DE2631724A1

DE2631724A1 - Optik fuer periskopeinrichtungen mit veraenderlicher vergroesserung

Info

Publication number: DE2631724A1
Application number: DE19762631724
Authority: DE
Inventors: William H Taylor
Original assignee: Kollmorgen Corp
Current assignee: Kollmorgen Corp
Priority date: 1975-07-16
Filing date: 1976-07-12
Publication date: 1977-03-10
Also published as: GB1530388A; FR2318434A1; DE2631724B2; DE2631724C3; FR2318434B1; US4017148A

Description

Pfenning · Maas ■ Seiler
Meinig · Lemke · Spott

Patentanwälte Büro 3arlin.

!Berlin 19. Oldenburgallee IQ

KOLLMORGEN CORPORATION

60 Washington Street, Hartford, Connecticut

U.S.A.

Optik für Periskopeinrichtungen mit veränderlicher Vergrößerung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Periskopsystem und insbesondere ein neuartiges optisches System im Kopf des Periskops.!

i Der Periskopkopf enthält ein optisches System, das eine gemein- ' same optische Achse aufweist und aus zwei selbständigen Teleskoplinsensystemen besteht, die jeweils umkehrbar, d.h. um 180 drehbar, angeordnet sind, und deren optische Achse in jeder der beiden Stellungen mit der gemeinsamen optischen Achse des Periskopkopfes zusammenfällt, und daß jeweils durch Kombination der Stellungen der Teleskoplinsengruppen sich ergebende Gesamtvergrößerungen des Periskopsystems in einfacher Weise durch Drehen der Teleskoplinsengruppen auf vorbestimmte Werte eingestellt werden können.

Periskope, wie sie z.Zt. besonders in U-Booten verwendet werden, sind derart beschaffen, daß sie sowohl die biokulare direkte Betrachtung gestatten, als auch zur Projektion auf den Fernsehschirm, zur Photographie und zur Radarüberwachung geeignet sind.

Üblicherweise werden, die Periskope in Such- und Agriffsperiskope eingeteilt: erstere dienen zum Ausmachen des Zieles und zur Navigation, letztere kommen während des Angriffs zum Einsatz.

Die derzeit verwendeten Periskope gestatten in der Regel Vergrößerungen zwischen 1,5 und 6-fach. Dank kürzlich entwickelter besonderer Ausrüstungen sind auch Vergrößerungen bis zum 12-fachen möglich, die sowohl für die Such- wie für die Angriffsphase benutzt werden können.

Der Nachteil der zur Zeit verwendeten Periskope besteht darin, daß jede Vergrößerungsänderung nur vermittels einer elektrischenj

Hilfseinrichtung erfolgen kann, und daß dieser Vorgang verhält- \

nismäßig viel Zeit beansprucht. Mit Hilfe eines Torque-Motors j

werden die Linsensysteme in eine andere Position gebracht und ,

i hierdurch eine Veränderung der Vergrößerung erzielt. !

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System mit eine:: gemeinsamen optischen Achse und einer ersten und einer zweiten teleskopischen Linsengruppe, die jeweils umkehrbar, d.h. um

180 drehbar angeordnet sind, und deren optische Achse in jeder : Stellung mit der gemeinsamen optischen Achse des Periskopsystems zusammenfällt; und einer Objektivlinsengruppe, deren optische Achse ebenfalls mit der gemeinsamen optischen Achse des Periskopf-

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systems zusammenfällt und die derart angeordnet ist, daß sie die von der ersten und zweiten teleskopischen Linsengruppe herrührende optische Information empfängt.

In einer bevorzugten Ausgestaltungsform der vorliegenden Erfindung werden für die erste und die zweite Linsengruppe jeweils solche vom Galilei-Typ verwendet, und als Objektivlinsengruppe wird ein System nach Petzval verwendet, wobei sich je nach Stellung der ersten und zweiten Linsengruppe des Galilei- . Typs drei verschiedene Vergrößerungen des Gesamtsystems ergeben, die schnell und sicher einstellbar sind. Das Zusammenwirken aller erfindungsgemäßen Bauelemente bewirkt eine.Bildqualität, wie sie bisher nicht erzielbar war.

