.

Eine andere Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß jeder Servomotor auf das optische System Reaktionskräfte ausübt, die den von den Händen auf das optischen System über­ tragenen Zitterkräften entgegenwirken. In diesem Falle kann das optische System selbst mit den Händen gehalten werden. Denn die Ausgleichsbewegungen der Vorrichtung üben auf das optische System derart starke Gegenkräfte aus, daß dieses den besonders schädlichen Zitterbewegungen der sie haltenden Hände nicht oder nur in wesentlich verringertem Maß folgen kann. Vereinfachend kann von dieser Ausgestaltung gesagt werden: das Trägheitsmoment des optischen Systems ist scheinbar derart vergrößert, daß das optische System dem Zittern der Hände nicht folgt. Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es grundsätzlich möglich, das Fernrohr in beliebiger Weise mit den Händen zu halten. Es ist aber auch möglich, das Fernrohr an einem mit dem optischen System flexibel verbundenen Haltestück zu halten, sodaß die von den Händen indirekt auf das optische System übertragenen Zitter­ bewegungen geringer sind als sie es bei direktem Halten des optischen Systems wären.

Bei dieser Ausgestaltung der Erfindung ist es möglich, den Servomotor und gegebenenfalls die ganze Vorrichtung rota­ torisch ohne bevorzugten Nullpunkt der Lage auszubilden und mit einem Sensor die Beschleunigungskraft des Servomotors zu steuern. Dagegen ist es bei der vorher genannten Ausgestaltung der Erfindung günstig, wenn der Servomotor mit der ganzen Vor­ richtung einen Nullpunkt der Lage hat und wenn der Sensor die Abweichung des Servomotors von diesem Nullpunkt steuert.

Ein vorteilhafter Aufbau des Servomotors oder der Servo­ motoren besteht darin, daß der Servomotor piezoelektrische Elemente enthält. Solche Elemente werden oft auch piezoelek­ trische Aktuatoren genannt. Als Material für die piezoelek­ trischen Elemente kommt grundsätzlich jedes Material mit piezo­ elektrischen Eigenschaften in Frage: etwa Quarz, Turmalin, Seignettesalz. Besonders geeignet ist die sogenannte Piezo­ keramik aus polykristallinem ferro-elektrischem Werkstoff, beispielsweise aus Metalloxyden, die Blei und Zirkonium enthalten. Gegebenenfalls kann die Linearität solcher piezoelektrischer Elemente mithilfe von in eine Gegenkopplungs­ schleife einbezogenen Dehnungsmeßstreifen verbessert werden.

Der piezoelektrische Effekt kann auf verschiedene Weise genutzt werden; etwa als sogenannter 33-Wandler, bei dem die Längenänderung in der Feldrichtung genutzt wird, oder als 31-Wandler, bei der die Längenänderung quer zur Feldrichtung genutzt wird, oder als Biegewandler, bei dem ein zusammenge­ setztes streifenförmiges Element sich mehr oder minder verbiegt.

Es ist günstig, wenn die piezoelektrischen Elemente als in sich unterteilte Säulen aufgebaut sind. Solche Säulen können etwa kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt haben. Die Unterteilung der Säulen ist vorteilhaft derart, daß jede Säule aus übereinander liegenden Plättchen aufgebaut ist, deren jedes beidseitig mit Elektroden versehen ist und als 33-Wandler betrieben wird. Ist beispielsweise jedes Plättchen 1 mm stark und werden alle gleichseitigen Elektroden der Plättchen jeder Säule einander parallel geschaltet, so kann man die ganze Säule schon mit 500 Volt bis 1000 Volt weitgehend ausnutzen.

Derartige Säulen sind beidseitig gelagert. Das Lager auf der einen Seite gehört zur Vorrichtung, das Lager auf der ande­ ren Seite gehört zum optischen System. Es ist günstig, wenn die Säulen unter Vorspann-Druck stehen.

Es gibt viele Möglichkeiten zur Anordnung der Säulen. Eine Möglichkeit besteht darin, daß insgesamt acht Säulen vor­ gesehen sind, von denen die einen vier in einer senkrecht zur Beobachtungsrichtung stehenden Ebene und die anderen vier in einer dazu parallelen Ebene liegen. Dabei sind die je vier Säulen sternförmig in radialer Richtung angeordnet und ihre innen gelegenen Lager sind auf einem dem optischen System zugehörigen und in Beobachtungsrichtung liegenden Rohr befestigt.

Eine besonders günstige Anordnung der Säulen besteht darin, daß zwei Servomotoren vorgesehen sind, deren jeder zwei im wesentlichen zueinander und zur Beobachtungsrichtung parallel stehende Piezo-Säulen aufweist, die paarweise im Gegentakt betrieben sind. Dabei können die vier Säulen in Beobachtungs­ richtung vorn ein gemeinsames Lager haben und auf der Gegenseite ebenfalls ein gemeinsames Lager haben. Jedes dieser beiden Lager kann als zur Beobachtungsrichtung senkrecht stehende Platte ausgebildet sein. Vorteilhaft gehört die dem Beobachter näher liegende Platte zur Vorrichtung, die vom Beobachter weiter entfernte Platte zum optischen System. Die vier Säulen bilden zwei korrespondierende Paare. Die beiden Säulen jedes Paares arbeiten im Gegentakt, wenn also die eine Säule dilatiert, dann kontrahiert die andere. Dadurch werden rotatorische Bewegungen der Vorrichtung gegenüber dem optischen System hervorgerufen. Diese rotatorischen Bewegungen stehen senkrecht zur Beobachtungsrichtung.

Bei einem binokularen Fernrohr mit der soeben beschrie­ benen Anordnung der Säulen können beispielsweise zwei Säulen mit ihren Achsen in der vertikalen Symmetrieebene des Fernrohrs liegen: die eine oben, die andere unten. Die anderen beiden Säulen konnen dann links und rechts von der Symmetrieebene stehen. Besonders günstig ist es jedoch, wenn statt dessen auf der linken Seite der genannten Symmetrieebene zwei Säulen und auf der rechten Seite dieser Symmetrieebene ebenfalls zwei Säulen liegen. Es gibt dann also eine links-obere, eine rechts­ obere, eine links-untere und eine rechts-untere Säule, so daß dann die links-obere mit der rechts-unteren Säule als erstes Gegentakt-Paar und die rechts-obere mit der links-unteren Säule als zweites Gegentakt-Paar betrieben werden kann. Gegenüber der vorausgehend genannten Anordnung hat das vor allem zwei Vor­ teile; erstens können sich vom statischen Gewicht des optischen Systems ausgeübte Kräfte auf zwei Säulen-Paare abstützen, zweitens ergibt sich für gegebene maximale Säulen-Amplitude und gegebenen Säulen-Abstand eine vergrößerte Maximal-Amplitude bezüglich der besonders wichtigen rotatorischen Bewegung in der vertikalen Symmetrieebene des Fernrohrs.

Anstelle des Piezoeffekts können natürlich auch andere physikalische Effekte zur elektro-mechanischen Energie-Umwand­ lung herangezogen werden. Beispielsweise kann der Servomotor magneto-striktive Elemente enthalten.

Eine weitere wertvolle Möglichkeit besteht darin, daß jeder Servomotor weichmagnetische Elemente hoher Permeabilität aufweist, die von elektrisch gesteuerten magnetischen Flüssen durchsetzt sind. Magnetische Flüsse üben bekanntlich in Quer­ und Längsrichtung positive und negative Drücke aus, die pro­ portional dem Quadrat der Felddichte und umgekehrt proportional der Permeabilität des Materials sind. Daher werden auf einen zwischen weichmagnetischem Material eingebetteten, mit unmag­ netischem Material gefüllten Spalt Kräfte ausgeübt, die als Luftspaltkräfte bekannt sind. Solche Luftspaltkräfte können auf verschiedene Weise zur elektro-mechanischen Energie-Umwandlung im Servomotor herangezogen werden : etwa derart, daß die Verän­ derung des magnetischen Feldes eine Veränderung der Dicke des Luftspaltes hervorruft oder derart, daß sie eine Veränderung des Querschnitts des Luftspaltes hervorruft.

Es ist vorteilhaft, wenn ein Servomotor ebengenannter Art auch permanentmagnetische Elemente enthält, deren permanente magnetische Flüsse die elektrisch gesteuerten magnetischen Flüsse unterstützten. Permanentmagnetisches Material wird heute auch oft als hartmagnetisch bezeichnet. Besonders geeignet ist solches Material mit extrem hoher Koerzitivkraft; beispielweise Verbindungen mit Samarium-Cobalt oder Neodym-Eisen. Mithilfe von permanentmagnetischen Elementen aus solchen Verbindungen können trotz des durch den Luftspalt gegebenen magnetischen Wider­ standes Vormagnetisierungen mit einer Felddichte von über 0,5 Tesla erreicht werden. Die Überlagerung eines derartigen konstanten Vormagnetisierungsfeldes zu den von den steuernden elektrischen Wechselströmen hervorgerufenen magnetischen Wechselfeldern bringt zwei Vorteile mit sich: das Verhältnis des ausgeübten Kraftzuwachses zum steuernden elektrischen Strom wird erstens vergrößert und zweitens linearisiert.

Bei solchen Anordnungen mit Vormagnetisierung durch permanentmagnetische Elemente extrem hoher Koerzitivkraft ist es zweckmäßig, wenn diese Elemente wegen ihrer kleinen Perme­ abilität auf einem magnetischen Nebenschlußweg liegen, der vom elektrisch gesteuerten magnetischen Wechselfluß nicht wesen­ tlich durchsetzt wird. Der Luftspalt oder die Luftspalten können unmagnetisches elastisches Material enthalten, das der magne­ tischen Kraft entgegenwirkt und bei sinnvoller Ausbildung zu einer Linearisierung der gesteuerten Kräfte führt.

