DE102013200311B9

DE102013200311B9 - Optisches System zur Abbildung eines Objekts sowie Verfahren zum Betrieb des optischen Systems

Info

Publication number: DE102013200311B9
Application number: DE102013200311.0A
Authority: DE
Inventors: Christian Bach
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2013-01-11
Filing date: 2013-01-11
Publication date: 2022-05-19
Anticipated expiration: 2033-01-12
Also published as: DE102013200311B4; WO2014108425A1; DE102013200311A1

Abstract

Optisches System (1) zur Abbildung eines Objekts (O), mit- mindestens einem ersten Objektiv (14A),- mindestens einer ersten Bildstabilisierungseinheit (16A),- mindestens einer ersten Bildebene (23A), wobei von dem ersten Objektiv (14A) in Richtung der ersten Bildebene (23A) gesehen zunächst das erste Objektiv (14A), dann die erste Bildstabilisierungseinheit (16A) und dann die erste Bildebene (23A) entlang einer ersten optischen Achse (10) angeordnet sind, und mit- mindestens einer ersten Erkennungseinheit (37A) zur Erkennung einer gewollten oder ungewollten Verschwenkung des optischen Systems (1) um eine erste Rotationsachse, wobei die erste Erkennungseinheit (37A) mindestens einen ersten Tiefpassfilter (80A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, das der erste Tiefpassfilter (80A) eine Kombination aus einem elektrischen Tiefpassfilter, einem digitalen Tiefpassfilter und einem digitalen Shelving-Filter erster Ordnung ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Abbildung eines Objekts sowie ein Verfahren zum Betrieb des optischen Systems. Das optische System ist zur Abbildung eines Objekts ausgebildet, wobei das optische System ein Objektiv, eine Bildstabilisierungseinheit und eine Bildebene aufweist. Bei einem Ausführungsbeispiel ist beispielsweise das optische System zusätzlich mit einem Okular versehen.
Das oben bezeichnete optische System wird beispielsweise in einem Fernrohr oder einem Fernglas eingesetzt. Beispielsweise sind optische Systeme in Form von Ferngläsern bekannt, die zwei Gehäuse in Form von zwei Tuben aufweisen. In einem ersten Tubus ist eine erste Abbildungseinheit angeordnet, die eine erste optische Achse aufweist. In einem zweiten Tubus ist eine zweite Abbildungseinheit angeordnet, die eine zweite optische Achse aufweist. Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Ferngläser bekannt, die ein erstes Gehäuse in Form eines ersten Tubus mit einer ersten optischen Achse und ein zweites Gehäuse in Form eines zweiten Tubus mit einer zweiten optischen Achse aufweisen. Das erste Gehäuse ist mit dem zweiten Gehäuse über eine Knickbrücke verbunden, wobei die Knickbrücke ein an dem ersten Gehäuse angeordnetes erstes Scharnierteil aufweist und wobei die Knickbrücke ein an dem zweiten Gehäuse angeordnetes zweites Scharnierteil aufweist. Die Knickbrücke weist eine Knickachse auf. Werden die beiden Gehäuse relativ zueinander um die Knickachse geschwenkt, verändert sich der Abstand der beiden Gehäuse zueinander.
Das durch das Fernrohr oder das Fernglas von einem Beobachter erfasste Bild wird oft verwackelt wahrgenommen, da Zitterbewegungen oder Drehbewegungen der Hände des Benutzers, aber auch Bewegungen des Untergrundes wiederum Bewegungen des optischen Systems relativ zur Umgebung verursachen. Um dieses zu umgehen, ist es bekannt, Bilder in einem optischen System zu stabilisieren. Bekannte Lösungen verwenden Stabilisierungseinrichtungen zur Stabilisierung des Bildes mittels einer mechanischen Einrichtung und/oder einer elektronischen Einrichtung.
Aus der DE 23 53 101 C3 ist ein optisches System in Form eines Fernrohrs bekannt, das ein Objektiv, eine Bildstabilisierungseinheit in Form eines Prismenumkehrsystems sowie ein Okular aufweist. Das Prismenumkehrsystem ist kardanisch in einem Gehäuse des Fernrohrs gelagert. Hierunter wird verstanden, dass das Prismenumkehrsystem derart in einem Gehäuse des Fernrohrs angeordnet ist, dass das Prismenumkehrsystem um zwei zueinander rechtwinklig angeordnete Achsen drehbar gelagert ist. Zur drehbaren Lagerung wird in der Regel eine Vorrichtung verwendet, die als Kardanik bezeichnet wird. Ein Gelenkpunkt des kardanisch im Gehäuse gelagerten Umkehrsystems ist mittig zwischen einer bildseitigen Hauptebene des Objektivs und einer objektseitigen Hauptebene des Okulars angeordnet. Das kardanisch gelagerte Prismenumkehrsystem wird aufgrund seiner Trägheit durch auftretende Drehbewegungen nicht bewegt. Es bleibt somit fest im Raum stehen. Auf diese Weise wird eine Bildverschlechterung, die aufgrund der Bewegung des Gehäuses entsteht, kompensiert.
Aus der DE 39 33 255 C2 ist ein binokulares Fernglas mit einer Bildstabilisierungseinheit bekannt, das ein Prismenumkehrsystem aufweist. Das Prismenumkehrsystem weist Porro-Prismen auf, die jeweils eine Kippachse aufweisen. Die Porro-Prismen sind um ihre jeweilige Kippachse schwenkbar ausgebildet. Zur Schwenkung der Porro-Prismen sind Motoren vorgesehen. Die Schwenkung erfolgt in Abhängigkeit einer Zitterbewegung, die ein Wackeln eines beobachteten Bildes verursacht.
Ferner ist aus der US 6 414 793 B1 ein weiteres binokulares Fernglas mit einer Bildstabilisierungseinheit bekannt.
Es ist wünschenswert, dass die vorbeschriebene Stabilisierung mittels der Bildstabilisierungseinheit nur bei Zitterbewegungen und bewusst gewollten Schwenkbewegungen eines optischen Systems, beispielsweise eines Fernglases, durchgeführt werden, um insbesondere Energie bei der Betätigung der Bildstabilisierungseinheit (oder den Bildstabilisierungseinheiten) zu sparen. Zitterbewegungen zeichnen sich in der Regel durch hohe Frequenzen (beispielsweise im Bereich von 4 Hz bis 15 Hz) aus. Hingegen sind gewollte Bewegungen durch niedrige Frequenzen (beispielsweise im Bereich von 0 Hz bis 4 Hz) charakterisiert. Daher ist es wünschenswert, zwischen gewollten Bewegungen (bei denen eine Stabilisierung des Bildes erfolgen soll) und ungewollten Bewegungen (bei denen keine Stabilisierung des Bildes erfolgen soll) zu unterscheiden. Mit anderen Worten ausgedrückt, sollen bei einer gewollten Bewegung hohe Frequenzen (also Zitterbewegung) und somit eine Bildverschlechterung kompensiert werden.
In der US 7 460 154 B2 wird eine Vorrichtung und ein Verfahren vorgeschlagen, um eine gewollte Bewegung von einer ungewollten Bewegung (insbesondere einer Zitterbewegung) zu unterscheiden. Die bekannte Vorrichtung weist einen Sensor zur Detektion einer Drehbewegung eines optischen Systems, einen Hochpassfilter und eine Integrationseinheit auf. Mittels des Sensors wird ein Detektionssignal erzeugt, welches mit dem Hochpassfilter gefiltert wird. Das gefilterte Signal wird dann mit der Integrationseinheit über eine vorgegebene Zeit integriert. Um nun eine gewollte Bewegung von einer ungewollten Bewegung zu unterscheiden, werden bei dem bekannten Verfahren für den Hochpassfilter eine Grenzfrequenz und für die Integrationseinheit ein Grenzausgangssignal.vorgegeben. Wenn die Grenzfrequenz und das Grenzausgangssignal überschritten werden, liegt eine ungewollte Bewegung vor. In diesem Fall erfolgt eine Stabilisierung des Bildes.
Darüber hinaus ist es aus der US 7 460 154 B2 ebenfalls bekannt, die Integrationszeit der Integrationseinheit über einen vorgegebenen Zeitraum zu verändern, um die Auslenkung der Bildstabilisierungseinheit auf Null zurückzuführen. Mit anderen Worten ausgedrückt wird die Integrationszeit derart verändert, dass das Ausgangssignal der Integrationseinheit derart variiert wird, dass nach und nach die Auslenkung der Bildstabilisierungseinheit verringert wird, bis keine Auslenkung der Bildstabilisierungseinheit erfolgt. Dies weist den Effekt auf, dass zwischen zwei Betriebsmodi, nämlich dem Stabilisieren des Bildes einerseits (erster Betriebsmodus) und dem ungewollten Verschwenken ohne Stabilisierung des Bildes andererseits (zweiter Betriebsmodus), ein fast nahtloser Übergang ermöglicht wird, so dass Benutzer des optischen Systems nicht irritiert werden. Er wird kein Bild mit einem sprunghaften Übergang von dem ersten Betriebsmodus zum zweiten Betriebsmodus sehen. Das bekannte Verfahren weist jedoch einen Nachteil auf. Wie oben erläutert, wird die Integrationszeit nach und nach (also langsam) verändert. Demnach erfolgt bei dem bekannten Verfahren der Übergang vom ersten Betriebsmodus zum zweiten Betriebsmodus (oder umgekehrt) genau so langsam. Dies kann bei sehr kurzen und plötzlichen ungewollten oder gewollten Bewegungen des optischen Systems zu Problemen führen, da ein schnelles Umschalten zwischen den beiden Betriebsmodi nicht schnell möglich ist.
Hinsichtlich des Standes der Technik wird ferner auf die DE 40 42 241 A1 , die US 5 122 908 A , die DE 15 47 129 A , die DE 36 04 822 A1 sowie die US 2011/0164864 A1 verwiesen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung und ein Verfahren anzugeben, die sowohl langsame als auch schnelle gewollte und ungewollte Bewegungen eines optischen Systems erfassen können und mit denen gegebenenfalls eine Bildstabilisierung durchgeführt werden kann.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem optischen System mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein Verfahren zum Betrieb des optischen Systems ist durch die Merkmale des Anspruchs 14 gegeben. Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, aus der nachfolgenden Beschreibung und/oder aus den beigefügten Figuren.
Das erfindungsgemäße optische System ist zur Abbildung eines Objekts ausgebildet. Das optische System ist beispielsweise als ein binokulares Fernglas oder ein binokulares Fernrohr ausgebildet. Es wird aber explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf ein derartiges optisches System eingeschränkt ist.
Das erfindungsgemäße optische System weist mindestens ein erstes Objektiv, mindestens eine erste Bildstabilisierungseinheit und mindestens eine erste Bildebene auf, wobei von dem ersten Objektiv in Richtung der ersten Bildebene gesehen zunächst das erste Objektiv, dann die erste Bildstabilisierungseinheit und dann die erste Bildebene entlang einer ersten optischen Achse angeordnet sind. Demnach sind die vorgenannten Einheiten in der folgenden Reihenfolge entlang der ersten optischen Achse angeordnet: erstes Objektiv - erste Bildstabilisierungseinheit - erste Bildebene.
Ferner weist das erfindungsgemäße optische System mindestens eine erste Erkennungseinheit zur Erkennung einer gewollten oder ungewollten Verschwenkung des optischen Systems um eine erste Rotationsachse auf. Die erste Rotationsachse ist beispielsweise senkrecht zur ersten optischen Achse angeordnet. Bei dem erfindungsgemäßen optischen System ist nun auch vorgesehen, dass die erste Erkennungseinheit mindestens einen ersten Tiefpassfilter aufweist.
Die Erfindung beruht auf der überraschenden Erkenntnis, dass ein einfaches und zuverlässiges optisches System zur Erkennung der Art einer Bewegung und ein entsprechendes Verfahren dadurch bereitgestellt werden können, dass die Eigenschaften, welche eine gewollte oder ungewollte Verschwenkung direkt beschreiben, ausgewertet werden und die entsprechenden ausgewerteten Signale zur Bildstabilisierung verwendet werden. Es wurde erkannt, dass eine Bildstabilisierung dann wirklich von Vorteil ist, wenn tatsächlich keine gewollte Verschwenkung (allgemeiner ausgedrückt: keine gewollte Bewegung) vorliegt. Eine Bildstabilisierung wird daher insbesondere dann durchgeführt, wenn sich das optische System ungewollt bewegt. Zusätzlich oder alternativ ist es vorgesehen, dass eine Bildstabilisierung in Abhängigkeit der Art der Verschwenkung durchgeführt wird. So ist es vorgesehen, dass eine Bildstabilisierung über eine große Frequenzbandbreite nur dann erfolgt, wenn nur eine ungewollte Bewegung vorliegt. Beispielsweise erfolgt bei einer ungewollten Bewegung die Bildstabilisierung in der Frequenzbandbreite von 0 Hz bis 20 Hz. Bei einem gewollten leichten Verschwenken kann bei einem Ausführungsbeispiel eine Bildstabilisierung in der Frequenzbandbreite von 5 Hz bis 20 Hz erfolgen. Bei einem gewollten stärkeren Verschwenken kann bei einem Ausführungsbeispiel zusätzlich oder alternativ eine Bildstabilisierung in der Frequenzbandbreite von 8 Hz bis 20 Hz erfolgen. Bei einem gewollten schnellen Verschwenken kann bei einem Ausführungsbeispiel zusätzlich oder alternativ eine Bildstabilisierung in der Frequenzbandbreite von 12 Hz bis 20 Hz erfolgen. Die vorgenannten Frequenzbereiche sind beispielhaft zu verstehen. Die genannten Bereichsgrenzen können jeden geeigneten Wert annehmen.
Demnach sollen die Eigenschaften der gewollten Bewegung ausgewertet und die ausgewerteten Signale sollen dann für die Bildstabilisierung verwendet werden. Dieser Vorteil wird dadurch erzielt, dass die Erkennungseinheit den oben genannten Tiefpassfilter oder mehrere Tiefpassfilter aufweist. Dieser stellt bzw. diese stellen sicher, dass niedrige Frequenzen, welche eine gewollte Verschwenkung im Wesentlichen aufweist, ungehindert den Tiefpassfilter passieren und der weiteren Signalverarbeitung zur Bildstabilisierung zugeführt werden können. Die hohen Frequenzen werden durch den Tiefpassfilter herausgefiltert. Wenn eine Bewegung des optischen Systems durch eine Frequenz charakterisiert ist, die oberhalb einer Wahrnehmungsgrenze (in der Regel bei ca. 20 Hz) liegt, nimmt das menschliche Auge zwar kein Zittern oder ein Flimmern mehr wahr, sondern eine Bildunschärfe aufgrund einer Bewegung, welche durch eine Verschmierung gegeben ist. Allerdings ist es nicht unbedingt notwendig, diese Bildunschärfe zu korrigieren. Daher werden diese Frequenzen herausgefiltert. Sie tragen daher zur Bildstabilisierung nicht bei. Demnach bilden im Grunde nur die niedrigen Frequenzen der gewollten Verschwenkung die Grundlage für die Bildstabilisierung und dienen der Steuerung einer Bewegung der Bildstabilisierungseinheit.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung geht von der Überlegung aus, dass eine gewollte Verschwenkung des optischen Systems insbesondere durch zwei Eigenschaften gekennzeichnet ist. Dies ist zum einen die bereits oben genannte niedrige Frequenz der gewollten Verschwenkung, aber zum anderen auch eine große Amplitude der gewollten Verschwenkung. Ungewollte Verschwenkungen, insbesondere Zitterbewegungen, weisen nämlich in der Regel eine viel kleinere Amplitude als gewollte Verschwenkungen des optischen Systems auf. Es wurde erkannt, dass man die Amplitude der gewollten Verschwenkung zusätzlich oder alternativ zur Bestimmung (Erkennung) der Art der Bewegung des optischen Systems mit heranziehen kann. Bei dieser Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ist zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die erste Erkennungseinheit mindestens eine erste Integrationseinheit aufweist, welche dem ersten Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Insbesondere ist es bei einem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Systems vorgesehen, dass die erste Integrationseinheit mindestens eine erste Eingangsleitung mit mindestens einem ersten Eingangssignal und mindestens eine erste Ausgangsleitung mit mindestens einem ersten Ausgangssignal aufweist, wobei das erste Ausgangssignal durch die folgende Gleichung bestimmt ist: $Σ (t_{2}) = γ (Σ (t_{1})) \cdot Σ (t_{1}) + α (t_{1})$
wobei

α(t1): das erste Eingangssignal zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ist,
Σ(t1): das erste Ausgangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist,
γ (Σ(t1)): eine Funktion zur Steuerung einer zeitlichen Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist, die abhängig vom ersten Ausgangssignal zum ersten Zeitpunkt t₁ ist, sowie
Σ(t2): das erste Ausgangssignal zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ist.

