DE60036908T2

DE60036908T2 - Bildstabilisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE60036908T2
Application number: DE60036908T
Authority: DE
Inventors: Toshihisa Omiya-shi Ishijima; Kouichi Omiya-shi Nagata; Kenichi Omiya-shi Takahashi
Original assignee: Fujinon Corp
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1999-09-21
Filing date: 2000-09-20
Publication date: 2008-02-28
Anticipated expiration: 2020-09-21
Also published as: EP1087249B1; EP1087249A2; DE60036908D1; US6414793B1; DE1087249T1; JP4144827B2; EP1087249A3; JP2001091858A

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildstabilisierungsvorrichtung, die innerhalb einer optischen Vorrichtung wie etwa einem monokularen oder binokularen Fernglas und einer Videokamera angeordnet ist, um zu verhindern, dass aufgrund der Fluktuation im Emissionswinkel des Lichtflusses von einem Beobachtungsobjekt in Bezug auf die optische Achse der optischen Vorrichtung optische Bilder in einem verwackelten Zustand betrachtet werden, wenn die optische Vorrichtung vibriert.
Beschreibung vom Stand der Technik
Wenn eine zur optischen Beobachtung dienende optische Vorrichtung, wie etwa ein monokulares oder binokulares Fernglas, von Hand gehalten betrieben wird, dann wird, wenn die optische Vorrichtung insbesondere in einem Flugzeug, einem Fahrzeug oder dergleichen benutzt wird, wird die Schwingung oder das Kippen des Flugzeugs, des Fahrzeugs oder dergleichen auf die optische Vorrichtung übertragen, sodass der Emissionswinkel des Lichtflusses vom Beobachtungsobjekt in Bezug auf die optische Achse fluktuiert, wodurch das zu beobachtende optische Bild häufig schlechter wird. Selbst wenn die Vibration, die auf eine solche optische Vorrichtung übertragen wird, eine geringe Amplitude hat, wird der Fluktuationswinkel in Bezug auf die optische Achse vergrößert, da das Blickfeld in dem monokularen oder binokularen Fernglas und dergleichen eng ist und das Beobachtungsobjekt darin vergrößert betrachtet wird. Daher könnte selbst beim Verkippen mit einer relativ niedrigen Winkelfluktuationsgeschwindigkeit sich das Beobachtungsobjekt innerhalb des Blickfelds rasch bewegen und außer Sicht gelangen, wenn der Fluktuationswinkel groß ist, was unangenehm ist. Andererseits wird durch die Leistung der optischen Vorrichtung während des Kippens mit relativ hoher Winkelfluktuationsgeschwindigkeit die Winkelfluktuationsgeschwindigkeit des Bilds des Beobachtungsobjekts als zunehmend beobachtet, selbst wenn der Fluktuationswinkel relativ gering ist, wodurch das Bild verwackelt und schlechter wird, was unangenehm ist.
Herkömmlich sind verschiedene Bildstabilisierungsvorrichtungen vorgeschlagen worden, um zu verhindern, dass aufgrund von Fluktuationen im Emissionswinkel des Lichtflusses in Bezug auf die optische Achse aufgrund der auf die optische Vorrichtung übertragenen Vibration und Kippbewegung Beobachtungsbilder schlechter werden.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentschrift Nr. 57-37852 ein binakulares Fernglas, das darin ein Schwingungsverhinderungsmittel aufweist, das ein rotierendes Trägheitselement nutzt (einen Gyromotor), um das verwackelte Beobachten von Bildern in dem binakularen Fernglas zu korrigieren.
Bei dieser Technik ist nämlich ein Umkehrprisma auf der optischen Achse zwischen einer Objektivlinse und einem Okular des Fernglases angeordnet und ist an einem kardanischen Aufhängungsmittel gesichert, sodass das Umkehrprisma auch dann im wesentlichen in der gleichen Lage gehalten wird, wenn das Fernglas wegen schütteln der Kamera oder dergleichen vibriert, um zu verhindern, dass das Betrachtungsbild des Fernglases verwackelt.
