Optisches Beobachtungsgerät und Verwendung desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beobachtungsgerät mit mindestens einem Okular, sowie auf die Verwendung desselben. Wird ein Beobachtungsgerät z. B. als Fernrohr verwendet, ist es in vielen Fällen von Wichtigkeit, ein im Blickfeld des Fernrohres auftretendes Objekt möglichst schnell anzuvisieren. Dieses Anvisieren kann dadurch geschehen, dass im Fernrohr z. B. ein Fadenkreuz oder bei erforderlicher höherer Präzision zwei Fadenkreuze, oder sonst eine bekannte Visiereinrichtung vorhanden ist, womit eine Visurachse definiert ist. Das manuelle Anvisieren eines sich z. B. bewegenden Objektes kann besonders schwierig oder wenigstens zeitraubend sein. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt einem ein Fernrohr benutzenden Beobachter schnelleres und müheloseres Visieren.
Erfindungsgemäss ist das optische Gerät dadurch gekennzeichnet, dass dem Gerät Mittel beigeordnet sind, welche es gestatten, die Lage des Kopfes eines Beobachters - und damit auch der Augen und Augendrehpunkte des Beobachters - relativ zur optischen Achse des Okulars des Gerätes zu bestimmen.
Bei diesen Mitteln kann es sich um eine einfache Kopf-Kinn-Stütze, um einen Helm mit Referenzgebern oder sonst ein beliebiges Ortungs- bzw. Lagebestimmungs-System handeln, welches die Lage des Kopfes, bezogen auf die Visurachse des optischen Gerätes, laufend ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausführung eines solchen optischen Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Gerät Mittel zugeordnet sind, welche die gegenseitige Lage von Kopf und Visurachse selbsttätig immer gleich einstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemässen optischen Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Vorrichtung zur Bestimmung der momentanen Blickrichtung des Beobachters enthält, wobei jetzt und im Folgenden unter der Blickrichtung - oft auch Sehrichtung genannt - folgendes verstanden wird: Der Punkt des scharfen Sehens im Auge ist die Fovea. Die Einstellung des Auges auf einen beobachteten Punkt, d. h. das Einstellen eines Bildes auf die Fovea erfolgt auf etwa 10 Bogenminuten genau. Die Blickrichtung ist die Gerade, welche durch die Fovea des Auges und das Zentrum der Augenlinse definiert ist.
Das Ausnützen der Blickrichtung ist deshalb von grösstem Vorteil für ein Visiersystem, weil das Einstellen, d. h. das Anvisieren eines Objektes mit dem Auge mit einer Präzision und Geschwindigkeit erfolgt, die jedem andern menschlichen Servosystems, z. B. Ver änderung der Kopflage, Handbetätigung mechanischer Richtmittel usw., weit überlegen ist.
Es ist damit beispielsweise ohne weiteres möglich, eine vorbestimmte Achse eines Gerätes mit entsprechenden Richtorganen und Rechenorganen in eine bestimmte Lage zur Blickrichtung eines Beobachterauges einzu- stellen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und Teile davon sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines optischen Beobachtungsgerätes mit einem Gebersystem und Mitteln zur Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters;
Fig. 2 ein Schema in Seitenansicht eines optisch arbeitenden Gebersystems;
Fig. 2a schematisch ein anderes optisch arbeitendes Gebersystem;
Fig. 3 ein Schema einer möglichen Anordnung der Spiegelprismen zum Umlenken der Lichtstrahlen und Photosensoren in einem Gebersystem nach Fig. 2;
Fig. 4 das Schema einer Vorrichtung zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex-Bildes (Okulometer) in Verbindung mit einem Fernrohr;
Fig. 4a schematisch eine andere Möglichkeit der Erfassung des Cornea-Reflex-Bildes;
Fig. 5 ein Beispiel der Anwendung eines optischen Gerätes als Zielanweisgerät oder Richtgerät, im Schema.
Fig. 1 zeigt schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Beobachtungseinrichtung, bei der erstens die relative Lage vom Kopf des Beobachters und der Visurachse des Gerätes wenigstens angenähert festgelegt und zweitens die Blickrichtung des Beobachterauges in bezug auf die Visurachse bestimmbar ist.
