Einrichtung zur Kompensation zufälliger Bewegungen von optischen Geräten Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Kom pensation zufälliger Bewegungen von optischen Geräten mit einem Gehäuse und einem daran oder darin ange ordneten optischen System zur Fokussierung .des ein fallenden Lichtes, insbesondere eine automatische Ein richtung zur Stabilisierung gegenüber kleinen unwill kürlichen Winkelabweichungen für Kameras, Teleskope, Ferngläser und andere optische Instrumente, so dass trotz kleiner Abweichungen von der Visierlinie, die z. B. dadurch auftreten können, dass das Instrument oder Gerät beim Gebrauch unsicher in der Hand gehal ten wird, das optische Bild stationär ist.
Beim Gebrauch von optischen Geräten, z. B. von Photoapparaten, die in der Hand gehalten werden, verursachen unwillkürliche Bewegungen des Gehäuses ein Wackeln. oder Schwingen des Bildes in der Bild ebene.
Bei einer Filmaufnahmekamera wird das Wak- keln des Bildes als unerwünschte Bewegung aufein- anderfolg nder Einzelbilder aufgezeichnet und, obwohl die tatsächliche Bildverschiebung auf dem Filmstreifen minimal ist, wird das Wackeln oder Schwingen des Bildes durch die Vergrösserung bei der Projektion deut lich merkbar und diese Unstabilität des Bildes lenkt den Beobachter vom eigentlichen Inhalt des Filmes ab.
Durch die Erfindung werden Einflüsse durch uner wünschte oder zufällige Bewegungen, insbesondere bei optischen Geräten, die in der Hand gehalten werden, ausgeschaltet, indem das optische System für sich durch eine Kompensationseinrichtung stabilisiert wird. Es sind Anordnungen bekannt, wobei das gesamte Gerät mit dem optischen System stabilisiert wird.
Die vorliegende Erfindung besteht darin, dass we nigstens ein Linsensatz vorgesehen ist, der aus anein- anderpassenden positiven und negativen Linsenelemen ten besteht, welche zusammen ein Elementenpaar mit variabler Brechung bilden, wobei jeweils die eine Linse jedes Satzes mit dem Gehäuse fest verbunden ist, wäh rend die andere Linse mit einer Vorrichtung zum Fest halten in einer vorgegebenen räumlichen Orientierung, unabhängig von einer zufälligen Bewegung oder Win- kelabweichung des Gehäuses, verbunden ist,
und wobei die Gesamtheit der Linsensätze des optischen Systems nach Art eines Prismas mit variabler Brechung eine im wesentlichen der Winkelabweichung des Gehäuses von einer Visierlinie entsprechende Ablenkung der hindurch tretenden Lichtstrahlen .bewirkt, so dass die Lichtstrah len unabhängig von Gehäusebewegungen auf die gleiche Stelle fokussiert werden.
Im einfachsten Fall kann eine Kamera, bei der die Erfindung Anwendung findet, je eine aneinanderpas- sende Plankonvex- und Plankonkav-Linse besitzen, die gegeneinander schwenkbar sind. Eine der beiden Linsen ist mit dem Kameragehäuse fest verbunden und die andere ist von einem im wesentlichen freien Kreisel geführt. Der Kreisel ist im Gehäuse mittels Bügeln auf gehängt, deren Drehachsen durch den Krümmungsmit- telpunkt der aneinanderpassenden Linsen gehen.
Die Linsen bilden ein Prisma mit variablem Keilwinkel, der im wesentlichen der Winkelabweichung des Gehäuses von der Visierlinie entspricht. Dadurch bleiben die Eintrittsstellen der Lichtstrahlen in das Filmfenster der Kamera bei kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses von der Visierlinie unverändert.
Nach einer Weiterausbildung der Erfindung können aber auch, wie nachstehend noch näher erläutert wird, komplizierte Systeme mit mehreren aus Linsenpaaren bestehenden Prismen. konstruiert werden, um weiter gehende optische Korrekturen zu ermöglichen. Film kameras, die mit der erfindungsgemässen Kompensa tionseinrichtung versehen sind, erlauben auch Pano ramaschwenkungen, wenn eine automatisch arbeitende Nachstelleinrichtung für den Kreisel vorgesehen ist, die bei .einer einen kleinen vorherbestimmten Winkelbereich überschreitenden Bewegung des Gehäuses den Kreisel nachführt. Auf diese Weise kann eine erfindungsgemäss ausgebildete Einrichtung kleine unwillkürliche Bewe gungen,
aber nicht grössere gewünschte Bewegungen der Kamera ausgleichen.
Es wurden bereits verschiedene stabilisierte optische Systeme zur Verwendung bei Messgeräten und derglei- chen entwickelt, die mit Hilfe von Pendeln einen Teil eines Linsensystems relativ zu einem anderen Teil ver lagern. Mit Pendelsystemen dieser Art können aber nicht alle zufälligen Bewegungen ausgeglichen werden, da sie nur in einer Dimension wirksam sind und ausserdem bei wiederholter Anregung, wie dies bei Geräten, die in der Hand gehalten werden, vorkommen kann, zu unzulässigen Schwingungen neigen. Die erfin dungsgemässe Einrichtung erlaubt eine relative gegen seitige Linsenverschwenkung in zwei Dimensionen. und es besteht keinerlei Schwingneigung, so dass sie zur Kompensation zufälliger Bewegungen hervorragend ge eignet ist.
Bei Verwendung zusätzlicher Paare von Linsen elementen kann auch die chromatische Aberration kor rigiert werden. Von jedem Paar ist dann jeweils ein Element mit dem Gehäuse und das andere mit dem Kreisel verbunden. Die Linsenpaare sind so angeordnet, dass die Dispersion des hindurchtretenden Lichtes ins gesamt Null ist, während die Summe der Ablenkwinkel der einzelnen Linsenpaare der Winkelabweichung des Gehäuses von der Visierlinie entspricht. Die auf diese Weise erhaltene Linsenkombination ist achromatisch und gegen zufällige Bewegungen des Kameragehäuses stabilisiert.
Ausser für Kameras ist die erfindungsgemässe stabi lisierte Optik mit geringfügigen Änderungen auch für Ferngläser, Teleskope und andere optische Instrumente, die ein Bildfeld erzeugen, verwendbar. Bei der letzteren Art von optischen Instrumenten ist das Auge eines Beobachters gegenüber der Brennebene des Instrumentes versetzt, und es kann sich relativ zum Instrumentenge häuse bewegen. Das Bild derartiger Instrumente kann durch Anwendung der Erfindung ebenfalls stabilisiert werden, indem zusätzlich eine kleine Korrekturgrösse eingeführt wird, die der Vergrösserung des gesamten optischen Systems umgekehrt proportional ist.
Das sta bilisierende Linsensystem muss dabei eine Unter- oder überkompensation hervorrufen, je nachdem das Instru ment oder Gerät ein aufrechtes oder ein umgekehrtes Bild erzeugt, so dass trotz kleiner zufälliger Winkelab weichungen des Gehäuses das Bild für den Beobachter im Raum stillzustehen scheint.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nach stehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt: Fig. 1 schematisch eine Kamera oder ein ähnli ches optisches Gerät mit einer festen Bildebene im Aufriss, wobei das optische System eine Kompensations einrichtung besitzt, Fig. 2 das Gerät von Fig. 1 im Grundriss, wobei das Gehäuse gegenüber der Visierlinie verschwenkt ist, um die Kompensationsbewegung des stabilisierten Lin sensystems zu zeigen, Fig. 3 eine Kamera im Grundriss mit der Konstruk tion der Kompensationseinrichtung,
Fig. 4 die Kamera von Fig. 3 im Aufriss, wobei einzelne Teile weggebrochen sind, Fig. 5 eine Stirnansicht gemäss Linie 5-5 von Fig. 4, Fig. 6 und 7 je ein Diagramm über die Abhängig keit der Nachstellkraft für den Stabilisierungskreisel von der Winkelabweichung des Kameragehäuses, wo durch Panoramaschwenkungen möglich sind .und doch kleine Abweichungen von der Visierlinie ausgeglichen werden,
Fig. 8 einen Vertikalschnitt durch einen Teil einer Kamera mit einer Ausführungsform einer Nachstell- einrichtung für den Kreisel, Fig. 9 eine Ansicht gemäss Linie 9-9 von Fig. 8, Fig. 10 eine ähnliche Darstellung wie Fig. 8, mit einer anderen Ausführungsform der Nachstelleinrich- tung, Fig. 11 eine Ansicht gemäss Linie 11-1l von Fig. 10, Fig. 12 eine schematische Darstellung eines Fern rohres,
welches ein umgekehrtes Bild liefert, oder eines ähnlichen optischen Instrumentes mit beweglicher Bild ebene, wobei die Achse gegenüber der Visierlinie ver- schwenkt ist, Fig. 13 das Fernrohr von Fig. 12, aber mit der Kompensationseinrichtung, um trotz Abweichung von der Visierlinie für den:
Beobachter ein im Raum fest stehendes Bild erzeugen zu können, Fig. 14 ein stabilisiertes optisches System, bei dem auch die chromatische Aberration korrigiert ist, und Fig. 15 dasselbe System für den Fall, dass die op tische Achse um einen kleinen Winkel gegenüber der Visierlinie verschwenkt ist.