In einer solchen herkömmlichen Technik, die ein rotierendes Trägheitselement und ein kardanisches Aufhängungsmittel verwendet, ist, während Bilder mit hoher Genauigkeit stabilisiert werden können, ein mit hoher Geschwindigkeit rotierendes Element erforderlich, um eine große Trägheitskraft innerhalb eines kleinen Raums zu gewinnen, und ist eine hohe Präzision erforderlich, da die von dem rotierenden Element selbst erzeugte Vibration reduziert werden muss. Solche Anforderungen nach geringer Größe, höherer Geschwindigkeit und höherer Präzision sind darin problematisch, dass sie Probleme im Hinblick auf die Kosten, die Lebensdauer, die Zeit, die nach dem Einschalten des Stroms zum Erhalt einer erforderlichen Trägheitskraft erforderlich ist, und dergleichen erzeugen. Wenn der wirksame Durchmesser der Objektivlinsen einhergehend mit der Erhöhung der Leistung oder Auflösung des Fernglases größer gemacht wird, dann wird das Umkehrprisma größer, wodurch eine hohe Trägheitskraft erforderlich ist, was die oben erwähnten Probleme verstärkt, um einhergehend damit der Stromverbrauch zunimmt.
Daher hat der Anmelder der vorliegenden Anmeldung eine Bildstabilisierungsvorrichtung vorgeschlagen ( japanische ungeprüfte Patentschrift Nr. 6-250100 ), worin an Stelle des oben erwähnten rotierenden Trägheitselements ein Winkelgeschwindigkeitssensor an dem kardanischen Aufhängugnsmittel angebracht ist und das Verschwenken des kardanischen Aufhängungsmittels entsprechend dem Ausgabewert von dem Winkelgeschwindigkeitssensor geregelt wird, um die Lage des Umkehrprismas in Bezug auf die Erde (Trägheitssystem) zu fixieren. Bei dieser Vorrichtung hat das Umkehrprisma, das mit dem kardanischen Aufhängungsmittel gehalten wird, grundlegend eine Trägheitskraft. Insbesondere ist die Lagehaltungsfähigkeit gegen Vibrationen relativ großer Amplituden in Bezug auf schnelle Vibrationen mit hoher Vibrationsfrequenz hoch. Daher kann die Steuerkraft für die Rotationsposition entsprechend dem Winkelgeschwindigkeitssensor klein gehalten werden. In anderen Bildstabilisierungsvorrichtungen, die Prismen oder Linsen mit variablen Winkel antreiben, sind jedoch aktive Antriebselemente erforderlich, und es wird erforderlich, die Antriebselemente mit hoher Geschwindigkeit zu betreiben, um eine große Amplitude bei hochfrequenten Schwingungen zu korrigieren, wodurch die Korrektur in einem weiten Winkelbereich schwierig wird.
Das oben erwähnte kardanische Aufhängungsmittel wird durch einen Aktuator wie etwa einem Elektromotor um zwei Schwenkachsen herum verschwenkt, die sich jeweils in seitlichen und vertikalen Richtungen der optischen Vorrichtung erstrecken. Der Aktuator wird durch PWM Regelung angetrieben, die eine exzellente Reaktion hat und im Hinblick auf die Energienutzungsgrad günstig ist.
Bei der PWM Regelung wird ein Pulswellenverlauf von dem Schwenksteuermittel an eine Treiberschaltung ausgegeben, und ein Aktuator wird mit Energie angetrieben, die der Pulsbreite des ausgegebenen Wellenverlaufs entspricht. Demzufolge gibt es ein Problem darin, dass dann, wenn die Versorgungsspannung der Treiberschaltung abfällt, während die Vorrichtung in Gebrauch ist, falls etwa eine Batteriestromquelle genutzt wird, die Aktuatorantriebsleistung abnehmen könnte, wodurch die gewünschte Schwenksteuerung nicht ausgeführt werden kann.