Als Mittel für die wenigstens angenäherte Bestimmung der Lage des Kopfes des Beobachters B sind in der gezeigten Ausführung je eine mit dem Fernrohr 10 starr verbundene Stirnstütze 11 und Kinnstütze 12 vorhanden. Diese beiden Stützen 11, 12 müssen jedem Beobachter individuell angepasst werden. Das Okular ist mit 19 bezeichnet. Die Lage der Visurachse V des Fernrohrs 10 im Raum wird durch das Winkelgebersystem 13 ermittelt, welches beispielsweise den Azimutwinkel a und den Elevationswinkel ss der Visierachse in bezug auf einen Drehpunkt, der auch Ursprung eines räumlichen Koordinatensystems ist, bestimmt.
Der Beobachter B trägt z. B. ein brillenähnliches, auf dem Kopf gut sitzendes Gestell 14, das einen Stift 15 trägt. Ein Rohr 16 ist starr mit dem Fernrohr 10 verbunden und so angeordnet, dass in der Arbeitsstellung des Beobachters B der Stift 15 wenigstens teilweise in den Innenraum des Rohrs 16 zu liegen kommt. Das Gebersystem 15, 16 gestattet die Lage des Kopfes und damit der Augen relativ zum Fernrohr zu ermitteln.
Die Ablage eines Cornea-Reflex-Bildes relativ zu einem mit dem Stift 15 und damit dem Augendrehpunkt starr verbundenen Bezugssystems kann mit einer Vorrichtung 17 ermittelt werden, womit die Blickrichtung eines Beobachterauges bestimmt werden kann. Die Blickrichtung kann beispielsweise durch den Azimutwinkel a' und den Elevationswinlçel ss', im vorgenannten Bezugssystem bestimmt sein. Diese Winkelwerte werden z. B.
durch die Mittel 17 zur Blickrichtungsbestimmung den Rechnerorganen 18 zugeführt.
Diese Rechenorgane 18 können z. B. so beschaffen sein, dass sie den Azimutwinkel a" und Elevationswinkel ss" eines in Blickrichtung liegenden Objektes bezogen auf ein mit dem den Standort des Beobachtungsgerätes starr verbundenes Koordinatensystem liefern.
Anhand von Fig. 2 und Fig. 3 wird die Funktionsweise eines optisch arbeitenden Gebersystems näher erläutert. Der Stift 15 (Fig. 1) trägt an seiner Spitze z. B.
vier rechtwinklig zueinander angeordnete Spiegelprismen 151, 152, 153, 154 zum Umlenken der Lichtstrahlen kt, ke. Im Rohr 16 ist eine Lichtquelle 165, beispielsweise im Brennpunkt F einer Sammellinse 166, eingefügt, so dass zur Achse 160 paralleles Licht erzeugt wird. Dieses Licht wird wenigstens teilweise durch die Spiegelprismen 151, 152, 153, 154 auf z. B. vier im Rohr 16 rechtwinklig angeordnete Lichtdedektoren 161, 162, 163, 164 geworfen, welche die Signalströme Jt, J2, J3 bzw. J4 erzeugen.
Durch die Bildung von Linearkombinationen dieser vier Stromgrössen Jt, J2, J3, J4 ist es ohne weiteres möglich, die Winkellage des Stiftes 15 relativ zum Rohr 16 eindeutig zu bestimmen, womit auch die Winkellage des Kopfes und damit der Augen des Beobachters B gegenüber der Visurachse V des Fernrohres 10 bestimmt ist.
Die Eintauchtiefe des Stiftes 15 in das Rohr 16 muss bei einem System, bei dem die Lage vom Kopf des Beobachters zum Fernrohr 10, z. B. wie gezeigt mit Stirn- 11 und Kinnstütze 12, bestimmt ist, von diesem Gebersystem 15, 16 nicht ermittelt werden. In einem andern Gebersystem können Sensoren vorhanden sein, welche die Lage eines Stiftes im Raum bezogen auf beispielsweise emen diskreten Punkt der Visurachse in einem Fernrohr, vollständig bestimmen.
