-
Vorrichtung zur Stabilisierung einer optischen Abbildung Die Erfindung
betrifft eine Vorrtchtung zur Stabilisierung einer optischen Abbildung in einem
optischen Instrument mit einem Gehäuse, an dem eine Objektivlinse und eine Einrichtung
zur Sichtbarmachung der Abbildung befestigt sind, um die von der Objektivlinse in
ihrer Brennpunktsebene erzeugte optische Abbildung sichtbar zu machen.
-
Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, mit
der eine optische Abbildung , die auf einen fotographischen ?ilm scharfeingestellt
ist oder durch ein Okular
in einem optischen Instrument wie z.B.
einer Kamera oder einem Teleskop betrachtet wird, gegen kleine Winkelabweichungen
aus der gewünsPhten Seh-oder Sicht linie stabilisiert wird, wobei die Abweichungen
durch zufällige Vibrationen oder Bewegungen des Instrumente; verursacht werden,
die z.B. dann auftreten können, wenn das Instrument nicht fest und ruhig in der
Hand gehalten wird.
-
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Verbessenmg einer Vorrichtung
zur Stabilisierung einer optischen Abbildung, bei der eine Objektivlinse, ein optisches
Element zur Stabilisierung der Abbildung wie z.B. ein BilduSkehrprisma und eine
Einrichtung zur Sichtbarmachung der Abbildung wie z.B. ein Okular oder ein fotographischer
Film auf einer Linie angeordnet sind, wobei das zur Stabilisierung der Abbildung
dienende optische Element auf einem kardanischen Rahmen oder Bügel befestigt ist.
-
Beim Gebrauch von optischen Instrumenten, die in der Hand gehalten
werden können oder müssen, wie z.B. Kameras und Teleskope bzw. Fernrohre, bewirkt
die auf das Instrument übertragene Schwingung oder Vibration der Hand eine Oszillation
der Abbildung auf der Brennpunlctsebene.
-
Wird das optische Instrument in einem Flugzeug oder einem Fahrzeug
gebraucht, so überträgt sich die Schwingung des Flugzeuges oder des Fahrzeuges auf
das optische Element, so daß die scharfeingestellte oder betrachtete Abbildung dadurch
in Oszillationen gerät und die Schärfe der Abbildung nachlässt. Obwohl die tatsächliche
Amplitude der Oszillationen der Abbildung gering ist, so wird die Abbildung doch
durch Vergrösserung oder Projektion vergrößert, so daß das Wackeln
des
Bildes gut bemerkbar wird und einen negativen Einfluß auf die Qualität des Bildes
ausübt. Bisher sind zahlreiche und unterschiedliche Vorrichtungen zur Stabilisierung
einer optischen Abbildung entwickelt worden, von denen einige sogar auf den tIarlct
gelangt sindi die meisten dieser Vorrichtungen verwenden einen Kreisel oder ein
Gyroskop, um einen Teil des optischen Elementes in- einem optischen System gegen
die Schwingungen des Instrumentes stabil zu halten. Eine solche Stabilisierungsvorri
chtung erfordert jedoch einen komplizierten Aufbau und einen aufendigen Mechanismus;
als Ergebnis hiervon ist die Herstellung einer solchen Vorrichtung sehr schwierig
und aus wirtschaftlichen Gründen unpralçtisch. Deshalb sind bisher die herkömmlichen
Vorrichtungen zur Stabilisierung einer Abbildung nur selten in der Praxis eingesetzt
worden.
-
In Anbetracht der Mängel der herkömmlichen Vorrichtungen zur Stabilisierung
einer optischen Abbildung liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde,
eine Vorrichtung zur Stabilisierung einer optischen Abbildung für ein optisches
instrument zu schaffen, bei dem die scharf eingestellte oder dadurch betrachtete
optische Abbildung mittels einer einfachen Konstruktion gegen die zufällige Verschiebung
des Instrumentes stabilisiert wird.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein zwischen der Objektivlinse
und der Einrichtung zur Sichtbarmachung der Abbildung angeordnetes Bildumiehrprisma,
das das Licht von der Objektivlinse zu der
Einrichtung zur Sichtbarmachung
der Abbildung durchlässt, wobei die optische Achse des einfallenden Lichtes und
die optische Achse des austretenden Lichtes des Bildumkehrprismas parallel zueinander
ausgerichtet sind, und durch einen in dem Gehäuse vorgesehenen kardanischen Bügel,
der sich um ein Drehzentrum dreht, das sich auf der optischen Achse des optischen
Instrumentes befindet, wobei das Drehzentrum in dem klittelpunkt eines Weges liegt,
der die Summe des optischen Weges von dem Hauptpunkt der Objektivlinse zu der Eintrittsfläche
des Bildumkehrprismas, des geometrischen Abstandes von der Eintrittsfläche zu der
Austrittsfläche des Bildumkehrprismas und des optischen Weges von der Austrittsfläche
des Bildumkehrprismas zu der Einrichtung zur Sichtbarmachung der Abbildung ist.
-
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile liegen insbesondere in folgender
Wirkungsweise: Um den Aufbau und die Konstruktion der Einrichtung zur Stabilisierung
der optischen Abbildung in einem optischen Instrument wie z.B. einer Kamera, einem
Teleskop oder einem Lasersender zu vereinfachen, sind die optischen Elemente des
das Bild erzeugenden optischen Systems in dem optischen Instrument , bei dem die
Vorrichtung zur Stabilisierung der Abbildung gemäß der vorliegenden Erfindung eingesetzt
wird, in einer Linie angeordnet.
