DE19716701A1 - Verfahren und Vorrichtung für ein binokulares optisches System - Google Patents

Description

Erfindungsgebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein binokulares optisches System, ins­ besondere bezieht sich diese Erfindung auf ein Verfahren und eine Vorrichtung für einen binokularen stereoskopischen Simulator zur Benutzung zur Verifizierung eines visuellen Eindruck eines wirklichen Gegenstandes ermittelt durch Betrachtung eines Modells, das kleiner gemacht wird als der tatsächliche Gegenstand.

Hintergrund der Erfindung

Gewöhnlicherweise, um den visuellen Eindruck eines rela­ tiv großen Produktes vor seiner eigentlichen Herstellung zu verifizieren, wird ein Modell des Produktes gemacht und direkt mit den Augen betrachtet. Der visuelle Ein­ druck, der durch direkte Betrachtung des Modells erhalten wird, welche eine andere Größe aufweist als die des Produktes in Echtgröße, ist jedoch anders als der, der durch direkte Betrachtung des Produktes in Echtgröße erhalten wird. Der Grund, weshalb der visuelle Eindruck des Modells sich von dem des tatsächlichen Gegenstandes oder Produktes unterscheidet, ist der folgende: das Verhältnis der Breite zwischen den Augen eines Beobachters und zu der unterschiedlichen Größe des Modells unterscheidet sich von dem Verhältnis der Breite zwischen den Augen eines Beobachters und der Größe des tatsächlichen Gegenstandes.

Aus diesem Grund, in konventioneller Technologie, ist es erforderlich gewesen, ein Modell herzustellen, das die gleiche Größe besitzt wie der tatsächliche Gegenstand, um den gleichen visuellen Eindruck des Modells zu erhalten, wie der des tatsächlichen Gegenstandes. Folgedessen muß sehr viel Zeit und Geld aufgewendet werden zur Herstel­ lung eines Modelles in Echtgröße eines Produktes, wie zum Beispiel eines Autos. Tatsächlich war es nicht möglich, ein Modell in Echtgröße für einige Produkte herzustellen.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, die oben erwähnten Probleme zu überwinden.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren und eine Vorrichtung für ein binokularesoptisches System zur Verfügung zu stellen, durch welches ein Modell, vergrößert um ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem tatsächlichen Gegenstand, beobachtet werden kann mit einem im wesentlichen identischen visuellen Eindruck zu dem des tatsächlichen Gegenstands.

Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Erzielung eines gewünschten visuellen Eindrucks eines Gegenstands durch Betrachtung eines Mo­ dells eines Gegenstands. Das Verfahren umfaßt die Herstellung eines Modells mit einem vorbestimmten dimensionalen Verhältnis in Bezug zu dem Gegenstand, und das Bilden eines objektiven optischen Systems im wesentlichen telezentrisch zu einer Abbildung des Modells und die eine vorgewählte erste Brennweite besitzt. Das Verfahren umfaßt weiterhin die Bildung einer binokularen Okularlinse mit einer Brennweite im wesentlichen gleich zu der ersten Brennweite und die Veränderung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem und der binokularen Okularlinse bis ein visueller Eindruck der Abbildung des Modells betrachtet durch die binokulare Okularlinse im wesentlichen identisch zu einem visuellen Eindruck wird, resultierend durch die direkte Betrachtung des Gegenstands.

Ein noch weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung ist ein System zur Erzielung eines gewünschten visuellen Eindrucks eines Gegenstands durch Betrachtung eines Modells des Gegenstands. Das System beinhaltet ein Modell mit einer vorbestimmten dimensionalen Beziehung in Bezug zu dem Gegenstand und ein optischen Objektivsystem im we­ sentlichen telezentrisch zu einer Abbildung des Modells und mit einer vorgewählten ersten Brennweite. Das System beinhaltet auch eine binokulare Okularlinse mit einer Brennweite im wesentlichen gleich zu der ersten Brennweite sowie Mittel zur Veränderung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem und der binokularen Okularlinse bis ein visueller Eindruck der Abbildung des Modells, betrachtet durch die binokulare Okularlinse, im wesentlichen identisch zum visuellen Eindruck wird, der durch die direkte Betrachtung des Gegenstands resultiert.

In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel stellt die vor­ liegende Erfindung einen binokularen stereoskopischen Simulator zur Verfügung, der ein optisches Objektivsystem im wesentlichen telezentrisch zu der Abbildung beinhaltet zur Bildung einer Modellabbildung basierend auf Strahlen von einem Modell vergrößert um ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem tatsächlichen Gegenstand und eine Okularlinse mit einem Brennpunkt ungefähr gleich zu dem des optischen Objektivsystems zur Betrachtung der Modellabbildung gebildet durch das optische Objektivsystem. Der Abstand zwischen dem optischen Objektivsystem und die Okularlinse ändert sich so, daß ein visueller Eindruck erhalten durch Betrachtung der Modellabbildung durch die Okularlinse zu dem erhalten durch direkte Betrachtung mit den Augen fast identisch wird.

In einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel dieser Erfindung wird die Bedingung der folgenden Gleichung (1) erfüllt:

Wo = We·(1/m) (1)

wobei Wo der Abstand zwischen der rechten und der linken optischen Achse des einfallenden Lichtes des optischen Objektivsystems ist, We die Breite zwischen den Augen eines Beobachters ist, und m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug zu dem tatsächlichen Gegenstand ist.