Fig. 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Gebersystems. Der Beobachter trägt wie angedeutet einen Helm H, mit welchem das Fernrohr 10 fest verbunden ist. Weiter ist dem Beobachter eine Brille 30 angepasst, auf der eine Lichtquelle 31 angebracht ist. Diese Lichtquelle 31 wird von den Linsen 41, 42 auf die Photozelle 43, z. B. eine Lateralphotozelle, abgebildet.
Lateralphotozellen sind flächig, und an den Ausgangsleitungen l'l, I'2, I13, I'4 erscheinen elektrische Signale, aus denen sich die Lage eines auf die Photozelle einfallenden Lichtpunktes bestimmen lässt. Im vorliegenden Fall wird mit der Lage des Bildpunktes 31 der Lichtquelle 31 auf der Photozelle 43 die relative Lage des Kopfes eines Beobachters zum Fernrohr 10 bestimmt. Photozelle 43 und Abbildungslinsen sind mit dem Fernrohr starr verbunden. Die Signale I't, I'2, I's, I'4, welche z. B. in Kabeln, welche im Innern des Haltebügels 44, welcher Helm H und Fernrohr 10 mit Lagebestimmungsmitteln starr miteinander verbindet, verlaufen, werden einem Rechner 18 zugeführt.
Im Rechner 18 wird aus I't, I'2, I's und I'4 gegenseitige Lage von Fernrohr 10 und Auge des Beobachters bestimmt.
Das eben beschriebene Prinzip der gegenseitigen Lagebestimmung von Kopf und Fernrohr lässt sich auch durch die Anordnung mehrerer Photozellen in der Bildebene verwirklichen.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Lösungsbeispiel zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex-Bildes (Fernrohr mit Okulometer). Zwischen den Linsen 101 und 102 des Fernrohres 10 mit der Visurachse V kann ein nur teilweise durchlässiger Spiegel 103 eingefügt sein. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass die Visurachse V des Fernrohrs 10 mit der Blickrichtung zusammenfalle. Licht der Lampe 170, der z.B. eine Linse 171 und eine Blende 172 nachgeschaltet sind, kann über den Spiegel 103 auf die Cornea C des Beobachterauges geworfen werden. Das im Auge entstehende virtuelle Cornea-Reflex-Bild wird mit den Spiegeln 103, 173, 174, welche teilweise durchlässig sind, auf den Lichtdetektor 176 projiziert. Zwischen den Spiegeln 173 und 174 ist die Linse 175 eingeschaltet.
Durch den Stift 15 und das Rohr 16 ist die Lage der Augen relativ zur Visurachse des Fernrohrs und durch die Lage des Cornea-Reflex-Bildpunktes auf der Detektorfläche die Blickrichtung des Beobachters relativ zur Visurachse des Fernrohrs bestimmt. Einer bestimmten Blickrichtung des Beobachterauges entspricht eine bestimmte Lage des Cornea-Reflex-Bildpunktes auf der Detektorfläche. Die Null-Lage der Blickrichtung, d. h. das Zusammenfallen von Blickrichtung des Beobachters und Visurachse V des Fernrohrs 10, kann mit Eichorganen bestimmt werden. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass der Beobachter B seine Blickrichtung auf das Zentrum eines Fadenkreuzes, das im Fernrohr 10 liegt, einstellt. Die Augenlage des Beobachters ist durch das Gebersystem 15, 16 bestimmt.
Der Blickrichtung durch das Zentrum des Fadenkreuzes der Blicknullachse entspricht eine ganz bestimmte Lage des Cornea-Reflex-Bildes auf dem Detektor 176. Abweichungen der Blickrichtung von der beliebig oft nacheichbaren Blicknullachse werden als änderungen in der Lage des Cornea-Reflex-Bildes, bezogen auf das Gebersystem 15, 16, registriert. Es ist dabei vorausgesetzt, dass die gegenseitige Lage von Stift 15 und Rohr 16 in der Arbeitsphase wenigstens angenänert gleich bleibt. Sonst wird eine neue Eichung notwendig.