Auch der sogenannte elektrodynamische Effekt, das heißt die auf einen quer zu einem magnetischen Feld fließenden Strom ausgeübte Kraft, kann für den Servomotor herangezogen werden. Zu diesem Zweck enthält der Servomotor elektrisch leitende Ele­ mente, die von elektrischen Strömen durchflossen und starken magnetischen Feldern ausgesetzt sind. Die elektrisch leitenden Elemente können etwa eine Kupferdrahtspule sein, die sich senk­ recht zu einem Magnetfeld bewegt, welches durch Permanentmagnete extrem hoher Koerzitivkraft bewirkt wird. Bei translatorischer Arbeitsweise ist diese Anordnung vergleichbar mit der Tauchspule und dem topfförmigen Permanentmagneten eines elektrodynamischen Lautsprechers. Bei rotatorischer Arbeitweise ist diese Anordnung vergleichbar mit derjenigen eines aus Stator und Rotor bestehen­ den Elektromotors üblicher Bauart. Ein solcher Elektromotor braucht keine definierte Nullage und sein Rotor kann sich beliebig oft um sich selbst drehen. Es ist von Vorteil, wenn zwei zueinander senkecht stehende Servomotoren vorgesehen sind, deren jeder einen Stator und einen Rotor aufweist. Eine derar­ tige Anordnungen empfielt sich besonders für jene Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher jeder Servomotor Reaktionskräfte ausübt und das optische System mit den Händen gehalten wird.

Es gibt Ausführungsformen der Erfindung, bei denen der Anschluß des Servomotors an das optische System die einzige Kupplung zwischen der Vorrichtung und dem optischen System darstellt. Für diejenige Ausgestaltung der Erfindung jedoch, bei welcher jeder Servomotor Aktionsbewegungen ausübt und Vorrich­ tung mit den Händen gehalten wird, ist es günstig, eine eigene beschränkt raumbewegliche Kupplung vorzusehen, die beispiels­ weise als Gleitlager-Gelenk, Kugellager-Gelenk oder als Lager mit flexiblem Material ausgebildet sein kann. Für diesen Fall ist es günstig, wenn die Vorrichtung mit dem optischen System im Bereich von dessen Schwerpunkt gekuppelt ist. Dadurch kann das die Kupplung bewerkstelligende Gelenk oder Lager die Schwerkraft des optischen Systems weitgehend auffangen und dadurch den Servomotor von schwerkraftbedingten translatorischen und rotato­ rischen Kräften entlasten. Die schwerkraftbedingten rotato­ rischen Kräfte sind umso kleiner, je näher der Schwerpunkt an dem durch die Kupplung bestimmten Drehpunkt des optischen Systems liegt. Bei einem starke Kräfte ausübenden Servomotor, beispielsweise einem Servomotor mit Piezoelementen, genügt es, wenn der Schwerpunkt innerhalb eines Bereichs von 20 mm oder sogar 30 mm der Kupplung liegt. Bei einem nur schwache Kräfte ausübenden Servomotor, beispielsweise einem elektrodynamisch arbeitenden Servomotor, ist anzustreben, daß der Bereich weniger als 10 mm und möglichst sogar weiniger als 3 mm beträgt.

Es ist in vielen Fällen vorteilhaft, die die Ausgleichs­ bewegungen ausführende Vorrichtung mit einem Griffstück zum Festhalten mit Händen zu versehen. Das gilt besonders für eine Ausgestaltung der Erfindung, bei welcher der Servomotor Aktions­ bewegungen ausführt und die Vorrichtung mit den Händen gehalten wird. Das Griffstück kann beispielsweise die Gestalt eines nach unten geführten Stielgriffs haben. Oder es kann die Gestalt eines das optische System mehr oder minder weitgehend umschließenden Gehäuses haben.

Bei binokularer Ausführung des Fernrohrs ist es sehr günstig, wenn das Griffstück im wesentlichen zwischen den beiden optischen Teilsystemen liegt und oben und/oder unten sich verbreiternde Fortsätze aufweist, welche die optischen Teil­ systeme teilweise überdachen. Ein derartiges Griffstück hat mehrere Vorteile : Erstens ist es leicht und stabil. Zweitens vergrößert es die Länge und die Breite des Fernrohrs überhaupt nicht und die Höhe nur unwesentlich. Drittens ist es leicht und fest anzufassen, indem die Daumen unter den unteren Fortsatz und die übrigen Finger auf den oberen Fortsatz greifen. Viertens können die Zeigefinger so auf den oberen Fortsatz gelegt werden, daß sie an der Stirn anliegen und die Daumen so unter den unteren Fortsatz gelegt werden, daß sie an der Nase anliegen. Dadurch läßt sich die Vorrichtung mühelos halten und die haltenden Hände zittern besonders wenig.

Es ist möglich, den genannten oberen Fortsatz so weit nach hinten zu führen, daß er beim Beobachter an der Stirn anliegt und den genannten unteren Fortsatz so weit nach hinten zu führen, daß er an der Nase anliegt. Um gutes Anliegen an der Stirn bzw. der Nase zu ermöglichen, können die gegebenenfalls verstellbaren Fortsätze an den Anliegeflächen entsprechend geformt und nachgiebig ausgebildet sein. Damit der Kontakt des Fernrohrs mit den Händen und gegebenenfalls dem Kopf vor allem über die Vorrichtung gegeben ist, empfielt es sich, etwaige von den Okularen in die Augenhöhlen ragende Okular-Ansatzstücke aus weichem Material herzustellen.

Nach der Erfindung ist mit dem optischen System minde­ stens ein Sensor verbunden. Vorteilhaft ist jeder Sensor starr mit dem optischen System verbunden und derart angeordnet, daß er vorzugsweise oder ausschließlich die besonders schädlichen Zitterbewegungen, das sind die rotatorischen Zitterbewegungen um Achsen senkrecht zur Beobachtungsrichtung, registriert. Das wird besonders vorteilhaft dadurch erreicht, daß zwei Sensoren vorgesehen sind, deren jeder eine Achse maximaler rotatorischer Sensibilität aufweist, die sowohl auf der entsprechenden Achse des anderen Sensors als auch zur Beobachtungsrichtung im wesentlichen senkrecht steht. Nach dieser Anordnung wird jede rotatorische Zitterbewegung, deren Achse senkrecht zur Beobach­ tungsrichtung steht, von einem der beiden Sensoren oder von beiden Sensoren zusammen registriert. Sie wird um so stärker registriert, je größer der Cosinus des Winkels ist, den die Achse der rotatorischen Zitterbewegung mit der Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des betreffenden Sensors einschließt.

Es ist besonders einfach, wenn jeder der beiden Sensoren einen Servomotor steuert, dessen Rotationsachse im wesentlichen parallel zur Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des zugehörigen Sensors steht. In diesem Fall kann jeder der beiden, den Sensor mit dem zugehörigen Servomotor verbindenden, Steuer- Kanäle unabhängig vom anderen Steuer-Kanal aufgebaut werden. Andernfalls ist es im allgemeinen erforderlich, die vom einen und vom anderen Sensor gelieferte Information zu superponieren, bevor sie den beiden Servomotoren zugeleitet wird.

Bei binokularer Ausführung des Fernrohrs können die beiden Sensoren beispielsweise so angeordnet werden, daß die Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des einen Sensors in der vertikalen Symmetrieebene des Fernrohrs liegt und die Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des anderen Sensors senk­ recht zu dieser Symmetrieebene steht. Eine andere sinnvolle Möglichkeit besteht darin, daß bei binokularer Ausführung des Fernrohrs die Achsen maximaler rotatorischer Sensibilität der Sensoren im wesentlichen einen halben rechten Winkel zur verti­ kalen Symmetrieebene des Fernrohrs aufweisen. Diese Anordnung kann den Vorteil einer besonders platzsparenden Unterbringung der beiden Sensoren und einer besonders günstigen Ausbildung der zugehörigen Servomotoren haben. Wenn nämlich beispielsweise die zwei Servomotoren vier zur Beobachtungsrichtung parallele Piezosäulen enthalten, von denen - wie bereits erwähnt - zwei zur linken und zwei zur rechten Seite der vertikalen Symmetrie­ ebene stehen, dann kann der eine Sensor die links-obere mit der rechts-unteren Säule als Gegentakt-Paar steuern, während der andere Sensor die rechts-obere mit der links-unteren Säule als Gegentakt-Paar steuert.

Jeder Sensor hat die Aufgabe, rotatorische Bewegungen zu messen und die Meßwerte in vorzugsweise elektrische Signale umzusetzen. Hierfür kommen verschiedene Prinzipien in Frage. Beim Prinzip der Außenfeld-Orientierung werden die rotatorischen Bewegungen gemessen als Abweichungen gegenüber äußeren Feldern, beispielsweise dem Magnetfeld der Erde oder elektro-magnetischen Feldern von Radio- oder Lichtwellen. Beim Prinzip der Schwere- Orientierung werden die rotatorischen Bewegungen gemessen als Abweichungen von der durch die Schwerkraft bestimmten Vertikal­ richtung. Das kann beispielsweise mithilfe einer Libelle geschehen. Beim Prinzip der Trägheits-Orientierung werden die rotatorischen Bewegungen gemessen als Abweichungen gegenüber einer Masse, die aufgrund ihrer Trägheit den Bewegungen nicht oder nur teilweise folgt. Zu dieser Kategorie gehören auch kreiselgesteurte Sensoren.

Das Prinzip der Schwere-Orientierung hat den Vorteil, daß die dabei auftretenden Kräfte relativ stark sind, es hat aber den Nachteil, daß gewisse technische Probleme auftreten, weil der Winkel zwischen der Vertikalrichtung und der Beobachtungs­ richtung alle Werte zwischen O und zwei rechten Winkeln annehmen kann. Die nachfolgend zu beschreibenden Arten von Sensoren können grundsätzlich sowohl auf dem Prinzip der Schwere- Orientierung als auch auf dem Prinzip der Trägheits-Orientierung beruhen. Einfachheitshalber werden sie aber, wenn nicht anders vermerkt, in der Ausführung als trägheits-orientierte Sensoren beschrieben.