-
Ein Bilduikehrprisma , bei dem die optische Achse des einfallenden
Lichtes mit der optischen Achse des ausfallenden Lichtes ausgerichtet ist, wird
auf einem kardanischen Rahmen oder Bügel befestigt und dazu benutzt, zufällige Yerachiebungen
des Instrumentes zu kompensieren. Das optische System des optischen
Instrumentes
, bei dem die Vorrichtung zur Stabilisierung der Abbildung nach dieser Erfindung
verwendet wird, weist eine Objektivlinse, ein Bllduikehrprisma, bei dem die optische
Achse des einfallenden Lichtes mit der optischen wachse des ausfallenden Lichtes
ausgerichtet ist, und eine Einrichtung zur Sichtbarmachung der Abbildung wie z.B.
ein Okular oder einen fotographischen Aufzeichnungsfilm auf, wobei alle diese Teile
in einer Linie längs ihrer optischen Achse angeordnet sind. Das Bildumkehrprisma
ist auf einem kardanischen Rahmen oder Bügel befestigt1 dessen Drehzentrum in dem
Mittelpunkt des optischen Weges von der Objektivlinse zu der Einrichtung zur Sichtbarmachung
der Abbildung liegt.
-
Im Falle einer Kamera wird das Drehzentrum des das Bildumkehrprisma
halternden kardanischen Bügel in dem Mittelpunkt des Weges angeordnet, der die Summe
des optischen Weges von dem zweiten Hauptpunkt der Objektiv linse zu der Einfallfläche
des Bildumkehrprismas, des mechanischen Abstandes von der Einfallfläche des Bildumkehrprismas
zu seiner Austrittsfläche, und des optischen Weges von der Austrittsfläche des Bildumkehrprismas
zu der Brennpunktebene ist, in der sich der fotographische Film befindet.
-
Im Falle eines Teleskops oder Fernrohrs liegt das Drehzentrum des
das Bildumkehrprisma halternden kardanischen Bügels in dem Mittelpunkt des optischen
Weges, der die Summe des optischen Weges von dem zweiten Hauptpunkt der Objektivlinse
zu der Einfallfläche des Bildumkehrprismas , des mechanischen Abstandes von der
Einfallsfläche des Bildumkehrprismas zu seiner Austrittsfläche, und des optischen
Weges von
der Austrittsfläche des Bildumkehrprism&s zu dem ersten
Hauptpunkt des Okulars ist.
-
Die in dieser Beschreibung erwähnten ersten und zweiten Hauptpunkte
von Linsen werden in Bezug auf einen Lichtstrahl definiert, der gemaß der Darstellung
in den Figuren von links nach rechts verläuft. Das heißt also1 daß der zweite Hauptpunkt
als ein Fokussierungspunkt der Lichtstrahlen definiert ist, die von links auf eine
Linse treffen. Der erste HaupSpankt wird als ein Fokussierungspunkt der Lichtstrahlen
definiert, die von rechts auf eine Linse treffen.
-
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen unter
Bezugnahme auf die beiliegenden, schematischen Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen: Figur 1 eine Darstellung des optischen Systems einer Kamera,
wobei sich die Verschiebung der Abbildung in der Brennpunktsebene erkennen läßt,
die durch eine Winkelabweichung der Kamera verursacht ist; Figur 2 eine Darstellung
des optischen Systems der Vorrichtung zur Stabilisierung der Abbildung gemäß der
vorliegenden Erfindung, die einem optischen Instrument mit einer Objektivlinse und
einer Brennpunktsebene wie z.B. einer Kamera angepasst ist; Figur 3 eine Seitenansicht
des Bildumkehrprismas, das bei der Vorrichtung zur Stabilisierung der Abbildung
gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet wird;
Figur 4 eine longitudinale
Schnittansicht einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Vorrichtung
zur Stabilisierung der Abbildung in eine fotographische Kamera eingebaut ist; Figur
5 eine Darstellung des optischen Systems eines Teleskops oder Fernrohrs, wobei die
Oszillationen des durch das Okular betrachteten Bildes zu erkennen sind, die durch
eine Winkelabweichung des Teleskops verursacht sind; Figur 6 eine Darstellung des
optischen Systems der Vorrichtung zur Stabilisierung der Abbildung gemäß der vorliegenden
Erfindung, die einem optischen Instrument mit einer Objektivlinse und einem Okular
wie z.B. einem Teleskop angepasst ist; und Figur 7 eine longitudinale Schnittansicht
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die Vorrichtung
zur Stabilisierung einer Abbildung in ein Teleskop eingebaut ist.
-
In Fig. 1 ist das optische Grundsystem eines optischen Instruments
dargestellt, das eine Objektivlinse 11 mit einer optischen Achse 12 und einer Brennpunkt-oder
Bildebene 13 aufweist; der zweite Hauptpunkt der Objektivlinse 11 ist bei A angedeutet,
während ihr Brennpunkt bei B auf der Brennpunktsebene 13 angedeutet ist. Dementsprechend
ist der Brennpunkts abstand oder die Brennweite Fo der Objektivlinse 11 der Abstand
zwischen dem zweiten Hauptpunkt A der Objektivlinse 11 und dem Brennpunkt B . Wird
das optische Inment um ein Drehzentrum oder einen Drehungsmittelpunkt C auf der
optischen Achse 12 geneigt oder gekippt, 50 wird der zweite Hauptpunlrt A der Objektivlinse
11
zu einer verschobenen Position Ad bewegt, während der Brennpunkt B zu einer verschobenen
Position Bd bewegt wird. Der Winkel zwischen der optischen Achse 12 und der geneigten
optischen Achse wird durch das Bezugszeichen e angedeutet. Die Bezugszeichen il
d und 13 d bezeichnen jeweils die aus ihrer Ursprungsstellung gekippte Objektivlinse
bzw. Brennpunktsebene des Instrumentes.
