DE3143385C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Nachtsichtinstrument der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Gattung.

Ein solches Nachtsichtinstrument wandelt ein Objekt, welches für das unbewaffnete Auge praktisch unsichtbar ist, in ein sichtbares Bild, ohne es jedoch zu vergrößern. Der Hauptbestandteil eines derartigen Nachtsichtinstruments, das binokular oder monokular sein kann, ist eine Bildwandler- oder Bildverstärkerröhre, die zur Ver­ stärkung einer infraroten oder niedrigpegeligen sichtbaren Lichtstrahlung dient, welche von einem Objekt ausgesandt oder reflektiert wird. Der Bildverstärker kann eine halbtransparente photoemittierende Kathode an seinem vorderen Ende und einen Phosphorschirm an seinem hinteren Ende, sowie ein dazwischen eingesetztes elektrostatisches Linsensystem aufweisen. Das Nachtsichtinstrument enthält ferner ein Objektiv zur Projezierung des zu betrachten­ den Bildes auf die photoemittierende Kathode sowie ein Okular zur Betrachtung des verstärkten Bil­ des. Die Röhre ist in den meisten Instrumenten mit einem Bild­ umkehrsystem versehen, das grundsätzlich aus einem Bündel sehr dünner lichtleitender Glasfasern besteht, dessen eines Ende dem Phosphorschirm zugewandt ist, während das andere Ende dem Okular zugewandt ist. Dabei ist das Faserbündel in 180°- Spiralen verdreht, so daß das Oberteil und das Unter­ teil des Bildes umgekehrt werden.

Das Instrument ist vorteilhafterweise fest am Kopf des Trä­ gers angebracht, so daß die Hände frei gebraucht werden können. Eine binokulare Betrachtung ist bevorzugt, da sie die Intensität der Wahrnehmung erhöht und es dem Träger ge­ stattet, den Abstand des betrachteten Objektes abzuschätzen. Die bekannten Instrumente haben jedoch gewisse Nachteile, die nachfolgend mit Bezug auf die schematische Zeichnung eines herkömmlichen Instruments in der Fig. 1 erläutert werden.

Gemäß der Fig. 1 besteht jeder der beiden parallelen Sicht­ pfade aus einem Objektiv 1, 1′, einer Bildwandlerröhre 2, 2′ und einem Okular 3, 3′. Die Bildwandlerröhre umfaßt eine photoemittierende Kathode 21, die dem Objekt zugewandt ist, einen Phosphorschirm 22 am hinteren Ende und ein dazwischen eingesetztes elektrostatisches Linsensystem. Ein Bildumkehr­ system 24 ist hinten am Phosphorschirm befestigt und er­ zeugt an seinem dem Okular zugewandten Ende 25 ein aufrecht­ stehendes Bild.

