DE2353101A1 - Fernoptisches geraet mit bildstabilisierung - Google Patents

Description

23. Oktober 1973 7668-IV/s.

ocv

Fräser-Volpe Corporation, 1750 Costner Circle, ^ ^ α J IU I Warrington, Pennsylvania I8976 (V*St.A.)

"Fernoptisches Gerät mit Bildstabilisierung¹¹

Priorität vom 25.10.72 aus der USA-Patentanmeldung 300 528

Die Erfindung betrifft ein fernoptisches Gerät, insbesondere Fernrohr mit Bildstabilisierung, bestehend aus einem Objektiv, einem Prismenumkehr sy st em und 'einem Okular.

Die optische Leistungsfähigkeit von fernoptischen Geräten, wie etwa Fernrohren der verschiedenen Gattungen, wird durch' Vibrationen vergleichsweise hoher Frequenz und niedriger Amplitude, die auf das Gerät während des Gebrauches unvermeidbar übertragen werden, erheblich beeinträchtigt. Solche Vibrationen können ihre Ursache im Falle von Handgeräten, wie etwa Handfernrohren, Doppelfernrohren, Doppalferngläsern usw., im Handaitt©rn haben oder im Falle von auf Trägern, angeordneten G©rät©n₉ wi® ©twa Standfemrohren, Zielfe-mrohren' und Waffenvisiere, isarichtusigenj, auf .Vibrationen, Erschütterusagen und Stöhtrisgungeix des Trägers suriickzufuhren seinf äiese Vibrationen führen aus» Unscharf© -oder zum Zittern des Bildes in . d<är Bildebene des Gerätes» Je höher die Vergrößerung liegt, dssto großes· ist. bei⁴ Erschütterungen des Geräte© das Zittejm dos Bildes ο Dementsprechend, besitzen - Geräte ₉ die für @isaen Gebrauch} bei dem Vibrationen unvermeidbar sind, ausgelegt sindj eine r©lativ gering®.¥®rgröB@rung_s■oa das lusmaß der Unscharfe od©r d©s Bildzittoms gering za

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Es wurden bekanntlich bereits verschiedene Wege zur Stabilisierung des Bildes in einem optischen Gerät oder Instrument vorgeschlagen) sie besitzen Jedoch ausnahmslos verschiedene Nachteile.

Beispielsweise ist es bekannt, das gesamte fernoptische Gerät in einer nachgiebigen Lagerung anzuordnen; um so eine stabilisierte Halterung zu erreichen und eine Drehung des optischen Systems zu verhindern; derartige Vorrichtungen mit stabilisiertem Geräteträger sind jedoch notwendigerweise groß und schwer und haben daher nur begrenzte Anwendung gefunden. Andere Stabilisierungsverfahren bedingen die Verwendung von stabilisierten Kreiseln, um ein feststehendes Bild zu erhalten, während weitere Verfahren auf die Verwendung einer elektronischen Bildkorrektur entweder über eine Trägheitsregelung oder eine optische Regelung zurückgreifen.

Weiter© Wege bestehen darin, bekannte Fernrohre mit zusätzlichen optischen Elementen aufzurüsten. Bei einem dieser Verfahren wird ein Fluidprisma vor der Objektivlinse verwendet. Hierbei werden mehrere Kreisel und Servoeinrichtungen benötigt, um die Geometrie des Prismas zu verandern. Bei einem anderen derartigen Verfahren wird zu mehreren Spiegeln gegriffen, um dasselbe Ergebnis wie bei dem Fluidprisma zu erreichen.

Alle diese bekannten Systeme sind relativ aufwendig und teuer. Bei einigen Systemen rührt der Aufwand von der Hinzufügung verschiedener optischer Elemente zu der Optik her. Bei weiteren Systemen werden der Optik zwar keine optischen Elemente hinzugefügt, jedoch muß die Optik zwangsläufig so ausgelegt sein, daß sie die Stabilisierungsvorrichtung aufnehmen, kann, wodurch die optische Leistung der Optik vermindert wird, während gleichzeitig die Kosten steigen,,

Aus der USA-Patentschrift 3 5Qk 957 ist ein geradsichtiges Fernrohr bekannt, das ein© Objektivliase und ein Okular -sat-

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hält. Bine Biidümkehrlinse ist in einer Kardanaufhängung zwischen der Objektivlinse und dem Okular angeordnet. Obgleich diese Art der Stabilisierung verhältnismäßig Qisafach ist, leidet die optische Leistung etwas zufolge d©r Verwendung dnee Linsenumkehrsystemes.

Aue der USA-Patentschrift 2 829 537 ist ein Boppelfernglas mit einer Objektivlinse₉ einer Okular linse und .einem dazwischen angeordneten bildstabilislerten Umkehrsystem bekannte Dieses System besteht aus Spiegeln und Prismen_s -von denen einige kardanisch aufgehängt sind,. und ist mechanisch verhältnismäßig aufwendig. Außerdem hat das Fernglas ein"Trägheitsmoment in der Roll-Gier-Ebene, also in der die Längsachse und di@ Hochachse enthaltenden Ebene, das zu einer starken Kopplung oder Übertragung von Rollbewegungen in die Gier- oder Hooiiachse führen kann. .

Erfindung liegt die Aufgab® zugrund©, ©in femoptische© Gerät der einleitend angegebenen Gattung zu schaffan_s dessen Bildat'abllisierung di© optischen Eig@a©'chaften bsw_e die· optische Leistungsfähigkeit des Gerätes nicht

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Prismenumkehrsystem in der durch die Objektivlinse definierten optischen Hauptachse kardanisch- gelagert ist_e

Diese Lösung !zeichnet sich dadurch aus_e daß weder Fremd— emargie zur Betätigung d@s Stabiiisieruss.gssy©töms noch zusätzliche optische Elemente benötigt werden und daß die Bildstabilisierung nur geringen Aufwand mit gering©» losten erfordert, jedoch so wirksam ist, daß sie auch für Handgeräte oder Hakdlnstrumente großer Vergrößerung mit- Vorteil verwendbar ist.

