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Stabilisierungseinrichtung für optische Abbildungen Die Erfindung
betrifft eine Stabilisierungseinrichtung für optische Abbildungen entsprechend dem
Oberbegriff des Anspruches 1.
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Diese Stabilisierungseinrichtung kann zusammen mit optischen Systemen,
wie sie sich in Kameras, Fernrohren und ähnlichen Geräten befinden, verwendet werden.
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Im allgemeinen sind optische Instrumente, wie z.B. Kameras, Fernrohre
und Felastecher Zitterbewegungen unterworfen, wenn sie verwendet werden. Dies gilt
im allgemeinen unabhängig davon, ob die optischen Instrumente von Hand gehalten
werden, oder ob sie auf einer StUtze in bekannter Weise montiert sind.
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Die Linsen der Instrumente sind im allgemeinen unvermeidbaren Zitterbewegungen
unterworfen, wodurch eine unerwUnschte Zitterbewegung des Bildes in der Brennebene
des optischen Systems des verwendeten Instrumentes auftritt. Bei einer Filmkamera
werden die Zitterbewegungen auf einanderfolgenden Bildern aufgenommen und stellen
eine unerwünschte Komponente der Bildbewegung dar. Wenn auch die wirkliche Verschiebung
der Bilder auf dem Filmstreifen äußerst gering sein mag, so kann die Zitterbewegung
wegen der vergrößernden Projektion der Bilder als eine fortwährende Bewegung, die
die Qualität des Endergebnisses mindert, nicht mehr vernachlässigt werden. Bei Feldstechern
mit sehr starker Vergrößerung können erst kürzlich entwickelte Linsensysteme mit
starker Vergrößerung nicht voll eingesetzt werden, da die Benutzter nicht in der
L sind, die
Feldstecher ausreichend festzuhalten, um den erwUnschten
Gegenstand nicht aus dem Gesichtsfeld zu verlieren.
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Bisher wurden Versuche unternommen, Linsensysteme dadurch zu stabilisieren,
daß ein Boscovich'scher Keil zur Steuerung der Abweichung des einfallenden Lichtes
verwendet wurde. In der US-PS 2 180 o17 ist eine Bauweise angegeben, die für diese
Art von Vorrichtung beispielhaft ist.
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Der Boscovichlsche Keil stellt selbst keine Abbildung her. Vielmehr
haben die Elemente selbst keine Vergrößerungswirkung. Durch die Bewegung eines beweglichen
Elementes in Bezug auf ein anderes feststehendes Element wird ein veränderbares
Prisma erhalten, das einen Lichtweg ablenkt, ohne seinen Brennpunkt zu ändern. Wenn
man die Bewegung des zusammengesetzten Keils steuert, hebt die Vorrichtung die durch
eine Zitterbewegung in einem optischen System hervorgerufenen Effekte dadurch auf,
daß der Lichtweg in Phase mit der Zitterbewegung abgelenkt wird, wodurch das Bild
mehr oder weniger fest in dem System gehalten wird.
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Bs her sind viele- derartige Vorrichtungen entwickelt worden, die
nach dem gleichen Prinzip arbeiten. Jedoch verwenden alle bisher bekannten Stabilisierungseinrichtungen
eine Zusatz- oder Hilfsausrüstung, wie z.B. ein Gyroskop, bei dem ein gyroskopischer
Effekt dadurch erzeugt wird, daß sich das bewegliche Keilelement dreht, oder z.B.
durch die Verbindung mit einem externen Gyroskop um die Bewegungen des Keils zu
steuern. Die Herstellung solcher Systeme wird relativ teuer, wenn man die Gesamtkosten
des optischen Systems, das stabilisiert werden soll, betrachtet.
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Eine ideale Stabilisierungseinrichtung würde eine Zitterbewegung vollkommen
ausgleichen. Wenn das optische System um 10 verschoben wird, sollte die Abbildung
um 10 in der entgegengesetzten Richtung
verschoben werden, um den
Einfluß der Zitterbewegung aufzuheben.