Die Organe zur Bestimmung der Lage des Cornea Reflex-Bildes können zum Eichen einem Punktprojektor 177 beigeordnet sein, dem eine Linse 178 vorgeschaltet ist. Ein vom Punktprojektor 177 erzeugtes optisches Signal soll vom Beobachter B beispielsweise in uer Blickrichtung zum Fadenkreuzzentrum wahrgenommen werden, solange die Nulleichung des Instrumentes noch richtig ist. Es ist beispielsweise auch möglich, den Punktprojektor 177 als Zielanzeige zu verwenden, d. h.
dass das optische Signal dem Beobachter B anzeigen soll, auf welchen Punkt bzw. in welcher Richtung oder auf welches beobachtete Objekt irgendeine definierte Achse eines vom optischen Gerät gesteuerten anderen Gerätes ausgerichtet ist.
Wie Fig. 4a zeigt, kann der teilweise durchlässige Spiegel 103 auch zwischen dem Auge eines Beobachters und der Okularlinse 101 eingeschaltet sein, so dass das vom Spiegel 103 nach dem teilweise durchlässigen Spiegel 173 abgelenkte Cornea-Reflex-Bild der Lichtquelle 170 (Fig. 4) nicht durch die Okularlinse 101 läuft. Im übrigen kann der Aufbau der Anordnung zur Bestimmung der Blickrichtung gleich wie schon in Fig. 4 beschrieben, gewählt sein.
Fig. 5 erläutert an einem Blockschema die Anwendung eines andern erfindungsgemässen optischen Gerätes als Zieleinweisgerät bzw. Richtgerät. Bei dieser Ausführung trägt der Beobachter B z. B. einen Helm H, an welchem das Fernrohr 10 mit dem Referenzrohr 16 und den Mitteln zur Bestimmung der Cornea-Reflex Bild-Lage 17 sowie dem Lichtpunktprojektor 177 starr befestigt ist. Der Beobachter B trägt zudem das brillen ähnliche Gestell 14 mit dem Stift 15. Mit dem Helm H ist ein Pantograph 130 mit den Gelenken 131, 132, 133 fest verbunden. Dieser Pantograph 130 enthält ein in der Zeichnung nicht näher erläutertes Gebersystem 13', das die Lage des Helms in bezug auf den Drehpunkt des Gelenkes 131 jederzeit genau bestimmt.
Vom Gebersystem 16, 15 stammt das Signal 160 und vom System 17 zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex Bildes kommt das Cornea-Reflex-Bild-Signal 176'. Dieses Cornea-Reflex-Bild-Signal 176' wird im elektrischen Filtersystem 76' gewandelt. Dieses Filtern ist notwendig, weil die Augenbewegungen diskontinuierliche Bewegungen sind und dazu noch durch Blinzeln usw. gestört werden.
Aus den Signalen 160 und 76' wird im Rechner 180 die Blickrichtung des Beobachters B in bezug auf die Visurachse V des Fernrohrs 10 nach bekannten geometrischen Gesetzen bestimmt.
Mit einer weitern Datenverarbeitungsstufe 181 kann die Null-Lage der Blickrichtung des Beobachters, wie in Fig. 4 beschrieben, berücksichtigt werden. In der Datenverarbeitungsstufe 182 wird die Lage der Visurachse V des Fernrohrs 10 bezüglich des Drehpunktes des Gelenkes 131 bzw. einem beliebigen Punkt bestimmt.
Es soll aber beispielsweise auch die Lage der Blickrichtung bezogen auf den Drehpunkt des Gelenkes 131 bzw. eines beliebigen Punktes bestimmt werden können.
Die Ausgangssignale R aus der Datenverarbeitungsstufe ermöglichen, z. B. mit einem Servosystem 2, das Ausrichten einer Achse eines beliebigen Gerätes 20 in emer gewunscnten Aonängigeit von eler Bhckrichtung ues BeoDacaters B. Wenn aem ganzen System aucn Mittel zur lntlernungsmessung beigeordnet sind,
so lasst sich beispielsweise bei bexanntem Abstand mit emem bervosystem 2 eme bestimmte Achse des Gerates 20 direkt nach einem im kernrohr 10 beobachteten Objekt ausrlcnten. Las Ausgangssignal des bervo- systems kann zusätzlich dazu benutzt weraen, den Licht punktprojektor 177, dessen Wirkungsweise in Fig. 4 naner enautert ist, so zu steuern, aass aer Beobachter B im Fernrohr 10 mit einem Lichtslgnal ständig oder nach Wunsch, z. B. den Zielpunkt aes zu richtenden Gerätes 2ü kontrollieren und überwachen kann.