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Vorteilhafte Ausführungsformen des Gerätes sind in den Unteranaprüchen gekennzeichnet.

Xn der Zeichnung let eil Gerät nach der Erfindung anhand einer beispielsweise gewählten Ausführungsform schematisch veranschaulicht« Es zeigen*

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines bildetabl— lisierten Fernrohres nach-der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Optik und des Strahlenganges des bildstabilisierten Fernrohres nach Figur 1 ohne Erschütterung oder Vibration desselben,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des bildstabilisierten Fernrohres nach* Figur 1, das sich jedoch infolge einer darauf übertragenen Erschütterung gedreht hat.

Fig. h eine vergrößerte, teilweise im Schnitt gehaltene Aufsicht auf das Fernrohr nach Figur 1,

Fig. 5 eine vergrößerte, teilweise lsi Schnitt gehaltene Seitenansicht des Fernrohres nach Figur T,

Fig. 6 einen Schnitt längs der Liai® 6-6 in Figur 5, Fig· 7 einen Schnitt länge der Linie 7-7 ift Figur k_t Fig. 8 einen Schnitt längs der Linie-8-8 in Figur 7 und Fig. 9 einen Schnitt längs der Lini© 9-9 ia Figur 7·

Zn sämtlichen Figuren sind übereinstimmende Teilθ mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet«, Dia Erfindung wird anhand des in Figur 1 perspektivisch dargestellten Fermröhre© 20 erläutert.

Dieses Fernrohr 20 besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 22 (Figur k), einer Objektivlinse 24 (Figur 7) und einer Okularlinse 26 (Figur 7), sowie einem stabilisierten Bildum-

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kehrsystem 28 (Figur 5).

Die Objektivlinse sitsst an einem Ende des Gehäuses und nimmt die von einem entfernten Objekt kommenden Lichtstrahlen auf. Die Okularlinse sitzt am entgegengesetzten Ende des Gehäuses und ermöglicht dem Äuge des Benutzers die Betrachtung des von dem Objektiv in dessen Bildebene erzeugten Bildes. Das Bildumkehrsystem 28 des Fernrohres besteht aus einer Anzahl von Prismen und dient zur Aufrichtung des von der Objektivlinse in der Bildebene abgebildeten Bildes·

Wie im einzelnen später noch erläutert werden wird, ist das Prismenumkehrsystem in einer kardanisehen Aufhängung an einer bestimmten Stelle in dem Fernrohr zwischen der Objektivlinse und der Okularlinse.gelagert. Die besondere Anbringung und Anordnung der kardanischen Aufhängung und des darin gelagerten Prismenumkehrsystems bewirkt eine Stabilisierung des vom Auge des Benutzers über die Okularlinse in der Bildebene betrachteten Bildes, unabhängig von kleinen Drehungen des Fernrohres, die von auf das Fernrohr übertragenen Vibrationen hoher Frequenz und niedriger Amplitude herrühren können.

Figur 2 ist eine schematig-che Darstellung der optischen Eigenschaften des Fernrohres 20 in Übereinstimmung mit der Erfindung, bevor das Fernrohr durch eine übertragene Vibration gedreht wurde bzw. sich gedreht hat.

Das Fernrohr 20 umfaßt eine Objektivlinse Zk, eine Okularanordnung 86 (Figur 7) mit einer Okularlinse 26 und einer Feldlinse 27 und ein Prismenumkehrsystem 28 (Figur 5)·

Durch die Objektivlinse Zk wird eine optische Hauptachse (Figur 2) definiert, die normal zur Hauptebene der Objektivlinse verläuft und koaxial zu deren Knotenpunkt liegt. Ein in den Knotenpunkt der Objektivlinse eintretender Lichtstrahl

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verläßt die Objektivlinse längs ihrer optischen Hauptachse.

Das Prlsmenumkehrsystem 28 ist in der optischen Hauptachse des Fernrohres angeordnet und umfaßt eine Anzahl von Prismen, die so angeordnet sind, daß sie das von der Objektivlinse entworfene Bild umkehren und das umgekehrte Bild in der Bildebene 32 des Fernrohres 20 entwerfen. Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse in das Prismensystem 28 in einem gewissen Abstand über der optischen Achse eintreten, treten aus dem Prismenumkehrsystem in derselben Entfernung unterhalb der optischen Achse aus und umgekehrt. Lichtstrahlen, die in das Prismenumkehrsystem auf der einen Seite in einer gewissen Entfernung zur optischen Achse eintreten, treten in gleicher Weise aus dem Priemensystem in derselben Entfernung auf der anderen Seite der optischen Achse wieder aus*

.Das Prismenumkehrsystem 28 ist in den Figuren 2 und 3 schematisch durch eine prismenäquivalente Ebene 36 dargestellt. Die optischen Eigenschaften der prismenäquivalenten Ebene 36 sind identisch mit denen des Prismenumkehr sys times' 28, d.h. Lichtstrahlen, die parallel zur optischen Achse verlaufen und in die prismenäquivalente Ebene 36 in einer gewissen Entfernung oberhalb der optischen Hauptachse des Fernrohres eintreten, verlassen die prismenäquivalente Ebene in derselben Entfernung unter der optischen Hauptachse und Lichtstrahlen, die in die prismenäquivalente Ebene in einer gewissen Entfernung auf einer Seite der optischen Hauptachse eintreten, verlassen diese Ebene in derselben Entfernung auf der gegenüberliegenden Seite der optischen Hauptachse. Das umgekehrte Bild wird von der prismenäquivalenten Ebene in der Bildebene 32 des Fernrohres 20 entworfen und vom Auge des Benutzers über die Okularlinse 26 betrachtet. Die Okularlinse ist auf die optische Hauptachse zentriert und befindet sich in einer Entfernung