Die von dem betrachteten Objekt ausgehenden Strahlen wer­ den durch das Objektiv auf die Photokathode 21 projiziert. Die Lichtenergie wird verstärkt und es wird ein sichtbares Bild auf dem Phosphorschirm 22 erzeugt und durch das Glas­ fasersystem 24 umgekehrt, so daß es in der korrekten auf­ rechtstehenden Position an der hinteren Endfläche des In­ struments erscheint. Das Bild wird dann durch das Okular 3 durch die Augenlinse auf die Retina projiziert. Die beiden das Binokular bildenden Betrachtungspfade sind von verhält­ nismäßig großer Länge, die zur Aufnahme der Bauteile er­ forderlich ist. Das Objektiv ist daher von der Augenlinse weit entfernt. Dementsprechend fallen die vom betrachteten Objekt am Objektiv eintreffenden Lichtstrahlen nicht mit den Lichtstrahlen zusammen, welche die Augenlinse vom Phos­ phorschirm über das Okular erreichen, sondern bilden ein Bild des Objektes, das etwas unterschiedlich von demjenigen ist, das vom unbewaffneten Auge gesehen würde. Das Auge wird dadurch hinsichtlich der Position des Objektes und seiner Entfernung vom Beobachter getäuscht. Wenn daher der Beobachter seinen Kopf dreht, um die gesamte Fläche vor sich zu sehen, erzeugt der große Abstand zwischen dem Objektiv und dem Okular jedesmal gewisse Diskrepanzen zwischen seiner Wahrnehmung des Objektes und seiner Schätzung des relativen Abstandes von ihm. Die Winkelbewegung des Kopfes schwingt die Augen etwa um einen Mittelpunkt M, der mit der Achse der Zervikal-Vertebrae zusammenfällt, die hinter dem Ge­ sicht und den Augen angeordnet sind. Das Gesichtsfeld wird während des normalen Sehens ohne Sehhilfe über gewöhnliche Brillen hinaus auf die Retina ohne jede Abweichung projiziert, und zwar bestimmt durch die Position der Pupillen und der Augenlinsen. Die korrekte räumliche Wahrnehmung in statischen und dynamischen Feldern wird daher nur durch die Bewegung des Kopfes und der Augäpfel bestimmt und die räumliche Orientierung ist eine Funktion dieser Bewegungen und der so­ genannten Bewegungsparallaxe, die durch den Abstand zwischen der Rotationsachse des Kopfes (M) und jedem Auge (a in der Fig. 1) bestimmt ist.

Wenn eine Sehhilfe in Gestalt eines Binokulars beispielswei­ se am Kopf befestigt ist, werden die relativen Abstände geändert und es ergeben sich Veränderungen in der Eigenwahr­ nehmung der die Binokulare tragenden Person, und zwar aus dem Hauptgrund, daß eine Winkelbewegung des Kopfes über ei­ nen gegebenen Winkel bewirkt, daß sich das Abbild der Umge­ bung schneller über die Retina bewegt, als ohne Sehhilfe. Dieses Problem führt schließlich zu Kopfschmerzen, Benommen­ heit, visueller Ermüdung und anderen nervösen Störungen, da der Körper nicht in der gewöhnlichen Weise auf die vom Ge­ hirn empfangenen visuellen Eindrücke reagieren kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Nachtsichtinstrument mit möglichst geringem Gewicht vorzuschlagen, bei welchem die Richtung der von einem Objekt ausgesandten und auf das Objektiv der Ausrüstung fallenden Lichtbündel mit der Rich­ tung der Bündel zusammenfallen, die duch das Okular zur Pu­ pille und der Augenlinse des Beobachters hindurchgehen, wenn kein Nachtsichtinstrument getragen wird.

Die erfindungsgemäße Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen Gattungsmerkmalen.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Be­ zugnahme auf die Zeichnung näher erläutert; es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines herkömm­ lichen Nachtsichtinstruments;

Fig. 2 eine schematische Anordnung einer Ausführung eines erfindungsgemäßen Nachtsichtinstruments;

Fig. 3 eine Schnittansicht durch eine weitere Aus­ führung eines erfindungsgemäßen Nachtsichtinstruments; und

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie A-B-C-D der Fig. 3.