In den Beispielen ist das optische Gerät als Beobachtungsgerät ausgebildet beschrieben. Das optische Gerät kann aber auch nur dazu ausgebildet sein, beispielsweise als medizinisches Gerät die Blickrichtung eines Auges zu bestimmen.
Das Gebersystem 15, 16 (Fig. 1) könnte auch so ausgebildet und an eine entsprechende Servosteuerung angeschlossen sein, dass das Rohr 16 einem Stift 15 immer wenigstens innerhalb eines räumlichen Bereiches so folgt, dass die gegenseitige Lage von Stift 15 und Rohr 16 gleich bleibt. Diese Nachführung kann nicht nur für optische, sondern für beliebige andere Geräte von Vorteil sein.
Das Gebersystem braucht keinesfalls optisch oder nur optisch zu arbeiten, sondern könnte auch kapazitiv, induktiv oder sonstwie arbeiten.
Ein optisches Beobachtungsgerät kann beispielsweise auch so ausgeführt sein, dass seine Visurachse mit Hilfe eines Servosystems nach der Blickrichtung eines Beobachters ausgerichtet wird.
Aus den verschiedenen Elementen: Referenzgebersystem 15, 16, System zur Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters, Servosysteme und Rechenorganen, lässt sich eine Vielzahl von möglichen Einrichtungen bilden, die wenigstens einen Teil dieser Elemente enthalten. Insbesondere kann ein beschriebenes System als Zieleinweis- bzw. Akquisitionsvorrichtung für ein Laser-, Maser- oder Radar-Ortungssystem dienen. Die notwendigen Rechenoperationen zur Bestimmung der Lage der einzelnen Teile des Systems S im Raum könnten beispielsweise in einer entsprechend programmierten Computeranlage bestehen.
Zur Erzeugung des Cornea-Reflex-Bildes kann auch für das Auge des Beobachters unsichtbares Licht, z. B.
Ultraviolett, Ultrarot, benützt werden. Es kann aber auch das vom natürlichen, durch das Fernrohr 10 einfallenden Licht erzeugte Cornea-Reflex-Bild zur Blickrichtungsbestimmung verwendet werden.
Eine andere Konstruktion des Gerätes sieht einen stereotaxisch am Beobachterkopf befestigten Helm mit Fernrohr und Okulometer vor, der z. B. mit einem Pantographen verbunden ist, so dass das Gebersystem 15, 16 nicht notwendig wäre und nur die Lage des Helms genau bestimmt werden muss. Auf diese Weise wäre die gegenseitige Lage von Kopf bzw. Augendrehpunkt zu Visurachse des optischen Gerätes ebenfalls wenigstens angenähert bestimmt.
Das Fernrohr kann sowohl monokular wie auch binokular ausgeführt sein, wobei in einem Binokularfernrohr die Blickrichtung beider oder nur eines Auges des Beobachters bestimmt werden kann. Besonders geeignet ist ein Fernrohr mit afokaler Optik. In den Aus fiihrungsbelspielen wird die Ablage eines Cornea-Reflex Bildes von einer definierten Referenz zur Bestimmung der Blickrichtung beigezogen. Es kann vorteilhaft sein, eine andere Referenz zu wählen, z.B. die Lage der Pupille. Zur Registrierung der Augenbewegungen und der Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters können eine beliebige Methode und die dazu notwendigen Mittel vorgesehen sein.
Optical observation device and use of the same
The present invention relates to an optical observation device with at least one eyepiece, and to the use of the same. If an observation device z. B. used as a telescope, it is important in many cases to aim at an object appearing in the field of view of the telescope as quickly as possible. This sighting can be done by z. B. a crosshair or, if higher precision is required, two crosshairs, or some other known sighting device is present, which defines a sighting axis. The manual sighting of a z. B. moving object can be particularly difficult or at least time consuming. The proposed solution allows an observer using a telescope to aim more quickly and easily.