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von der Bildebene, die ±a. gleich ihrer Brennweite F 1st. Die \ Entfernung zwischen der Bildebene und der Hauptebene dor Objek- ' tivlinee ist mit L bezeichnet und stellt eine Funktion des optischen ¥eges durch die Prismen des Frismenumkehrsystemes

Nach der Erfindung wird di« prismenäquivalente Ebene 36 normal, also rechtwinklig zur optischen Hauptachse 30 gehalten, und zwar mittels ein@r (in den; Figuren 2 und 3 nicht dargestellten) kardänisches! Halterung oder Aufhängung, die im Drehpunkt 38 des Fernrohres 20 angeordnet ist* ¥i© noch gezeigt werden wird, bewirkt dies© Vorkehrung die Stabilisierung des in d©r Bildeben© entworfenen Bildes, unabhängig vom Ort der prismenäquivalent©n Eben© auf der optischen Hauptachse«

Die Esat£©rraasag zwischen der Hauptebeae der Objektlvliase u&d dem Dretaiittelpumkt des Fernrohres ist rait S bezeichnet.

in^Figur 2 dargest@llt@n₉ nicht gedrehten Zustand, verläuft dl·® Visi@ri.isii© @d©r.Richtaehse des Femrohres in der optischen Achse, 30 *&&■& di© ©ptiscfe© Achse fällt mit der raecha-A©hs© des

Figur 3 ist das P©s>nr®lMr- 20 schematise!! wiedergegeben, ©s sich is Besuag auaf di©, ursprünglich© Vi si er achse

's

odor ©ptisch© Aehs© 30 als' Ergebais ©in©r Hochfrequenten Vibration saiedriges». Ämplittid© ₉ di© auf das Fernrohr übertragen

murd© ₀ gedreht hat _o ■ -

li±® aus des· sch©matisch©m Darstellung ersichtlich, ist das

EO um ®±wsm ¥isak©l oC gO'gora. di© optisch.® Hauptachse _s d_oh_o di© raeehamisoh© Aolase ^O des Fernrohres 20 ist in ©isi© Lag© ai2sg©l©sakt ₉ ia des* si© ®±n®n WinkelüL mit der nicht misgelessktozj. meohanisclten'Achse einschließt, welche letztere Achs© mit der optischen Hauptachse 30- zusammenfällt,

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Ein Lichtstrahl, der von einem entfernten Objekt in die Objektivlinse Zk eintritt, läuft durch diese Linse längs einer Achse kz hindurch, die parallel zur optischen Hauptachse 30 ist, und hler nachfolgend als abgelenkte optische Achse bezeichnet vird.

Das Prismenumkehrsystem ist derart kardanisch gelagert, daß es räumlich winkelmäßig in Bezug auf die optische Hauptachse stehen bleibt, wenn auf das Fernrohr hochfrequente Vibrationen kleiner Amplitude tibertragen werden; die prismenäquivalente Ebene bleibt daher normal zur optischen Hauptachse 30. Außerdem bildet der Ort der kardanischen Aufhängung längs der abgelenkten mechanischen Achse den Bezugspunkt, der so definiert ist, daß das Fernrohr 20 als sich um diesen Punkt drehend angenommen werden kann.

Der Ort der kardanischen Lagerung befindet sich am Mittelpunkt der mechanischen Achse, d.h. S = ^ t ^* . Venn die kardanische Lagerung sich im Mittelpunkt der mechanischen Achse befindet, verschiebt sich die Objektivlinse 2k während jeder durch eine hochfrequente Vibration niedriger Amplitude verursachten Drehung des Fernrohres 2O von der optischen Hauptachse 30 (der ursprünglichen mechanischen Achse) weg, während die Okularlinse 26 sich um dieselbe Entfernung von der optischen Hauptachse wegverschiebt, jedoch in die entgegengesetzte Richtung·

Xn Figur 3 ist die Entfernung, um die sich die Objektivlinse Zk von der optischen Achse nach oben während einer typischen Drehung wegverschiebt, mit H bezeichnet. Die Okularlinse 26 verschiebt sich um eine äquivalent© Entfernung H gegen die optische Achse nach unten·

Wie aus Figur 3 ersichtlich^ verläuft ein durch die Objektivlinse Zk hindurohtretender Lichtstrahl längs der verschobe-

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n©n optischen Achse 42 _β D@r Strahl tritt in das Prismensystem 28, dargestellt durch di© prismsnäquivalente Ebene 36, in einer Entfernung H über der optischen Hauptachs® 30 ein. Der Strahl i wird in dem Prismenumkehrsystem umgekehrt und tritt aus der j prismenäquivalenten Eben© 36 in einer Entfernung H unterhalb j der optischen Hauptachse aus und verläuft dann längs einer i Richtung_ρ die parallel au der optischen Hauptachse 30 ist. Diese letzter© Richtung ist mit dem Bezugszeichen 44 versehen. Da der aufgerichtete bz^v umgekehrte Strahl längs der Richtung 44 verläuft j, die parallel zur optischen Hauptachse 30 und gegenüber dieser um eine Entfernung H verschoben ist, geht der ! Strahl durch d©n Knotenpunkt des Okul&res, das sich ebenfalls ±n sinsr Bntferaumg H unterhalb dar optischen Hauptachse befindet (zufolge der Drehung des Fernrohres um den Punkt 38).

