DE102012000857A1

DE102012000857A1 - Fernoptische Vorrichtung mit Bildstabilisierung

Info

Publication number: DE102012000857A1
Application number: DE102012000857A
Authority: DE
Inventors: Kurt Becker; Christian Bach; Georg Günther; Dirk Dobermann
Original assignee: Carl Zeiss AG; Carl Zeiss Sports Optics GmbH
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2012-01-13
Filing date: 2012-01-13
Publication date: 2013-07-18
Anticipated expiration: 2032-01-14
Also published as: US20140368911A1; US9618769B2; WO2013104593A1; DE102012000857B4; EP2802930A1

Abstract

Eine fernoptische Vorrichtung (10) weist zumindest einen optischen Kanal (12), der ein Gehäuse (14) und eine Anordnung optischer Elemente (16, 18, 20) aufweist, wobei zumindest eines der optischen Elemente (16, 18, 20) zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses (14) relativ zum Gehäuse (14) beweglich ist, und ein erstes passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem (26) für das zumindest eine bewegliche optische Element (18) auf, das bei Auslenkung des zumindest einen optischen Elements (18) relativ zum Gehäuse (14) eine erste Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und eine zweite Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit erzeugt, wobei das erste Stabilisierungssystem (26) zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen in einem ersten Frequenzbereich ausgelegt ist. Die fernoptische Vorrichtung (10) weist zumindest ein zweites Stabilisierungssystem (28) auf, das mit dem ersten Stabilisierungssystem (26) gekoppelt ist und zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen in zumindest einem zweiten Frequenzbereich ausgelegt ist, wobei der erste und der zumindest eine zweite Frequenzbereich zumindest teilweise unterschiedlich sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine fernoptische Vorrichtung, mit zumindest einem optischen Kanal, der ein Gehäuse und eine Anordnung optischer Elemente aufweist, wobei zumindest eines der optischen Elemente zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses relativ zum Gehäuse beweglich ist, und mit einem ersten passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystem für das zumindest eine bewegliche optische Element, das bei Auslenkung des zumindest einen optischen Elements relativ zum Gehäuse eine erste Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und eine zweite Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit erzeugt, wobei das erste Stabilisierungssystem zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen in einem ersten Frequenzbereich ausgelegt ist.
Eine solche fernoptische Vorrichtung ist aus dem Dokument DE 38 43 776 A1 bekannt.
Eine fernoptische Vorrichtung der eingangs genannten Art kann im Sinne der vorliegenden Erfindung ein monokulares oder binokulares Teleskop, insbesondere ein Fernglas sein. Im Fall eines binokularen Teleskops hat die fernoptische Vorrichtung zwei optische Kanäle.
Bei der Nutzung einer fernoptischen Vorrichtung, wie beispielsweise eines Fernglases, wirken sich Störbewegungen des Gehäuses der fernoptischen Vorrichtung auf die Bildqualität des vom Nutzer gesehenen Bildes negativ aus. Die auf das Gehäuse wirkenden Störbewegungen führen zu einer Verwacklung des Bildes, die die Beobachtung eines Objektes oder einer Szenerie stören.
Die auf das Gehäuse wirkenden Störbewegungen können verschiedene Ursachen haben, die sich hinsichtlich ihres Frequenzspektrums unterscheiden.
Eine Ursache für Störbewegungen ist das Handzittern bei einer freihändigen Nutzung der fernoptischen Vorrichtung, d. h. einer Nutzung ohne Abstützung durch ein Stativ oder dergleichen. Störbewegungen, die auf ein Handzittern zurückzuführen sind, haben ein Frequenzspektrum, das Frequenzen von etwa oberhalb 4 bis etwa 20 Hz umfasst. Störbewegungen in einem solchen Frequenzbereich werden in der vorliegenden Beschreibung auch als höherfrequente Störbewegungen bezeichnet.
Eine weitere Ursache für Störbewegungen sind externe Einflüsse, beispielsweise ein schwankender oder vibrierender Untergrund eines Land-, Wasser- oder Luftfahrzeuges. Solche Störbewegungen können ein Frequenzspektrum aufweisen, das unterhalb des Frequenzspektrums des Handzitterns liegt, d. h. das Frequenzen unterhalb von 4 Hz bis nahe 0 Hz enthalten kann.
Störbewegungen, die ein Frequenzspektrum unterhalb von etwa 4 Hz aufweisen, werden in der vorliegenden Beschreibung als niederfrequente Störbewegungen bezeichnet.
In 1 ist schematisch das Frequenzspektrum von Störbewegungen gezeigt, die auf eine fernoptische Vorrichtung, d. h. auf deren Gehäuse, einwirken können. In 1 ist die Amplitude A der Störbewegungen gegen die Frequenz f aufgetragen. Der niederfrequente Frequenzbereich ist mit f_N und der hochfrequente Frequenzbereich mit f_H bezeichnet. Die Frequenz f₀ soll hier die Grenze zwischen dem niederfrequenten Frequenzbereich und dem hochfrequenten Frequenzbereich andeuten. Es versteht sich, dass die Frequenz f₀ nicht zwingend bei 4 Hz liegen muss, sondern in einem Bereich zwischen etwa 2 Hz und etwa 5 Hz.
Von Störbewegungen zu unterscheiden sind gewollte Bewegungen des Gehäuses der fernoptischen Vorrichtung, d. h. bei einem Schwenken der fernoptischen Vorrichtung, um den Blick durch die fernoptische Vorrichtung schweifen zu lassen oder um ein bewegtes Objekt zu verfolgen.
Es ist bekannt, zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses zumindest ein optisches Element der Anordnung optischer Elemente relativ zum Gehäuse beweglich zu lagern. Bei der aus dem eingangs genannten Dokument bekannten fernoptischen Vorrichtung ist dieses zumindest eine optische Element das Bildumkehrsystem. Für das Bildumkehrsystem ist ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem vorhanden. Das Stabilisierungssystem weist zum einen ein Federgelenk auf, über das ein Träger, mit dem das Bildumkehrsystem fest verbunden ist, relativ zum Gehäuse beweglich gelagert ist, und zum anderen ein Dämpfungsglied, das als Wirbelstromdämpfungsglied ausgebildet ist und das ebenfalls zwischen dem Träger und dem Gehäuse wirkt. Das Federgelenk weist zwei rotatorische Freiheitsgrade auf, und zwar einen um eine Horizontalachse der fernoptischen Vorrichtung und einen Freiheitsgrad um die Vertikalachse der fernoptischen Vorrichtung.
Die bewegliche Lagerung und Dämpfung der Bewegung des Bildumkehrsystems relativ zum Gehäuse bewirken, dass auf das Gehäuse einwirkende Störbewegungen sich nicht oder vermindert auf das Bildumkehrsystem übertragen, sondern dieses mehr oder weniger in einer Ruheposition gehalten wird, wodurch das Bild, das vom Nutzer betrachtet wird, stabilisiert ist.
Ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem lässt sich gemäß 2 durch ein mechanisches Ersatzschaltbild darstellen. 2 zeigt ein mechanisches Ersatzschaltbild eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems 200 für ein optisches Element 202. Das optische Element 202 ist an einem Träger 204 befestigt, der wiederum an einem Lager 206 gelagert ist, wobei auf den Träger eine erste Rückstellkraft 208 proportional zur Auslenkung des Trägers 204 und eine zweite Rückstellkraft 210 proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit wirkt. Bei der bekannten fernoptischen Vorrichtung wird die Funktion des Lagers 206 und der ersten Rückstellkraft 208 durch das Federgelenk und die zweite Rückstellkraft 210 durch das Wirbelstromdämpfungsglied erfüllt.