Der Zusammenbau sowie die Justierung der einzelnen Linsensysteme erfolgt vor dem Einbau auf einer optischen Bank, was die schwierige Justierung nach erfolgter Montage entfallen läßt. Außerdem wird durch die erfindungsgemäße Konstruktion eine beträchtliche Verringerung der Größe und Schwere der Linsensysteme und damit

ί eine wesentliche Verringerung des Trägheitsmomentes des Gesamt- j

systems erzielt, was wiederum bei Aufwendung gleicher Kräfte j die Einstellungszeit der gewünschten Vergrößerung wesentlich ver ringert, und zwar wird diese gegenüber dem bisher üblichen Zeitaufwand auf 1/3Ostel bis 1/4Ostel desselben reduziert.

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Das mechanische Antriebssystem benutzt einen Genua-Antriebsmechanismus, durch welchen sichergestellt ist, daß keinerlei mechanische Kräfte auf das optische System einwirken können und -somit kein Einfluß auf die Justierung ausgeübt wird. Gleich-

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zeitig wird durch dieses Antriebssystem eine sinuskurvenartige Bewegung bewirkt, die ein zu heftiges Anschlagen beim Anhalten der Drehbewegung vermeidet.

Die Erfindung wird in der nun folgenden Beschreibung, die ebenfalls eine Beschreibung der nachfolgenden Zeichnungen beinhaltet, in weiteren Einzelheiten klargelegt.

Fig. 1 zeigt in vereinfachter Darstellung den optischen Aufbau des Periskopsystems.

Fig. 2 zeigt das gleiche System wie Fig. 1 in Frontalansicht sowie den Antriebsmechanismus.

Fig. 3 zeigt eine vereinfachte Frontalansicht des Periskopkopfes unter Andeutung der Anordnung der Linsensysteme. Die Fig. 4 A - C zeigen in graphischer Darstellung die ungewöhnlich gute Bildqualität des erfindungsgemäßen optischen Systems. Fig. 5 zeigt die ungewöhnlich gute Übereinstimmung der Bildqualität für alle Vergrößerungsstufen.

Die erfindungsgemäße Periskopoptik ist sowohl für Such- als auch j für Angriffsperiskope zu verwenden. Am übersichtlichsten ist die ι

ί Optik in Fig. 1 dargestellt. Fig. 3 zeigt die Anordnung der ein- !

zelnen Linsensysteme im Periskopgehäuse. j

Das neue optische Dreistufensystem besteht aus drei modulier- <

ι baren optischen Systemen, einer Objektivlinse nach Petzval 35 ;'

und den Linsenelementen 36 - 39; einem 1,4-fachen drehbaren j Teleskoplinsensystem nach Galilei 40, bestehend aus den Elementeiji 41 - 44; und einem 2-fachen drehbaren Teleskoplinsensystem nach Galilei 45, bestehend aus den Llnsenelementen 46 - 51. Am oberen

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Ende des optischen Systems befindet sich ein Prisma 52, das die einfallenden Lichtstrahlen in die horizontale Sichtlinie (HLOS) des annähernd vertikal hierzu ausgerichteten optischen Systems umlenkt.

Die gepunkteten Linien 40a und 45a deuten die äußeren Begrenzungen der Teleskope 40 und 45 an, die diese bei Einstellung der Vergrößerung einnehmen. Jedes der beiden Teleskope stellt ein in sich geschlossenes Linsensystem dar und beide sind in beiden Richtungen drehbar.

Das Petzval-Objektiv 35 bewirkt eine Verlängerung der effektiven Brennweite, so daß die erfindungsgemäßen optischen Systeme ohne weiteres in die bestehenden Kopfgehäuse eingebaut werden können, und zwar unterhalb des Entfernungsmesser-Gehäuses 58 in Fig. 1, so daß an diesem nichts geändert zu werden braucht.