Ώ@τ Bedingung für ©in scheinbar stabiles Bild ist genügt, wonn ©in Lichtstrahl die Ökularlins© parallel' .zur Ursprung- ' liehen optischen Achs© verläßt (wie dies in Figur 3 der Fall istJp da in ©in©® solchen.Fall das Auge das Benutzers das Bild des entfernten Objektes längs ainer aur ursprünglichen optischen Achs© parallelen L£ni© weiterhin sieht»

¥i® ©hm© -6feit©r©s ersichtlich, ist die Lag® der. prismen— Equivalent©23. Eben© längs der optischen Achs® nicht kritisch, da ©in die abgelenkte ©der -veraohobene Achse 42'entlanglaufender Lichtstrahl in die. .priamenäquivalente- Eben® in einer Entfernung H über der - optischen Hauptachse eintritt und aus dieser Ebene in derselben Entfernung, jedoch unterhalb der optischen Hauptache© austritt, unabhängig von dem Punkt, in dem die , prism@näquival®nte Eben® die optische Hauptachse 30 schneidet. Solange also die Objektivlins© und di® Okularlimse nach entgegengesetzten Seiten d©r optischen Hauptachse um dieselbe Entfernung H abgelenkt oder verschoben werden, ergibt sich ©±23. scheinbar stabiles Bild»

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Wenn die kardanische Aufhängung in einem anderen Punkt der mechanischen Achse des Fernrohres als dessen Drehzentrum angeordnet wird, bewegt sich die Objektivlinse in Bezug auf den Ort der kardänischen Lagerung von der optischen Hauptachse um eine andere Entfernung weg als die Okularlinse, während der aus dem Prismenumkehrsystem austretende Strahl in derselben Entfernung von der optischen Hauptachse austritt, in der er eingetreten ist (jedoch auf der gegenüberliegenden Seite). In diesem Fall verläuft der aus dem Prismenumkehrsystem austretende Strahl nicht durch den Knotenpunkt des Okulars. Dementsprechend ist das dem Auge des Benutzers dargebotene scheinbare Bild nicht stabilisiert und wird daher scheinbar zittern oder unscharf sein·

Die konstruktiven Einzelheiten des Fernrohres 20 sind in den Figuren 1 und 4 bis 9 dargestellt. Gemäß Figur 1 umfaßt das Fernrohr 20 ein äußeres Gehäuse 46, das vorzugsweise aus Metall, etwa Aluminium, besteht und aus einem Hauptkörper 48 und einem sich verjüngenden Teil 50 besteht.* Bin Umhängeband 49 ist mit dem Gehäuse 46 über zwei Haken 51 verbunden.

Eine Deckplatte 52, die Teil des Hauptrahmens 22 ist, ist mit dem einen Ende des Hauptkörpers 48 verbunden. Vi· aus Figur 7 ersichtlich, besitzt die Deckplatte 52 eine Öffnung 54, in der die Objektivlinse 24 angeordnet ist. Ein Gewindering 56 ist in ein Gewinde 58 in der Öffnung 54 eingeschraubt und hält die Objektivlinse gegen eine die Öffnung abschließende Schulter 60.

Der Hauptrahmen 22 dient als Träger für das Gehäuse 46 sowie für die optischen Elemente des Fernrohres. Der Hauptrahmen 22 weist zwei Kreisringe 62 und 64 auf, die parallel zueinander liegen. Von jedem der beiden Ringe gehen in radialer Richtung Streben ab (vgl. Figuren 4 und 5). Wie aus Figur 4 zu erkennen, gehen von dem Kreisring 62 die Streben 66 und 68 ab. Die Strebe 66 verläuft zu einem oberen Teil der Innenfläche der

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Deckplatte 52 und ist parallel ssu der Ebene des Kreisringes Die Strebe 68 verläuft in der entgegengesetzten Richtung der Strebe 66 und ist gegenüber dem Kreisring 62 abgewinkelt. Die Strebe 68 endigt in einer hinteren Abschlußplatte 70, die parallel zu der vorderen Deckplatt© 52 verläuft. In ähnlicher Weise geht von dem Kreisring 64 eine Strebe 52 aus und verläuft zu dem unteren Teil der- Innenfläche der Deckplatte 52 (siehe Figur 5). Die Strebe 72 verläuft parallel zur Strebe Eine weitere Strebe 64 verläuft von der entgegengesetzten Seite des Kreisringes 64 in einem Winkel zu demselben und endet an der hinteren Abschlußplatt© 70 in gleicher Weise vie die Strebe 68. Die Kreisringe 62 und 64 sind gemäß den Figuren 8 und 9 in Querrichtung d©s Fernrohres über annähernd U-förmige Profilteile ?6 uad 78 verbunden» Di© ©in® Seite des U-förmigen Profilteiles 78 ist hioraw mit den Kreisring· 62 und die andere Seit© mit d©m Kxeisrisag. 64 verbunden. In gleicher Weise ist das ein©* Ende de© Unförmigem Profilteiles · 76 mit dem" Kreier ing 62 und dl© ander© Seit© mit dem Kreisring- 64 verbunden.

Di© Mittelpunkt© d©r Kreisring© 62 und 64 definieren eine Linl©ρ" di© di© mechanische Achs© d©s''Fernrohre-s-, d.h. die den

der Objektivilnse'und "den Mittel-

v©rbiEid©nd· Linie im 20 .schneidet,- d.h. in einer

Mittelpunkt oder ptoskt ©der lfiaofcenpunkt ύ®τ Drehiaittelpunkt 38

VOHl

-Di© Sr@i@ring©₉ di®. Steefooj&s, di© U-förmigen Profilteile, di© Deckplatte taiad die. Abschlußplatte bilden vorzugsweise ein einstückig©© Metallgia®t.©il_o-

aus d©n - Figur·©©. 4 nasad 5 ^s^ ®Tkesm.©m$. ist entlang des

ü®t Deckplatte 52©isa©' Schalter 80 vorgesehen, die die stirsas©i1;ig© Kaat© d©s Hanaptkörpers 48 d©s Gehäuses. 46 trägt. ZwiscSisa d@E Häuptkurpe?■ k-8" d©s Gehäuses 46 und die Schulter .ist.ki.erzu ©in© Gummidichtung- S2-eingelegt» .'

