-
Panoramakamera mit einer drehbaren Prismenanordnung zur Abtastung
des Objektfeldes Die Erfindung bezieht sich auf eine Panoramakamera mit einer drehbaren
Prismenanordnung zur Abtastung des Objektfeldes, die insbesondere bei der Luftaufklärung
verwendet werden kann.
-
Bei der Luftaufklärung werden sehr häufig Panoramakameras mit einer
optischen Abtasteinrichtung verwendet. In diesen Kameras wird der Film hinter einem
Belichtungsschlitz hergeführt, der in der Brennebene der Kamera liegt. Ein optisches
Objektiv fokussiert das Objektfeld auf den Belichtungsschlitz, während eine vor
dem Linsensystem angebrachte, drehbare optische Abtasteinrichtung eine Panoramaaufnahme
ermöglicht, die nahezu von Horizont zu Horizont reicht, d. h. einen Winkel von nahezu
180° bedeckt. Derartige Panoramakameras sind beispielsweise in der USA.-Patentschrift
3160 082 vorgeschlagen worden.
-
Die Abtasteinrichtungen in den oben beschriebenen Kameras enthalten
in der Regel eine Prismenanordnung aus zwei fest miteinander verbundenen Prismen,
die mit den Grundflächen aneinandergrenzen (doppeltes Doveprisma), wobei die Grenzfläche
auf Grund eines Silberspiegels od. dgl, nahezu totalreflektiert. Solche Abtasteinrichtungen
könnten zwar einen Winkel von 360° überstreichen, aber aus praktischen Erwägungen
heraus interessieren nur die beiden vorderen Quadranten, da die nach rückwärts zeigenden
Quadranten zum Himmel hin gerichtet sind, der gewöhnlich nicht abgetastet zu werden
braucht. Zudem sind die nach rückwärts zeigenden Quadranten gewöhnlich teilweise
oder gänzlich durch die Kamera oder das Flugzeug, an dem sie befestigt sind, verdeckt.
-
Auf Grund der einmaligen Reflexion der Lichtstrahlen auf ihrem Weg
durch die miteinander verbundenen Prismen ist der Abtastwinkel doppelt so groß wie
der Drehwinkel, so daß bei einer Drehung von 90° der Abtastwinkel 180° beträgt,
also gewöhnlich von Horizont zu Horizont reicht. Während die beiden rückwärtigen
Quadranten abgetastet werden, kann man keine nutzbringende photographische Aufnahme
erhalten. Um während dieser Hälfte jedes Abtastzyklus einen unnötigen Verbrauch
an Filmmaterial zu vermeiden, wird der Film in der Regel intermittierend hinter
dem Belichtungsschlitz hergeführt, d. h., der Film wird während dem Abtasten der
rückwärtigen Quadranten angehalten. Es ist bekannt, daß infolge der Trägheit des
schnell bewegten Films und seines Transports diese oben beschriebenen Apparate teuer,
kompliziert und schwer sind.
-
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine neue und verbesserte Panoramakamera
zu schaffen, die die oben- ; erwähnten Nachteile nicht aufweist und bei der die
beiden vorderen in Blickrichtung liegenden Quadranten kontinuierlich abgetastet
werden können, so daß das Objektfeld, das photographiert werden soll, kontinuierlich
auf den Film fokussiert wird. Damit entfällt ein unnötiger Verbrauch an Filmmaterial,
und eine komplizierte Vorrichtung für eine intermittierende Bewegung des Films ist
unnötig. Die Abtastgeschwindigkeit ist außerdem wesentlich erhöht.
-
Ausgehend von einer Panoramakamera mit einer drehbaren Prismenanordnung
zur Abtastung des Objektfeldes besteht die Erfindung darin, daß die Prismenanordnung
n Prismen, wobei n eine gerade Zahl größer als 2 ist, enthält, deren Seitenflächen
einen Winkel von 360°/n einschließen, und deren Spitzen in der Drehachse liegen
und deren aneinandergrenzende Seitenflächen in an sich bekannter Weise derart ausgebildet
sind, daß sie unter einem kleineren als einem vorbestimmten Winkel einfallende Lichtstrahlen
durchlassen und unter einem größeren als einem vorbestimmten Winkel einfallende
Lichtstrahlen reflektieren.