-
Die parallel zu der optischen Achse 12 auf die Objektivlinse 11 auftreffenden
Lichtstrahlen konver£ieren in dem Brennpunkt B . Wird das optische Element jedoch
um den Winkel 0 geneigt oder gekippt, so konvergieren die Lichtstrahlen, die parallel
zu der optischen Achse 12 aus der gleichen Richtung auf die Objektivlinse 11 d fallen
in einem Punkt D , der von dem ursprünglichen Brennpunkt B in eine Richtung verschoben
ist, die der Richtung entgegengesetzt ist, in der der verschobene Brennpunkt Bd
aus dem ursprünglichen Brennpunkt B verschoben wird. Der Abstand von dem verschobenen
Brennpunkt Bd zu dem wirklichen Sammelpunkt D beträgt Fo . 0 wenn der Winkel 0 klein
ist. Der Abstand von dem ursprünglichen Brennpunkt B zu dem wirklichen Sammelpunkt
D , der gleich dem Abstand von dem Hauptpunkt A zu dem verschobenen Hauptpunkt Ad
der Objektivlinse 11 ist, kann durch AC . . ausgedrückt werden. Deshalb wird eine
auf der Brennpunktsebene 13 scharfeingestellte Abbildung um die Strecke AC .0 nach
oben ( gemäß Fig. 1 ) bewegt, wenn das optische Instrument wie z.B. eine Kamera
um den Winkel O geneigt wird. In Relation zu der Oberfläcl1e-des fotographischen
Films oder eines ähnlichen Elementes, das sich auf der Brennpunktsebene-befindet,
bewegt sich der Sammelpunkt um die Strecke BdD dl) ( BBd+D)
weil
die Brennpunktsebene 13 nach unten um die Strecke BBd in die Position i3 d bewegt
wird, während die absolute Position des Sammelpunktes B um die Strecke BD nach oben
bewegt wird. Als Folge davon ist das auf dem fotographischen Film oder einem ähnlichen
Element, das sich auf der Brennpunktsebene befindet, aufgezeichnete Bild verschwommen
oder unscharf, wenn das optische Instrument wie z.B. eine Kamera um das Drehzentrum
C auf seiner optischen Achse 12 geneigt oder gekippt wird.
-
Um die Bewegung des tatsächlichen Sammelpunktet> auf der Brennpunktsebene,
die durch das Kippen des optischen Instrumentes verursacht wird, zu verhindern,
muß nach der Neigung des Instrumentes der tatsächliche Sammelpunkt durch eine geeignete
Kompensationseinrichtung zu dem verschobenen Brennpunkt Bd auf der verschobenen
Brennpunktsebene 13 d gebracht werden.
-
Wie bereits oben erwähnt wurde, kann die Entfernung M aus gedrückt
werden als AC . 0 , während die Entfernung BdD als Fo . O oder AB . 0 ausgedrückt
werden kann.
-
Wird deshalb das Drehzentrum C des optischen Instrumentes so ausgewählt,
daß es sich auf dem Mittelpunkt des optischen Weges von dem zweiten Hauptpunkt A
der Objektivlinse 11 zu dem Brennpunkt B befindet, so wird der Abstand Bd von dem
ursprünglichen Brennpunkt B zu dem tatsächlichen Sammelpunkt D , der gleich AC .
0 ist, gleich AB . G / 2, weil AC = AB / 2 ist; damit wird er gleich dem Abstand
BBd von dem ursprünglichen Brennpunkt B zu dem verschobenen Brennpunkt Bd der verschobenen
Objektivlinse 11 d. Um den tatsächlichen Sammelpunkt D zu dem verschobenen Bronpunkt
ßd
zu dem verschobenen Brennpunkt Bd zu bringen, der von dem ursprünglichen
Brennpunkt B genausoweit entfernt ist wie der wirkliche Sammelpunkt D von dem ursprünglichen
Brennpunkt B , muß ein optisches Element zwischen der Objektivlinse und der Brennpunktsebene
vorgesehen werden, das einen Lichtstrahl empfängt, der parallel zu der optischen
Achse 12 in einem bestimmten Abstand zu ihr verläuft, und das den Lichtstrahl parallel
zu der optischen Achse an.einem Punkt ausstrahlt, der von der optischen Achse den
gleichen Abstand auf der entgegengesetzten Seite der optischen Achse hat. Weiterhin
muß in diesem Fall die optische Achse 12 um ein Drehzentrum gekippt werden, das
sich an dem Mittelpunkt des optischen Weges von dem Hauptpunkt A zu dem Brennpunkt
B befindet.
-
Die oben erwähnten Anforderungen sollen im folgenden im Detail unter
Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert werden, die den Aufbau eines optischen Grundsystems
einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt, die in eine fotographische-
Kamera eingebaut ist. Zwischen einer Objektivlinse 21 und ihrer Brennpunktsebene
23 ist ein Bildumkehrprisma 24 vorgesehen, dessen optische -Achse für das einfallende
Licht und optische Achse für das austretende Licht auf einer gemeinsamen geraden
Linie liegen, die mit der optischen Achse 22 der Objektivlinse 21 ausgerichtet ist.
Bei einem solchen optischen System konvergieren alle parallelen Lichtstrahlen, die
parallel zu ihrer optischen Achse 22 auf die Objektivlinse 21 auftreffen , in dem
Brennpunkt Faufaer Brennpunktsebene 23. Das Bildumkehrprisma 24 ist auf einem t
nicht dargestellten ) kardanischen Rahmen oder Bügel befestigt, der um ein
Drehzentrum
G auf der optischen Achse 22 gedreht wird. Wird die optische Achse 22 um einen Winkel
9 zu der geneigten Achse 22 d gekippt, so bewegt sich die Objektivlinse 21 zu den
verechobenon ObSektiv linse 21 d , während die Brennpunktsebene 23 zu der verschobenen
Brennpunktsebene 23 d bewegt wird. Der Hauptpunkt E der Objektivlinse 21 bewegt
sich zu dem verschobenen Hauptpunkt Ed , während der Brennpunkt F auf der Brennpunktsebene
23 zu dem verschobenen Brennpunkt Fd bewegt wird. Das Bildumkehrprisma 24 bewegt
sich jedoch nicht und bleibt aufgrund der Wirkung des kardanischen Bügels auf dem
es befestigt ist, in seiner Lage. Deshalb bewegen sich die Lichtstrahlen 25, die
parallel zu der ur-Sprünglichen optischen Achse 22 und durch den verschobenen Hauptpunkt
Ed der verschobenen Objektiv.
