DE2141762A1

DE2141762A1 - Prismenanordnung mit konstanter Deviation

Info

Publication number: DE2141762A1
Application number: DE19712141762
Authority: DE
Inventors: Ronald Tavenor Hayes Middlesex Finnis (Großbritannien)
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1970-08-27
Filing date: 1971-08-20
Publication date: 1972-08-17
Also published as: FR2103566B3; FR2103566A3; GB1357340A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Prismenanordnung mit konstanter Deviation und ist insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, auf eine solche Anordnung bezogen, wie sie in Bandkameras mit Weitwinkel verwendet werden, um eine Überwachung aus der Luft durchzuführen.

Bandkameras, wie sie für Luftüberwachungen verwandt werden, verlangen ein Blickfeld in der Größenordnung von 120°. Es ist schwierig, eine befriedigende Aufzeichnung auf einem Film bei einem solchen breiten Blickfeld über eine einzige Linse zu erhalten, well Weitwinkellinsen eine große Verzerrung hervorrufen und auch die Vignettierung einen nachteiligen Einfluß ausübt als bei Linsen mit einem mittleren Blickfeld. Es ist deshalb vorgeschlagen worden, auf einen Film über zwei Linsen aufzuzeichnen. Somit braucht

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Jede Linse nur ein Blickfeld von etwa 6O° zu haben. Die Anordnung ist dabei so getroffen, daß die beiden Blickfelder sich im Nadir berühren. Um sicherzustellen, daß die aufgezeichneten Bilder auf dem Film in der richtigen Reihenfolge erscheinen, wird vor jede Linse ein entsprechendes Prisma mit konstanter Deviation eingeschaltet, wobei die beiden Bilder des Nadirs in der Mitte der Aufzeichnung übereinanderliegen. Der Effekt der Prismen besteht darin, das einfallende Licht über einen mittleren Winkel, in diesem Beispiel über 30°, abzulenken und die optischen Achsen zu kreuzen, so daß beispielsweise unter der Annahme, daß die beiden Linsen nebeneinander auf einer gemeinsamen Achse quer zum Kurs des Flugzeuges liegen, die linke Linse Licht von einem Sektor empfängt, der sich zwischen dem Nadir und einem Winkel von 60° vom Nadir nach rechts vom Flugzeug aus erstreckt. Umgekehrt empfängt die rechte Linse Licht aus einem Sektor zwischen dem Nadir und einem Winkel 60° vom Nadir nach links vom Flugzeug· Die Verwendung solcher Prismen bringt aber Schwierigkeiten mit sich, wenn eine konstante Lichtablenkung aus einem Blickfeld von 60° versucht wird, weil beträchtlich andere optische Wege durch das Prisma für die extremen Strahlen erforderlich sind und es schwierig ist, solche Unterschiede unterzubringen. Selbst wenn Glas mit einem hohen Brechungsindex in der Größenordnung von 1,7 verwendet wird, stellt man fest, daß es praktisch keine Lösung für dieses Problem gibt. Gläser

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mit einem noch höheren Brechungsindex kann man jedoch zeigen diese Gläser ein® merkliche Dispersion, sind schwer, nicht sehr stabil und haben ein© starke Färbung* Falls Glas mit einem mittleren Brechungsindex verwandt wird, nimmt das Prisma unverhältnismäßige Abmessungen an«

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Schaffung einer Prismenanordnung mit konstanter Deviation, durch die wenigstens eine der oben genannten Schwierigkeiten beseitigt wird.

Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß die Prismenanordnung mit konstanter Deviation eine Mehrzahl von nebeneinander angeordneten Prismen umfaßt, wobei das erste dieser Prismen eine plane Fläche besitzt, die einfallende Strahlungen aufnimmt und ein zweites dieser Prismen eine plane Fläche aufweist, aus der die Strahlungen aus der Anordnung austreten können, wobei der Winkel zwischen den beiden Flächen im wesentlichen gleich ist mit dem gewünschten Deviationswinkel der Anordnung.

Die Erfindung umfaßt auch eine Bandkamera für einen Weitwinkel mit wenigstens einer solchen Prismenanordnung.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnung, die Ausführungsbeispiele zeigt, näher erläutert.