According to the invention, the optical device is characterized in that means are assigned to the device which allow the position of the head of an observer - and thus also of the observer's eyes and eye rotation points - to be determined relative to the optical axis of the ocular of the device.
These means can be a simple head-chin rest, a helmet with reference transmitters or any other location or position determination system that continuously determines the position of the head in relation to the sighting axis of the optical device.
An advantageous embodiment of such an optical device is characterized in that means are assigned to the device which automatically set the mutual position of the head and sight axis always the same.
A further advantageous embodiment of the optical device according to the invention is characterized in that it additionally contains a device for determining the current direction of gaze of the observer, whereby now and in the following the gaze direction - often also referred to as the direction of vision - means the following: The point of sharp vision in the Eye is the fovea. The adjustment of the eye to an observed point, i. H. the adjustment of an image to the fovea is done with an accuracy of about 10 arc minutes. The line of sight is the straight line that is defined by the fovea of the eye and the center of the eye lens.
The use of the direction of view is therefore of the greatest advantage for a sighting system, because the adjustment, i.e. H. the sighting of an object with the eye is carried out with a precision and speed that every other human servo system, e.g. B. Ver change of the head position, manual actuation of mechanical alignment means, etc., is far superior.
It is thus easily possible, for example, to set a predetermined axis of a device with corresponding directional organs and computing organs in a specific position in relation to the viewing direction of an observer's eye.
Exemplary embodiments of the subject matter of the invention and parts thereof are shown in the drawings.
Show it:
1 shows a diagram of an optical observation device with a transmitter system and means for determining the viewing direction of an observer;
2 shows a diagram in side view of an optically operating transmitter system;
2a schematically shows another optically operating transmitter system;
3 shows a diagram of a possible arrangement of the mirror prisms for deflecting the light beams and photosensors in a transmitter system according to FIG. 2;
4 shows the diagram of a device for generating and registering a cornea reflex image (oculometer) in connection with a telescope;
4a schematically shows another possibility of capturing the cornea reflex image;
5 shows an example of the use of an optical device as a target indicating device or aiming device, in the scheme.
Fig. 1 shows schematically a simple embodiment of an observation device in which, firstly, the relative position of the observer's head and the sight axis of the device is at least approximately fixed and, secondly, the viewing direction of the observer's eye with respect to the sight axis can be determined.
In the embodiment shown, a forehead support 11 and a chin rest 12 rigidly connected to the telescope 10 are provided as means for the at least approximate determination of the position of the head of the observer B. These two supports 11, 12 must be individually adapted to each observer. The eyepiece is labeled 19. The position of the sight axis V of the telescope 10 in space is determined by the angle sensor system 13 which, for example, determines the azimuth angle α and the elevation angle ss of the sight axis with respect to a pivot point which is also the origin of a spatial coordinate system.
The observer B carries z. B. a frame 14 similar to glasses, well-fitting on the head and carrying a pin 15. A tube 16 is rigidly connected to the telescope 10 and is arranged in such a way that, in the working position of the observer B, the pin 15 comes to rest at least partially in the interior of the tube 16. The encoder system 15, 16 allows the position of the head and thus the eyes relative to the telescope to be determined.
The storage of a cornea reflex image relative to a reference system rigidly connected to the pin 15 and thus the center of rotation of the eye can be determined with a device 17, with which the viewing direction of an observer's eye can be determined. The viewing direction can, for example, be determined by the azimuth angle a 'and the elevation angle ss' in the aforementioned reference system. These angle values are z. B.
fed to the computer elements 18 by the means 17 for determining the viewing direction.
This arithmetic unit 18 can, for. B. be designed so that they deliver the azimuth angle a "and elevation angle ss" of an object lying in the viewing direction based on a coordinate system rigidly connected to the location of the observation device.
The mode of operation of an optically operating transmitter system is explained in more detail with reference to FIGS. 2 and 3. The pin 15 (Fig. 1) carries at its tip z. B.
four mirror prisms 151, 152, 153, 154 arranged at right angles to one another for deflecting the light beams kt, ke. A light source 165, for example at the focal point F of a converging lens 166, is inserted in the tube 16, so that light parallel to the axis 160 is generated. This light is at least partially through the mirror prisms 151, 152, 153, 154 on z. B. thrown four light detectors 161, 162, 163, 164 arranged at right angles in the tube 16, which generate the signal currents Jt, J2, J3 and J4.
