DE2244694A1 - Einrichtung zur kompensation von bildbewegungen in optischen systemen - Google Patents

Description

Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen in optischen»

Systemen
(Priorität: 23. September 1971, U.S.A., Nr. 183 030)

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen für Kameras und optische Visier- und Beobachtungssysteme und betrifft insbesondere ein Fluidum-Prisma mit variablem Prismehwlnkel zur Ablenkung eines Lichtstrahls in Abhängigkeit von der Winkelbewegung, um dadurch die Auswirkungen externer Schwingungen und Bewegungen auf das Bild derartiger optischer Systeme zu beseitigen und das Bild zu stabilisieren. Die Erfindung ist insbesondere in Verbindung mit Hochleistungs-Teleskopen, -Kameras, -Navigationsund -Feuerleitgeräten, die auf Flugzeugen, Landfahrzeugen oder Raumschiffen montiert sind oder in der Hand gehalten werden, von Nutzen.

In der U.S.-Patentschrift 3 212 420 ist eine Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen beschrieben, bei der ein mit einer Flüssigkeit gefülltes Prisma mit variablem Winkel von einem Wendekreisel gesteuert wird, der über ein geschlossenes Servo-Regelsystem elektronisch mit dem Prisma gekoppelt ist. Der Kreisel mißt dabei die Winkelbewegung, der das optische System unterworfen ist, und orientiert über einen elektronischen Verstärker und Rückkopplungswandler

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die gegenseitige Winkelstellung zweier Platten, so daß das dazwischen eingeschlossene flüssige Brechungsmedium einen Keil bildet, dessen Scheitel quer zu der resultierenden Bewegung verläuft. Die verhältnismäßig komplizierte elektronische Schaltung und das erforderliche RUckkopplungssystem sind zwar leistungsfähig, notwendigerweise Jedoch mit hohen Herstellungskosten verbunden.

In der U.S.-Patentschrift 3 503 663 ist ein Bildstabilisator gezeigt, der einen zwischen zwei transparenten Platten eingeschlossenen flüssigen Keil mit variablem Winkel umfaßt, wobei die beiden Platten mit einer einzigen Kreiselmasse, die um eine mit der Brennachse des optischen Systems im wesentlichen zusammenfallende Achse rotiert, mechanisch gekoppelt sind und von diesem Kreisel betätigt werden. Die Kreiselmasse ist dabei über ihre Kardanaufhängung längs aufeinander senkrechter Achsen mechanisch mit den transparenten Platten gekuppelt, wobei mit der Kreiselmasse drehbare Dämpfungseinrichtungen niederfrequente Tastbewegungen gestatten, jedoch bei hochfrequenten Winkelbewegungen die Drehachse bezüglich des optischen Systems versetzen. Wenn auch diese letztere Konstruktion mit einem mechanisch gekoppelten flüssigen Prisma billiger ist als die elektronisch gesteuerte Version, neigt die verhältnismäßig große und sperrige Kreiselmasse zu Kreuzkopplungen der Bildbewegung infolge der Präzessioh.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreiselgesteuerte Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen zu schaffen, bei der die transparenten Platten eines Fluidum-Keils mit variablem Winkel mechanisch mit der Kreiselmasse gekoppelt sind, ohne Kreuzkopplungen der Bildbewegung infolge der Kreiselpräzession zu erzeugen. Dabei soll das Kompensationssystem mit dem Fluidum-Keil verhältnismäßig wenig aufwendig sein. Zur Aufgabe der Erfindung gehört es ferner, eine Einrichtung zur Kompensation der Bildbewegung mit variabler Geometrie zu schaffen, bei der eine Hochfrequenz-Sta-

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billsierung erreicht wird und gleichzeitig niederfrequente Schwenk- oder Tastbewegungen möglich sind. Zur Aufgabe gehört es ferner, ein kreiselgesteuertes Fluidum-Prisma mit variablem Winkel zu schaffen, bei dem Dämpfungs- und RUckstell-Drehmomente um das PräzessionsZentrum minimal sind und mit zunehmendem Präzessionswinkel exponentiell ansteigen. Die Dämpfungs- und· RÜckstell-Drehmomente sollen ferner durch Temperaturschwankungen nur minimal beeinflußt werden. Schließlich ist es Ziel der Erfindung, ein Gerät der erwähnten Art zu schaffen, das sich leicht und wirtschaftlich herstellen läßt, stabilen Aufbau hat und in seinem Betrieb hochleistungsfähig und wirkungsvoll ist.