Für dieses Ausführungsbeispiel wurde überraschend erkannt, dass die Funktion γ in nichtlinearer Art in Abhängigkeit der Amplitude der Verschwenkung des optischen Systems variiert werden kann. Die Integration mittels der Integrationseinheit erfolgt dann nichtlinear derart, dass das erste Ausgangssignal der Integrationseinheit zu einer geringer werdenden Stabilisierung durch die Bildstabilisierungseinheit führt, je niedriger die Geschwindigkeit der Verschwenkung des optischen Systems und je größer die Auslenkung (Amplitude) der Verschwenkung ist. Mit anderen Worten ausgedrückt wird auf diese Weise die Kompensation der Zitterbewegung (also die Bildstabilisierung bedingt durch die Zitterbewegung) „intrinsisch adaptiert“, also innerhalb der Erkennungseinheit in Abhängigkeit der Amplitude der Verschwenkung des optischen Systems angepasst. Die Bildstabilisierung erfolgt in Abhängigkeit der (gewollten) Verschwenkung des optischen Systems, wobei während der Verschwenkung des optischen Systems (also während der Bewegung des optischen Systems) bei der Bildstabilisierung im Wesentlichen oder ausschließlich nur höherfrequente Bewegungen herausgefiltert werden. Niederfrequente Bewegungen werden nicht herausgefiltert und werden zur Bildstabilisierung verwendet.
Je schneller die Verschwenkung des optischen Systems vorgenommen wird, umso weniger erfolgt eine Kompensation der Schwenkbewegung (also eine Bildstabilisierung). Dies stellt sicher, dass es keinen „sprunghaften“ Übergang zwischen einem Schwenkmodus (also einem Modus mit einer Verschwenkung und einer angepassten Bildstabilisierung) und einem Beobachtungsmodus (kein Verschwenken und einer vollständigen Bildstabilisierung) gibt. Wenn von einem der vorgenannten Modi in den anderen der vorgenannten Modi übergegangen wird, dann bleibt das mit dem optischen System erhaltene Bild für den Benutzer artefaktfrei.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ist es alternativ oder zusätzlich vorgesehen, dass das erste Ausgangsignal der ersten Ausgangsleitung durch die folgende Gleichung bestimmt ist: $Σ (t_{2}) = F (Σ (t_{1})) + α (t_{1})$
wobei

α(t1): das erste Eingangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist,
Σ(t1): das erste Ausgangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist,
F (Σ(t1)): eine Funktion zur Steuerung einer zeitlichen Führung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt t₁ auf den Wert Null ist, die abhängig vom ersten Ausgangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist, sowie
Σ(t2): das erste Ausgangssignal zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ist.

Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass dies eine weitere Möglichkeit ist, ein nichtlineares Verhalten der Integrationseinheit zu erzielen. F ist dabei eine beliebige geeignete nichtlineare Funktion. Bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ist die Funktion F derart ausgestaltet, dass die Funktion F die Funktionsvariable der Funktion F überproportional vergrößert. Daher ist die Funktion F beispielsweise als polynomische Funktion ausgestaltet.
Das Vorgenannte kann etwas allgemeiner bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems auch wie nachfolgend ausgedrückt werden. So ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass das optische System mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist:

- die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist zur proportionalen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet, oder
- die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist zur mindestens 3-fachen proportionalen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet.

Hinsichtlich der Vorteile und Effekte wird auf weiter oben verwiesen.
Bei einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null zur nichtlinearen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet ist.
Bei einer wiederum weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass das optische System die folgenden Merkmale aufweist:

- mindestens ein zweites Objektiv,
- mindestens eine zweite Bildstabilisierungseinheit, und
- mindestens eine zweite Bildebene.

Es ist vorgesehen, dass von dem zweiten Objektiv in Richtung der zweiten Bildebene gesehen zunächst das zweite Objektiv, dann die zweite Bildstabilisierungseinheit und dann die zweite Bildebene entlang einer zweiten optischen Achse angeordnet sind. Somit sind die vorgenannten Einheiten in der folgenden Reihenfolge entlang der zweiten optischen Achse angeordnet: zweites Objektiv - zweite Bildstabilisierungseinheit - zweite Bildebene. Die vorgenannte Ausführungsform des optischen Systems ist beispielsweise als binokulares optisches System ausgebildet, insbesondere als binokulares Fernglas oder binokulares Fernrohr. Sie weist demnach zwei Abbildungseinheiten auf, nämlich eine erste Abbildungseinheit (mit dem ersten Objektiv, der ersten Bildstabilisierungseinheit und der ersten Bildebene) und eine zweite Abbildungseinheit (mit dem zweiten Objektiv, der zweiten Bildstabilisierungseinheit und der zweiten Bildebene).
Bei einer weiteren Ausführungsform ist es zusätzlich vorgesehen, dass das optische System mindestens eine zweite Erkennungseinheit zur Erkennung einer gewollten oder ungewollten Verschwenkung des optischen Systems um eine zweite Rotationsachse aufweist. Die zweite Rotationsachse ist beispielsweise senkrecht zur zweiten optischen Achse angeordnet. Ferner weist die zweite Erkennungseinheit mindestens einen zweiten Tiefpassfilter auf und ist zusätzlich oder alternativ mit einer zweiten Integrationseinheit versehen, welche dem zweiten Tiefpassfilter nachgeschaltet ist. Die zweite Integrationseinheit kann identisch zu der ersten Integrationseinheit ausgebildet sein. Die Merkmale der ersten Integrationseinheit wurden bereits oben erläutert, so dass auf weiter oben verwiesen wird.
Bei einem wiederum weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Systems ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass das erste Objektiv, die erste Bildstabilisierungseinheit sowie die erste Bildebene in einem ersten Gehäuse angeordnet sind und dass das zweite Objektiv, die zweite Bildstabilisierungseinheit sowie die zweite Bildebene in einem zweiten Gehäuse angeordnet sind. Beispielsweise ist es zusätzlich vorgesehen, dass das erste Gehäuse mit dem zweiten Gehäuse über mindestens eine Knickbrücke verbunden ist, dass die Knickbrücke ein an dem ersten Gehäuse angeordnetes erstes Scharnierteil aufweist und dass die Knickbrücke ein an dem zweiten Gehäuse angeordnetes zweites Scharnierteil aufweist. Die Knickbrücke weist eine Knickachse auf. Werden die beiden Gehäuse relativ zueinander um die Knickachse geschwenkt, verändert sich der Abstand der beiden Gehäuse zueinander.
Bei einer wiederum weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen optischen Systems weist die erste Erkennungseinheit mindestens einen ersten Bewegungsdetektor zur Detektion einer Bewegung des optischen Systems auf. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass die zweite Erkennungseinheit mindestens einen zweiten Bewegungsdetektor zur Detektion einer Bewegung des optischen Systems aufweist. Der erste Bewegungsdetektor und/oder der zweite Bewegungsdetektor kann/können beispielsweise als Winkelgeschwindigkeitsdetektor ausgebildet sein. Es wird aber explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf einen Winkelgeschwindigkeitsdetektor eingeschränkt ist. Vielmehr kann bei der Erfindung jeder geeignete Bewegungsdetektor verwendet werden.
Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Systems, das mindesten eines der vorstehenden oder nachstehenden Merkmale oder eine Kombination aus mindestens zwei der vorstehenden oder nachstehenden Merkmale aufweist. Bei dem optischen System wird zunächst eine Verschwenkung (oder allgemeiner ausgedrückt: eine Bewegung) des optischen Systems mittels der ersten Erkennungseinheit und/oder der zweiten Erkennungseinheit ermittelt. Ein entsprechendes erstes Detektionssignal der ersten Erkennungseinheit und/oder ein zweites Detektionssignal der zweiten Erkennungseinheit wird/werden erzeugt und bereitgestellt. Das erste Detektionssignal wird mittels des ersten Tiefpassfilters gefiltert. Es wird ein erstes Filtersignal erzeugt, das zur Bestimmung der Verschwenkung als eine gewollte oder ungewollte Verschwenkung verwendet wird. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass das zweite Detektionssignal mittels des zweiten Tiefpassfilters gefiltert wird. Es wird ein zweites Filtersignal erzeugt, das zur Bestimmung der Verschwenkung als eine gewollte oder ungewollte Verschwenkung verwendet wird.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es zusätzlich oder alternativ vorgesehen, dass das erste Filtersignal mittels der ersten Integrationseinheit integriert wird und dass das erste Ausgangssignal durch die Gleichung 1 oder die Gleichung 2 bestimmt wird. Zusätzlich oder alternativ hierzu ist es vorgesehen, dass das zweite Filtersignal mittels der zweiten Integrationseinheit integriert wird und dass das zweite Ausgangssignal durch die Gleichung 1 oder die Gleichung 2 bestimmt wird.
Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels mittels Figuren näher beschrieben. Dabei zeigen

