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Visiereinrichtung Die Erfindung betrifft eine Visiereinrichtung mit
zwei auf einem Grundkörper in der Visierlinie mit Abstand voneinander angeordneten
Visierelementen, von welchen das dem Ziel zugewandte zweite Visierelement eine optisch
wahrnehmbare Markierung ist.
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Das klassische Problem bei Visiereinrichtungen, sei es an geodätischen
und mathematischen Instrumenten, wie beispielsweise bei einem Winkelmesser oder
einem Kompaß, sei es an Waffen, wie beispielsweise Geschfitzen oder Gewehren, besteht
darin, die mechanische Achse des mittels der Visiereinrichtung auszurichtenden Körpers,
beispielsweise die Null-Linie oder die Laufbohrung, übereinstimmend mit der Sichtlinie
auszurichten, welche zwischen einem gegebenen Punkt und dem anzuvisierenden Ziel
besteht Zum besseren Verständnis der Erfindung wird vorab das bestehende Problem
anhand der Figuren 1 und 2 erläutert, welche schematisch herkömmliche Visiereinrichtunge
zeigen.
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Geht man davon aus, daß auf einem mechanischen Träger für das Instrument
oder die Waffe zwei physikalische Punkte A und B gegeben sind, welche die ideelle
Linie ab definieren, so schneidet diese ideelle Linie das Ziel oder die anzuvisierende
Marke im Punkt 0.
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Der Punkt A befindet sich in der Nähe des Auges des Beobachters und
kann durch eine Kerbe, einen Schlitz oder eine Blende gebildet werden. Der Punkt
B kann durch eine Kugel, ein Fadenkreuz, einen Leuchtpunkt oder einen Hohlzylinder
gegeben sein.
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Für den Beobachter durchschneidet die ideelle Linie ab den Punkt 0
nur dann richtig, wenn sich das Auge genau in der Verlängerung der Linie ab dem
Ziel gegenüber befindet.
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Der erste Nachteil dieser schematischen Anordnung besteht darin, daß
die optische Achse des Auges des Beobachters genau gegenüber der Linie ab ausgerichtet
werden muß.
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Der korrekte Schnittpunkt der ideellen Linie bei 0 kann nur dann beobachtet
werden, wenn eine starre Verbindung zwischen dem Auge des Beobachters und der durch
die Visiereinrichtung auszurichtenden Einrichtung gegeben ist.
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Ein zweiter Nachteil ist durch die Unmöglichkeit des als Linse betrachteten
Auges gegeben, sich gleichzeitig scharf auf die Ebenen A, B und 0 einzustellen.
Außerdem kann das Auge sich nicht auf Entfernungen einstellen, welche geringer sind
als 25 cm.
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Verwendet man ein Loch bzw. eine Blende (Fig. 2), so wird der in das
Auge eindringende Lichtstrahl stark begrenzt Auf diese Weise nimmt der Scharfeinstellbereich
zu, wenn die optische Pupille verringert wird. Mit einem derartigen Dioptervisier
ist es möglich, das Auge mit
geringerer Anstrengung und besserer
Wirkung auf die Ebenen B und 0 einzustellen.
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Der Nachteil eines Dioptervisiers ist darin zu sehen, daß sich das
Auge plötzlich in seiner Akkommodation zwischen wenigen Zentimetern und Unendlich
umstellen muß, was zu starker Beanspruchung und Ermüdung führt.
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Außerdem wird der Lichteinfall im Quadrat der Pupillenbegrenzung verringert.
Für eine Bohrung mit einem Durchmesser von 1,5 mm wird gegenüber der normalen Pupille
des Auges, welche mit einem Durchmesser von 4,5 mm angenommen wird, der Lichteinfall
auf 1/7 der ursprtinglichen Intensität und Kontrastwirkung beschränkt.
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Schließlich besteht bei der Verwendung eines Dioptervisiers die Möglichkeit
für einen Parallaxenfehler bei der Beobachtung der Zielmarke. Dies hängt von der
Winkelparallaxe d/D (Fig. 2) ab, wobei mit d der Bohrungsdurchmesser der Blende
und mit D der Abstand zwischen den Visierpunkten A und B bezeichnet wird.
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Falls dabei D = 125 mm und d = 1,5 mm angenommen wird, beträgt der
Fehler bzw. die Abweichung projiziert f das Ziel bei einer angenommenen Ziel entfernung
von 25 m etwa 300 mm.