Wenn hingegen ein Regler an der Stromquelle an der Seite der Treiberschaltung angeordnet ist, um der Treiberschaltung eine konstante Spannung zuzuführen, dann kann die Aktuatorantriebsleistung konstant gehalten werden. In diesem Fall ist jedoch ein Hochleistungsregler erforderlich, wenn der Aktuator höher belastet wird, was keine Vorteile im Hinblick auf die Größe, die Wärmeerzeugung, die Kosten und dergleichen, insbesondere in einer klein bemessenen optischen Vorrichtung, ergibt.
Die EP-A-0834761 offenbart eine Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1. Die US-A-4,316,699 offenbart einen PMW geregelten Bildstabilisator, der einen Stromspannungsverstärker enthaltenden analogen Computer verwendet.
Zusammenfassung der Erfindung
Im Hinblick auf diese Umstände ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildstabilisierungsvorrichtung anzugeben, die derart konfiguriert ist, dass ein Aktuator zum Verschwenken eines kardanischen Aufhängungsmittels unter PWM Regelung über eine Treiberschaltung angetrieben wird, worin, selbst wenn die Versorgungsspannung der Treiberschaltung abfällt, während die Vorrichtung im Gebrauch ist, eine Verringerung der Aktuatorantriebsleistung verhindert werden kann, um die gewünschte Schwenksteuerung auszuführen.
Die vorliegende Erfindung sieht eine Bildstabilisierungsvorrichtung vor, die in einer optischen Vorrichtung angebracht ist, die ein monokulares oder binokulares optisches System aufweist, worin ein Umkehrprisma zwischen einer Objektivlinse und einem Okular angeordnet ist, während die Objektivlinse und das Okular des optischen Systems innerhalb eines Gehäuses gesichert sind; wobei die Bildstabilisierungsvorrichtung umfasst: ein kardanisches Aufhängungsmittel, das dazu ausgelegt ist, das Umkehrprisma am Gehäuse schwenkbar anzubringen, und zwei Schwenkachsen aufweist, die sich jeweils in seitlichen und vertikalen Richtungen der optischen Vorrichtung erstrecken; und einen Aktuator zum Verschwenken des kardanischen Aufhängungsmittels um die zwei Schwenkachsen herum; gekennzeichnet durch ein Schwenksteuermittel zum Antrieb des Aktuators unter der PWM Regelung über eine Treiberschaltung und zum Steuern/Regeln des Schwenkens des kardanischen Aufhängungsmittels um die zwei Schwenkachsen herum, um das Umkehrprisma in Bezug auf ein Erdträgheitssystem zu fixieren; eine zentrale Prozessoreinheit, worin eine Versorgungsspannung als konstante Spannung in die zentrale Prozessoreinheit über einen Regler eingespeist wird, worin die Versorgungsspannung von der zentralen Prozessoreinheit an deren A/D Anschluss ausgelesen wird, und ein Pulsweiten-Korrekturmittel zum Vergrößern einer Pulsweite eines Wellenverlaufs, der von dem Schwenksteuermittel an die Treiberschaltung ausgegeben wird, wenn die ausgelesene Versorgungsspannung der Treiberschaltung abfällt.
Bevorzugt wird in diesem Fall die Korrekturrate der Pulsweite auf den Kehrwert der Abfallrate der Versorgungsspannung gesetzt.
Während allgemein ein maximaler Grenzwert für die Pulsweite bei der PWM Regelung gesetzt wird, ist es bevorzugt, dass die Bildstabilisierungsvorrichtung ferner ein Maximal-Grenzwert-Korrekturmittel aufweist, um den maximalen Grenzwert zu vergrößern.