1A eine erste schematische Darstellung eines optischen Systems in Form eines Fernglases mit einer Knickbrücke;
1B eine zweite schematische Darstellung des Fernglases nach 1A;
2A eine schematische Darstellung eines ersten optischen Teilsystems;
2B eine dritte schematische Darstellung des Fernglases nach 1A;
2C eine erste Schnittdarstellung des Fernglases entlang der Linie A-A gemäß 2B;
2D eine zweite Schnittdarstellung des Fernglases entlang der Linie A-A gemäß 2B;
2E eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Bildstabilisierungseinheit des Fernglases gemäß den 2C und 2D;
3A bis 3C schematische Darstellungen eines Piezo-Biegeaktors;
4 eine schematische Darstellung eines ersten Blockschaltbilds von Steuer- und Messeinheiten; sowie
5 eine schematische Darstellung eines weiteren Blockschaltbilds von Steuer- und Messeinheiten nach 4.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines optischen Systems in Form eines binokularen Fernglases 1 besprochen (nachfolgend nur Fernglas genannt). Es wird aber explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf ein binokulares Fernglas eingeschränkt ist. Vielmehr ist die Erfindung für jedes optische System geeignet, beispielsweise auch bei einem Fernrohr.
1A zeigt eine erste schematische Darstellung des Fernglases 1, welches ein tubusförmiges erstes Gehäuseteil 2 und ein tubusförmiges zweites Gehäuseteil 3 aufweist. Durch das erste Gehäuseteil 2 verläuft eine erste optische Achse 10. Hingegen verläuft durch das zweite Gehäuseteil 3 eine zweite optische Achse 11. Das erste Gehäuseteil 2 ist mit dem zweiten Gehäuseteil 3 über eine Knickbrücke 4 miteinander verbunden. Die Knickbrücke 4 weist ein erstes Scharnierteil 5 auf, welches an dem ersten Gehäuseteil 2 angeformt ist. Ferner weist die Knickbrücke 4 ein zweites Scharnierteil 6 auf, welches an dem zweiten Gehäuseteil 3 angeordnet ist. Das erste Scharnierteil 5 weist ein erstes Aufnahmeteil 7 und ein zweites Aufnahmeteil 8 auf, zwischen denen ein drittes Aufnahmeteil 9 des zweiten Scharnierteils 6 angeordnet ist. Durch das erste Aufnahmeteil 7, das zweite Aufnahmeteil 8 sowie das dritte Aufnahmeteil 9 verläuft ein Achsbolzen (nicht dargestellt), sodass die relative Position des ersten Gehäuseteils 2 und des zweiten Gehäuseteils 3 um eine Gelenkachse 74 zueinander eingestellt werden kann. Auf diese Weise ist es möglich, das erste Gehäuseteil 2 und das zweite Gehäuseteil 3 auf die Pupillendistanz eines Benutzers einzustellen, sodass zum einen das erste Gehäuseteil 2 an dem einen der beiden Augen des Benutzers angeordnet ist und so dass zum anderen das zweite Gehäuseteil 3 an dem anderen der beiden Augen des Benutzers angeordnet ist.
1B zeigt eine weitere Darstellung des Fernglases 1. Das erste Gehäuseteil 2 weist ein erstes optisches Teilsystem 12 auf. Das erste optische Teilsystem 12 ist mit einem ersten Objektiv 14A, mit einer als erstes Prismensystem ausgebildeten ersten Bildstabilisierungseinheit 16A und einem ersten Okular 17A versehen. An dem ersten Okular 17A kann ein erstes Auge 15A eines Benutzers zur Beobachtung eines Objekts O angeordnet werden. Die erste optische Achse 10 des ersten optischen Teilsystems 12 wird aufgrund des ersten Prismensystems 16A (erste Bildstabilisierungseinheit 16A) lateral etwas versetzt, so dass es zu einer stufigen Ausbildung der ersten optischen Achse 10 kommt.
Das erste Objektiv 14A besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer ersten Fronteinheit 51A und einer ersten Fokussiereinheit 52A. Weitere Ausführungsformen des ersten Objektivs 14A sehen eine unterschiedliche Anzahl an einzelnen Linsen oder aus Linsen bestehenden Kittgliedern vor. Zum Zwecke einer Fokussierung des durch Fernglas 1 betrachteten Objekts O kann entweder das erste Okular 17A oder die erste Fokussiereinheit 52A axial entlang der ersten optischen Achse 10 verschoben werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die erste Fronteinheit 51A oder sogar das vollständige erste Objektiv 14A entlang der ersten optischen Achse 10 verschoben. Bei einer weiteren Ausführungsform werden die erste Fronteinheit 51A und die erste Fokussiereinheit 52A relativ zueinander verschoben.
Das zweite Gehäuseteil 3 weist ein zweites optisches Teilsystem 13 auf. Das zweite optische Teilsystem 13 ist mit einem zweiten Objektiv 14B, mit einer als Prismensystem ausgebildeten zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B und mit einem zweiten Okular 17B versehen. An dem zweiten Okular 17B kann ein zweites Auge 15B des Benutzers zur Beobachtung des Objekts O angeordnet werden. Die zweite optische Achse 11 des zweiten optischen Teilsystems 13 wird aufgrund der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B (Prismensystem) lateral etwas versetzt, so dass es zu einer stufigen Ausbildung der zweiten optischen Achse 11 kommt.
Das zweite Objektiv 14B besteht bei diesem Ausführungsbeispiel aus einer zweiten Fronteinheit 51B und einer zweiten Fokussiereinheit 52B. Weitere Ausführungsformen des zweiten Objektivs 14B sehen eine unterschiedliche Anzahl an einzelnen Linsen oder aus Linsen bestehenden Kittgliedern vor. Zum Zwecke einer Fokussierung des durch Fernglas 1 betrachteten Objekts O kann entweder das zweite Okular 17B oder die zweite Fokussiereinheit 52B axial entlang der zweiten optischen Achse 11 verschoben werden. Bei einer weiteren Ausführungsform wird die zweite Fronteinheit 51B oder sogar das vollständige zweite Objektiv 14B entlang der zweiten optischen Achse 11 verschoben. Bei einer weiteren Ausführungsform werden die zweite Fronteinheit 51B und die zweite Fokussiereinheit 52B relativ zueinander verschoben.
Bei beiden oben dargestellten optischen Teilsystemen 12, 13 ist die Strahlrichtung des in die optischen Teilsysteme 12, 13 einfallende Lichtstrahlen wie folgt: Objekt O - Objektiv 14A, 14B - Bildstabilisierungseinheit (Prismensystem) 16A, 16B - Okular 17A, 17B - Auge 15A, 15B.
Zum Fokussieren ist bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel an der Knickbrücke 4 ein Drehknopf 53 angeordnet, mit dem die erste Fokussiereinheit 52A und die zweite Fokussiereinheit 52B gemeinsam entlang der beiden optischen Achsen 10 und 11 verschoben werden können. Bei einer weiteren Ausführungsform ist es vorgesehen, das erste Objektiv 14A und das zweite Objektiv 14B (oder zumindest Einheiten des ersten Objektivs 14A und des zweiten Objektivs 14B) relativ zueinander zu verstehen.
Sowohl das erste Objektiv 14A als auch das zweite Objektiv 14B erzeugen bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ein reales, relativ zum betrachteten Objekt O auf dem Kopf stehendes Bild in einer dem jeweiligen Objektiv 14A, 14B zugeordneten Bildebene. Das dem ersten Objektiv 14A zugeordnete erste Prismensystem 16A (erste Bildstabilisierungseinheit) sowie das dem zweiten Objektiv 14B zugeordnete zweite Prismensystem 16B (zweite Bildstabilisierungseinheit) werden zur Bildaufrichtung verwendet. Somit wird das auf dem Kopf stehende Bild wieder aufgerichtet und in einer neuen Bildebene, der linken Zwischenbildebene 23A oder der rechten Zwischenbildebene 23B, abgebildet. Das erste Prismensystem 16A (erste Bildstabilisierungseinheit) und das zweite Prismensystem 16B (zweite Bildstabilisierungseinheit) können als Abbe-König-Prismensystem, Schmidt-Pechan-Prismensystem, Uppendahl-Prismensystem, Porro-Prismensystem oder einer anderen Prismensystem-Variante aufgebaut sein.
In der linken Zwischenbildebene 23A ist beispielsweise eine das Sehfeld scharf begrenzende erste Feldblende angeordnet. Ferner kann beispielsweise in der rechten Zwischenbildebene 23B eine das Sehfeld scharf begrenzende zweite Feldblende angeordnet sein.
Das erste Okular 17A wird verwendet, um das Bild der linken Zwischenbildebene 23A in eine beliebige Entfernung, z.B. ins Unendliche oder in eine andere Entfernung, abzubilden. Ferner wird das zweite Okular 17B dazu verwendet, um das Bild der rechten Zwischenbildebene 23B in eine beliebige Entfernung, z.B. ins Unendliche oder in eine andere Entfernung, abzubilden.
Die erste Aperturblende 54A des ersten optischen Teilsystems 12 und die zweite Aperturblende 54B des zweiten optischen Teilsystems 13 können entweder durch eine Fassung eines optischen Elements des entsprechenden optischen Teilsystems 12 , 13, in der Regel durch die Fassung der Linsen der ersten Fronteinheit 51A oder der zweiten Fronteinheit 51B, oder durch eine separate Blende gebildet sein. Sie kann in Strahlrichtung durch das entsprechende optische Teilsystem 12 oder 13 in eine Ebene abgebildet werden, die in Strahlrichtung hinter dem entsprechenden Okular 17A oder 17B liegt und typischerweise 5 bis 25 mm Abstand zu diesem hat. Diese Ebene wird Ebene der Austrittspupille genannt.
Zum Schutz des Benutzers vor seitlich einfallendem Licht können an dem ersten Okular 17A eine ausziehbare, ausdrehbare oder umklappbare erste Augenmuschel 55A und an dem zweiten Okular 17B eine ausziehbare, ausdrehbare oder umklappbare zweite Augenmuschel 55B vorgesehen sein.
Das Fernglas 1 weist eine erste Erkennungseinheit 37A auf (nicht in 1B dargestellt). Ferner weist das Fernglas eine zweite Erkennungseinheit 37B auf (nicht in 1B dargestellt). Auf die erste Erkennungseinheit 37A und die zweite Erkennungseinheit 37B wird weiter unten noch näher eingegangen.
2A zeigt eine schematische Darstellung des ersten optischen Teilsystems 12, das in dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet ist. Das in dem zweiten Gehäuseteil 3 angeordnete zweite optische Teilsystem 13 weist einen identischen Aufbau wie das erste optische Teilsystem 12 auf. Somit gelten die nachfolgenden Ausführungen hinsichtlich des ersten optischen Teilsystems 12 auch für das zweite optische Teilsystem 13.
