DE2343077A1

DE2343077A1 - Vorrichtung zur stabilisierung eines optischen bildes

Info

Publication number: DE2343077A1
Application number: DE19732343077
Authority: DE
Inventors: Toru Fukuhara
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1972-08-28
Filing date: 1973-08-25
Publication date: 1974-03-07
Also published as: GB1442825A; FR2199605B1; JPS4942360A; FR2199605A1; DE2343077B2

Description

BLUMBACH . WESER ■ BEIRaEN & KRAMER

PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN

DIPL-ING. P. G. BLUMBACH · DIPL.-PHYG. Dr. W. WESER - DIPL-ING. DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER

62 WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (06121) 562J43, 561998 MÖNCHEN

NIPPON KOGAKU K. K. ' Case 214

Tokyo /JAPAN

Vorrichtung zur Stabilisierung eines optischen

Bildes

Die Erfindung bezieht sich auf eine an einem optischen Instrument angebrachte Vorrichtung zur Stabilisierung eines optischen Bildes. Mit der Vorrichtung sollen beispielsweise Objektive erschütterungsfrei an optischen Instrumenten befestigt, werden und insbesondere sollen optische Bilder gegen die schädlichen Auswirkungen äußerer Vibration von optischen Instrumenten geschützt werden, beispielsweise Stehbildkameras, Laufbildkameras, Teleskope, Binokulare und dgl.

Wie es oft mit bekannten optischen Instrumenten der Fall ist, ist es schwierig, ein Bild aufzunehmen oder schließlich einen klaren Druck zu erzielen, wegen der durch zahllose Faktoren verursachten

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Erschütterungen, beispielsweise Schwingungen der Befestigung, Vibrationen des Fahrzeuges, in welchem der Photograph fährt, und schließlich Zittern der Hand des Photographen. Deshalb besteht ein Bedürfnis für ein stabilisiertes und klares Bild ohne Vibrationen in der Brennebene des optischen Instruments, und zwar unabhängig von äußeren Erschütterungen.

Es ist bereits bekannt, einen Satz Linsen oder Objektive, die als optischer Keil wirken, dahingehend zu benutzen, daß eine Linse oder Objektiv an einem Gehäuse befestigt ist, während die andere Linse oder Objektiv als gyroskopische Trägheitsmasse dient (US-PS 3 459 473). Bei einer anderen bekannten Einrichtung wird ein vertikaler Winkel eines Prismas, dessen vertikaler Winkel veränderbar ist, und welches einen Spalt zwischen zwei transparenten Glasscheiben aufweist, die mit einer Flüssigkeit gefüllt sind, im Sinne eines Kreisels gesteuert. Bei diesen Einrichtungen wird ein Kreisel benötigt, was wiederum eine Antriebs quelle erforderlich macht, so daß solche Einrichtungen relativ groß und teuer sind. Die bekannten Einrichtungen sind natürlich außerdem ziemlich kompliziert, und es ist schwierig, sie an optische Instrumente anzusetzen, bei denen beispielsweise austauschbare Objektive vorgesehen sind.

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Der Er findung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Stabilisierung eines optischen Bildes zu schaffen, welche durch Anfügen an ein optisches Instrument, beispielsweise Kamera, Teleskop, Binokular oder dgl. Verwendung finden kann, welche durch Vibrationen nicht beeinträchtigt wird, so daß ein optisches Bild gegen äußere Schwingungen stabilisiert werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird aufgrund der in den Ansprüchen angegebenen Maßnahmen gelöst.

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr anhand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß Erfindung in Anwendung auf eine Stehbildkamera;

8 Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 4, wobei die neue Einrichtung horizontal gehalten wird;

Fig. 3 einen Sc hnitt entlang der Linie III-III in Fig 4, wobei die Vorrichtung in einem Winkel θ geneigt ist;

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Fig. 4 einen Sc hnitt entlang der LinielV-IV nach Fig. 2;

Fig. 5 eine vergrößerte Einzelheit eines Teilstücks aus Fig. 4;

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI nach Fig. 5;

Fig. 7 u. 8 Strahlenbündel zur Verdeutlichung der Bildbildung entsprechend Fig. 2 bzw. 3 und

Fig. 9-11 Anordnungen gemäß der Erfindung in weiteren

Ausführungsformen.

Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen anhand einer Ausführungsform (Stehbildkamera) mit Bezug auf Fig. 1 bis 8 erläutert. In Fig. 1 ist ein Kameragehäuse K und der Tubus eines Objektives L dargestellt. Am vorderen Ende des Tubus ist ein erschütterungsgesicherter Objektivzusatz S gemäß Erfindung angebracht.