Bevorzugt wird in diesem Fall eine Korrekturrate des maximalen Grenzwerts auf den gleichen Wert wie die Korrekturrate der Pulsweite gesetzt.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Blockdiagramm, das eine Regelschleife der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 ist eine Schnittansicht entlang einer horizontalen Ebene, die ein Fernglas zeigt, in das die Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
3 ist eine frontale Schnittansicht, die das Fernglas zeigt, in das die Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
4 ist eine seitliche Schnittansicht, die das Fernglas zeigt, in das die Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
5 ist eine Perspektivansicht die das Fernglas zeigt, in das die Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung eingebaut ist;
6 ist eine schematische Perspektivansicht zur Erläuterung von Funktionen der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung;
7 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung von Funktionen der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung;
8 ist eine Seitenansicht zur Erläuterung eines in 2 gezeigten Umkehrprismas;
9 ist ein Schaltplan, das Inhalte der PWM Regelung in der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
10 ist ein Wellenverlaufdiagramm, das Inhalte der PWM Regelung in der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
11 ist ein Wellenverlaufdiagramm, das zeigt, wie die Pulsweite in der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung korrigiert wird; und
12 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich Versorgungsspannungen ändern, wenn in der Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß der Ausführung der vorliegenden Erfindung eine Batterie verwendet wird.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungen
Im Folgenden wird eine Ausführung der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die Zeichnungen erläutert.
2 bis 5 sind eine Schnittansicht entlang einer horizontalen Ebene, eine frontale Schnittansicht, eine seitliche Schnittansicht und eine Perspektivansicht, die den Zustand zeigen, wo die Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in einem binokularen Fernglas eingebaut ist. Wie dargestellt umfasst das Fernglas, in dessen Gehäuse 30 die Bildstabilisierungsvorrichtung 20 dieser Ausführung eingebaut ist, ein Paar von Objektivlinsensystemen 1a, 1b; ein Paar von Okularsystemen 2a, 2b; sowie ein Paar von Umkehrprismen 3a, 3b. Die Objektivlinse 1a, das Okular 2a und das Umkehrprisma 3a stellen ein erstes Teleskopsystem 10a dar. Ähnlich stellen die Objektivlinse 1b, das Okular 2b und das Umkehrprisma 3b ein zweites Teleskopsystem 10b dar. Die ersten und zweiten Teleskopsysteme 10a, 10b bilden als Paar ein binokulares System.
Ein Paar der Objektivlinsensysteme 1a, 1b und ein Paar der Okulare 2a, 2b, die das binokulare System darstellen, sind am Gehäuse 30 der optischen Vorrichtung befestigt. Die Umkehrprismen 3a, 3b sind am Gehäuse 30 mittels kardanischer Aufhängungsmittel 7, 107 schwenkbar angebracht, welche Schwenkachsen 6, 106 (siehe 6) aufweisen, die sich in der vertikalen Richtung der Vorrichtung (in der Richtung orthogonal sowohl der optischen Achse als auch der Ausrichtungsrichtung der Objektivlinsensysteme 1a, 1b) bzw. der seitlichen Richtung der Vorrichtung (der Ausrichtungsrichtung der Objektivlinsen 1a, 1b erstrecken).
Auch ist die Rückseite des Gehäuses 30 mit einem Hauptschalter 50 und einem Verstärkungsumschaltanweisungsschalter 40 versehen, der das Umschalten einer Verstärkung in einer später erläuterten Regelschleife gestattet, zur Bedienung von der Außenseite her.
Im Folgenden werden die Grundfunktionen, auf denen die Vorrichtung gemäß dieser Ausführung beruht, in Bezug auf die 6 und 7 erläutert. In dieser Beschreibung bezieht sich die vertikale Richtung der Vorrichtung auf die Richtung von Pfeil A in 6, wohingegen sich die seitliche Richtung der Vorrichtung auf die Richtung im Pfeil C in 6 bezieht.
Die optische Vorrichtung hat die Konfiguration eines üblichen Fernglas-Systems in dem Zustand, wo die kardanischen Aufhängungselemente 7, 107, an denen die oben erwähnten Umkehrprismen 3a, 3b angebracht sind, in Bezug auf das Gehäuse 30 fixiert sind, d. h., wo die an dem kardanischen Aufhängungsmittel 7, 107 angebrachten Umkehrprismen 3a, 3b demzufolge an dem Gehäuse 30 gesichert sind, in 6. Die jeweiligen optischen Achsen 4a, 4b der optischen Teleskopsysteme 10a, 10b werden hierbei als optische Achsen der optischen Vorrichtung bezeichnet.
