DE3933255C2 - Richtungsstabilisiertes Fernrohr - Google Patents
Richtungsstabilisiertes FernrohrInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein binokulares
Fernrohr gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Fernrohre können ohne große Probleme und Kosten für sehr
starke Vergrößerungen und weite Blickwinkel hergestellt
werden. Dennoch beschränkt sich die am weitesten verbreitete
Variante für handgehaltene Fernrohre auf eine 8fache
Vergrößerung. Vergrößerungen von 10×, 12× bis 20× sind
ebenfalls erhältlich, jedoch ohne Stativ kaum vorteilhaft
nutzbar. Der Grund liegt in der mangelhaften Fixierung in der
Ausrichtung des Fernrohrs auf das betrachtete Objekt durch
die Hand, wodurch das Objekt mit steigendem
Verstärkungsfaktor immer mehr im Blickfeld umherflackert und
von den Augen nicht hinreichend lange fixiert werden kann um
die optisch vorhandenen Details auch zu erkennen. Bereits bei
Fernrohren mit der Verstärkung von 8× übertrifft die optische
Auflösung die von den meisten Benutzern erreichbare
dynamische Auflösung der betrachteten Objekte.
Zu diesem Problem sind einige Lösungen vorbekannt. In der
DE 23 34 158 C3 ist bei einem binokularen Fernrohr anderen
Bautyps das dort verwendete Prismensystem als eine in sich
starre binokulare Einheit kardanisch so gelagert, daß sie
aufgrund ihrer eigenen Massenträgheit der Gehäuseunruhe nicht
folgen kann. Die Notwendigkeit, dieses System wie eine Waage
auszutarieren und seine Leichtgängigkeit sicherstellen zu
müssen, erfordert einen hohen herstellerischen Aufwand und
zusätzliche Elemente wie drehbare rhombische Prismensysteme
zur Einstellung des Augenabstandes, sowie eine
Transportsicherung.
In der US-PS 4,235,506 wird ebenfalls eine kardanische
Aufhängung des Prismensystems beschrieben, die aber in beiden
Achsen motorisch angetrieben ist. Dies offenbart eine der
Hauptschwierigkeiten eines kardanischen Lösungsweges:
willkürlich muß eine der beiden Achsen als Hauptachse bestimmt
werden. Deren ausgeregelte Plattform muß dann die gesamte
Nebenachsenkonstruktion mit dem nötigen zweiten Antrieb tragen.
Das macht die Aufhängung und die Steueraggregate zu beiden
Achsen zwangsläufig ungleich und führt damit zu einer hohen
Anzahl unterschiedlicher mechanischer und auch elektronischer
Baugruppen. Dadurch ist diese Lösung teuer.
Ebenso wird in der DE 36 28 480 A1 die Verwendung eines
Beschleunigungssensorpaares beschrieben das dort zwei
Komponenten der Bewegungsunruhe des Gehäuses einer Kamera
ermittelt, einmal eine Winkelabweichung und einmal einen
Parallelversatz, die beide, insbesondere bei Nahaufnahmen,
ausgeregelt werden sollen. Diese Aufgabenstellung sowie der
dort dargelegte weitere Lösungsweg sind weit von der hier
vorliegenden Aufgabenstellung entfernt, zumal dort nur die
Kompensation um eine der beiden Unruheachsen gelöst ist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde durch
"Festhalten" des Bildes dem Betrachter alle vorhandenen
optischen Details zu erschließen, und außerdem die praktische
Verwendbarkeit von Fernrohren mit einer etwa 20fachen
Vergrößerung überhaupt erst zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch
die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Den vorbekannten Lösungen ist gemeinsam, daß alle Umlenkprismen
zu einer in sich starren Einheit zusammengefaßt sind und diese
Einheit kardanisch aufgehängt ist. Zum Teil geschieht das zur
vermeintlichen Vereinfachung, so daß nur ein Element kardanisch
aufgehängt und ausgeregelt werden muß. Zum anderen Teil auch
deshalb, weil befürchtet wird im ständigen Prozeß der
elektronischen Ausrichtung die beiden optischen Achsen des
binokularen Fernrohrs sonst nicht immer parallel halten zu
können.