Weiterhin erfüllt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel die Bedingung der folgenden Gleichung (2):

Doe = f{(2 + (f/Do)·(1-1/m)} (2)

wobei Doe der optische axiale Abstand zwischen einem prinzipiellen Punkt (Hauptpunkt) (P) auf der Abbildungsseite eines optischen Objektivsystems und dem auf der Objektseite einer Okularlinse ist; f die Brennweite einer Objektivlinse und einer Okularlinse ist; Do der optische axiale Abstand zwischen dem Modell und einer Eintrittspupille ist; und m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug auf den tatsächlichen Gegenstand ist.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die obigeren und anderen Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden offensichtlicher werden durch die folgende detaillierte Beschreibung zusammen mit den begleitenden Zeichnungen, in welchen:

Fig. 1 ist ein schematisches Diagramm der Arbeitsprin­ zipien eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung, das eine optische Konfiguration eines binokularen stereoskopischen Simulators zeigt;

Fig. 2 bestehend aus Fig. 2(a), welche ein schematisches Diagramm ist, das Linien der rechten und linken Sichtlinien zeigt, wenn ein Beobachter einen tatsächlichen Gegenstand direkt mit den Augen betrachtet, und Fig. 2(b), welche die rechten und linken Sichtlinien zeigt, wenn ein Beobachter ein Modell durch den binokularen stereoskopischen Si­ mulator nach Fig. 1 betrachtet;

Fig. 3 ist ein schematisches Diagramm, bestehend aus Fig. 3(a), welche eine Draufsicht ist, und Fig. 3(b), welche eine Seitenansicht einer optischen Konfigu­ ration des binokularen stereoskopischen Simulators der Fig. 1 ist;

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines Haltemechanismus zum Halten jedes der optischen Glieder, welche den binokularen stereoskopischen Simulator nach Fig. 1 bilden, Fig. 4(a), die die Gesamtansicht zeigt, während Fig. 4(b) eine vergrößerten Ansicht eines Ausschnitts aus Fig. 4(a) zeigt; und

Fig. 5 zeigt einen Haltemechanismus zum Halten einer Okularlinse eines der optischen Glieder, welche den binokularen stereoskopischen Simulator nach Fig. 1 bilden, Fig. 5(a), die eine Seitenansicht zeigt, und Fig. 5(b), die eine Stirnansicht zeigt.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele

Bezugnehmend auf die Zeichnungen ist Fig. 1 ein sche­ matisches Diagramm der Arbeitsprinzipien eines Aus­ führungsbeispiels der vorliegenden Erfindung, das eine optische Anordnung des binokularen stereoskopischen Simulators zeigt. Zu bemerken sei, daß die Auswirkungen der Strahlen, die die linken und rechten Augen eines Beo­ bachters erreichen, die gleichen in dem optischen System sind, das die Prinzipien der vorliegenden Erfindung verkörpert. Deshalb wird Fig. 1 im allgemeinen beschrieben, ohne das linke oder das rechte Auge spezi­ fisch anzugeben. Fig. 1 verzichtet auch auf ein abbildungserrichtendes optisches System, das eine Modell­ abbildung beobachtet durch eine Okularlinse errichtet. Ferner wird zur vereinfachten Beschreibung in Fig. 1 ein dünnes Linsensystem für ein optisches System benutzt, das eine Objektivlinse und eine Okularlinse enthält.

In Fig. 1 umfaßt das optische System eine Objektivlinse (Lo) mit einer Brennweite (f). Ferner ist eine Apperturblende (Öffnungsblende) (P) an einem vorderen (objektseitigen) Brennpunkt der Objektivlinse (Lo) positioniert. Ferner ist eine Okularlinse (Le) mit der gleichen Brennweite (f) wie die der Objektivlinse (Lo) an einem Punkt angeordnet, der sich in einem Abstand (Doe) von der Objektivlinse (Lo) in der Richtung der Abbildung entlang einer optischen Achse (AX) befindet.

In so einer Anordnung wird eine Zwischenabbildung (Im) eines Modells (M) in dem optischen System nach Fig. 1 an einer um (Bo) entfernten Position von der Objektivlinse (Lo) in der Richtung der Abbildung entlang der optischen Achse (AX) gebildet. Dann, basierend auf den Strahlen von der Zwischenabbildung (Mittelabbildung) (Im) des Modelles (M) , wird eine virtuelle Abbildung (Iv) des Modelles (M) durch die Okularlinse (Le) gebildet.

In Fig. 1 gibt es zwei Bedingungen, die erforderlich sind, um den visuellen Eindruck, erhalten durch Betrachtung des Modells (M) durch das optische System, das die Prinzipien dieser Erfindung umfaßt, mit dem visuellen Eindruck erhalten durch Betrachtung des tatsächlichen Gegenstands direkt mit den Augen abzugleichen bzw. in Abstimmung zu bringen. Die erste zu erfüllende Bedingung ist, daß der Abstand entlang der optischen Achse (AX) zwischen der virtuellen Abbildung (Bild) (Iv) und einer Austrittspupille (Pe) des Beobachters der Abstand (D) zwischen dem tatsächlichen Gegenstand (O) und der Eintrittspupille (P′) gleicht. Die zweite zu erfüllende Bedingung ist, daß die virtuelle Abbildung (Iv) den tatsächlichen Gegenstand in seinen Ausmaßen gleicht.

Wie nachfolgend hierin weiter beschrieben sein wird, erfüllen das optische Verfahren und System, die die Prinzipien dieser Erfindung verkörpern, diese zwei Bedingungen. Folgedessen kann der gleiche visuelle Eindruck wie der des tatsächlichen Gegenstand (O) erzielt werden.