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Die übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, die Entfernung
D größer zu wählen und besondere Vorkehrungen für die Zentrierung des Auges zu treffen.
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Weitere Vorschläge zur Überwindung dieser Probleme beruhen auf Abwandlungen
in der Form des Punktes B
um dadurch die Zentrierung seiner Silhouette
innerhalb des Schattenfeldes der Blende A zu erleichtern. Eine möglichst starre
Verbindung zwischen Visiereinrichtung und Beobachter kann auch dadurch nicht vermieden
werden.
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Das Pupillenfeld bleibt klein und die Entfernung A-B bleibt groß.
Das Gesichtsfeld ist außerdem durch die Blende eingeschränkt.
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Derzeit besteht die beste Lösung dieser Schwierigkeiten in der Anwendung
von Zielfernrohren, also kleinen Fernrohren mit geringem Vergrößerungsverhältnis
und aus positiven Linsen zusammengesetzten Objektiven und Okularen. In der Brennebene
des Okulars befindet sich ein Fadenkreuz. Der Beobachter fokussiert die Zielmarke
auf die Ebene des Fadenkreuzes und erzeugt so ein einheitliches Bild von Ziel und
Fadenkreuz. Mit einer entsprechenden Gestaltung der Linsen kann man eine hohe Intensität
der Abbildung, eine nicht parallaktische Darstellung des Ziels und eine leichte
Akkommodation des Auges, im allgemeinen auf Unendlich,erreichen.
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Obwohl Zielfernrohre technisch nahezu perfekt sind, stellen sie komplizierte
Geräte dar, welche verhältnismäßig viel Platz in Anspruch nehmen und hohe Herstellungskosten
verursachen, so daß ihre Anwendung bei einfachen Geräten, wie z.B. Kompassen, Niviliergeräten,
geologischen Winkelmessern, einfachen Waffen, Hilfsgeräten für mathematische Ausrüstungen
usw. kaum in Frage kommt. Ihre Zerbrechlichkeit hat außerdem begrenzende Wirkung
für bestimmte Anwendungsgebiete.
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Es stellt sich somit die Aufgabe nach einer Visiereinrichtung, welche
relativ unempfindlich ist gegen Abweichungen des Auges aus der exakten Visierlinie,
welche somit auch besondere Maßnahmen entbehrlich macht, durch welche das Auge gegenüber
der auszurichtenden Einrichtung fixiert werden soll, welche kostengünstig und unempfindlich
und außerdem platzsparend ist und welche Überanstrengungen des Auges und damit eine
vorzeitige Ermüdung vermeidet.
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Die Lösung besteht darin, daß das augenseitige erste Visierelement
ein als Brechungslinse wirkendes Fresnelsches Beugungsgitter ist, von dessen Brennpunkten
einer im Unendlichen liegt, und daß das zweite Visierelement in einem der endlichen
Brennpunkte des Beugungsgitters angeordnet ist.
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Diese Visiereinrichtung bietet den Vorteil der Parallaxen freiheit.
Das Bild des zweiten Visierelements, beispielsweise eines Fadenkreuzes, wird als
virtuelles Bild auf die Zielebene abgebildet, weshalb die Deckung von Fadenkreuz
und Ziel von der Position des Beobachters unabhängig ist. Die Gesetzmäßigkeit des
anastigmatischen Verhaltens der Brechungslinse gestattet kleinere Positionsabweichungen
des Beobachters.
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Die erfindungsgemäße Visiereinrichtung erleichtert die Akkommodation
Das Auge stellt sich in seiner Brennweite auf die Zielebene ein Ein weiterer Vorteil
der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung ist die Helligkeit. Die Pupille des Beobachters
wird mit maximaler Einstellung in fleziig, ;ti.if IlcLliffkeit
und
Auflösungsvermögen benutzt. Die Einschiebung des Beugungsgitters bzw. der Beugungslinse
entspricht für Fernsicht einem Graufilter des Transmissionsgrades 1/2 im Falle des
maximalen Kontrasts zwischen dunklen und transparenten Bereichen der Beugungslinse.
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Auch hinsichtlich des Auflösungsvermögens bietet die erfindungsgemäße
Visiereinrichtung beste Ergebnisse.