In der Zeichnung stellen dari

Fig. 1 eine Querschnittsansicht in schematischer Darstellung einer Bandkamera mit zwei Prismen konstanter Deviation an sich bekannter Art,

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Fig. 2 ein Prisma, welches Teil einer Prismenanordnung mit konstanter Deviation darstellt gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 3 eine Prismenanordnung mit konstanter Deviation nach einem weiteren Beispiel der Erfindung,

Fig. 4 eine abgeänderte Ausgestaltung einer Prismenanordnung gemäß der Erfindung, und

Fig. 5(a) und 5(b) in schematischer Schnittdarstellung von vorn und von der Seite gesehen Jeweils eine stereoskopische Bandkamera mit einem Weitwinkel und vier Prismenanordnungen mit konstanter Deviation.

Falls eine Bandkamera einen weiten Blickwinkel von beispielsweise 120° haben soll, so kann dies, wie eingangs beschrieben, dadurch erreicht werden, daß zwei Linsen jeweils 60° überdeckend so angeordnet sind, daß die eine die Backbordseite (-60° bis 0°) und die andere die Steuerbord- * seite (0° bis+60°) erfaßt, wobei 0° die vertikale Linie von dem Flugzeug zum Nadir darstellt. Um für diese Anordnung die Symmetrie zu erhalten, ist es erforderlich, die optischen Achsen der Linsen zu -30° und +30° zu neigen. Ein Verfahren zum Neigen der optischen Achsen mit Bezug auf eine gemeinsame Bildebene unter Verwendung von Prismen mit konstanter Deviation bekannter Art ist in Fig. 1 gezeigt. Bei dieser Prismenart tritt ein Axialstrahl 1 senkrecht zur

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Fläche 2 ein, wird an der Fläche 3 reflektiert (die mit einem reflektierenden Film beschichtet ist, beispielsweise mit Aluminium), erleidet totale innere Reflexion an der Oberfläche 2, weil das Prisma aus einem Glas mit hohem Brechungsindex hergestellt ist in der Größenordnung von 2, und tritt schließlich senkrecht zur Fläche 4 aus. Der Strahl geht dann durch die Linse 5 hindurch, überbrückt den Spalt 6 und trifft auf den Film 7. Der Filmtransport erfolgt in einer Richtung senkrecht zur Ebene des Papieres.

Wenn zwei Prismen dieser Art verwandt werden, so daß die optischen Achsen sich außerhalb der Kamera kreuzen, erscheinen die Bilder in der richtigen Reihenfolge auf dem Film, d.h. die Bilder von +60° und -60° erscheinen an den äußeren Kanten und das Bild des Nadirs (0°) erscheint in der Mitte. Zusätzlich zu dieser bisher beschriebenen Einrichtung, die, soweit sie oben beschrieben ist, bekannt ist, kann eine leicht seitlicheJustierung der einen oder der anderen oder der beiden Linsen gegeben werden, so daß die beiden Bilder des Nadirs auf dem Film zusammenfallen. Ein einziger Spalt 6 ist dann für beide Bilder vorgesehen und ein dünner Teilungsschirm 8 mit Abschirmungen deckt jede Hälfte des Films gegen die Strahlen ab, die aus der Linse der anderen Seite stammen.

Ablenkungsprismen, wie sie an sich bekannt und in Fig. 1 dargestellt sind, können über einen Winkel in der Größenordnung von 30° ablenken, und zwar entweder einen

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parallelen Strahl oder einen im mittleren Umfang divergierenden Strahl. Es ist Jedoch außerordentlich schwierig, einen Winkelbereich von 60° um 30° abzulenken. Ein solches Prisma wäre ein Fehlschlag, weil die extremen Strahlen völlig anderen Wegen durch das Prisma folgen und es daher schwierig ist, die verschiedenen und manchmal im Widerstreit zueinander stehenden Anforderungen für totale innere Reflexion und Iransmission zu erfüllen.

In der folgenden Beschreibung, bezugnehmend auf Fig. 2, fc wird man bei den Lichtstrahlen auf solche Lichtstrahlen Bezug nehmen, die aus einer Linse austreten, so daß Licht in Richtung der dargestellten Pfeile verläuft.