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Gemäß den Figuren 4 und 5 liegt der sich verjüngende Teil 50 des Gehäuses 46 über den Streben 68 und 74. Außerdem ist die Innenfläche des sich verjüngenden Teiles 50 im Bereich dessen größten Querschnittes über die Außenfläche des einen Endes des Hauptkörpers 48 des Gehäuses 46 gezogen·

Die hintere Abschlußplatte 70 besitzt eine mit Gewinde versehene Öffnung 84 (Figur 7)» in die eine Okularanordnung 86 üblichen Aufbaus eingeschraubt ist. ',

Wie weiter aus Figur 7 hervorgeht, hält bei in die Gewinde- j öffnung 84 in der Abschlußplatte 70 eingeschraubten Okular ein Flansch 100 den sich verjüngenden Teil 50 gegen die Abschlußplatte 70·

Nach all dem ist das Gehäuse kS sowohl mit dem vorderen Teil des Fernrohres als auch mit dem Okulargehäuse abdichtend verbunden.

Die U-förmigen Profilteile 76 und 78 dienen zur Lagerung einer kardanisch.©η Aufhängung oder Halterung 104 für das Prismenumkehr sy st em 28, die es diesem Prismenumkehrsystem gestattet, sich um zwei zueinander orthogonale Achsen zu drehen, von denen jede normal zu der mechanischen Achse daa Fernrohres verläuft (Figuren k und 6). ..

Der Aufbau der kardanisshea Halterung oder Aufhängung 1θ4 und der zugehörigen Teil® star Lagerung des Prismenumkehrsystems 28 ist aus den Figuren 4, 6_P 7t 8 und 9 &u ersehen. Insbesondere die Figuren 8 und 9 lassen erkennen, daß die kardanische Halterung 104 einen Hahnen IO6 umfaßt₉ der· die Gestalt eines unregelmäßigen Achtecks hat» Der RaJaaaea ist um die Höhen- oder Querachse T-Y drehbar_p der die Rollaehs© oder Längsachse oder mechanische Achse X-X des Fernrohres im Drehmittelpunkt des Fernrohres schneidet und normal, d.h. rechtwinklig zu dieser verläuft.

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Gemäß Figur 6 besitzt der Rahmem. 106 hi®rsu zwei Drehzapfen 108j, die durch Bohrungen, in den Seiten des Rahmens 106 hindurch verlaufen, die koaxial mit der Höhenaohs© Y-Y sind» Di© Drehzapfen 103 simd in dem Rahmen 106 durch Klemmschrauben. 110 gesichert· J®d@r der Drehzapfen_108 weist von dem Rahmen 106~ aus gesehen nach außen'in Richtung der Höhenachse und verläuft jeweils dureh ein Kugellager 1-12, das in den U-". ί förraigen Profilteilen.16 und 73 längs dieser Höhenachse ange- j ordnet ist_o . I

In den Kugellagern 112 befindet sich eine viskose Flüssig- j

keit₉ wie etwa ein Silikonöl.,. di® ©ine später noch zu beschreibend© Dämpfungswirkung ausübte . . .

In d©sa U-fSrmigen Profilteilen Ί& und 78 ist ferner jeweils ein koaxial, au dar H@h®s3.aehs@ Y»I liegendes Gewindeloch T14 vorges@li©n₉ in dem das Kugellager 112 durch einen Schraubring

ti6 gehalten wird." ... " ""-'-".'

• ¥i© dia Figuren 5 tmd 6 soig®n, verlaufen di© Drehzapfen. 108 nicht nur durch die zugehörigen Kugellager 1T2₉ sondern auch dur©h eine Öffsa^sag 118 ±n d©sa Schraub ring 11-6 „Gemäß Figur 5 besitzt der Dr©Sisapf@n 108 asa End®/einen Schlitz T20. Im di©s©m Schütz 120 liegt "das "eine Ende einer Spiralfeder 122 ₉ di® um d©n Drehzap£®22. 1Φ8 herum. verläuft und - deren anderes Ead© in ©ine® Schlitz 124 in d©iE Sehraubring 11C? liegt.

In dieser Anordnung dreht die Spiralfeder 122 den Rahmen 106 um die Ho*henaohse Y=Y ±m eine neutrale Stellung, die normal, , also rechtwinklig zur machanischan Achse des Fernrohres verläuft.

Di© kardanisfih· Halterung 1O4 umfaßt w®iterhin einen Prismenträger 125, der um die Gier- oder H@chachse Z-Z drehbar ist,; welche normal zur Rollaeh&e X-X und aur Höhenachse T-Y ver- !

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läuft und durch deren Schnittpunkt hindurchgeht. Die Gierachse Z-Z geht also durch das Drehzentrum des Fernrohres 20 hindurch. Gemäß Figur 7 weist hierzu der Prismenträger 125 zwei Drehzapfen 126 auf, die den Drehzapfen 108 entsprechen und durch Bohrungen in den Seiten des Prismenträgers 125 hindurchgehen, welche koaxial zur Gierachse Z-Z liegen. Die Drehasapfen 126 sind in den Bohrungen des Priementrägers 125 durch Sicherungsschrauben 128 gesichert. Jeder der Drehzapfen 126 verläuft von dem Prismenträger 125 aus gesehen nach außen längs der Gierachse und durch je ein Kugellager 130 hindurch, das in dem Rahmen 106 in dieser Achse vorgesehen ist. In dem Kugellager 13O befindet sich eine viskose Flüssigkeit. Der Rahmen 106 weist für jedes Kugellager I30 ein Gewindeloch 132 auf, das koaxial zu der Gierachse Z-Z liegt. Jedes der Kugellager 130 wird in dem Gewindeloch 132 des Rahmens 1O6 durch einen Schraubring "\3k gehalten.

Die Drehzapfen 126 verlaufen durch eine Öffnung in den Schraubringen 13*t hindurch und besitzen am Ende einen Schlitz 136 (Figur 4). Xn diesem Schlitz I36 liegt das Ende einer Spiralfeder, die um den zugehörigen Zapfen 126 herum verläuft und deren anderes Ende in einen Schlitz iko in dem Schraub— ring 13** liegt.