In den Fig. 1 und 2 ist die Kompensation ganz allgemein am Beispiel einer Filmaufnahmekamera er läutert, die ein Gehäuse 11 und ein Objektiv 12 zur Fokussierung der eintretenden Lichtstrahlen auf ein Filmfenster 13, das in der Brennebene 14 quer im Ge häuse angeordnet ist, besitzt. Die Kompensationsein- richtung ist ebenfalls im Gehäuse untergebracht. Sie besteht aus einem Linsensatz 16, der den optischen Ausgleich bei Winkelabweichungen des Gehäuses von der ursprünglichen Visierlinie 17 bewirkt. Der Linsen satz befindet sich an der Vorderseite des Gehäuses und richtet die eintretenden Lichtstrahlen auf das Objektiv, indem er als variables Prisma wirkt.
Im dargestellten Ausführungsbeispiel besteht der Linsensatz 16 aus einer positiven Plankonvex-Linse 18 und aus einer negati ven Plankonkav-Linse 19, deren Material einen Bre chungsindex n = 2 hat. Die beiden Linsen passen mit ihren gekrümmten Flächen aneinander, sie sind gegen einander :schwenkbar und eine davon, im vorliegenden Fall die negative Linse 19, ist koaxial zum Objektiv 12 im Gehäuse befestigt. Die andere Linse, im vorlie genden Fall .die positive Linse 18, wird mittels eines Kreiselstabilisators 21 parallel zur ursprünglichen Vi- sierlinie 17 ausgerichtet gehalten.
Der Kreiselstabilisator enthält einen Kreisel 22, der mittels Bügeln 23 nach allen Richtungen frei schwenk bar im Kameragehäuse aufgehängt ist. Der Kreisel widersteht einer Ablenkung aus seiner ursprünglichen räumlichen Orientierung, so dass die mit ihm ver bundene Linse auch bei Abweichungen des Kamerage häuses 11 von der Visierlinie 17, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist, in bezug auf diese Visierlinie unverändert ausgerichtet bleibt.
Wenn also das Gehäuse um einen Winkel O gegenüber der ursprünglichen Visierlinie verschwenkt wird, bleibt die Achse der Linse 18 unter dem Einfluss des Kreisels parallel zur Visierlinie ausge richtet, wogegen die Achsen der Linse 19 und des Objektivs 12, welche fest mit dem Gehäuse verbunden sind, mit der Visierlinie ebenfalls einen Winkel 0 ein schliessen.
Die aneinanderpassenden, gegeneinander schwenk baren Linsen 18, 19 bilden ein Prisma, dessen brechen der Winkel gleich gross ist wie die Winkelabweichung 0 des Gehäuses von der Visierlinie, wie dies aus Fig. 2 hervorgeht. Für ein dünnes Prisma ist der Ablenkwin- kel 0 = (n-1)a, wobei n der Brechungsindex des Pris- menmaterials und a der brechende Winkel des Prismas sind. Wenn der brechende Winkel des aus den Linsen gebildeten Prismas a = O ist, lautet die vorstehend ange gebene Formel 0 = (n-1)0.
Da voraussetzungsgemäss die Linsen aus einem Material mit einem Brechungs index n = 2 bestehen sollen, kann dies. in die Formel eingesetzt werden, wonach sich ergibt: 0 = O. Wenn die Lichtablenkung des Prismas die gleiche Richtung hat wie die Winkelabweichung des Kameragehäuses, so werden die vom Prisma abgelenkten Lichtstrahlen in das Objektiv parallel zu dessen Achse eintreten. Das Objektiv wird auch bestimmte Strahlen auf den selben Punkt 24 des Filmfensters fokussieren wie vor der Lageänderung des Gehäuses.
Obwohl gemäss Fig. 2 durch den Linsensatz eine Lageänderung des Gehäuses in einer waagrechten Ebene kompensiert wird, ist es verständlich, dass eine analoge Kompensation auch für Lageänderungen in einer lotrechten Ebene oder in beliebigen schrägen Richtungen durchführbar ist. Auf diese Weise wird das Bild unabhängig von kleinen Winkelabweichungen 0 des Gehäuses von der Visier linie in bezug auf das Filmfenster immer auf die gleiche Stelle des Films projiziert.
Die prinzipielle Wirkungsweise der erfindungsgemä ssen Einrichtung wurde zunächst an Hand eines ein fachen Ausführungsbeispiels unter Annahme eines Ma terials mit einem Brechungsindex n = 2 beschrieben. Tatsächlich ist aber ein Brechungsindex n = 2 in der Praxis schwer erzielbar. Daher wird bei einer technisch und wirtschaftlich günstigen Ausführungsform der Kom- pensations-Linsensatz als Zwillingssatz ausgebildet, wo bei jeder einzelne Satz aus aneinanderpassenden, ge geneinander schwenkbaren Plankonvex- und Plankon- kav-Linsen besteht.
Jedes Elementenpaar des Zwillings satzes ist auf die vorher beschriebene Weise angeordnet und wird bei Winkelabweichungen des Kameragehäuses von der Visierlinie zu einem Prisma verformt. Die gesamte Ablenkung der Lichtstrahlen durch den Zwil lingssatz muss wieder der Winkelabweichung 0 des Gehäuses entsprechen. Bei einem Brechungsindex n = 1,5 für beide Einzelsätze verursacht jeder Einzel satz eine Ablenkung um die halbe Winkelabweichung des Gehäuses. Selbstverständlich können die Brechungs indizes der beiden Einzelsätze untereinander verschieden sein, lediglich der gesamte Ablenkwinkel des Zwillings satzes muss der Winkelabweichung des Gehäuses ent sprechen.
Weiters kann als Alternativlösung zu dem aus zwei vollständigen Einzelsätzen bestehenden Zwil lingssatz ein kompakter Zwillingssatz aus einer Bikon kav- und einer Bikonvex-Linse verwendet werden, um einen der Winkelabweichung des Gehäuses von der Visierlinie entsprechenden Ablenkwinkel zu erzielen, wofür ebenfalls ein Material mit einem Brechungsindex n = 1,5 erforderlich :ist.
Für eine detailreichere Darstellung der Erfindung wird auf die Fig. 3 und 4 verwiesen, in denen als wei teres Ausführungsbeispiel eine Filmaufnahmekamera ge zeigt ist. Der Kompensations-Linsensatz 26 ist ein Zwillingssatz mit den Einzelsätzen 27 und 28, deren jeder aus Plankonkav- und Plankovex-Linsen 29 und 31 bzw. 32 und 33 gebildet ist, wobei die Linsen mit aneinanderliegenden Oberflächen gegeneinander schwenkbar sind. Die Linsen 29 und 32 sind mit dem Gehäuse 34 der Kamera fest verbunden und ihre Ach sen fallen mit der :optischen Achse 36 der Kamera zusammen.
Die Linsen 31 und 33 sind mit einem Kreiselstabilisator 37 verbunden, der im Kameragehäuse gelagert ist. Der Kreiselstabilisator enthält einen Kreisel 38, der mittels Bügeln 39 im Kameragehäuse aufge hängt ist, und zwar an waagrechten Achsstummeln 40 und an lotrechten Achsstummeln 41, deren Achsen die optische Achse der Kamera schneiden. Dieser Schnitt punkt und Mittelpunkt der Bügel ist notwendigerweise auch der Krümmungsmittelpunkt der aneinanderpassen- den Flächen der Linsenelemente des Zwillingssatzes. Der Kreisel 'besteht aus einem Rotor 42, der in einem Gehäuse 43 drehbar angeordnet ist, wobei das Gehäuse an den Bügeln 39 aufgehängt ist.