Grundsätzlich kann ein Sensor aus zwei Teilsystemen aufgebaut sein, deren jedes eine translatorische Bewegung mißt, die aber zusammen - durch Gegeneinanderschaltung der von ihnen gelieferten Signale - eine rotatorische Bewegung messen. Ein solcher zusammengesetzter Sensor kann beispielsweise aus zwei in magnetische Felder eintauchenden Tauchspulen oder aus zwei Piezosäulen bestehen.

Vorteilhaft sind Sensoren, die nicht aus zwei je eine translatorische Bewegung messenden Teilsystemen aufgebaut sind, sondern die primär auf rotatorische Bewegungen ansprechen. Ein solcher Sensor läßt sich derart aufbauen, daß er praktisch unempfindlich ist für translatorische Bewegungen und für rotatorische Bewegungen, deren Achse senkrecht auf der Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des Sensors steht. Das kann beispielsweise derart bewerkstelligt sein, daß der Sensor eine drehbar gelagerte Spule aus elektrisch leitendem Draht enthält, deren rotatorische Bewegungen in einem Magnetfeld elektrische Spannungen erzeugen.

Es ist besonders günstig, wenn jeder Sensor einen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum und darin mindestens eine Mem­ brane enthält, die durch die Bewegung der Flüssigkeit aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird. Bin derartiger Sensor arbeitet rein trägheits-orientiert, wenn die Flüssigkeit homogen und blasen­ frei ist und wenn die Membrane eine vernachlässigbare Masse oder eine mit der Dichte der Flüssigkeit übereinstimmende mittlere Dichte hat. Die mittlere Dichte kann beispielsweise durch die Anbringung eines kleinen Schwimmkörpers verringert werden.

Voreilhafterweise hat bei einem solchen Sensor der Hohlraum im wesentlichen die Gestalt eines in sich ringförmig geschlossenen Rohres. Dieses Rohr kann zur Vermeidung von Wirbeln durch längsgerichtete Zwischenwände unterteilt sein. Zweckmäßig liegt die Mittelachse des Rohrs in einer Ebene und steht die Membrane senkrecht auf dieser Ebene. In diesem Falle steht die Achse maximaler rotatorischer Sensibilität des Sensors senkrecht auf der genannten Ebene.

Bei der ebengenannten Anordnung kann die Membrane den Flüssigkeits-Pfad völlig absperren, so daß keine Flüssigkeit an ihr vorbei oder durch sie hindurch treten kann. In diesem Falle ist die Auslenkung oder Ausbauchung ein Maß für die Abweichung der Flüssigkeit von ihrer Nullage.

Besonders günstig ist jedoch, wenn bis zu einer Frequenz von mindestens 5 Hertz die Auslenkung der Membrane aus ihrer Ruhelage im wesentlichen durch die Geschwindigkeit der sie umgebenden Flüssigkeit bestimmt ist. Das kann beispielsweise durch eine bandförmige, den Flüssigkeits-Pfad nicht völlig absperrende Membrane bewerkstelligt sein. Es kann aber auch vorteilhaft dadurch bewerkstelligt sein, daß die Membrane eine Anzahl von Löchern aufweist, durch welche die sie umgebende Flüssigkeit strömt und dadurch aufgrund ihrer Viskosität die Membrane aus deren Ruhelage auslenkt. Die Anzahl und die Größe der Löcher ist zweckmäßig derart einzurichten, daß die Reibung der Flüssigkeit an der Membrane vergleichbar oder größer ist als die Reibung im übrigen Flüssigkeitspfad. Andererseits soll aber die Reibung der Flüssigkeit an der Membrane nicht allzu groß sein, weil sonst die elastische Rückwirkung der Membrane auf die Flüssigkeit zu groß wird. Bei Frequenzen, die so niedrig sind, daß die elastische Rückwirkung der Membrane auf die Flüssigkeit noch nichts ins Gewicht fällt, ist die auf die Membrane ausge­ übte Kraft ein Maß für die Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Wenn zudem die Auslenkung der Membrane proportional der auf sie ausgeübten Kraft ist, dann mißt die Auslenkung der Membrane direkt die Geschwindigkeit der Flüssigkeit. Das ist günstig für die Einfachheit und Stabilisierbarkeit der den Sensor, den Verstärker, den Servomotor, die Vorrichtung und das optische System umfassenden Reglerschleife.

Die Membrane kann beispielsweise aus Metall oder einem Kunststoff bestehen, der gegebenenfalls faserverstärkt und/oder mit einem galvanischen Belag versehen ist. Besonders nachgiebig ist eine nur einseitig befestigte Membrane. Eine allseitig befestigte Membrane ist vorteilhaft, wie an sich bekannt, etwas gewellt damit sie genügend weich und ihre Auslenkung im wesent­ lichen proportional der ausgeübten Kraft ist.

Es ist von Vorteil, wenn im Bereich der Membrane Elek­ troden vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Auslenkung der Membrane aufgrund der sich verändernden Kapazität zwischen der Membrane und den Elektroden gemessen wird. Die Elektroden können sich außerhalb oder innerhalb des flüssigkeitsgefüllten Hohl­ raums befinden. Es empfielt sich, zwei innerhalb des Hohlraums stehende Platten-artige oder Band-artige Elektroden vorzusehen, die die Membrane zu beiden Seiten flankieren. Platten-artige Elektroden sollen genügend große Löcher oder Durchbrüche haben, damit sie das Durchströmen der Flüssigkeit nicht zu sehr behindern. Vorteilhaft werden zwei derartige Elektroden an umgekehrt gleiche elektrische Spannung gelegt : wenn also die eine Elektrode positiv geladen ist, dann ist die andere negativ geladen.

Sehr geeignet ist es wenn die kapazitive Messung der Auslenkung der Membrane mithilfe mindestens einer elektrischen Trägerfrequenz erfogt, die wesentlich höher ist als die Frequen­ zen der zitternden Hände. Auch hierbei wird vorteilhaft die vorausgehend beschriebene Anordnung der Elektroden vorgesehen. Wenn diese beiden Elektroden gleichartig sind und an zueinander gegenphasiger Trägerfrequenz-Spannung liegen, dann steht die dazwischen befindliche Membrane je nach Auslenkung zur einen Seite oder zur anderen Seite mehr im kapazitiven Feld der einen Elektrode oder der anderen Elektrode. Größe und Phase der auf die Membrane kapazitiv übertragenen Spannung sind also ein Maß für die Größe und Richtung ihrer Auslenkung. Über einen an die Membrane angeschlossenen Verstärker mit Phasen-Diskriminator und Gleichrichter kann diese Spannung der Membrane leicht in ein elektrisches Signal umgesetzt werden, das ein direktes Maß für die Auslenkung der Membrane und damit auch für die Geschwin­ digkeit der Flüssigkeit darstellt.

Wenn jeder Sensor und jeder Servomotor einen wohlde­ finierten Nullpunkt hat, dann soll im allgemeinen die Null­ punktslage des Sensors möglichst gut der Nullpunktslage des zugehörigen Servomotors entsprechen. Denn wenn Nullpunkte gegeneinander verschoben sind, dann besteht die Gefahr, daß bei Nullpunktslage des Sensors der zugehörige Servomotor einseitig übersteuert ist und daher den Signalen des Sensors nicht folgen kann. Langfristige Nullpunktsverschiebungen des Sensors lassen sich aber schwer vermeiden. Damit solche Verschiebungen den Servomotor nicht übersteuern, sieht die Erfindung vor, daß die von jedem Sensor gelieferten Signale auf ihrem Weg zum Servomotor elektrisch verstärkt werden und auf diesem Weg einen Hochpaß durchlaufen. Ein derartiger Nullpunkts­ Hochpaß hat die Aufgabe, den Durchgang von Gleichspannung zu verhindern. Er ist besonders dann geeignet, wenn der Sensor nicht Trägheits-orientiert sondern Schwere-orientiert ist.

Ein solcher Nullpunkts-Hochpaß behindert naturgemäß auch den Durchgang tiefer Frequenzen. Mit dieser Behinderung, das heißt reduzierten Ubertragung der Amplitude, ist nach den Gesetzen der Schaltungstheorie auch eine negative Phasenver­ schiebung verbunden. Das bedeutet: das austretende Signal hat gegenüber dem eintretenden Signal eine zeitliche Voreilung. Diese ist unerwünscht. Denn auch der Sensor hat im allgemeinen Hochpaß-Charakeristik, also negative Phasenverschiebung. Die negativen Phasenverschiebungen der gesamten Regler-Schleife addieren sich und können, wenn sie stark werden, die Stabilität der Reglerschleife gefährden. Daher sollen unnötige Beiträge zur negativen Phasenverschiebung tiefer Frequenzen vermieden werden. Deshalb empfielt es sich, daß die Signale auf ihrem Weg zum Servomotor nur einen einzigen Hochpaß durchlaufen, und daß dieser Hochpaß die tiefen Frequenzen mit minimaler Phasenver­ schiebung unterdrückt. Ein "Hochpaß minimaler Phasenschiebung" ist ein in der Vierpoltheorie bekannter und definierter Begriff. Er wird beispielsweise durch ein CR-Glied oder ein RL-Glied realisiert. Beim CR-Glied bildet eine Kapazität das Längselement und ein ohmscher Widerstand das Querelement, beim RL-Glied bildet ein ohmscher Widerstand das Längselement und eine Induktivität das Querelement.