Bei dieser Anordnung dreht die Spiralfeder I38 den Prismenträger 125 um die Gierachse Y-Y in eine neutrale Stellung, die normal, d.h. rechtwinklig, zu der mechanischen Achse des Fernrohres verläuft.

Da der Prismenträger 125 in dem Rahmen 106 um die Gierachse Z-Z drehbar gelagert ist und da der Rahmen 106 seinerseits in den U-fKrmigen Profilteilen 76 und 78 um die Höhenachse Z-Z drehbar gelagert ist, kann der Prismenträger 125 räumlich fest in Bezug auf eine bestimmte Ausrichtung stehenbleiben, ungeachtet einer Drehung des Fernrohres um die Gier- oder um die

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Höhenachse als Folge einer auf das Fernrohr übertragenen, ; no cb.fr equent en Vibration geringer Amplitude. ^:

■■■■.. . ■ ■ - ι

I Das Prisasensystem umfaßt vier Prismen, nämlich zwei recht-

" ι ι . ■ ■ i

winklige oder Dachkantprismen 142 und IqJJ-, sowie zwei Porro- j

ι Prismen 146 und IkBo Der Prismenträger 125 ist so ausgeführt, j

daß dann, wenn die Prismen 1>2, 144, 146, 148 auf dem Träger ; in einer noch zu beschreibenden Art und Weise befestigt sind,

ein in die Objektivlinse eintretender Lichtstrahl in das Pris- j

mensystem eintritt, usagekehrt wird»- aus dem Prismensystem »us- .

tritt und in das Okular eintritt* - '

Gemäß d©r Figur 6 besitst d©r Prismenträger 125 einen
Mittelsteg 150» einen ersten, rechtwinklig zu einer Seite

dieses Mittelsteges an ®±m.®v> dssssa Kanten, vorspringenden
©rsten Flansch 152 w&d ©±n©n iBweit@n Flansch 15^t der rechtwinklig ssu der and©ron Seite des Mittelsteges in der Nähe deseoa entgegengesetzter Kant® vorspringtο Einer der Drehzapfen
126.ist. in d©r Mitte d©r oberen Kant©"des Mittelsteges 15Q
Jeder d©r Flasasch© weist @in Loch 156 auf*

■Dor Prissa©nträg©r 125 bQsitst ferner eis.® Ausbauchung I58
taiaterhalb d©s -Mitt©lst©g®.a 150° Des» &nd©x°© Drehzapfen. 126
ist in der-Mitte d©s wat©r©ia Teile)© <ä@y Ausbauchung 158 angeordae.t (vgl_o Fignar 7)o . . .

Di© Ausbauchung -1.58'TCoist sw®± parallel® Endflächen. I60

auf ("VgIt. Figuren. 8 mad-9) ρ toss deasa j@d© bündig'mit der j

Aiaß©22tflä.ch© ©in©"s" &ug®h.'o%'±g®a Plansch©© dos Prismentragers 125 \ abseSilieBto Durch di@ Ausfoaushnimg 158 hiadureh verläuft ein
"L@eL· 162. (siehe Pigrar 7) reehttfissklig ara d'©n Flächen 160 und - .

parallel zu den'LSch©rn i'56- (sieia© Figuren 5 vmd 7)·

. i

•Der PrisraenträgoE¹ 125 ist' «!©rart |fma©rkalb des .Rahmens 106

daß di© L^ch©r I56 ±m~--seinen Flanschen 152 und 154
im gl@ich©Es Abstand, zn beiden Seiten-der H8h©2iachse Y-Y.

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und parall·1 zu dieser liegen und daß daa Loch 162 direkt unterhalb und parallel zu der Höhenachse Y-Y verläuft·

Die Prisäen dee Prismenumkehrsystems 28 sind vie folgt Montiert (siehe Figuren 5 und 6)s eine Seitenfläche eines rechtwinkligen oder Dachkantenprismae 142 ist auf eine Fläche des Flansches 152 direkt über dem darin befindlichen Loch I56 angeordnet. Die Montage erfolgt mittels eines auf die Fläche dea Flansches 152 aufgebrachte» Klebers. Ein Abschnitt der Hypotenusenseite des Porro-Prlsmas 146 ist auf der gegenüberliegenden Seite des Flansches 152 über dea Loch 156 angeordnet. Die Verbindung dieses Teiles des Porro-Prlsmas mit dem Flansch 152 geschieht über einen auf die entsprechende Fläche des Flansches 152 aufgebrachten Kleber jf. Der ander® Teil der Hypotenuse des Porro-Prisaas 146 befindet eich auf der Fläche I60 der Ausbauchung I58 direkt über dem durch diese Ausbauchung hindurchgehenden Loch 162« Die Verbindung des Porro-Priemas 146 nit der Fläche I60 erfolgt über einen auf diese Fläche aufgebrachten Kleber·

Zn ahnlicher Weise ist @±n. Teil der Hypotenuse des Porro-Prismas 148 über dem Loch 162 angeordnet und mit der anderen Fläche 160 der Ausbauchung 158 mittels eines Klebers verbunden. Der verbleibende Teil der Hyp©tarnte© des Porro—Prismas 148 ist ■it der Außenfläche des Flaaeefe®» 15k verbunden und über dem Loch 156 in diesen Flaue eis angeesrdmete Die Verbindung besorgt wiederum ein. Kleber. Venxi dl® Prismen in der vorstehend beschriebenen Weise angeordnet sind, ist eine Fläche 164 des Dachkasiprism&s 142 parallel raad koaxial mit der Fläch® I66 des Dachkantprismas 144·

Wie bereits erwähnt, halt®» Spiralfedern 122 und 138 den Rahmen IO6 und den Prismenträger 125 in ihren jeweiligen neutralen Drehstellungen oder -Ausrichtungen« Wenn sich der Priementräger 125 in der neutralen Stellung befindet, liegen die Flächen 164 und I66 der Prismen i42 und 144 in der mechanischen