-
Bevorzugt besteht die Prismenanordnung aus vier rechtwinkligen Prismen,
wobei die aneinandergrenzenden Seitenflächen der Prismen unbelegt und/oder durch
eine Luftschicht getrennt sein können, die eine Dicke von einigen Mikron oder einigen
Wellenlängen des einfallenden Lichtes hat.
Die aneinandergrenzenden
Seitenflächen der Prismen können jedoch auch durch Filme aus einem durchsichtigen
Glaskitt getrennt sein, dessen Brechungsindex kleiner als der der Prismen ist. Um
Geisterbilder zu vermeiden, können diese Filme in zwei aufeinander senkrecht stehenden
Grenzflächen der Prismenanordnung aus einem in einer Ebene polarisierenden Material
bestehen, so daß die durch diese Grenzflächen tretenden Lichtstrahlen in zueinander
senkrechten Ebenen polarisiert sind. Die äußeren Oberflächen der Prismen können
schließlich mit einer reflexionsmindernden Schicht überzogen sein.
-
Zum besseren Verständnis der Erfindung wird an Hand der Zeichnungen
ein- Ausführungsbeispiel beschrieben.
-
F i g. 1 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Objektivs für eine
Panoramakamera sowie die dazugehörigen optischen Geräte und eine Vorrichtung für
den Filmtransport; in F i g. 2 ist die Wirkungsweise einer bekannten, aus einem
Doveprisma bestehenden Abtasteinrichtung dargestellt; in F i g. 3 ist die Wirkungsweise
eines Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt; in F i g. 4 sind schematisch
eine bekannte Abtasteinrichtung mit einem Doveprisma -(linkes Bild) und eine Abtasteinrichtung
gemäß der Erfindung (rechtes Bild) verglichen; die jeweils auf der linken Seite
eingetragenen Winkelgrade geben den Drehwinkel des Prismas und die auf der rechten
Seite den Abtastwinkel an; F i g. 5 zeigt schematisch zwei Teilprismen der Prismenanordnung
gemäß der Erfindung, wobei die Grenzfläche zwischWihnen zum besseren Verständnis
stark übertrieben eingezeichnet ist; F i g. 6 und 7 sind graphische Darstellungen
der Abtasteigenschaften des Objektivs, wobei die Grenzflächen entweder durch Luft
oder durch einen durchsichtigen optischen Glaskitt getrennt sind; entlang der Abszisse
sind die Abtastwinkel in Grad, entlang der Ordinate der Brdchnungsindex aufgetragen;
F i g. 8 ist ein Schnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen
Reflexionsprismas zur Eliminierung von Geisterbildern.
-
F i g. 1 zeigt schematisch eine Kamera, insbesondre eine Panoramakamera;
die eine Kassette 10 für einen Film 11 enthält, der entlang der Brennebene der Kamerageführt
wird. Inder Brennebene ist eine Platte 12 mit einer Belichtungsöffnung oder einem
Belichtungsschlitz 13 angebracht, an dem der Film 11 dicht vorbeiläuft. Außerdem
sind eine Anzahl von Linsen 14 vorgesehen, mit denen das Objektfeld auf den Belichtungsschlitz
13 fokussiert wird. Vor den Linsen 14 ist eine gegenüber diesen drehbare, auf das
Blickfeld gerichtete Abtasteinrichtung 15 angebracht. Schließ- ; üch sind noch Mittel
für den Filmtransport und zum Betätigen der Abtasteinrichtung 15 vorgesehen, die
z. B. aus einem Motor 16 bestehen, der über geeignete Anschlüsse, die in der F i
g. 1 durch die gestrichelte Linie 17 angedeutet sind, mit der Filmkassette 10 und
i der Abtasteinrichtung 15 verbunden ist.