Erstens, wie in Fig. 1 dargestellt, ist die Objektivlinse (Lo) im wesentlichen telezentrisch zu einer Abbildung aufgrund der Wirkungen der Apperturblende (P), und die Apperturblende (P) kann als Eintrittspupille betrachtet werden. Aus diesem Grund wird ein erster Strahl (r) von einer Kante des Modells (M) parallel zur optischen Achse (AX) im optischen Pfad zwischen der Objektivlinse (Lo) und der Okularlinse (Le). In anderen Worten, auch wenn sich Doe, der Abstand zwischen der Objektivlinse (Lo) und der Okularlinse (Le), ändert, ist der Abstand zwischen der Okularlinse (Le) und der Austrittspupille (Pe) stets gleich der Brennweite (f) der Okularlinse (Le).

Zudem, weil die Brennweite der Objektivlinse (Lo) gleich der der Okularlinse (Le) ist, ist der Winkel (Θ) zwischen dem ersten Strahl (r) und der optischen Achse (AX) an der Apperturblende (P) immer der gleiche, wie der Winkel (Θ) zwischen dem ersten Strahl (r) und der optischen Achse (AX) an der Austrittspupille (Pe). Daraus resultiert, daß das Modell (M) der virtuellen Abbildung (Iv) immer ähnlich bzw. gleich ist, weshalb die oben genannten ersten und zweiten Bedingungen gleichzeitig erfüllt sind.

Ferner ist es bevorzugt, die Bedingungen der oben erwähn­ ten Gleichung (1) zu erfüllen. Gleichung (1) kennzeichnet die Justierung der Breite zwischen den Augen des Beobach­ ters und wird hierin noch beschrieben.

Fig. 2(a) zeigt die rechten und linken Sichtlinien eines Beobachters, der einen tatsächlichen Gegenstand (O) di­ rekt mit den Augen betrachtet. Fig. 2(b) zeigt die rech­ ten und linken Sichtlinien eines Beobachters, der ein Modell (M) durch den binokularen stereoskopischen Simu­ lator betrachtet, der die Prinzipien dieser Erfindung verkörpert.

In Fig. 2(a) betrachtet der Beobachter, dessen Breite zwischen den Augen We ist, einen tatsächlichen Gegenstand (O) der Größe W′ der um einen Abstand (D) entlang der optischen Achse von den rechten und linken Eintrittspupillen (P′R) und (P′L) des Beobachters positioniert ist.

In Fig. 2(a) sind I′1 und I′3 die zugehörigen Sicht­ linien, wenn die rechte Eintrittspupille (P′R) die rechten und linken Kanten des tatsächlichen Gegenstands (O) sieht. In gleicher Weise sind I′2 und I′4 die zugehörigen Sichtlinien′ wenn die linke Eintrittspupille (P′L) die rechte und linke Kante des tatsächlichen Gegenstands (O) sieht. Jeder der Sichtlinien (I′1) bis (I′4) definiert den tatsächlichen Gegenstand (O).

Zu bemerken sei, daß wenn das Modell (M), dessen Größe das 1/m-fache der des tatsächlichen Gegenstandes entspricht, direkt mit den Augen betrachtet sein würde, würde sich ein Relativwinkel jeder der Sichtlinien, die das Modell (M) definieren, von dem jeder der Sichtlinien, die den tatsächlichen Gegenstand (O) definieren, unterscheiden, egal wie das Modell (M) in Fig. 2(a) positioniert ist. Folgedessen könnte sich der visuelle Eindruck erhalten durch Betrachtung des Modells (M) von dem erhalten durch Betrachtung des tatsächlichen Gegenstands (O) unterscheiden.

Entsprechend der Prinzipien dieser Erfindung gemäß Fig. 2(b), wenn das Modell (M), dessen Größe das 1/m-fache der des tatsächlichen Gegenstands (O) entspricht, betrachtet wird, wird der Abstand (Wo) zwischen der rechten Eintrittspupille (PR) und der linken Eintrittspupille (PL) (der Abstand zwischen der linken und rechten opti­ schen Achsen des einfallenden Lichtes) in dem binokularen stereoskopischen Simulator auf das 1/m-fache der Länge von We, die Breite zwischen den Augen, gesetzt.

Dies erfüllt die Bedingung von Gleichung (1), wie oben erwähnt oder Wo = We·(1/m).

Zudem wird Do, der Abstand entlang der optischen Achse zwischen dem Modell (M) und den Eintrittspupillen (PR) und (PL), gemäß Fig. 2(b) auf das 1/m-fache der Länge von D gesetzt, der Abstand zwischen dem tatsächlichen Gegenstand (O) und den Eintrittspupillen (P′R) und (P′L) des Beobachters. Hieraus resultiert gemäß Fig. 2(b), daß das Modell (M) durch jede der Sichtlinien (I1) bis (I4) definiert wird.

Beim Vergleich von Fig. 2(a) mit Fig. 2(b) sind die Sichtlinien (I1) bis (I4), die das Modell (M) definieren, optisch ähnlich (bzw. gleich) zu den Sichtlinien (I′1) bis (I′4), die den tatsächlichen Gegenstand (O) definieren, woraus die gleichen Relativwinkeln resultieren. Demzufolge kann der gleiche visuelle Eindruck für das Modell (M), betrachtet durch den binokularen stereoskopischen Simulator der vorliegenden Erfindung, erzielt werden, wie der visuelle Eindruck des Gegenstands (O) direkt mit den Augen betrachtet.

Zudem ist es bevorzugt, die oben genannte Gleichung (2) zu erfüllen. Gleichung (2) kennzeichnet eine virtuelle Abbildung (Iv), die an einer richtigen Position zu bilden ist. Diese Bedingung ist im folgenden beschrieben.

