-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Kompensation, in einem
bestimmten Spektralbereich, der optischen Verzeichnung, die aus der Betrachtung eines
Gesichtsfeldes durch eine transparente, zwischen dem Gesichtsfeld und einem mit einem
Objektiv versehenen Empfänger aufgestellte Wand hindurch herrührt, wobei die Form
der Wand eine Verzeichnung ohne Rotationssymmetrie verursacht, die eine Krümmung
und eine Längenänderung in dem Bild der Objekte des Gesichtsfeldes hervorruft.
-
Eine solche Vorrichtung wird beispielsweise in der Luftfahrt verwendet,
wenn die transparente Wand das Cockpitfenster des Flugzeuges bildet und der
Empfänger eine die Szene aufnehmende Kamera an Bord dieses Flugzeuges ist. Dieses
Cockpitfenster hat üblicherweise konische Form und die dadurch tretenden optischen
Strahlenbündel erfahren daher eine erhebliche Verzeichnung, die zu korrigieren oder wenigstens
zu reduzieren notwendig ist.
-
Die genannte Vorrichtung verschafft eine optische Korrektur, die die
folgenden Bedingungen erfüllt:
-
- Das System ändert die Bildauflösung nicht.
-
- Es zeigt einen einfachen Entwurf, ist kompakt und leicht zu regeln.
-
Eine derartige Vorrichtung ist bereits Gegenstand einer zum Stand der
Technik nach Artikel 54(3) EPÜ gehörenden Patentanmeldung EP-A 0 270 166 der
Anmelderin gewesen, in der die Korrektur einer Differentialverzeichnung zwischen dem
Beobachter (Auge des Piloten) und dem Empfänger (Beobachtungs-Kamera) behandelt
wird.
-
Der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt die Aufgabe zugrunde, die
Gesamtverzeichnung des Bildes in Höhe der Kamera zu korrigieren.
-
Die zu lösende Aufgabe ist etwas schwieriger, da der verfügbare Raum
viel kleiner ist und die Gesichtsfelder größer sind. Die zu kompensierende Krümmung
ist hier also viel stärker und schwankt sehr stark mit dem Feld.
-
Die zur Behebung dieser zusätzlichen Schwierigkeiten vorgeschlagene
erfindungsgemäße optische Vorrichtung der eingang definierten Art ist dadurch
gekennzeichnet, daß sie aus der Kombination aus dem genannten Empfänger und aus einem
parallele Strahlenbündel verwendenden, optischen System gebildet wird, das in dem
Strahlengang zwischen dem Empfänger und der Wand angeordnet ist, wobei das
optische System ein einziges Gebilde aus miteinander verbundenen, eine achromatische
Gesamtheit bildenden Ablenkprismen mit unterschiedlicher Brechzahl ist, das eine
Ablenkung und eine Anamorphose in einer ersten Richtung bewirkt, und wobei das
Objektiv des Empfängers eine geregelte Brennweite hat, um, als Funktion dessen
Verzeichnung, in einer zu der ersten Richtung senkrechten Richtung eine Anamorphose zu
bewirken.
-
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und
werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
-
Figur 1 die Aufgabenstellung;
-
Figur 2 die Formen der zu korrigierenden Verzeichnung und die der
durch die Korrektur verursachten Verzeichnung;
-
Figur 3 eine perspektivische Darstellung der erfindungsgemäßen
Vorrichtung;
-
Figur 4 einen Schnitt durch die genannte Vorrichtung entlang einer
vertikalen Ebene.
-
Die schematische Zeichnung von Figur 1 stellt den Schnitt durch einen
Teil der konisch geformten Windschutzscheibe 1 eines Flugzeuges dar, die aus einem in
einem vorgegebenen Spektralbereich transparenten Material besteht.
-
Eine Videokamera zeichnet die Landschaft 2 während des Fluges durch
diese Windschutzscheibe hindurch auf, wobei infolge der Durchquerung der Scheibe auf
dem erzeugten Bild der Szene in der Fokusebene 4 der Austrittspupille 3 der Kamera
eine asymmetrische Verzeichnung auftritt, die behoben werden soll, und wobei die
Achse der Kamera mit einer von dem Flugzeug abhängigen Bezugsrichtung RFH einen
Winkel von -7,5º bildet.