Die Drehachse des Rotors 42 liegt koaxial zu den Linsenelementen, wel che von einem mit dem Kreiselgehäuse verbundenen Arm 44 getragen sind. Die Anordnung von Kreisel, Arm und Linsenelementen ist ausbalanciert, so dass der Kreisel frei ist, d-. h. es wirkt in keiner Lage ein Moment auf den Kreisel wie -bei einem aus der Ruhe lage gebrachten Pendel; zum genauen Austarieren der Anordnung sind am Arm 44 verschiebbare Ausgleich gewichte 45 vorgesehen.
Wenn der Rotor 42 des Kreisels 38 in Drehung versetzt ist, widersteht dieser einer Ablenkung aus seiner räumlichen Orientierung, und dadurch werden auch die mit dem Kreisel verbundenen Linsenelemente in fester räumlicher Orientierung gehalten. Bei einer Schwen kung des Kameragehäuses aus der ursprünglichen Rich tung entsprechend der Visierlinie 36 werden die mit dem Gehäuse verbundenen Linsen gegenüber den durch den Kreisel parallel zur Visierlinie ausgerichtet blei benden Linsen bewegt.
Dadurch wirken die Linsen elemente des Zwillingssatzes 27, 28 als Prismen und diese Prismen lenken die parallel zur Visierlinie ein fallenden Lichtstrahlen in einen entsprechenden Winkel ab, so dass die Lage des Bildes in der Kamera stabi lisiert wird. Obwohl die zur Kompensation von Bewe gungen des Kameragehäuses dienende Optik bisher im mer als Linsensatz bezeichnet wurde, da sie aus einer Mehrzahl von Linsen :besteht, ist sie ihrer Wirkung nach ein zusammengesetztes variables Prisma.
Da der Kreiselstabilisator 37 in der optischen Achse der Kamera angeordnet ist, kann er dem Filmfenster im Wege stehen. Beim dargestellten Ausführungsbei spiel ist diese Schwierigkeit dadurch beseitigt, dass das Filmfenster 46 seitlich versetzt in einem zur optischen Achse parallelen Teil 47 des Kameragehäuses angeord net ist. In diesem Teil 47 :befindet sich auch das Objek tiv 48 koaxial mit dem Filmfenster. Zwischen der Sta bilisierungsoptik und dem Gehäuseteil 47 ist ein zwei fach reflektierendes Prisma 49 (oder eine optische äquivalente Anordnung von zwei Spiegeln) vorgesehen.
Dieses Prisma besitzt zueinander parallele, unter 45 geneigte reflektierende Seitenteile, deren einer von der optischen Achse der Kamera und deren anderer von der Achse des Objektivs und des Filmfensters je in der Mitte geschnitten wird. Durch diese Ausbildung leitet das Prisma die durch die Stabilisierungslinse emp fangenen Lichtstrahlen durch das Objektiv zum Film fenster. Obwohl die Achsen der erwähnten Elemente räumlich zueinander versetzt sind, ist die Wirkung so, als ob die Elemente längs einer Achse angeordnet wä ren, und das Bild ist gegenüber dem Filmfenster stabi lisiert.
Der Kreisel 38 des Kreiselstabilisators 37 kann auf verschiedene Art angetrieben werden. Der Antrieb kann über eine Zugschnur und ein Getriebe, über einen Druckluftmotor oder dergleichen erfolgen, welche mit dem Kreiselrotor verbunden sind. Vorzugsweise ist je doch hiefür ein Elektromotor 51 vorgesehen, der im Kreiselgehäuse eingebaut und über eine Welle mit dem Rotor verbunden ist. Bei transportablen Kameras ist der Motor zweckmässigerweise für Batteriebetrieb aus gelegt.
Es sei an dieser Stelle bemerkt, dass es notwendig ist, dass der Kreisel 38 neben der Kompensation zufäl liger Bewegungen des Kameragehäuses 34 mit der opti schen Achse innerhalb eines engen Bereiches kleiner Winkelabweichungen von der Visierlinie auch samt den damit verbundenen Linsen 31 und 33 bei erwünschten grösseren Bewegungen des Kameragehäuses gleichmässig mit diesem bewegbar ist, um Panoramaschwenkungen der Kamera zu ermöglichen. Zufällige Bewegungen der Kamera, wie sie z. B. durch das Halten in der Hand bedingt sind, sind gewöhnlich auf einen Bereich in der Grössenordnung von 0,01 rad (etwa 35') be schränkt, ausser unter extremen Bedingungen, z. B. in Geländefahrzeugen oder in einem Hubschrauber.
Inner halb des angegebenen Bereiches hält der Kreisel 38 die mit ihm verbundenen Linsen 31 und 33 parallel zur ursprünglichen Visierlinie, um das Bild auf die beschriebene Weise zu stabilisieren. Ausserhalb dieses Winkelbereiches, innerhalb dessen zufällige Bewegungen des Gehäuses auftreten können, dürfen die mit dem Kreisel verbundenen Linsen nicht mehr länger auf die ursprüngliche Visierlinie ausgerichtet bleiben, denn dann wäre trotz Bewegung des Kameragehäuses keine Pano ramaschwenkung möglich.
Daher ist für den Kreisel stabilisator eine Nachstelleinrichtung vorgesehen, um ihn bei Kameraschwenkungen, die einen kleinen vor herbestimmten Winkelbereich überschreiten, der Bewe gung des Gehäuses nachzuführen. Zu diesem Zweck kann die Nachstelleinrichtung 52 mit dem Kreisel in Wirkverbindung treten.
Da die Reaktionsbewegung eines Kreisels rechtwinkelig zu der auf ihn ausgeübten Kraft erfolgt, übt die Nachstelleinrichtung eine Kraft in der waagrechten oder x-Richtung aus, wenn das Kamera gehäuse in bezug auf die Visierlinie in lotrechter oder y-Richtung über einen einen vorherbestimmten kleinen Bereich überschreitenden Winkel verschwenkt wird.
In analoger Weise übt die Nachstelleinrichtung eine Kraft in der lotrechten oder y-Richtung auf den Kreisel aus, wenn das Kameragehäuse in bezug auf die Visierlinie in der waagrechten oder x-Richtung verschwenkt wird. Da die Geschwindigkeit bei der Ablenkung eines Krei sels aus seiner ursprünglichen Lage dem darauf aus geübten Moment direkt proportional ist, nehmen die von der Nachstelleinrichtung auf den Kreisel ausgeübten Kräfte mit zunehmender Winkelabweichung des Ge häuses monoton zu.
Die Fig. 6 und 7 zeigen in Dia grammen die Abhängigkeit der Nachstellkraft von der Winkelabweichung. Dabei ist in Fig. 6 die Nachstell- kraft in der y-Richtung, Fy, über der Winkelabwei chung des Gehäuses in der x-Richtung, O" aufgetra gen. Die Kurve weist ein flaches Mittelstück mit der Kraft Null auf, das symmetrisch zur Winkelabweichung Null liegt. An die Enden des flachen Mittelstückes schliessen sich aufwärts bzw. abwärts geneigte Kurven stücke mit im wesentlichen gleichmässiger Steigung an.
Daraus ergibt sich, dass innerhalb des flachen mittleren Kurvenstückes keine Nachstellkraft vorhanden ist und der Kreisel daher unabhängig von einer kleinen Win kelabweichung 0, des Gehäuses in der x-Richtung in fester räumlicher Orientierung verweilt. Ausserhalb des flachen Mittelstückes verursachen grösser werdende Win- kelabweichungen des Kameragehäuses gleichförmig zu nehmende Nachstellkräfte F5 in der y-Richtung, wel che eine Nachführung des Kreisels in der x-Richtung mit einer im wesentlichen der Winkelgeschwindigkeit der Kamera in der x-Richtung entsprechende Geschwin digkeit bewirken.
Ganz analog weist die über der Win kelabweichung :des Gehäuses in der y-Richtung, 0Y aufgetragone Naoheellkraft @in -der x-Richtung, Ft, ein flaches symmetrisch zur Winkelabweichung Null des Kameragehäuses in der y-Richtung liegendes Mittel stück mit der Kraft Null auf. An die Enden des flachen Mittelstückes schliessen sich aufwärts bzw. ab wärts geneigte Kurvenstücke mit im wesentlichen glei cher Steigung an.
Bei innerhalb der Grenzen des fla chen Mittelstückes der Kurve liegenden kleinen Win kelabweichungen 0y des Kameragehäuses in der y- Richtung wirkt keine Nachstellkraft F, in der x-Rich- tung auf den Kreisel, und er verweilt daher in fester räumlicher Orientierung.