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Die Beugungslinse kann bei subjektiver Beobachtung klar Linien von
einigen tausendstel Millimeter auflösen, und zwar mit einer Genauigkeit, die der
einer herkömmlichen optischen Linse mit gleicher Brennweite entspricht.
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Mit den oben bereits beispielsweise verwendeten Werten erhält man
mit einem Fadenkreuz einer Fadenstärke von 0,025 mm und einer Linse mit einer Brennweite
von 125 mm auf dem 25 m entfernten Ziel ein virtuelles Bild des Fadenkreuzes, dessen
Stärke im Bereich des Ziels 5 mm entspricht. Unter diesen Bedingungen liegt die
wahre Grenze in den begrenzten Möglichkeiten des unbewaffneten Auges Einzelheiten
auf dem Ziel aufzulösen.
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f wei weiterer VorLt 1 1 Ie.r rri ndiii,' j L in der kompakten Bauform
zu sehen. Die erfindungsgemäße Fixiereinrichtung kann die Länge von wenigen Zentimetern
aufweisen, im allgemeinen eine Länge von weniger als 20 cm, ohne daß dadurch die
Winkelauflösung beeinträchtigt wird.
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Dies ist für kleine Instrumente und kleine Waffen sehr vorteilhaft.
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Außerdem ist die erfindungsgemäße Konstruktion sehr unempfindlich.
Die wenigen Bestandteile können leicht montiert und gewartet werden. Die Möglichkeit
einer voll metallischen Konstruktion unter Einsatz der derzeitigen Möglichkeiten
des Mikroätzens und der elektrichen Mikrobeschichtung für die Konstruktion der ßeugungtilinse
erweisen sich als vorteilhaft für die Ausrüstung von Enstrumenten für den Gebrauch
im Freien und für andere spezielle Anwendungsgebiete.
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Besonders beachtenswert ist auch die Tatsache, daß der Beobachter
den vollen Überblick über das Gesichtsfeld bei einem Vergrößerungsverhältnis von
1 : 1, also ohne Vergrößerungswirkung, behält.
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Schließlich ermöglichen die einfache Herstellung und die begrenzten
Abmessungen die wirtschaftliche Anwenddung der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung
auf Gebieten, wo die Kosten der komplizierteren optischen Einrichtungen nicht vertretbar
sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Anhand der nun folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert.
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Es zeigt: Fig. 1 wie bereits erwähnt zum Vergleich eine herkömmliche
Visiereinrichtung in schemacischer Darstellung, Fig. 2 ebenfalls zum Vergleich eine
herkömmliche Dioptervisiereinrichtung in schematischer Darstellung, Fig. 3 eine
schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung, Fig. 4 einen schematischen
Querschnitt durch die in Fig. 5 gezeigte Brechungslinse, Fig. 5 eine Ansicht einer
Brechungslinse, Fig. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise
der Brechungslinse und der im Zusammenhang mit der Brechungslinse benutzten Definitionen
und Fig. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des aparallaktischensystems
unter Verwendung einer Beugungslinse.
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In Fig. 3 ist zwischen dem Auge 10 des Beobachters und einem mit einer
Markierung 12 versehenen Ziel 14 ein in Richtung auf das Ziel 14 auszurichtendes
Gerät schematisch dargestellt und mit 16 bezeichnet. Auf diesem Gerät ist als Teil
der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung dem Auge 10 benachbart eine Beugungslinse
18 und aus deren dem Ziel. L4 zttgewandten Seite ein Fadenkreuz 20 angeordnet. Der
Abstand zwischen Beugungslinse 18
und Fadenkreuz 20 beträgt wenige
Zentimeter, vorzugsweise weniger als 20 cm.
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Die Beugungslinse 18 kann nach Art eines Fadennetzes, eines Gitters,
oder eines Schirms mit parallelen linearen oder konzentrischen Linien in spezieller
Gestaltung ausgebildet sein, wobei die Aufeinanderfolge der Zwischenräume zwischen
den einzelnen Linien entsprechend den Gesetzen der pysikalischen Optik für die Fresnelschen
Beugungszonen oder näherungsweise nach diesen Gesetzen angeordnet ist, und zwar
nach den folgenden Gleichungen: R = ( F N #)1/2 R = 1/2 ( F #/N)1/2 wobei R den
Radius der Fresnelschen Zone der Ordnung N bedeutet, N eine ganze Zahl ist, welche
die Ordnung der Fresnelschen Zone, gegebenenfalls für die Linse die höchste Ordnung
bedeutet, F die Hauptbrennweite und % die Wellenlänge des Lichtes, falls es sich
um monochromatisches Licht handelt, andernfalls die Wellenlänge der zentralen Linie
des Spektrums bei weißem Licht.