Bei solchen passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystemen hat sich herausgestellt, dass sie das Bild besonders wirksam gegen Störbewegungen im hochfrequenten Ziel-Frequenzbereich stabilisieren können. In 3 ist eine Kurve gezeigt, die die Abhängigkeit des Stabilisierungsgrades S von der Frequenz f im Frequenzbereich oberhalb von 1 Hz einer fernoptischen Vorrichtung zeigt, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist und ein passives Stabilisierungssystem aufweist, das auf Masseträgheit basiert. Wie aus 3 hervorgeht, wird bei der bekannten fernoptischen Vorrichtung bei Frequenzen oberhalb von 6 Hz ein Stabilisierungsgrad von oberhalb 80% erreicht, während der Stabilisierungsgrad zu niedrigeren Frequenzen, insbesondere ab 4 Hz und darunter, deutlich abfällt. Mit anderen Worten ist ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem in der Lage, eine wirksame Bildstabilisierung bei Störbewegungen wie Handzittern zu bieten, während eine wirksame Bildstabilisierung bei Störbewegungen, wie beispielsweise niederfrequent beweglichen Untergründen, nicht gegeben ist. Das Stabilisierungsverhalten unterhalb von 1 Hz ist in 3 nicht gezeigt.
Nun bestünde zwar die Möglichkeit, bei einem rein passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystem die Stellgrößen Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit so zu modifizieren, dass auch eine wirksame Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich ermöglicht wird. Dies ist jedoch nicht in jedem Fall wünschenswert, weil dann im Falle eines gewollten Schwenkens der fernoptischen Vorrichtung es vorkommen kann, dass das Sichtfeld der Schwenkbewegung nicht instantan folgt, was auch als ”Panning-Effekt” bezeichnet wird. Dieser Effekt führt beim Beobachter zu Irritationen und würde die Nutzung der bildstabilisierten fernoptischen Vorrichtung einschränken.
Demgegenüber sind solche fernoptischen Vorrichtungen bekannt, beispielsweise aus EP 0 834 761 A1 , die ein aktives, elektronisch gesteuertes Stabilisierungssystem aufweisen. Derartige aktive, elektronische Stabilisierungssysteme erlauben zwar auch eine Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich, weisen jedoch den Nachteil auf, dass sie zum einen ein großes Bauvolumen erfordern und sehr kostspielig sind, und zum anderen, dass auch zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen im hochfrequenten Frequenzbereich, die insbesondere durch Handzittern verursacht werden, ein Strom fließen muss, um die Aktuatoren zu betreiben. Da die Energie der Bewegung des aktiven Stabilisierungssystems etwa linear mit der Frequenz der Störbewegung ansteigt, wird im hochfrequenten Bereich die meiste Energie verbraucht. Stabilisiert das aktive Stabilisierungssystem in diesem hochfrequenten Bereich nicht, wird der Energieverbrauch deutlich verringert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine fernoptische Vorrichtung der eingangs genannten Art, die ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem aufweist, dahingehend weiterzubilden, dass sie auch eine wirksame Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Ziel-Frequenzbereich ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe hinsichtlich der eingangs genannten Vorrichtung durch zumindest ein zweites Stabilisierungssystem gelöst, das mit dem ersten Stabilisierungssystem gekoppelt ist und zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen in zumindest einem zweiten Frequenzbereich ausgelegt ist, wobei der erste und der zumindest eine zweite Frequenzbereich zumindest teilweise unterschiedlich sind.
Die erfindungsgemäße fernoptische Vorrichtung geht somit weiterhin von einer Bauart aus, die ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem aufweist, das eine Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und eine Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit erzeugt. Gegenüber der bekannten fernoptischen Vorrichtung weist die erfindungsgemäße fernoptische Vorrichtung jedoch zumindest ein zweites Stabilisierungssystem auf, das mit dem ersten Stabilisierungssystem gekoppelt ist und zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen in zumindest einem zweiten Ziel-Frequenzbereich ausgelegt ist, so dass mit dem zumindest einen zweiten Stabilisierungssystem solche Störbewegungsfrequenzen herausgefiltert werden können, gegen die das erste passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssystem nicht wirksam oder nicht ausreichend wirksam ist. Das erste Stabilisierungssystem kann dabei vorzugsweise zur Bildstabilisierung bei Handzittern ausgelegt sein, während das zweite Stabilisierungssystem zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen durch bewegliche Untergründe (Hubschrauber, Fahrzeug, Boot) ausgelegt ist. Erfindungsgemäß wirkt das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem nicht unabhängig von dem ersten Stabilisierungssystem auf die Bewegung des zumindest einen optischen Elements, sondern indirekt über eine Kopplung des zweiten Stabilisierungssystems an das erste Stabilisierungssystem.
Es versteht sich, dass unter Frequenzbereichen, in denen die zumindest zwei Stabilisierungssysteme wirksam sind bzw. auf die sie zur Bildstabilisierung ausgelegt sind, nicht Frequenzbereiche zu verstehen sind, in denen die zumindest zwei Stabilisierungssysteme ausschließlich wirksam sind, sondern die Stabilisierungssysteme sind in diesen Frequenzbereichen besonders wirksam hinsichtlich der Bildstabilisierung. Unter Frequenzbereichen sind in diesem Sinne daher stets Ziel-Frequenzbereiche zu verstehen, auf die die Stabilisierungssysteme besonders gut ansprechen. Dies schließt nicht aus, dass die Stabilisierungssysteme auch in anderen Frequenzbereichen, d. h. Nicht-Ziel-Frequenzbereichen Wirkung entfalten. Das eine Stabilisierungssystem ist somit in einem ersten Ziel-Frequenzbereich besonders wirksam, beispielsweise im hochfrequenten Frequenzbereich, und das zumindest eine weitere Stabilisierungssystem ist in zumindest einem zweiten Ziel-Frequenzbereich besonders wirksam, beispielsweise im niederfrequenten Frequenzbereich.
Die erfindungsgemäße fernoptische Vorrichtung lässt sich im Unterschied zu solchen mit rein aktiven, elektronischen Bildstabilisierungssystemen kompakter und kostengünstiger herstellen.
In einer bevorzugten Ausgestaltung weist einer der zumindest zwei Frequenzbereiche Frequenzen im Bereich von etwa 0 Hz bis etwa 20 Hz, vorzugsweise im Bereich von etwa 2 Hz bis etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 7 Hz auf.
In den angegebenen Ziel-Frequenzbereichen, in denen zumindest eines der beiden Stabilisierungssysteme wirksam ist, können vorteilhafterweise Anregungen, die durch bewegliche oder vibrierende Untergründe verursacht werden, wirksam gedämpft werden.
Gemäß einer ersten Ausgestaltungsvariante ist das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem ein passives, auf Masseträgheit beruhendes Stabilisierungssystem.
Hierbei ist von Vorteil, dass die zumindest zwei Stabilisierungssysteme insgesamt stromlos arbeiten können. Für die Bildstabilisierung ist somit vorteilhafterweise keine Spannungsversorgung erforderlich, wodurch die fernoptische Vorrichtung ohne Spannungsquelle auskommt. Es versteht sich, dass auch mehr als zwei passive Stabilisierungssysteme miteinander gekoppelt werden können.
In einer mit der vorstehend genannten Ausgestaltung in Verbindung stehenden Ausgestaltung erzeugt das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem bei Auslenkung des zumindest einen optischen Elements relativ zum Gehäuse eine dritte Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und/oder eine vierte Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit.
In dieser Ausgestaltung ergeben sich vorteilhafterweise zumindest drei, ggf. zumindest vier Stellgrößen, die vorzugsweise unabhängig voneinander so eingestellt werden können, dass eine Bildstabilisierung sowohl im niederfrequenten Ziel-Frequenzbereich als auch im hochfrequenten Ziel-Frequenzbereich ermöglicht wird.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn das zumindest eine optische Element an einem ersten Träger befestigt ist, der über ein erstes Federgelenk, das die erste Rückstellkraft erzeugt, mit zumindest einem zweiten Träger relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist, wobei der zumindest eine zweite Träger über zumindest ein zweites Federgelenk, das die dritte Rückstellkraft erzeugt, mit dem Gehäuse relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist.
In dieser Ausgestaltung sind die zumindest zwei Stabilisierungssysteme, die als passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssysteme ausgebildet sind, über ein Federgelenk miteinander gekoppelt, wodurch eine einfach zu realisierende Kopplung zwischen den zumindest zwei Stabilisierungssystemen ermöglicht wird. Auf diese Weise sind die zumindest zwei Träger im Sinne zweier gekoppelter schwingungsfähiger Systeme miteinander verbunden.
