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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung beziehen sich auf eine Unterwasserkamera sowie auf ein Fahrzeug, das mit selbiger ausgestattet ist. Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist diese Unterwasserkamera für den Tiefseeeinsatz geeignet und umfasst eine verbesserte Optik.
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In der Tiefsee wird zur Exploration und der Kartierung in der Regel Sonartechnologie eingesetzt. In den letzten Jahren gibt es aber auch zunehmendes Interesse an optischen Verfahren wie Video, Photographie oder Laserscanning als Ersatz oder zur Ergänzung. Einerseits erlauben optische Verfahren auch Abstandsmessungen oder Abbildungen von sehr nahen Objekten, andererseits ergänzen optische Bilder die Information und sind auch für Menschen besser begreifbar und ansprechender.
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Eine große Herausforderung ist es, Unterwasserkameras zu bauen, die gleichsam eine derart ausgebildete Optik aufweisen, dass die Abbildungsqualität nicht leidet, sowie auch geschützt gegenüber dem Eindringen von Flüssigkeit aus der Umgebung ist. Im Stand der Technik gibt es hierzu einige Ansätze.
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In der Regel setzt man in der Tiefsee auf die Verwendung von Druckkörpern, wie etwa bei Kwasnitschka et al. (Veröffentlichung mit dem Titel „DeepSurveyCam - A Deep Ocean Optical Mapping System“, Januar 2016) beschrieben ist.
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Kamera und Optik befinden sich in einem dickwandigen Gehäuse aus Stahl, Titan, Aluminium oder Hochleistungskunststoff. In Richtung der abzubildenden Objekte befindet sich eine dickwandige Halbkugelschale aus Borosilikatglas oder einem anderen Material, die einerseits den Druckunterschied von mehreren hundert bar abfängt und andererseits das Licht durchlässt.
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Die Veröffentlichung mit dem Aktenzeichen
WO 95/012285 A1 zeigt eine hydrostatische Kameralinse mit einer entsprechenden Aufnahmevorrichtung für den Tiefsee-Einsatz. Hier wird ein offenes Gehäuse verwendet, das mit einer Flüssigkeit gefüllt ist. Die
US 2002/0003584 A1 beschreibt eine digitale Unterwasserkamera, die in ein Plastik eingeschlossen ist.
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Die
US 3,717,078 A beschreibt ein druckresistives Unterwassergehäuse. Dieses Unterwassergehäuse wird mit einem Fluid gefüllt, das einen Druckausgleich gegenüber dem Seewasser ermöglicht. Die
US 5,166,714 A beschreibt eine Unterwasserkamera mit einem Auslösemechanismus inklusive einem mit Flüssigkeit gefüllten Filmtransportmechanismus.
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In einer Veröffentlichung von Holzschuh et al. (Titel: „A Pressure Tolerant TV Camera“, Januar 1978) wurde eine druckneutrale Kamera beschrieben. Unter einer druckneutralen Technologie wird verstanden, dass alle Komponenten einer Vorrichtung so ausgeführt sind, dass sie isotrop dem Wasserdruck ausgesetzt werden können. Beispielsweise schützt eine Flüssigkeit oder ein Kunststoff in der Vorrichtung die Elektronik oder andere empfindliche Materialien oder Komponenten in Salzwasser oder Wasser.
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Normale refraktive Optiken haben aber in druckneutraler Ausführung Nachteile. Während Luft und Vakuum einen Brechungsindex von etwa 1 haben, haben Flüssigkeiten und Kunststoffe, aber auch die in Antireflexschichten verwendeten Materialien in der Regel einen Brechungsindex von etwa 1,3 oder höher. Linsen haben typischerweise einen Brechungsindex von etwa 1,5 bis 1,9. Der Brechungsindexunterschied von Linsen und Medium ist also bei einer druckneutralen Optik deutlich geringer als in Luft oder in einem luftgefüllten Druckkörper. Zudem zeigen Linsen das Phänomen der chromatischen Aberration. Diese chromatische Aberration kann durch eine Kombination mehrerer Linsen mit unterschiedlicher Dispersion reduziert werden. Für die Tiefsee müsste man aber diese Kombination neu entwickeln. Deshalb besteht der Bedarf nach einem verbesserten Ansatz.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Unterwasserkamera zu entwickeln, die einen verbesserten Kompromiss aus kostengünstiger Herstellung, Tiefseefähigkeit und optischer Abbildung bietet.
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Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst.