Kurz gesagt arbeitet die erfindungsgemäße Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen in optischen Systemen mit . einem zwischen transparenten Elementen mit variablem Winkel eingeschlossenem Fluidum, wobei die transparenten Elemente um zueinander senkrechte Achsen schwenkbar angeordnet sind. Zur Vermeidung von Kreuzkopplungen der Bildbewegung sind die transparenten Elemente mechanisch mit.zwei Kreiseln gekoppelt, deren Achsen rechtwinklig zueinander verlaufen. Diee Dämpfung verläuft nicht-linear, sie ist minimal um das Präzessionszentrum und wächst mit zunehmendem Präzessionswinkel exponentiell. Das Ruckstellmoment wird magnetisch, und zwar mittels einander gegenüber angeordneter Permanentmagnete, auf die Präzessionsachse ausgeübt.

In der nachstehenden Beschreibung wird die Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert; in den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen mit einem Fluidum-Prisma mit variablem Winkel sowie mit einsr nicht-linear gedämpften Kreiselkopplung mit magnetischem Rückstellmoment gemäß der Erfindung;

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. Fig. 2 eine Seitenansicht von der Linie 2-2 der Fig. 1 aus;

Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäß verwendeten nicht-linear gedämpften Kreiselsystems mit magnetischer Präzessions-Momentrückstellung;

Fig. 4 einen Querschnitt längs der Linie 4-4 der Fig. 3; und

Fig. 5 einen Querschnitt durch eine abgewandelte AusfUhrungsform des in Fig. 4 gezeigten Dämpfungssystems.

In den Zeichnungen ist eine Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen für ein optisches System dargestellt, die ein generell mit A bezeichnetes Fluidum-Prisma- mit variablem Winkel sowie ein Paar von Kreiseln B1 und B2 umfaßt, die mit einem Paar von schwenkbar gelagerten transparenten Elementen des Fluidum-Prismas mechanisch gekoppelt sind. Für die innere Kardanaufhängung bzw. für die Präzessionsachse des Kreisels B1 sind nicht-lineare Dämpfungseinrichtungen C1, für die Präzessionsachse des Kreisels B2 nicht-lineare Dämpfungseinrichtungen C2 vorgesehen. An den Präzessionsachsen der Kreisel B1 und B2 greifen magnetische RUckstellmoment-Einrichtungen D1 bzw. D2 an, wobei die Dämpfungs- und Rückstellmomente mit zunehmendem Präzesslonswinkel der betreffenden Kreisel exponentiell ansteigen.

Das Fluidum-Prisma A umfaßt ein Paar von transparenten Platten 12 und 14, die um zueinander senkrechte Achsen schwenkbar gelagert sind. Zwischen den Platten ist mittels eines Balgs 16 (nicht gezeigte) transparente Flüssigkeit mit geeignetem Brechungsindex eingeschlossen. Eine detaillierte Beschreibung für den Mechanismus des Fluidum—Prismas findet sich in den U.S.-Patentschriften 3 212 420 und 3 503 663. Die transparente Platte 12 ist in einem Halterungsring 18 montiert, der mit nach außen ragenden Lagerzapfen 19 und 20 versehen ist; die Zapfen 19 und 20 sind in geeigneter Weise in einander gegen-

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über angeordneten Stehlagern 21 bzw. 22 gelagert, die von einem Rahmen 23 nach oben ragen. Statt der gezeigten Lagerung könnte ebenso gut ein Paar von einander gegenüber stehenden konischen Spitzen vorgesehen sein, die von den Stehlagern 21 und 22 nach innen ragen und in Steinlager an dem Ring 18 eingreifen könnten. In ähnlicher Weise ist die transparente Platte 14 in einem Ring 24 gehaltert, dessen an entgegengesetzten Stellen angeordnete Lagerzapfen 25 und 26 in am Rahmen 23 montierten Lagern 27 und 28 schwenkbar gelagert sind.