Bei Regler-Systemen mit unverzweigter Verstärker-Schleife wird die Stabilität des Systems durch das sogenannte Nyqist- Kriterium bestimmt. Es besagt : Das negativ rückgekoppelte System ist nur dann stabil, wenn in der komplexen Ebene die komplexe Schleifenverstärkung den Nyquist-Punkt, das heißt den Punkt -1, weder erreicht noch rechtsläufig umschließt. Dieses Kriterium muß sowohl hinsichtlich der tiefen Frequenzen als auch hinsichtlich der hohen Frequenzen erfüllt sein, das heißt, der Nyquist-Punkt darf weder mit negativen noch mit positiven Phasenverschiebungen erreicht oder rechtsläufig umschlossen werden. Beim Fernrohr der Erfindung bereitet die Erfüllung dieses Stabilitätskriteriums hinsichtlich der hohen Frequenzen im allgemeinen keine besonderen Schwierigkeiten und kann gegebenenfalls durch Staffelung der Phasenschieber bewerkstelligt werden.

Staffelung ist eine an sich bekannte Maßname zur Stabili­ sierung rückgekoppelter Schleifen. Sie besteht darin, daß die Grenzfrequenz verschiedener in der Schleife enthaltener, gleich­ sinnig schiebender Phasenschieber möglichst unterschiedlich von einander ausgelegt ist. Dabei ist unter der Grenzfrequenz eines Phasenschiebers diejenige Frequenz verstanden, bei der er eine Phasenverschiebung von minus oder plus einem halben rechten Winkel hat. Infolge der Staffelung fällt die Amplitude der Schleifenübertragung sehr stark ab, wenn die Phasenverschiebung der Schleifenübertragung sich dem Wert von minus oder plus zwei rechten Winkeln nähert.

Zur Stabilisierung der Reglerschleife des Fernrohrs bei tiefen Frequenzen schlägt eine Weiterführung der Erfindung eine überraschende Form der Stafffelung vor. Sie besteht darin, daß die Grenzfrequenz des weiter oben genannten Nullpunkts-Hoch­ passes mindestens um den Faktor 3 unterhalb der Grenzfrequenz des Sensors liegt. Es ist günstig wenn dieser Staffelungs-Faktor noch größer als 3 ist, beispielsweise 6 oder 10. Das Über­ raschende und Wichtige an dieser Maßname besteht darin, daß die Grenzfrequenz des Nullpunkts-Hochpasses unterhalb der des Sensors liegt, und nicht umgekehrt, wie aus Nachfolgendem hervorgeht.

Einerseits sollen die Phasenschieber negativer Phasen­ schiebung möglichst kleine Grenzfrequenzen haben, damit auch relativ niedrige Zitterfrequenzen, beispielsweise 5 Hertz, 3 Hertz und möglichst sogar 2 Hertz, noch wesentlich verringert werden. Andererseits dürfen diese Grenzfrequenzen aber auch nicht zu klein sein, damit die Einstellzeit des optischen Systems auf eine neue Soll-Beobachtungsrichtung nicht allzu groß ist. Selbst nach raschen und sehr starken Veränderungen der Soll-Beobachtungsrichtung sollte jeder Verstärker und jeder Servomotor möglichst innerhalb einer Sekunde, spätestens aber innerhalb von zwei Sekunden, seinen etwaigen Übersteuerungs­ zustand verlassen und seinen Nenn-Betrieb wieder aufgenommen haben. Deshalb empfielt es sich, jeden Sensor amplitudenbegrenzt und/oder mit relativ hoher Grenzfrequenz auszubilden; beispiels­ weise mit einer Grenzfrequenz von 2 Hertz, 4 Hertz oder 6 Hertz. Wegen der Möglichkeit langfristiger Nullpunktsverschiebungen des Sensors ist eine Amplitudenbegrenzung desselben nicht unproble­ matisch. Diese ist aber bei einer Sensor-Grenzfrequenz von beispielsweise 4 Hertz gar nicht nötig, weil der Sensor selbst nach sehr starken Auslenkungen nur einen Bruchteil einer Sekunde braucht um sich fast vollkommen auf einen neuen Sollwert der Beobachtungsrichtung einzustellen.

Wenn der Sensor eine relativ hohe Grenzfrequenz hat, soll der zugehörige Nullpunkts-Hochpaß eine relativ niedrige Grenzfrequenz haben, beispielsweise 1/2 Hertz, 2/3 Hertz oder 1 Hertz. Um trotzdem langdauernde Übersteuerungen des Verstärkers und des Servomotors zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn die Signale auf ihrem Weg zum Servomotor eine integrierende Amplitudenbegrenzungs-Anordnung durchlaufen, die kurzzeitige hohe Signale unbegrenzt läßt, während sie langzeitige hohe Signale begrenzt und dadurch den Hochpaß vor unerwünschter Aufladung schützt. Kurzzeitige hohe Signale sollen deshalb unbegrenzt bleiben, damit kurze Sprungbewegungen, die im Zittern der Hände enthalten sein können, von der erfindungsgemäßen Anordnung voll ausgeregelt werden. Eine solche integrierende Amplitudenbegrenzungs-Anordnung kann beispielsweise durch ein ohnehin als Nullpunkts-Hochpaß vorgesehenes RL-Glied bewerkstelligt sein, bei dem die Induktion durch eine Eisenkern- Spule gebildet ist. Der Eisenkern als ganzes oder ein darin vorgesehener Engpaß geht dann in die Sättigung, wenn der die Spule durchfließende Strom zu hoch wird.

Trägheits-orientierte Sensoren oben genannter Art, bei denen die Ablenkung der Membrane aus ihrer Ruhelage im wesent­ lichen durch die Geschwindigkeit einer sie umgebenden Flüssig­ keit bestimmt ist, geben proportional mit der Frequenz steigende Signale ab. Um das auszugleichen ist es von Vorteil, wenn die von jedem Sensor gelieferten und auf ihrem Weg zum Servomotor elektrisch verstärkten Signale auf diesem Weg einen Tiefpaß durchlaufen. Es ist einfach und energiesparend, wenn dieser Tiefpaß als ohmisch-kapazitive Last am Ausgang der dem Servo­ motor betreibenden Endstufe des elektrischen Verstärkers vorge­ sehen ist. Diese Maßnahme ist ganz besonders geeignet, wenn der Servomotor Piezoelemente mit hoher Kapazität aufweist.

Besonders günstige Staffelung und damit besonders gute Stabilität des Reglersystems ergibt sich dann, wenn die Grenz­ frequenz des Nullpunkts-Hochpasses und diejenige des ebenge­ nannten Tiefpasses ungefähr einander gleich sind und mindestens um den Faktor 3 unterhalb der Grenzfrequenz des Sensors liegen. Wenn dieser Faktor den Wert 6 oder gar 12 hat, dann ist eine starke beziehungsweise sehr starke Staffelung gegeben: Bei der Frequenz, für die der Nullpunkts-Hochpaß und der Tiefpaß zusammen keine Phasenschiebung haben, schiebt der Sensor für sich allein fast minus zwei rechte Winkel - bei entsprechend verringerter Amplituden-Übertragung. Bei einem Sensor der letztgenannten Art kommt, wenn die Rückwirkung der Membrane vernachlässigt wird, die Phasenschiebung durch das Zusammen­ wirken der Trägheit der Flüssigkeit mit deren Reibung zustande. Mit einem solchen Sensor sind ausgezeichnete Verhältnisse dann gegeben, wenn die Grenzfrequenz des Hochpasses und diejenige des Tiefpasses je zwischen 1/3 Hertz und 4/3 Hertz, vorzugsweise im Bereich von 2/3 Hertz, liegt und wenn die Grenzfrequenz des Sensors zwischen 2 Hertz und 8 Hertz, vorzugsweise im Bereich von 4 Hertz liegt. Damit können im Bereich der besonderes schäd­ lichen Zitterfrequenzen erstaunlich hohe Gegenkopplungsgrade der Reglerschleife angewandt werden: beispielsweise kann es so eingerichtet sein, daß im Frequenzintervall von 4 Hertz bis 10 Hertz der Betrag des Gegenkopplungsgrades zwischen 2 und 10, vorzugsweise im Bereich von 5 liegt.

In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele und Einzel­ heiten des Gegenstandes der Erfindung schematisch dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 die Prinzipdarstellung eines Fernrohrs gemäß der Erfindung allgemein,

Fig. 2 die Prinzipdarstellung eines Fernrohrs mit einem Aktionsbewegungen erzeugenden Servomotor,

Fig. 3 die Prinzipdarstellung eines Fernrohrs mit einem Reaktionskräfte ausübenden Servomotor,

Fig. 4 die Draufsicht auf ein binokulares Fernrohr gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Prinzip, mit einem Griffstück,

Fig. 5 den lotrechten Längsmittelschnitt durch das Fernrohr gemäß Fig. 4,

Fig. 6 den Querschnitt des Fernrohrs gemäß der Linie VI-VI in Fig. 4 in der Beobachtungsrichtung,

Fig. 7 einen etwa waagrechten Längsmittelschnitt durch die beiden Servomotoren des Fernrohrs gemäß Fig. 4 bis 6 mit der Kupplung zum optischen System, in vergrößerter Darstellung,

Fig. 8 einen Querschnitt durch einen Sensor des Fernrohrs gemäß Fig. 4 bis 6 in vergrößertem Maßstab,

Fig. 9 einen Schnitt durch den Sensor gemäß Linie IX-IX in Fig. 8,

Fig. 10 die Ansicht einer Membrane des Sensors gemäß Fig. 8 und 9 in nochmals vergrößertem Maßstab,

Fig. 11 die Ansicht einer Elektrode des Sensors gemäß Fig. 8 und 9 und nochmals vergrößertem Maßstab,

Fig. 12 einen Längsmittelschnitt durch die Membrane und die beiden Elektroden eines Sensors gemäß Fig. 8 bis 11, ebenfalls in vergrößertem Maßstab,

Fig. 13 das idealisierte Ersatzbild eines Sensors, Fig. 14 das Blockschaltbild eines einen Servomotor steuernden Sensors,

Fig. 15 das Prinzipschaltbild der Spannungsversorgung des Fernrohrs,

Fig. 16 das Prinzipschaltbild des Phasen-Diskriminators,

Fig. 17 das Prinzipschaltbild eines Vierpols,

Fig. 18 das Prinzipschaltbild der beiden Piezo-Säulen eines Servomotors und einer diese treibenden Verstärker- Endstufe nebst deren Ankopplung an die vorausgehende Stufe,

Fig. 19 den idealisierten Verlauf der Schleifenverstärkung,

Fig. 20 den Übertragungsfaktor als Funktion der Frequenz,

Fig. 21 die Übertragung einer rotatorischen Sprungfunktion ϕ der Vorrichtung auf das optische System.