Fig. 2 zeigt den erschütterungsgesicherten Objektivzusatz S mit horizontal gehaltener Achse, während in Fig. 3 die Achse

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um einen Winkel θ geneigt ist. Der erschütterungsgesicherte Objektivzusatz S besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, einem Zylinder 2, einem Kardanring 3 und Linsen 4 bis 7. Die Linsen 4 und 6 sind mit dem Gehäuse 1 und die Linsen 5 und 7 mit dem Zylinder 2 verbunden. Der Krümmungsmittelpunkt dieser vier Linsen liegt am Punkt C, Der Zylinder 2 ist um die Achse Y des Kardanringes 3 mittels einer senkrechten Kardanachse 8 drehbar gelagert, in welcher die Achse Y den Punkt C (Fig. 4) durchstößt. Unter der Bedingung, daß alle erforderlichen Teile montiert sind, dient der Zylinder 2 dazu, einen Ausgleich mit Bezug auf die Kardanachse Y zu schaffen und für diesen Zweck ist eine Ausgleichsmasse 2a vorgesehen. Als Ausgleichsmasse kann beispielsweise eine transparente parallele Planglasplatte auf dem Zylinder 2 angebracht sein.

Der Kardanring 3 ist auch um die Achse X des Gehäuses 1 mittels einer horizontalen Kardanchse 9 drehbar gelagert und dient zur Herstellung eines Ausgleichs mit Bezug der Kardanachse X in ähnlicher Weise zum Zylinder 2. Der Punkt C ist der Schnittpunkt der beiden Kardanachsen X und Y , die sich dort unter dem Winkel von 90 schneiden,-

Wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, sind die Kardanachsen 8 und 9 mit . . 4098 10/1107 ^:

jeweiligen inneren Flügeln 10 und äußeren Flügeln 11, sowie mit Bälgen 12, einem Lager 13 und einer Feder 14 versehen.- Die Flügel 10 und 11 greifen schwalbenschwanzartig, jedoch mit Abstand ineinander. Der . Der meanderförmige Spalt zwischen dem inneren Flügel 10 unji dem äußeren Flügel 11 mündet in einen Raum zwischen den Flügeln und den Bälgen 12 ein und ist mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt,- Diese Kombination wird als Dämpfer zur Aufnahme von äußerere Schwingungsenergie.-> Der inner Flügel der Kardanachse 9 ist mit dem Gehäuse 1 und der äußere Flügel 11 mit dem Kardanring 3 verbunden; in entsprechender Weise ist der innere Flügel 10 der Kardanachse 8 mit dem Kardanring 3 und der äußere Flügel 11 mit dem Zylinder 2 verbunden.- Die 'Feder 13 dient zur Rückführung des Linsenzylinders 2 in die neutrale Lage, in welcher eine optische Achse eines bildentwerfenden Objektivs mit der Achse des linken Zylinders zusammenfällt,-Hieraus ist verständlich, daß der Zylinder 2 und die Kardanachsen 8 und 9 ein gegenüber Schwingungen gedämpftes Eingangssystem gegen äußere Vibrationen darstellen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird ein Schraub stutzen 16 zur Befestigung des vibrationsgesicherten Objektivzusatzes S an den Tubus L des Objektivs benutzt,-

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Das Prinzip der optischen Bildstabilisierung wird nunmehr mit Bezug auf Fig. 7 u. 8 erläutert.· Aus Erläuterungsgründen sei angenommen, daß die Schwingungsrichtung auf eine vertikale Ebene beschränkt sei. Wenn überhaupt keine Schwingung vorliegt, ist die optische Achse des vibrationsgesicherten Objektivzusatzes S in horizontaler Richtung, weil die ausgeglichene Lage vorliegt und die optische Achse mit der des Photoobjektives L zusammenfällt. Das Bild O¹ eines Objektes O soll auf der Bildfläche (Fig. 7 ) liegen,- Dann sei angenommen, daß der Tubus L des photographischen Objektivs und das Kaimeragehause K um einen Winkel θ nach oben infolge Vibration geschwenkt, werde, wobei ihre realtive Lage zueinander konstant gehalten wird. In diesem Zustand werden die Linsen 5 und 7 in ihren ursprünglichen Lagen gehalten, während die Linsen 4 und 6 zusammen-mit dem Gehäuse schwenken. Da der Krümmungsmittelpunkt dieser Linsen 4 bis gemeinsam ist (Punkt C), bilden diese Linsen ein Prisma mit einem Scheitelwinkel θ . Die Beziehung zwischen einem Scheitelwinkel λ -, einem Ablenkwinkel <£ des Lichtes und dem Brechungsindex η wird durch eine bekannte Gleichung wie folgt dargestellt:

Λ 0 9 8 1 Ό / 1 1 0 7

<£ = (η-Dd, (D

Wenn zwei Sätze von Prismen mit Brechungsindizes des Glases (n = 1, 5) für die Linsen 4 bis 7 benutzt werden, und wenn die Ablenkwinkel der Prismen in jedem Satz durch?1 bzw. & 2 dargestellt werden, wird als Ergebnis erhalten: £, 1 = 0, 5& und S 2 = 0, 5<Jj Infolgedessen ergibt sich der Gesamtablenkwinkel von& = <S 1 +δ^{2 =iljI} Selbst wenn die optische Achse infolge Vibration um einen Winkel θ aus ihrer richtigen Lage verschwenkt wird, kann die Bildwanderung auf der Bildfläche kompensiert werden,-

Obwohl der Ablenkwinkel in einer vertikalen Ebene aus Erläuterungszwecken in Fig. 3 und 8 angenommen worden ist, sei daran erinnert, daß der Zylinder 2 kardanmäßig im Gehäuse 1 gelagert ist, so daß er tatsächlich eine Ablenkung in einem gewissen Raumwinkel kompensieren kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der vibrationsgesicherte Objektivzusatz so konstruiert, daß er an das Irontteil eines optischen Instrumentes angesetzt v/erden soll,-In Abhängigkeit von dem Gehäuse des optischen Instruments kann der Zusatz auch so konstruiert sein, daß er an das rückwärtige Teil eines Instrumentes anzusetzen ist-, um einen ähnlichen

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Effekt zu bewirken.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf Fig. 9, 10 und 11 beschrieben. In Fig. 9 sind Linsen 4', 5¹, 6¹ und 7¹ vor und hinter dem Schnittpunkt der Kardanachsen, d.h.-dem Krümmungsmittelpunkt Cl der Linsen 4¹ bis 7¹ angeordnet, In diesem Fall dienen die Linsen selbst als Ausgleichsmasse, sodaß getrennte Ausgleichsmassen nicht speziell vorgesehen sein müssen, wie in der zuvor erläuterten Ausführungsform. Fig.- 10 stellt eine Ausführungsform dar, in welcher zwei Sätze von Linsen 4", 5" und 6", 7¹¹ vor dem Schnittpunkt der Kardanachsen bzw. dem Krümmungsmittelpunkt C2 der Linsen 4" bis 7¹' angeordnet sind,-Fig. 11 schließlich stellt eine Ausführungsform dar, in welcher zur Durchführung einer vorteilhaften Aberration zwei Sätze von Linsen 17, 18 und 19, 20, 21, 22 und 23, 24 vor und hinter dem Schnittpunkt der Kardanachsen, d.h. im Krümmungsmittelpunkt der Linsen 17 bis 24 angeordnet sind, und die Linsen 17, 19, 22 und 23 sind mit dem Gehäuse und die Linsen 18, 20, 21 und 22 mit dem Zylinder verbunden. Um in diesem Fall jedoch einen Ablenkwinkel θ des Lichts als ganzes gleich einem Winkel Θ"¹ der Neigung der Vorrichtung (optische Achse)

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zustandezubringen, liegt der Scheitelwinkel (Ldes von den Linsen 21 und 22 gebildeten Prismas in einer Richtung entgegengesetzt zu dem Scheitelwinkel der anderen Prismen. Jede der erwähnten Figuren stellt eine optische Achse in einer horizontalen Lage und eine um die Winkel θ^!, θ" und G-"¹ von der horizontalen Lage verschwenkten Lage dar.

Bei der praktischen Photographie kommt eine große Anzahl von Erschütterungsfrequenzen in Betracht, beispielsweise von der Hubschrauber-Erschütterung bis zum Handzittern.- Bei der Anwendung der Vorrichtung gemäß Erfindung werden zwei Elemente in dem gedämpftem Schwin gungs syst em , nämlich der Federwert und der Viskosewiderstands'wert geeignet gewählt, so daß diese

an die entsprechende Schwingungsfrequenz angepaßt sind,-

Während die zuvor erläuterten Ausführungsformen als Zusatz für ein optisches Instrument beschrieben wurden, versteht es sich, daß sie auch in dem Gehäuse des optischen Instrumentes eingebaut sein kann.