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Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung schaffen eine Unterwasserkamera mit einem Unterwassergehäuse, einem Lichteinfallsbereich in dem Unterwassergehäuse sowie zumindest einem optischen Element innerhalb des Unterwassergehäuses und einem Bildsensor. Das Unterwassergehäuse ist einem Wasserdruck aussetzbar angeordnet, z. B. auf der Außenseite eines Unterwasserfahrzeugs. Das Unterwassergehäuse ist weiter druckneutral ausgeführt, so dass der Wasserdruck an das zumindest eine optische Element durch das Unterwassergehäuse angelegt wird. Mindestens ein optisches Element ist ausgebildet, um ein über dem Lichteinfallsbereich einfallendes Licht reflektiv auf den Bildsensor abzubilden.
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Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Verwendung eines reflektiven optischen Elements, wie z. B. eines Hohlspiegels als optisches Hauptelement optische Vorteile bei der Abbildung bietet, so dass auch die Optik einer Unterwasserkamera ganz oder teilweise druckneutral ausgeführt sein kann. Hierbei kann beispielsweise die Druckneutralität dadurch sichergestellt werden, dass der Weg der optischen Abbildung mit einem Fluid bzw. einem Festkörper gefüllt ist. Die Verwendung derartiger Medien als optische Träger funktioniert unter Einsatz eines reflektiven Elements (vergleichbar mit Hohlspiegeln aus astronomischen Fernrohren oder kompakten Teleobjektiven für Spiegelreflex- und Systemkameras) dennoch, weil die Abbildungseigenschaften bei Spiegeln darauf beruhen, dass der Eintrittswinkel gleich dem Austrittswinkel ist. Folglich haben die Brechungsindices der einzelnen beteiligten Medien (Luft-Glas, WasserGlas, Kunststoff-..., usw.) nur Wirkung auf die Reflektivität aber nicht auf die Strahlenausbreitung. Im Resultat wird durch die hier beschriebene Lehre eine Optik für eine Unterwasserkamera geschaffen, die druckneutral ausgeführt sei kann, wodurch es ermöglicht wird, dass die Unterwasserkamera bzw. insbesondere das Unterwasserkameragehäuse kostengünstig herzustellen sind. Durch den Einsatz von einer reflektiven Optik sind auch die optischen Abbildungseigenschaften (z. B. Bündelung des einfallenden Lichts auf den Bildsensor) gut einstellbar.
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Entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen ist das reflektive optische Element ein Hohlspiegel oder ein konkav geformter Spiegel. Darüber hinaus kann entsprechend zusätzlichen Ausführungsbeispielen die Optik bzw. die Unterwasserkamera als optisches Element auch noch einen weiteren Spiegel, wie z. B. einen Hohlspiegel umfassen, der zusammen mit dem ersten optischen Element (Hohlspiegel oder konkaver Spiegel) die Abbildung des über den Lichteinfallsbereich einfallenden Lichts auf den Bildsensor ermöglicht. Hierbei kann entsprechend Ausführungsbeispielen das zumindest eine optische Element (der Hohlspiegel bzw. der konkave Spiegel) einem weiteren Spiegel gegenüberliegen, wobei der Hohlspiegel/konkaver Spiegel ausgebildet ist, das von dem Lichteinfallsbereich empfangene Licht auf dem weiteren Spiegel abzubilden, der dann wiederum ausgebildet ist, um das von dem Hohlspiegel bzw. den weiteren Spiegel reflektierte Licht (abgebildete Licht) auf dem Bildsensor abzubilden. Durch diese Anordnung wird der Strahlengang verlängert, was eine gute Fokussierung ermöglicht. Des Weiteren können sphärische Aberrationen durch derartige Mittel vermieden werden. Alle obigen Ausführungsbeispiele haben gemein, dass durch die Verwendung von Spiegeln aus optischen Elementen keine chromatischen Aberrationen entstehen können bzw. diese nur minimal sind. Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen weist die Unterwasserkamera bzw. die Optik derselben auch weitere optische Elemente, wie z. B. Linsen auf, die ebenfalls dazu beitragen, die sphärische Aberration zu unterbinden.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen kann der Bildsensor auch in einem Bereich zwischen dem Einfallsbereich und dem optischen Element (Hohlspiegel bzw. konkaver Spiegel) angeordnet sein. Hierbei ist beispielsweise der Bildsensor dem optischen Element zugewandt, so dass das über den Lichteinfallsbereich einfallende Licht reflektiv durch das zumindest eine optische Element auf den Bildsensor abgebildet wird.