Die Fig. 2 zeigt eine schematische Anordnung einer Ausfüh­ rung eines Nachtsichtinstruments, das eine Hälfte eines Binokulars bilden oder als monokulares Instrument ver­ wendet werden kann. Das Instrument umfaßt einen Infrarot- Bildwandler oder Niedrigpegel-Lichtverstärker 2, welcher im rechten Winkel zur Betrachtungsachse des Instruments, die durch die Achse eines Okulars 33 de­ finiert ist, sowie in einem vorbestimmten Abstand hiervon, der nachstehend näher definiert wird, angeordnet ist. Der Bildwandler be­ steht aus einer photoemittierenden Kathode 21 an der Vor­ derseite, einem Phosphorschirm 22 im hinteren Teil und ei­ nem elektrostatischen Linsensystem zwischen diesen Teilen, das zur Umwandlung einer auf die Kathode projizierten nahe­ zu unsichtbaren Abbildung in ein auf dem Phosphorschirm er­ scheinendes sichtbares Bild dient. Im Gegensatz zur her­ kömmlichen Anordnung des in der Fig. 1 gezeigten Bildwand­ lers ist kein Umkehrsystem 24 bei der erfindungsgemäßen Ausführung vorgesehen, und zwar aus Gründen, die nachste­ hend erläutert werden. Eine Objektivlinse 32 ist vor der Photokathode koaxial zu dieser und in einem verhältnis­ mäßig geringen Abstand davon angeordnet. Die von einem Objekt O abgegebenen Strahlen werden von einem flachen Eingangsspiegel 31 in das Objektiv 32 reflektiert. Der Spiegel ist zentral in der Betrachtungsachse des Instru­ ments angeordnet und zu dieser mit einem Winkel von 45° geneigt. Die geometrische Anordnung des Objektivs und des Hauptspiegels zeichnet sich dadurch aus, daß das Zentrum des Eingangsspiegels äquidistant sowohl zum optischen Zen­ trum des Objektivs als auch zur Augenlinse 41 ist, wobei dieser Abstand mit dem Bezugszeichen "D" bezeichnet ist. Die Vorderseite des Spiegels 31 ist zur Bildung einer Spie­ gelfläche 35 geformt, die parallel zur vorderen Oberfläche ist und ebenfalls auf der Betrachtungsachse zentriert ist, jedoch dem Okular 33 gegenübersteht. Das auf dem Phosphor­ schirm 22 erscheinende sichtbare Bild wird mittels vier flacher Spiegel 51, 52, 53, 54 und des Spiegels 35 in das Okular 33 projiziert, wobei jeder der vier Spiegel in einem Winkel von 45° zur Betrachtungsachse steht und in einem Win­ kel von 90° zu jedem der beiden angrenzenden bzw. benach­ barten Spiegel. Diese Spiegel besetzen daher die vier Ecken eines Rechtecks. Das Bild wird durch eine zwischen den Spie­ geln 52 und 53 positionierte Linse 56 in die aufrechte Po­ sition umgekehrt.

Eine Sichtblende 61 ist in der Ebene des Zwischenbildes vor dem Okular angeordnet dargestellt, sie ist jedoch wahlweise vorgesehen und kann auch weggelassen werden.

Das Okular, dessen Brennpunkt in der Ebene der Blende 61 liegt, projiziert das Bild durch die Augenlinse 41 in das Auge hinein und auf die Retina 42. Bei Verfolgung der Lichtstrah­ len ist erkennbar, daß der Sehwinkel R mit welchem das Ob­ jekt O durch das Objektiv 32 empfangen wird, identisch ist mit dem Sehwinkel R′, mit welchem das Bild des Objektes in die Augenlinse eintritt. Die Gesamtgeometrie des optischen Systems ist derart gestaltet, daß das betrachtete Objekt O mit dem gleichen Sehwinkel in das Auge projiziert wird, als würde es mit dem unbewaffneten Auge aus der gleichen Entfernung betrachtet werden. Bei der dargestellten Aus­ führungsform hat das auf der Sichtblende (falls vorgesehen) erscheinende Zwischenbild die gleiche Größe wie die auf dem Phosphorschirm 22 der Röhre erscheinende Größe. Dies wird dadurch erreicht, daß die Linse 56 genau in der Mitte zwi­ schen der Ebene des Phosphorschirms 22 und der Ebene des auf der Blende 61 erscheinenden Zwischenbildes angeordnet wird. Der Abstand zwischen der Wandler- oder Verstärkerröhre und der Objektivlinse 32 ist durch den maximalen Sehwinkel gegeben, der von der Photokathode 21 empfangen werden kann. Die Vergrößerung des Okulars ist derart gewählt, daß das Objekt O im gleichen Winkel R reproduziert wird, in dem es mit dem unbewaffneten Auge erscheinen würde.