Dabei ist es bevorzugt, wenn das erste und das zumindest eine zweite Federgelenk unterschiedliche Rückstellkräfte erzeugen.
Prinzipiell und vorzugsweise können die beiden Federgelenke hinsichtlich ihrer Federcharakteristik individuell eingestellt werden.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das erste Stabilisierungssystem ein erstes Dämpfungsglied, das die zweite Rückstellkraft erzeugt, und das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem zumindest ein zweites Dämpfungsglied auf, das die vierte Rückstellkraft erzeugt, wobei das erste und das zumindest eine zweite Dämpfungsglied vorzugsweise ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten aufweisen.
Hierbei ist von Vorteil, dass durch das Vorsehen jeweils eines Dämpfungsgliedes sowohl für das erste Stabilisierungssystem als auch für das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem die Dämpfungseigenschaften bzw. die Rückstellkräfte proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit optimal an die gewünschte Bildstabilisierung sowohl bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich als auch im hochfrequenten Frequenzbereich angepasst bzw. eingestellt werden können.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn das erste Dämpfungsglied zwischen dem ersten Träger und dem Gehäuse und das zweite Dämpfungsglied zwischen dem zweiten Träger und dem Gehäuse wirkt.
Auf diese Weise werden durch Störbewegungen des Gehäuses verursachte Anregungen des ersten Trägers und des zweiten Trägers unmittelbar gegenüber dem Gehäuse gedämpft. Es ist ebenso denkbar, das erste oder zweite Dämpfungsglied zwischen dem ersten Träger und dem zweiten Träger vorzusehen, jedoch kann es dann schwieriger sein, ein gewünschtes Dämpfungsverhalten des Gesamtsystems in einfach kontrollierbarer Weise einzustellen.
In einer alternativen Ausführungsvariante ist das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem ein aktives, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierendes Stabilisierungssystem, wobei die Aktuatorik auf das erste Stabilisierungssystem wirkt.
In dieser Ausgestaltung weist die fernoptische Vorrichtung zumindest zwei Stabilisierungssysteme auf, von denen eines passiv und eines aktiv ist. Im Unterschied zu den bekannten fernoptischen Vorrichtungen, die zur Bildstabilisierung ausschließlich ein aktives, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierendes Stabilisierungssystem aufweisen, wirkt bei der erfindungsgemäßen fernoptischen Vorrichtung die Aktuatorik nicht unmittelbar auf das zumindest eine bewegliche optische Element bzw. dessen Träger, sondern es wirkt auf das passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssystem. Dies kann beispielsweise dadurch erfolgen, dass die elektronisch gesteuerte Aktuatorik auf die erste Rückstellkraft proportional zur Auslenkung einwirkt, beispielsweise indem die Aktuatorik die Winkellage des optischen Elements bzw. dessen Trägers aktiv verändert, oder die erste Rückstellkraft proportional zur Auslenkung modifiziert, indem die Federhärte des Federgelenks des passiven Stabilisierungssystems verändert wird, usw. Ebenso kann die Aktuatorik auf das passive Stabilisierungssystem wirken, indem die Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit aktiv verändert wird. Beispielsweise im Fall, dass das passive Stabilisierungssystem ein Wirbelstromdämpfungsglied aufweist, kann die Aktuatorik die Dämpfungsparameter der Wirbelstrombremse modifizieren (Magnetfeldstärke, Stärke der induzierten Ströme usw.). In den Rahmen der vorliegenden Ausgestaltung fällt auch eine Ausgestaltung, bei der das aktive Stabilisierungssystem auf das passive Stabilisierungssystem wirkt und dieses Gesamtsystem dann zusätzlich aktiv stabilisiert wird.
Außerdem besteht die Möglichkeit, anstatt auf das Wirbelstromdämpfungsglied oder das Federgelenk einzuwirken, direkt eine Kraft in das System einzubringen, die nicht mechanisch an das Federgelenk gekoppelt ist. Denkbar sind hier vor allem eine oder mehrere Magnetspulen, die auf Magnete, auch auf die Magnete des Wirbelstromdämpfungsglied, einwirken. Diese führen nicht direkt eine Bewegung durch, sondern bewirken eine zusätzliche Kraft auf das System, wodurch die Nulllage des mechanischen Stabilisierungssystems verschoben wird. Die aktive Stabilisierung führt dann die Nulllage für niedrige Frequenzen der Störbewegung nach und die passive Stabilisierung arbeitet um diese Nulllage herum.
Vorzugsweise weist bei dieser Ausgestaltungsvariante der erste Frequenzbereich Frequenzen oberhalb von etwa 20 Hz, vorzugsweise oberhalb von etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise oberhalb von etwa 7 Hz auf, und der zweite Frequenzbereich weist Frequenzen im Bereich von etwa 0 Hz bis etwa 20 Hz, vorzugsweise im Bereich von etwa 2 Hz bis etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 7 Hz auf.
In dieser Ausgestaltung ist das erste passive Stabilisierungssystem entsprechend dazu ausgelegt, eine Bildstabilisierung bei hochfrequenten Störbewegungen wie Handzittern zu bewirken, während das zweite Stabilisierungssystem eine Bildstabilisierung bei niederfrequenten Störbewegungen wie beweglichen oder vibrierenden Untergründen bewirkt.
Dabei ist es weiterhin bevorzugt, wenn das zumindest eine optische Element an einem Träger befestigt ist, der über ein Federgelenk, das die erste Rückstellkraft erzeugt, mit dem Gehäuse relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist, und die Aktuatorik weist zumindest einen Aktuator auf, der zwischen dem Gehäuse und dem Federgelenk angeordnet ist, um das Federgelenk zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich bezüglich seiner Lage relativ zum Gehäuse zu verstellen.
In dieser Ausgestaltung bewegt die Aktuatorik des aktiven Stabilisierungssystems das Federgelenk und verkippt dieses somit relativ zum Gehäuse. Da andererseits das passive Stabilisierungssystem auf niederfrequente Störbewegungen kaum reagiert, werden die durch das aktive Stabilisierungssystem erzeugten Ausgleichsbewegungen vom Federgelenk auf das optische Element bzw. dessen Träger übertragen. Eine solche Art der Kopplung des aktiven Stabilisierungssystems an das passive Stabilisierungssystem ist vorteilhaft einfach zu realisieren und erfordert keinen großen zusätzlichen Bauraum.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung weist das passive Stabilisierungssystem ein Dämpfungsglied auf, das zumindest ein erstes Dämpfungselement, das mit dem Gehäuse in Verbindung steht, und zumindest ein zweites Dämpfungselement aufweist, das mit dem zumindest einen optischen Element in Verbindung steht, und die Aktuatorik verstellt zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich die Relativlage zwischen dem zumindest einen Dämpfungselement und dem zumindest einen zweiten Dämpfungselement.
Auch diese Ausgestaltung stellt eine konstruktiv einfache Maßnahme dar, wie die Aktuatorik des aktiven Stabilisierungssystems auf die Stellgröße Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit wirken kann, um diese Rückstellkraft so zu modifizieren, dass eine Bildstabilisierung bei niederfrequenten Störbewegungen ermöglicht wird.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das passive Stabilisierungssystem ein Dämpfungsglied aufweist, das zumindest zwei Dämpfungselemente aufweist, die mit dem Gehäuse oder mit dem optischen Element in Verbindung stehen, und die Aktuatorik verstellt zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich die Relativlage zwischen den zumindest zwei Dämpfungselementen.
Während in einer vorherigen Ausgestaltung die Aktuatorik zwischen einem gehäuseseitigen Dämpfungselement und einem optikelementseitigen Dämpfungselement wirkt, wirkt bei dieser Ausgestaltung die Aktuatorik zwischen zwei Dämpfungselementen, die entweder beide gehäuseseitig angebunden sind, oder die beide optikelementseitig angebunden sind. Auch diese Ausgestaltung lässt sich auf konstruktiv einfache Weise umsetzen. Es versteht sich, dass diese Ausgestaltung mit der zuvor genannten Ausgestaltung kombiniert werden kann.
Vorzugsweise ist das Dämpfungsglied als Wirbelstromdämpfungsglied ausgebildet.