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Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß gemäß Erfindung es möglich ist-, ein stabilisiertes und klares Bild selbst unter solchen Bedingungen zu erhalten, wenn das Bild von einer Kamera aus einem Hubschrauber aufgenommen wird. Die Vorrichtung ist einfach in der Konstruktion, d.h.- zu handhaben, billig herzustellen und benötigt keine Antriebskraft zum V/irksamwerden, wie bei früheren bekannten Einrichtungen, welche einen Kreisel benutzt haben. Die Einrichtung kann ferner als Zusatz für ein optisches Instrument dienen, so daß, wenn ein System aus einer Kombination mit einem optischen Instrument und einem Blickwinkel in Betracht gezogen wird, es durch Anfügen an zahlreiche optische Instrumente oder Kameraobjektive oder dgl,- verwendet werden kann.

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Claims

BLUMBACH ■ WESER - BERGEN & KRAMER PATENTANWÄLTE IN WIESBADEN UND MÜNCHEN DlPL-ING. Γ. G. BLUMBACH · DiPL-PHYS. Dr. W. WESER . DIPL-ING, DR. JUR. P. BERGEN DIPL-ING. R. KRAMER WIESBADEN · SONNENBERGER STRASSE 43 · TEL. (06121) 56 2943, 561998 MÖNCHEN NIPPON KOGAKU K. K. Case 214 Tokyo/ JAPAN Patentansprü ehe

1. An einem optischen Instrument angebrachte Vorrichtung zur Stabilisierung eines optischen Bildes, gekennzeichnet durch folgende Maßnahmen: Es sind mindestens zwei Linsenpaare (4 bis 7, 4¹ bis 7¹, 4" bis 7", 17 bis 20, 21 bis 24), die als optischer Teil wirken, vorgesehen; eine Befestigungseinrichtung (1, 2, 3) dient zur relativen Bewegung der Linsen zueinander um mindestens eine zur optischen Achse der Linsen senkrechte Achse (X, Y); jedes Linsenpaar besitzt einen Krümmungsmittelpunkt (C, Cl, C2, C3) der zueinander benachbarten spärischen Flächen, der im wesentlichen mit einem Punkt auf der einen Achse (X, Y) zusammenfällt; es ist eine Dämpfungseinrichtung (10, 11, 12) für die relative Bewegung der Linsenpaare vorgesehen,- ^;

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2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Einrichtung zur Montage der Linsenpaare für eine Relativbewegung zueinander um eine Mehrzahl von Achsen senkrecht zu der optischen Achse und zueinander vorgesehen ist, und daß der Krümmungsmittelpunkt im wesentlichen
mit dem Schnittpunkt der Achsen zusammenfällt. -

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Montageeinrichtung ein zweiachsiges Kardangelenk aufweist und die Dämpfungseinrichtung sich gegenüberstehende Flügel einschließt, die auf Achsen und Lager der Kardanachse angebracht sind, daß eine viskose Flüssigkeit zwischen den Flügeln ist, und daß eine Federeinrichtung die Linsenpaare in ihre neutrale Lage zu drängen versucht.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch
gekennzeichnet, daß ein erstes Rohr und im Inneren in einer gewissen Entfernung ein zweites Rohr vorgesehen ist, das mindestens ein Paar von Linsen in jedem Rühr montiert ist und als optischer Keil wirkt, daß eine Einrichtung

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zur Montage der Rohre für eine relative Bewegung um mindestens eine Achse senkrecht zu der optischen Achse der Linsen vorgesehen ist, daß jedes Linsenpaar einen Krümmungsmittelpunkt der zueinander benachbarten sphärischen Flächen aufweist, der im wesentlichen mit einem Punkt auf der einen Achse zusammenfällt, und daß eine Dämpfungseinrichtung für die Relativbewegung der Rohre vorgesehen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,

daß eine Einrichtung zur Montage der Rohre für eine Relativbewegung zueinander um eine Mehrzahl von Achsen senkrecht zu der optischen Achse und zueinander vorgesehen ist, und daß der Krümmungsmittelpunkt im wesentlichen mit dem Schnittpunkt der Achsen zusammenfällt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageeinrichtung ein zweiachsiges Kardangelenk umfaßt und die Dämpf einrichtung sich gegenüberstehende Flügel aufweist, die auf Achsen und Lager sitzen, welche

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als Kardanachsen vorgesehen sind, wobei eine viskose Flüssigkeit in den Zwischenraum der Flügel eingefüllt ist, und daß eine Federeinrichtung die Rohre in neutrale Lage zu drängen versucht.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Rohre mit einer Befestigungseinrichtung an ein optisches Instrument versehen ist,-

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