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Die Ablenkung des Lichtweges in dem Boscovich'schen Keil kann für
kleine Winkel näherungsweise ausgedrückt werden durch: D = A x (n - 1) worin D die
Abweichung des einfallenden Lichtsstrahles ist, A ist der durch den Keil gebildete
Winkel und n ist der Brechungsindex des Materials, aus dem der Keil hergestellt
worden ist. Die Lichtablenkung durch den Keil kann durch eine Anderung des Winkels
A des Prismas genau so groß gemacht werden, wie die durch die Bewegung hervorgerufene
Ablenkung des einfallenden Lichtstrahles. Wenn der Brechungsindex n des Materials
gleich 2.oo ist, dann ist A gleich D (siehe Principles of Optics, von Hardy und
Perrin, Seiten 545, 546, McGraw Hill Book Co., Inc. 1932).
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Die Brechungsindizes der normalerweise vorkommenden Gläser liegen
im Bereich zwischen 1,4 und 1,9, so daß in Abhängigkeit von dem Brechungsindex des
Materials, der Winkel A so bestimmt werden kann, daß eine im wesentlichen erwünschte
Ablenkung erfolgt. Der Winkel A, der durch den Keil gebildet wird, ist wegen des
Schwenkarmes immer genau so groß wie die Winkelbewegung des einfallenden Strahles.
Um einen hundertprozentigen Ausgleich zu erzielen, müßte man einen Brechungsindex
von n=2 wählen. Werkstoffe mit solchen Eigenschaften sind erhältlich, jedoch sind
sie teuer und es treten bei ihnen andere Schwierigkeiten auf. Versuche haben gezeigt,
daß ein 8o,-iger Ausgleich vollkommen ausreichend ist, so daß ein Material mit einem
Brechungsindex von n= 1,8 verwendet werden kann. Das bedeutet, daß die Stabilisierungseinrichtung
80 % der einfallenden Störungen ausgleichen wird. Als Beispiel wurde für den Wert
des Brechungsindex 1,8 angegeben, jedoch kann in Wirklichkeit jeder Wert genommen
werden, der bei der Anwendung der Einrichtung
ausreichend ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine neue Stabilisierungseinrichtung
für optische Abbildungen zu schaffen, die einen Boscovich'schen Keil in ausgeglichener
Weise verwendet. Ferner soll die Stabilisierungseinrichtung verwendet werden können,
ohne daß Motoren, Gyroskope oder andere äußere, mechanische Zusatzapparate notwendig
sind. Weiterhin soll die vorliegende Stabilisierungseinrichtung mit geringen Kosten
hergestellt werden können, einfach in der Konstruktion und zuverlässig beim Einsatz
sein.
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Ein Lösungsmittel dieser Aufgabe wird im kennzeichnenden Teil des
Anspruchs 1 dargestellt.
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Die erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung für optische Abbildungen
zeichnet sich dadurch aus, daß die Steuerung der Bewegung eines Boscovich'schen
Keiles durch Trägheitskräfte erfolgt. Ein Teil des Keils ist an einem Arm befestigt,
der ein ringförmiges Ausgleichsgewicht trägt. Die Anordnung erfolgt so, daß das
Gewicht des ringförmigen Ausgleichgewichtes über seinen Hebelarm im wesentlichen
genau so groß ist, wie das Gewicht der bewegbaren Linse, das über ihren Hebelarm
wirkt.
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Dadurch ergibt sich eine gewichtsmäßig ausgeglichene Anordnung, für
die zusätzliche Motoren, Gyroskope oder andere mechanische Zusatzeinrichtungen nicht
benötigt werden. Die Hebelarme werden durch einander gegenüber liegende Bügel gebildet,
die an einem Kardan'schen Ring angelenkt sind, um eine Schwenkbewegung in einer
ersten Ebene zu ermöglichen. Der Kardan'sche Ring ist an einem festen Abschnitt
des Rahmens an gegenüber liegenden Stellen befestigt, die in Bezug auf die Schwenkverbindungen
der Bügel um 900 verdreht sind. Dadurch kann die bewegbare Linse in zwei Richtungen
ausgelenkt werden, um Zitterbewegungen in der optischen Einrichtung entgegenzuwirken.
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Die Schwenkverbindung wird durch Lager gebildet, die,wenn es erwünscht
ist, mit einer dämpfenden Flüssigkeit versehen und daraufhin abgedichtet werden
können, um dadurch den Bewegungswiderstand zu erhöhen. Zusätzlich können Federn
ohne Magnete zusammen mit den Lagern verwendet werden, um die Zentrierung der beweglichen
Teile zu erleichtern. Die gesamte Einrichtung arbeitet nach dem Trägheitsprinzip,
wobei die Trägheit eines Systems versucht, die bewegbare Linse in ihrer bestehenden
Lage zu halten und dadurch unerwünschte Bewegungen zu verhindern.