Wirbelstromdämpfungsglieder haben sich in passiven Stabilisierungssystemen als besonders geeignet erwiesen, weil sie insbesondere berührungslos und somit reibungsfrei arbeiten, und weil ihre Dämpfungseigenschaften in beherrschbarer Weise durch die Geometrie der Magnete und/oder der Wirbelstromplatte definiert einstellbar sind.
Weiterhin ist es bevorzugt, wenn das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem eine Sensorik zur Erfassung der Störbewegungen aufweist, sowie eine Auswerteeinheit, die die Auslenkungen und Auslenkungsgeschwindigkeiten aus Signalen der Sensorik ermittelt, wobei die Auswerteeinheit die Aktuatorik ansteuert.
Vorzugsweise wertet die Auswerteeinheit die von der Sensorik erfassten Störbewegungen hinsichtlich ihres Frequenzspektrums aus.
Diese Maßnahme hat den Vorteil, dass anhand der Auswertung des Frequenzspektrums der von der Sensorik erfassten Störbewegungen die Auswerteeinheit ermitteln kann, ob es sich bei der erfassten Störbewegung um eine niederfrequente Störbewegung oder eine hochfrequente Störbewegung handelt.
Dies hat wiederum den Vorteil, wie in einer bevorzugten Ausgestaltung vorgesehen ist, dass die Auswerteeinheit die Aktuatorik ansteuert, wenn das ausgewertete Frequenzspektrum der Störbewegungen Frequenzen enthält, gegen die das erste Stabilisierungssystem im Wesentlichen unwirksam ist.
Der Vorteil dieser Maßnahme besteht darin, dass die Aktuatorik nicht angesteuert werden muss, wenn die Auswertung des Frequenzspektrums der von der Sensorik erfassten Störbewegungen ergibt, dass es sich um hochfrequente Störbewegungen wie Handzittern handelt, auf die bereits das passive Stabilisierungssystem sehr gut reagiert, so dass die Aktuatorik des aktiven Stabilisierungssystems in diesem Fall stromlos bleiben kann. Hierdurch wird vorteilhafterweise vermieden, dass im Unterschied zu den bekannten fernoptischen Vorrichtungen, die aktive Stabilisierungssysteme aufweisen, nicht permanent Strom fließen muss, was wiederum den Vorteil hat, dass die Spannungsquelle (Akku oder Batterie) für das aktive Stabilisierungssystem weniger schnell entlädt. Lediglich wenn die Auswertung des Frequenzspektrums ergibt, dass die von der Sensorik erfassten Störbewegungen niederfrequente Störbewegungen sind, steuert die Auswerteeinheit die Aktuatorik an, um auf diese niederfrequenten Störbewegungen im Sinne einer Bildstabilisierung zu reagieren.
Weiterhin kann die Sensorik auch zumindest einen Positionssensor zur Erfassung der Winkellage des Trägers des zumindest einen optischen Elements relativ zum Gehäuse erfassen.
Es versteht sich, dass das aktive Stabilisierungssystem für eine reine Freihandbeobachtung ohne Bewegung oder Vibrationen des Untergrundes vom Benutzer auch deaktiviert werden kann. Außerdem ist es möglich, in der Auswerteeinheit verschiedene Stabilisierungsprofile abzuspeichern, so dass unterschiedliche Stabilisierungseigenschaften bei unterschiedlichen Nutzungsbedingungen der fernoptischen Vorrichtung aufgerufen werden können. So können beispielsweise für die Nutzung der fernoptischen Vorrichtung von einem Boot aus andere Stabilisierungseigenschaften gewünscht sein als für die Nutzung der fernoptischen Vorrichtung in einem Hubschrauber.
Weitere Vorteile und Merkmale ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und der beigefügten Zeichnung.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden mit Bezug auf diese hiernach näher beschrieben. Es zeigen:
1 eine Kurve, die Amplituden von Störbewegungen, die auf ein Gehäuse einer fernoptischen Vorrichtung wirken können, in Abhängigkeit von der Frequenz zeigt;
2 ein Ersatzschaltbild eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems;
3 den Stabilisierungsgrad gegen Störbewegungen in Abhängigkeit von der Frequenz der Störbewegungen, die auf das Gehäuse der fernoptischen Vorrichtung wirken können, wenn die fernoptische Vorrichtung ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem aufweist, wobei 3 den Stabilisierungsgrad nur im Ausschnitt des Frequenzspektrums von 1 Hz bis 13 Hz zeigt;
4 den prinzipiellen Aufbau einer fernoptischen Vorrichtung mit einem einzelnen passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystem;
5 den prinzipiellen Aufbau einer fernoptischen Vorrichtung, die zwei miteinander gekoppelte passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssysteme aufweist;
6a) und b) in einer Schnittansicht in einer Ebene parallel zur Lichtausbreitungsrichtung (6a)) und in einer Frontansicht in Lichtausbreitungsrichtung (6b)) das Schema der Kopplung zweier passiver, auf Masseträgheit basierender Stabilisierungssysteme gemäß 5 im Bereich der Lagerung des zumindest einen beweglichen optischen Elements;
7 das Schema im Längsschnitt parallel zur Lichtausbreitungsrichtung der Kopplung zweier passiver, auf Masseträgheit basierender Stabilisierungssysteme, wobei zusätzlich zu 6a) und b) die beiden passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssysteme mit Dämpfungsgliedern dargestellt sind;
8 drei Kurven, die das Stabilisierungsverhalten zweier einzelner passiver, auf Masseträgheit basierender Stabilisierungssysteme und das Stabilisierungsverhalten des aus der Kombination zweier passiver, auf Masseträgheit basierender Stabilisierungssysteme resultierenden Gesamtstabilisierungssystems in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulichen, wobei das Stabilisierungsverhalten nur in einem Ausschnitt des Frequenzbereichs ähnlich zu 3 gezeigt ist;
9 ein Ersatzschaltbild einer Kombination aus einem passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystem mit einem aktiven, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierenden Stabilisierungssystem, das an das passive Stabilisierungssystem gekoppelt ist;
10 drei Kurven, die das Stabilisierungsverhalten eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems, eines aktiven, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierenden Stabilisierungssystems und das Stabilisierungsverhalten der daraus resultierenden Kopplung in Abhängigkeit von der Frequenz veranschaulichen;
11a) und b) ein Schema einer Kopplung eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems an ein aktives, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierendes Stabilisierungssystem im Bereich der Lagerung des zumindest einen beweglichen optischen Elements, wobei 11a) einen Längsschnitt entlang der Lichtausbreitungsrichtung und 11b) eine Frontansicht in Lichtausbreitungsrichtung zeigt;
12a) und b) ein weiteres Schema einer Kopplung eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems an ein aktives, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierendes Stabilisierungssystem im Bereich des Dämpfungsgliedes des passiven Stabilisierungssystems, wobei 12a) eine Ansicht entsprechend 11a) und 12b) eine Ansicht entsprechend 11b) zeigt;
13 ein weiteres Schema einer Kopplung aus passivem und aktivem Stabilisierungssystem im Bereich des Dämpfungsgliedes a) und b) des passiven Stabilisierungssystem in zwei Ansichten entsprechend 11a) und b);
14 ein noch weiteres Schema einer Kopplung aus passivem und aktivem Stabilisierungssystem im Bereich des Dämpfungsgliedes des passiven Stabilisierungssystems in zwei Ansichten entsprechend 11a) und b); und
15 ein Blockschaltbild eines aktiven Stabilisierungssystems.
Mit Bezug auf 4 wird zunächst eine fernoptische Vorrichtung beschrieben, wie sie im Stand der Technik bekannt ist und die als Ausgangspunkt für erfindungsgemäße Weiterbildungen dient, die später mit Bezug auf 9 bis 15 beschrieben werden.
Die mit dem allgemeinen Bezugszeichen 220 dargestellte fernoptische Vorrichtung weist einen optischen Kanal 222 auf, in dem eine Anordnung optischer Elemente 224, 226 und 228 angeordnet ist. Die optischen Elemente 224, 226 und 228 sind hier vereinfacht dargestellt, wobei das optische Element 224 das Objektiv, das optische Element 228 das Okular und das optische Element 226 das Bildumkehrsystem der fernoptischen Vorrichtung 220 bildet. Im Fall, dass die fernoptische Vorrichtung 220 ein binokulares Teleskop, insbesondere Fernglas ist, weist sie entsprechend zwei optische Kanäle 222 auf, von denen hier nur der eine Kanal gezeigt ist.