Bei den in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Fernrohren kann es sich um monokulare oder binokulare Ausführungen handeln. Das optische System 1 enthält in üblicher Weise mindestens ein Objektiv 2, mindestens ein Okular 3 und mindestens einen diese beiden aufnehmenden Tubus 4. Für elektronische oder photogra­ phische Beobachtung kann das Okular 3 in bekannter Weise ent­ fallen. Wenn es sich um eine binokulare Ausführung handelt, dann liegen das zweite Objektiv 2, das zweite Okular 3 und der zweite Tubus 4 jeweils hinter dem dargestellten. Ein mit dem optischen System 1 starr verbundener Sensor 5 steuert über einen elek­ trischen Verstärker 6 die Ausgleichsbewegungen der Vorrichtung 7, die mindestens einen Servomotor 8 aufweist, der diese Aus­ gleichsbewegungen erzeugt. Die Vorrichtung 7 ist servomotor­ seitig mit dem optischen System 1 über eine Kupplung 9 ver­ bunden, welche Rotationen um den Drehpunkt 10 zuläßt. Einfach­ heitshalber sind in den Fig. 1 bis 3 nur rotatorische Aus­ gleichsbewegungen um die senkrecht zur lotrechten Längsmittel­ ebene liegende, durch den Drehpunkt 10 verlaufende Achse ange­ deutet. Die Vorrichtung 7 führt jedoch auch rotatorische Aus­ gleichsbewegungen um eine in der lotrechten Längsmittelebene liegende Achse Y aus. Diese rotatorischen Ausgleichsbewegungen können um den ebengenannten Drehpunkt 10 oder um einen anderen Drehpunkt erfolgen.

Der gezeigte Sensor 5 kann ein einziger Sensor 5 sein, der auf Rotationen um die beiden Achsen X und Y anspricht. Falls er nur auf Rotationen um eine Achse X oder Y anspricht, kann noch ein zweiter Sensor 5a - gegebenenfalls mit einem zweiten Verstärker - vorgesehen sein, der auf Rotationen um eine zweite Achse anspricht. Durch Superposition der rotatorischen Bewe­ gungen um die Achsen X und Y werden alle rotatorischen Zitter­ bewegungen erfaßt, die besonders schädlich sind; nämlich alle rotatorischen Zitterbewegungen, deren Achsen senkrecht auf der Beobachtungsrichtung 11, das heißt der durch die Objektivachse beziehungsweise die Objektivachsen definierten Richtung, stehen. Bei der Ausgestaltung der Erfindung gemäß dem Ausführungs­ beispiel nach Fig. 2 überträgt der Servomotor 8 Aktions­ bewegungen auf das optischen System 1 und die Hände des Beob­ achters halten das Fernrohr an der Vorrichtung 7. Der Drehpunkt 10 der Kupplung 9 zwischen Vorrichtung 7 und optischem System 1 liegt im Bereich des Schwerpunkts T2 des optischen Systems 1.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 übt der Servo­ motor 8 Reaktionskräfte auf das optischen System 1 aus und die Hände des Beobachters können das Fernrohr an beliebiger Stelle, das heißt, auch am optischen System 1 halten. Der gezeigte Servomotor 8 besteht aus einem fest mit dem optischen System 1 verbundenen Stator 13 und einem sich um die Drehachse X drehenden Rotor 14. Der andere Servomotor mit vertikaler Drehachse Y ist nicht dargestellt.

Das Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 zeigt eine konkrete Ausführung eines binokularen Fernrohrs der Erfin­ dung. Das optischen System 1 besteht dabei wie üblich aus zwei zueinander symmetrischen optischen Teilsystemen 1a und 1b deren jedes ein Objektiv, ein Okular und den diese aufnehmenden Tubus 4 und 4a enthält. Die Okulare können in der üblichen und daher in der Zeichnung nicht dargestellten Weise für sich allein und/oder gemeinsam fokusiert werden. Zur Anpassung an den Augen­ abstand des Beobachters läßt sich der gegenseitige Abstand der parallelen optischen Teilsysteme 1a und 1b - wie ebenfalls üblich - verändern. Zu diesem Zweck ist jeder Tubus 4 und 4a mit einem Drehgelenk verbunden, dessen Drehachse 15 beziehungsweise 15a parallel zur Beobachtungsrichtung 11 liegt. Diese beiden Drehgelenke sind über eine Brücke 16 miteinander verbunden, welche auch zwei Sensoren 5 und 5a in den Räumen 17 und 17a aufnimmt.

Die Vorrichtung 7 ist in einem Griffstück 18 gelagert, das im wesentlichen zwischen den beiden optischen Teilsystemen 1a und 1b liegt. Es hat oben und unten sich verbreiternde Fortsätze 19 und 20, an denen das Fernrohr mühelos gehalten werden kann. Diese Fortsätze 19 und 20 überdachen die beiden Tuben 4 und 4a mehr oder minder, je nachdem, wie weit diese zwecks Anpassung an den Augenabstand auseinander geschwenkt sind. Der obere Fortsatz 19 ist so weit nach hinten geführt, daß er entweder direkt an die Stirn des Beobachters angelegt werden kann oder damit die auf diesem Fortsatz 19 liegenden Zeigefinger an die Stirn angelegt werden können. Der untere Fortsatz 20 ist so weit nach hinten geführt, daß er direkt oder indirekt an die Nase des Beobachters angelegt werden kann. Sein hinterer Rand ist zu diesem Zweck mit einer Ausbuchtung 21 versehen. Der obere Fortsatz 19 erstreckt sich so weit nach vorn, daß - abgesehen von den Daumen - bequem alle Finger der Hände aufgelegt werden können. Das Griffstück 18 besteht aus einem Material, das leicht, fest und stoßdämpfend ist, es besteht zum Beispiel aus Kunststoff. Das Griffstück 18 nimmt zwei baulich miteineinander vereinigte Servomotoren 8 und 8a auf und ist mit einer Aus­ sparung 22 versehen, in der gegebenenfalls Bauteile der in den Fig. 4 bis 6 nicht dargestellten Verstärker untergebracht sind. Jeder Servomotor 8 und 8a ist, wie inbesondere Fig. 7 zeigt, ein Doppelsystem, das zwei Piezo-Säulen 23 und 24 beziehungsweise 23a und 24a in sich vereinigt. Der eine Servo­ motor 8 enthält als aktive Elemente die im Gegentakt betriebenen Piezo-Säulen 23 und 24, der anderen Servomotor 8a enthält die im Gegentakt betriebenen Piezo-Säulen 23a und 24a. Das Gegentakt- Paar 23 und 24 des einen Servomotors 8 wird von einem Sensor 5 und das Gegentakt-Paar 23a und 24a des anderen Servomotors 8a wird vom zweiten Sensor 5a gesteuert. Die Piezo-Säulen 23 und 24, 23a und 24a sind mit ihren Längsachsen etwa im Quadrat angeordnet (Fig. 6), so daß zwei Piezo-Säulen 23 und 24a links von der vertikalen Symmetrieebene 25 des Fernrohrs und die anderen beiden Piezo-Säulen 23a und 24 rechts davon liegen.

Jede Piezo-Säule 23 und 24, 23a und 24a ist beidendig mit einem angeklebten Lagerstück 26 beziehungsweise 27 versehen. Die vorderen Lagerstücke 26 weisen Lagerspitzen auf und sind in Vertiefungen einer mit dem optischen System 1 starr verbundenen Basis-Platte 28 gelagert. In einer Quer-Bohrung dieser Basis- Platte 28 ist eine Gummihülse 29 angeordnet, in der ein Kegel­ oder Zylinderstift 30 gelagert ist, welcher außen in je einem Loch des Servomotor-Gehäuses 31 gehalten ist. Zwischen dem Ende des Servomotor-Gehäuses 31 und der Basis-Platte 28 ist zwischen vorteilhaft konischen Abstützflächen ein puffernder Gummi-Ring 32 eingelegt. Die Basis-Platte 28 gehört zu einem Batterie- Gehäuse 33 zur Aufname einer nicht dargestellten Batterie, zum Beispiel vom Typ Mignon.

Das Batterie-Gehäuse 33 ist mit dem optischen System 1 starr verbunden, beziehungsweise bildet einen Bestandteil seiner Brücke 16. Das Batterie-Gehäuse 33 und der im Griffstück 18 gelagerte doppelte Servomotor 8, 8a sind somit elastisch miteinander gekuppelt, wobei etwa in der Mitte des Kegelstiftes 30 der Drehpunkt 10 dieser Kupplung 9 liegt.

Die Piezo-Säulen 23 und 24, 23a und 24a sind an ihren Mantelflächen in weiches Material, zum Beispiel Schaumstoff 34, eingebettet. Die hinteren Lagerstücke 27 der Piezo-Säulen 23 und 24, 23a und 24a haben Vertiefungen, in welche Madenschrauben 35 zum Einspannen der Piezo-Säulen greifen. Diese Madenschrauben 35 sind in Gewinde einer Halteplatte 36 eingeschraubt, die einer­ seits randseitig auf einem Bund 37 des Servomotor-Gehäuses 31 ruht und die andererseits durch eine Tellerfeder 38 auf diesen Bund 37 gepreßt wird. Diese Tellerfeder 38 ist so dimensioniert, daß sie nachgibt, wenn der auf die Piezo-Säulen 23 und 24, 23a und 24a ausgeübte mechanische Druck zu groß wird. Die Teller­ feder 38 wird durch einen Schraubdeckel 39 niedergedrückt.