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Achse des Fernrohres und verlaufen rechtwinklig zu dieser Achse, also der Rollachse X-X» Ein dureh Pfeile in Figur 6 versinnbildlichter, in das Fernrohr 20 einfallender Lichtstrahl -verläuft dementsprechend duicfe die Objektivlinse und längs der Rollachse X-X_e Der Strahl tritt in das Prieuensyetem über die Fläche 164 des Priasaas 1142 ein und wird an dessen Hypotenuse reflektiert. D®r reflektiert® Strahl verläuft dann durch das Loch I56 in dem Flansch 152 und tritt in das Porrc-Prisraa 146 Über einen Teil dessen -Hypotemusanfläeh© ®ia, xjorauf der Strahl doppelt reflektiert wird, d.h· von einer FläeMe des Prismas zu einer anderen Fläch® reflektiert wird und tritt aus einem anderen Teil der Hypotesäusenfläohe dieses Priesa&s aus· Der Strahl verläuft dann diareh d&a'Looh 162 hiadüreh unu tritt im ©inen Teil der Hypotenusenflache dos Porro-Prlssaas 148 ein« Der Strahl wird dann In dom Porr©-Prisma doppelt reflektiert und tritt aus einem anderen Teil der Hyp®-t®nusexa£lache des Porro-Prisiaaa 148 aus, Der Strahl

am das Loch I56 in dees Flansch 154 und tritt in Seitenfläche dee Dashkamtprismas 144 ein» Der Strahl wird d&ram am dar Hyp©t©mas©safläeh®^: d@s -Prismas 144 reflektiert und verläßt das PriE^a üb©r die Fläeto© 166« Der aus der Fläche I66 Q1&Stretende Strahl 'ist--keaxial sa dar Rollachs© ₉ verläuft entlang dl@@@r Aeks© ±n dl© Bildeb@3m©_s w@ die Fokussierung statt-Das Ans® b@traeht@t d%sm das - Bild durch die Okularlinse·

Da <d@T Prioifloxs.trägss· 125 vosa dem F©mrohrhauptrahmen_t der Objektivlinse und der Okularlinae in zwei Aohs«xa₉ nämlich in d@r HÖh@machse Y°>T und iss, der Gierachse Z-Z- entkoppelt ist, führen Bewegungen des Fernrohres wa j©da der beiden Achsen. nicht dassu, daß der Prismen träger dieser Bewegung folgt· Bewe- gwagen um die Rollaehs® X-X beeinflussen das Bild nicht und brauchen daher nicht entkoppelt zu werden·

Die Spiralfedern 122■" und. I38 bilden zueaamen mit der Trägheit des Prismensystems und den Halterungeteilen @in mechanisches Tiefpaßfilter, derart, daß nur langperlodige Bewegungen von dem Gehäuse auf die Prismen gekoppelt werden. Sine derartig·

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Kopplung ist notwendig, um es dem Benutzer diese· Fernrohres zu ermöglichen, letzteres zu schwenken oder zu kippen, während andererseits verhindert wird, daß höherfrequente Bewegungen, wie etwa das Handzittera oder Fahrzeugvibrationen und sonstige Schwingungen, das Bild beeinflussen.

Das Fernrohr 20 benötigt keinerlei getrennte Dämpfungseinrichtungen im Lagerungs- oder Haiterungseystern, wie dies frühere stabilisierte Fernrohre erforderten.

Die Dämpfung wird duroh die Verwendung der viskosen Flüssigkeit in den Kugellagern 112 und 130 erreicht. Die Bewegung der Kugeln in dem Lager bewirkt eine Energieabsorbtion in der Flüssigkeit wie in jedem Dämpfer und dämpft daher die Resonanz des Feder-Masse-Systems. Diese Resonanz würde, falls man sie unbedämpft ließe, störend sein.

Obgleich bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel mechanische Federn und eine Flüssigkeitsdämpfung Anwendung finden, sind diese Elemente als solche für das ordnungsgemäße Arbeiten des Stabilisierungssystems nicht notwendig} es ist auch möglich, eine Federwirkung duroh die Verwendung eines elektrischen Drehmomenterzeuge£β oder Stellmotors und einen Winkelgeber darzustellen, wie dies aus der Regel- und insbesondere der Servotechnik bekannt ist. Bine Dämpfung kann mit denselben Mitteln erreicht werden.

Das Fernrohr 20 enthält Einrichtungen zur Einstellung eines statischen Gleichgewichtes der kardanisehen Halterung und sur Kempensation eines Trägheitsmomentes oder einer dynamischen Umwueht, die durch die Prismen und die zugehörigen Halterungsteile erzeugt wird. Hierzu sind zwei Gegengewichte 168 und (vgl· Figur 4) auf entsprechenden Gewindestangen 172 und 174 vorgesehen. Die Gewindestange 172 geht von dem Priementräger 125 aus umd verläuft unter einem Winkel zu der mechanischen

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Ache· des Fernrohres. Im ähnlicher Weise geht die Gewinde-•tauge 174 von dem Prismentr&ger in annähernd der entgegengesetzten Richtung aus ρ ist jedoch gegenüber der Richtung der Gewinde β tauig® 172 versetzt·

Das Gegengewicht T68 ist auf d®r Gewiadestang· 172 mittel· zwei KlesEEa-Muttersi 178 befestigt} dae Gegengewicht 170 ist auf der Gewindestang® 1?4 üh©r swei gleichartige Kien-Muttern 178 befestigt. Jedes der Gegengewichte kaan einzeln längs der Gewinde stange ρ auf der gs sitzt-, verstellt werden, um eine gea&u® Gleichgewichtseinetellumg durchzuführen·

zusätzliches GQg©agewi©lit ISO in Gestalt «ines Ringes

ist auf dss³ ©bes?©m Pläeh© des Sahnens 106 angeordnet und liegt su ύ©τ A©&£3© X=S₈ B»a© Riagg@wieht -180 ist mit dem Üb@r swoi SgSäffaiiibesa 182 verbianden» Die Anordnung

©Iod G-etrleiktes 1@0 isiadl der B@feetigungssehraub9Sä 182 ist in _e 8 uua. 9 dargestellte ...