-
Die F-i g. 2 zeigt schematisch ein aus zwei mit den Grundflächen aneinandergrenzenden
Doveprismen 18, 19 bestehendes bekanntes Reflexions- und Brechungsprisma, das die
Abtasteinrichturig darstellt. Jedes i Prisma 18, 19 hat Trapezform und einen spitzen
Winkel von meist etwa 45'. Die Länge der Prismen ist von der gewünschten Belichtungsöffnung
und dem Brechungsindex des Glases abhängig. Prismenänordnungen dieser Art sind nur
dazu geeignet, Gegenstände in optisch unendlicher Entfernung abzutasten, so daß
die auf die Prismenanordnung treffenden Strahlen im wesentlichen parallel sind,
wie durch die Strahlen I,, 12, 1, und I4 gezeigt ist.
-
Die Strahlengänge innerhalb der Prismen sind mit Pfeilen und die austretenden
Strahlen mit 01, 02, 03 und 0, bezeichnet. Die Grenzfläche 20 zwischen
den Prismen 18 und 19 ist versilbert oder auf andere Art derart präpariert, daß
sie nahezu totalreflektiert. Jeder durch die Prismen verlaufende Strahl trifft einmal
auf die Grenzfläche 20 und wird reflektiert. Zur Vereinfachung der zeichnerischen
Darstellung der Strahlengänge sind die Reflexionspunkte etwas von der Grenzfläche
20 abgesetzt, obwohl sie eigentlich direkt auf der Grenzfläche liegen. Die Ausgangsstrahlen
01 bis 04 sind genauso wie die Eingangsstrahlen I1 bis 14 im wesentlichen
parallel. Die austretenden Strahlen treffen auf eine Sammellinse 21, von der sie
auf die Behchtungsöfnung oder den Belichtungsschlitz 13 der Platte 12 fokussiert
werden.
-
Die F i g. 3 zeigt eine Prismenanordnung nach der Erfindung. Sie enthält
n Prismen, deren Seitenflächen einen Winkel von 360°/n bilden, wo n eine gerade
Zahl größer als 2 ist. In dem Ausführungsbeispiel der F i g. 3 enthält die Prismenanordnung
vier rechtwinklige Prismen 22, 23, 24, 25, deren rechte Winkel in ihrer Rotationsachse
angeordnet sind. Die Prismen 22, 23, 24 und 25 sind durch zwei ebene Grenzflachen
26 und 27 getrennt, die im Gegensatz zu der an Hand der F i g. 2 beschriebenen Anordnung
nicht reflektieren, so daß die Strahlen durchgelassen werden, die unter einem Winkel
einfallen, der kleiner als der Winkel der Totalreflexion ist, wohingegen die Strahlen,
deren Einfallswinkel größer als der Grenzwinkel ist, reflektiert werden. Bemerkenswerterweise
verlaufen die Lichtstrahlen 1, 12, 1, und 14 in genau der gleichen Weise
durch die Prismen wie bei der Anordnung nach der F i g. 2.
-
Es sei z. B. der Strahl I,. betrachtet, der auf eine äußere Luft-Glas-Grenzfläche
auftrifft und durch diese hindurchgeht. Er trifft dann mit einem unter dem Grenzwinkel
liegenden Winkel auf die Grenzfläche 26 und tritt im wesentlichen durch sie hindurch.
Sein Einfallswinkel auf die Grenzfläche 27 ist dann aber zu groß, so daß im wesentlichen
Totalreflexion eintritt. Beim Auftreffen auf die Glas-Luft-Grenzfläche ist der Einfallswinkel
wiederum kleiner als der Grenzwinkel, so daß der Strahl fast völlig durchgelassen
wird und als Strahl 01 austritt.
-
Da die Prismenanordnung der F i g. 3 bei Drehung um 90° symmetrisch
zu ihrem Mittelpunkt ist, ist dann auch der Strahlengang genau der gleiche, was
bei der Prismenanordnung der F i g. 2 nicht der Fall ist. Daher täuscht die Anordnung
mit den vier rechtwinkligen Prismen der F i g. 3 eine Anordnung mit vier fest verbundenen
Prismen gemäß F i g. 2 vor, da die Strahlen an den Grenzflächen je nach Einfallswinkel
durchgelassen oder reflektiert werden.