In Fig. 1 wird eine virtuelle Abbildung (Iv) an einer Po­ sition gebildet, die sich in einem Abstand (D) gemessen in der Richtung des Gegenstands entlang der optischen Achse (AX) von der Austrittspupille (Pe) befindet. Der Abstand (D) ist m-mal länger als Do, der Abstand zwischen dem Modell (M) und der Apperturblende (P) (d. h., die Eintrittspupille). Dementsprechend kann die Höhendimen­ sion (Yv) der virtuellen Abbildung (Iv) und die Höhendimension (Ym) des Modells (M) in den folgenden Gleichungen (3) und (4) jeweils ausgedruckt werden.

Yv = D·tan (3)

Ym = Do·tan (4)

Zudem kann die Gesamthöhendimension (W) des tatsächlichen Gegenstands (O) gemäß Fig. 2(a) in der folgenden Gleichung (5) ausgedruckt werden, weil es m-mal so groß wie die Dimension (Ym) des Modells (M) ist.

W = m·Ym = (D/Do)·Ym (5)

Weiter wird durch Modifizierung der Gleichung (5) die Beziehung erhalten, die in der folgenden Gleichung (6) gezeigt ist.

W = D·tan = Yv (6)

Deshalb wird in dem optischen System, das die Prinzipien dieser Erfindung verkörpert, wenn der Abstand gemessen entlang der optischen Achse (AX) zwischen der virtuellen Abbildung (Iv) und der Austrittspupille (Pe) gleich D, der Abstand zwischen dem tatsächlichen Gegenstand (O) und der Eintrittspupille (P′), gesetzt wird, um die erste Bedingung zu erfüllen, die Dimension (Yv) der virtuellen Abbildung (Iv) gleich der Dimension (W) des tatsächlichen Gegenstands (O), wodurch die zweite Bedingung erfüllt wird.

Zu bemerken sei, daß auf Grund der Beziehung zur Abbildung zwischen dem Modell (M) und der Zwischenabbildung (Im) gebildet durch die Objektivlinse (Lo) in Fig. 1, kann die in der folgenden Gleichung (7) gezeigten Beziehung nachgewiesen werden, basierend auf der Theorie der paraxialen Optik:

Bo = f·(1 + f/Do) (7)

Ferner, auf Grund der Beziehung zur Abbildung zwischen der Zwischenabbildung (Im) und der virtuellen Abbildung (Iv) gebildet durch die Okularlinse (Le) in Fig. 1′ kann die in der folgenden Gleichung (8) gezeigten Beziehung nachgewiesen werden, basierend auf der Theorie der para­ xialen Optik:

Ae = f·(1-f/D) (8)

wobei Ae der Abstand zwischen der Zwischenabbildung (Im) und der Okularlinse (Le) gemessen entlang der optischen Achse (AX) ist.

Deshalb kann, entsprechend den Gleichungen (7) und (8), die in der folgenden Gleichung (9) gezeigte Beziehung erhalten werden:

Doe = Bo + Ae = f·{2 + (f/Do)·(1 - Do/D)} (9)

Wenn die Beziehung Do/D = 1/m in die Gleichung (9) ein­ gesetzt wird, kann die Beziehung gezeigt in der folgenden Gleichung erhalten werden.

Doe = f{2 + (f/Do) (1-1/m)} (2)

Dies ist Gleichung (2), wie vorher erwähnt.

Um eine virtuelle Abbildung (Iv) an einer Position zu bilden, die sich in einem Abstand (D) befindet, gemessen in der Richtung des Gegenstands entlang der optischen Achse (AX) von der Austrittspupille (Pe) in dem dargestellten optischen System, ist es bevorzugt, die Bedingungen der Gleichung (2) zu erfüllen. Dementspre­ chend, wie vorhin erwähnt, wird die Dimension (Yv) der virtuellen Abbildung (Iv) gleich der Dimension (W) des tatsächlichen Gegenstands (O). Deshalb wird der durch Betrachtung des Modells (M) durch das optische System nach den Prinzipien dieser Erfindung erhaltene visuelle Eindruck gleich werden zu dem erhalten durch Betrachtung des tatsächlichen Gegenstands (O) direkt mit den Augen.

Wie vorhin erwähnt, wird in Fig. 1 auf ein abbildungserrichtendes optisches System verzichtet. Jedoch kann die invertierte Zwischenabbildung (Im) zu einer aufgerichteten Abbildung durch die Wirkung des abbildungserrichtenden optischen Systems umgekehrt werden, so daß die virtuelle Abbildung (Iv) als eine aufgerichtete Abbildung durch die Okularlinse (Le) beobachtet werden kann. Zudem wird in Fig. 1 ein dünnes optisches System benutzt. Jedoch ist der Abstand (Doe) zwischen der Objektivlinse (Lo) und der Okularlinse (Le) in einem tatsächlichen optischen System die zwischen dem Hauptpunkt auf der Abbildungsseite der Objektivlinse (Lo) und dem Hauptpunkt auf der Objektseite der Okularlinse (Le).

Bezugnehmend auf die Zeichnungen wird hier ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung beschrieben.

Fig. 3 ist ein vereinfachtes Diagramm, das eine optische Anordnung eines binokularen stereoskopischen Simulators gemäß eines Ausführungsbeispiels dieser Erfindung zeigt. Fig. 3(a) ist eine Draufsicht, während Fig. 3(b) eine Seitenansicht ist. Wie in diesen Figuren gezeigt wird, besitzt der binokulare stereoskopische Simulator dieses Ausführungsbeispiels ein rechtäugiges optisches System und ein linkäugiges optisches System der gleichen Anordnung, symmetrisch angeordnet. Hiernach bezugnehmend auf nur ein optisches System ist die Anordnung und der Betrieb dieses Ausführungsbeispiels wie folgt:
In Fig. 3 werden Strahlen 10 von einem Modell (M) (nicht dargestellt) vergrößert um ein vorbestimmtes Verhältnis zu einem tatsächlichen Gegenstand (O) an einem ersten Dachprisma (R1) zweimal reflektiert, und treten dann in eine Apperturblende (P) ein. Die reflektierten Strahlen, die durch die Apperturblende (P) kommen, werden an einem ersten rechtwinkeligen Prisma (R2) erneut reflektiert und treten dann in eine Objektivlinse (Lo) mit einer Brennweite (f) ein.