Die Fig. 3 und 4 stellen ein entsprechend dem Diagramm der Fig. 2 gebautes Instrument dar, wobei jedoch der optische Pfad von der Vorderfläche des Eingangsspiegels durch den Bildverstärker zur Vorderseite des Eingangsspiegels in einer vertikalen Ebene liegt, die sich senkrecht zum Pfad zwischen dem betrachteten Objekt und dem Auge erstreckt, um das In­ strument kompakter zu gestalten.

Zur Erleichterung des Verständnisses dieser Ausführungs­ form der Erfindung werden gleiche Bezugszeichen für Teile verwendet, die sich im Diagramm der Fig. 2 und in den Fig. 3 und 4 gezeigten tatsächlichen Instrument in entsprechender Weise vorfinden. Das Instrument, das eine Hälfte eines bin­ okularen Sichtgeräts darstellt, umfaßt ein Außengehäuse, das aus zwei im wesentlichen flachen Seiten 60 und 61 und einer Umfangsabdeckung 63 mit unregelmäßig hexagonalem Querschnitt besteht. Die flache Seite 61 ist mit einer zylindrischen Sicht­ öffnung 64 versehen, die durch eine Glasplatte 65 verschlossen ist. Die flache Seite 60 ist mit einer zylindrischen Okularmontage 66 ausgestattet, die im wesentlichen der Sichtöffnung gegenübersteht. Die optischen Bauteile sind innerhalb des Gehäuses angeordnet, damit jedoch jedes Bau­ teil klar und behindert sichtbar ist, wurden fast alle Be­ festigungsmittel in der Zeichnung weggelassen, es wurden also nur die Bauteile selbst gezeigt.

Wenn man dem Licht von dem betrachteten Objekt folgt, das durch die Glasplatte 65 in das Gehäuse eintritt, sind die Bauteile in der folgenden Reihenfolge angeordnet: Das in das Instrument bei "a" eintretende Licht wird in Richtung nach unten in eine Objektivlinse 32 abgelenkt, und zwar durch die vordere Oberfläche eines Eingangsspiegels 31, der in ei­ nem Winkel von 45° zur Ebene des Gehäuses geneigt ist. Das aus dem Objektiv austretende Licht wird durch ein Prisma 70 und eine bikonvexe Linse 71 in einen Bildwandler oder -verstärker 2 gelenkt. Das auf dem Phosphorschirm 22 des Konverters erscheinende verstärkte Bild wird durch einen Spiegel 51, der im Winkel von 45° zur Achse des Bildwand­ lers angeordnet ist, in vertikaler Aufwärtsrichtung durch eine Umkehrlinse 56 in ein Doppelprisma 72 gestrahlt. Dieses Prisma kehrt den Lichtdurchgang um 180° um und projiziert das Licht in eine erste Okularlinse 33 a und von dieser zu einer zweiten Okularlinse 33 b, indem es mittels eines recht­ winkeligen Prismas 73 um einen rechten Winkel abgelenkt wird. Durch das Okular tritt das Licht in die Pupille 41 des Betrachterauges ein. Die Fokussierung des Bildes wird durch Veränderung der axialen Position der Umkehrlinse 56 herbeigeführt.

Der Pfad des durch das Sichtgerät hindurchtretenden Lich­ tes ist im Prinzip identisch mit dem in der Fig. 2 ge­ zeigten und mit Bezug darauf beschriebenen; während je­ doch der Lichtpfad in dem Diagramm in einer horizontalen Ebene liegt, liegt der Lichtpfad in dem optischen Instru­ ment der Fig. 3 und 4 in einer vertikalen Ebene, die zur Betrachtungsachse senkrecht steht. Die Vorteile sind offen­ sichtlich, da die axiale Abmessung des Instruments ver­ hältnismäßig gering ist und die Lichtstrahlen sich an kei­ ner Stelle überkreuzen, wie es bei der theoretischen Anord­ nung des Diagramms der Fall ist.