-
linse 21 d verlaufen, parallel zu der ursprünglichen optischen Achse
22 weiter vorwärts, nachdem sie die Objektivlinse 21 d passiert haben, und treten
in das Bildumkehrprisma 24 an einem Eintrittspunkt H ein, der zu der optischen Achse
22 einen Abstand Hi hat. Die Lichtstrahlen 25, die in das Bildumkehrprisma 24 an
dem Eintrittspuiçt H eintreten, verlassehr das Bildumkehrprisma 24 an einem Ausgangspunkt
J, der von der optischen Achse 22 einen Abstand 7K hat, der gleich dem Abstand HI
ist, und verlaufen weiter parallel zu der optischen Achse 22. Der Ausgangspunkt
J befindet sich in Bezug auf die optische Achse 22 auf der entgegengesetzten Seite
des Eintrittspunktes H Dementsprechend konvergieren alle Lichtstrahlen, die parallel
zu der optischen Achse 22 und durch die geneigte Objektivlinse 21 d verlaufen, in
dem verschobenen
Brennpunkt Fd , der sich auf dem optischen Weg
26 der Lichtstrahlen befindet1 die an dem Ausganspunkt J austreten und parallel
zu der optischen Achse 22 der Objektivlinse 21 weiterverlaufen.
-
Wird deshalb der Betrag der Verschiebung des Brennpunktes Fd aus dem
ursprünglichen Brennpunkt F gleichgemacht dem Abstand zwischen der optischen Achse
22 und dem Ausgangspunkt J , so bewegt sich die optische Abbildung auf dem Brennpunkt
selbst dann nicht, benn das optische Instrument geneigt oder gekippt ird.
-
Als Ergebnis hiervon erhält man sogar dann ein scharfes optisches
Bild, wenn das optische Instrument geneigt oder Vibrationen ausgesetzt wird. Damit
die Verschiebung der Objektivlinse 21 gleich der Verschiebung der Brennpunktsebene
23 sein kann, wenn das optische Instrument gekippt wird, muß das Drehzentrum G des
Instrumentes an dem Mittelpunkt der Entfernung ( EI + IK + KF ) von dem Hauptpunkt
E der Objektivlinse 21 zu dem Brennpunkt F liegen. Dcshalb wird das Drehzentrum
des kardanischen Bügels , an dem das Bildumkehrprisma 24 befestigt ist, so ausgewählt,
daß es sich an dem Mittelpunkt des Abstandes zwischen der Objektivlinse 21 und ihrem
Brennpunkt F befindet.
-
Das Bildumkehrprisma 24 kann an irgendeiner beliebigen Stelle in dem
optischen Weg der Objektivlinse angeordnet werden, da die Entfernung HI immer gleich
der Entfernung JK ist.
-
Ein Beispiel eines bei dieser Erfindung verwendeten Bildumkehrprismas
ist in Fig. 3 dargestellt. Das in Fig. 3 gezeigte Bildumkehrprisma 30 weist zwei
Prismenblöcke 31 und 32 auf, zwischen denen ein schmaler, paralleler Luftraum 33
ausgebildet ist. Die parallelen,
einander gegenüberliegenden Flächen
31 a und 32 a der Prismenblöcke 31 und 32 , die den schmalen, parallen Raum 33 bilden,
dienen als total reflektierende Oberfläche. Die Eintrittsfläche 31 h des ersten
Prismenblocks 31 und die Austrlttsfläche 32 b des zweiten Prismenblocks 32 sind
parallel zueinander und verlaufen senkrecht zu der optischen Achse. Der zweite Prismenblock
32 weist eine Dach-Fläche 32 c auf, um in dem optischen Instrument ein umgekehrtes
Bild zu erzeugen. Die optische Achse des einfallenden Lichtes 34 und die optische
Achse des austretenden Lichtes 35 sind miteinander ausgerichtet. Das oben beschriebene
Bildumkehrprisma 30 wird im allgemeinen als Pechan-Prisma bezeichnet. Neben dem
Pechan-Prisma kann ein Abbesches - Bildumkehrprisma zu diesem Zweck verwendet werden.
Wegen der Vorteile .beim Einbau- des Prismas auf dem kardanischen Bügel und wegen
der Größe des Prismas wird unter Berücksichtigung der Herstellung der Vorrichtung
das Pechan-Prisma bevorzugt. Selbstverständlich ist jedoch das Bildumkehrprisma
nicht auf diesen oben erwähnten , besonderen Typ beschränkt, sondern es kann jeder
beliebige Typ verwendet werden, wenn die optische Achse des einfallenden Lichtes
mit der optischen Achse des austretenden Lichtes ausgerichtet ist.