Der Kreisel B1 umfaßt eine Kreiselmasse 30, die von einem · Motor 32 mit verhältnismäßig hoher Drehzahl angetrieben wird. (Nicht gezeigte) Zuleitungen mögen den Motor beispielsweise aus einer Batterie speisen, die in einer aus- -;■ wechselbaren Kassette eingebaut sein könnte. Die Drehachse der Masse 30 ist in herkömmlicher Welse in einem inneren Kardanbügel 34 gelagert, dessen Achse 35 in einem äußeren Kardanbügel 36 drehbar gelagert ist. Die Drehachse verläuft senkrecht zur Achse 19-20 der transparenten Platte 12. Die Achse des äußeren Kardanbügels 36 wird von einem Paar von nach außen ragenden Lagerzapfen 38 gebildet, die in von dem Rahmen 23 nach oben ragenden Lagern 40 gelagert sind. Am Ende eines Lagerzapfens 38 ist ein Stellarm 42 befestigt, der über einen Stift 46 an einem Einstellfinger 44 der unteren Platte 12 angelenkt ist. Der Einstellfinger 44 1st an seinem Ende mit der unteren Platte 12 durch einen gegenüber dem Lagerzapfen 19 exzentrischen Stift 48 gekuppelt. Eine Drehung des äußeren KardanbUgels 36 relativ zu dem Rahmen 23 bewirkt also eine proportionale Verschwenkung der Platte 12, so daß das eingeschlossene Fluidum zu einem Keil geformt wird.

Der Kreisel B2 ist mit dem Kreisel B1 mit der Ausnahme identisch? daß die Drehachse seiner rotierenden Kreiselmasse 50 senkrecht zur Schwenkachse 25-26 der oberen transparenten Platte orientiert ist. Ein innerer Kardanbügel 52 weist eine

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Präzessionsachse 55 auf, die in einem äußeren KardanbUgel 56 gel- jert ist, und die Masse 50 wird von einem Motor 54 angetrieben. Der äußere Kardanbügel 56 ist mit einem Paar von nach außen ragenden Lagerzapfen 58 versehen, die in von dem Rahmen 23 nach oben ragenden Stehlagern 60 gelagert sind. Ein mit einem Zapfen 58 drehbarer Stellarm 62 ist Über einen Lagerstift 66 an einen Einstellfinger 64 für die obere Platte 14 angelenkt. Der Einstellfinger 64 ist mit dem Ring 24 der oberen transparenten Platte 14 Über einen Stift 68 gekuppelt, der gegenüber dem Lagerzapfen 25 exzentrisch ,angeordnet 1st. Eine Drehung des äußeren Kardanbligels 56 in seinem Stehlager 6o bewirkt daher eine proportionale Verschwenkung der oberen Platte 14, die eine Keilbildung des eingeschlossenen Fluidums erzeugt.

Die Dämpfungseinrichtungen C1 und C2 sind in ihrem Aufbau Identisch und derart gestaltet und angeordnet, daß die Stabilisierung der Bildbewegung bei niedrigen Frequenzen (o,5 bis 2 Hz) gering ist, um Schwenk-.und Tastbewegungen zuzulassen, während die Stabilisierung bei höheren Frequenzen (40 Hz) groß ist. Ferner ist es zweckmäßig, daß die Dämpfung um das PräzessionsZentrum minimal ist und mit zunehmendem Präzessionswinkel exponentiell ansteigt. Die Dämpfungseinrichtung C1 umfaßt ein Paar von in Abstand voneinander angeordneten Stoßdämpfern 70 und 72, deren Zylinder an dem äußeren Kardanbilgel 36 schwenkbar gelagert sind. In Jedem Zylinder ist ein Kolben 74 verschiebbar angeordnet, der gemäß Flg. 4 einen konischen Endabschnitt 75 aufweist. Kolbenstangen 76 sind Über eine Querschiene 78 mit dem inneren Kardanbilgel 34 verbunden, wobei Kugelgelenke 80 die Schwenkbewegung des KardanbUgels aufnehmen. Bewegt sich nun der konische Endabschnitt 75 der Kolben 74 an einer in dem Zylinder vorgesehenen öffnung 79 vorbei, so tritt ein geringerer Luftverluet durch den Stoßdämpfer auf) d.h. der höchste Luftverlust erfolgt in der Mittelstellung des Inneren KardanbügelB, und der Verlust wird mit zunehmender Verschwenkung aus der Mittelstellung kleiner. Wie in Fig. 1 und 3 gezeigt,