Zu bemerken sei, daß die Apperturblende (P) an einem Brennpunkt auf der Objektseite der Objektivlinse (Lo) positioniert ist. Deshalb kann die Apperturblende (P) als Eintrittspupille betrachtet werden. Auch der optische Pfad wird um 90° [wie in Fig. 3(a) gezeigt] durch das erste Dachprisma (R1) umgelenkt, und die senkrechte Richtung in der Zeichnung der Abbildung wird vertikal umgekehrt.

Die Strahlen, die durch die Objektivlinse (Lo) [siehe Fig. 3(b)] kommen, werden an einem zweiten Dachprisma (R3) zweimal und an einem zweiten rechtwinkeligen Prisma (R4) einmal reflektiert, und treten dann in die Okular­ linse (Le) mit der gleichen Brennweite (f) wie die der Objektivlinse (Lo) ein. Durch das zweite Dachprisma (R3) wird der optische Pfad um 90° [wie in Fig. 3(b) gezeigt] um- gelenkt, und die senkrechte Richtung in der Zeichnung der Abbildung wird umgekehrt.

Auf diese Weise bilden das erste Dachprisma (R1), das erste rechtwinklige Prisma (R2), das zweite Dachprisma (R3) und das zweite rechtwinklige Dachprisma (R4) eine abbildungserrichtendes optisches System zur Errichtung der durch die Okularlinse (Le) betrachteten Abbildung des Modells (M). Zudem wird durch die Wirkung der Apperturblende (P) die Objektivlinse (Lo) telezentrisch zur Abbildung konfiguriert.

Aus diesem Grund kann, wenn die Pupillen der Augen eines Beobachters sich an einer Position befinden, die um die Brennweite (f) von der Okularlinse (Le) entfernt ist, und Doe, die optische axiale Länge zwischen dem Abbildungs­ hauptpunkt der Objektivlinse (Lo) und der Gegenstand­ hauptabbildung der Okularlinse (Le), so eingestellt (gesetzt) wird, daß die oben genannte Gleichung (2) erfüllt wird, die aufgerichtete virtuelle Abbildung (Iv) des gleichen Ausmaßes wie der tatsächliche Gegenstand (O) durch die Okularlinse (Le) beobachtet werden. Demzufolge erzielt eine Betrachtung des Modells (M) durch den binokularen stereoskopischen Simulator, konstruiert nach den Prinzipien dieser Erfindung, den gleichen visuellen Eindruck wie der erhalten durch Betrachtung des tatsächlichen Objekts (O) direkt mit den Augen.

Zu bemerken sei, daß dieses Ausführungsbeispiel ein Beispiel gezeigt hat, in dem das abbildungserrichtende optische System aus vier Prismen (R1) bis (R4) besteht. Jedoch kann ein abbildungserrichtendes optischen System durch Verwendung eines Reflektionsmittels, wie zum Beispiel eines Spiegels, gebildet werden.

Fig. 4 bestehend aus Fig. 4(a) und 4(b) ist ein einfaches Diagramm, das eine Anordnung eines Haltemechanismus zur Haltung jedes optischen Gliedes zeigt, welcher den bino­ kularen stereoskopischen Simulator dieses Ausführungs­ beispiels bildet. Fig. 4(a) zeigt die Gesamtansicht, während Fig. 4(b) eine vergrößerte Ansicht eines Hauptab­ schnitts ist.

In Fig. 4(a) hat der Haltemechanismus dieses Ausführungsbeispiels ein erstes Halteglied (A1), ein Ende von welchem mit einem Glied (nicht dargestellt) verbunden ist, das sich in drei Dimensionen bewegt. Das erste Halteglied (A1) hält den gesamten Haltemechanismus durch ein zweites Halteglied (A2) und ein drittes Halteglied (A3) zurück. Zu bemerken sei, daß ein Ende des zweiten Haltegliedes (A2) mit dem anderen Ende des ersten Haltegliedes (A1) verbunden ist, so daß es um die AZ-Achse rotiert. Das dritte Halteglied (A3) ist mit dem anderen Ende des zweiten Halteglieds (A2) verbunden, so daß es um die EL-Achse rotiert. Da das erste Halteglied (A1) so konstruiert ist, um in drei Dimensionen beweglich zu sein, ohne auf diese Weise in der Luft fixiert zu sein, ist es möglich, eine relative Positionsbeziehung zwischen dem binokularen stereoskopischen Simulator dieses Ausführungsbeispiels und dem zu beobachtenden Modell ordnungsgemäß zu ändern.

Wie in Fig. 4(b) gezeigt wird, ist eine Gleitführung (B1) mit einem Ende des dritten Haltegliedes (A3) verbunden. In die Gleitführung (B1) wird eine bewegliche Schraube (B2) angeordnet. Verbunden mit dem eintreffenden Ende der beweglichen Schraube (B2) ist ein bewegliches Glied (B3). Deshalb bewegt sich das bewegliche Glied (B3) vor und zurück [auf und ab in Fig. 4(a)] in senkrechte Richtung in einer Nut der Gleitführung (B1), wenn die bewegliche Schraube (B2) ein- oder ausgeschraubt wird. Ein Stift (B4) ist an dem beweglichen Glied (B3) montiert. Ein Ende jedes eines Paars von Armgliedern (B5) ist mit dem Stift (B4) verbunden. Das andere Ende jedes eines Paars von Armgliedern (B5) ist mit einer Verkleidung (U) durch einen zugeordneten Stift (B6) verbunden. In anderen Worten, die Enden eines Paars von Armgliedern (B5) sind jeweils mit dem beweglichen Glied (B3) und der Verkleidung (U) durch den Stift (B4) und die Stifte (B6) verbunden.