-
Die obige Beschreibung des optischen Systems der Vorrichtung zur Stabilisierung
einer Abbildung gemäß dieser Erfindung, nahm insbesondere Bezug auf eine einfache
Ausführungsform, die bei einer fotographischen Kamera verwendet werden kann, bei
der.das Aufnahmeobjektiv oder die Objektivlinse 21 , das Bildumkehrprisma
24
und das Aufzeichnungsmedium auf der Brennpunktsebene 23 längs einer geraden Linie
angeordnet sind. Selbstverständlich kann jedoch der' optische Weg zwischen der Objektivlinse
21 und dem Bildumkehrprisma 24 oder zwischen dem Prisma 24 und 'der Brennpunktsebene
23.mittels eines optischen Elementes wie z.B. eines Spiegels oder eines Prismas
1-gelenkt werden. Deshalb muß das Drehzentrum des kardanischen Bügels, an dem das
Bildumkehrprisena 24 in dem optischen Instrument befestigt ist, so ausgewählt werden,
daß es sich an dem Mittelpunkt des Weges.befindet, der die Summe des optischen Weges
von dem zweiten Hauptpunkt der Objektivlinse zu der Eintrittsfläche des Bildumkehrprismas
, des mechanischen Abstandes von der Eintrittsfläche des Bildumkehrprismas zu seiner
Austrittsfläche, und des optischen Weges von der Austrittsfläche des Prismas zu
der Brennpunktsebene ist, auf der die optische Abbildung scbarfeingestellt wird
und das Okular oder der fotographische Film angeordnet wird.
-
Im folgenden wird eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 4 beschrieben werden, wobei die Vorrichtung
in eine fotographische Kamera eingebaut ist. Ein Aufnahmelinsensystem oder Objektiv
41, ein Bildumkehrprisma 44, wie z.B. ein Pechan-Prisma und ein fotographischer
Film 43 sind längs der optischen Achse 42 des Auge.
-
nahmelinsensystims 41 angeordnet. Das-Aufnahmelinsensystem 41 ist
an einem Objektivrahmen 45 a befestigt, und das Bildumkehrprisma 44 und der Film
43 sind in einem Gehäuse 45 eingeschlossen , wobei der Objektiv-.
-
rahmen 45 a an einem Ende des Gehäuses 45 vorgesehen
ist.
Der fotographische Film 43 wird auf der Bren,npunktsebene des Aufnahmelinsensystems
41 , durch Zuführungs- und Aufwickelspulen 431 und 432, gehalten. Das Bilduiçehrprisma
44 ist auf einem kardanischen Bügel 46 befestigt, der um einen Drehungsmittelpunkt
oder ein Drehzentrum 460 gedreht wird. Das Drehzentrum 460 befindet sich auf der
optischen Achse 42 des Aufnahmelinsensystems 41 und ist so ausgewählt, daß es auf
dem Mittelpunkt des Weges von dem zweiten Hauptpunkt des Aufnahmelinsensystems 4i
zu dem fotographischen Film 43 liegt. Der kardanische Bügel 46 weist einen äusseren
Ring 461 und einen inneren Ring 462 auf. Der äussere Ring 461 wird drehbar durch
ein Paar von ( nicht dargestellten ) Wellen gehalten, die an dem Gehäuse 45 befestigt
sind, während der innere Ring 462 drehbar von Dreh- oder Wendezapfen 463 gehalten
wird, die an dem äusseren Ring 461 angebracht sind. Die Drehzapfen 463 sind mit
Kugellagern 464 versehen, auf denen der innere Ring 462 drehbar befestigt ist.
-
Der innere Ring 462 hat einen inneren zylindrischen Bereich 462 a,
der sich nach vorne erstreckt und einen äusseren zylindrischen Bereich 462 b. Die
inneren und äusseren zylindrischen Bereiche 462 a und 462 b sind integral mit dem
inneren Ring 462 ausgebildet. Der äussere zylindrische Bereich 462 b ist mit einem
ringförmigen Kern 47 versehen, der Spulen oder Wicklungen 47 a aufweist. Die zentrale
Achse des ringförmigen Kerns 47 ist mit der optischen Achse 42 des Aufnahmelinsensystems
41 ausgerichtet. An dem inneren zylindrischen Bereich 462 a ist drehbar ein ringförmiger
Magnet 48 befestigt, der als Trägheitsrotor des kardanischen Bügels 46 dient. Dar
ringförmige
Magnet 48 ist auf einem ringförmigen Lager 49 befestigt,
das wiederum auf dem inneren zylindrischen Bereich 462 a angebracht ist. Der äussere
Kern 47 bildet mit den Spulen 47 a und dem drehbaren,ringförmigen Magnet 48 einen
Elektromotor, wobei der innere Magnet 48 mit sehr hoher Geschwindigkeit um die optische
Achse 42 gedreht wird. Aufgrund der Trägheit des sich drehenden, inneren, ringförmigen
Magneten 48 hält der kardanische Bügel 46 seine Lage auch bei zufälliger Bewegung
des optischen Instrumentes oder etwaigen Vibrationen stabil.
-
Um die Figuren und die Beschreibung der in Fig. 4 gezeigten Ausführungsform
zu vereinfachen, sind verschiedene Teile der Kamera, die keine wesentliche Beziehung
zu dem Erfindungsgedanken der vorliegenden Erfindung haben, in den Figuren und der
Beschreibung weder erläutert noch dargestellt; zu diesen Teilen gehört z.B. der
Verschlußmechanismus, der Blendenmechanismus, der käfigartige Gehäuseaufbau für
den kardanischen Bügel, usw.
-
Selbstverständlich kann die vorliegende Erfindung, die gemäß der obigen
Beschreibung bei einer fotographischen Kamera eingesetzt wird, auch bei anderen
Typen von optischen Instrumenten, wie z.B. Fernsehkameras, gebraucht werden. Bei
einer Fernsehkamera wird der Film 43 durch eine Bildaufnahmeröhre ersetzt.
-
Im folgenden wird unter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 7 die vorliegende
Erfindung anhand einer weiteren, anderen Ausführungsform erläutert, bei der die
Vorrichtung zur
Stabilisierung einer Abbildung bei einem optischen
Instrument verwendet wird, das eine Objektivlinse und ein Okular, wie z.B. ein Fernrohr
oder Teleskop, aufweist.