αϊ ο oiaen

des ®,us

¥is?kung©ia heftiger Erist dl© G©wiad©staage 172 von einem •wmfj®b«2u Der Puffer verhindert, Frism@nuak®hreyst9m um mehr und dient außerdem zur herrührenden

% namd f oapeieS&tiielaj wird der die Gewin-

Λ84 von eimern am ©oiii©ai einen Emde als Ring aue-

ist 9 UQW ~±m oimos» Etot em- Vmtm&g de® Puff era 184 liegt. sEa 186 beoi'fcs'fe ©isiQsi abeo^iaalseltem Fu@j d©r bei 190 auf Soito d@r St?©bo 66 Qmi*g©l(at@t 1st ₉ so daß dann, wenn aas- PsisEEOMtsräg©^ im εοΙκθγ neutralen Stellung befindet, di© GawimdastaEg-ffi 172 dur©fe den Mittelpunkt der Öffnung in dem Gummipuffer vorlauft. !

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Obgleich bisher die Definitionsgleichung für die Entfernung S zwischen der Hauptebene der Objektivlinse und dem Drehzentrum des Fernrohres unter Vervendung der Brennweite des Okular·· Und des Abstandes L zwischen der Hauptebene der Objektivlinse und der Bildebene des Fernrohres angegeben wurde, kaum die Entfernung S auch unter Verwendung der Vergrößerung M des Fernrohres, der Brennweite Fo der Objektivlinse und der Entfernung L definiert werden. Hierzu ist festzuhalten, daß

die Brennweite F des Okulares « ^Fo ist. Eine als Verklei-

M

nerungsverhältnis K bezeichenbare Konstante kann * f° defile

niert werden. Das Verkleinerungsverhältnis ist eine Funktion des optischen Weges durch die Prismen, der gewöhnlich etwas langer als die mechanische Länge vom Eingang bis zum Ausgang des Prismas 1st.

Aus den vorstehenden Definitionen ergibt sich, daß der Definitionsabstand S für den Ort der kardänischen Lagerung *

Sine praktische Ausführung des vorstehend beschriebenen Fernrohres 20 besitzt eine Vergrößerung von 12 und enthält •in Prismenumkehrsystem, dessen Verkleinerungsverhältnis K m 1,4 ist.

Abschließend ist darauf hinzuweisen, daß die Erfindung nicht an die Verwendung irgendeines bestimmten Prismentypeβ gebunden ist. Beispielsweise kann auch ein Dach-Pechan-Prisma oder «in Bauernfeind-Prisma verwendet werden. Die einzig· Voraussetzung besteht darin, daß die eintretende optische Achse koaxial zu der austretenden optischen Achse ist.

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Claims (1)

1. .,,.„„. oiri-oecp.^.^ _As 2353 T01 !

   23. Oktober 1973 7668-IV/S. *

   8 Mfcitfen'21 ■ ecife

   lfcldfon 5617 6?

   Fraser-Volpe Corporation

   Patentansprüche 1

   ~V ■ " ■ -■ "-■·"..'■■■."■.' 1.7 Fernoptisohes Gerät, Insbesondere Fernrohr, mit Bild

   stabilisierung, bestehend aus einem Objektiv, einem Prismenumkehrsystem und einem Okular, dadurch gekennzeichnet, daß das Prismenuaikehrsystem φθ) in der durch die Objektivlinse (2k) definierten optischen Hauptaohse (30) kardanisch gelagert ist.

   2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kardanisch« Lagerung einen gegen das Gerätegehäuse um eine erste zur optischen Hauptaohse rechtwinkligen Aohse (Y-Y) drehbaren Rahmen (106) und einen gegen den Rahmen (106) um eine zweite, zur ersten Achse und zurooptisohen Hauptachse rechtwinklige Achse (z-Z) drehbaren Prismen- ; träger (125) umfaßt, wobei die erste und die zweite Achse sich in einem ersten Punkt in der optischen Hauptachse

   (30) schneiden* <

   3. Gerät naoh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der [ Abstand S des ersten Punktes von der Hauptebene der Objek- ■ tivlinse (24) gleich k_±_E ist, worin F die Brennweite der 1

   ■ Okularlinse (26) und L die Entfernung zwischen der Haupt- ί ebene und der Bildebene bedeuten.

   j k. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennmeichnet, daß bei

   einer Vergrößerung von 12 das Verhältnis^SL ungefähr gleich 1,4 ist, wobei Fo die Brennweite der Objektirlinse

   (24) bedeutet·

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   5· Gerät nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet, daß die Drehung des Rahmens (iO6) und des Priementrägers (i25) begrenzende Elemente vorgesehen sind.

   6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente elastische Federn (122, 138) sind.

   7· Gerät nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Rahmen (1O6) und der Priementräger (125) in Lagern (112, 130) gelagert sind.

   8« Gerät nach Anspruch 7t dadurch gekennzeichnet, daß die Lager mit einer hochviskösen Dämpfungsflüssigkeit getränkt sind.

   9· Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Prismenumkehreystem (28) in einem statisch ausgewuchteten Träger (125) aufgenommen ist.

   1O. Gerät nach Anspruch 9» dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (125) einstellbar angeordnete Gegengewichte (168, umfaßt.

   11· Gerät naoh einem der Ansprüche 1 ^bi» ¹⁰» dadurch gekennzeichnet, daß das Prismenumkehreyetem (28) svei Perro-Priamem (i46, 148) und zvei rechtwinklige Priemen (Dachkant prismen) (142, 14%) umfaßt·

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   ■ι ^Ä ·;

   Leersei te