An die Verkleidung (U) ist ein Paar von zylindrischen Gliedern (B7) montiert, welche so konfiguriert sind, daß eine zentrale Achse von jedem der zylindrischen Gliedern (B7) mit einer eintreffenden optischen Achse des opti­ schen Systems übereinstimmt, jeweils für ein rechtes Auge und für ein linkes Auge. Ein Paar von Stiften (B8) sind an der Verkleidung (U) befestigt. Eine zentrale Achse jedes der Stifte (B8) ist so angeordnet, um jeweils mit einer optischen Achse der Okularlinse für ein rechtes Auge und der für ein linkes Auge übereinzustimmen. Zu bemerken sei, daß jedes der Paare von Stiften (B8) jeweilig von einem ersten Abstandeinstellenden Glied (C2) und einem zweiten abstandsjustierenden Glied (C3) getragen ist, so daß nur Rotation um die optische Achse der zugehörigen Okularlinse möglich ist.

Ein Leseglied (B9) wird als Skala zum Lesen des Abstands zwischen den zentralen Achsen eines Paars von zylindrischen Gliedern (B7) zur Verfügung gestellt, d. h der Abstand zwischen der optischen Achse des einfallenden Lichtes des optischen Systems für ein rechtes Auge und für ein linkes Auge. Das Leseglied (B9) ist so montiert, daß es um eins der zylindrischen Gliedern (B7) schwenken kann. Das andere der zylindrischen Glieder (B7) wird in ein Gleitglied (B10) eingeführt, welches durch eine Führungsnut des Lesegliedes (B9) hindurchführt. In dieser Weise wird das Leseglied (B9) von dem Gleitglied (B10) geführt und bewegt sich nur in eine Dimension, in einer horizontalen Richtung in Fig. 4(b). Es ist möglich, Wo zu kennen, der Abstand zwischen dem linken und der rechten optischen Achse des einfallenden Lichtes, durch Ablesen der an der Führungsnut des Lesegliedes (B9) gebildeten Skala durch eine an dem Gleitglied (B10) gebildete Anweisungsmarke. Zu bemerken sei, daß es, wie dargestellt, bevorzugt ist, einen genaueren Wert von Wo zu detektieren, der Abstand zwischen der linken und der rechten optischen Achse des einfallenden Lichts, durch Bildung eines Nonius mit dem Leseglied (B9) und dem Gleitglied (B10).

Auf diese Weise wird ein Mechanismus zur Veränderung von Wo, der Abstand zwischen der linken und der rechten optischen Achse des einfallenden Lichtes, von jedem der Glieder (B1) bis (B10) und der Verkleidung (U) gebildet.

Zudem kann der Abstand zwischen der linken und rechten optischen Achse des einfallenden Lichtes durch Drehung der Schraube (B2) auf einen beliebigen Wert frei eingestellt werden, um die durch die ausgezogenen Linien gezeigte Position in die in Fig. 4(b) durch die gestrichelten Linien gezeigte Position zu ändern. Wie aus dieser Figur ersichtlich ist, kann in dem in diesem Ausführungsbeispiel gezeigten Haltemechanismus die Ebene, die die linke und rechte optische Achsen des einfallenden Lichtes umfaßt, parallel zu der Ebene, die die linken und rechten optischen Achsen des Okulars umfaßt, gehalten werden.

Das zweite abstandsjustierende Glied (C3) ist mit dem anderen Ende des dritten Haltegliedes (A3) verbunden. Das zweite abstandsjustierende Glied (C3) ist mit der Ver­ kleidung (U) verbunden durch eins der Paare von Stiften (B8). Das erste abstandsjustierende Glied (C2) wird so angeordnet, daß es auf den zweiten abstandsjustierenden Glied (C3) hinweist. Es ist auch mit der Verkleidung (U) durch den anderen der Stifte (B8) verbunden. Zu bemerken sei, daß eine Skala (C4) zwischen dem ersten und zweiten abstandsjustierenden Gliedern (C2) und (C3) angeordnet ist. Zudem wird eine Schraube (C1) zur Abstandsjustierung mittels dem zweiten abstandsjustierenden Glied (C3) gehalten durch das erste abstandsjustierende Glied (C2). Aus diesem Grund kann das erste abstandsjustierende Glied (C2) in eine Dimension, in einer horizontalen Richtung in der Abbildung, durch Drehung der Schraube (C1) zur Abstandsjustierung geschoben werden. Wie vorhin erwähnt, sind die zentralen Achsen der ersten und zweiten abstandsjustierenden Glieder (C2) und (C3) jeweilig identisch zu den optischen Achsen des Okulares. Deshalb gleicht die Größe, mit welcher der sich Abstand zwischen dem ersten und zweiten abstandsjustierenden Gliedern (C2) und (C3) verändert, der Größe, mit welcher sich die Breite zwischen den Augen der Okularlinse verändert.

Deshalb kann, durch Ablesen der an der Skala (C4) gebildeten Skala der Abstand zwischen den zentralen Achsen der ersten und zweiten abstandsjustierenden Glieder (C2) und (C3), ferner die Achsen zwischen den Augen der Okularlinse gemessen werden. In diesem Ausführungsbeispiel, wie dargestellt, wird ein Nonius zwischen der Skala (C4) und dem zweiten abstandsjustierenden Glied (C3) gebildet, und ein genauerer Wert der Breite zwischen den Augen der Okularlinse kann abgelesen werden.