Eine große Anzahl von Abweichungen ist möglich, um das gleiche Ziel zu erreichen: Abhängig von der Größe der photo­ emittierenden Kathode und des Phosphorschirms kann die Größe des Zwischenbildes vergrößert oder vermindert werden, in­ dem die Linse 56 an einem geeigneten Abstand zwischen den Spiegeln 52 und 53 positioniert wird. Andererseits hängt die Größe des Zwischenbildes von der Vergrößerung des Okulars ab, so daß eine endlose Zahl von Parametervariationen mög­ lich sind. Zur Schaffung eines bequemen Instrumentes ge­ ringen Gewichts ist es natürlich unbedingt notwendig, den Abstand zwischen den verschiedenen Bauteilen auf ein Minimum zu bringen, ohne jedoch die Intensität und die Klarheit des Bildes zu vermindern. Der Abstand D zwischen dem Hauptspie­ gel 31 und der Augenlinse sollte daher so klein wie es die Länge des Okulars gestattet, gehalten werden. Andererseits sollte die Öffnung der photoemittierenden Kathode von aus­ reichender Größe sein, um ein Maximum an Lichtenergie auf­ zunehmen. Dieses Erfordernis bestimmt den Abstand zwischen der Linse 32 und der photoemittierenden Kathode, während der Abstand D durch die Größe und die optischen Eigenschaften des Okulars bestimmt wird.

Die gleichen Betrachtungen gelten für die Verwendung von Prismen anstelle von Spiegeln. Wenn Glasfasern zum Trans­ port des Bildes von dem Phosphorschirm zu einer mit dem Brennpunkt des Okulars zusammenfallenden Ebene vor dem Okular verwendet werden, ist es klar, daß die Größe des Bildes unverändert bleibt und daß das Okular derart ge­ staltet werden muß, daß das Objekt O unter dem korrekten Winkel R in das Auge projiziert wird.

Vorstehend wurde ein Bildwandler beschrieben, der aus einer photoemittierenden Kathode an seinem vorderen Ende und ei­ nem Phosphorschirm an seinem hinteren Ende besteht, wobei ein elektrostatisches Linsensystem zwischen die beiden Ele­ mente eingesetzt ist. Natürlich kann auch dieser Bildwandler verschiedenen Abänderungen entsprechend dem Fortschritt des Standes der Technik unterworfen werden: Beispielsweise kann das elektrostatische Linsensystem durch eine Mikrokanalplatte bekannter Gestaltung ersetzt werden.

Es können auch andere Einrichtungen zur Umwandlung und/oder Verstärkung des Bildes verwendet werden, wie eine Vidikon­ kameraröhre, ladungsgekoppelte Bauelemente oder andere be­ kannte Systeme der Abbildungsebenen-Technologie.

Das Bild kann auch durch elektronische Vorrichtungen ver­ arbeitet werden, und zwar hinsichtlich der Verstärkung von Kontrasten, der Verminderung des Rauschens und der Hinzu­ fügung von alphanumerischen Informationen und Symbolen. Mit diesen Vorrichtungen wird das verarbeitete Bild auf einen Phosphorschirm einer Kathodenstrahlröhre überprüft und in die Augen des Betrachters mittels der vorstehend beschrie­ benen Bauteile des Instrumentes projiziert.

Claims (11)

1. Nachtsichtinstrument mit

• - einem die Sichtachse des Instruments definierenden Okular (33),
• - einem Spiegel (31), der mit seinem optischen Mittelpunkt in der Sichtachse vor dem Okular (33) angeordnet ist und in einem Winkel von 45° zu dieser Sichtachse geneigt ist,
• - einem Objektiv (32) und
• - einem Bildwandler oder Bildverstärker (2), der mit Abstand zum Objektiv (32) auf einer zu dieser koaxialen Achse angeordnet ist, die im rechten Winkel zur Sichtachse liegt, und einen Leuchtschirm (22) umfaßt,
• - sowie mit optischen Einrichtungen zur Überführung des auf dem Leuchtschirm (22) des Bildwandlers (2) erscheinenden Bildes in die Ebene eines Zwischenbildes vor dem Okular, wobei die Gesamtvergrößerung des Nachtsichtinstrumentes den Wert 1 hat,

dadurch gekennzeichnet,

• a) daß der Spiegel (31) als Eingangsspiegel für das Objektiv (32) und den Bildwandler (2) dient und objektseitig vor diesen angeordnet ist und
• b) daß die Abstände vom optischen Mittelpunkt des Spiegels (31) zur Augenpupille (41) des Beobachters einerseits und zum optischen Mittelpunkt des Objektivs (32) andererseits gleich sind.

2. Nachtsichtinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Überführungseinrichtungen ein Bündel aus lichtübertragenden Glasfasern oder einem äquivalenten Material umfassen, daß die ersten Enden all dieser Glasfasern in einer Ebene, die an den Leuchtschirm (22) angrenzen, und ihre anderen Enden in der Ebene des Zwischenbildes vor dem Okular (33) liegen, und daß das Okular (33) einen Sichtwinkel (R′) für das übertragene Bild an der Stelle des Beobachterauges (41, 42) aufweist, der gleich dem Sichtwinkel (R) für ein an der gleichen Stelle angeordnetes unbewaffnetes Auge ist.

3. Nachtsichtinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Überführungseinrichtungen ein Spiegelsystem (35, 51, 52, 53, 54) umfassen, das zwischen den Leuchtschirm (22) und das Okular (33) eingesetzt ist, daß das Spiegelsystem (35, 51, 52, 53, 54) einen ersten Spiegel (35) umfaßt, der auf der Rückseite des Eingangsspiegels (31), die dem Okular (33) zugewandt ist, positioniert ist und dessen Oberfläche parallel zur Oberfläche des Eingangsspiegels (31) liegt, daß überdies vier Spiegel (51, 52, 53, 54) vorgesehen sind, von denen jeder im rechten Winkel zur Ebene des nachfolgenden Spiegels angeordnet und mit einem Winkel von 45° zur Sichtachse geneigt ist, und daß die vier Spiegel (51, 52, 53, 54) das Bild von dem Phosphorschirm auf den ersten Spiegel (35) projizieren.

4. Nachtsichtinstrument nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß zwischen zwei aufein­ anderfolgenden Spiegeln (52, 53) eine bikonvexe Linse (56) angeordnet ist.

5. Nachtsichtinstrument nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sichtblende (61) in der Ebene des Zwischenbildes vor dem Okular (33) angeordnet ist.

6. Nachtsichtinstrument nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die optischen Überführungseinrichtungen einen Spiegel (35) umfassen, der auf der Rückseite des Eingangsspiegels (31), die dem Okular zugewandt ist, angeordnet ist und dessen Oberfläche parallel zur Oberfläche des Eingangsspiegels (31) liegt, und daß zwei Doppelprismen zwischen dem Leuchtschirm (22) und dem ersten Spiegel (31) angeordnet sind, die das Bild von dem Leuchtschirm (22) auf den ersten Spiegel (31) reflektieren.

7. Nachtsichtinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler (2) eine halbtransparente photoemittierende Kathode (21) an seinem Vorderende und als Leuchtschirm einen Phosphorschirm (22) an seinem hinteren Ende aufweist, und daß zwischen diesen beiden ein elektrostatisches Linsensystem eingefügt ist.

8. Nachtsichtinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler (2) eine halbtransparente, photoemittierende Kathode (21) an seinem Vorderende und als Leuchtschirm einen Phosphorschirm (22) an seinem hinteren Ende umfaßt, und daß eine Mikrokanalplatte zwischen die beiden eingesetzt ist.

9. Nachtsichtinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler in Gestalt einer Vidikonkameraröhre vorgesehen ist, die zur Überführung des Bildes auf den Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre ausgebildet ist.

10. Nachtsichtinstrument nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Bildwandler in Gestalt eines ladungsgekoppelten Bauelements vorgesehen ist, das zur Überführung des Bildes auf den Leuchtschirm einer Kathodenstrahlröhre ausgebildet ist.