-
Die Art, in der die Strahlen von den Prismenanordnungen nach der F
i g. 2 bzw. nach der F i g. 3 durchgelassen werden, ist für verschiedene Drehwinkel
in der F i g. 4 gezeigt. Wie in der zweiten bzw. vierten Spalte der F i g. 4 dargestellt,
sind die Abtasteinrichtungen mit den zwei bzw. den vier Prismen jeweils in Stufen
von 22,5° gedreht, wobei insgesamt ein Bereich von 180° überstrichen ist. Auf Grund
der
Verdopplung des Abtastwinkels überstreicht der Blickwinkel des
Objektivs einen doppelt so großen Winkel, d. h. bei Drehung der Abtasteinrichtung
um 180° einen Winkel von 360°. Infolge der Symmetrie der Anordnung bedeutet eine
Drehung um die folgenden 180° nur eine Wiederholung der für die ersten 180° gezeigten
Strahlengänge.
-
Aus dem Vergleich der Prismenanordnung nach der F i g. 2 im linken
Teil und der Prismenanordnung nach der F i g. 3 im rechten Teil der F i g. 4 ergibt
sich, daß bei Verwendung von zwei Doveprismen der Abtastwinkel bei Drehung der Prismen
zwischen 0 und 180° zwar 360° beträgt, daß aber bei der Drehung der Anordnung zwischen
90 und 180° die beiden rückwärtigen Quadranten abgetastet werden, die aber, wie
oben bemerkt, nicht zu gebrauchen und meist auch von der Kamera oder deren Befestigungsvorrichtungen
verdeckt sind. Bei der Anordnung der vier Prismen (F i g. 3) wird der Abtastzyklus
bei jeder weiteren Drehung um 90° wiederholt, so daß die einfallenden Strahlen immer
aus den Abtastrichtungen zwischen 0 und 180° kommen, d. h. die beiden vorderen Quadranten
dauernd und aufeinanderfolgend für jede weitere Drehung der Abtastvorrichtung um
90° abgetastet werden. Daher kann bei Verwendung einer solchen Anordnung der Mechanismus
für den Filmtransport dauernd in Betrieb sein. Gleichzeitig findet kein unnötiger
Verbrauch an Filmmaterial während der Abtastung der beiden rückwärtigen Quadranten
statt.
-
Die Formeln, die die Dimensionierung der Prismenanordnung gemäß der
Erfindung betreffen, sind an Hand der F i g. 5 erklärt, die schematisch die zwei
Prismen 22, 23 der F i g. 3 zeigt, wobei die Grenzflächen 26, 27 zum besseren Verständnis
übertrieben breit dargestellt sind. In Wirklichkeit haben die Grenzflächen, wenn
sie durch Luft getrennt sind, eine Breite von einigen Wellenlängen des einfallenden
Lichtes bzw. von einigen Mikron. Man kann annehmen, daß die Abtasteinrichtung in
ein Medium mit dem Brechungsindex na eingetaucht ist, der für Luft etwa 1 beträgt.
Die Brechungsindizes der Prismen 22, 23 sind mit ng, der Brechungsindex des Grenzflächenmediums
mit n3 bezeichnet.
-
Der Strahl I trifft unter dem Einfallswinkel il zur Normalen der Luft-Glas-Grenzfläche
30 ein. Durch das Snelliussche Brechungsgesetz erhält man:
Bei na < n9 existiert für jeden Wert von il bis zu 90° ein Wert für 12.
-
Der gebrochene Strahl trifft dann unter den Einfallswinkel 13 auf
die Grenzfläche 31 und wird totalreflektiert, wenn 1, größer als der Winkel
der Totalreflexion ist, d. h., wenn
In allen anderen Fällen wird der Strahl (gebrochen. Nimmt man Reflexionen an, dann
ist 1, = i3, und der Strahl trifft auf die nächste Grenzfläche 32. Er wird
durchgelassen, wenn 1s kleiner als der kritische Winkel ist, d. h., wenn
anciz-rnfalls wird er totalreflektiert. Nimmt man Durchgang an, dann ist
und der Strahl trifft auf die nächste Grenzfläche 33. Er geht durch, wenn
17 kleiner als der Winkel der Totalreflexion, d. h., wenn
ist, andernfalls wird er totalreflektiert. Nimmt man Durchgang an, dann ist
und der Strahl s trifft auf die abschließende Glas-Luft-Grenzfläche 34 unter dem
Einfallswinkel 19. Geht er auch durch diese Fläche hindurch, dann ist
Da 13-i2=45°, Z4 + Z5 = 900, 1g = 17 und 13+i9=45°, folgt aus den
obigen Beziehungen, daß il = 1l0.
