DE3102976C2 - Visiereinrichtung - Google Patents

Description

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.

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 Geschützen oder Gewehren, besteht darin, die mechanische Achse des mittels der Visiereinrichtung auszurich- so tenden 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 F i g. I und 2 erläutert, welche schematisch herkömmliche Visiereinrichtungen zeigen.

■ Geht man davon aus, daß auf einem mechanischen Träger für das Instrument oder die Waffe zwei ω physikalische Punkte A und B gegeben sind, welche die ideelle Linie abdefinieren, so schneidet diese ideelle Linie das Ziel oder die anzuvisierende Marke im Punkt 0.

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.

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.

Der erste Nachteil dieser schematischen Anordnung besteht darin, daß die optische Achse des Auges des Beobachters genau gegenüber der Linie ab ausgerichtet werden muß. Der korrekte Schnittpunkt der ideellen Linie bei 0 kann nur dann beobachtet werden.Avenn eine starre Verbindung zwischen dem Auge des Beobachters und der durch die Visiereinrichtung auszurichtenden Einrichtung gegeben ist

Ein zweiter Nachteil ist durch, die Unmöglichkeit des als Linse betrachteten Auges gegeben, sich gleichzeitig scharf auf die Ebenen Λ S und 0 einzustellen. Außerdem kann das Auge sich nicht auf Entfernungen einstellen, welche geringer sind als 25 cm.

Verwendet man ein Loch bzw. eine Blende (F i g. 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 Bund 0 einzustellen.

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 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 ursprünglichen Intensität und Kontrastwirkung beschränkt Schließlich besteht bei der Verwendung eines Dioptervisiers die Möglichkeit für einen Parallaxenfehler bei der Beobachtung der Zielmarke. Dies hängt von der Winkelparallaxe d/D (F i g. 2) ab, wobei mit d der Bohrurgsdurchmesser der Blende und mit D der Abstand zwischen den Visierpunkten A und B bezeichnet wird. Falls dabei D= 125 mm und d= 1,5 mm angenommen wird, beträgt der Fehler bzw. die Abweichung projiziert auf das Ziel bei einer angenommenen Zielentfernung von 25 m etwa 300 mm.

Die übliche Lösung für dieses Problem besteht darin, die Entfernung D größer zu wählen und besondere Vorkehrungen für die Zentrierung des Auges zu treffen.

Weitere Vorsch'äge zur Überwindung dieser Probleme beruhen auf Abwandlungen in der Form des Punktes B um dadurch die Zentrierung seiner Silhouette ^!nnerhalb des Schattenfeldes der Blende A zu erleichtern. Eine möglichst starre Verbindung zwischen Visiereinrichtung und Beobachter kann auch dadurch nicht vermieden werden. Das Pupillenfeld bleibt klein, und die Entfernung A -B bleibt groß. Das Gesichtsfeld ist außerdem durch die Blende eingeschränkt.

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

paraluklisehe Darstellung des Ziels and eine leichte Akkommodation des Auges, im allgemeinen auf Unendlich, erreichen.

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.

Es stellt sich somit die Aufgabe nach einer Visiereinrichtung, welche relativ unempfindlich ist gegen Abweichungen des Auges aus der exakten Visierlinie, welche somit aucfi besondere Maßnahmen entbehrlich macht, durch weiche das Auge gegenüber der auszurichtenden Einrichtung fixiert werden soll, welche kostengünstig und unempfindlich und außerdem platzsparend ist und welche Oberanstrenungen des Auges und damit eine vorzeitige Ermüdung vermeidet.

Die Lösung besteht darin, daß das augenseit/^e 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

Diese Visiereinrichtung bietet den Vorteil der Parallaxenfreiheit 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.

Die erfindungsgemäße Visiereinrichtung erleichtert die Akkomodation. Das Auge stellt sich in seiner Brennweite auf die Zielebene ein.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung ist dir Helligkeit Die Pupille des Beobachters wird mit maximaler Einstellung in bezug auf Helligkeit 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 Beugvngslinse.