Fig. 2 zeigt ein Prisma (oC= 15°, /Q= 50°), welches den Axialstrahl 10 zum Strahl 11 reflektiert, dann zu 12, der in den Prisma auf die erforderliche Ablenkung, beispielsweise 30° zur Linsenachse, abgelenkt wird. Dieser Strahl 12 jedoch steht nicht senkrecht zur Fläch· 13ι so daß Refraktion stattfindet und der schließlich austretende axiale Strahl 14 nicht unter einem Winkel von 30° zur Linsenachse verläuft. Außerdem sind die extremen Strahlenwege 17» 16, 15 nicht in ihrer Länge den anderen extranen Strahlenwegen 20, 19» 18 gleich» und die Strahlen 15 und 18 treffen auf die Fläche 13 unter Winkeln» die nicht symmetrisch zu den Einfallswinkeln der axialen Strahlen liegen.

Erfindungsgemäß jedoch wird zu diesem ersten Prisma ein zweites Prisma gefügt, das nebtn dem »rsttn Prisma

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liegt, wie in Fig. 3 gezeigt, wobei zwischen beiden ein kleiner Luftspalt verbleibt. Das zweite Prisma kompensiert die ungleichmäßigen Weglängen im ersten Prisma, und außerdem verläßt nun der Axialstrahl die Prismenoberfläche 21 senkrecht, wobei die extremen Strahlen symmetrisch um den Axialstrahl herum mit * 30° verlaufen.

Es ist zu erkennen, daß die Strahlen nun gleiche und entgegengesetzte Refraktion an den beiden Oberflächen, die den Luftspalt enthalten, erleiden, aber dadurch entsteht kein Problem, besonders dann nicht, wenn antireflektierende Beschichtungen auf den Oberflächen verwandt werden«

Die Prismenanordnung gemäß der Erfindung ist von vernünftiger Größe, verwendet Glas mit mittlerem Brechungsindex (im dargestellten Beispiel mit einem Brechungsindex von n, = 1,569) und lenkt ab ein ⁺ 30°-Feld um 30°.

Der unterste Punkt auf der mteren Fläche 13 in Fig. 3» an dem Reflexion stattfinden muß, ist bei A gekennzeichnet. Es kann der Fall sein, daß ein Strahl, beispielsweise 22, der von der Oberfläche 23 durchgelassen werden soll, tatsächlich völlig nach innen reflektiert wird. Diese Schwierigkeit tritt jedoch nur an dem unteren Ende des Luftspaltes auf, und um das zu vermeiden, kann dieses Prisma örtlich, wie durch die gestrichelte Linie 24 angedeutet, verklebt werden (beispielsweise mit Kanada-Balsam). Andererseits kann auch eine dünne Glasplatte in diesen Bereich der Anordnung geklebt werden, so daß der Luftspalt ver-

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schwindet. Eine entsprechende Schwierigkeit bei dieser Art Prisma ergibt sich im Bereich 25 des großen Prismas 26, wenn Reflexion verlangt wird. Dies kann man dadurch überwinden, daß man die Fläche mit Aluminium beschichtet. Bei manchen Luftkameras werden mehrere Linsen und Prismen verwandt, um ein großes Blickfeld, beispielsweise zwischen 120° und 180° zu erfassen. In solchen Kameras liegen die Linsen und Prismen sehr dicht beieinander, und daher gibt es nur Platz für sehr kompaktePrismen. Eine abgeänderte Form der Prismenanordnung, die Raum spart, wenig wiegt und auch billig ist, ist in Fig. 4 gezeigt. Der tiefste Punkt an dem auf der Fläche 13 in Fig. 3 Reflexion stattfindet, ist bei A. Das zusätzliche kleine Prisma 27 braucht daher nur bis in die Nähe dieses Punktes zu reichen, vorausgesetzt, das größere Prisma 26 ist in einem entsprechenden Winkel an dieser Stelle abgeschnitten, wie das bei 28 in Fig. 4 gezeigt ist, so daß die Oberfläche parallel zur Oberfläche 21 des Prismas 27 verläuft.

Um stereoskopische Aufzeichnungen zu erzeugen, muß das optische System verdoppelt werden, obgleich die beiden Bilder auf einem einzigen Film aufgezeichnet werden können. Das eine System muß dabei etwas mit Bezug auf das Flugzeug vorausschauen, das andere etwas zurück. Z.B. * 5° Neigung der optischen Achsen mit Bezug auf die Vertikale ergeben eine adequate Parallaxe, und eine Ausgestaltung dieser Art ist in den Fig. 5(a) und 5(b) dargestellt.