Wie aus 2A ersichtlich, sind entlang der ersten optischen Achse 10 von dem Objekt O in Richtung des ersten Auges 15A des Benutzers das erstes Objektiv 14A, die erste Bildstabilisierungseinheit 16A sowie das erste Okular 17A angeordnet. Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die erste Bildstabilisierungseinheit 16A als Prismenumkehrsystem ausgebildet. Alternativ hierzu ist es bei einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass die erste Bildstabilisierungseinheit 16A als Linsenumkehrsystem ausgebildet ist. Wie oben genannt, weist das zweite optische Teilsystem 13 einen identischen Aufbau wie das erste optische Teilsystem 12 auf. So ist hier das zweite Prismensystem als zweite Bildstabilisierungseinheit 16B ausgebildet.
2B zeigt eine weitere schematische Darstellung des Fernglases 1. 2B beruht auf der 1B. Gleiche Bauteile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 2B zeigt nun auch die Bewegungsvorrichtungen für die erste Bildstabilisierungseinheit 16A und die zweite Bildstabilisierungseinheit 16B. Die erste Bildstabilisierungseinheit 16A ist in einer ersten Kardanik 60A angeordnet. Die zweite Bildstabilisierungseinheit 16B ist in einer zweiten Kardanik 60B angeordnet.
Die Anordnung der beiden Bildstabilisierungseinheiten 16A und 16B ist in der 2C detaillierter dargestellt. Die erste Kardanik 60A weist eine erste äußere Aufhängung 61A auf, die über eine erste Achse 18A an dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet ist. Die erste äußere Aufhängung 61A ist drehbar um die erste Achse 18A angeordnet. Ferner weist die erste Kardanik 60A eine erste innere Aufhängung 62A auf, die über eine zweite Achse 19A an der ersten äußeren Aufhängung 61A drehbar angeordnet ist. Über eine erste Antriebseinheit 24A wird die erste innere Aufhängung 62A um die zweite Achse 19A gedreht. Ferner ist eine zweite Antriebseinheit 24B vorgesehen, mittels welcher die erste äußere Aufhängung 61A um die erste Achse 18A gedreht wird. 2E zeigt das Vorgenannte in einer vergrößerten Darstellung. Die erste Bildstabilisierungseinheit 16A wird mittels Klemmhalter 71 an der ersten inneren Aufhängung 62A gehalten.
Die zweite Bildstabilisierungseinheit 16B ist an der zweiten Kardanik 60B angeordnet. Die zweite Kardanik 60B weist eine zweite äußere Aufhängung 61B auf, die über eine dritte Achse 18B an dem zweiten Gehäuseteil 3 angeordnet ist. Die zweite äußere Aufhängung 61B ist drehbar um die dritte Achse 18B angeordnet. Ferner weist die zweite Kardanik 60B eine zweite innere Aufhängung 62B auf, die über eine vierte Achse 19B an der zweiten äußeren Aufhängung 61B drehbar angeordnet ist. Über eine dritte Antriebseinheit 24C wird die zweite innere Aufhängung 62B um die vierte Achse 19B gedreht. Ferner ist eine vierte Antriebseinheit 24D vorgesehen, mittels welcher die zweite äußere Aufhängung 61B um die dritte Achse 18B gedreht wird.
Wie oben erwähnt, zeigt 2A das erste optische Teilsystem 12. Die erste Bildstabilisierungseinheit 16A ist mittels der ersten Kardanik 60A derart angeordnet, dass sie um zwei zueinander rechtwinklig angeordnete Achsen drehbar gelagert ist, nämlich um die erste Achse 18A und um die zweite Achse 19A, welche in die Blattebene hineinragt. Die erste Achse 18A und die zweite Achse 19A schneiden sich in einem ersten Schnittpunkt 20A. Der erste Schnittpunkt 20A ist unterschiedlich zu einem ersten optisch neutralen Punkt auf der ersten optischen Achse 10 angeordnet.
Wie oben bereits erwähnt, gelten die vorstehend und nachstehend aufgeführten Anmerkungen hinsichtlich des ersten optischen Teilsystems 12 für das zweite optische Teilsystem 13 entsprechend.
Die 3A - 3C zeigen schematische Darstellungen einer Antriebseinheit 24 in Form eines Piezo-Biegeaktors, wobei unter einem Aktor ein Stellelement verstanden wird, das eine Kraft oder eine Bewegung erzeugen kann. In der Literatur wird ein solches Stellelement oft auch als Aktuator bezeichnet. Die erste Antriebseinheit 24A, die zweite Antriebseinheit 24B, die dritte Antriebseinheit 24C und die vierte Antriebseinheit 24D sind beispielsweise identisch zu der Antriebseinheit 24 aufgebaut.
Die 3A zeigt eine schematische Darstellung der Antriebseinheit 24. Die Antriebseinheit 24 weist eine erste Piezokeramik 25 und eine zweite Piezokeramik 26 auf, die aufeinander angeordnet sind. Über eine Spannungseinheit 27 kann sowohl die erste Piezokeramik 25 als auch die zweite Piezokeramik 26 mit einer Spannung versorgt werden. Mit anderen Worten ausgedrückt wird an der ersten Piezokeramik 25 eine erste Spannung angelegt, und an der zweiten Piezokeramik 26 wird eine zweite Spannung angelegt. Die beiden vorgenannten Spannungen an der ersten Piezokeramik 25 und an der zweiten Piezokeramik 26 werden gegenpolig geschaltet, sodass beispielsweise zum einen sich die erste Piezokeramik 25 ausdehnt und zum anderen sich die zweite Piezokeramik 26 zusammenzieht. Hierdurch verbiegt sich die Gesamtanordnung der ersten Piezokeramik 25 und der zweiten Piezokeramik 26, wie in den 3B und 3C dargestellt. Diese Bewegungen werden nun genutzt, um die erste Bildstabilisierungseinheit 16A oder die zweite Bildstabilisierungseinheit 16B zu bewegen.
Es wird explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung nicht auf die beschriebene Antriebseinheit 24 in Form eines Piezo-Biegeaktors eingeschränkt ist. Vielmehr können jegliche Arten von Antriebseinheiten verwendet werden, die für die Durchführung einer Bewegung der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A oder der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B geeignet sind. Hierunter fallen auch Antriebseinheiten, die nicht auf Basis der Piezo-Technik arbeiten. Weitere geeignete Antriebseinheiten auf Basis der Piezo-Technik sind beispielsweise ein Piezo-Linearaktor, ein Piezo-Wanderwellenaktor oder ein Ultraschallmotor.
Es ist vorgesehen, dass die Bewegung der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A oder der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B und somit auch die Position (Drehposition) der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A oder der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B mit mindestens einem Sensor überwacht werden. Beispielsweise sind ein erster Sensor für eine Bewegung relativ zur ersten Achse 18A und ein zweiter Sensor für eine Bewegung relativ zur zweiten Achse 19A vorgesehen. Zusätzlich oder alternativ sind ein dritter Sensor für eine Bewegung relativ zur dritten Achse 18B und ein vierter Sensor für eine Bewegung relativ zur vierten Achse 19B vorgesehen. Beispielsweise wird als Sensor ein Hallsensor verwendet. Die Erfindung ist aber auf diese Art von Sensoren nicht eingeschränkt. Vielmehr kann jede geeignete Art von Sensor und auch jede geeignete Anzahl von Sensoren verwendet werden. Der vorgenannte Sensor dient der Verbesserung der Qualität der Bildstabilisierung. Es wird explizit darauf hingewiesen, dass die Erfindung auf die Verwendung eines derartigen Sensors nicht eingeschränkt ist. Vielmehr kann bei der Erfindung auch kein Sensor vorgesehen sein.
Die 4 ist ein Blockschaltbild einer Ausführungsform von Steuer- und Messeinheiten des Fernglases 1. Die dargestellte Ausführungsform weist zwei Erkennungseinheiten auf, nämlich die erste Erkennungseinheit 37A und die zweite Erkennungseinheit 37B. Die erste Erkennungseinheit 37A ist mit einem ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38, mit der ersten Kardanik 60A der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A, mit der ersten Antriebseinheit 24A und mit der zweiten Antriebseinheit 24B verbunden. Die erste Erkennungseinheit 37A ist beispielsweise in dem ersten Gehäuseteil 2 angeordnet. Die zweite Erkennungseinheit 37B ist mit einem zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39, mit der zweiten Kardanik 60B der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B, mit der dritten Antriebseinheit 24C und mit der vierten Antriebseinheit 24D verbunden. Die zweite Erkennungseinheit 37B ist beispielsweise in dem zweiten Gehäuseteil 3 angeordnet. Ein Knickbrückensensor 40 (vgl. 1B) ist sowohl mit der ersten Erkennungseinheit 37A als auch mit der zweiten Erkennungseinheit 37B verbunden. Darüber hinaus ist der erste Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38 mit der zweiten Erkennungseinheit 37B verbunden. Ferner ist der zweite Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39 mit der ersten Erkennungseinheit 37A verbunden. Dieses Ausführungsbeispiel verwendet demnach jeweils eine separate Erkennungseinheit zum einen für das erste optische Teilsystem 12 in dem ersten Gehäuseteil 2 und zum anderen für das zweite optische Teilsystem 13 in dem zweiten Gehäuseteil 3, wobei allerdings die Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 38, 39 zur Detektion von Bewegungen des Fernglases 1 gemeinsam genutzt werden.
Der erste Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38 und der zweite Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39 dienen der Detektion von Bewegungen, insbesondere Verschwenkungen, des Fernglases 1. Beispielsweise detektieren sie rotatorische und/oder translatorische Zitterbewegungen, aber auch gewollte Verschwenkungen des Fernglases 1 um mindestens eine Achse. Eine derartige gewollte Verschwenkung erfolgt beispielsweise bei der Nachverfolgung eines beobachteten, sich bewegenden Objekts O.