Auch hinsichtlich des Auflösungsvermögens bietet die erfindungsgemäße Visiereinrichtung beste Ergebnisse. 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

Mit dem 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.

Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist 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 lipr'urch die Winkelauflösung beeinträchtigt wird. Dies ist für kleine Instrumente und kleine Waffen sehr vorteilhaft

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 elektrischen Mikrobeschichtung für die Konstruktion der Beugungslinse erweisen sich als vorteilhaft für die

ίο Ausrüstung von Instrumenten für den Gebrauch im Freien und für andere spezielle Anwendungsgebiete.

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

Schließlich ermöglichen die einfache Herstellung und die begrenzten Abmessungen die wirtschaftliche Anwendung der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung auf Gebieten, wo die Kosten der komplizierteren optischen Einrichtungen nicht vertretbar sind.

Vorteilhatte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Anhand der nun folgenden Beschreibung eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird diese näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 wie bereits erwähnt zum Vergleich eine herkömmliche Visiereinrichtung in schematischer Darstellung,

Fig.2 ebenfalls zum Vergleich eine herkömmliche 3C Dioptervisiereinrichtung in schematischer Darstellung, Fi g. 3 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Visiereinrichtung,

F i g. 4 einen schematischen Querschnitt durch die in F i g. 5 gezeigte Brechungslinse,
F i g. 5 eine Ansicht einer Brechungslinse,

F i g. 6 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Wirkungsweise der Brechungslinse und der im Zusammenhang mit der Brechungslinse benutzten Definitionen und

•»ο F i g. 7 eine schematische Darstellung zur Erläuterung des aparallaktischen Systems unter Verwendung einer Beugungslinse.

In F i g. 3 ist zwischen dem Auge 10 des Beobachters und einem mit einer Markierung 12 versehenen Ziel 14 ■»5 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 auf deren dem Ziel 14 zugewandten Seite ein Fadenkreuz 20 angeordnet. Der Abstand zwischen Beugungslinse 18 und Fadenkreuz 20 beträgt wenige Zentimeter, vorzugsweise weniger als 20 cm.

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 physikalischen Optik für die Fresnelschep Beugungszolten oder näherungsweise nach diesen Gesetzen angeordnet ist, und zwar naeh den folgenden Gleichungen:

R=(FNkY" R= \ 12(Fl/N} *

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
A die Wellenlänge des Lichtes, falls es sich um monochromatisches Licht handelt, andernfalls die Wellenlänge der zentralen Linie des Spektrums bei weißem Licht.

in

Die Anzahl der Fresnelschen Zonen, Ringe oder Linien kann /wischen eins und einer unbegrenzten Vielzahl liegen, wobei der Abstand nur durch den gewünschten Präzisionsgrad, die gewünschte Deutlichkeit und/oder das gewünschte Auflösungsvermögen r> bestimmt wird.

Die Anordnung der ausgewählten Fresnelschen Zonen kann zentrisch, symmetrisch, exzentrisch, mit pinpr transparenten, lichtiindurchlässigen oder gefärbten zentralen Zone gewählt werden. Die Grenze .'<> zwischen den verschiedenen Zonen oder Brechungslinien der Größenordnung η und n+ I ist transparent und zwischen π 4 I und π+ 2 lichtundurchlässig oder gefärbt, oder mit modulierter Intensität der schwarzen oder anderen Farbe. r>

Die Lichtübertragungscharakteristik des Bereiches zwischen π und n + 2 kann nach einem Gesetz der Art

7« 7"ocos²(-Tr²/2)

moduliert sein, wobei T ein Lichttransmissionskoeffi- in zient und 7ö der maximale Lichttransmissionskoeffizient ist.