Auf diese Weise wird ein Mechanismus zum Einstellen der Breite zwischen den Augen der Okularlinse durch jedes der Glieder (C1) bis (C4), die Stifte (B8) und der Verkleidung (U) gebildet.

Fig. 5, bestehend aus Fig. 5(a) und 5(b), zeigt eine ein­ fache Anordnung eines Haltemechanismus zum Halten der Okularlinse eines der optischen Systeme, welches den binokularen stereoskopischen Simulator dieses Ausfüh­ rungsbeispiels bilden: Fig. 5(a) zeigt die Seitenansicht, und Fig. 5(b) zeigt die Stirnansicht.

In Fig. 5 wird ein Paar von Okularzylindern (E2) jeweilig in ein Paar von Einführungsgliedern (E1) eingeführt. Das Paar von Einführungsgliedern (E1) wird jeweilig an die Verkleidung (U′) montiert und verbunden mit einem Ende jedes eines Paares von Stützgliedern (F3), so daß nur Rotation um die optische Achse (AX) möglich ist. Das Paar von Okularzylindern (E2) wird auch jeweilig mit einem Ende jedes eines Paars von Schiebegliedern (F2) verbunden, so daß sie nur um die optische Achse (AX) rotieren. Zu bemerken sei, daß eine Schraube (F1) entlang der Achse (FA) zwischen dem anderen Ende eines Paars von Schiebegliedern (F2) und dem anderen Ende eines Paars von Stützgliedern (bzw. Traggliedern) (F3) angeordnet ist. Die Schraube (F1) wird von dem anderen Ende eines Paars von Stützgliedern (F3) gestützt, das durch das andere Ende eines Paars von Schiebegliedern (F2) hindurchführt. Auf diese Weise wird das Paar von Schiebegliedern (F2) und das Paar von Stützgliedern (F3) in so einer Weise miteinander verbunden, daß sie nur um die gemeinsame Achse (FA) rotieren.

Wie beschrieben, wird der Mechanismus zur Justierung des Abstands zwischen der Objektivlinse und der Okularlinse durch die Glieder E1, E2 und F1 bis F3 gebildet.

Aus diesem Grund bewegt sich, wenn die Schraube (F1) rotiert wird, das Paar von Schiebegliedern (F2) hin und zurück entlang der Achse (FA), welche in Fig. 5(a) ho­ rizontal ist. In dem Moment, nach der Bewegung eines Paars von Schiebegliedern (F2), bewegt sich das Paar von Okularzylindern (E2) hin und zurück um den gleichen Abstand in einer horizontalen Richtung in der Abbildung. Zu bemerken sei, daß der Abstand, daß sich das Paar von Okularzylindern (E2) verschiebt, an einer Nonius-Skala (F4) gemessen werden kann. Die Nonius-Skala (F4) hat einen an einem des Paars von Stützgliedern (Fe) montierten oberen Skalenabschnitt und einen an einem eines Paars von Schiebegliedern (F2) montierten unteren Skalenabschnitt. Auf diese Weise kann, basierend auf der Größe, die sich das Paar von Okularzylindern (E2) bewegt, (Doe), der Abstand zwischen den Hauptpunkten der Objektivlinse (Lo) und der Okularlinse (Le), ermittelt werden. Ferner wird bevorzugt, daß der Ausmaß, um die sich die Distanz (Doe) verändert, durch Benutzung der Nonius-Skala (Fe) genau abgelesen wird.

Wie zuvor beschrieben kann gemäß dieser Erfindung durch Feststellung der Pupillen eines Beobachters beider Augen an einer um eine Brennweite von einer Okularlinse entfernten Position und durch das Setzen des Abstands zwischen der Objektivlinse und der Okularlinse auf eine vorbestimmte Länge, eine ausgerichtete, virtuelle Abbildung des gleichen Ausmaßes wie der tatsächliche Gegenstand durch die Okularlinse betrachtet werden. In anderen Worten kann durch Betrachtung eines Modells durch einen binokularen stereoskopischen Simulator gebaut nach den Prinzipien dieser Erfindung der gleiche visuelle Eindruck, wie der erhalten durch eine direkte Betrachtung eines tatsächlichen Gegenstands mit den Augen erzielt werden. Demzufolge kann ohne Herstellung eines Modells in Echtgröße, was normalerweise groß und teuer ist und viel Zeit benötigt, ein visueller Eindruck des Produkts vor der eigentlichen Herstellung des Produktes in Echtgröße angeboten werden.

Außer den oben genannten industriellen Anwendungen kann die vorliegende Erfindung auch auf dem Gebiet von Bildung und Unterhaltung angewandt werden. Zum Beispiel, in einem Museum, das ein Modell eines Stücks Architektur aus­ stellt, kann ein Besucher das Modell durch den binokula­ ren stereoskopischen Simulator, der diese Erfindung verkörpert, betrachten. Es wird scheinen, als sähe der Besucher den Gegenstand in Echtgröße durch Betrachtung des Modells. Hieraus resultiert, daß der Besucher viel Einsicht in die Ausstellung erhält, erweckt durch ein tieferes Verständnis der Ausstellung. Es ist auch möglich, den Beobachter die Illusion des Größer- oder Kleinerseins als die tatsächliche Größe, die ausgestellt wird, anzubieten. Deshalb kann die Erfindung an Maschinen angewandt werden, die im Spielsalon und ähnlichen zur Unterhaltungszwecken benutzt werden.

Verschiedene Modifikationen werden für den Fachmann nach Erhalt der Lehre der vorliegenden Veröffentlichung mög­ lich werden, ohne den Umfang dessen zu verlassen.