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Entsprechend Ausführungsbeispielen ist der Bereich zwischen dem Lichteinfallsbereich (z. B. ein transparentes Material, wie z. B. ein Fenster) und dem zumindest einen optischen Element durch einen optischen Körper geformt. Beispielsweise kann ein Glasmaterial, ein Kristallmaterial, Kunststoffmaterial oder ein anderes massives, optisch leitendes Material den optischen Körper formen, der sich dann von dem Lichteinfallsbereich zu dem zumindest einen optischen Element erstreckt und so den druckneutralen Aufbau sicherstellt. Alternativ wäre es auch denkbar, dass der optische Körper ein Fluid, wie z. B. Wasser, Alkohol oder ein anderes transparentes Fluid umfasst. Hierbei sei angemerkt, dass entsprechend Ausführungsbeispielen auch der Bildsensor als druckneutraler Bildsensor ausgeführt sein kann oder auch entsprechend anderen Ausführungsbeispielen nur das größte optische Element, nämlich der große Hohlspiegel, als druckneutrales Element ausgebildet ist. In diesem Fall wäre dann der Kamerachip sowie gegebenenfalls optimal vorhandene andere Elemente, wie z. B. Blenden oder Shutter in einem kleinen Druckgehäuse untergebracht. Dieses ist aufgrund seiner Größe einfach und kostengünstig herzustellen, da die große Optik sich in der druckneutralen Zone (dem Wasserdruck ausgesetzt) befindet.
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Entsprechend einem weiteren Ausführungsbeispiel wird ein autonomes oder ferngesteuertes Unterwasserfahrzeug (AUV oder ROV) mit einer entsprechenden Kamera geschaffen. Dieses kann beispielsweise für den Tiefseeeinsatz ausgelegt sein. Entsprechend unterschiedlichen Ausführungsbeispielen kann die druckneutrale Kamera also durch einen Taucher bedient werden, an einem autonomen oder an einem ferngesteurten Tauchfahrzeug, an einer unbemannten Sonde, an einem anderen technischen Gerät (z.B. einem Gerät für die Förderung von Öl/Gas oder für den Tiefseebergbau) oder an einem bemannten Tauchfahrzeug (U-Boot) befestigt werden. Insofern kann die oben erläuterte Kamera auch ihre Vorteile bei einem Einsatz in der Brandungszone, zum Beispiel auf einer Offshore-Ölplattform, einer Offshore-Windkraftanlage, an einem Schiff oder an einer Hafenanlage ausspielen.
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Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen definiert. Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden anhand der beiliegenden Zeichnungen erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Unterwasserkamera gemäß einem Basisausführungsbeispiel;
- 2 eine schematische Darstellung einer Unterwasserkamera gemäß einem erweiterten Ausführungsbeispiel;
- 3a und 3b eine schematische Darstellung von Unterwasserkameras gemäß erweiterten Ausführungsbeispielen; und
- 4 ein Unterwasserfahrzeug mit einer Unterwasserkamera.
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Bevor nachfolgend Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen im Detail erläutert werden, sei darauf hingewiesen, dass gleichwirkende Elemente und Strukturen mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, so dass die Beschreibung derer aufeinander anwendbar bzw. austauschbar ist.
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1a zeigt eine Unterwasserkamera 10 mit einem Einfallsbereich 12, zumindest einem optischen Element 14 und einem Bildsensor 16. Die Unterwasserkamera 10 befindet sich, wie anhand der Wasserlinie 20 illustriert ist, unter der Wasseroberfläche.
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Zum Schutz umfasst die Unterwasserkamera 10 ein Gehäuse 10g, das druckneutral ausgeführt ist, so dass der Wasserdruck p20 gleich dem Gehäuseinnendruck p10 entspricht.
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Dies kann beispielsweise dadurch realisiert sein, dass das Gehäuse 10g den Druck p20 nach innen (vgl. p10) erweitert.
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Im Inneren des Gehäuse 10g kann beispielsweise ein Fluid im Bereich des Drucks p10 vorgesehen sein, so dass der Druck auf das optische Element 14 wirkt. Dieses optische Element ist reflektiv ausgebildet, kann z. B. ein Spiegel oder einen Hohlspiegel umfassen. In diesem Ausführungsbeispiel ist es als Hohlspiegel ausgelegt, der das über den Einfallsbereich 12 einfallende Licht I auf dem Bildsensor 16 abbildet (vgl. Bezugszeichen I'). Die bei diesem Ausführungsbeispiel verwendete Variante fokussiert das einfallende Licht I auf den Bildsensor 16, wie anhand der angewinkelten optischen Linien I' dargestellt ist.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel wird bei der Kamera nur ein optisches Element 14 verwendet, das in reflektiver Weise das Licht I bzw. I' auf den Sensor 16 abbildet. Diese befindet sich folglich in dem Bereich 10o zwischen dem Lichteinfallsbereich 12 und dem optischen Element 14. Entsprechend Ausführungsbeispielen ist dies aber auch anders zu realisieren, so dass beispielsweise der Spiegel 14 gegenüber dem Einfallsbereich 12 angeschrägt ist und so das Licht I' zur Seite hin auf den Sensor 16 abbildet, der dann außerhalb des Bereichs 10o liegen kann.