By forming linear combinations of these four current quantities Jt, J2, J3, J4, it is easily possible to clearly determine the angular position of the pin 15 relative to the tube 16, which means that the angular position of the head and thus the eyes of the observer B relative to the sighting axis V of the telescope 10 is determined.
The depth of immersion of the pin 15 in the tube 16 must be in a system in which the position of the head of the observer to the telescope 10, z. B. as shown with forehead 11 and chin rest 12 is determined not to be determined by this encoder system 15, 16. In another transmitter system there can be sensors which completely determine the position of a pen in space with reference to, for example, a discrete point on the sighting axis in a telescope.
2a shows a further exemplary embodiment of an optical transmitter system. As indicated, the observer wears a helmet H to which the telescope 10 is firmly connected. Furthermore, spectacles 30 on which a light source 31 is attached are adapted to the observer. This light source 31 is from the lenses 41, 42 on the photocell 43, z. B. a lateral photocell, shown.
Lateral photocells are flat, and electrical signals appear on the output lines l'l, I'2, I13, I'4, from which the position of a point of light falling on the photocell can be determined. In the present case, the position of the image point 31 of the light source 31 on the photocell 43 is used to determine the position of the observer's head relative to the telescope 10. Photocell 43 and imaging lenses are rigidly connected to the telescope. The signals I't, I'2, I's, I'4, which e.g. B. in cables which run inside the bracket 44, which rigidly connects the helmet H and telescope 10 with position determination means, are fed to a computer 18.
In the computer 18, the mutual position of the telescope 10 and the observer's eye is determined from I't, I'2, I's and I'4.
The principle just described of the mutual determination of the position of the head and telescope can also be implemented by arranging several photocells in the image plane.
4 schematically shows an example of a solution for generating and registering a cornea reflex image (telescope with oculometer). An only partially transparent mirror 103 can be inserted between the lenses 101 and 102 of the telescope 10 with the sight axis V. For the sake of simplicity, it is assumed that the sight axis V of the telescope 10 coincides with the viewing direction. Light from lamp 170, e.g. a lens 171 and a diaphragm 172 are connected downstream can be projected via the mirror 103 onto the cornea C of the observer's eye. The virtual cornea reflex image produced in the eye is projected onto the light detector 176 by the mirrors 103, 173, 174, which are partially transparent. Lens 175 is inserted between mirrors 173 and 174.
The position of the eyes relative to the sight axis of the telescope is determined by the pin 15 and the tube 16 and the direction of view of the observer relative to the sight axis of the telescope is determined by the position of the cornea reflex image point on the detector surface. A certain position of the cornea reflex image point on the detector surface corresponds to a certain viewing direction of the observer's eye. The zero position of the viewing direction, i.e. H. the coincidence of the viewing direction of the observer and sighting axis V of the telescope 10 can be determined with calibration organs. This can be done, for example, in such a way that the observer B adjusts his line of sight to the center of a crosshair located in the telescope 10. The position of the observer's eyes is determined by the encoder system 15, 16.
The direction of view through the center of the crosshairs of the zero axis of the gaze corresponds to a very specific position of the cornea reflex image on the detector 176 Encoder system 15, 16, registered. It is assumed that the mutual position of pin 15 and tube 16 remains at least approximately the same in the working phase. Otherwise a new calibration will be necessary.
The organs for determining the position of the cornea reflex image can be assigned to a point projector 177 for calibration, which is preceded by a lens 178. An optical signal generated by the point projector 177 is to be perceived by the observer B, for example, in the direction outside the center of the crosshair, as long as the zero adjustment of the instrument is still correct. For example, it is also possible to use the point projector 177 as a target display; H.
that the optical signal is intended to indicate to observer B to which point or in which direction or to which observed object any defined axis of another device controlled by the optical device is aligned.
As FIG. 4a shows, the partially transparent mirror 103 can also be connected between the eye of an observer and the ocular lens 101, so that the cornea reflex image of the light source 170 deflected by the mirror 103 towards the partially transparent mirror 173 (FIG. 4 ) does not pass through the eyepiece lens 101. Otherwise, the structure of the arrangement for determining the viewing direction can be selected in the same way as already described in FIG. 4.