Der optische Kanal 222 weist ein Gehäuse 230 auf, in dem die Anordnung der optischen Elemente 224, 226 und 228 aufgenommen ist.
Zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses 230 ist das optische Element 226 (Bildumkehrsystem) relativ zum Gehäuse 230 beweglich. In 4 ist in dem optischen Kanal 222 ein Koordinatensystem xyz eingezeichnet, wobei z die Lichtausbreitungsachse innerhalb des optischen Kanals 222, x die Horizontalachse und y die Vertikalachse bezeichnet, wobei Letztere hier senkrecht zur Zeichenebene verläuft. Das optische Element 226 ist dabei zur Bildstabilisierung um die x-Achse und die y-Achse verschwenkbar in dem Gehäuse 230 gelagert. Das optische Element 224 und das optische Element 228 sind bezüglich des Gehäuses 230 lagefest.
Das bewegliche optische Element 226 ist mit einem Träger 232 fest verbunden, wobei der Träger 232 um die vorstehend genannte x-Achse und die vorstehend genannte y-Achse verschwenkbar ist.
Zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses 230, d. h. bei Verwacklungen des Gehäuses 230, weist die fernoptische Vorrichtung 220 ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem 234 für das bewegliche optische Element 226 auf, wobei das Stabilisierungssystem 234 ein erstes Glied 234a und ein zweites Glied 234b aufweist. Das erste Glied 234a erzeugt bei Auslenkung des optischen Elements 226 relativ zum Gehäuse 230 eine erste Rückstellkraft (Rückstellkraft 208 in 2) proportional zu dieser Auslenkung. Das erste Glied 234a ist als Federgelenk 236 ausgebildet, das einen Drehfreiheitsgrad um die x-Achse und einen Drehfreiheitsgrad um die y-Achse aufweist. Das Federgelenk 236 weist zum einen eine Schnittstelle 238 zum Gehäuse 230 und eine Schnittstelle 240 zum Träger 232 und damit zum optischen Element 226 auf. Das erste Glied 234a des Stabilisierungssystems 234 bildet somit gemäß dem mechanischen Ersatzschaltbild gemäß 2 das Lager 206 und erzeugt die Rückstellkraft 208 proportional zur Auslenkung.
Das zweite Glied 234b des Stabilisierungssystems 234 ist als Dämpfungsglied 242 ausgebildet, das eine zweite Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit bei einer Auslenkung des optischen Elements 226 bzw. des Trägers 232 relativ zum Gehäuse 230 erzeugt. Das Dämpfungsglied 238 weist eine Schnittstelle 240 zum Gehäuse 230, die Dämpfungselemente 244, beispielsweise Magnete 243 aufweist, sowie eine Schnittstelle 246 zum Träger 232 und damit zum optischen Element 226 auf, die beispielsweise eine Wirbelstromplatte aufweist, die mit den Magneten 242 ein Wirbelstromdämpfungsglied bildet.
In dem mechanischen Ersatzschaltbild gemäß 2 erzeugt das zweite Glied 234b somit die zweite Rückstellkraft 210 proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit der Auslenkung des optischen Elements 226 relativ zum Gehäuse 230.
Mit dem in 4 dargestellten Stabilisierungssystem 234 der fernoptischen Vorrichtung 220 wird ein Stabilisierungsverhalten der Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses 230 erhalten, wie es in 3 dargestellt ist.
Gemäß 3 ist das Stabilisierungsverhalten des Stabilisierungssystems 234 im Frequenzbereich f_H gemäß 1 bei Frequenzen f größer oder gleich etwa 4 Hz, die den Frequenzen des Handzitterns entsprechen, gut, während das Stabilisierungsverhalten bei Frequenzen unterhalb von etwa 4 Hz, also im niederfrequenten Frequenzbereich f_N gemäß 1 deutlich nachlässt. Eine Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses 230 im niederfrequenten Frequenzbereich f_N, beispielsweise bei Verwendung der fernoptischen Vorrichtung 220 auf beweglichen Untergründen, beispielsweise auf einem Boot, in einem Flugzeug oder auf einem Fahrzeug, ist mit dem Stabilisierungssystem 234 nur unzulänglich oder gar nicht möglich.
Mit Bezug auf die weiteren 5 bis 14 werden verschiedene erfindungsgemäße Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen eine Bildstabilisierung nicht nur im hochfrequenten Frequenzbereich f_H (Handzittern) gewährleistet ist, sondern auch im niederfrequenten Frequenzbereich f_N.
5 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer fernoptischen Vorrichtung 10, bei der zwei passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssysteme miteinander gekoppelt sind. Die Vorrichtung 10 weist zumindest einen optischen Kanal 12 auf, der ein Gehäuse 14 und eine Anordnung optischer Elemente 16, 18 und 20 aufweist. Hierbei stellt das optische Element 16 das Objektiv, das optische Element 20 das Okular und das optische Element 18 das Bildumkehrsystem dar.
Das optische Element 18 ist wie bei der bekannten fernoptischen Vorrichtung 220 gemäß 4 um die x-Achse und die y-Achse, d. h. um die Horizontalachse und um die Vertikalachse der fernoptischen Vorrichtung 10 verschwenkbar und somit beweglich zum Gehäuse 14 in diesem gelagert.
Das bewegliche optische Element 18 (Bildumkehrsystem) ist an einem ersten Träger 22 befestigt, der in dem Gehäuse 14 um die vorstehend genannte x-Achse und die vorstehend genannte y-Achse verschwenkbar gelagert ist.
Der erste Träger 22 ist mit einem zweiten Träger 24 verbunden, der in dem Gehäuse 14 ebenfalls um die x-Achse und die y-Achse verschwenkbar gelagert ist.
Die fernoptische Vorrichtung 10 weist ein erstes passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem 26 und ein zweites, ebenfalls passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem 28 auf.
Das erste Stabilisierungssystem 26 weist ein erstes Glied 26a und ein zweites Glied 26b auf.
Das erste Glied 26a ist als Federgelenk 30 mit den vorstehend beschriebenen zwei rotatorischen Freiheitsgraden um die x-Achse und die y-Achse ausgebildet und weist eine Schnittstelle 32 zum Gehäuse 14 und eine Schnittstelle 34 zum ersten Träger 22 und damit zum optischen Element 18 auf.
Das zweite Glied 26b des Stabilisierungssystems 26 ist als Dämpfungsglied 36 ausgebildet und weist eine Schnittstelle zum Gehäuse 14 auf, die Dämpfungselemente 38 aufweist, die beispielsweise als Magnete 40 ausgebildet sind, und eine Schnittstelle 42 zum zweiten Träger 24 und über diesen zum ersten Träger 22 und über diesen zum optischen Element 18 auf. Die Schnittstelle 42 ist dabei beispielsweise als Wirbelstromplatte ausgebildet, die mit den Magneten 40 der Schnittstelle 38 ein Wirbelstromdämpfungsglied bildet.
Das zweite Stabilisierungssystem 28 weist ein erstes Glied 28a und ein zweites Glied 28b auf.
Das erste Glied 28a weist ein Federgelenk 44 mit rotatorischen Freiheitsgraden um die x-Achse und die y-Achse auf. Das Federgelenk 44 weist eine Schnittstelle 46 zum ersten Träger 22 und damit zum beweglichen optischen Element 18 auf, sowie eine Schnittstelle 48 zum zweiten Träger 24 und damit über das Federgelenk 30 zum Gehäuse 14.
Im Unterschied zu der fernoptischen Vorrichtung 220 ist das optische Element 18 der fernoptischen Vorrichtung 10 somit über das Federgelenk 44 nicht unmittelbar mit dem Gehäuse 14 verbunden, sondern über Zwischenschaltung des weiteren Federgelenks 30. Über die Federgelenke 30 und 44 sind die beiden passiven Stabilisierungssysteme 26 und 28 somit miteinander gekoppelt.