Wenn das Kameragehäuse in der y-Richtung aufwärts oder abwärts geschwenkt wird und die Winkelabweichung<B>0,</B> die Grenzen des flachen Kurvenmittelstückes überschreitet, wird in der x-Rich- tung eine Nachstellkraft F, ausgeübt, wodurch der Kreisel in der y-Richtung etwa mit der gleichen Winkel geschwindigkeit bewegt wird wie das Kameragehäuse. In den Fig. 6 und 7 sind die mittleren Kurvenstücke der Nachstellkraft-Kennlinien als waagrechte Geraden stücke gezeichnet, wobei zwischen den flachen und den geneigten Kurvenstücken ein scharfer Übergang erfolgt.
Gewisse Abweichungen von dieser Charakteristik sind aber durchaus zulässig und in der Praxis auch tatsäch lich vorhanden. Der Übergang vom flachen zum geneig ten Kurventeil kann z. B. allmählich :erfolgen, und das mittlere Kurvenstück muss nicht vollkommen waagrecht und gerade verlaufen. Es genügt, wenn die Nachstell- kraft-Kenulinie ein im wesentlichen flaches Mittel stück mit daran anschliessenden Teilen grösserer Stei gung besitzt.
Bei der Konstruktion einer Nachstelleinrichtung 52, mittels welcher Kennlinien gemäss den Fig. 6 und 7 erzielbar sind, ist zunächst zu beachten, dass die Nach stellkräfte rechtwinkelig zur gewünschten Nachstellrich- tung ausgeübt werden müssen, ohne dass gleichzeitig Kraftkomponenten in der gewünschten Nachstellrich- tung auftreten.
Wenn nämlich die Nachstellkraft nicht genau hechtwinkelig zur Bewegungsrichtung ausgeübt wird, bekommt der Kreisel auch eine Bewegungskom ponente, die senkrecht zur gewünschten Richtung ver läuft, und in einem solchen Fall besteht die Gefahr des Auftretens wilder freier Schwingungen.
Es sind ver schiedene Konstruktionen von Nachstelleinrichtungen möglich; eine prinzipielle Ausführungsform enthält Mit tel zum Übertragen einer Reibungskraft auf den Kreisel rotor ausschliesslich in der x-oder y-Richtung, wenn der Rotor um mehr als einen kleinen vorherbestimmten Winkel in der y- oder x-Richtung gegenüber dem Gehäuse verlagert wird. Es ist dabei sehr wichtig, dass die Reibungskraft möglichst nahe bei der Rotor achse und in möglichst grosser Entfernung vom Zen trum der Bügel 39 ausgeübt wird. Es ist nämlich zu beachten, dass die Reibungskraft auch ein Bremsmo ment auf den Kreiselrotor ausübt, welches vom Radius der Krafteinwirkung abhängig ist.
Dadurch, dass die Nachstellkräfte auf den Kreiselrotor nahe bei seiner Achse und in verhältnismässig grossem Abstand vom Zentrum der Bügel wirken, wird eine wirksame Nach- stellung des Kreisels bei vernachlässigbarer Bremsung seiner Rotation erhalten.
In den Fig. 8 und 9 ist eine Ausführungsform der Mittel zum übertragen von Reibungskräften auf den Kreisel dargestellt, wobei die Nachstellkräfte durch Er zeugung von Wirbelströmen hervorgerufen werden. Zu diesem Zweck ist koaxial mit dem Kreiselrotor 42 eine Scheibe 53 aus elektrisch leitendem Material, wie Kup fer, die eine Stirnfläche in Form eines Kugelabschnittes aufweist, verbunden. Der Mittelpunkt der der Stirn fläche entsprechenden Kugelfläche befindet sich vor zugsweise im Zentrum der Bügel.
Obwohl die Scheibe 53 in diesem Fall als eigener Bauteil dargestellt ist, kann die kugelförmige Stirnfläche sich selbstverständ lich .auch am Rotor selbst befinden, soferne sie aus elektrisch leitendem Material besteht. Die Nachstell- einrichtung enthält weiters einen Magnet 54, der ein Permanentmagnet oder ein Elektromagnet sein kann. Dieser Magnet ist im Gehäuse 34 .befestigt und reicht, koaxial zur optischen Achse, nahe an die Scheibe 53 heran. Auf diese Weise werden in der im Feld des Ma gneten rotierenden Scheibe Wirbelströme induziert.
Die Wirbelströme werden in dem dem .Magnet 54 benach barten Teil der Scheibe 53 induziert und es werden dadurch Kräfte hervorgerufen, die tangential zur Scheibe und gegen ihren Drehsinn gerichtet sind. Infolge der gekrümmten Stirnfläche der Scheibe kann der Kreisel um das Zentrum der Bügel in x- und y-Richtung ver- schwenkt werden, wobei die Luftspaltlänge zwischen dem Magnet und der Stirnfläche gleich bleibt, so dass die an der Oberfläche der Scheibe wirksame magneti sche Feldstärke stets die gleiche ist.
Die durch die Wirbelströme verursachte Kraft ist ausser von der ma gnetischen Feldstärke noch von der tangentialen Ge schwindigkeit des betreffenden Teiles der Oberfläche, in der die Wirbelströme induziert werden, und damit vom Radius des dem Magnetpol gegenüberliegenden Teiles der Scheibe abhängig.
Wenn also das Gehäuse in der lotrechten oder y-Richtung verschwenkt wird und dementsprechend der Magnetpol relativ zur Scheibe ebenfalls in der y-Richtung verschoben wird, ist die durch die Wirbelströme verursachte Kraft tangential zu dem dem Magnetpol gegenüberliegenden Teil der Scheibe gerichtet, demnach in x-Richtung. Eine solche Kraft verstellt den Kreisel in der y-Richtung und, da sie in Abhängigkeit vom Radius an der Scheibe an dem sie wirkt, linear zunimmt, steigt die auf den Kreisel wirkende Nachstellkraft mit grösser werdender Abwei chung zwischen Scheibe und Magnet bzw.
Winkelab weichung des Gehäuses von der Visierlinie. Wenn das Gehäuse in der x-Richtung verschwenkt wird, liegt die tangential auf die Scheibe wirkende Kraft in der y-Richtung. Die Grösse der Kraft hängt wieder von der Abweichung zwischen Scheibe und Magnet ab, so dass die Kraft bei zunehmender Abweichung des Ge häuses in x-Richtung grösser wird und der Kreisel in x-Richtung mit einer Geschwindigkeit nachgeführt wird, die bei grösser werdenden Gehäuseschwenkungen zu nimmt.
Der Drehsinn des Kreiselrotors wird so ge wählt, dass die durch die Wirbelströme verursachten Kräfte den Kreisel in der Richtung der Kamerabewe gung nachstellen. Die durch die Wirbels,tromkräfte her vorgerufene Kreiselnachstellung ist durch Servowirkung ziemlich genau an die Bewegung des Kameragehäuses angeglichen. Innerhalb eines kleinen Bereiches von Win kelabweichungen des Gehäuses ist durch .entsprechende Ausbildung und Geometrie des Systems von Magnet und Rotor praktisch keine Nachstellwirkung vorhanden.
Im Zusammenhang damit soll die Leitfähigkeit der Scheibe 53 derartig sein, dass sich eine Abhängigkeit der Wirbelstromkräfte von der Wirbelabweichung des Gehäuses entsprechend den Fig. 6 und 7 ergibt. Diese Beeinflussung der Leitfähigkeit kann durch Anbringen von Rillen oder Schlitzen an der Oberfläche der Scheibe entsprechend Fig. 9 erzielt werden. Beim dargestellten Beispiel ist die Oberfläche der Scheibe 53 mit einer Mehrzahl konzentrischer Schlitze oder Rillen 55 ver sehen, die in der Umgebung des Mittelpunktes dicht aufeinanderfolgen und mit zunehmendem Radius im mer weiter voneinander entfernt sind.
Durch diese Rillen wird in Abhängigkeit von deren gegenseitigem Abstand die Leitfähigkeit an der Oberfläche der Scheibe mehr oder weniger herabgesetzt. Auf diese Weise lässt sich die Oberflächenleitfähigkeit im mittleren Teil der Schieibe stark herabsetzen, und dadurch sind auch die Wirbelstromkräfte in diesem Bereich äusserst gering. Durch entsprechende Wahl der radialen Dichte der Rillen ausserhalb des mittleren Teiles kann der Verlauf der Wirbelstromkräfte an die Kennlinien der Fig. 6 und 7 angeglichen werden, so dass die Nachstellung des Kreisels 38 möglichst genau den Bewegungen des Kameragehäuses 34 folgt.