-
Figur 2 zeigt die Form der von dem Cockpitfenster des Flugzeugs
erzeugten Gesamtverzeichnung und die von der Kompensationsvorrichtung
einzubringenden Verzeichnungen.
-
Ein Quadrat abcd wird durch das Cockpitfenster in a'b'c'd' verformt. Da
die Linien a'd' und b'c' senkrecht zur Seite ab des Quadrats bleiben, kann für den Fall
dieses Beispiels eine Korrekturvorrichtung vorgeschlagen werden, die eine
Anamorphose der Linien bei konstantem Azimut und eine Krümmung der Linien bei konstanter
Elevation realisiert.
-
So verformt die Vorrichtung das ursprüngliche Quadrat in ein Rechteck
a"b"c"d", und die in a"'b"' und c"'d"' eingebrachte Krümmung muß der durch das
Durchqueren des Cockpitfensters erzeugten Krümmung entgegengesetzt gerichtet sein.
-
Erfindungsgemäß wird die Kompensation mit Hilfe eines optischen
Systems ausgeführt, das modular aufgebaut und vor der Kamera angebracht ist, und von
dem eine perspektivische Ansicht in Figur 3 gegeben wird, die den Verlauf eines von
der Austrittspupille 3 der Kamera ausgehenden Strahls zeigt. Die achromatische
Korrekturvorrichtung ist aus einer Gesamtheit aus zwei miteinander verbundenen
Ablenkprismen 5 und 6 aufgebaut, die zwischen der Pupille 3 und der
Windschutzscheibe 1 liegen.
-
Wenn ox die Kameraachse ist, werden die Koordinaten für jeden Punkt
des Raumes auf rechtwinklige Achsensysteme oxyz zwischen der Kamera und den
verbundenen Prismen und o'x'y'z' nach Ablenkung durch diese Prismen zurückgeführt.
-
Für eine Ablenkung des Einheitsvektors vom Ursprung o bestimmt die
Projektion dieses Vektors auf die horizontale Ebene xoy den Azimutwinkel g mit der
Achse ox und den Elevationswinkel s mit dem Vektor .
-
Entsprechend bestimmt der Einheitsvektor ' vom Ursprung o' den
Azimutwinkel g' und den Elevationswinkel s'.
-
Die Azimut- und Elevationsextremwerte bezüglich der Bezugsrichtung
RFH sind:
-
s = 4º und -18º
-
g = ± 15º
-
Die Anamorphosefunktion wird durch eine geringe Änderung der
Brennweite der Beobachtungskamera zusammen mit der Ausdehnung der von der
Prismengesamtheit 5 und 6 erzeugten Linien bei konstanter Elevation realisiert.
-
Das Rechenprogramm verwendet die folgenden Annahmen für die
Untersuchung des Lichtstrahlenganges:
-
- Der Azimut- und Elevationsursprung fällt zu Anfang des Programms mit der
Achse ox (Kameraachse) zusammen,
-
- der Ausgangsursprung fällt mit ox' zusammen, wobei ox' mit der optischen
Kameraachse am Ausgang des Ablenkprismas zusammenfällt.
-
Unter Berücksichtigung dieser Annahmen liegt die Richtung zu Anfang
innerhalb der folgenden Grenzen:
-
- 15º < g < 15º
-
- 10,5º < s < 11,5º
-
Für eine Elevation s und ein Azimut g am Ausgang der Kamera
verzeichnet die Windschutzscheibe das Bild so, daß in Höhe der Landschaft der Azimut- und der
Elevationswinkel s+δs und g + δg werden.
-
Das zwischen der Kamera und der Windschutzscheibe liegende
Korrektursystem sollte also eine von der Kamera ausgehende Richtung (s, g) in eine Richtung (s-
δs, g-δg) verändern.
-
Um die Anamorphose in Azimutrichtung zu berechnen, führt man
zunächst eine Brennweitenänderung in Höhe der Kamera aus. Die Brennweite f wird
f+δf.
-
Wenn ein lineares Format der Abmessung y unter einem Winkel θ vom
Hauptpunkt des Kameraobjektivs gesehen wird, gilt y = f tanθ vor der
Brennweitenänderung und y = (f+δf)tan(θ+δθ) nach der Brennweitenänderung.