Wie oben festgehalten, weist das Fernglas 1 einen Knickbrückensensor 40 auf. Die Verwendung des Knickbrückensensors 40 hat folgenden Hintergrund. Die relative Lage der Drehachsen (nämlich zum einen der ersten Achse 18A sowie der zweiten Achse 19A der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A und zum anderen der dritten Achse 18B sowie der vierten Achse 19B der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B) ändert sich bei Einstellung des Augenabstandes über die Knickbrücke 4. Um eine genaue Einstellung der Drehbewegung der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A relativ zu der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B zur Bildstabilisierung durch Positionieren der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A und der zweiten Bildstabilisierungseinheit 16B erzielen zu können, ist es wünschenswert, die genaue relative Lage der jeweiligen Drehachsen zu kennen. Der Knickbrückensensor 40 ermittelt nun einen so genannten Knickbrückenwinkel α zwischen einer ersten Scharnierteilachse 72 des ersten Scharnierteils 5 und einer zweiten Scharnierteilachse 73 des zweiten Scharnierteils 6, wobei die erste Scharnierteilachse 72 und die zweite Scharnierteilachse 73 einen gemeinsamen Schnittpunkt mit der Gelenkachse 74 aufweisen (vgl. 2C und 2D). Dabei ist es beispielsweise vorgesehen, mittels des Knickbrückensensors 40 den tatsächlichen Knickbrückenwinkel α zu bestimmen, was nachfolgend erläutert wird. Beispielsweise kann der Knickbrückenwinkel α in der 2C, in welcher die erste Achse 18A und die dritte Achse 18B parallel zueinander angeordnet sind, bereits 175° betragen. In der 2D ist nun eine Ausrichtung der ersten Scharnierteilachse 72 und der zweiten Scharnierteilachse 73 dargestellt, in welcher der Knickbrückenwinkel α beispielsweise 145° beträgt. Dann ist der tatsächliche Knickbrückenwinkel α hinsichtlich der ersten Achse 18A und der dritten Achse 18B die Differenz der beiden gemessenen Knickbrückenwinkel, also 30°. Der auf diese oder ähnliche Weise ermittelte Knickbrückenwinkel ermöglicht nun eine Transformation von Koordinaten eines ersten Koordinatensystems von Baueinheiten des ersten Gehäuseteils 2 in Koordinaten eines zweiten Koordinatensystems von Baueinheiten des zweiten Gehäuseteils 3.
5 zeigt ein weiteres Blockschaltbild, welches auf der 4 beruht. Gleiche Einheiten sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. 5 verdeutlicht den Zusammenhang der Winkelgeschwindigkeitsdetektoren 38 und 39, der Erkennungseinheiten 37A und 37B sowie der Antriebseinheiten 24A bis 24D. Wie oben bereits genannt, ist die erste Erkennungseinheit 37A mit dem ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38 verbunden. Die erste Erkennungseinheit 37A weist einen ersten Tiefpassfilter 80A auf, der direkt mit dem ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38 verbunden ist. Ein erster Analog-Digital-Wandler 81A ist dem ersten Tiefpassfilter 80A nachgeschaltet. Ferner ist eine erste Integrationseinheit 82A dem ersten Analog-Digital-Wandler 81A nachgeschaltet. Darüber hinaus weist die erste Erkennungseinheit 37A einen ersten Betriebsmodusschalter 83A und eine erste Parametereinheit 84A auf. Die erste Parametereinheit 84A ist mit der ersten Integrationseinheit 82A verbunden und ist zwischen den ersten Betriebsmodusschalter 83A und die erste Integrationseinheit 82A geschaltet. Ebenfalls wurde bereits weiter oben genannt, dass die zweite Erkennungseinheit 37B mit dem zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39 verbunden ist. Die zweite Erkennungseinheit 37B weist einen zweiten Tiefpassfilter 80B auf, der direkt mit dem zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39 verbunden ist. Ein zweiter Analog-Digital-Wandler 81B ist dem zweiten Tiefpassfilter 80B nachgeschaltet. Ferner ist eine zweite Integrationseinheit 82B dem zweiten Analog-Digital-Wandler 81B nachgeschaltet. Darüber hinaus weist die zweite Erkennungseinheit 37B einen zweiten Betriebsmodusschalter 83B und eine zweite Parametereinheit 84B auf. Die zweite Parametereinheit 84B ist mit der zweiten Integrationseinheit 82B verbunden und ist zwischen den zweiten Betriebsmodusschalter 83B und die zweite Integrationseinheit 82B geschaltet.
Die Art der beiden Tiefpassfilter 80A und 80B ist beliebig wählbar. Bei dem Fernglas 1 ist es vorgesehen, eine Kombination aus einem elektrischen Tiefpassfilter, einem digitalen Tiefpassfilter und einem digitalen Shelving-Filter erster Ordnung zu verwenden, wobei die vorgenannten Filter in Reihe geschaltet sind. Bei dieser Kombination der Filter ist von Vorteil, dass eine Verzögerung des Eingangssignals der Kombination der vorgenannten Filter und des Ausgangssignals der Kombination der vorgenannten Filter von 45° erfolgt. Reine Tiefpassfilter weisen eine Verzögerung von 90° auf. Eine geringe Verzögerung ist von Vorteil, um eine Bildstabilisierung in „Echtzeit“ zu erzielen.
Bei der hier dargestellten Ausführungsform des Fernglases 1 ist es nun vorgesehen, die Art einer Verschwenkung (also eine ungewollte Verschwenkung oder eine gewollte Verschwenkung) zu erkennen und eine Bildstabilisierung auf Basis der erkannten und festgestellten Art der Verschwenkung vorzunehmen.
Hierzu wird zunächst mittels des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 38 und des zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 39 eine Winkelgeschwindigkeit aufgrund einer Bewegung des Fernglases 1 relativ zur beobachteten Umgebung detektiert. Der erste Winkelgeschwindigkeitsdetektor 38 und der zweite Winkelgeschwindigkeitsdetektor 39 liefern von der Bewegung abhängige Winkelgeschwindigkeitssignale. Das Winkelgeschwindigkeitssignal des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 38 wird der ersten Erkennungseinheit 37A zugeführt. Das Winkelgeschwindigkeitssignal des zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 39 wird der zweiten Erkennungseinheit 37B zugeführt. Genauer gesagt, wird das Winkelgeschwindigkeitssignal des ersten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 38 dem ersten Tiefpassfilter 80A zugeführt, und das Winkelgeschwindigkeitssignal des zweiten Winkelgeschwindigkeitsdetektors 39 wird dem zweiten Tiefpassfilter 80B zugeführt.
Diese beiden Tiefpassfilter 80A und 80B stellen sicher, dass Frequenzen bis 20 Hz ungehindert die beiden Tiefpassfilter 80A und 80B passieren und der weiteren Signalverarbeitung zur Bildstabilisierung zugeführt werden können. Die hohen Frequenzen, welche oberhalb des zu stabilisierenden Frequenzbereichs liegen, werden durch die beiden Tiefpassfilter 80A und 80B herausgefiltert. Sie tragen daher zur Bildstabilisierung nicht bei.
Nachfolgend wird nun erläutert, wie die erste Erkennungseinheit 37A eingesetzt wird. Da die zweite Erkennungseinheit 37B identisch zu der ersten Erkennungseinheit 37A ausgebildet ist, gilt das Nachstehende analog auch für die zweite Erkennungseinheit 37B.
Das gefilterte Signal des ersten Tiefpassfilters 80A wird über den ersten Analog-Digital-Wandler 81A an die erste Integrationseinheit 82A weitergeleitet. Das Ausgangssignal der ersten Integrationseinheit 82A ist durch die Gleichung 1 bestimmt, die nachfolgend nochmals wiedergegeben ist: $Σ (t_{2}) = γ (Σ (t_{1})) \cdot Σ (t_{1}) + α (t_{1})$
Hinsichtlich der Bedeutung der einzelnen Variablen der Gleichung 1 wird auf weiter oben verwiesen.
Die Funktion γ kann in der ersten Parametereinheit 84A durch Betätigen des ersten Betriebsmodusschalters 83A eingestellt werden. Durch eine bestimmte Wahl der Funktion γ können die Eigenschaften der Bildstabilisierung eingestellt werden. Beispielsweise kann gewählt werden, wie lange eine Bildstabilisierung erfolgen soll oder ob eine Bildstabilisierung nur bei einer Verschwenkung ab einer Grenzamplitude erfolgen soll.
Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist die Funktion γ beispielsweise wie folgt gegeben: $γ (Σ) = γ_{1} - γ_{2} Σ s i g n u m (Σ)$
γ₁ ist ein frei wählbarer Parameter, der bestimmt, wie schnell das Ausgangssignal der ersten Integrationseinheit 82A für kleine Amplituden der Verschwenkungen wieder auf Null abfällt. Bei Wahl eines kleinen Parameters γ₁ (beispielsweise im Bereich von 0,1) werden nur im Signal verbliebene höhere Frequenzen für die Bildstabilisierung herangezogen. Wenn der Parameter γ₁ nahe 1 liegt (beispielsweise 0,9), dann werden im Grunde alle im Signal verbliebenen Frequenzen für die Bildstabilisierung herangezogen.
γ₂ ist ebenfalls ein frei wählbarer Parameter, der bestimmt, wie stark der Einfluss der Amplitude der Verschwenkung des Fernglases 1 auf den Frequenzgang ist. Bei kleinen Werten von γ₂ (beispielsweise 0,1) werden bei großen Amplituden noch im Signal verbliebene höhere Frequenzen für die Bildstabilisierung herangezogen. Wenn der Parameter γ₂ groß ist, dann erfolgt dies bereits bei kleinen Amplituden (beispielsweise wenn γ₂ im Bereich von 1 liegt, insbesondere bei ca. 0,9).
Für die Funktion signum in der Gleichung 3 gilt: signum(x) = 1 für x größer oder gleich 0 und signum(x) = -1 für x kleiner als 0.
Wie oben auch bereits erwähnt, kann das Ausgangssignal der ersten Integrationseinheit 82A auch durch die Gleichung 2 bestimmt sein, welche nachfolgend nochmals wiedergegeben ist: $Σ (t_{2}) = F (Σ (t_{1})) + α (t_{1})$
Die Funktion F kann bei einer Ausführungsform des Fernglases 1 analog zur Gleichung 3 definiert sein, also durch: $F (Σ) = (γ_{1} - γ_{2} Σ s i g n u m (Σ)) Σ$
Hinsichtlich der Bedeutung der Variablen wird auf weiter oben verwiesen. Ferner gilt das bereits zur Gleichung 3 Gesagte ebenfalls für die Gleichung 4.
Die Funktion F kann dabei beispielsweise ein Polynom sein, insbesondere in der Form $F (x) = P (x)$
wobei $P (x) = \sum_{0}^{n} (γ_{n} \cdot x^{n} \cdot s i g (x, n))$
mit