Das zweite Glied 28b des zweiten Stabilisierungssystems 28 weist ein Dämpfungsglied 50 mit einer Schnittstelle in Form zweier Dämpfungselemente 52 zum Gehäuse 14, die beispielsweise Magnete 54 aufweisen, und eine Schnittstelle 56 zum ersten Träger 22 und damit zum optischen Element 18 auf, wobei die Schnittstelle 56 beispielsweise eine Wirbelstromplatte aufweist, die mit den Magneten 54 ein Wirbelstromdämpfungsglied bildet.
In einer Abwandlung des Ausführungsbeispiels in 5 ist es auch denkbar, dass das Dämpfungsglied 50 nicht unmittelbar zwischen dem ersten Träger 22 und dem Gehäuse 14 wirkt, sondern zwischen dem ersten Träger 22 und dem zweiten Träger 24, oder das Dämpfungsglied 36 wirkt anstatt unmittelbar zwischen dem zweiten Träger 24 und dem Gehäuse 14 zwischen dem zweiten Träger 24 und dem ersten Träger 22.
Das erste Stabilisierungssystem 26 erzeugt bei Auslenkung des optischen Elements 18 relativ zum Gehäuse 14 eine erste Rückstellkraft proportional zu dieser Auslenkung und eine zweite Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit dieser Auslenkung, und das zweite Stabilisierungssystem 28 erzeugt eine dritte Rückstellkraft proportional zur Auslenkung oder zur verbleibenden Auslenkung des optischen Elements 18 und/oder eine vierte Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit oder zur verbleibenden Auslenkungsgeschwindigkeit dieser Auslenkung.
6a) zeigt ein zeichnerisch vereinfachtes Schema der Kopplung der beiden Stabilisierungssysteme 26 und 28 im Bereich ihrer ersten Glieder 26a und 28a, die die Lagerung des optischen Elements 18 bilden und die Rückstellkräfte proportional zur Auslenkung des optischen Elements 18 erzeugen. Beginnend bei der gehäuseseitigen Schnittstelle 32 des Federgelenks 30 geht der Kraftfluss über die Schnittstelle 34 zu der Schnittstelle 46 und von dort zur Schnittstelle 48, die die Schnittstelle zum optischen Element 18 darstellt.
6b) zeigt schematisch das erste Glied 26a in einer Frontansicht in Richtung der Lichtausbreitung (senkrecht zur Zeichenebene), d. h. in der xy-Ebene mit den Schnittstellen 32, 34 und dem zweiten Träger 24. In 6b) sind auch die Federn 56 und 58 des Federgelenks 30 eingezeichnet, wobei in 5 nur die Federn 56 zu sehen sind. Die Federn 56 erlauben eine Drehung um die x-Achse, und die Federn 58 eine Drehung um die y-Achse.
Das Federgelenk 44 ist entsprechend aufgebaut.
7 zeigt ein zeichnerisch vereinfachtes Schema der Kopplung der Stabilisierungssysteme 26 und 28 der fernoptischen Vorrichtung 10 mit einer Ansicht entsprechend 6a), wobei nun auch die zweiten Glieder 26b bzw. 28b dargestellt sind.
Federhärten des Federgelenks 30 einerseits und des Federgelenks 44 andererseits können unterschiedlich ausgebildet bzw. eingestellt sein.
Ebenso können die Dämpfungscharakteristiken der Dämpfungsglieder 36 und 50 der beiden Stabilisierungssysteme 26 und 28 unterschiedlich sein.
8 zeigt für die fernoptische Vorrichtung 10 drei Kurven des Stabilisierungsgrades S der Bildstabilisierung in Abhängigkeit von der Frequenz f der auf das Gehäuse 14 wirkenden Störbewegungen, wobei die Kurven nur in einem Ausschnitt des gesamten möglichen Frequenzbereichs gezeigt sind.
Eine Kurve S₁ stellt dabei das Stabilisierungsverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz f dar, das beispielsweise das erste Stabilisierungssystem 26 zeigt, und eine Kurve S₂ entsprechend das Stabilisierungsverhalten in Abhängigkeit von der Frequenz des zweiten Stabilisierungssystems. Wie aus den Kurven S₁ und S₂ hervorgeht, wurde das Stabilisierungsverhalten der beiden Stabilisierungssysteme 26 und 28 zur Bildstabilisierung auf verschiedene Frequenzbereiche eingestellt, d. h. das erste Stabilisierungssystem 26 reagiert beispielsweise besser auf hochfrequente Störbewegungen, und das Stabilisierungssystem 28 eher auf niederfrequente Störbewegungen.
Mit einer Kurve S₃ ist das resultierende Stabilisierungsverhalten des Gesamtstabilisierungssystems aus dem ersten Stabilisierungssystem 26 und dem zweiten Stabilisierungssystem 28 dargestellt.
Durch die Kopplung zweier passiver, auf Masseträgheit basierender Stabilisierungssysteme 26 und 28 kann somit eine Bildstabilisierung sowohl im niederfrequenten Frequenzbereich (bewegliche Untergründe) als auch im hochfrequenten Frequenzbereich (Handzittern) erreicht werden.
Es versteht sich, dass auch mehr als zwei passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssysteme miteinander gekoppelt werden können.
Während bei dem vorherigen Ausführungsbeispiel zumindest zwei passive, auf Masseträgheit basierende Stabilisierungssysteme miteinander gekoppelt sind, um eine Bildstabilisierung bei Störbewegungen sowohl im niederfrequenten als auch im hochfrequenten Bereich zu ermöglichen, werden nachfolgend Ausführungsbeispiele beschrieben, bei denen zumindest ein passives, auf Masseträgheit basierendes Stabilisierungssystem mit zumindest einem aktiven, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierenden Stabilisierungssystem gekoppelt ist, wobei das Grundprinzip darin besteht, dass das aktive Stabilisierungssystem auf die Krafteinheiten des passiven Stabilisierungssystems wirkt.
Dieses Grundprinzip ist in 9 dargestellt, die auf der Darstellung in 2 aufbaut. 9 zeigt schematisch ein optisches Element 60, das in einer fernoptischen Vorrichtung 58 zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen relativ zum Gehäuse der fernoptischen Vorrichtung beweglich ist. Das optische Element 60 ist an einem Träger 62 befestigt, der an einem Lager 64 um die oben genannte x- und y-Achse verschwenkbar gelagert ist, so dass auch das optische Element 60 um diese beiden Achsen verschwenkbar ist. Das Lager 64 ist Teil eines passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems 66, das eine erste Rückstellkraft 68 proportional zur Auslenkung des optischen Elements 60 und eine zweite Rückstellkraft 70 proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit der Auslenkung des optischen Elements 60 erzeugt. Insoweit ist die fernoptische Vorrichtung 58 identisch mit der fernoptischen Vorrichtung 200 in 2 bzw. der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4.
An das erste passive Stabilisierungssystem 66 ist nun jedoch im Unterschied zu 2 und 4 ein aktives, auf elektronisch gesteuerte Aktuatorik basierendes Stabilisierungssystem 72 gekoppelt.
Mit einem Pfeil 74 ist angedeutet, dass das aktive Stabilisierungssystem 72 zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich auf die erste Rückstellkraft 68 wirkt, und mit einem Pfeil 76 ist eine Einwirkung des aktiven Stabilisierungssystems 72 auf die zweite Rückstellkraft 70 proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit veranschaulicht.
Durch eine solche Einwirkung des aktiven Stabilisierungssystems 72 auf das passive Stabilisierungssystem 66 kann das Stabilisierungsverhalten der fernoptischen Vorrichtung 58, wie in 10 dargestellt ist, verändert werden.
Es versteht sich, dass auch nur eine der beiden Rückstellkräfte aktiv angekoppelt werden kann, dass die Angriffsstellen des aktiven Systems 72 an das passive System 66 gekoppelt sein können, oder dass die Kraft des aktiven Systems 72 an einer Stelle gewichtet für beide Rückstellkräfte 68, 70 eingekoppelt werden kann.