-
In Fig. 5 ist das optische Grundsystem eines optischen Instrumentes
dargestellt, das eine Objektivlinse 51 und ein Okular 53 aufweist, wobei die Objektivlinse
St und das Okular 53 so angeordnet sind, daß sie eine gemeinsame optische Achse
52 haben. Der Hauptpunkt der Objektivlinse 51 ist bei L angedeutet, während der
Hauptpunkt des Okulars 53 bei N angedeutet ist; der Brennpunkt der Objektivlinse
51 der mit dem Brennpunkt des Okulars 53 zusammenfällt, ist bei N eingezeichnet.
Der Brennpunktsabstand oder die Brennweite der Objektivlinse 51 ist demgemäß der
Abstand LN , während der Brennpunktsabstand bzw. die Brennweite des Okulars 53 der
Abstand NN ist. Bin- optisch.
-
Abbildung eines Objektes, das sich in einem unendlichen Abstand auf
der optischen Achse 52 befindet, ist einmal auf einer Brennpunktsebene , die den
Brennpunkt N enthält, fokussiert und wird durch das Okular 53 von einem Auge 54
betrachtet.
-
Wird das optische Element um ein Drehzentruw O nut der optischen Achse
52 um einen Winkel -9 geneigt oder gekippt, so wird die optische Achse 52 um den
Winkel Q geneigt, wie bei 52 d angedeutet ist; dadurch wird die Objektivlinse 51
nach oben in eine verschobene Position bewegt, die bei 51 d eingezeichnet ist, während
das Okular 53 nach, unten zu einer verschobenen Position bewegt wird, die bei 53
d eingezeichnet ist, wie sich Fig. 5 entnehmen laßte Die tatsächliche
Fokussierungslage
der Abbildung eines Objektes, das sich in unendlicher Entfernung auf der ursprüngstichen
optischen Achse 52 befindet, wird zu einer nach oben verschobenen Position bewegt,
die bei Na eingezeichnet ist. Der Hauptpunkt der verschobenen Objektivlinse 51 d
ist bei Ld angedeutet, während der Hauptpunkt des verschobenen Okulars 53 d bei
Nd eingezeichnet ist der gemeinsame Brennpunkt des geneigten, optischen Instrumentes
ist bei Nd eingezeichnet. Wenn das Drehzentrum Q des optischen Instrumentes zwischen
dor Objektivlinse 51 und dem gemeinsamen Brennpunkt N liegt, so wird der gemeinsame
Brennpunkt N nach unten zu dem verschobenen Brennpunkt Nd bewegt wenn das optische
Instrumentiii Uhrzeigersinn um das Drehzentrum 0 geneigt ist, wie in Fig. 5 dargestellt
ist.
-
Wird das optische Instrument um den Winkel 44 geneigt oder gekippt,
so sind die parallelen Strahlen, die aus dem Okular 53 4 austreten, geneigt, wie
durch das Bezugszeichen 55 angedeutet wird. Deshalb bewegt sich das optische Bild,
das durch das Okular 53 d von dem Auge betrachtet wird, nach oben. Dies wird im
folgenden erklärt. Da der gemeinsame Brennpunkt N des optischen Instrumentes nach
Nd bewegt wird, und da der tatsächliche Fokussierungspunkt nach Na bewegt wird,
wenn das Instrument um den Winkel F- geneigt wird, kann der Abstand NaNC von dem
wirklichen Fokussierungspunkt Na Z¢ aszdem verschobenen Brennpunkt Nd ausgedrückt
werden durch LN . - . N Andererseits kann die Entfernung NaNd durch
MN
. 10 d - 0) ) ausgedrückt werden, wobei 0 d der Neigungswinkel der austretenden
parallelen Strahlen 55 ist, die durch das Auge 54 betrachtet werden, weml das Instrument
um den Winkel 0 geneigt wird, Deshalb kann der Neigungswinkel - d der äustretenden
Lichtstrahlen ausgedrückt werden durch LN . - #MN + - = - ( LN/MN+1); dieser Winkel
ist jedoch um ein Vielfaches größer als der Neigungswinkel 0 des optischen Instrumentes.
Damit bewegt sich also die von dem Auge betrachtete Abbildung, wenn das optische
Instrument wie z.B. ein Ts1.eskop geneigt wird. Wird andererscits das Teleskop Vibrationen
ausgesetzt, so vibricrt das beobachtete Bild ebenfalls.
-
Um zu verhindern, daß das betrachtete optische Bild vibriert, wenn
das optische Instrument Vibrationen ausgesetzt ist, muß der tatsächliche Fokussierungspunkt
Na in eine Position Nb gebracht werden, die einen Abstand von dem ursprünglichen
Brennpunkt N auf der gegenüberliegenden Seite des tatsächlichen Fokussierungspunktes
Na in Bezug auf den Brennpunkt N hat,und zwar ist er um eine Strecke getrennt, die
gleich dem Abstand zwischen dem ursprünglichen Hauptpunkt M des Okulars 53 und seinem
verschobenen Hauptpunkt Md ist. Das liegt daran, weil die den Punkt Nb und den verschobenen
Hauptpunkt Md passierenden Lichtstrahlen parallel zu der ursprünglichen optischen
Achse 52 verlaufen und parallel zu der optischen Achse 52 aus dem Okular 53 d austreten.