sig(x,n)= 1 für n= 0, 2, 4, 6...
sig(x,n)= 1 für x≥0 und n= 1, 3, 5, 7....
sig(x,n)= -1 für x<0 und n= 1, 3, 5, 7, ...

Das Ausgangssignal der ersten Integrationseinheit 82A wird nun an die erste Antriebseinheit 24A und die zweite Antriebseinheit 24B geleitet, so dass die erste Kardanik 60A zur Bildstabilisierung angesteuert wird. Es werden Drehwinkel um die Drehachsen der ersten Bildstabilisierungseinheit 16A (beispielsweise die erste Achse 18A und die zweite Achse 19A) ermittelt. Die ermittelten Drehwinkel werden nun in erste Korrekturwinkel umgerechnet, um welche die erste Bildstabilisierungseinheit 16A gedreht werden muss, um im Raum positioniert zu werden.
Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass mindestens einer der vorstehenden und/oder nachstehenden Winkelgeschwindigkeitsdetektoren durch einen Beschleunigungsdetektor ersetzt ist. Durch Integration über eine vorgebbare Zeit erhält man dann ebenfalls die Geschwindigkeit.
Hinsichtlich der Vorteile der Erfindung wird ausdrücklich auf weiter oben verwiesen.
Die in der vorliegenden Beschreibung, in den Zeichnungen sowie in den Ansprüchen offenbarten Merkmale der Erfindung können sowohl einzeln als auch in beliebigen Kombinationen für die Verwirklichung der Erfindung in ihren verschiedenen Ausführungsformen wesentlich sein.
Bezugszeichenliste