Das Fernrohr weist zwei Flüssigkeits-Sensoren 5 und 5a auf, deren Aufbau in den Fig. 8 bis 12 genauer dargestellt ist. Jeder Sensor 5 und 5a ist ringförmig aufgebaut. Seine Achse s maximaler rotatorischer Sensibilität steht senkrecht auf der Quer-Mittelebene eines Rohrrings 40. Jede dieser Achsen s beziehungsweise sa steht senkrecht zur Beobachtungsrichtung 11 und bildet einen halben rechten Winkel mit der vertikalen Symmetrieebene 25 des Fernrohrs.

Jeder Sensor besteht aus einem sein Gehäuse bildenden Rohrring 40, dessen Ringraum 41 mit Flüssigkeit gefüllt ist. An einer Stelle ist eine mit feinen Löchern 42 versehene, zwischen zwei mit größeren Löchern 43 versehenen Elektroden 44 und 45 angeordnete Membrane 46 im Ringraum 41 des Sensors 5 vorgesehen. Sowohl von den Elektroden 44 und 45 wie auch von der Membrane 46 sind elektrische Anschlüsse 47 bis 49 aus dem Rohrring 40 des Sensors 5 herausgeführt. Die Membrane 46 und die sie flan­ kierenden Elektroden 44 und 45 stehen senkrecht auf der Quer- Mittelebene des Rohrrings 40.

Die Membrane 46 hat die feinen Löcher 42, damit die Flüssigkeit beim Durchströmen dieser Löcher 42 eine angemessene viskose Reibung hat und dadurch die Membrane 46 nach Maßgabe der Geschwindigkeit der Flüssigkeit auslenkt. Die beiden platten­ förmigen Elektroden 44 und 45 haben die großen Löcher 43, durch welche die Flüssigkeit ohne unnötig viel Reibung durchtritt.

Zwischen der Membrane 46 und den beiden sie flankierenden plattenförmigen Elektroden 44 und 45 sind zwei Ringe 50 aus elektrisch isolierendem Material vorgesehen. Sie bewerkstelligen den mechanischen Zusammenhalt der Membrane 46 mit den Elektroden 44 und 45. Die Membrane 46 ist gewellt, damit sie durch die Aus­ lenkungen nur auf Biegung aber nicht auf Dehnung beansprucht wird.

Zum besseren Verständnis des Sensors 5 wird auf die in Fig. 13 gezeigte idealisierte Ersatzschaltung des Sensors verwiesen. Darin ist M die Masse der Flüssigkeit und F deren Reibung pro Geschwindigkeit relativ zur Membrane 46. Ferner ist m die Masse und S die Steifigkeit der Membrane 46. Der Pfeil e stellt die Amplitude der rotatorischen Bewegung des Sensors 5 um seine Achse s dar. Der Pfeil h stellt die rotatorische Bewegung der Membrane 46 um diese Achse s dar. Die mithilfe der Elek­ troden 44 und 45 gemessene Auslenkung der Membrane 46 ist also die Differenz e-h. Demnach werden die rotatorischen Bewegungen des optischen Systems 1 vom Sensor 5 mit dem komplexen Über­ tragungsmaß (e-h):e wiedergegeben. Dieses Übertragungsmaß wird einfach, wenn m gegenüber M vernachlässigbar ist und wenn es sich um einen Frequenzbereich handelt, in dem die elastische Direktionskraft der Membrane 46 groß ist gegen die viskose Reibungskraft der Flüssigkeit. Dann ist das komplexe Übertra­ gungsmaß angenähert proportional -f²:(1+if/f_o), wobei f die Frequenz ist und wobei i die imaginäre Einheit und f_o die Grenzfrequenz des Sensors 5 bedeutet. Diese Grenzfrequenz f_o ist gegeben durch die Beziehung 2πf_o = F/M, wobei π die Ludolf′sche Zahl ist. Es läßt sich technisch leicht einrichten daß diese Grenzfrequenz f_o beispielsweise 4 Hertz ist und daß in dem für das Zittern wichtigen Frequenzbereich bis 15 Hertz das komplexe Übertragungsmaß angenähert proportional -f²:(1+if/f_o) ist. Die Viskosität der Flüssigkeit soll wenig von der Temperatur abhängen. Gegebenenfalls läßt sich der Einfluß temperatur­ abhängiger Viskositäts-Veränderung durch eine gegensinnig arbeitende Vorkehrung zur temperaturabhängigen Querschnitts- Veränderung des die Flüssigkeit enthaltenden Ringraums 41 kompensieren. Dazu kann beispielsweise ein Bimetall-Streifen herangezogen werden.

Das Blockschaltbild gemäß Fig. 14 läßt erkennen, wie einer der beiden Sensoren, zum Beispiel 5, den zugehörigen Servomotor 8 steuert. An den beiden plattenförmigen Elektroden 44 und 45 des Sensors 5 liegt die sinusförmige oder rechteckige Träger-Wechselspannung +U_o beziehungsweise -U_o. Dadurch wird in der Membrane 46 nach Maßgabe von deren Auslenkung kapazitiv eine Wechselspannung u hervorgerufen, die in der Eingangsstufe 6a des Verstärkers 6 zur Wechselspannung u₁ verstärkt wird. Diese Ein­ gangsstufe 6a arbeitet phasenrein und ohne lineare Verzerrung, so daß u₁ proportional u ist. Es folgt ein Phasen-Diskriminator 51, der derart arbeitet, daß der Spannung u₁ im einen von zwei Asten die Wechselspannnung +U₁, im anderen Ast die Wechsel­ spannung -U₁ addiert wird. Die Spannung +U₁ ist gleichphasig mit U_o und damit ist natürlich auch -U₁ gleichphasig mit -U_o. In jedem Ast folgt ein Gleichrichter 52, der die Spannung u_2a beziehungsweise u_2b liefert. Die Differenz u₂-u_2b ist ein Maß für die Auslenkung der Membrane 46. Es folgt ein als F(u₂) bezeichneter Vierpol, welcher aus den Eingangsspannungen u_2a und u_2b die Ausgangsspannungen u_3a und u_3b bildet. Für kleine Amplituden handelt es sich um eine lineare Zuordnung zwischen der Differenz u_2a-u_2b und der Differenz u_3a-u_3b. Die Differenz u_3a-u_3b wird über den phasenreinen und ohne lineare Verzerrungen arbeitenden Verstärker zur Spannung u₄ verstärkt, welche die Piezo-Säulen 23 und 24 des Servomotors 8 steuert. Die Spannung u₄ ist eine um den Nullpunkt pendelnde Wechselspannung. Damit die beiden Piezo-Säulen 23 und 24 dennoch im Gegentakt arbeiten und zur Vermeidung der sogenannten Depolarisierung immer nur in einer Richtung elektrisiert sind, ist an die Gegenseite der einen Piezo-Säule 23 die Gleichspannung +U_c, an der Gegenseite der anderen Piezo-Säule 24 die Gleichspannung -U_c angelegt.

Um von der Batterie 53 ausgehend die Vielfalt der notwen­ digen Spannungen sicherzustellen, ist eine Spannungsversorgungs- Anlage gemäß Fig. 15 vorgesehen. Über einen Halbleiter- Wechselrichter 54 wird die von der Batterie 53 gelieferte Gleichspannung in hochfrequente Trägerfrequenz umgewandelt. Diese Trägerfrequenz ist rechteckförmig mit einer Grundwelle von 100 Kilohertz oder 1 Megahertz. Der Ausgangs-Transformator 55 des Wechselrichters 54 hat einen Ferritkern, der außer den nicht dargestellten Primärwicklungen drei Sekundärwicklungen 56 bis 58 trägt. Die erste Sekundärwicklung 56 hat eine Mittelanzapfung und erzeugt in jeder Halbwicklung eine Spannung vom Betrag U₁ Durch Anlegen der Spannung u₁ an diese Mittelanzapfung ergeben sich an den beiden Enden der ersten Sekundärwicklung 56 direkt die für den Phasen-Diskriminator 51 benötigten Spannungen u₁-U₁ und u₁-U₁. Die zweite Sekundärwicklung 57 hat eine Mittel­ anzapfung, an welche das Potential O gelegt ist. An den beiden Enden der zweiten Sekundärwicklung 57 liegen die Spannungen +U_o beziehungsweise -U_o, welche an die Elektroden 44 und 45 des Sensors 5 gelegt sind. Die dritte Sekundärwicklung 58 erzeugt über vier Kondensatoren und vier Halbleiter-Dioden die Gleich­ spannungen +U_c und -U_c zur Vorspannungs-Versorgung der Piezo- Säulen 23 und 24.

Der Phasen-Diskriminator 51 gemäß Fig. 16, demoduliert das modulierte Trägerfrequenz-Signal u₁ zur niederfrequenten Spannungsdifferenz u_2a-u_2b. Die an den Enden der ersten Sekundärwicklung 56 anliegenden Spannungen u₁-U₁ beziehungsweise u₁-U₁ werden durch je eine Halbleiter-Diode mit nachfolgendem Ladekondensator gleichgerichtet.

Bei dem Vierpol gemäß Fig. 17 bildet der ohmsche Wider­ stand R mit der Kapazität C einen Tiefpaß, und die Kapazität c bildet mit dem ohmschen Widerstand r einen Hochpaß. Die Strich­ lierung zwischen dem Tiefpaß und dem Hochpaß soll bedeuten, daß der letztere leistungslos an den ersteren angekoppelt ist. Die Grenzfequenz f_I des RC-Tiefpasses ist gegeben durch 2πf_I=1/(RC), die Grenzfequenz f_II des cr-Hochpasses ist gegeben durch 2πpf_II=1/(rc). Das gegensinnig geschaltete Halbleiter-Dioden-Paar D bewerkstelligt eine integrierende Amplitudenbegrenzung. Dieses Dioden-Paar D läßt nur dann Strom durchfließen, wenn der Spannungs-Schwellwert in der jeweiligen Durchlaßrichtung überschritten ist. Wenn die Eingangsspannungs-Differenz u_2a-u_2b eine hohe aber kurzzeitige Spitze aufweist, dann spricht das Dioden-Paar D noch nicht an, weil sich die Kapazität C über den ohmschen Widerstand R nur langsam auffüllt. Langdauernde hohe Werte von u_2a-u_2b erhöhen die an der Kapazität C anliegende Spannung jedoch immer weiter - bis die Amplitudenbegrenzung durch das Dioden-Paar D einsetzt.