Im mittleren Teil der Scheibe, wo die Wirbelstromkräfte nahezu Null sind, wird der Kreisel nicht nachgeführt und bleibt daher ständig in Richtung der Visierlinie ausgerichtet.
In den Fig. 10 und 11 ist ein anderes Ausführungs beispiel einer Nachstelleinrichtung dargestellt, welche dazu verwendet werden kann, Nachstellkräfte mit einem Verlauf gemäss den Fig. 6 und 7 auf den Kreisel 38 auszuüben. Bei dieser Ausführungsform werden die Nachstellkräfte durch mechanische Berührung zwischen aus dem Kreiselrotor herausragenden Stiften und vor zugsweise federnden Vorsprüngen, die mit dem Kamera gehäuse verbunden sind, hervorgerufen.
Mit dem Rotor 42 des Kreisels 38 ist eine Scheibe 56 von der Form eines Kugelabschnittes verbunden; der Krümmungsmit- telpunkt fällt vorzugsweise mit dem Zentrum der Bügel zusammen. Auf der äusseren Oberfläche der Scheibe ist senkrecht dazu eine Vielzahl von Stiften 57 angeord net, welche Stifte in bezug auf das Zentrum der Bügel radial gerichtet sind. Es ist dabei wesentlich, dass in einem mittleren Bereich der Scheibe mit geringem Ra dius keine Stifte vorgesehen sind, wogegen ausserhalb dieses Bereiches die Dichte der Stifte mit grösser wer dendem Radius zunimmt. Die Nachstelleinrichtung ent hält weiters einen Kupplungsteil 58, der koaxial zur optischen Achse in der Nähe der Scheibe 56 im Kame ragehäuse 34 befestigt ist.
Der Kupplungsteil besitzt eine Mehrzahl von Vorsprüngen, die vorzugsweise in bezug auf das Zentrum der Bügel radial angeordnet sind und deren Spitzen auf einem Kreis mit einem kleineren Radius als der mittlere, stiftfreie Bereich der Scheibe liegen. Die Vorsprünge reichen so weit in die Nähe der Scheibe, dass bei einer Abweichung des Krei sels 38 um mehr als einen kleinen vorherbestimmten Winkel von der Achse des Kameragehäuses die Spitzen der Vorsprünge mit den Stiften 57 in Berührung kom men.
Bei kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses um weniger ,als den vorherbestimmten Winkel bleiben die Spitzen der Vorsprünge innerhalb des mittleren, stiftlosen Bereiches der Scheibe 56, es tritt keine Be rührung auf, und: es wird keine Nachstellkraft auf den Kreisel ausgeübt. Der Kreisel bleibt daher ständig in Richtung der Visierlinie ausgerichtet. Wenn das Kame- rag ehäuse z. B. bei einer Panoramaschwenkung um mehr als den kleinen vorherbestimmten Winkel bewegt wird, greifen die Vorsprünge des Kupplungsteiles 58 und die Stifte 57 der rotierenden Scheibe 56 inein ander, so dass eine Nachstellkraft auf den Kreisel aus geübt wird.
Die Nachstellkräfte sind tangential zur Scheibe und senkrecht zur Bewegung des Gehäuses ge richtet, so dass dadurch der Kreisel in Richtung der Gehäusebewegung verschwenkt wird. Da die Dichte der Stifte mit grösser werdendem Radius zunimmt und daher bei zunehmender Winkelabweichung des Gehäu ses in der Zeiteinheit eine grössere Anzahl von Stiften mit den Vorsprüngen des Kupplungsteiles in Berührung kommt, wird damit auch die Nachstellkraft grösser und erhöht die Nachstellgeschwindigkeit des Kreisels ent sprechend der Schwenkgeschwindigkeit des Kamerage häuses.
Durch passende Wahl der Stiftdichte ist eine Kennlinie der Nachstellkraft gemäss den Fig. 6 und 7 erzielbar. Bei der Ausbildung der Vorsprünge des Kupplungsteiles sind zahlreiche Abänderungen möglich, wobei jedoch bei der Konstruktion darauf zu achten ist, dass beim Zusammenwirken mit dem Stiften nicht ausser der gewünschten Nachstellkraft;senkrecht zur Bewegungs richtung des Gehäuses auch noch eine Kraftkomponente in der Bewegungsrichtung des Gehäuses entsteht.
Bei Vorhandensein einer Kraftkomponente in der Bewe gungsrichtung des Gehäuses können nämlich, wie bereits beim vorherigen Ausführungsbeispiel beschrieben, wilde freie Schwingungen des Kreisels angefacht werden. Daher müssen die Vorsprünge des Kupplungsteiles so angeord net sein, dass bei Berührung mit den Stiften nur genau tangential gerichtete Kräfte auftreten können. Eine hie- für mögliche Bauform des Kupplungsteiles besitzt eine Mehrzahl längs des Umfanges im Abstand voneinander angeordneter Borsten, die in bezug auf das Zentrum der Bügel radial gerichtet sind und aus einer koaxial zur optischen Achse angebrachten Grundplatte heraus ragen.
Vorzugsweise ist der Kupplungsteil 58 als runde Scheibe 59 aus Federmetall oder dergleichen ausgebil det, die längs ihres Umfanges eine Vielzahl von zum Zentrum der Bügel konzentrischen Auszackungen 60 aufweist. Diese Scheibe ist im Kameragehäuse koaxial zur optischen Achse vorzugsweise auf einem Träger 61 aus Federmetall befestigt. Die umgebogenen. Auszak- kungen 60 stehen tangential zu den rotierenden Stiften 57, so dass nur tangential gerichtete Nächstellkräfte auftreten können.
Obwohl als Nachstelleinrichtungen hauptsächlich solche beschrieben wurden, welche eine Schubkraft über tragen, kann zur übertragung selbstverständlich auch eine magnetische Anziehungskraft angewendet werden. Abweichungen des Kreisels 38 von der optischen Achse können auf verschiedene Weise festgestellt werden, z. B. mit photoelektrischen Einrichtungen, welche die Ab weichung anzeigende Fehlersignale erzeugen. Das Feh lersignal kann Elektromagneten oder dergleichen zuge leitet werden, die an einander gegenüberliegenden Stel len in lotrechter und waagrechter Richtung wie an den Eckpunkten eines Quadrates angeordnet sind und auf einen magnetischen Anker wirken, der z. B. koaxial am Kreiselgehäuse 43 .befestigt ist.
Wenn eine<B>Ab</B> weichung festgestellt wird, erhält ein bestimmter Magnet ein Fehlersignal und zieht den Anker in der entspre chenden Richtung an, um den Kreisel so nachzustellen, dass der festgestellte Fehler kompensiert wird. Es ist klar, dass bei einer derartigen Anordnung keine Schub kräfte auf den Kreiselrotor 42 übertragen werden und daher auch keine Verzögerung seiner Drehbewegung eintritt. Ausserdem werden keine Kräfte oder Momente auf den Kreisel übertragen, die wilde freie Schwingungen anfachen könnten.
Es ist zu beachten, dass man bei Verwendung einer Kamera mit einer stabilisierten Optik der beschrie benen Art nicht sagen kann, wie genau man die Ka mera ausgerichtet hält; wenn die Kamera ungenau aus gerichtet wird, kann der Kreisel unbeabsichtigterwese nachgestellt werden. Deshalb erscheint es wünschens wert, dem Benützer der Kamera anzuzeigen, wie genau er die Kamera ausgerichtet hält, so dass eine Nachstel lung des Kreisels nur im gewünschten Falle eingeleitet wird, wie bei einer beabsichtigten Kameraschwenkung.
Zu diesem Zweck können verschiedene Anzeigevorrich tungen verwendet werden, und eine einfache derartige Vorrichtung ist nur zum Zweck der Erläuterung in Fig. 5 dargestellt. Dabei weisen vorspringende Gehäuse teile 62 und 63 Anzeigefenster 64 bzw. 66 oben und an der Seite des Kameragehäuses 34 auf. Unter den Fenstern 64 und 66 sind Skalenblätter 67 bzw. 68 vorgesehen, so dass sie .für den Benützer der Kamera sichtbar sind. Die Skalenblätter sind mit dem Gehäuse 34 verbunden und weisen vorzugsweise Begrenzungs linien 69 auf, um den vorherbestimmten klainen Winkel bereich für zufällige Bewegungen festzulegen. Mit dem Kreiselsystem, z.