Ein weiterer Vorteil durch die Verwendung des Petzval-Objektivs besteht darin, daß durch dieses die Verwendung einer Sammellinse in unmittelbarer Nähe des Entfernungsmessers überflüssig wird; damit wird eine Staub- und Schmutzquelle auf der Entfernungsmesser-Oberfläche ausgeschaltet und es besteht die Möglichkeit, ein Gitter statt einer geätzten Glasplatte zu verwenden.

Die gesamte Optik nach der vorliegenden Erfindung sowie der Entfernungsmesser können separat vorgefertigt und bereits justiert eingebaut werden, was die schwierige und umständliche Montagejustierung erübrigt. Obgleich das Linsensystem 35 in sich selbst voll korrigiert ist, ist der Gesamtaufbau der Optik so gestaltet, daß es niemals allein verwendet wird. Die beiden TeIe-

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skope liegen zwischen dem Objektiv und dem Prisma 52. Dies gestattet eine gute Korrektur der Feldabweichungen in allen drei Vergrößerungsstufen.

Die Grundposition der Linsensysteme, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist_f bewirkt eine 6-fache Vergrößerung oder 429 mm effektive Brennweite. In diesem Fall wird das 2-fache Teleskopsystem 45 in der Vergrößerungsposition verwendet, während das 1,4-fache Teleskopsystem 40 in der umgekehrten Weise verwendet wird. Tauscht man die Funktionen der beiden Teleskopsysteme aus, so erzielt man eine Reduktion der Vergrößerung auf das 1 - 1/2-fache* und hat dabei eine effektive Brennweite von 107 mm. Für den Fall j daß eine stärkere Vergrößerung erwünscht ist, wird das System 40 entgegengesetzt wie in der Grundstellung ausgerichtet und dadurch die Vergrößerung um den Faktor 2 erhöht, was einer 12-fachen Vergrößerung und einer effektiven Brennweite von 858 mm entspricht. Diese Vergrößerung wird insbesondere für photographische Aufnahmen verwendet.

Jede der drei im Vorangehenden beschriebenen Vergrößerungsstufen sind so gut durchkonstruiert, daß sie alle ein scharfes Sucherbild ergeben. In der Grundstellung mit 6-facher Vergrößerung ent-· spricht dieses Bild einem Gesichtswinkel von 8°, bei 1 - 1/2-facher Vergrößerung beträgt dieser 32° und bei 12-facher Vergrößerung 4°. Die maximale Bildwiedergabe ist auf 60% beschränkt und entspricht damit der in den zur Zeit benutzten Systemen. Für alle .Vergrößerungen wird die Austrittsöffnung der Galilei-Systeme gleich gehalten und auf die Eingangsöffnung der folgenden Linsen ausgerichtet. Da das optische System zwischen dem Entfernungs-

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messer und dem Auge für alle Vergrößerungen das gleiche ist, bleibt auch der Betrachtungswinkel des Fadennetzes konstant.

Die Fähigkeiten der Optik des erfindungsgemäßen optischen Systems; wurden mit Hilfe eines Computers durch Vergleich mit den Daten der in Gebrauch befindlichen Periskopoptiken ermittelt. Die wichtigsten Bewertungen, die für die Bildqualität ausschlaggebend sind, sind in Fig. 4 A - C dargestellt. Sie geben die Daten für die Bildwiedergabe durch das optische System. Die Daten, die mit Hilfe des optischen Systems vom Objekt als Bild wiedergegeben werden, können nach Amplitude und Frequenz erfaßt werden. Je mehr die Amplitude durch die Optik verringert wird, desto geringer wird der Kontrast im Bild.