Die hier vorgestellte Lösung dagegen durchbricht den Zwang eine
kardanische Aufhängung wählen zu müssen dadurch, daß es die
beiden notwendigen Drehachsen über die geschickte Verwendung
der vorhandenen optischen Komponenten vereinzelt, von da an
alle Achsen gleichwertig behandelt und mit baugleichen
Einheiten das Problem dennoch vollständig löst.
Überraschenderweise hat sich nämlich herausgestellt, daß das
Problem nicht nur ohne kardanische Aufhängung sondern sogar
auch ohne zusätzliche optische Komponenten gelöst werden kann.
Das binokulare Prismenfernrohr, welches zur Bildaufrichtung und
Faltung des optischen Weges je zwei teilüberlappende, um 90 Grad
zueinander verdrehte Porro-Prismen verwendet, dient dazu als
Ausgangspunkt. Die dort verwendeten rechtwinkligen Dach-Prismen
haben zwar die Eigenschaft bei einer Kippung um ihre Firstachse
die Richtung des Strahlengangs nicht zu verändern, bei der
Kippung um die dazu senkrechte und zur Grundfläche ebenfalls
parallele Achse jedoch wie ein normaler Spiegel zu wirken und
den zurückgeworfenen Strahl um den doppelten Kippwinkel
auszulenken. Auf diese Weise kann mit kleinen Auslenkungen die
"Blickrichtung" des Fernrohrs verändert werden, ohne daß der
Strahlengang wesentlich beeinträchtigt wird. Jedes der beiden
Porro-Prismen in einer Fernrohrhälfte ist unabhängig vom
anderen frei beweglich und übernimmt dazu, seiner Lage
entsprechend, je eine Komponente einer Nachführbewegung, so daß
-beide zusammen innerhalb eines Nachführbereiches jede
Schwankung um die beabsichtigte Zielrichtung des Fernrohrs, sei
es zur Höhe oder zur Seite oder beides, so zu korrigieren
gestatten, daß ein unbewegtes Objekt auch in Vergrößerung als
stillstehendes Bild betrachtet werden kann. Dabei sorgt die
erstgenannte Invarianz des Strahlengangs in Bezug auf eine
Kippung um die Firstachse der Prismen für eine perfekte Trennung
der beiden Stellvariablen voneinander ohne jeglichen
Quereinfluß. Die mechanischen wie die elektronischen Baugruppen
für die vier bewegten Prismen können dabei gleich sein, was zu
einer wesentlichen Reduzierung der Teile- und Komponentenviel
falt führt. Dadurch wird diese Lösung preiswert.
Zur Erfassung der Schwankungen um die beabsichtigte
Blickrichtung des Fernrohrs bedarf es mindestens zweier
Sensoren, die sinnvollerweise so ausgerichtet sind, daß sie die
Gehäuse-Drehbeschleunigungen um jene beiden Achsen zu messen
gestatten, die durch die Lage eines Porro-Prismenpaares und der
daraus resultierenden Lage seiner beiden Nachführ-Achsen
vorgegeben sind.
In der Fig. 2 sind zwei solcher Sensoren zusammen mit beiden
Fernrohrhälften skizzenhaft dargestellt. Sie bestehen aus je
einem Paar einfacher Beschleunigungssensoren hoher Auflösung,
die hantelartig zusammengefaßt und jeweils differentiell
beschaltet sind. Auf diese Weise sprechen sie nicht auf einen
parallelen Versatz des Fernrohres an, wohl aber auf eine
Drehung. Nur eine solche führt zu einer anderen Ausrichtung,
während der parallele Versatz ohne Belang bleibt, weil er in
jedem Fall sehr klein ist, und seine optische Wirkung auch
nicht dem Verstärkungsfaktor des Fernrohrs unterliegt. So
ausgerichtet, wie in Fig. 2 dargestellt, liefert das
Sensorpaar S1/S1′ Winkel-Beschleunigungswerte des Gehäuses die
mit entgegengesetzten und halb so großen Winkel-
Beschleunigungswerten am Porro-Prisma P1 kompensiert werden
müssen.
Fernrohre mit höherer Vergrößerung sind auch zwangsläufig
länger. In sie läßt sich deshalb auch eine längere Sensor-
Hantel einbauen, deren Empfindlichkeit für Drehbewegungen sich
verdoppelt, wenn ihre Länge sich verdoppelt hat. So kann auf der
Sensorseite mit gleichen Beschleunigungssensoren der
erforderlichen höheren Winkelauflösung von großen Rohren ohne
Mehraufwand Rechnung getragen werden.
Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel für den Verstell-
Mechanismus eines Prismas. Das Prisma ist in eine Halterung
eingeklebt, die mittels zweier Rillen, mit Federn spielfrei
gesichert, in zwei vom Gehäuse nach innen ragenden Schneiden
schwenkbar gelagert ist. Von dieser Halterung ragt ein Hebel
nach draußen, wo dieser über eine Differenzschraube relativ zum
Gehäuse fein geführt werden kann. Der Antrieb erfolgt über ein
einfaches Schnecken-Getriebe, bei dem das etwas breiter
gewählte Abtriebsrad auch bei axialem Versatz der
Differenzschraube die Kopplung an die Schnecke beibehält. Die
Schnecke selbst sitzt direkt auf der Welle eines
Miniaturmotors. Diese Vorrichtung ist so ausgelegt, daß das
Prisma mit solch feiner Auflösung verstellt werden kann, wie es
der Winkelauflösung des menschlichen Auges entspricht, welches
durch ein Fernrohr mit 10facher Vergrößerung schaut. Bei einem
eventuellen Ausfall der elektronischen Regelung wirkt dieser
Antrieb selbsthemmend und gestattet weiterhin das Fernrohr nach
bisheriger, ungeregelter Art zu benutzen.
Selbstverständlich sind auch andere Verstellmachanismen
realisierbar, wie solche die auf Piezokeramiken und
magnetostriktiven oder elektromagnetischen Effekten beruhen.
Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel für die elektrische
Beschaltung der in Fig. 3 dargestellten Ausführungsform für
eines der Prismen. Die von beiden Beschleunigungssensoren
kommenden Signale, werden durch eine Differenzbildung in ein
Winkelbeschleunigungs-Signal umgewandelt. Eine (normal
geschlossene) Drucktaste schließt das Signal kurz. Erst wenn
beim Blick durchs Fernrohr die gewünschte Szene ins Blickfeld
gebracht worden ist, wird durch einen Druck auf den Knopf die
Regelspannung freigegeben und dem Summationspunkt eines
Stromverstärkers zugeführt. Dieser schickt einen exakt
bemessenen Beschleunigungsstrom durch den Stellmotor, welchen
dieser, aufgrund seiner Massenträgheit, in solche beschleunigte
Schwenkbewegungen am Prisma umsetzt, daß diese vom Sensorpaar
erfaßte Zitterbewegungskomponente des handgehaltenen Gehäuses
ausgeglichen wird durch die gegenläufige Veränderung der
Blickrichtung des Fernrohres, und das stillstehende Objekt,
auch durchs Fernrohr gesehen, stillsteht und in Ruhe betrachtet
werden kann.
Eine Zusatzschaltung, welche über einen Optosensor beidseitige
Abweichungen von der Mittelstellung des Regelbereiches am
Axialversatz der Differtialschraube abliest, wird ebenfalls in
den Summationspunkt eingespeist und erzeugt, rivalisierend zu
dem Signal des Beschleunigungssensors, Rückführströme von
solcher Art, daß ein Erreichen eines der Ränder des
Regelbereiches praktisch ausgeschlossen ist. Vermittels dieser
überlagerten Rückführbewegung wird erreicht, daß trotz der
Ausregelung aller seiner unsteten Bewegungen, der sonst
ahnungslose Betrachter angeregt wird, die generelle Ausrichtung
auf das Objekt beizubehalten. Nach dem Loslassen der Regeltaste
und vor dem Abschalten der elektrischen Versorgung wird
außerdem das Prisma in seine Ruhestellung zurückgeführt, von wo
aus das Fernrohr stets wieder wie ein konventionelles Fernrohr
benutzt werden kann.
Selbstverständlich sind auch andere Ansteuerungen realisierbar,
insbesondere auch solche, die das Winkelbeschleunigungssignal
integrieren und in ein zur Drehgeschwindigkeit proportionales
Spannungssignal umwandeln und damit den Motor direkt
beaufschlagen. Dieser wird eine dazu proportionale
Geschwindigkeit einnehmen und diese auf das Prisma
regelungsgerecht übertragen.