B. mit dem Arm 44, sind Zeiger oder dergleichen 71 und 72 verbunden, die, wie in den Fig. 3 und 4 dargestellt, lotrecht und waagrecht von der Achse des Kreiselrotors 42 herausragen. Diese Zeiger erstrecken sich zwischen Fenster und Skalenblatt in den vorspringenden Gehäuseteilen, so d:ass sie durch. die Fenster sichtbar :sind. Die Zeiger 71 und 72 können sich frei ,bewegen und zeigen auf den Skalenblättern 67 und 68 die relative horizontale und vertikale Lage der mit dem Kreisel verbundenen Linsenelemente 29 und 32 an. Solange die Zeiger innerhalb der Begren zungslinien 69 bleiben, ist die Kamera gut ausgerichtet, und der Kreisel wird nicht nachgestellt.
Wenn ein oder beide Zeiger über die Begrenzungslinien hinaus aus schlagen, ist die Kamera schlecht gehalten bzw. aus gerichtet, und der Kreisel wird nachgestellt. Durch Beob achtung der Zeiger kann der Benützer der Kamera feststellen, wie genau er diese ausgerichtet hält, und eine unbeabsichtigte Nachstellung des Kreisels kann dabei vermieden werden.
Vorstehend wurde die Anwendung der erfindungs gemäss stabilisierten Optik bei Filmaufnahmekameras beschrieben; es ist aber auch die Anwendung bei Pho toapparaten vorteilhaft, um bessere und schärfere Auf nahmen zu erzielen. Dabei bleibt die Kompensations einrichtung im wesentlichen gleich, aber die Nachstell- einrichtung für den Kreisel entfällt. Das stabilisierte Objektiv lenkt die eintretenden Lichtstrahlen um den gleichen Winkel ab, um den das Kameragehäuse von der Visierlinie abweicht. Zufällige Bewegungen des Ka meragehäuses werden ausgeglichen, so dass das Bild in der Filmebene unabhängig von solchen Bewegungen in bezug auf das Bildfenster still steht.
Dadurch können auf Filmmaterial geringer Empfindlichkeit scharf ge zeichnete Aufnahmen erhalten werden. Durch Anwen dung des stabilisierten Linsensystems sind auch Zeit aufnahmen ohne die sonst notwendige stabile Unter stützung, z. B. durch ein Stativ, möglich.
Eine stabilisierte Optik der beschriebenen Art ist nicht ausschliesslich bei photographischen Einrichtun gen, wobei ein Bild aufgezeichnet oder in einer festen Brennebene betrachtet wird, anwendbar, sondern prin zipiell auch :bei zahlreichen anderen optischen Geräten, wie bei Ferngläsern, Teleskopen und dergleichen, wobei ein Bildfeld zu betrachten ist, das für das Auge des Beobachters im Abstand von der Brennebene des Ge rätes liegt und das gegenüber dem Gerätegehäuse be weglich ist.
Eine gleiche Kompensationseinrichtung, wie sie bei photographischen Einrichtungen zur Anwendung kommen kann, bringt bei optischen Geräten der letzteren Art wohl eine wesentliche Verbesserung des Bildstan des, aber keine vollständige Kompensation, bei kleinen Winkelabweichungen des Gehäuses von der Visierlinie. Bei diesen Geräten der letzteren Art ist es vorteilhaft, eine kleine zusätzliche Korrekturgrösse einzuführen, die der Vergrösserung des gesamten optischen Systems um gekehrt proportional ist.
Genauer ausgedrückt, muss das stabilisierte Linsensystem eines optischen Gerätes, das ein Bildfeld liefert, zur Stabilisierung der Bildlage im Raum eine Unter- oder Überkompensation ergeben, je nachdem ein aufrechtes oder ein umgekehrtes Bild erzeugt wird.
Die vorstehenden Angaben werden am Beispiel eines in den Fig. 12 und 13 schematisch dargestellten Fern rohres, das ein umgekehrtes Bild liefert, näher erläutert. Dieses Fernrohr besitzt ein Objektiv 73 und ein Okular 74, die an entgegengesetzten Enden des Gehäuses 76 angeordnet sind. In der dargestellten Lage ist das Ge häuse unbeabsichtigt um einen Winkel 0 gegenüber der Visierlinie 77 verschwenkt, und die parallel zur Visierlinie eintretenden Lichtstrahlen 78 werden in einem Bildpunkt 79 der Brennebene 81, deren Abstand vom Objektiv gleich dessen Brennweite f" ist, vereinigt. Man bemerkt, dass der Bildpunkt nicht in der Achse des Fernrohres liegt.
Dieser Bildpunkt ist ein Punkt des vom Objektiv in der Brennebene entworfenen reellen Bildes, das den durch das Okular zu beobachtenden Gegenstand darstellt. Der Abstand zwischen der Brenn- ebene 81 und dem Okular 74 ist gleich dessen Brenn weite f, Die vom Bildpunkt 79 ausgehenden diver gierenden Lichtstrahlen fallen in das Okular unter etwas anderen Winkeln ein als dies der Fall wäre, wenn die Fernrohrachse mit der Visierlinie zusammenfallen und der Bildpunkt auf dieser optischen Achse liegen würde.
Die aus dem Okular parallel zueinander austretenden Lichtstrahlen, die vom Auge des Beobachters wahr genommen werden können, sind gegen die optische Achse des Fernrohres unter .einem Winkel O' und, gegen die Visierlinie 77 unter einem Winkel ss geneigt. Die austretenden Lichtstrahlen sind daher nicht parallel zu diesen Achsen, was aber der Fall wäre, wenn das Fernrohr in der Visierlinie ausgerichtet wäre. Der Win kel 0' hat den Wert VO, wobei V die Vergrösserung des Fernrohres entsprechend V = f"/f, ist.
Der Win kel zwischen den austretenden Lichtstrahlen und der Visierlinie 77 ist ss <I>= 0 + 0' = 0 (1</I> +V) Dies ist der Winkel, um den sich das vom Beobachter betrachtete Bild scheinbar bewegt, wenn das Fernrohr in die dargestellte Lage verschwenkt wird.
Es lässt sich zeigen, dass bei Anordnung eines stabilisierten Linsen systems, das bei einer Kamera eine vollkommene Sta bilisierung des Bildstandes ergibt, im dargestellten Fern rohr oder :einem ähnlichen optischen Gerät ein kom pensierender Ablenkwinkel 0, welcher der Winkelab weichung des Gerätes entspricht, die Lagedes :. vom Beob achter betrachteten Bildes nahezu stabilisiert. Das be- trachtete Bild vollführt jedoch bei Verschwenkung des Gerätes noch immer kleine Bewegungen, und es besteht noch eine Verbesserungsmöglichkeit, wobei durch Eli mination dieses kleinen Restwinkels eine vollkommene Stabilisierung erzielbar ist.
Die vorstehenden Angaben werden an Hand der Fig. 13 näher erläutert, gemäss welcher das Fernrohr um einen Winkel 0 gegen die Visierlini:e geneigt ist, ebenso wie in Fig. 12, jedoch ist gemäss der vorlie genden Erfindung vor dem Objektiv 73 eine Stabilisie rungslinse angeordnet, die ein Prisma 82 mit einem der Winkelabweichung des Fernrohres von der Visier linie entsprechenden Winkel O bildet. Wenn das Prisma eine Brechung der Lichtstrahlen um den Winkel O ergibt, treten die gebrochenen Lichtstrahlen parallel zur Achse des Fernrohres in das Objektiv 73 ein und treten aus dem Okular 74 parallel zu dieser Achse aus.
Da das Gehäuse 76 des Fernrohres unter einem Winkel O gegen die Visierlinie geneigt ist, hat der Winkel ss zwischen den austretenden Lichtstrahlen und der Vi- sierlinie 77 ebenfalls den Wert 0. Das Bildfeld und das dem Beobachter erscheinende Bild bewegen sich bei dieser Art der Kompensation um einen Winkel 0 gegenüber einem Winkel 0 (1 + V) beim nicht kompen sierten Gerät. Dies bedeutet bereits eine wesentliche Verbesserung gegenüber einem nicht kompensierten Ge rät. Würde z.