-
Die gesamte Brechung des Strahls beträgt also 90° - 2 il. In der obigen
Rechnung stecken zwei Voraussetzungen, nämlich
Da 1, = 90°-i4 = 90°-i3, können diese Ausdrücke auch wie folgt geschrieben
werden:
Der minimal mögliche Wert von i3 ist bestimmt durch die Gleichung (2), wenn
größer als 45° ist, oder durch Gleichung (3), wenn das gleiche kleiner als 45° ist.
Die
beiden Bedingungen können auch so geschrieben werden:
Wenn man für die Indizes na, n9 und ns die üblichen Werte voraussetzt, dann
kann na, der Brechungsindex der Luft, ungefähr 1 gesetzt werden. Das Medium.
mit dem Brechungsindex kann entweder Luft oder ein optischer Glaskitt mit n" etwa
1,5 sein. Der Bereich der Brechungsindizes der gegenwärtig erhältlichen optischen
Gläser erstreckt sich von etwa 1,5 bis 2. In diesen Fällen beträgt der Grenzwinkel
der Totalreflexion weniger als 45'. Wenn die Grenzflächen aus Luft bestehen und
wenn man die Gleichung (4) anwendet, dann kann man mit Hilfe fundamentaler optischer
Beziehungen zeigen, daß der maximale Gesamtabtastwinkel A durch folgenden Ausdruck
gegeben ist:
Es ist zu bemerken, daß der aus Gleichung (6) berechnete Abtastwinkel nur für einen
Spalt mit infinitesimaler Breite erhalten wird. Bei einer gewöhnlichen Kamera ist
der Abtastwinkel um einen Betrag kleiner, der durch den vom Spalt an der Objektivlinse
unterspannten Winkel gebildet wird. Die F i g. 6 zeigt graphisch die Abhängigkeit
des Gesamtabtastwinkels vom Brechungsindex der Prismen, die aus Gleichung (6) berechnet
sind.
-
Wenn die Grenzfläche von einem dünnen Fiten eines optischen Glaskitts
gebildetist, dessen Brechungsindex n" kleiner als der der Prismen ist, z. B. etwa
1,5, dann ist der kritische Wert des Winkels!., größer als 45°, und es kann wieder
mit Hilfe fundamentaler optischer Beziehungen gezeigt werden, daß der maximale Abtastwinkel
folgendem Ausdruck genügt:
Die Beziehung (7) ist in der F i g. 7 graphisch dargestellt, wobei der Brechungsindex
des optischen Glaskitts 1,5 beträgt und der des Prismenglases 1,5 bis 2. Ein Vergleich
der F i g. 6 und 7 zeigt, daß der Abtastwinkel der Anordnung, die als Grenzfläche
einen optischen Glaskitt verwendet, nicht so groß ist wie der einer Anordnung mit
einer Grenzfläche aus Luft. Durch Verwendung geeigneter optischer Medien, deren
Brechungsindizes kleiner als 1,5 sind, kann man jedoch die zwischen den in den F
i g. 6 und 7 vorkommenden Abtastwinkel herstellen. Die Anordnung, bei der ein optischer
Glaskitt verwendet wird, ist aus mechanischen Gründen erwünscht. Alle für die beschriebene
Anordnung geeigneten optischen Glaskitte müssen angepaßte optische und physikalische
Eigenschaften aufweisen, die auch mit der Umgebung verträglich sind, in der die
Anordnung gebraucht wird. Ein geeigneter Glaskitt ist Kanadabalsam.
-
Wenn der Brechungsindex n8 des Glaskitts vom Wert 1,5 absinkt, steigt
in gleicher Weise der maximale Abtastwinkel an. Beim Gebrauch eines optischen Glaskitts
erhält man jedoch dann höhere Abtastwinkel als bei Verwendung von Luft, wenn man
Gläser mit höheren Brechungsindizes verwendet.