-
Ist der Abstand zwischen dem flauptpunkt M des Okulars 53 und dem
Hauptpunkt Md des verschobenen Okulars 53 d gleich dem Abstand zwischen dem Hauptpunkt
L der Objektivlinse
51 und dem Hauptpunkt Ld der verschobenen
Objektivlinse 51 d, so kann der Punkt Nb als ein Punkt bestimmt werden, der einen
Abstand von dem ursprünglichen Brennpunkt N in die Richtung hat, die in Bezug auf
den Brennpunkt N dem tatsächlichen Fokussierungspunkt Na gegenüberliegt, und zwar
um die gleiche Strecke, die der Punkt Na von dem Brennpunkt N getrennt ist. Dies
liegt daran, daß der Abstand zwischen den Hauptpunkten L und Ld der Objektivlinse
gleich dem Abstand zwischen dem Brennpunkt N und dem tatsächlichen Fokussierungspunkt
Na ist.
-
Ist der Abstand des Punktes Nb von dem urspriingliche Brennpunkt N
gleich dem Abstand des tatsächlichen Fokussierungspunktes Na von dem ursprünglichen
Brennpunkt N , so kann der tatsächliche FokussierungspuSst Na leicht mittels eines
Umkehrprismas zu dem Punkt Nb gebracht werden. Durch Einfügen eines Umkehrprismas
zwischen die Objektivlinse 51 und das Okular 53 kann der tatsächliche Fokussierungspunkt
Na zu dem Punkt Nb gebracht werden, der von desn Brennpunkt N den gleichen Abstand
hat wie der Punkt Na Um zu erreichen, daß der Abstand zwischen dem Hauptpunkt M
des Okulars 53 und dem Hauptpunkt DId des verschobenen Okulars 53d gleich den2 Abstand
zwischen dem !uptpunkt L der Objektivlinse 51 und dem Hauptpunkt Ld der serschobenen
ObJektiolinJe 51d ist,muß das Drehzeiitrum O des optischen Elementes an dem Mittelpunkt
des Weges von dem Hauptpunkt L der Objektivlinse 51 zu dem Hauptpunkt M des Okulars
53 liegen.
-
Die oben zusammengestellten Anforderungen sollen im folgenden in Detail
unter Bezugnahme auf Fig. 6 erläutert werden, die den Grundaufbau eines optischen
Systems nacXl
einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung
darstellt, die bei einem Teleskop verwendet wird. Frischen einer Objektivlinse 61
und einem Okular 63 ist ein Bildumkehrprisma 64 vorgesehen. Das Bilduicehrprisma
64 ist von dem Typ, bei dem die optische Achse des einfallenden Lichtes und die
optische Achse des austretenden Lichtes auf einer gemeinsamen geraden Linie liegen,
die mit der optischen Achse 62 der Objektivlinse 61 und des Okulars 63 ausgerichtet
ist. Ein parallel zu der optischen Achse 62 der Objektivlinse 61 einfallender und
auf die Objektivlinse 61 auftreffender Lichtstrahl tritt aus dem Okular 63 parallel
zu der optischen Achse 62 des Okulars 63 aus und dringt in das Auge 68. Ist nun
das optische Instrument um einen Winkel 8 geneigt, und ist die optische Achse 62
um ein Drehzentrum R auf der optischen Achse 62 in die geneigte optische Achse 62d
geneigt, wobei das Drehzentrum R das Drehzentrum eines galvanischen Bügels ist,
auf dem das Bildumlcehrprisma 64 befestigt ist, so wird die Objektivlinse 6t zu
einer verschobenen Position 61d bewegt, das Okular 63 wird zu einer verschobenen
Position 63d bewegt, der Hauptpunkt P der Objektivlinse 6i wird zu der verschobenen
Position Pd und der Hauptpunkt Q des Okulars 63 zu der verschobenen Position Qd
bewegt. Das auf dem kardanischen Bügel befestigte Bildumkehrprisma 64 wird jedoch
nicht bewegt und bleibt aufgrund der Wirlcung, die in Kombination von dem kardanischen
Bügel und dem Rotor ausgeübt wird, in seiner Position.
-
Wird deshalb das optische Instrument geneigt, so verlaufen die auf
den Hauptpunkt Pd der verschobenen Objektivlinse 61d parallel zu der optischen Achse
62
einfallenden Lichtstrahlen parallel zu der optischen Achse 62
weiter, nachdem sie die Objektivlinse 6i passiert haben, und dringen in das Bildumkehrprisma
64 durch die Eintrittsfläche 64a an einem Eintrittspunkt 5 ein, der einen Abstand
von der optischen Achse 62 hat, der gleich dem Abstand zwischen dem Hauptpunkt P
und dem verschobenen EXauptpunkt Pd ist. Die Lichtstrahlen, die in das Bildumkehrprisma
64 eindringen, treten aus ihrer Austrittsfläche 64d an einem Punkt T aus, der von
der optischen Achse 62 einen Abstand hat, der genauso groß ist wie der Abstand'
zwischen dem Eintrittspunkt S und der optischen Achse 62. Dann verlaufen die aus
dem Bildumkehrprisma an dem Punkt $ austretenden Lichtstrahlen 67 weiter parallel
zu der optischen Achse 62.
-
Befindet sich der verschobene Hauptpurtict Qd des Okulars 63 in der
Position1 um die von dem Austrittspunkt T parallel zu der optischen Achse 62 kouluenden
Lichtstrahlen 67 zu empfangen, so snd die aus dem Okular austretenden Lichtstrahlen
ebenfalls parallel zu der optischen Achse 62, wie sich Fig. 6 entnehmen läßt. Damit
sich der Hauptpunkt Qd des verschobenen Okulars 63 in einer solchen Position befindet,
muß der Betrag der Verschiebung PPd des Hauptpunktes P der Objektivlinse 61 gleich
dem Betrag der Verschiebung QQd des llauptpunktes Q des Okulars 63 sein. Damit der
Abstand PPd gleich dem Abstand QQd ist, muß das Drehzentrum R des optischen Instrumentes
an dem Mittelpunkt des Weges von dem Hauptpunkt P der Objektivlinse 61 zu dem Hauptpunkt
Q des Okulars 63 liegen.