Claims (8)

1. Ein Verfahren zur Erzielung eines gewünschten visuellen Eindruckes eines Gegenstandes durch Betrachtung eines Modells des Gegenstands, wobei das Verfahren die Schritte umfaßt:
Herstellung eines Modells mit einer vorbestimmten Dimensionsbeziehung bezüglich des Gegenstandes;
Bildung eines optischen Objektivsystems im wesent­ lichen telezentrisch mit einer Abbildung des Modells und mit einer vorgewählten ersten Brennweite;
Bildung einer binokularen Okularlinse mit einer der ersten Brennweite im wesentlichen gleichen Brennweite; und
Veränderung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem und der binokularen Okularlinse, bis ein visueller Eindruck der durch die binokulare Okularlinse betrachtete Abbildung des Modells im wesentlichen identisch wird zu einem aus der direkten Betrachtung des Gegenstands resultierenden visuellen Eindruck.

2. Ein System zur Erzielung eines gewünschten visuellen Eindrucks eines Gegenstands durch Betrachtung eines Modells des Gegenstands, wobei das System gekennzeichnet ist durch:
ein Modell mit einer vorbestimmten Dimensionsbe­ ziehung bezüglich des Gegenstands;
ein im wesentlichen mit einer Abbildung des Modells telezentrisches optisches Objektivsystem mit einer vorgewählten ersten Brennweite;
eine binokulare Okularlinse mit einer der ersten Brennweite im wesentlichen gleichen Brennweite; und
Mittel zur Veränderung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem und der binokularen Oku­ larlinse, bis ein visueller Eindruck der durch die binokulare Okularlinse betrachteten Abbildung des Modells im wesentlichen identisch wird zu einem aus der direkten Betrachtung des Gegenstands resultierenden visuellen Eindruck.

3. Ein binokularer stereoskopischer Simulator ge­ kennzeichnet durch:
ein optisches Objektivsystem mit einer vorgewählten ersten Brennweite und im wesentlichen telezentrisch mit einer Abbildung zur Bildung einer Modellabbildung, basierend auf Strahlen von einem Modell eines tatsächlichen Gegenstandes, wobei das Modell eine vorbestimmte Größe in Bezug auf den tat­ sächlichen Gegenstand besitzt;
eine Okularlinse mit einer der ersten Brennweite des optischen Objektivsystems im wesentlichen gleichen Brennweite zur Betrachtung der durch das optische Objektivsystem gebildeten Modellabbildung; und
Mittel zur Veränderung des Abstands zwischen dem optischen Objektivsystem und der Okularlinse, so daß ein visueller durch Betrachtung der Modellabbildung durch die Okularlinse erhaltener Eindruck im wesentlichen identisch wird zu einem visuellen Ein­ druck, der durch direkte Betrachtung des tatsächlichen Gegenstandes mit den Augen erhalten wird.

4. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2 oder Anspruch 3, wobei das optische Objektivsystem linke und rechte optische Achsen des einfallenden Lichts besitzt und folgende Bedingung erfüllt ist: Wo = We·(1/m)wobei Wo der Abstand zwischen der linken und rechten optischen Achse des einfallenden Lichtes ist;
We die Breite zwischen den Augen eines Beobachters ist; und
m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug auf den tatsächlichen Gegenstand ist.

5. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2, Anspruch 3 oder Anspruch 4, wobei das optische Objektivsystem eine Abbildungsseite besitzt mit einem Hauptpunkt darauf, und wobei die Linse eine Objektseite besitzt mit einem Hauptpunkt darauf, und wobei die folgende Bedingung erfüllt ist: Doe = f{2 + (f/Do)·(1-1/m)},wobei Doe der optische axiale Abstand zwischen dem Hauptpunkt auf der Abbildungsseite des optischen Objektivsystems und dem Hauptpunkt auf der Objekt­ seite der Okularlinse ist;
f die Brennweite des optischen Objektivsystems und der Okularlinse ist;
Do der optische axiale Abstand zwischen dem Modell und einer Eintrittspupille des Auges eines Beobach­ ters ist; und
m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug zu dem tatsächlichen Gegenstand ist.

6. Eine Vorrichtung gemäß Anspruch 2, Anspruch 3, Anspruch 4 oder Anspruch 5, mit einem abbildungserrichtenden optischen System, das die Abbildung des durch die Okularlinse betrachteten Modells errichtet.

7. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das optische Objektivsystem linke und rechte optische Achsen des einfallenden Lichtes besitzt und welches die folgen­ de Bedingung erfüllt: Wo = We·(1/m),wobei Wo der Abstand zwischen der linken und rechten optischen Achsen des einfallenden Lichtes ist;
We die Breite zwischen den Augen eines Beobachters ist; und
m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug zu dem tatsächlichen Gegenstand ist.

8. Ein Verfahren gemäß Anspruch 1, wobei das optische Objektivsystem eine Abbildungsseite besitzt mit einem Hauptpunkt darauf, die Linse einer Objektseite besitzt mit einem Hauptpunkt darauf, und wobei die folgende Bedingung erfüllt ist: Doe = f{2 + (f/Do)·(1-1/m)},wobei Doe der optische axiale Abstand zwischen dem Hauptpunkt auf der Abbildungsseite des optischen Objektivsystems und dem Hauptpunkt auf der Objektseite der Okularlinse ist;
f die Brennweite des optischen Objektivsystems und der Okularlinse ist;
Do der optische axiale Abstand zwischen dem Modell und einer Eintrittspupille des Auges eines Beobachters ist; und
m eine vorbestimmte Vergrößerung für das Modell in Bezug zu dem tatsächlichen Gegenstand ist.