-
Es ist bekannt (»Design and Fire Control Optics(i, Ordnance Corps
Manual Ord M2-1, 1952, S.302),. daß bei gegebener linearer Blende B die Größe
D
der Diagonale der Prismenanordnung nach der F i g. 5 durch die Beziehung
gegeben ist:
Bei Verwendung einer Prismenanordnung nach der F i g. 3 können verhängnisvolle Geisterbilder
auftreten. Der Grund hierfür ist an Hand der F i g. 8 erklärt, in der die Grenzflächen
26 und 27 der vier rechtwinkligen Prismen 22, 23, 24 und 25 zum besseren Verständnis
wieder stark vergrößert gezeichnet sind und aus dünnen Filmen eines später zu beschreibenden
durchsichtigen, optischen Materials 28, 29 bestehen. Die durchgezogene Linie zeigt
den Eingangsstrahl I, der durch die Prismenanordnung tritt und diese als Ausgangsstrahl
0 verläßt. Weiter sei angenommen, daß der gestrichelt gezeigte Strahl G am Punkt
30 auf das Prisma 25 fällt. Sein Weg durch die Prismen 25 und 2Z ist ebenfalls gestrichelt
gezeichnet und so gewählt, daß er die Luft-Glas-Grenzfläche des Prismas 22 an der
Stelle 31 trifft, an der der Strahl I einfällt. Der Einfallswinkel des Strahls G
soll außerdem gleich dem Brechungswinkel des einfallenden Strahls I sein, so daß
beide Strahlen zusammenfallen. Strahlen, die wie der Strahl G beschaffen sind, lassen
daher ein Geisterbild entstehen, das sich dem erwünschten, durch den Strahl I erzeugten
Bild überlagert. Wenn das Geisterbild durch Fresnelsche Reflexion an der Glas-Luft-Grenzfläche
mit einem kleineren als dem kritischen Winkel entsteht, dann ist meine Intensität
im Vergleich zum Primärbild ziemlich gering und kann auch noch durch eine reflektionshemmende
Schicht auf den äußeren Oberflächen der Prismen 22, 23, 24 und 25 vermindert werden.
Solche reflexionshemmende Schichten sind bekannt. Als Beispiele seien Magnesiumfluorid
(MgFz) und Siliziumdioxid (Si02) genannt. Die übrigen Geisterbilder bleiben aber
bei verschiedenen Anordnungen auch weiterhin bestehen.
-
Diese Geisterbilder können nahezu vollständig eliminiert werden, wenn
man in die Grenzflächen dünne Filme 28 und 29 eines durchsichtigen, in der Ebene
polarisierenden Materials einbringt, z. B. plastische Nitrocellulose, die mit ultramikroskopischen
Kristallen des Chininjodsulphats verdichtet ist, deren optische Achsen alle parallel
liegen. Dieses Material ist im Handel als »Sheet Polaroid, Typ HN 24« erhältlich.
Dem Material in der Schicht 28 wird eine bestimmte Orientierung gegeben, während
das Material in der Schicht 29 dann eine dazu senkrechte Orientierung bekommt, so
daß die beiden Polarisationsebenen einen rechten Winkel einschließen. Bei einer
solchen Anordnung ist der Strahl G, nachdem er durch die Schicht 29 hindurchgegangen
ist, in einer Ebene derart polarisiert, daß seine Polarisationsrichtung senkrecht
zur Durchlaßrichtung der Schicht28
steht, d. h., er wird von der
Schicht 28 nicht durchgelassen. Die selektive Unterdrückung der Geisterbilder beruht
also auf der Tatsache, daß die sie verursachenden Strahlen nacheinander durch die
beiden Schichten 28 und 29 treten, während der Signalstrahl nur durch eine der beiden
Schichten tritt. Das polarisierende Material der Schichten 28 und 29 ist vorzugsweise
so orientiert, daß die Polarisationsebenen entweder senkrecht oder parallel zu den
in der F i g. 8 gezeigten Ebenen liegen, damit die Erzeugung von zirkular polarisiertem
Licht an den äußeren Glas-Luft-Grenzflächen vermieden wird.