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Die Arbeitsweise ist wirkungsvoll, so daß keine zusätzlichen Einrichtungen
benötigt werden.
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Erfindungsgemäß wird bei der Stabilisierungsvprrichtung ein Bügelpaar
verwandt, dessen Enden an einer Seite mit einer bewegbaren Linse und an der anderen
Seite mit einem ringartigen Ausgleichsgewicht verbunden sind. Das Bügelpaar ist
zwischen der Linse und dem ringartigen Ausgleichsgewicht für das Gewicht der Linse
schwenkbar gelagert.
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Die Stabilisierungseinrichtung für optische Abbildungen hat eienBoscovich1schen
Keil, einen Kardan'schen Ring zwischen der bewegbaren Linse und dem ringartigen
Ausgleichsgewicht und einer Einrichtung, die ermöglicht, den Kardan'schen Ring in
zwei Ebenen zu verschwenken.
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In einer Fortbildung der Erfindung kann ein Boscovich'scher Keil und
eine Dämpfungseinrichtung vorgesehen sein, die dazu dient, den Bewegungswiderstand
zu erhöhen und zu steuern.
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Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnungen
beschrieben:
Fig. 1 zeigt eine perspektivische Darstellung, die
zur Sichtbarmachung des inneren Aufbaues teilweise aufgebrochen ist und einzelne
Abschnitte aus Gründen der Zuordnung durch unterbrochene Linien darstellt, Fig.
2 ist eine Darstellung längs der Linie 2 - 2 der Fig. 1, wenn man in die Richtung
der Pfeile sieht, wobei die Darstellung teilweise im Schnitt und teilweise aufgebrochen
zur Sichtbarmachung des inneren Aufbaues gezeigt wird.
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Fig. 3 zeigt eine Darstellung längs der Linie 3 - 3 der Fig. 1, wenn
man in die Richtung der Pfeile blickt, wobei die Darstellung teilweise im Schnitt
und teilweise aufgebrochen zur besseren Sichtbarmachung des inneren Aufbaues gezeigt
wird.
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Fig. 4 ist ein Querschnitt längs der Linie 4 - 4 der Fig. 3, wenn
man in die Richtung der Pfeile blickt.
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Fig. 5 ist eine schematische Darstellung eines Linsensystems, die
in bekannter Weise den Gegenstand in der Brennebene abgebildet zeigt.
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Fig. 6 ist eine schematische Darstellung ähnlich der der Fig. 5, und
zeigt die Abbildung eines Gegenstandes, wenn das Linsensystem einer Zitterbewegung
ausgesetzt ist.
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Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung des Systems der Fig. 5,
wobei gezeigt ist, auf welche Weise der Abbildungsgegenstand in der Brennebene abgebildet
wird, wenn eine erfindungsgemäße Stabilisierungseinrichtung eingebaut ist und das
gesamte System einer Zitterbewegung ausgesetzt ist.
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Die Fig. 1 zeigt eine Stabilisierungseinrichtung lo für optische Abbildungen,
die an einer Kamera 12 über die Länge des vorhandenen Linsensystems 14 befestigt
ist. Es ist ein Boscovich'scher Keil dargestellt, der aus einer Anpassungslinse
16 und einer festen Linse 18 gebildet wird. Ein durch den Boscovich'schen Keil und
das zugeordnete, fokussierende Linsensystem 14 abgebildeter Gegenstand bleibt in
der Brennebene 68 des fokussierenden Linsensystems unabhängig von der relativen
Bewegung zwischen den Elementen 16 und 18 des Keils fest. Ein derartiger Boscovich'scher
Keil ist in der US-PS 2 180 217 ausführlich beschrieben und erklärt. So bleibt die
Abbildung 66 in der Brennebene 68 stehen, obgleich das Gehäuse des optischen Instrumentes
12 unerwünschten Zitterbewegungen unterworfen ist.