FIG. 5 uses a block diagram to explain the use of another optical device according to the invention as a target pointing device or aiming device. In this embodiment, the observer B carries z. B. a helmet H, on which the telescope 10 with the reference tube 16 and the means for determining the cornea reflex image position 17 and the light point projector 177 is rigidly attached. The observer B also wears the glasses-like frame 14 with the pin 15. A pantograph 130 with the joints 131, 132, 133 is firmly connected to the helmet H. This pantograph 130 contains a transmitter system 13 'which is not explained in detail in the drawing and which determines the position of the helmet in relation to the pivot point of the joint 131 exactly at all times.
The signal 160 comes from the transmitter system 16, 15 and the cornea reflex image signal 176 'comes from the system 17 for generating and registering a cornea reflex image. This cornea reflex image signal 176 'is converted in the electrical filter system 76'. This filtering is necessary because the eye movements are discontinuous movements and are also disturbed by blinking etc.
From the signals 160 and 76 ', the direction of view of the observer B in relation to the sight axis V of the telescope 10 is determined in the computer 180 according to known geometric laws.
With a further data processing stage 181, the zero position of the viewing direction of the observer, as described in FIG. 4, can be taken into account. In the data processing stage 182, the position of the sight axis V of the telescope 10 is determined with respect to the pivot point of the joint 131 or any point.
However, it should also be possible, for example, to determine the position of the viewing direction in relation to the pivot point of the joint 131 or any point.
The output signals R from the data processing stage allow e.g. B. with a servo system 2, the alignment of an axis of any device 20 in a desired distance from each direction of the BeoDacater B. If the whole system also includes means for learning measurement,
Thus, for example, at a given distance with a servo system 2, a certain axis of the device 20 can be aligned directly with an object observed in the core tube 10. The output signal of the bervo system can also be used to control the light point projector 177, the mode of operation of which is detailed in FIG. 4, so that the observer B in the telescope 10 is constantly or as desired with a light signal, e.g. B. can control and monitor the target point aes to be directed device 2ü.
In the examples, the optical device is described in the form of an observation device. However, the optical device can also only be designed to determine the direction of gaze of an eye, for example as a medical device.
The encoder system 15, 16 (Fig. 1) could also be designed and connected to a corresponding servo control that the tube 16 always follows a pin 15 at least within a spatial area so that the mutual position of pin 15 and tube 16 remains the same . This tracking can be advantageous not only for optical devices but also for any other device.
The encoder system does not need to work optically or only optically, but could also work capacitively, inductively or in some other way.
An optical observation device can, for example, also be designed in such a way that its sighting axis is aligned with the viewing direction of an observer with the aid of a servo system.
From the various elements: reference encoder system 15, 16, system for determining the viewing direction of an observer, servo systems and computing elements, a large number of possible devices can be formed which contain at least some of these elements. In particular, a described system can serve as a targeting or acquisition device for a laser, maser or radar location system. The necessary arithmetic operations to determine the position of the individual parts of the system S in space could, for example, consist of a suitably programmed computer system.
To generate the cornea reflex image, light that is invisible to the observer's eye, e.g. B.
Ultraviolet, ultrared, can be used. However, the cornea reflex image generated by the natural light incident through the telescope 10 can also be used to determine the viewing direction.
Another construction of the device provides a stereotaxic helmet attached to the observer's head with a telescope and an oculometer. B. is connected to a pantograph, so that the encoder system 15, 16 would not be necessary and only the position of the helmet must be precisely determined. In this way, the mutual position of the head or the fulcrum of the eye relative to the sight axis of the optical device would also be at least approximately determined.
The telescope can be designed both monocularly and binocularly, it being possible to determine the viewing direction of both or only one eye of the observer in a binocular telescope. A telescope with afocal optics is particularly suitable. In the exemplary embodiments, the storage of a cornea reflex image from a defined reference is used to determine the viewing direction. It may be advantageous to choose another reference, e.g. the position of the pupil. Any method and the necessary means can be provided for registering the eye movements and determining the direction of gaze of an observer.