Die die Piezo-Säulen 23 und 24 treibende Verstärker- Endstufe 59 und deren Ankopplung 60 an die vorausgehende Stufe sind nach Fig. 18 derart gestaltet, daß ein geeigneter Tiefpaß, eine integrierende Amplituden-Begrenzung und ein geeigneter Hochpaß schon in ihnen enthalten sind. Diese Anordnung erfüllt also sowohl die Aufgabe des Vierpols F(u₂) als auch die der Ausgangsstufe 6b. Deshalb ist - in Hinblick auf die Schaltung nach Fig. 14 - als Eingang das Spannungs Paar u_2a, u_2b angegeben. Bei Verwendung einer Anordnung nach Fig. 18 sind also die in Fig. 17 gezeigten Schaltelemente überflüssig. Trotzdem ist Fig. 17 als Ersatzschaltbild wertvoll.

In der Schaltung gemäß Fig. 18 sind zu den beiden Piezo- Säulen 23 und 24 ein Kondensator 61 und ein ohmscher Widerstand 62 parallel geschaltet. Zusammen mit der Eigen-Kapazität der Piezo-Säulen 23 und 24 ergibt sich daraus eine Tiefpaß- Charakeristik, deren Grenzfequenz in Analogie zum RC-Tiefpaß nach Fig. 17 als f_I bezeichnet sei. Die Endstufe enthält die zwei Transistoren 63 und 64, deren Emitter an den Gleich­ spannungen +U_c beziehungsweise -U_c liegen. Über drei Widerstände 65 wird die geeignete Vorspannung für die Basis der beiden Transistoren geschaffen. Die steuernde Wechselspannung für die Basis der beiden Transistoren 63 und 64 wird in den beiden Sekundärwicklungen 66 und 67 eines Übertragers mit einem Eisen­ kern hoher Permeabilität induziert. Die Primärwicklung 68 des Übertragers ist über die ohmschen Widerstände 69 an das Spannungspaar u_2a, u_2b angelegt. Diese Widerstände 65 haben zusammen mit der Querinduktivität des Übertragers eine Hochpaß- Charakteristik, deren Grenzfequenz in Analogie zum cr-Hochpaß nach Fig. 17 als f_II bezeichnet sei. Die Sättigung des Eisen­ kerns oder eines Teils davon bei übergroßem Magnetisierungsstrom bewirkt eine integrierende Amplituden-Begrenzung, die der Ampli­ tuden-Begrenzung durch das Dioden-Paar D in Fig. 17 analog ist.

Die in den Fig. 15-18 gezeigten Ausführungsbeispiele einer Spannungs-Versorgungs-Anlage, eines Phasen-Diskriminators, eines Vierpols und einer Verstärker-Endstufe sind in der klassischen Bauweise mithilfe von einzelnen Bauelementen dargestellt. Zur Ersparnis von Raum und Gewicht empfiehlt es sich jedoch, diese Bauweise möglichst weitgehend durch integrierte Bauweise zu ersetzen, etwa durch Verwendung von miniaturisierten Operations-Verstärkern und Mikro-Prozessoren.

Das komplexe Übertragungsmaß des RC-Tiefpasses und des cr-Hochpasses nach Fig. 17 oder des analogen Tiefpasses und Hochpasses nach Fig. 18 ist 1:(1+if/f_I) beziehungsweise 1:(1-if_II/f). Zusammen mit dem weiter oben genannten komplexen Übertragungsmaß des Sensors, das angenähert proportional -f²:(1+if/f_o) ist, ergibt sich das gesamte komplexe Übertragung­ smaß P des Weges vom optischen System bis zur Vorrichtung. Es ist angenähert proportional -f²:[(1+if/f_o)(1+if/f_I)(1-if_II/f)] wobei f die Frequenz ist und f_o, f_I, f_II beziehentlich die Grenzfequenzen des Sensors, des Tiefpasses und des Hochpasses bedeuten. Das Produkt dieses komplexen Gesamt-Übertragungsmaßes mit einem durch die Verstärkung gegebenen reellen Propor­ tionalitätsfaktor ergibt die für die Regelkraft und die Stabilität des Gesamtsystems maßgebliche komplexe Schleifen- Verstärkung.

Wie aus dem vorhergehend angegebenen Ausdruck für das Übertragungsmaß P hervorgeht, entspringt die Schleifen­ verstärkung für f=0 im Nullpunkt als Tangente zur negativen imaginären Achse -in, schneidet dann mit wachsender Frequenz f zuerst die negative reele Achse -n und dann die positive imaginäre Achse +in um sich dann für immer größer werdendes f immer mehr an die positive reele Achse +n anzunähern. Diese idealisierte Schleifenverstärkung ist für den Frequenz-Bereich der wichtigsten Zitter-Bewegungen, also beispielsweise bis 20 Hertz, im wesentlichen realistisch. Bei viel höheren Frequenzen macht sich dann der Einfluß zusätzlicher positiver Phasen­ verschiebungen bemerkbar, was aber hier nicht berücksichtigt werden braucht.

Es ist günstig, beim Fernrohr nach der Erfindung folgende Grenzfequenzen zu wählen: f_o=4 Hertz, f_I=f_II=2/3 Hertz. Für diese Wahl hat die idealisierte Schleifenverstärkung den in Fig. 19 dargestellten Verlauf. Die auf der Kurve angebenen Zahlen sind die Frequenzen f in der Einheit Hertz. In Fig. 19 sind die beiden Punkte N₅ und N₆ eingetragen. Diese bedeuten den Nyquistpunkt, also den Punkt -1, für 5-fachen beziehungsweise 6-fachen Grenzgegenkopplungsgrad; das heißt für 5-fachen beziehungsweise 6-fachen Gegenkopplungsgrad bei derjenigen Frequenz, bei welcher die Schleifenverstärkung keine Phasen­ verschiebung hat. Aus dieser Darstellung läßt sich direkt der Übertragungsfaktor p ablesen, mit dem Zitterbewegungen der Vorrichtung auf das optischen System übertragen werden : Es ist die Einheitsstrecke, also der Abstand zwischen dem Nyquistpunkt N₅ beziehungsweise N₆ und dem Nullpunkt 0, geteilt durch den Abstand zwischen dem Nyquistpunkt N₅ beziehungsweise N₆ und derjenigen Stelle der Kurve, bei der die betrachtete Frequenz liegt.

Fig. 20 zeigt den Betrag |p| dieses Übertragungsfaktors p als Funktion der Frequenz f. Die Kurve k₅ gilt für 5-fachen, die Kurve k₆ für 6-fachen Grenzgegenkopplungsgrad. Wie zu erkennen ist, liegt die Resonanzfrequenz für beide Kurven zwischen 0,5 Hertz und 1 Hertz. Das ist günstig, denn einerseits sind die Zitterbewegungen dieses Frequenzbereichs beim gesunden Menschen relativ schwach ausgeprägt, anderseits kann das Auge derart langsamen Schwingungen mühelos folgen. Bei 2 Hertz ist der Übertragungsfaktor auf den Wert 0,5 bis 0,4 abgefallen. Dieser Abfall genügt ohne weiteres, weil das Auge auch bei 2 Hertz noch gut folgen kann. Bei 5 Hertz ist er schon auf rund 0,2 abgefallen. Das ist sehr willkommen; denn einer Schwingung mit 5 Hertz kann das Auge kaum mehr folgen. Für noch höhere Frequenzen fällt er dann bis auf 1/6 beziehungsweise 1/7 ab. Ganz pauschal kann deshalb gesagt werden, daß für die zwei besprochenen Beispiele mit 5-fachem und 6-fachem Grenzgegen­ kopplungsgrad die durch das Zittern verursachte Verschlechterung der Beobachtungsqualität auf rund 1/4 bis 1/5 herabgesetzt wird. Demnach zeigt ein derartiges Fernrohr mit 15-facher Vergrößerung wesentlich weniger Zitterstörungen als ein normales Fernrohr mit 7-facher Vergrößerung.

In Fig. 21 stellen die Kurven K₅ und K₆ dar, wie sich eine zur Zeit t=0 Sekunden vom Wert 0 auf den Relativwert 1 erhebende Sprungfunktion ϕ der Vorrichtung auf das optische System überträgt. Die Kurve K₅ gilt für 5-fachen, die Kurve K₆ für 6-fachen Grenzgegenkopplungsgrad. Wie die Kurven zeigen, folgt das optische System zunächst dem Sprung nur mit 1/6 beziehungsweise 1/7 seiner Höhe um sodann in eine abklingende Einschwingbewegung überzugehen. Wegen ihrer Langsamkeit und ihrer ausreichenden Dämpfung stört sie kaum.

Ein Piezo-Säulen enthaltender Servomotor (inbesondere nach Fig. 7) hat eine maximale rotatorische Auslenkung von rund ± 0,001 rad. Eine Begrenzung der maximalen rotatorischen Auslenkung in dieser Größenordnung ist vorteilhaft, weil sie einen genügend großen Spielraum zur Verringerung des Zitterns bietet, weil sie aber zugleich Einschwingungsbewegungen mit übermäßig großer Anfangsamplitude verhindert. Daher ist es günstig, wenn jeder Servomotor eine maximale rotatorische Auslenkung von mindestens ± 0,0002 rad, höchstens ± 0,01 rad und vorzugsweise von der Größenordnug ± 0,001 rad aufweist.