Die Fig. 4A zeigt die ideale Übertragungsfunktion für jede Optik Für diesen Idealfall weist die Amplituden-Modulation den Faktor ' auf, was bedeutet, daß die Übertragung für jede Frequenz gleich gut ist, und somit die Reproduktion ein exaktes Abbild des Bildes^ darstellt. Durch die Brechungseffekte, die in jeder Optik auf-

treten müssen, ist dies ein in der Praxis nicht erreichbarer Wertj Die bestmögliche, in der praktischen Anwendung eines optischen j Systems erzielbare Wiedergabe wird durch die Kurve 2 dargestellt j Weitere in derartigen Optiken auftretende Brechungseffekte be- j wirken eine Wiedergabefunktion, wie sie in den Kurven 3 und 4 dargestellt ist. Die Leistungsfähigkeit der erfindungsgemäßen Optik kann nur im Vergleich mit den zur Zeit für diese Zwecke benutzten Optiken, deren Werte in den Kurven 5 und 6 wiedergegeben sind, festgestellt werden. Die Kurven 5 und 6 gelten für die geringsten Vergrößerungen; das Verhalten bei stärkeren Ver-

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größerungen wird in den Fig. 4B und 4C dargestellt. Wie sich aus den Fig. 4A-C ergibt, besteht keine Abhängigkeit der Bildqualität vom Ausmaß der Vergrößerung. Zur weiteren Darstellung der Bildqualität dient Fig. 5, in der alle in den Fig. 4 A - C dargestellten Kurven innerhalb des schraffierten Bereiches liegen.

Weitere Untersuchungen haben bestätigt, daß die Übertragungscharakteristiken mit vergleichbaren optischen Systemen im allgemeinen gleichwertig sind. Ganz allgemein kann gesagt werden, daß die optische Übertragungsqualität des erfindungsgemäßen Systems dem vergleichbarer optischer Systeme entspricht. Die photographische Abbildung ist beim erfindungsgemäßen System im allgemeinen besser und zeigt eine völlige Übereinstimmung für alle Vergrößerungsstufen. Für die Übertragung der Lichtstärke, d.h. für die Bildbetrachtung, kann ebenfalls gesagt werden, daß sie vergleichbaren optischen Systemen entspricht. Der Vorteil des erfindungsgemäßen Systems liegt in der wesentlich einfacheren, schnelleren und sichereren Handhabung und, wie oben gezeigt, es werden hierbei keine Einbußen der optischen Qualität in Kauf genommen .

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Optik ist, daß diese nur.1/2 bis 1/8 mal so groß ist wie die bisher in Periskopen verwendeten Optiken, und daß dadurch das Trägheitsmoment um das ■30 bis 40-fache verringert wird. So wird bei Anwendung gleicher Kräfte wie bisher die Einstellungszeit der verschiedenen Vergrößerungen auf 1/30stel bis 1/40stel reduziert. Die Einstellgeschwindigkeit ist bei jeder Vergrößerungsänderung die gleiche, denn die Konstruktion des erfindungsgemäßen Systems ist derart,

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daß bei jeder Vergroßerungsanderung nie mehr als die Drehung eines Linsensystems erforderlich ist. So wird die Vergroßerungsanderung immer in der gleichen Zeit, durch die gleiche Art der Bewegung und mit dem gleichen Kraftaufwand bewirkt, und zwar durch einen rein mechanischen Vorgang, der die Einschaltung irgendwelcher elektrischen Vorgänge überflüssig macht. Bei den bisher üblichen Periskopsystemen war für die Vergroßerungsanderung die Einschaltung eines elektrischen Steuerorganes erforderlich. Dieses Steuerorgan war auf dem Okulargehäuse montiert, was einen weiteren Nachteil darstellte.

Die neuartige Optik vermeidet außerdem viele der lästigen mechanischen Probleme, unter denen die bisherigen Periskopoptiken zu leiden hatten; zusätzlich waren für diese ständig Ersatzteile erforderlich, wie z.B. das Auswechseln der Antriebsbänder vom Antriebsmotor zur Optik zur Veränderung der Vergrößerung. Die optische Achse in der vorliegenden Erfindung ist so angeordnet, daß Temperaturschwankungen ohne Einfluß auf das optische System J bleiben. Die den Vergrößerungen entsprechenden Einstellpositionen werden durch Stopper festgelegt. Diese werden einmalig beim Zusammenbau des Systems justiert und dann durch Federkraft in ihrefr Position gehalten. Die Änderung der Vergrößerung stellt im erfindungsgemäßen System einen einzigen Handgriff für einen Mann dar.