1: Fernglas
2: erstes Gehäuseteil
3: zweites Gehäuseteil
4: Knickbrücke
5: erstes Scharnierteil
6: zweites Scharnierteil
7: erstes Aufnahmeteil
8: zweites Aufnahmeteil
9: drittes Aufnahmeteil
10: erste optische Achse
11: zweite optische Achse
12: erstes optisches Teilsystem
13: zweites optisches Teilsystem
14A: erstes Objektiv
14B: zweites Objektiv
15A: erstes Auge
15B: zweites Auge
16A: erste Bildstabilisierungseinheit (erstes Prismensystem)
16B: zweite Bildstabilisierungseinheit (zweites Prismensystem)
17A: erstes Okular
17B: zweites Okular
18A: erste Achse
18B: dritte Achse
19A: zweite Achse
19B: vierte Achse
20A: erster Schnittpunkt
21: erste Eintrittsfläche
22: erste Austrittsfläche
23A: linke Zwischenbildebene
23B: rechte Zwischenbildebene
24: Antriebseinheit (Piezo-Biegeaktor)
24A: erste Antriebseinheit
24B: zweite Antriebseinheit
24C: dritte Antriebseinheit
24D: vierte Antriebseinheit
25: erste Piezokeramik
26: zweite Piezokeramik
27: Spannungseinheit
37A: erste Erkennungseinheit
37B: zweite Erkennungseinheit
38: erster Winkelgeschwindigkeitsdetektor
39: zweiter Winkelgeschwindigkeitsdetektor
40: Knickbrückensensor
51A: erste Fronteinheit
51B: zweite Fronteinheit
52A: erste Fokussiereinheit
52B: zweite Fokussiereinheit
53: Drehknopf
54A: erste Aperturblende
54B: zweite Aperturblende
55A: erste Augenmuschel
55B: zweite Augenmuschel
60A: erste Kardanik
60B: zweite Kardanik
61A: erste äußere Aufhängung
61B: zweite äußere Aufhängung
62A: erste innere Aufhängung
62B: zweite innere Aufhängung
71: Klemmhalter
72: erste Scharnierteilachse
73: zweite Scharnierteilachse
74: Gelenkachse
80A: erster Tiefpassfilter
80B: zweiter Tiefpassfilter
81A: erster Analog-Digital-Wandler
81B: zweiter Analog-Digital-Wandler
82A: erste Integrationseinheit
82B: zweite Integrationseinheit
83A: erster Betriebsmodusschalter
83B: zweiter Betriebsmodusschalter
84A: erste Parametereinheit
84B: zweite Parametereinheit
O: Objekt