B. bei einem Fernrohr mit 20facher Vergrösserung die Winkelabweichung 0,5 betragen, so wäre bei dem in obiger Weise kompensierten Gerät das Bild um 0,5 gegenüber 10,5 beim nicht kom pensierten Gerät verschoben. Der Stabilisierungseffekt geht aus einem Vergleich der Fig. 12 und 13 hervor. Der restliche kleine Winkel 0 der Bildverschiebung kann jedoch durch Einführung einer kleinen zusätzli chen Kompensation 0/V bei dem durch die Stabi lisierungslinsen gebildeten Prisma 82 auch noch aus geglichen werden.
Im vorliegenden Fall eines Fern rohres, das ein umgekehrtes Bild liefert, bringt eine L7berkompensation des Prismas um den Betrag 0/V die zusätzliche Stabilisierung des Bildes um V (0/V) = O.
Daher muss das Prisma einen Brechungswinkel O (1 + 1/V) haben, damit der Winkel ss zwischen den aus dem Okular 74 austretenden Lichtstrahlen und der Visierlinie 77 Null wird. Wenn man den Brechungswin kel des Prismas mit der Vergrösserung multipliziert, V 0(1 + 1/V), erhält man die Winkelkompensation für das Bildfeld des Beobachters V 0 + 0, die der Bild verschiebung beim nicht kompensierten Fernrohr ent spricht und daher eine vollkommene Kompensation lie fert.
Auf ähnliche Weise lässt sich zeigen, dass für ein optisches Gerät, das ein aufrechtes Bild liefert, das durch die Stabilisierungsoptik gebildete Prisma um einen Winkel 0/V unterkompensiert sein muss, damit die aus dem Okular austretenden Strahlen genau parallel zur Visierlinie verlaufen und das Bildfeld des Beobach ters vollkommen stabilisiert ist. Die allgemeine Formel für den Brechungswinkel (P des Prismas zur Stabili sierung eines Bildes gegenüber Winkelabweichungen eines optischen Gerätes, das ein Bildfeld liefert, lautet: (i) = O (1 1/V).
Die bisher beschriebenen stabilisierten optischen Systeme können optische Fehler herbeiführen, die un ter bestimmten Umständen unzulässig gross sein und dadurch die Bildqualität vermindern können, obwohl das Bild gegen Schwingungen des optischen Gerätes quer zur Visierlinie stabilisiert ist. Das stabilisierte optische System kann z. B. eine Art Komafehler ver- ursachen, wenn die äusseren Flächen der Linsen eines Elementepaares gekrümmt sind. Der Komafehler nimmt proportional zum Quadrat der Krümmung der äusseren Linsenflächen zu.
Wenn daher das stabilisierte Linsensystem aus Bikonkav- und Bikonvex-Linsen, zu sammengesetzt ist, welches eine der eingangs erwähnten möglichen Kombinationen darstellt, weist das Bild Komafehler auf. Für verschiedene Anwendungen ist der Komafehler zulässi; wo er nicht zulässig ist, kann er durch Verwendung' von Linsen mit ebenen oder nahezu ebenen Aussenflächen vermieden oder vernach- lässigbar klein gehalten werden.
Bei den in der Zeich nung dargestellten Ausführungsbeispielen sind Plankon kav- und Plankonvex-Linsen verwendet, so dass der Komafehler unberücksichtigt bleiben kann.
Ein anderer optischer Fehler der beschriebenen sta bilisierten optischen Systeme, der beachtet werden muss, ist die durch die Dispersion in den durch die Linsen paare gebildeten Prismen verursachte chromatische Aberration. Bei vergrössernden optischen Geräten mit einem Okular, z. B. bei Teleskopen, Ferngläsern und dergleichen, kann die Farbzerstreuung unzulässig gross werden, da sie entsprechend der Vergrösserung des Gerätes verstärkt wird.
Günstigerweise ist in der Praxis bei stabilisierten Teleskopen und dergleichen mit star ker Vergrösserung bei grossem Ablenkwinkel und dem nach starker chromatischer Aberration die Winkelge schwindigkeit des Bildes ebenfalls gross, so dass das Auge die chromatische Aberration im rasch bewegten Bild nicht merkt. Der gleiche günstige Effekt tritt bei raschen Kameraschwenkungen auf. In anderen Fällen jedoch, etwa beim Beobachten eines unbewegten Objek tes oder bei langsamen Kameraschwenkungen, wobei die Farbzerstreuung unzulässig gross sein könnte, lässt sich das stabilisierte optische System auf einfache Weise achromatisch korrigieren.
Ein achromatisches stabilisiertes optisches System nach der Erfindung, wie es in Fig. 14 dargestellt ist, besteht aus einem achromatischen Linsensatz 83 mit den Elementepaaren 84, 86, 87 und 88 aus Plankon vex- und Plankonkav-Linsen 89 und 91, 92 und 93, 94 und 96 sowie 97 und 98. Die zueinander gehörenden Linsen jedes Paares sind auf die eingangs erwähnte Weise gegeneinander schwenkbar, wobei eine Linse je des Paares mit dem Gehäuse 99 des betreffenden opti schen Gerätes koaxial zu dessen optischer Achse ver bunden ist. Die anderen Linsen der Paare sind durch einen Kreiselstabilisator 101 der vorher beschriebenen Art, welcher im Gehäuse angeordnet ist, stabilisiert.
Der Kreiselstabilisator hält die mit ihm verbundenen Linsen trotz Winkelabweichungen 0 des Gehäuses von der ursprünglichen Visierlinie 102 in fester räumlicher Orientierung zu dieser Visierlinie. Bei Winkelabwei chungen des Gehäuses von der Visierlinie bilden die Linsen der einzelnen Paare Prismen, die zusammen den Ablenkwinkel 0 ergeben. Die Prismen sind so ange ordnet, dass infolge der gesamten Winkelablenkung der hindurchgehenden Lichtststrahlen im Gerät ein stabili siertes Bild entsteht.
Genauer ausgedrückt, in einer Kamera oder in einem ähnlichen optischen Gerät, in dem das Bild auf einer festen, im Gehäuse befindli chen Bildebene 100 stabilisiert werden soll, muss der gesamte ,durch die .einzelnen Linsenpaare hervorge rufene Ablenkwinkel gleich der Winkelabweichung 0 des Gehäuses von der Visierlinie sein.
Bei Teleskopen, Ferngläsern usw., die ein Bildfeld ,erzeugen, dessen Bild stabilisiert werden soll, kommt zum gesamten Ablenkwinkel der Lichtstrahlen durch die einzelnen Linsenpaare noch eine zusätzliche Kompensation 0/V, so dass sich ein Ablenkwinkel O (1 1/V) ergibt.
Die chromatische Aberration kann durch eine der artige Anordnung ausgeschaltet werden, dass d'ie Linsen paare 84, 86 und 87 positive Prismen und das Paar 88 ein negatives Prisma bilden. Zu diesem Zweck sind die Plankonkav Linsen 91, 93 und' 96 der Paare 84, 86 und 87 mit dem Gehäuse 99 verbunden, wogegen die Plan konvex-Linsen 89, 92 und 94 dieser Paare mit dem Kreiselstabilisator 101 verbunden sind.
Beim Paar 88 ist jedoch die positive oder Plankonvex-Linse 97 mit dem Gehäuse verbunden, wogegen die negative oder Plan konkav-Linse 98 mit dem Kreiselstabilisator verbunden ist. Vorzugsweise sind die Konvexlinse 94 des Paares 87 und die Konkavlinse 98 des Paares 88 miteinander ver- kitt-et und als Einheit mit dem Kreiselstabilisator ver bunden. Durch diese Konstruktion bildet das Paar 88 ein Prisma mit entgegengesetztem Vorzeichen wie die durch die Paare 84, 86 und 87 gebildeten Prismen des Linsensatzes 83.
Dabei bestehen die Linsen der Paare 84, 86 und 87 aus Kronglas und jene des Paares 88 aus Flintglas. Es können verschiedene Kron- und Flintglas- sorten ausgewählt werden, um in den Kronglaspaaren eine Gesamtdispersion zu erhalten, die der Dispersion im Flintglaspaar entspricht.
Wenn die Dispersion der einzelnen Kronglaspaare Dl, D-,. . . D" und die Disper sion des Flintglaspaares D' beträgt, .so dass gilt D' = NDl, dann ist die Gesamtdispersion durch alle Linsenpaare Null, da das aus den Flintglaslinsen gebildete Prisma einen zu den Ablenkwinkeln der aus den Kronglas- linsen gebildeten Prismen entgegengesetzten Ablenk- winkel ergibt.