Die richtigen Positionen zum Anordnen der Ojektivlinsensysteme 1a, 1b; der Umkehrprismen 3a, 3b; der kardanischen Aufhängungselemente 7, 107; der Schwenkachsen 6, 106; und dergleichen werden im Detail in der bekannten Literatur erläutert (z. B. japanische Patentschrift Nr. 57-37852 ), und werden hier nicht wiederholt.
In der Vorrichtung dieser Ausführung ist, wie in 6 gezeigt, das innere kardanische Aufhängungselement 107 an dem äußeren kardanischen Aufhängungselement 7 axial gelagert, sodass die kardanische Aufhängungsvorrichtung eine Innen-/Außendoppelstruktur hat. Während das äußere kardanische Aufhängungselement 7 um die Schwenkachse 6 herum verschwenkt wird, die sich in der seitlichen Richtung der Vorrichtung erstreckt, um das Verwackeln der Bilder in Bezug auf die vertikale Richtung zu korrigieren, wird das innere kardanische Aufhängungselement 7 um die Schwenkachse 106 verschwenkt, die sich in der vertikalen Richtung der Vorrichtung erstreckt, um das Verwackeln der Bilder in Bezug auf die seitliche Richtung zu korrigieren. Die Umkehrprismen 3a, 3b sind an dem inneren kardanischen Aufhängungselement 107 angebracht. In 6 ist die vertikale Beziehung entgegengesetzt zu jener in den 2 bis 5 gezeigt.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 8 ist am Mittelteil des oberen Wandabschnitts des äußeren kardanischen Aufhängungselements 7 befestigt, wohingegen der Winkelgeschwindigkeitssensor 108 an dem Mittelteil des vorderen Wandabschnitts des Inneren kardanischen Aufhängungselements 107 befestigt ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 8 ist ein Sensor, der, wenn das äußere kardanische Aufhängungselement 7 einhergehend mit der vertikalen Fluktuation des Gehäuses 30 in Richtung von Pfeil B schwenkt, dessen Drehwinkelgeschwindigkeit ω1 erfasst. Andererseits ist der Winkelgeschwindigkeitssensor 108 ein Sensor, der, wenn das innere kardanische Aufhängungselement 107 einhergehend mit der seitlichen Fluktuation des Gehäuses 30 in Richtung von Pfeil D schwenkt, dessen Drehwinkelgeschwindigkeit ω2 erfasst.
Zur Ausführung einer Positions-Rückführregelung zusätzlich zur Geschwindigkeits-Rückführregelung basierend auf der erfassten Winkelgeschwindigkeit ist ein Positionssensor 9 zum Erfassen des Drehwinkels θ1 der Schwenkachse 1 am einen Ende der Schwenkachse 6 angebracht. Am anderen Ende der Schwenkachse 6 ist ein Drehmotor 5 zum Verschwenken der Schwenkachse 6 des kardanischen Aufhängungselements 7 angebracht, um zu bewirken, dass die Umkehrprismen 3a, 3b gegenüber der Fluktuation des Gehäuses 30 gemäß den erfassten Werten von den Winkelgeschwindigkeitssensor 8 und dem Positionssensor 9 immer wieder ihre Anfangslagen einnehmen. Andererseits ist, zur Ausführung der Positionsrückführregelung zusätzlich zur Geschwindigkeitsrückführregelung basierend auf der erfassten Winkelgeschwindigkeit ein Positionssensor 109 zum Erfassen des Drehwinkels θ2 der Schwenkachse 106 am einen Ende der Schwenkachse 106 angebracht. Am anderen Ende der Schwenkachse 106 ist ein Drehmotor 105 zum Verschwenken der Schwenkachse 106 des kardanischen Aufhängungselements 107 angebracht, um zu bewirken, dass die Umkehrprismen 3a, 3b entgegen der Fluktuation des Gehäuses 30 in Bezug auf die seitliche Richtung entsprechend den erfassten Werten von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 108 und dem Positionssensor 109 immer wieder ihre Anfangslagen einnehmen.