Die Farbe der Linien zwischen η und n+ 1 und n+ 1 und n+2 kann so ausgewählt werden, daß sich ein gleichsam achromatisches Bild ergibt. )5

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 oder dgl. graviert.

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 Materialien gebildet werden.

Die lichtundurchlässigen Bereiche sind in Fig.4 mit 24, die transparenten Bereiche mit 26 bezeichnet. Während die F i g. 4 den Aufbau der Beugungslinse 18 in schematischer H'eise darstellt, ligi J!s 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, weiche sich annähernd aus den folgenden Gleichungen ergeben:

Hauptbrennweite: F₁ = RtIkN=F

Zweite Brennweite: F₂ = /Ρ/3ΛΛ/= F/3

Unendliche Brennweite: F» = °°

bO

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.

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 äußeie Lichtquelle (Tageslicht) oder durch eine interne Lichtquelle, beispielsweise über Faserleiter, Spiegel od. dgl.

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. 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.

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 narallel oder in geeigneter Relativlage zur optischen, geometrischen oder mechanischen Achse des einzurichtenden Instruments, der Waffe oder des Geräts.

In Fig. 7 ist die Beugurjgslinse 18 als Gitter dargestellt. Die Beugungslinse 18 wird üblicherweise axialsymmetrisch aufgebaut sein, kann aber auch zylindrisch oder asphärisch gestaltet sein. Sie wirkt nach der Fresnelschen Theorie über die Ausbreitung des Lichts.

V/enn 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, wtrd das Licht an einigen Punkten verstärkt und durch Interferenz ar anderen Punkten unterdrückt.

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 i g. 6) dort liegt, wo seine Brennweite F der Gleichung

F= RiINX

entspricht

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 akkomodiert ist (Teleskopisches System Auge—Linse).

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

7 8

Strahlengruppen auf, von welchen die eine vom In Fig. 6 ist eine sich dein Beugungsgitter 20

Fadenkreuz 20 und die andere vom Ziel 14 ausgeht und nähernde Wellenfront mit 28 bezeichnet, wobei die von

welche sich vollständig überdecken, wobei vom Auge dort ausgehende Wellenfront mit 30 bezeichnet ist. Ri

diese Überdeckung als subjektive Projektion des bezeichnet den Radius der Fresnelzone der 3. Ordnung,

Fadenkreuzes über die anvisierte Markierung 12 > r den Radius des generischen Punktes innerhalb der

aufgefaßt wird (F i g. 7). Fresnelzone. F₂ ist ein sekundärer Brennpunkt. Mit R ist

Sowohl das Fadenkreuz 20 als auch die Markierung der Abstand zweier lichtundurchlässiger Linien bzw. die

12 bilden eine Einheit, welche im Unendlichen gesehen Breite eines transparenten Streifens bezeichnet,
wird, und zwar unabhängig von der Position des Auges.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. 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, dadurch gekennzeichnet, daß das augenseitige erste Visierelement (18) ein als Brechungslinse wirkendes Fresnelsches Beugungsgitter ist, von dessen Brennpunkten einer im Unendlichen liegt, und daß das zweite Visierelement (20) in einem der endlichen Brennpunkte des Beugungsgitters (18) angeordnet ist.

2. Visiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (18) lichtundurchlässige Linien in netzartiger oder gitterförmiger, linearer oder konzentrischer Anordnung aufweist

3. Visiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Beugungsgitter (IS) axialsymmetrisch oder zylindrisch oder asphärisch gestaltet ist

4. Visiereinrichtung nach einem der vorhergehen- z> den Ansprüche, dadurch gekennzeichnet daß das Beugungsgitter (18) aus einem in einem Trägerrahmen angebrachten metallischen Gitter besteht

5. Visiereinrichtung nach einem der Ansprüche

1 —3, dadurch gekennzeichnet daß das Beugungsgit- jo ter in einen transparenten Trägerkörper (22) eingraviert ^:st

6. Visiereinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß das zweite Visierelement ein Fadenkreuz (20) ist