Bei den bisher üblichen Konstruktionen war hierfür ein komplizierter Vorgang erforderlich. Insbesondere die Einstellung der 12-fachen Vergrößerung·und die Rückkehr zur 6-fachen Vergrößerung bedeutete einen wesentlichen Nachteil gegenüber dem erfindungs-

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gemäßen System, bei dem diese Einstellungen ebenso einfach .durchzuführen sind wie jede andere Vergrößerungsänderung. In den konventionellen Systemen müssen die 2-fachen Vergrößerungsteleskope in die optische Bahn ein- und ausgeschwenkt werden, was einen Engpaß innerhalb des Periskopgehäuses bewirkt und die Durchführung von Wellenführung und elektrischen Leitern erschwert. Ein derartiger Engpaß besteht bei den erfindungsgemäßen Systemen nicht.

Zusätzlich zu den Vorteilen eines wesentlich verringerten Kostenaufwandes, einer wesentlich erleichterten und beschleunigten Handhabung bei der Einstellung der verschiedenen Vergrößerungen im erfindungsgemäßen System kommt noch der Vorteil, daß durch die Verwendung des Petzval-Objektivs die Notwendigkeit einer speziellen Visieroptik entfällt. Diese Visieroptik ist bei den bisher üblichen Periskopen am Entfernungsmesser angebracht und ist, wie kürzlich festgestellt wurde, eine der Hauptursachen für die in den herkömmlichen optischen Systemen auftretenden Rückspiegelungsprobleme, die große Schwierigkeiten bereiten. Dieser sehr unerwünschte Effekt wird bei der erfindungsgemäßen Optik ganz wesentlich verringert; hierbei ist es gleichgültig, welche Art von Entfernungsmesser verwendet wird.

Obgleich die vorliegende Erfindung hier für eine besondere Anwendung, nämlich für ein Vergroßerungssystem mit besonders kurzea: Einstellungszeit beschrieben wurde, soll doch abschließend noch betont werden, daß die erfindungsgemäße Optik ganz allgemein in einem großen Anwendungsbereich möglich ist, was für den Fachmann ohne Schwierigkeiten offenbar sein wird.

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Claims

- 11 PATENTANSPRÜCHE;-

¹ 1J Optik für Periskopeinrichtungen mit veränderlicher Vergrößerung, dadurch gekennzeichnet, daß das optische System der Periskopeinrichtung eine gemeinsame optische Achse besitzt; und eine erste sowie eine zweite Teleskoplinsengruppe, die jeweils umkehrbar, d.h. um 180 drehbar angeordnet ist und deren optische Achse in jeder der beiden Stellungen mit der gemeinsamen optischen Achse des Periskopsystems zusammenfällt; und eine Objektivlinsengruppe, deren optische Achse gleichfalls mit der gemeinsamen optischen Achse des Periskopsystems zusammenfällt und die derart angeordnet ist, daß sie die von der ersten und der zweiten Teleskoplinsengruppe herrührende optische Information empfängt; und daß die sich jeweils durch die Kombination der Stellungen der Teleskoplinsengruppen ergebenden Gesamtvergrößerungen des Periskopsystems in einfacher Weise und durch Drehen der Teleskoplinsengruppen auf vorbestimmt^ Werte eingestellt werden.
2. Periskopsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste und die zweite Teleskoplinsengruppe vom Typ "Galilei" sind, und daß als Objektivlinsengruppe eine solche von Petzval benutzt wird, wobei sich je nach Stellung der ersten und zweiten Linsengruppen des Galilei-Typs drei verschiedene Vergrößerungen des Gesamtsystems ergeben.

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3. Periskopsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der beiden Teleskoplinsensysteme zur Herstellung eines der Vergrößerungsmaßstäbe umgekehrt wird, so daß diese Linsengruppe verkleinernd wirkt.
4. Periskopsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der übergang von einer 1,5-fachen zu einer 6-fachen Vergrößerung bzw. von einer 6-fachen zu einer 12-fachen und umgekehr jeweils durch Umkehr einer einzigen Teleskoplinsengruppe bewirkt wird.

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