10 zeigt eine erste Kurve S₁, die den frequenzabhängigen Stabilisierungsgrad S des passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystems 66 veranschaulicht. Mit einer Kurve S₂ ist das Stabilisierungsverhalten bzw. der Stabilisierungsgrad S des aktiven Stabilisierungssystems 72 in Abhängigkeit von der Frequenz f veranschaulicht. Wie aus 10 hervorgeht, ist das aktive Stabilisierungssystem 72 im Wesentlichen bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich wirksam. Mit einer Kurve S₃ ist nun das Gesamtstabilisierungsverhalten der Kombination aus passivem Stabilisierungssystem und aktivem Stabilisierungssystem dargestellt, wobei sich anhand des Verlaufes der Kurve S₃ ergibt, dass im Unterschied zu dem passiven Stabilisierungssystem allein nun auch eine Bildstabilisierung zusätzlich im niederfrequenten Frequenzbereich bewirkt wird.
Die Einwirkung des aktiven, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik basierenden Stabilisierungssystems 66 auf das passive Stabilisierungssystem kann von verschiedener Art sein. Insoweit ist der Begriff ”Aktuatorik” allgemein zu verstehen.
So ist es beispielsweise denkbar, dass das aktive Stabilisierungssystem 66 auf die erste Rückstellkraft proportional zur Auslenkung, die von dem passiven Stabilisierungssystem 66 erzeugt wird, in der Weise wirkt, dass die Aktuatorik die Winkellage des Trägers 62 modifiziert, und/oder die Rückstellkraft 68 modifiziert, indem die Federkonstante des Federgelenks des passiven Stabilisierungssystems durch Vorspannung modifiziert wird, usw. Eine Einwirkung des aktiven Stabilisierungssystems 72 auf die zweite Rückstellkraft 70 proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit, die von dem passiven Stabilisierungssystem erzeugt wird, kann in einer Modifikation des Wirbelstromdämpfungsgliedes 238 in 4 durch geometrische Veränderung, beispielsweise des Abstandes der Magnete 242, der Position der Metallplatte 244, der Position der Magnete 242, durch Beeinflussung des Materials der Magnete 242 oder durch Induktion, usw. wirken, wie nachfolgend beschrieben wird. Die nachfolgenden beschriebenen Ausführungsformen sind Weiterbildungen der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4 mit einer Ankopplung eines aktiven Stabilisierungssystems an das bereits vorhandene passive Stabilisierungssystem 234.
Unter Bezugnahme auf 4 wird in Verbindung mit 11a) und b) ein Ausführungsbeispiel einer Kopplung eines aktiven Stabilisierungssystems an ein passives Stabilisierungssystem beschrieben, wobei in 11 solche Teile, die mit Teilen der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4 vergleichbar oder identisch sind, mit dem gleichen Bezugszeichen wie in 4 versehen sind.
11a) zeigt das erste Glied 234a des passiven Stabilisierungssystems 234. Wie bereits oben beschrieben, ist das erste Glied 234a des passiven Stabilisierungssystems 234 als Federgelenk ausgebildet, wobei 11a) das Federgelenk im Schnitt parallel zur z-Achse in 4 und 11b) das Federgelenk 236 in einer Frontansicht in der xy-Ebene zeigt.
11b) zeigt auch Federn 248 und 250, die die beiden Drehfreiheitsgrade des Federgelenks 236 um die x-Achse und die y-Achse definieren. in 11a) und in 4 sind entsprechend der Längsschnittdarstellung nur die Federn 248 zu sehen.
Während bei der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4 das Federgelenk 236 über die Schnittstelle 238 unmittelbar mit dem Gehäuse 230 gekoppelt ist, ist das Federgelenk 236 gemäß 11a) und b) mit dem Gehäuse 230 über Aktuatoren 252 und 254 verbunden.
Die Aktuatoren 252 und 254 sind zwischen dem Gehäuse 230 und dem Federgelenk 236 angeordnet, wobei die Aktuatoren 252 und 254 das Federgelenk zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich bezüglich seiner Lage relativ zum Gehäuse 230 verstellen.
Die Aktuatoren 252 dienen dabei zur Verstellung des Federgelenks 236 relativ zum Gehäuse 230 um die x-Achse, und die Aktuatoren 254 entsprechend zur Verstellung des Federgelenks 236 relativ zum Gehäuse 230 um die y-Achse.
Zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Bereich wird somit das Federgelenk 236 aktiv bewegt und relativ zum Gehäuse 230 verkippt. Da das erste passive Stabilisierungssystem 234 auf niederfrequente Störbewegungen kaum reagiert, werden die durch das aktive Stabilisierungssystem 72 erzeugten Ausgleichsbewegungen vom Federgelenk 236 auf den Träger 232 und somit auf das optische Bauelement 226 (siehe 4) übertragen.
12a) und b) zeigen nun, wie das aktive Stabilisierungssystem 72 auf das zweite Glied 234b des passiven Stabilisierungssystems 234 wirkt, um die zweite Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit bei einer Auslenkung des optischen Elements 226 relativ zum Gehäuse 230 zu verändern, um eine Bildstabilisierung bei Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich zu erzielen.
In 12a) und b) wurden solche Teile, die mit Teilen der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4 vergleichbar oder identisch sind, mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
Während bei der fernoptischen Vorrichtung 220 in 4 die Schnittstelle 246, die als Wirbelstromplatte ausgebildet ist, starr mit dem Träger 232 verbunden ist, ist die Schnittstelle 246, ebenfalls in Form einer Wirbelstromplatte, mit dem Träger 232 nicht starr, sondern über einen Aktuator 258 einer Aktuatorik des aktiven Stabilisierungssystems 72 verbunden. Diese Kopplung des aktiven Stabilisierungssystems 72 mit dem zweiten Glied 234b des passiven Stabilisierungssystems 234 ermöglicht eine aktive Steuerung der Relativbewegung zwischen der Wirbelstromplatte 246 und den Magneten 243. Die Relativbewegung zwischen der Wirbelstromplatte 246 und den Magneten 243 kann gegenüber der starr mit dem Träger 232 gekoppelten Wirbelstromplatte 246 gesteigert oder vermindert werden, wodurch die durch das Dämpfungsglied 242 des passiven Stabilisierungssystems 234 bewirkte Dämpfung erhöht oder erniedrigt werden kann.
13a) und b) zeigen ein weiteres Ausführungsbeispiel, das in Kombination mit dem Ausführungsbeispiel in 12 oder in Alleinstellung verwendet werden kann und bei dem die Aktuatorik des aktiven Stabilisierungssystems zumindest einen Aktuator 260 aufweist, der zwischen den Magneten 243 des zweiten Gliedes 234b des passiven Stabilisierungssystems 234 und dem Gehäuse 230 angeordnet ist, wobei über den zumindest einen Aktuator 260 die Relativbewegung zwischen den Magneten 243 und der Metallplatte 246 aktiv gesteuert werden kann, analog zu dem Ausführungsbeispiel in 12.
Während in 12a) eine mögliche Bewegungsrichtung der Metallplatte 246, die durch den Aktuator 258 veranlasst wird, mit einem Doppelpfeil 262 veranschaulicht ist, veranschaulicht ein Doppelpfeil 264 in 13a) die durch den zumindest einen Aktuator 260 bewirkte Bewegung der Magnete 243 relativ zum Gehäuse 230.
Zusätzlich zu den Ausgestaltungen gemäß 12 und 13 oder alternativ hierzu kann das aktive Stabilisierungssystem 72 eine Aktuatorik mit zumindest einem Aktuator 268 aufweisen, der einen Abstand d zwischen den Magneten 243 des Dämpfungsgliedes 242 des passiven Stabilisierungssystems 234 aktiv verändert, indem der Aktuator 268 die Magnete 243 aufeinander zu oder voneinander weg bewegt. Durch diese Bewegung wird die Magnetfelddichte und somit die Dämpfung des Dämpfungsgliedes 242 verändert.
Das aktive, auf elektronische Steueraktuatorik basierende Stabilisierungssystem 72 weist eine Sensorik zur Erfassung der auf das Gehäuse 230 wirkenden Störbewegungen auf, sowie eine Auswerteeinheit, die die erfassten Auslenkungen und Auslenkungsgeschwindigkeiten aus Signalen der Sensorik ermittelt, wobei die Auswerteeinheit dann die Aktuatorik, d. h. die Aktuatoren 252, 254, 258, 260 und/oder 268 ansteuert, um eine Bildstabilisierung im niederfrequenten Frequenzbereich zu bewirken.