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Die Anzahl der Fresnelschen Zonen, Ringe oder Linien kann zwischen
eins und einer unbegrenzten Vielzahl liegen, wobei der Abstand nur durch den gewünschten
Präzisionsgrad, die gewünschte Deutlichkeit und/oder das gewünschte Auflösungsvermögen
bestimmt wird.
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Die Anordnung der ausgewählten Fresnelschen Zonen kann zentrisch,
symmetrisch, exzentrisch, mit ciner transparenten, lichtun(lut-chläiiigen oder geSirl)Lell
zentralen
Zone gewählt werden. Die Grenze zwischen den verschiedenen
Zonen oder Brechungslinien der Größenordnung n und n + 1 ist transparent und zwischen
n + 1 und n + 2 lichtundurchlässig oder gefärbt, oder mit modulierter Intensität
der schwarzen oder anderen Farbe.
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Die Lichtübertragungscharakteristik des Bereiches zwischen n und n
+ 2 kann nach einem Gesetz der Art 2 2 T = T cos («r /2) 0 moduliert sein, wobei
T ein Lichttransmissionskoeffizient und T der maximale Lichttransmissionskoeffizient
ist.
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o Die Farbe der Linien zwischen n und n + 1 und n + 1 und n + 2 kann
so ausgewählt werden, daß sich ein gleichsam achromatisches Bild ergibt.
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Die Beugungslinse ist aus einem Trägerkörper 22 (Fig. 4) eines geeigneten
Basismaterials wie beispielsweise Glas oder Kunststoff, aufgebaut und mittels jedes
geeigneten Systems, beispielsweise Photogravur, mechanische Kopie od.dgl. graviert.
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Die Linse kann als räumliches Gitter, durch Photoätzen oder durch
einen Mikro-Elektrolyseprozeß auf einer Metallfolie erzeugt werden, wobei man als
Ergebnis erhält, daß die transparenten Abschnitte oder Zonen ohne jedes Material
sind, während die lichtundurchlässigen Bereiche durch das Metall oder feste Material
gebildet werden.
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Die lichtundurchlässige Bereiche sind in Fig. 4 mit 24, die transparenten
Bereiche mit 26 bezeichnet. Während die Fig. 4 den Aufbau der Beugungslinse 18 in
schematischer Weise darstellt, zeigt die Fig. 5 die Ansicht einer konzentrisch aufgebauten
Beugungslinse in vergrößertem Maßstab Das Fresnelsche Beugungsgitter wirkt wie eine
Linse, axial-symmetrisch, zylindrisch, asphärisch oder astigmatisch, mit mehreren
Brennpunkten, die nach den Beugungsgesetzen festgelegt sind, welche sich annähernd
aus den folgenden Gleichungen ergeben: 2 Hauptbrennweite: F1 = R /LN = F 2 Zweite
Brennweite: F2 = R /3AN = F/3 Unendliche Brennweite: FDO = Das Fadenkreuz 20 ist
im Abstand der Hauptbrennweite (Brennweite der ersten Ordnung) oder im Abstand einer
beliebigen Brennweite der Beugungslinse 18 von dieser angeordnet, es kann sich aber
auch um jede andere Form eines optisch geeigneten Visierelementes handeln, welches
benutzt werden kann, um mit der anzuvisierenden Markierung 12 auf dem Ziel 14 zur
Deckung gebracht zu werden.
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Dieses Fadenkreuz 20 bzw. das an seiner Stelle befindliche andere
Visierelement kann in einen Pfeil, in eine oder mehrere Linien einbezogen sein,
es kann punktartig beleuchtet werden durch eine äußere Lichtquelle (Tageslicht)
oder durch eine interne Lichtquelle, beispielsweise über Faserleiter, Spiegel od.dgl..