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Auch wenn der Spiegel 14 als Hohlspiegel erläutert wurde, sei darauf hingewiesen, dass auch andere Formen, wie z. B. ein Planarspiegel mit zusätzlichen optischen Elementen denkbar wäre.
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Bezüglich dem Einfallsbereich 12 sei angemerkt, dass dieser beispielsweise durch eine einfache Öffnung oder durch eine Scheibe (Kristallglas oder Kunststoff) realisiert sein kann, wobei eine derartige Scheibe nicht besonders dick und stabil sein muss, da ja der Innendruck p10 gleich dem Außendruck p20 ist und so keine Drucklast auf die Scheibe wirkt. Hierbei kann beispielsweise der Bereich 10o mit reinem Wasser, Umgebungswasser, Alkohol oder anderen Flüssigkeiten gefüllt sein. Alternativ wäre es auch denkbar, dass der Bereich 10o als Festkörper, z. B. als solides Glaselement, als solider Kristallblock oder als solider Kunststoffblock ausgeführt ist. Dieses Element im Bereich 10o bildet einen optischen Körper und schließt entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen gleich den Bereich 12 mit ein. Hierbei tritt also dann aus dem Wasser 20 das Licht I in den festen Körper 10o ein und wird auf der gegenüberliegenden Seite (gegenüberliegend zum Einfallsbereich 12) durch das optische Element, wie z. B. dem Hohlspiegel 14 gebündelt und auf den Kamerachip 16 im Inneren des Festblocks gespiegelt.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen wäre es auch denkbar, dass der Bildsensor 16 nicht nur seitlich versetzt zu dem optischen Element 14, sondern auch hinter dem optischen Element 14 angeordnet sein kann, wie nachfolgend anhand von 2 erläutert werden wird.
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2 zeigt eine Vorrichtung 10' mit dem Einfallsbereich 12, einem reflektiven optischen Element 14', hier ein Hohlspiegel mit einem transparenten Bereich sowie einem Bereich 10o im Gehäuseinneren (vgl. Gehäuse 10g).
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In dem Bereich 10o ist ein weiteres reflektives Element 15' vorgesehen, so dass das einfallende Licht I bzw., um genau zu sein, das reflektierte Licht I' (reflektiert durch das optische Element 14') auf den weiteren Spiegel 15' gebildet wird. Dieser weitere Spiegel 15' reflektiert wiederum das Licht I' auf den Detektor 16' (vgl. Bezugszeichen I"). Der Detektor 16' kann in diesem Ausführungsbeispiel hinter dem optischen Element 14' bzw. hinter dem Hohlspiegel 14 vorgesehen sein, da das Licht I" aus dem Bereich 10o herausgeführt sein kann. Alternativ wäre auch eine seitliche Anordnung des Detektors 16' denkbar, je nachdem, wie die Spiegel 14' und 15' gewinkelt zueinander angeordnet sind. Wenn man beispielsweise davon ausgeht, dass der Spiegel 15'um 45° gegenüber der dargestellten Anordnung gedreht ist (vgl. gestrichelte Position), so kann der Detektor 16' (vgl. gestrichelte Darstellung des Detektors 16') auch neben dem Bereich 10o angeordnet sein. Hierbei ist also dann der Spiegel 15' gewinkelt, z. B. um 50° gewinkelt gegenüber den einfallenden Lichtstrahlen I ausgeführt, um das zweifach reflektierte Licht I" in einem beispielsweise senkrechten Winkel zu I abzubilden.
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Je nach genauer Implementierung kann in dem Bereich 10o oder auch in dem optischen Element 14' eine Austrittsöffnung, z. B. in Form eines Fensters vorgesehen sein.