Ein Fernrohr nach dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 4 bis 6 arbeitet mit einer Batterie von der Größe des Typs Mignon etwa 20 bis 50 Stunden lang. Das reicht für praktische Zwecke leicht aus, wenn die elektrische Anlage nur während der Beobachtung eingeschaltet ist. Um das einfach und zuverlässig zu gewährleisten, ist es vorteilhaft, wenn eine Einschaltautomatik vorgesehen ist, welche seine Anlage nur in der Zeit einschaltet, während welcher die Vorrichtung in den Händen gehalten wird.

Ein besonders vorteilhaftes Beispiel der Erfindung arbeitet nach dem in Fig. 2 gezeigten Prinzip, ist nach den Fig. 4-12 ausgebildet und nach den Fig. 14, 15, 16 und 18 geschaltet.

Claims (38)

1. Fernrohr, insbesondere binokulares Fernrohr, das vorzugsweise mit den Händen gehalten wird und ein optisches System mit mindestens einem Objektiv und mindestens einem Okular auf­ weist, dadurch gekennzeichnet, daß zwecks Verringerung der von den Händen auf das optische System (1) übertragenen Zitterbe­ wegungen mindesten eine mit dem optischen System gekuppelte Vorrichtung (7) vorgesehen ist, welche auf das optische System rückwirkende Ausgleichsbewegungen ausführt, die von mindestens einem mit dem optischen System verbundenen Sensor (5, 5a) gesteuert werden, der auf wenigstens eine senkrecht zur Beobachtungsrichtung (11) stehende rotatorische Komponente der Zitterbewegungen anspricht.

2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgleichsbewegungen ausführende Vorrichtung (7) mindestens einen solche Ausgleichsbewegungen erzeugenden elektrischen Servomotor (8, 8a) aufweist, an dem das optische System (1) angeschlossen ist.

3. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor (8, 8a) rotatorische Bewegungen und Kräfte erzeugt, die im wesentlichen senkrecht auf der Beobachtungsrichtung (11) stehen.

4. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor (8, 8a) auf das optische System (1) Aktionsbewegungen überträgt, die den von den Händen auf die Vorrichtung (7) übertragenen Zitterbewegungen entgegenwirken.

5. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor (8, 8a) auf das optische System (1) Reaktionskräfte ausübt, die den von den Händen auf das optischen System übertragenen Zitterkräften entgegenwirken.

6. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor (8, 8a) piezoelektrische Elemente aufweist.

7. Fernrohr nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß als piezoelektrische Elemente in sich unterteilte Piezo-Säulen (23, 23a, 24, 24a) vorgesehen sind.

8. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 6 und 7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Servomotoren (8, 8a) vorgesehen sind, deren jeder zwei im wesentlichen zueinander und zur Beobach­ tungsrichtung (11) parallel stehende Piezo-Säulen (23, 23a, 24, 24a) aufweist, die paarweise im Gegentakt betrieben sind.

9. Fernrohr nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß bei binokularer Ausführung des Fernrohrs zwei Piezo-Säulen (23, 24a) auf der linken Seite der vertikalen Symmetrieebene (25) des Fernrohrs und zwei Piezo-Säulen (23a, 24) auf der­ rechten Seite dieser Symmetrieebene liegen.

10. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor magnetostriktive Elemente aufweist.

11. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor weichmagnetische Elemente hoher Permeabilität aufweist, die von elektrisch gesteuerten magnetischen Flüssen durchsetzt sind.

12. Fernrohr nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor auch permanentmagnetische Elemente enthält, deren permanente magnetische Flüsse die elektrisch gesteuerten magnetischen Flüsse unterstützten.

13. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor elektrisch leitende Elemente aufweist, die von elektrischen Strömen durchflossen und starken magnetischen Feldern ausgesetzt sind.

14. Fernrohr nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwei zueinander senkecht stehende Servomotoren (8) vorgesehen sind, deren jeder einen Stator (13) und einen Rotor (14) aufweist.

15. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgleichsbewegungen ausführende Vorrichtung (7) mit dem optischen System (1) im Bereich von dessen Schwerpunkt (12) gekuppelt ist.

16. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die die Ausgleichsbewegungen ausführende Vorrichtung (7) mit einem Griffstück (18) zum Festhalten mit den Händen versehen ist.

17. Fernrohr nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß bei binokularer Ausführung des Fernrohrs das Griffstück (18) im wesentlichen zwischen den beiden optischen Teilsystemen (1a, 1b) liegt und oben und/oder unten sich verbreiternde Fortsätze (19, 20) aufweist, welche die optischen Teilsysteme teilweise überdachen.

18. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren (5, 5a) vorgesehen sind, deren jeder eine Achse (s, sa) maximaler rotatorischer Sensibilität aufweist, die sowohl auf der entsprechenden Achse des anderen Sensors als auch zur Beobachtungsrichtung (11) im wesentlichen senkrecht steht.

19. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß jeder der beiden Sensoren (5, 5a) einen Servomotor (8, 8a) steuert, dessen Rotationsachse im wesent­ lichen parallel zur Achse (s, sa) maximaler rotatorischer Sensibilität des zugehörigen Sensors steht.

20. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 18 und 19, dadurch gekennzeichnet, daß bei binokularer Ausführung des Fernrohrs die Achsen (s, sa) maximaler rotatorischer Sensibilität der Sensoren (5, 5a) im wesentlichen einen halben rechten Winkel zur vertikalen Symmetrieebene (25) des Fernrohrs aufweisen.

21. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor eine drehbar gelagerte Spule aus elektrisch leitendem Draht enthält, deren rotatorische Be­ wegungen in einem Magnetfeld elektrische Spannungen erzeugen.

22. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Sensor (5, 5a) einen mit Flüssigkeit gefüllten Hohlraum (41) und darin mindestens eine Membrane (46) enthält, die durch die Bewegung der Flüssigkeit aus ihrer Ruhelage ausgelenkt wird.

23. Fernrohr nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (41) im wesentlichen die Gestalt eines in sich ringförmig geschlossenen Rohres hat.

24. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 22 und 23, dadurch gekennzeichnet, daß bis zu einer Frequenz von mindestens 5 Hertz die Auslenkung der Membrane (46) aus ihrer Ruhelage im wesentlichen durch die Geschwindigkeit der sie umgebenden Flüssigkeit bestimmt ist.

25. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 24, dadurch gekennzeichnet, daß die Membrane (46) eine Anzahl von Löchern (42) aufweist, durch welche die sie umgebende Flüssigkeit strömt und dadurch aufgrund ihrer Viskosität die Membrane aus deren Ruhelage auslenkt.

26. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 25, dadurch gekennzeichnet, daß im Bereich der Membrane (46) Elektroden (44, 45) vorgesehen sind, mit deren Hilfe die Auslenkung der Membrane aufgrund der sich verändernden Kapazität zwischen der Membrane und den Elektroden gemessen wird.

27. Fernrohr nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitive Messung der Auslenkung der Membrane (46) mithilfe mindestens einer elektrischen Trägerfrequenz erfolgt, die wesentlich höher ist als die Frequenzen der zitternden Hände.

28. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß die von jedem Sensor (5, 5a) gelieferten Signale auf ihrem Weg zum Servomotor (8, 8a) elektrisch verstärkt werden und auf diesem Weg einen Hochpaß durchlaufen.

29. Fernrohr nach Anspruch 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale auf dem Weg zum Servomotor (8, 8a) nur einen einzigen Hochpaß durchlaufen, und daß dieser Hochpaß die tiefen Frequenzen mit minimaler Phasenverschiebung unterdrückt.

30. Fernrohr nach Anspruch 29, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz dieses Hochpasses mindestens um den Faktor 3 unterhalb der Grenzfrequenz des Sensors liegt.

31. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 28 bis 30, dadurch gekennzeichnet, daß die Signale auf ihrem Weg zum Servomotor (8, 8a) eine integrierende Amplitudenbegrenzungs- Anordnung durchlaufen, die kurzzeitige hohe Signale unbegrenzt läßt, während sie langzeitige hohe Signale begrenzt und dadurch den Hochpaß vor unerwünschter Aufladung schützt.

32. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 22 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die von jedem Sensor (5, 5a) gelieferten und auf ihrem Weg zum Servomotor (8, 8a) elektrisch verstärkte Signale auf diesem Weg einen Tiefpaß durchlaufen.

33. Fernrohr nach Anspruch 32, dadurch gekennzeichnet, daß der Teifpaß als ohmisch-kapazitive Last am Ausgang der den Servomotor (8 bzw. 8a) betreibenden Endstufe (59) des elektrischen Verstärkers (6) vorgesehen ist.

34. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 29 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Hochpasses und diejenige des Tiefpasses ungefähr einander gleich sind und mindestens um den Faktor 3 unterhalb der Grenzfrequenz des Sensors liegen.

35. Fernrohr nach Anspruch 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Grenzfrequenz des Hochpasses und diejenige des Tiefpasses je zwischen 1/3 Hertz und 4/3 Hertz, vorzugsweise im Bereich von 2/3 Hertz, liegt und daß die Grenzfrequenz des Sensors zwischen 2 Hertz und 8 Hertz, vorzugsweise im Bereich von 4 Hertz liegt.

36. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 35, dadurch gekennzeichnet, daß im Frequenzintervall von 4 Hertz bis 10 Hertz der Betrag des Gegenkopplungsgrades zwischen 2 und 10, vorzugsweise im Bereich von 5 liegt.

37. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 36, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Servomotor (8, 8a) eine maximale rotatorische Auslenkung von mindestens ± 0,0002 rad, höchstens ± 0,01 rad und vorzugsweise von der Größenordnug ± 0,001 rad aufweist.

38. Fernrohr nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 37, dadurch gekennzeichnet, daß das Fernrohr mit einer Einschalt-Automatik ausgestattet ist, welche seine elektrische Anlage in der Zeit einschaltet, während welcher die Vorrichtung in den Händen gehalten wird.