DE3933255C2 - Richtungsstabilisiertes Fernrohr - Google Patents

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.