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Die Anpassungslinse 16 verschiebt sich gegenüber der festen Linse
18 und wird von einem Bügelpaar aus einander gegenüber angeordneten Streifen 20,
22 gehalten. Ein Haltering 23 kann in bekannter Weise verwendet werden, um die Linse
16 zu befestigen. Die Streifen 20, 22 erstrecken sich rückwärts und enden an durchmessermäßig
gegenüber liegenden Stellen, an denen sie mit dem Ausgleichsring 24 verbunden sind.
Die Streifen 20, 22 sind in bekannter Weise an dem Ring 24 befestigt, wie z.B. durch
Schrauben 26 (Fig. 2). Zwischen dem rückwärtigen Ausgleichsring 24 und der vorderen
Anpassungslinse 16 ist ein Kardan'scher Ring 28 angeordnet, der mit den Streifen
20, 22 so verbunden ist, daß eine Schwenkbewegung der Streifen (und der befestigten
Anpassungslinse 16 und dem Ausgleichsring 24) in einer Ebene möglich ist. Durchmessermäßig,
einander gegenüber liegend angeordnete Schwenkverbindungen 30, 32 erleichtern eine
Schwenkbewegung der Streifen 20, 22 in einer Ebene um den Xardan'schen Ring 28.
Der Kardan'sche Ring 28 ist an durchmessermäßig, einander gegenüber liegenden Stellen
36 und 38 schwenkbar in Bezug auf das Gehäuse 60 gelagert. Diese Stellen sind um
900
gegenüber den Schwenkverbindungen 3o, 32 der Streifen 20, 22
verdreht. Die Schwenkverbindungen 36, 38 ermöglichen eine Schwenkbewegung des Kardan'schen
Ringes in einer zweiten Ebene. Entsprechend kann sich die Anpassungslinse 16 in
zwei Richtungen bewegen, um den Auswirkungen von Zitterbewegungen in dem System
entgegenzuwirken. In den Fig. 2 und 3 erkennt man am besten, daß die feste Linse.18
sicher durch den Rahmen 34 gehalten wird, und daß dieser Rahmen mit dem Kameragehäuse
12 verbunden ist. Die feste Linse bewegt sich im Bezug auf den Rahmen nur dann,
wenn die Kamera Zitterbewegungen ausgesetzt ist.
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Die Einrichtung ist so angeordnet, daß das Gewicht des ringartigen
Ausgleichsgewichtes 24 in seiner Wirkung über den Hebelarm 40 im wesentlichen genauso
groß ist, wie das Gewicht der Anpassungslinse 16 in seiner Wirkung über den Hebelarm
42, wodurch das gesamte System in 3ezug auf die Schwenkverbindungen no, 32 und 36,
38 ausgeglichen ist. Durch sorgfältiges Abstimmen der an den Schwenkverbindungen
30, 32, 36, 38 wirkenden Momente wird eine ausgeglichene Stabilisierungseinrichtung
für optische Abbildungen erhalten, bei der keine äußeren Motoren, Gyroskope oder
andere mechanischen Zusatzgeräte notwendig sind.
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Vorzugsweise ist jede der Schwenkverbindungen 30, 32, 36, 38 mit einem
Kugellager 44, 46, 48, 50 ausgerüstet. In der Stabilisierungseinrichtung dienen
die Lager als Dämpfungselemente. Sie können mit einem dämpfenden Fluid gefüllt und
anschließend abgedichtet werden, um dadurch den Bewegungswiderstand zu erhöhen,
wie es allgemein bekannt ist. Auf diese Weise arbeitet das Gerät nach dem Prinzip
der Trägheit, wobei die Dämpfung durch die gefüllten Kugellager und die eigene Trägheit
des Systems so wirken, daß die Anpassungslinse 16 in ihrer Lage gehalten wird, um
dadurch eine unliebsame Bewegung zu verhindern. So wird eine wirkungsvolle Arbeitsweise
erreicht, ohne daß äußere, mechanische und zusätzliche Einrichtungen,wie wie Motoren
oder Gyroskope, benötigt werden.
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In einer Fortbildung dieser Ausführung kann eine Feder 52, 54, 56
bzw. 58 jeder der vier Schwenkverbindungen 30, 32, 36 bzw.
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38 zugeordnet werden (Fig. 4). In der Nullage wird jede Feder 52,
54, 56 bzw. 58 so eingestellt, daß sich das System durch die Federkraft in einer
axial ausgerichteten Lage befindet.