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ist an jedem Kreisel ein Paar von Dämpfungseinrichtungen C1 bzw. C2 schwenkbar montiert. Die Winkelbewegung der inneren oder Präzessionsachse wird dadurch in einen linearen Hub überführt, wobei der umgekehrt-nicht-lineare Luftverlust durch die Wirkung des sich an der Öffnung 79 in der betreffenden Zylinderwand vorbeibewegenden konischen Kolbens 74-er zielt wird.

Die Präzessions-Rückstellmoment-Einrichtungen D1 und D2 greifen an den Präzessionsachsen der Kreisel B1 bzw. B2 jeweils über vier Permanentmagnete 82, 84, 86 und 88 ,an. Dabei sind jeweils zwei Magnete 82 und 84 über einen Träger 90 an dem. äußeren Kardanbügel (36 bzw. 56) befestigt. Die beiden anderen Magnete 86 und 88, die die gleiche Polarität wie die Magnete 82 und 84 haben (im vorliegenden Fall handelt es sich um lauter Nordpole), sind an der von dem inneren Kardanbügel hervorstehenden Querschiene 78 montiert, so daß zwischen den Magneten abstoßende Kräfte erzeugt werden. Da die Abstoßung zwischen benachbarten Magneten umgekehrt proportional zum Quadrat der Entfernung zwischen den Stirnflächen der Magnete ist, sind die Rückstellmomente um das Präzessionszentrum minimal, während sie mit zunehmendem Präzessionswinkel exponentiell ansteigen. Die sich aus zwei Magnetpaaren ergebende abstoßende Kraft ist 0, wenn die Drehanordnung zentriert ist; diese Kraft steigt jedoch exponentiell mit zunehmender Auslenkung gegenüber der zentrierten Stellung. Befindet sich also die rotierende Anordnung In ihrer neutralen oder zentrierten Stellung, εο hat sie im wesentlichen die Eigenschaften eines freien Kreisels. Präzediert die rotierende Masse aus der neutralen Stellung heraus, so bewirken die exponentiell ansteigenden Rückstellmomente, daß die Masse die Eigenschaften eines einachsigen Kreisels annimmt. Die geeigneten Gesamtkräfte lassen sich durch entsprechende Auswahl der Magnetpolkräfte und der räumlichen Ausgangslage erzielen.

In Fig. 5 ist eine Variante der Dämpfungseinrichtung gezeigt,

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bei der eine umgekehrte Dämpfung durch Verwendung eines aus porösem Sintermaterial hergestellten Stoßdämpferzylinders erzeugt wird. Die von einem Kolben 9h innerhalb des Zylinders 92 verdichtete Luft entweicht durch die poröse Zylinderwand. Befindet sich der Kolben 9^ am oberen Ende des Zylinders 92, so ist die maximale Wandfläche für das Entweichen der Luft freigegeben. Bewegt sich dagegen der Kolben auf den Zylinderboden zu, so schließt er die Wandfläche ab, so daß das Entweichen der Luft allmählich abnimmt und die Dämpfungskraft entsprechend steigt. Durch entsprechende Abdeckung der Zylinderaußenwand läßt sich die gewünschte nicht-lineare Dämpfungscharakteristik erreichen.

Auf dem Rahmen 23 sind eine Reihe von Stützen 96, 97, 98 und 99 stehend montiert, an denen ein (nicht gezeigtes) Gehäuse befestigt werden kann, um das System in bequemer V/eise zu verschließen.