-
Im Falle eines komplexen Objektivs ergibt die Abweichung von y eine
Verzeichnung dritter Ordnung als Funktion des Feldes. Dies führt zu einer
Verzeichnung zweiter Ordnung für die effektive Brennweite. Das homothetische
Brennweitenverhältnis ändert sich also als Funktion des Feldes, das heißt als Funktion von s und g und
ist zu schreiben als:
-
Am Ausgang der Kamera wird die Visierrichtung durch s' und g'
gegeben, für die gilt:
-
tan s' =
-
(s,g) tan s für g = 0;
-
tan s' =
-
für g ≠ 0
-
und tan g' =
-
(s,g) tan g, unabhängig von dem Wert für g,
-
wobei s und g von der Kameraachse aus gerechnet werden.
-
Vor der Korrektur hat das Kameraobjektiv die folgenden Eigenschaften:
-
Brennweite: 11,2 mm
-
Durchmesser der Eintrittspupille 10 mm
-
Der untersuchte Spektralbereich (für die Korrektur der chromatischen
Aberration) ist der folgende: λmin = 405 nm, λmittel = 656 nm, λmax = 850 nm. Die
Abweichungen sind für λmittel berechnet.
-
Bei konstantem Azimutwinkel müssen die Zwischenräume zwischen den
Linien vergrößert werden; man hat also g' > g und δf < 0, was einen viel kleineren
Wert für die Brennweite bedeutet.
-
Die Berechnungen zeigen, daß man eine Anamorphose dieser Linien von
etwa 1,064 erreichen sollte.
-
Die neue Brennweite f' als Funktion der alten ist also:
-
Um die Krümmung der Linien bei konstantem Elevationswinkel zu
erzeugen, wird die Eigenschaft eines Ablenkprismas ausgenutzt, in dem Bilde eines parallel
zu seiner Kante verlaufenden Spaltes eine Krümmung mit einer zur Basis des Prismas
gerichteten Konkavität zu erzeugen.
-
Da die Krümmung hier sehr wichtig ist, muß das am Kopfende
angeordnete Prisma 5 eine starke Ablenkung aufweisen. Aber der Nachteil bei einem solchen
Prisma ist, daß in Elevationsrichtung eine Änderung des Abstandes der Linien bei
konstantem Elevationswinkel erzeugt wird.
-
Das Mittel zur Reduktion dieser Änderung besteht darin, hinter dem
Prisma 5 ein weiteres Ablenkprisma 6 umgekehrt anzubringen, das den folgenden
Bedingungen genügt:
-
- die von diesem Prisma erzeugte Ablenkung muß sehr viel schwächer sein, um
die von dem Prisma 5 eingebrachte Krümmung nicht aufzuheben.
-
- es muß in der Nähe des Ablenkminimums in Richtung des oberen Teil des
Feldes wirken.
-
Die totale Korrektur ergibt sich aus der Kombination all dieser
Effekte:
-
- Anamorphose in Azimutrichtung durch Änderung der Brennweite,
-
- von der Prismengesamtheit erzeugte Ablenkung und Anamorphose in
Elevationsrichtung.
-
In Figur 4, die einen Schnitt durch die Vorrichtung entlang der Ebene xoz
zeigt, hat die Abweichung von der optischen Kameraachse nach unten einen Wert von
-6,108º, der Spitzenwinkel des Prismas 5 beträgt 20º und der Spitzenwinkel des Prismas
6 ist 5,4º.
-
Man muß also die Gesamtheit aus Kamera + Prisma in bezug auf die
Bezugsposition um 6,108º nach oben schwenken.
-
Eine derartige Kombination ermöglicht die Achromatisierung, wenn die
verbundenen Prismen 5 und 6 beispielsweise aus Gläsern mit Brechzahlen 1,508 (K7)
bzw. 1,796 (SF6) bestehen.
-
Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist die Vorteile eines verringerten
Raumbedarfs und damit Verringerung der Kosten auf, da sie nur zwei optische
Einzelteile enthält.
-
Dagegen haben die wichtigsten Abweichungen von der optischen Achse
eine viel größere Schwenkung der Gesamtheit aus Korrekturvorrichtung + Kamera zur
Folge.