Ein derartiger Linsensatz ist achromatisch, ,d. h.,er verursacht keine Farbfehler. Anders ausgedrückt lautet die Bedingung für achromatische Korrektur @(dlc/vlc) = -v(Af/vf), worin dl, ein Mass für die Brechung von der Fraun- hoferschen D-Linie entsprechendem Licht in den Kron- glaspaaren,
4f das entsprechende Mass für das Flint- glaspaar, v1, der reziproke Wert der Dispersion des Kronglases für zwei Standardwellenlängen, etwa entspre chend den Fraunhoferschen Linien F und C, für welche die achromatische Korrektur durchgeführt werden soll,
und. vf der reziproke Wert der Dispersion des Flintglases für dieselben Standardwellenlängen ist; dl@ = nD-1, wo bei nD der Brechungsindex des Kronglases für die D- Linie ist;
4f = WD-1, wobei<B>WD</B> der Brechungsindex des Flintglases für die D-Linie ist; vk = dl@/(ni-n2), wobei ni und n2 Werte dies Brechungsindex des Kronglases für jene zwei Standardwellenlängen -sind, für welche die achromatische Korrektur durchgeführt werden soll;
und vf = df/(n'i-n'2), wobei n', und n'2 Werte des Brechungs index des Fhntglases für dieselben Wellenlängen sind. Durch Auswahl von Kron- und Flintglassorten, deren physikalische Kennwerte .den obigen Gleichungen genü gen, ist eine achromatische Korrektur des gesamten Lin sensatzes erzielbar.
Es sei bemerkt, dass die Bedingung :dafür, dass die gesamte durch den Linsensatz hervorgerufene Ablenkung der Winkelabweichung des Gehäuses von der Visierlinie ,entspricht, durch die Ablenkung von der D -Linie ent sprechendem Licht in den einzelnen Kron- und Flint- glaspaaren, und zwar durch die Ausdrücke dl, und df, bestimmt werden kann.
Die Bildstabilisierung wird zu nächst am Beispiel einer Kamera berechnet, bei welcher die gesamte Ablenkung eD von der D-Linie entsprechen- dem Licht in der stabilisierten Optik der Winkelabwei chung 0 des Gehäuses von der Visierlinie gleich ist.
Bildet man die Summe der durch die einzelnen Prismen hervorgarufenen Ablenkungen, so erhält man: = 0, wobei ( k die Ablenkung der D-Linie durch die Kronglasprismen und<B>01</B> die Ablenkung der D-Linie durch die Fli-ntglasprismen ist.
Wie bereits vor her bemerkt, ergibt sich die Brechung bzw. Ablenkung e eines dünnen Prismas in Luft zu 0 = n-1)a, wobei n der Brechungsindex für eine bestimmte Wellenlänge und a der brechende Winkel des Prismas ist.
Im vorliegenden Fall ist a = 0, und für die D-Linie gilt für die Kronglas- elemente nD-1=dk und für die Flintglaselemente n'D-1= df. Die Gleichung für die Stabilisierung des Bildes lautet sodann: @d1;0-@df0 <I>= 0.</I>
Dividiert man beide Seiten der Gleichung durch 0, so ergibt sich: Zdi{ -,'df = 1. Diese letzte Gleichung muss zugleich mit der Bedingung für achromatische Korrektur erfüllt sein.
Bei Teleskopen, Ferngläsern und anderen optischen Geräten, welche ein Bildfeld liefern, ist an der vorstehen den Gleichung noch das zusätzliche Kompensationsglied 0/V zu berücksichtigen, so dass für solche Geräte die Gleichung lautet: -ydk--'df = 1 1/V.
Die obigen Gleichungen für achromatische Korrektur und Bildstabilisierung gelten für die Verw--nd'ung von aus Plankonkav- und Plankonvex-Linsen bestehenden Paa ren.
Sie können auch noch bei Linsenpaaren angewendet werden, deren äussere Flächen schwach gekrümmt sind, wenn zu den einzelnen Gliedern Korrekturfaktoren <B>öl,</B> und! bf .hinzugefügt werden. Diese Korrekturfaktoren können durch Vergleich mit den gemeinsamen Krüm- mungsradien der Linsenpaare bestimmt werden, und zwar ist dk = rk/R1;
und bf = rf/Rf, wobei rk und<B>ff</B> die entsprechenden gemeinsamen Krümmungsradien der aneinanderliegenden Linsenflächen jedes Paares und Rk und Rf die sehr grossen Krümmungsradien der Aussen flächen der Kron- und Flintglaslinsen sind.
Unter Be rücksichtigung dieser Korrekturfaktoren lautet die Be dingung für achromatische Korrektur des Linsensystems: 1/v]; - -ydk (1 +<B>Öl,)</B> = 1/vf - -ydf (1 + bf).
Ebenso erhält man die Bedingung für die Bild stabflisierung, und zwar für eine Kamera: _,'dk(1 +<B>öl,)</B> -Jdf(1 + bf) = 1, und für ein optisches Gerät, welches ein Bildfeld. liefert: -Y4]:(1 + bl;
)--ydf(1 +<B>öl)</B> = 1 1/V. Abschliessend wird noch ein Zahlenbeispiel für die Berechnung eines achromatischen stabilisierten Linsen- systems gebracht, wobei für die Kronglaselemente Schott Kronglas SSK 9 verwendet wird.
Die Kennwerte von SSK 9 sind 4k = 0,62 und dk/vk <I>=</I> 1,245 -10-2. Für den achromatischen Linsensatz eines Fernrohres odim dergleichen mit 20facher Vergrösserung sollen drei iden- tische Kronglaspaare vorgesehen werden.
Die Gleichung für Gesamtdispersion Null lautet: 3,733 - 10-2 (1 +<B>öl,)</B> = 1/vf - 4f (1 + bf).
Zur Erfüllung dieser Gleichung muss ein Flintglas mit einer Konstanten df/vf verwendet werden, die dem Wert 3,733.10--2 möglichst nahe kommt. Von Kodak Flint- glas F ist die Konstante <I>d</I> f/vf <I>=</I> 3,74 - 10-2, unddieser Wert liegt ziemlich nahe bei 341;/v1; = 3,733 -10-2.
Als weiterer Punkt bei der Auswahl passender Kron- und Flintgläser zur Verwendung für die Linsenpaare ist zu beachten, dass die Korrekturfaktoren öl;
und bf möglichst nicht grösser als 0,2 sein sollten, um den Komafehler des Linsensatzes vernachlässigbar klein zu halten. Diese Korrekturfaktoren bk und bf können zur Abstimmung der entsprechenden Glieder der Gleichungen dienen, und sie werden im vorliegenden Fall, da die Gleichung für die achromatische Korrektur bereits nahezu erfüllt ist, sehr klein sein.
Es muss jedoch gleichzeitig die Bedin gung für die Bildstabilisierung -ydl; <I>(1 +</I> Al,) --ydf <I>(1 +</I> bf) <I>= 1 </I> 1/V ebenfalls mit kleinen Korrekturfaktoren bk und 8f, mög lichst kleiner als 0,2, erfüllt sein. Für Kodak Flintglas. F ist d f = 0,995.
Nach Einsetzen dieses Wertes und des bereits genannten Wertes dk = 0,62 für die Kron glas- @elemente in die Gleichung für die Bildstabilisierung zeigt sich, dass die erforderlichen Korrekturfaktoren bk und bf etatsächlich sehr klein sind. Die Gleichung für die Bildstabilisierung lautet:
1,86 (1 +<B>öl,)</B> -0,995 (i + bf) = 0,95 Aus dieser Gleichung und der Dispersionsgleichung 3,773 . 10\2 (1 + bk) = 3,74 - 10-2 (1 + 8f) lassen sich die Korrekturfaktoren berechnen, und zwar ist bf = 0,089 und bk = 0,091.
Für einen aus drei Kron- glaspaaren aus Schott Kronglas SSK 9 und einem Flint glaspaar aus Kodak Flinbglas F bestehenden Linsensatz, der für ein 20fach vergrösserndes Fernrohr oder der gleichen, welches ein aufrechtes Bild liefert, verwendbar ist, sind! idie Korrekturfaktoren vernachlässigbar klein.
Mit einer solchen Optik erhält man eine Stabilisierung desRTI ID="0009.0233" WI="10" HE="4" LX="1102" LY="1497"> Bildes bei vernachlässigbarer chromatischer Aber ration und vernachlässigbarem Komafehler.