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In 3a wird ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Unterwasserkamera 10" erläutert, bei welchem der Bereich zwischen dem Eintrittsbereich 12" und dem optischen Element 14", also der Bereich 10o" massiv ausgeführt ist. Beispielsweise kann der Bereich 10o" durch einen soliden Glasblock geformt sein. Dadurch, dass der Bereich 10o" ein massiver Glasblock ist, wird auch der Lichteinfallsbereich 12" in selbigem Bereich integriert. Innerhalb des Bereichs 10o" befindet sich beispielsweise, wie bei der Kamera 10 der Bildsensor oder wie bei der Kamera 10' ein weiteres Spiegelelement, das das Licht I' (resultierend aus der Reflexion des Lichts I) als zweifach reflektiertes Licht I" auf den extern angeordneten Sensor 16' abgebildet wird.
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An dieser Stelle sei angemerkt, dass entsprechend bevorzugten Ausführungsbeispielen der Sensor 16 (vgl. Anordnung aus 1) im Zentrum des Hohlspiegels 14" angeordnet wird, so dass eine Fokussierung auf selbigen erfolgt, während bei der Variante mit einem zweiten Spiegel 15' der Spiegel 15' so angeordnet ist, dass eine Abbildung des einfallenden Lichts I fokussiert mittels der Lichtstrahlen I" auf den Sensor 16' erfolgt. Insofern erfolgt keine Fokussierung auf den Spiegel 15'.
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Bei der Konfiguration aus 3b wird eine Unterwasserkamera 10'" erläutert, die vergleichbar ist mit der Unterwasserkamera 10", wobei der Bildsensor anders ausgeführt ist. Die Anordnung des Lichteinfallsbereichs 12", des optischen Elements 14" sowie des dazwischen liegenden Bereichs 10o" ist vergleichbar mit der Anordnung aus 3a. Auch hier ist der Spiegel 15' so angeordnet, dass er das Licht als I" auf dem Bildsensor 16'" abbildet. Der Bildsensor 16'" ist in diesem Ausführungsbeispiel optional in einem eigenen Gehäuse 16g'" beherbergt. Der Hintergrund hierzu ist, dass sich die Elemente 12", 10o", 15' sowie 14" auf der Druckseite (vgl. p20 bzw. p10) befinden und druckneutral ausgeführt sind. Um nun den Sensor 16'" vor dem Umgebungsdruck p20 bzw. p10 zu schützen, weist dieser das eigene Gehäuse 16g'" auf, das so ausgelegt ist, dass der Umgebungsdruck p10 bzw. p20 nicht auf das Innere des Gehäuses 16G'" wirkt und sich in selbe ein Druck p16'" einstellt, der geringer ist als der Druck p10 bzw. p20.
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Entsprechend weiteren Ausführungsbeispielen kann im Inneren des Gehäuses bzw. allgemein im Pfad des Lichtstrahls I" eine optionale Linse 17'" vorgesehen sein, die den Lichtstrahl I" als Lichtstrahl I'" auf den Sensor 16'" abbildet. Dies kann beispielsweise den Zweck haben, dass sphärische Aberrationen vermieden werden können.
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5 zeigt ein Unterwasserfahrzeug, wie z. B. ein AUV 100, bei welchem die Kamera 10 integriert ist. Diese befindet sich an der Außenhülle, so dass der Lichteinfallsbereich 12 direkt gegenüber dem Wasser geöffnet ist und das Licht I durch diesen Bereich 12 kreuzend den Bereich 10o auf das optische Element 14 trifft.
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Das Licht I tritt aus dem Wasser 20 durch den Bereich 12 (ein Fenster oder ohne Fenster in einem Hohlkörper) in die Kamera 10 ein, wird auf die gegenüberliegende Seite des Hohlkörpers 10o bzw. des Bereichs 10o durch den Hohlspiegel 14 gebündelt und von dort auf weitere Spiegel, Linsen oder Kamerachips im Inneren des Blocks 10o gespiegelt. Die Anordnung innerhalb des Strahlengangs von 12 nach 14, d. h. im Bereich 10o von diesen weiteren Elementen ist deshalb möglich, da heute in der Regel digitale Fotographie oder Videoaufnahme angewendet wird und man keinen kleinen Spiegel benötigt, um den Strahlengang aus dem Hohlspiegel nach außen zum Okular zu leiten.
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Bezüglich des Hohlspiegels bzw. des optischen Elements sei an dieser Stelle angemerkt, dass dieser beispielsweise eine spiegelnde Aluminiumfläche, eine spiegelnde Silberfläche oder eine andere spiegelnde Fläche umfassen kann, die beispielsweise auf einen Glaskörper oder einen Kunststoffkörper, der eine entsprechende Form aufweist, aufgebracht ist.