-
Von oben gesehen, können die Vibrationen des durch das Okular 63 betrachteten
Bildes verhindert werden, indem.
-
ein Bildumkehrprisma 64 vorgesehen wird, das auf einem kardanischen
Bügel zwischen der Objektivlinse' 61 und dem Okular 63 angebracht ist; weiterhin
sollte sich das Drehzentrum R des kardanischen Bügels an dem Mit telpunkt des Weges
von dem Hauptpunkt P der ObJelctivlinse 61 zu dem Hauptpunkt Q des Okulars 63 befinden.
-
Für den Fall, daß die Objektivlinse 61 und das Okular 63 von mehrere
Linsen enthaltenden Linsensystemen gebildet werden, wird das Drehzentrum R des kardanischen
Bügels genau definiert als der Mittelpunkt des Weges, der die Summe des optischen
Weges von dem zweiten Hauptpunkt der Objektivlinse 6i zu der Eintrittsfläche 64
a des Bildumkeiirprisrnas 64, des geometrischen Abstandes von der Eintrittsfläche
64 a zu der Austrittsfläche 64 b des Bildumkehrprismas 64 und des optischen Weges
von der Austrittsfläche 64 b des Bilduinkehrprismas 64 zu dem ersten Hauptpunkt
des Okulars 63 ist.
-
Im folgenden soll eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
die bei einem Teleskop verwendet wird, im Detail unter Bezugnahme auf Fig. 7 erläutert
werden.
-
Ein Objektivlinsensystem 71, ein Uicehrprisma 74 wie z.B. ein Pechan-Prisma.und
ein Okular 73 sind längs der optischen Achse 72 des Objektivlinsensystems 71 angeordnet.
Das Objektivlinsensystem 71 ist an einem Objektivralimen 75 a befestigt, während
das Bildumkehrprisma 74 in einem Gehäuse 75 eingeschlossen ist, wobei an einem Ende
des Gehäuses 75 der Objektivrahmen 75a angeordnet ist; das Okular 73 ist an dem
anderen Ende des Gehäuses 75 angebracht. Das Bildumkehrprisina 74 ist auf einem
kardanischen Rahmen oder Bügel 76 befestigt, der um ein Drehzentrum 760 gedreht
wird.
-
Das Drehzentrum 760 liegt auf der optischen Achse 72 des Ob3ektivlinsensystems
71 und ist so ausgewählt,
daß es sich auf.dem Mittelpunkt des steges
von dem zweiten Hauptpunkt des Objektivlinsensyste,ms 71 zu dem ersten Hauptpunkt
des Okulars 73 befindet.
-
Der kardanische Bügel 76 weist einen äusseren Ring 761 und einen inneren
Ring 762 auf. Der äussere Ring 761 des Bügels wird drehbar durch ein Paar von (
nicht dargestellten ) Wellen gehalten, die an dem Gehäuse 75 befestigt sind, während
der innere Ring 762 drehbar von Zapfen 763 gehalten wird, die an dem äusseren Ring
761 angebracht sind. Die Drehzapfen 763 sind mit Kugellagern 764 versehen, um die
der innere Ring 762 drehbar angebracht ist.
-
Der innere Ring 762 hat einen sich nach vorne erstreckenden , inneren1
zylindrischen Bereich 762 a und einell äusseren zylindrischen Bereich 762 b.
-
Die inneren und äusseren zylindrischen Bereiche 762 a und 762 b sind
integral mit dem inneren Ring 762 ausgebildet. Der äussere zylindrische Bereich
762 b ist mit einem ringförmigen Kern 77 versehen1 der Spulen oder Wicklungen 77
a aufweist. Die mittle--re Achse des ringförmigen Kerns 77 ist mit der optischen
Achse 72 des Objektivlinsensystems 71 ausgerichtet. An dem anderen zylindrischen
Bereich 762 a ist drehbar ein ringförmiger Magnet 78 befestigt, der als Trägheitsrotor
für die kardanischen Bügel 76 dient. Der ringförmige Magnet 78 ist an einem ringförmigen
Lager 79 angebracht, das wiederum an dem inneren, zylindrischen Bereich 762 a befestigt
ist.
-
Der ringförmige Kern 77 bildet mit den Spulen 77 a und dem inneren,
drehbaren, ringförmigen Magneten 78 einen Elektromotor, wobei der innere Magnet
78 mit sehr hoher Geschwindigkeit um die optische Achse 72 gedreht lfirds Aufgrund
der Trägheit des sich
drehenden inneren, ringförmigen Magneten
78 hält der kardanische Bügel 76 seine Position auch gegen eine zufällige Bewegung
des optischen Instrumentes oder bei etwaigen V.ibrationen stabil.
-
Selbstverständlich kann die vorliegende, gemäß der obigen Beschreibung
bei einem Teleskop eingebaute Erfindung auch bei zahlreichen anderen Typen von optischen
Instrumenten, wie z.B. einem Lasersender, verwendet werden.
-
Damit wird also eine optische, durch ein optisches Instrument, lçie
z.B. eine fotografische Kamera oder ein Teleskop gelieferte Abbildung gegen Vibrationen
oder zufällige Bewegungen des Instrumentes stabilisiert, indem ein auf einem kardanischen
Bügel befestigtes Bildumkehrprisma verwendet wird. Das auf dem kardanischen.
-
Bügel angebrachte Bildumkehrprisma ist in dem optischen: System des
Instrumentes vorgesehen, wobei das Drehzentrum des kardanischen Bügels so ausgewählt
ist, dass es sich in dem Mittelpunkt des Weges von der Objektivlinse zu der Brennpunktebene
oder dem Okular befindet.
-
- Patentansprüche