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Die Beugungslinse 18 und das Fadenkreuz 20 bzw. das an seiner Stelle
befindliche Element sind in fester Position auf einem geeigneten Träger angebracht,
der mechanisch der beabsichtigten Verwendung angepaßt ist.
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Dabei wird man Möglichkeiten vorsehen, um ihren Abstand zu justieren.
Derartige Vorrichtungen stellen für den Fachmann keine Schwierigkeit dar und sind
deshalb hier nicht näher erläutert. Die Einstellung ist so vorzunehmen, daß eine
Anpassung an den Abstand zum anzuvisierenden Gegenstand oder Ziel erfolgt, welche
den Gesetzen der konjugierten Entfernungen entspricht, welche für geometrische und
Beugungslinsen bestehen, und daß sich eine klare Auflösung des Fadenkreuzes 20 als
bestimmtes Bild ergibt.
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Ein System von Nivellierungsschrauben, wie sie als Mikrometer in Kollimatoren
und Visiereinrichtungen üblich sind, ist nicht näher dargestellt und ermöglicht
die Einrichtung der theoretischen optischen Achse der Linse parallel oder in geeigneter
Relativlage zur optische, geomatrischen oder mechanischen Achse des einzurichtenden
Instruments, der Waffe oder des Geräts.
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In Fig. 7 ist die Beugungslinse 18 als Gitter dargestellt.
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Die Beugungslinse 18 wird üblicherweise axialsymmetrisch aufgebaut
sein, kann aber auch zylinderisch oder asphärisch gestaltet sein. Sie wirkt nach
der Fresnelschen Theorie über die Ausbreitung des Lichts.
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Wenn der optische Weg einer Wellenfront durch ein Gitter
aus
lichtundurchlässigen Linien unterbrochen wird, wie dies vorstehend beschrieben wurde
und in Fig. 6 schematisch dargestellt ist, wird das Licht an einigen Punkten verstärkt
und durch Interferenz an anderen Punkten unterdrückt.
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In axialer Richtung wird das Licht an Punkten verstärkt, welche sich
aus der Fresnelschen Theorie ergeben. Es kann nachgewiesen werden, daß mehrere Brennpunkte
bestehen, wobei der erste oder Hauptbrennpunkt f (Fig. 6) do0 t liegt, wo seine
Brennweite F der Gleichung F R2/N > entspricht.
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Einer der Brennpunkte liegt im Unendlichen. Diese Tatsache ermöglicht
es, daß ein Punkt auf einem entferntem Ziel durch die Beugungslinse 18 scharf fokussiert
werden kann, wenn das Auge des Beobachters auf eine unendliche Entfernung akkommodiert
ist (TeLeskopisches System Auge Linse).
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Das Fadenkreuz 20 bzw. das an seiner Stelle vorgesehene Visierelement,
befindet sich im Hauptbrennpunkt der Beugungslinse 18 oder in einem sekundären Brennpunkt.
In dieser Position projeziert es in Richtung des Beobachters ins Unendliche ein
Bild paralleler Strahlen. Wie erwähnt wurde, befindet sich auch das anzuvisierende
Objekt im Unendlichen und erzeugt ein Beugungsbild, welches von der Linse in Form
zur optischen Achse paralleler Strahlen ausgestrahlt wird. Das Auge des Beobachters
nimmt beide
Strahlengruppen auf, von welchen die eine vom Fadenkreuz
20 und die andere vom Ziel 14 ausgeht und welche sich vollständig überdecken, wobei
vom Auge diese Überdeckung als subjektive Projektion des Fadenkreuzes über die anvisierte
Markierung 12 aufgefaßt wird (Fig. 7).
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Sowohl das Fadenkreuz 20 als auch die Markierung 12 bilden eine Einheit,
welche im Unendlichen gesehen wird, und zwar unabhängig von der Position des Auges.
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In Fig. 6 ist eine sich dem Beugungsgitter 20 nähernde Wellenfront
mit 28 bezeichnet, wobei die von dort ausgehende Wellenfront mit 30 bezeichnet ist.
R3 bezeichnet den Radius der Fresnelzone der 3. Ordnung, r den Radius des generischen
Punktes innerhalb der Fresnelzone. F2 ist ein sekundärer Brennpunkt. Mit R ist der
Abstand zweier lichtundurchlässiger Linien, bzw. die Breite eines transparenten
Streifens bezeichnet.