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Auf diese Weise wird durch die Federn eine Zentrierkraft zur optischen
Ausrichtung zwischen der Anpassungslinse 16 und der festen Linse 18 ausgeübt, wenn
keine anderen Kräfte auf das System wirken. Bei einer Auslenkung durch eine nicht
ausgeglichene Kraft dienen die Federn als Zentriereinrichtungen, um die Abbildung
68 schnell wieder zu zentrieren.
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Die Fig. 5, 6 und 7 dienen zur Erläuterung der Arbeitsweise des optischen
Systems. Die Fig. 5 zeigt als Abbildungsgegenstand einen Pfeil 62, der Länge AC,
durch dessen Mitte B die optische Mittelachse 64,von dem Linsensystem 14 aus gesehen,
hindurch geht. Ist das System keiner Zitterbewegung ausgesetzt (Fig. 5), so gelangen
die Lichtstrahlen vom Abbildungsgegenstand 62 durch das Linsensystem 14 hindurch
und ergeben ein umgekehrtes 3ild 66 der Länge A'C'. Die Mitte Bt des abgebildeten
Pfeiles bleibt auf der optischen Mittelachse 64. Die Abbildung 66 ist durch das
Linsensystem 14 in bekannter Weise in der Brennebene 68 fokussiert.
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Die Fig. 6 zeigt das in Fig. 5 beschriebene System einer Zitterbewegung
ausgesetzt, wobei das Linsensystem 14 eine Winkelverschiebung bezüglich der Mittelachse
64 erfährt.
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Die winkelmäßige Auslenkung des Linsensystems 14 kann schematisch
durch die verschobene optische Achse 70 dargestellt werden. Der Unterschied zwischen
der verschobenen Achse 70 und der Mittelachse 64 stellt ein Maß für die Zitterbewegung
des Systems dar.
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In einem solchen Fall wird nur ein Teil eines Abbildungsgegenstandes,
wie z.B. eines Pfeiles 62 der Länge AC in der Brennebene 68' abgebildet. Diese Brennebene
ist auch gegenüber der Brennebene 68 des ungestörten Systems einer Winkelverschiebung
unterworfen. In einem solchen Fall ergibt sich in bekannter Weise
auf
Grund der optischen Gesetze, daß die Abbildung 66' in der Brennebene 68' nur die
Länge A'B' hat. Der restliche Teil BC des Abbildungsgegenstandes 62 könnte in einem
solchen Fall nicht gesehen werden, wenn der Abbildungsgegenstand durch das Linsensystem
14 hindurch betrachtet wird.
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Die Fig. 7 zeigt die gleichen Verhäitnisse wie die Fig. 6, wobei jedoch
eine erfindungsgemäße Stabilisiereinrichtung lo vorgesehen ist. Sie enthält eine
feste Linse 18 und eine Anpassungslinse 16, die zwischen dem Abbildungsgegenstand
62 und dem Linsensystem 14 angeordnet sind. Die Stabilisierungseinrichtung lo für
optische Abbildungen würde gegenüber der aufgezwungenen Zitterbewegung ausgleichend
wirken, so daß eine vollkommene Abbildung -66' leichter hergestellt werden kann.
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Das Linsensystem 14 würde zusammen mit der Kamera 12 verschoben werden
und dadurch eine verschobene Achse 70 (siehe Fig. 6) bewirken. Die Anpassungslinse
16 würde dann versuchen, sich relativ zu der festen Linse 18 zu bewegen. In Bezug
auf die Kamera 12 ist die feste Linse 18 unbeweglich, während die Anpassungslinse
16 relativ zu der Kamera 12 bewegbar ist. Daher wird das gesamte- Bild A'C' des
Gegenstandes 62---in der-Brennebene 68' so abgebildet, als wenn die Kamera nicht
verschwenkt worden wäre. So schließt die Stabilisierungseinrichtung lo für optische
Abbildungen den fotografischen Effekt von unerwünschtenZitterbewegungen aus, die
durch die Bewegung der Kamera entstehen.
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Diese Einrichtung ist besonders gut bei Linsen langer Brennweite zu
verwenden, da durch sie Zitterbewegungen in der Kamera 12 stark vergrößert werden
würden. Die beliebten ZOOM-Linsen wären typisch für eine Verwendung mit der erfindungsgemäßen
Stabilisiereinrichtung.