Wie sich aus der vorstehenden Beschreibung ergibt, werden Kreuzkopplungen der Bildbewegung durch die Verwendung eines Paares von Kreiseln B1 und B2 vermieden, die jeweils mit den schwenkbar gelagerten transparenten Platten 12 bzw. 14 der Fluidum-Linse bzw. des Fluidum-Prlsmas ,A mechanisch gekoppelt sind. Die Verwendung der nicht-linearen Dämpfungseinrichtungen.C1, C2 in Kombination, mit den magnetischen RUckstellmoment-Einrichtungen D1, D2 bezüglich der Präzessionsachsen ergibt minimale Dämpfungs- und Rückstellkräfte um die Mittellage (kleine Korrekturwinkel der Bildbewegung) und exponentiell anwachsende Dämpfungs- und Rückstellkräfte dort, wo große Korrekturwinkel der Bildbewegung erforderlich sind.

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Claims (7)

Patentansprüche

1. Einrichtung zur Kompensation von Bildbewegungen für .ein,zufälligen Winkelbewegungen unterworfenes optisches System, gekennzeichnet durch einen Fluidum-Keil (A) mit variablem Winkel, der ein Paar von transparenten Elementen (12, 14) und ein da- zwischen eingeschlossenes Fluidum umfaßt, wobei die transparenten Elemente um zueinander und zur Br_yennachse des optischen Systems senkrechte Achsen schwenkbar gelagert sind; ferner durch eine erste Kreiseleinrichtung (B1), die mit einem (12) der transparenten . Elemente mechanisch gekoppelt ist, dieses in Abhängigkeit von Winkelbewegungen in einer ersten Richtung um seine Schwenkachse verdreht und eine Einrichtung

(C1) zur nicht-linearen Dämpfung um ihre innere Kardan-Präzessionsachse umfaßt; ferner durch eine zweite Kreiseleinrichtung (B2), die mit dem anderen transparenten Element (14) mechanisch gekoppelt ist, dieses in Abhängigkeit von Winkelbewegungen in einer zweiten Richtung mit einer zu der ersten Richtung senkrechten Komponente um seine Schwenkachse verdreht und eine Einrichtung (C2) zur nicht-linearen Dämpfung um eine zu der inneren Kar-. danachse in der ersten Kreiseleinrichtung rechtwinkelige Präzessionsachse umfaßt; sowie durch eine Einrichtung (D1, D2) zur Erzeugung eines RUckstellmomentes um die

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Präzessionsachsen der jeweiligen Kreiseleinrichtung.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (C1, C2) zur nicht-linearen Dämpfung und die Einrichtung (D1, D2) zur Erzeugung der Rlickstellmomente der Jeweiligen Kreiseleinrichtungen (B1, B2) Momente erzeugen, die mit zunehmenden Korrekturwinkeln des Fluidum-Keils (A) exponentiell anwachsen.

3. Einrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (Ct, C2) zur nichtlinearen Dämpfung Stoßdämpfer (70, 72) mit konischen Kolben (74, 75) umfaßt.

4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Einrichtung (C1, C2) zur nicht-linearen Dämpfung Stoßdämpfer (92) mit porösen Zylinderwänden umfaßt.

5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (D1, D2) zur Erzeugung der RUckstellmomente Magnete (82, 84, 86, 88) umfaßt.

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6. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß'die Einrichtung (C1, C2) zur nicht-linearen Dämpfung der jeweiligen Kreiseleinrichtungen (B1, B2) ein Paar von schwenkbar gelagerten Stoßdämpfern (70, 72; 92) umfaßt-und daß die Einrichtung (D1, D2) zur Erzeugung der Rückstellmomente in den je-

. weiligen Kreiseleinrichtungen Magnetpaare (82, 84, 86, 88) mit einander gegenüberstehenden Polen gleicher Polarität umfaßt.

7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g β k e η η ζ e lehnet , daß die Einrichtung (C1, C2) zur nicht-linearen Dämpfung und die Einrichtung (D1_f D2) zur Erzeugung der RUckstellkräfte in den jeweiligen Kreiseleinrichtungen (B1, B2) derart aufgebaut und angeordnet sind, daß die rotierende Kreiselmasse in einer neutralen Stellung die Eigenschaften eines freien Kreisels hat, während die exponentiell ansteigenden Rückstellkräfte bei Präzession der Kreiselmasse aus der neutralen Stellung heraus die Eigenschaften eines einachsigen Kreisels erzeugen.

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