Claims

Optisches System (1) zur Abbildung eines Objekts (O), mit - mindestens einem ersten Objektiv (14A), - mindestens einer ersten Bildstabilisierungseinheit (16A), - mindestens einer ersten Bildebene (23A), wobei von dem ersten Objektiv (14A) in Richtung der ersten Bildebene (23A) gesehen zunächst das erste Objektiv (14A), dann die erste Bildstabilisierungseinheit (16A) und dann die erste Bildebene (23A) entlang einer ersten optischen Achse (10) angeordnet sind, und mit - mindestens einer ersten Erkennungseinheit (37A) zur Erkennung einer gewollten oder ungewollten Verschwenkung des optischen Systems (1) um eine erste Rotationsachse, wobei die erste Erkennungseinheit (37A) mindestens einen ersten Tiefpassfilter (80A) aufweist, dadurch gekennzeichnet, das der erste Tiefpassfilter (80A) eine Kombination aus einem elektrischen Tiefpassfilter, einem digitalen Tiefpassfilter und einem digitalen Shelving-Filter erster Ordnung ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Tiefpassfilter, der digitale Tiefpassfilter und der digitale Shelving-Filter erster Ordnung in Reihe geschaltet sind.
Optisches System (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erkennungseinheit (37A) mindestens eine erste Integrationseinheit (82A) aufweist, welche dem ersten Tiefpassfilter (80A) nachgeschaltet ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Integrationseinheit (82A) mindestens eine erste Eingangsleitung mit mindestens einem ersten Eingangssignal und mindestens eine erste Ausgangsleitung mit mindestens einem ersten Ausgangssignal aufweist, wobei das erste Ausgangssignal durch die folgende Gleichung bestimmt ist: $Σ (t_{2}) = γ (Σ (t_{1})) \cdot Σ (t_{1}) + α (t_{1})$
wobei α(t₁) das erste Eingangssignal zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ist, Σ(t₁) das erste Ausgangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist, γ (Σ(t₁)) eine Funktion zur Steuerung einer zeitlichen Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist, die abhängig vom ersten Ausgangssignal ist, sowie Σ(t₂) das erste Ausgangssignal zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Integrationseinheit (82A) mindestens eine erste Eingangsleitung mit mindestens einem ersten Eingangssignal und mindestens eine erste Ausgangsleitung mit mindestens einem ersten Ausgangssignal aufweist, wobei das erste Ausgangssignal durch die folgende Gleichung bestimmt ist: $Σ (t_{2}) = F (Σ (t_{1})) + α (t_{1})$
wobei α(t₁) das erste Eingangssignal zu einem ersten Zeitpunkt t₁ ist, Σ(t₁) das erste Ausgangssignal zu dem ersten Zeitpunkt t₁ ist, F (Σ(t₁)) eine Funktion zur Steuerung einer zeitlichen Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist, die abhängig vom ersten Ausgangssignal ist, sowie Σ(t₂) das erste Ausgangssignal zu einem zweiten Zeitpunkt t₂ ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1) mindestens eines der folgenden Merkmale aufweist: - Die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist zur proportionalen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet, oder - die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null ist zur mindestens 3-fachen proportionalen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet.
Optisches System (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktion zur Steuerung der Führung des ersten Ausgangssignals auf den Wert Null zur nichtlinearen Vergrößerung oder Verkleinerung des ersten Ausgangssignals zu dem ersten Zeitpunkt ausgebildet ist.
Optisches System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (1) die folgenden Merkmale aufweist: - mindestens ein zweites Objektiv (14B), - mindestens eine zweite Bildstabilisierungseinheit (16B), und - mindestens eine zweite Bildebene (23B), wobei von dem zweiten Objektiv (14B) in Richtung der zweiten Bildebene (23B) gesehen zunächst das zweite Objektiv (14B), dann die zweite Bildstabilisierungseinheit (16B) und dann die zweite Bildebene (23B) entlang einer zweiten optischen Achse (11) angeordnet sind.
Optisches System (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass - das optische System (1) mindestens eine zweite Erkennungseinheit (37B) zur Erkennung einer gewollten oder ungewollten Verschwenkung des optischen Systems (1) um eine zweite Rotationsachse aufweist, - die zweite Erkennungseinheit (37B) mindestens einen zweiten Tiefpassfilter (80B) aufweist, und dass - die zweite Erkennungseinheit (37B) mindestens eine zweite Integrationseinheit (82B) aufweist, welche dem zweiten Tiefpassfilter (80B) nachgeschaltet ist.
Optisches System (1) nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Objektiv (14A), die erste Bildstabilisierungseinheit (16A) und die erste Bildebene (23A) in einem ersten Gehäuse (2) angeordnet sind, und dass - das zweite Objektiv (14B), die zweite Bildstabilisierungseinheit (16B) und die zweite Bildebene (23B) in einem zweiten Gehäuse (3) angeordnet sind.
Optisches System (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Gehäuse (2) mit dem zweiten Gehäuse (3) über mindestens eine Knickbrücke (4) verbunden ist, - die Knickbrücke (4) ein an dem ersten Gehäuse (2) angeordnetes erstes Scharnierteil (5) aufweist, und dass - die Knickbrücke (4) ein an dem zweiten Gehäuse (3) angeordnetes zweites Scharnierteil (6) aufweist.
Optisches System (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Erkennungseinheit (37A) mit mindestens einem ersten Bewegungsdetektor (38) zur Detektion einer Bewegung des optischen Systems (1) verbunden ist.
Optisches System (1) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Erkennungseinheit (37B) mit mindestens einem zweiten Bewegungsdetektor (39) zur Detektion einer Bewegung des optischen Systems (1) verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb eines optischen Systems (1) nach einem der vorangehenden Ansprüche, mit einem - Erkennen einer Verschwenkung des optischen Systems (1) mittels der ersten Erkennungseinheit (37A) und Bereitstellen eines ersten Detektionssignals, dadurch gekennzeichnet, dass - das erste Detektionssignal mittels des ersten Tiefpassfilters (80A) gefiltert wird und ein erstes Filtersignal erzeugt wird, und dass - das erste Filtersignal zur Bestimmung der Verschwenkung als eine gewollte oder ungewollte Verschwenkung verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Filtersignal mittels der ersten Integrationseinheit (82A) integriert wird und dass das erste Ausgangssignal durch die Gleichung nach Anspruch 4 oder 5 bestimmt wird.