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In Fig. 5(a) empfängt die Linse L₁ Licht von der Prismenanordnung 26,., 27,1 , und die anderen Linsen und Prismen sind ähnlich angeordnet, Die Prismenanordnungen 26^₈ 27-j und 26p» 27p sind zusammen mit ihren Linstsa. L^ und Lp nach vorn geneigt, d.h. um 5° zur Vertikalen auf dem Kurs des Flugzeuges, was deutlicher aus Fig. 5(t>) hervorgeht, wogegen die Linsenanordnung L, und L^ und die Prismen 26,, 27, und 26., 27λ um 5° nach hinten geneigt sind.

Alternativ zur Neigung der optischen Achsen können die Linsenachsen vertikal verbleiben ₉ wenn ein Linsen- und Prismensatz etwas nach vorn verschoben wird mit Bezug auf den Spalt, während der andere Linsen- und Prismensatz mit Bezug auf den Spalt etwas nach hinten verschoben wird«, Diese Ausgestaltung resultiert wiederum darin₉ daß von der vom Film aufzuzeichnenden Szen© vorwärts» und rückwärtsschauende Bilder aufgenommen werden.

Obwohl die Erfindung an optischen Systemen beschrieben worden ist, ist sie ebenfalls anwendbar z.B_o für Infrarotsysteme. In diesem Fall würde das Material der Prismen nicht im allgemeinen Glas sein« Das System ist auch anwendbar für Television oder andere Bildsysteme.

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Claims

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Patentansprüche

(jy Prismenanordnung mit konstanter Deviation, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Prismen nebeneinander angeordnet sind, wobei das erste dieser Prismen eine plane Fläche aufweist, die einfallende Strahlungen empfängt und ein zweites Prisma mit einer planen Fläche, über die die Strahlung aus der Anordnung austreten kann, wobei der Winkel zwischen den beiden Flächen im wesentlichen gleich dem Winkel ist, der für die Deviation der Anordnung verlangt wird.
2. Prismenanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch zwei keilförmige Prismen, wobei wenigstens das erste Prisma dreieckige Querschnittsform hat parallel zu den Seiten des Keiles gesehen, eine plane Fläche, die über einer benachbarten planen Fläche des zweiten Prismas liegt, wobei die erste plane Fläche die Austritts- und die zweite plane Fläche die Eintrittsfläche ist und daß beide Flächen

P wenigstens teilweise durch einen Spalt getrennt sind.
3. Prismenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das auf die Fläche des ersten Prismas fallende Licht über die Austrittsfläche des Prismas auf die Eintrittsfläche des zweiten Prismas fällt, an einer reflektierenden Fläche des zweiten Prismas total nach innen reflektiert, und zwar an der einfallenden Fläche des zweiten Prismas

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und aus der Prismenanordnung über die Austrittsfläche des zweiten Prismas austritt.
4. Prismenanordnung nach Anspruch 2 oder 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Einfallsfläche des Lichtes an dem zweiten Prisma eine äuößere Fläche umfaßt als die Austrittsfläche des ersten Prismas und daß sie an einem Ende mit der Austrittsfläche des ersten Prismas zusammenfällt und abgeschnitten ist, so daß sich zwischen diesem Ende und der beschichteten Oberfläche eine Fläche bildet, die im wesentlichen parallel zur Einfallsfläche des ersten Prismas verläuft und die zur Aufnahme von Lichtstrahlen dient, welche auf die Anordnung auftreffen.
5. Kamera, dadurch gekennzeichnet, daß sie wenigstens eine Prismenanordnung gemäß den Ansprüchen 1 bis 4 enthält.
6. Kamera nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Prismenanordnungen enthält, die so zusammenwirken, daß sie über den Deviationswinkel Licht ablenken, das aus allen Richtungen des Blickfeldes empfangen wird« ^c
7. Kamera nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Paare von Anordnungen von Prismen enthält, wobei das eine Paar Licht aus einem Blickfeld und das andere Paar Licht aus dem anderen Blickfeld empfängt und

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daß es mit Bezug zum ersten Paar versetzt angeordnet ist.
8. Kamera nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich um eine Luftbildkamera handelt, wobei die beiden Blickfelder so verschiebbar sind, daß sich ein stereoskopisches Filmbild erzeugen läßt.

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