Auch kann durch eine zweimalige Integration des
Winkelbeschleunigungssignales zunächst die jeweils
erforderliche Winkelstellung des Prismas ermittelt werden. Ein
Schrittmotor mit Zähler oder ein Stellmotor mit Ortssensor
können sodann das Prisma zu den jeweils ermittelten Stellungen
hinführen, wobei dieser Vorgang vorteilhaft 25 mal oder öfter
in der Sekunde stattfindet.
Claims (23)
1. Binokulares Prismenfernrohr (1) bestehend aus jeweils
einem Objektiv- und Okularlinsensystem mit einem dazwischen
befestigten, sich im Strahlengang zur Hälfte überlappenden
und in Bezug zur Mittellinie ihrer Basis um 90 Grad
zueinander versetzten, rechtwinkligen Porro-Prismen-Paar,
zusammengefaßt in zwei überwiegend spiegelsymmetrisch
gestalteten Gehäusehälften, die ihrerseits mit einer
zentralen Achse schwenkbar miteinander verbunden sind und
dort über eine auf beide Okulare wirkende Scharfeinstellung
verfügen,
dadurch gekennzeichnet, daß ein jedes
der vier Prismen (2) um jeweils eine Achse, die parallel zur
großen Mittellinie seiner Basis verläuft, um kleine Winkel
schwenkbar gelagert ist und von jeweils einem eigenen
Stellglied angetrieben wird, welches von einem ihm
zugeordneten Signal eines oder mehrerer mit dem Gehäuse fest
verbundenen Winkelbeschleunigungssensoren gesteuert wird,
welche die Schwankungsunruhe des handgehaltenen Gehäuses um
dieselbe oder eine dazu parallele Drehachse erfassen.
2. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß statt der Winkelbeschleunigungssensoren
Drehwinkelgeschwindigkeits-Sensoren zur Regelung der
Prismenausrichtung herangezogen werden.
3. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß statt der Winkelbeschleunigungssensoren
Sensoren zur Regelung der Prismenausrichtung herangezogen
werden, welche die jeweilige Winkelstellung absolut oder zu
einem äußeren Bezugssystem erfassen.
4. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 und 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lagewinkel mit Hilfe von periodisch
sich wiederholenden optoelektronischen Bildauswertungen des
reellen Fernrohrzwischenbildes ermittelt werden, die sich im
wesentlichen auf teilausgeblendete zeilenartige Bildausschnitte
begrenzen, wobei diese Zeilen gekreuzt und ihrerseits senkrecht
zu den Prismen-Schwenkachsen oder einer ihrer Parallelen
ausgerichtet sind.
5. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß nur zwei Sensoren für die vier Prismen
verwendet werden, wobei ein Sensor die Ausrichtung des
okularseitigen Prismas der einen Fernrohrhälfte und die
Ausrichtung des objektivseitigen Prismas der anderen
Fernrohrhälfte steuert, der andere Sensor in entsprechender
Weise die beiden anderen Prismen.
6. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 5, dadurch
gekennzeichnet, daß das Prisma welches nicht in der selben
Gehäusehälfte sitzt in welcher der ihm zugeordnete Sensor
untergebracht ist zur Ausrichtung nicht dessen volles Signal,
sondern eine Linearkombination aus einem großen Anteil von
diesem und aus einem kleinen Anteil des Signals des anderen
Sensors erhält, je nach dem gerade eingestellten Winkel beider
Fernrohrhälften zueinander, so wie dieser, zwecks individueller
Angleichung des Okular- zum Augenabstand, vom Benutzer gewählt
worden ist.
7. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß beide Sensoren in ein und derselben
Gehäusehälfte untergebracht sind.
8. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 5 und 6, dadurch
gekennzeichnet, daß je ein Sensor in einer der Gehäusehälften
untergebracht ist.
9. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 sowie 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeschleunigungssensoren
hantelartig aus jeweils zwei gleichartigen parallel zueinander
ausgerichteten Beschleunigungssensoren aufgebaut sind, und
deren elektrische Ausgänge differentiell so beschaltet sind,
daß eine gleichgroße Beschleunigung an beiden Hantelenden kein
Verstellsignal für die zugeordneten Prismen ergibt,
unterschiedliche Beschleunigungen hingegen ein je nach
Drehrichtung und Stärke unterschiedlich großes positives oder
negatives Verstellsignal bewirken.
10. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 sowie 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeschleunigungssensoren
aus jeweils einem differentiellen Drucksensor, welcher mit
seiner Membran einen sonst durchgängigen, allseitig
umschlossenen Flüssigkeitsring durchtrennt, aufgebaut sind und
dadurch bei Drehbewegungen um die Ringachse mit dieser Membran
jede selbsterfahrene Winkelbeschleunigung auf die
Flüssigkeitssäule überträgt, wobei infolge der Massenträgheit
der Flüssigkeit, je nach Richtung der Beschleunigung, eine dazu
proportionale positive oder negative Druckdifferenz resultiert,
deren elektrisches Signal zur Prismenaussteuerung verwendet
wird.
11. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 sowie 5 bis 8,
dadurch gekennzeichnet, daß die Winkelbeschleunigungssensoren
aus einem allseitig umschlossenen Flüssigkeitsring bestehen, in
den an einer Stelle ein Pfropfen einer magnetischen Flüssigkeit
eingefügt ist und dessen Position und Bewegung während einer
Beschleunigung um die Ringachse nach Art eines Linear Variable
Differential Transformers mittels einer ihn von außen
umfassenden, gehäusefesten Erregerspule und zweier symmetrisch
dazu angeordneten Sensorspulen erfaßt wird.
12. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 11,
dadurch gekennzeichnet, daß die auf
den Flüssigmagneten wirkenden Beschleunigungskräfte durch die
Wechselspannungsanteile erfaßt werden, die in einer den
Pfropfen von außen zentral umfassenden und sonst mit
Gleichstrom durchflossenen Haltespule induziert werden.
13. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 12, dadurch
gekennzeichnet, daß anstatt einer gleichstromdurchflossenen
Spule ein Permanentmagnet verwendet wird, und symmetrisch dazu
zwei Sensorspulen angebracht sind.
14. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 1 bis 13, dadurch
gekennzeichnet, daß zwei linear unabhängige Sensoren die
Bewegungsunruhe erfassen und durch geeignete Mischung ihrer
Signale die Prismen ansteuern.
15. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 1 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, daß die verwendeten Sensoren eine
Mischung aus den zuvor genannten Sensoren sind.
16. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Prismen
vermittels von Elektromotoren erfolgt.
17. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Prismen jeweils
mit Hilfe eines Elektromotors geschieht, der auf seiner Achse
eine Schnecke trägt, die über ein verbreitertes Schneckenrad
eine Differenzschraube treibt, welche durch eine
Gewindeführung am Gehäuse einerseits und einer weiteren
Gewindekopplung leicht anderer Ganghöhe an einen Hebelarm des
schwenkbar gelagerten Prismenkäfigs andererseits, die
Feinverstellung bewirkt und trotz ihrer vielfach größeren
Translation so an den Motor angekoppelt bleibt.
18. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 1 bis 15,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführung der Prismen mittels
Piezostellelementen erfolgt.
19. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 16 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Signal aus dem Drehwinkel-
Beschleunigungssensor in ein proportionales Stromsignal
verwandelt wird, mit welchem der Stellmotor des zugeordneten
Prismas beaufschlagt wird.
20. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 19, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Stromsignal dem Motor ein
weiteres bipolares Strom- oder Spannungssignal aufgeprägt wird,
welches mit zunehmender Auslenkung aus der Mittellage des
Stellbereiches von Betrag größer wird.
21. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 16 bis 17,
dadurch gekennzeichnet, daß das Signal der Drehwinkel-
Beschleunigungssensoren in ein geschwindigkeitsproportionales
Spannungssignal verwandelt wird, mit welchem, in richtiger
Polarität und Größe, der Stellmotor des zugeordneten Prismas
beaufschlagt wird.
22. Binokulares Prismenfernrohr nach Anspruch 21, dadurch
gekennzeichnet, daß zusätzlich zu dem Stellsignal ein bipolares
und nach Größe ansteigendes Strom- oder Spannungs-
Rückstellsignal dem Motor aufgeprägt wird, welches sich aus der
Abweichung von der Mittellage des Stellbereiches ableitet.
23. Binokulares Prismenfernrohr nach den Ansprüchen 1 bis 21,
dadurch gekennzeichnet, daß die Nachführregelung durch eine
Auslösertaste ein und ausgeschaltet werden kann.
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