Dieser Sachverhalt ist in 15 dargestellt. Eine Sensorik 80, die beispielsweise einen oder mehreren mit dem Gehäuse 230 verbundene Sensoren 82 aufweist, erfasst Bewegungen des Gehäuses 230, mitunter auch Störbewegungen. Die von der Sensorik 80 erzeugten Signale werden in eine Auswerteeinheit 84 gegeben, die aus den Signalen der Sensorik 80 die erfassten Auslenkungen und Auslenkungsgeschwindigkeiten, die sich aus den Bewegungen des Gehäuses 230 ergeben, ermittelt. Die Auswerteeinheit 84 steuert dann zur Bildstabilisierung entsprechend die Aktuatorik 86 des aktiven Stabilisierungssystems 72 an.
Die Auswerteeinheit 84 ist insbesondere dazu ausgelegt, die von der Sensorik 80 erfassten Störbewegungen hinsichtlich ihres Frequenzspektrums (siehe 1) auszuwerten. Die Auswerteeinheit 84 steuert dann die Aktuatorik 86 an, wenn das von der Auswerteeinheit 84 ausgewertete Frequenzspektrum der Störbewegungen Frequenzen enthält, gegen die das passive Stabilisierungssystem 234 im Wesentlichen unwirksam ist, Auf diese Weise muss das aktive Stabilisierungssystem 72 nicht permanent aktiv sein bzw. die Aktuatorik 86 muss nicht permanent mit Spannung beaufschlagt werden, sondern nur im Fall, dass die Auswerteeinheit 84 Störbewegungen detektiert, deren Frequenzen zumindest auch im niederfrequenten Frequenzbereich liegen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 3843776 A1 [0002]
EP 0834761 A1 [0016]

Claims

Fernoptische Vorrichtung, mit zumindest einem optischen Kanal (12; 222), der ein Gehäuse (14; 230) und eine Anordnung optischer Elemente (16, 18, 20; 224, 226, 228) aufweist, wobei zumindest eines der optischen Elemente (16, 18, 20; 224, 226, 228) zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen des Gehäuses (14; 230) relativ zum Gehäuse (14; 230) beweglich ist, und mit einem ersten passiven, auf Masseträgheit basierenden Stabilisierungssystem (26; 234) für das zumindest eine bewegliche optische Element (18; 226), das bei Auslenkung des zumindest einen optischen Elements (18; 226) relativ zum Gehäuse (14; 230) eine erste Rückstellkraft (208) proportional zur Auslenkung und eine zweite Rückstellkraft (210) proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit erzeugt, wobei das erste Stabilisierungssystem (26; 234) zur Bildstabilisierung bei Störbewegungen in einem ersten Frequenzbereich ausgelegt ist, gekennzeichnet durch zumindest ein zweites Stabilisierungssystem (28; 72), das mit dem ersten Stabilisierungssystem (26; 234) gekoppelt ist und zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen in zumindest einem zweiten Frequenzbereich ausgelegt ist, wobei der erste und der zumindest eine zweite Frequenzbereich zumindest teilweise unterschiedlich sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass einer der zumindest zwei Frequenzbereiche Frequenzen im Bereich von etwa 0 Hz bis etwa 20 Hz, vorzugsweise im Bereich von etwa 2 Hz bis etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 7 Hz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem (28) ein passives, auf Masseträgheit beruhendes Stabilisierungssystem ist.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem (28) bei Auslenkung des zumindest einen optischen Elements (18) relativ zum Gehäuse (14) eine dritte Rückstellkraft proportional zur Auslenkung und/oder eine vierte Rückstellkraft proportional zur Auslenkungsgeschwindigkeit erzeugt.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Element (18) an einem ersten Träger (22) befestigt ist, der über ein erstes Federgelenk (30), das die erste Rückstellkraft erzeugt, mit zumindest einem zweiten Träger (24) relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist, wobei der zumindest eine zweite Träger (24) über zumindest ein zweites Federgelenk (44), das die dritte Rückstellkraft erzeugt, mit dem Gehäuse (14) relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und das zumindest eine zweite Federgelenk (30, 44) unterschiedliche Rückstellkräfte erzeugen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Stabilisierungssystem (26) ein erstes Dämpfungsglied (36), das die zweite Rückstellkraft erzeugt, und das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem (28) zumindest ein zweites Dämpfungsglied (50) aufweist, das die vierte Rückstellkraft erzeugt, wobei das erste und das zumindest eine zweite Dämpfungsglied (36, 50) vorzugsweise ein unterschiedliches Dämpfungsverhalten aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dämpfungsglied (50) zwischen dem ersten Träger (22) und dem Gehäuse (14) und das zweite Dämpfungsglied (36) zwischen dem zweiten Träger (24) und dem Gehäuse (14) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6 und nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Dämpfungsglied (50) zwischen dem ersten Träger (22) und dem Gehäuse (14) und das zweite Dämpfungsglied (36) zwischen dem zweiten Träger (24) und dem ersten Träger (22) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem (72) ein aktives, auf elektronisch gesteuerter Aktuatorik (80) basierendes Stabilisierungssystem ist, wobei die Aktuatorik (86) auf das erste Stabilisierungssystem (234) wirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Frequenzbereich Frequenzen oberhalb von etwa 20 Hz, vorzugsweise oberhalb von etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise oberhalb von etwa 7 Hz aufweist, und dass der zweite Frequenzbereich Frequenzen im Bereich von etwa 0 Hz bis etwa 20 Hz, vorzugsweise im Bereich von etwa 2 Hz bis etwa 10 Hz, weiter vorzugsweise im Bereich von etwa 3 Hz bis etwa 7 Hz aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine optische Element (226) an einem Träger (232) befestigt ist, der über ein Federgelenk (236), das die erste Rückstellkraft (68) erzeugt, mit dem Gehäuse (230) relativ zu diesem beweglich gekoppelt ist, und dass die Aktuatorik (86) zumindest einen Aktuator (252, 254) aufweist, der zwischen dem Gehäuse (230) und dem Federgelenk (236) angeordnet ist, um das Federgelenk (236) zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich bezüglich seiner Lage relativ zum Gehäuse (230) zu verstellen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Stabilisierungssystem (234) ein Dämpfungsglied (242) aufweist, das zumindest ein erstes Dämpfungselement (244), das mit dem Gehäuse (230) in Verbindung steht, und zumindest ein zweites Dämpfungselement (246) aufweist, das mit dem zumindest einen optischen Element (226) in Verbindung steht, und dass die Aktuatorik (86) zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich die Relativlage zwischen dem zumindest einen Dämpfungselement (244) und dem zumindest einen zweiten Dämpfungselement (246) verstellt.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das passive Stabilisierungssystem (234) ein Dämpfungsglied (242) aufweist, das zumindest zwei Dämpfungselemente (244, 246) aufweist, die mit dem Gehäuse (230) oder mit dem optischen Element (226) in Verbindung stehen, und dass die Aktuatorik (86) zur Bildstabilisierung gegen Störbewegungen im niederfrequenten Frequenzbereich die Relativlage zwischen den zumindest zwei Dämpfungselementen (244, 246) verstellt.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Dämpfungsglied (242) als Wirbelstromdämpfungsglied ausgebildet ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine zweite Stabilisierungssystem (72) eine Sensorik (80) zur Erfassung der Störbewegungen und eine Auswerteeinheit (84) aufweist, die die Auslenkungen und Auslenkungsgeschwindigkeiten aus Signalen der Sensorik (80) ermittelt, wobei die Auswerteeinheit (84) die Aktuatorik (86) ansteuert.
Vorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (84) die von der Sensorik (80) erfassten Störbewegungen hinsichtlich ihres Frequenzspektrums auswertet.
Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (84) die Aktuatorik (86) ansteuert, wenn das ausgewertete Frequenzspektrum der Störbewegungen Frequenzen enthält, gegen die das erste Stabilisierungssystem (234) im Wesentlichen unwirksam ist.