Ein Grundkonzept der Regelschleife in der vorliegenden Ausführung wird nun in Bezug auf 7 erläutert. Wie dargestellt umfasst diese Vorrichtung Verstärker 11a, 11b zum Verstärken des Winkelgeschwindigkeitssignals von dem Winkelgeschwindigkeitssensors 8 und des Winkelsignals von dem Positionssensors 9; eine CPU 12 zum Berechnen des Antriebsbetrags des Drehmotors 5, um zu bewirken, dass die Umkehrprismen 3a, 3b entsprechend dem Winkelgeschwindigkeitssignal und dem Winkelsignal ihre ursprünglichen Lagen wieder einnehmen, und zum Ausgeben eines Steuersignals basierend auf dieser Berechnung; sowie eine Motortreiberschaltung 13 zum Verstärken des Steuersignals von der CPU 12 und zum Antreiben des Drehmotors 5. Die Treibersteuerung des Drehmotors 5 in der CPU 12 wird durch PWM (Pulsweitenmodulation) Regelung ausgeführt, die eine ausgezeichnete Reaktion hat und im Hinblick auf den Energienutzungsgrad günstig ist.
Mit der CPU 12 sind ein ROM 12a, das verschiedene Programmarten speichert und der Verstärkungsumschaltanweisungsschalter 40 zum Anweisen der CPU 12 zum Ändern der Verstärkung in der Regelschleife verbunden. Wie die erfassten Signale von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 8 und dem Positionssensor 9 werden die erfassten Signale von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 108 und dem Positionssensor 109 durch eine Regelschleife, die ähnlich der in 7 gezeigten ist, in ein Steuersignal umgewandelt, und der Drehmotor 105 wird durch dieses Steuersignal umgewandelt.
Während in der Vorrichtung dieser Ausführung zwei Sätze von Regelschleifen erforderlich sind, um zu bewirken, dass die zwei, d. h. die inneren und äußeren kardanischen Aufhängungselemente 7, 107 ihre ursprünglichen Lagen wieder einnehmen, kann die CPU 12 gemeinsam verwendet werden.
Nun wird eine detaillierte Konfiguration der Regelschleife in Bezug auf 1 erläutert.
Diese Regelschleife ist aus zwei Rückkopplungsschleifen aufgebaut, d. h. einer Geschwindigkeits-(d. h. Winkelgeschwindigkeits)-Rückkopplungsschleife und einer Positions-(Winkel)-Rückkopplungsschleife. Auch ist diese Regelschleife durch eine Kombination einer Softwareschleife, die durch Mikroprozessorprogramme in der CPU 12 aufgebaut ist, und einer Hardwareschleife aufgebaut.
Zuerst erfasst die Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife die Winkelgeschwindigkeit ω der kardanischen Aufhängungsvorrichtung 70 (7, 107) um die Schwenkachse 6, 106 mit einem Winkelgeschwindigkeitssensor 61 (8, 108). Somit wird der erfasste Wert ω durch einen Hardwareverstärker 62 verstärkt und wird dann zu einem Motortreibersystem 68 negativ rückgekoppelt (erste Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife). Infolge dessen wird in einem Motor 69 ein Gegendrehmoment erzeugt, wodurch die Regelung derart beeinflusst wird, dass die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 entgegen Vibrationen wie etwa Kameraschütteln und dergleichen ihre ursprüngliche Lage wieder einnimmt, d. h. die Umkehrprismen 3a, 3b in Bezug auf die Erde (Trägheitssystem) gegen Vibrationen mit großer Winkelgeschwindigkeit gesichert werden.
Auch wird in dieser Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife der von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 61 erfasste Wert über einen Subtraktor 63 und einem Verstärker 64 in einen Integrator 65 gespeist. Dann wird in einem Subtraktor 66 der direkt von dem Verstärker 62 zugeführte erfasste Wert vom Ausgangswert des Integrators 65 subtrahiert, und das Ergebnis der Subtraktion wird zu dem Motortreibersystem 68 negativ rückgekoppelt (zweite Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife). Da der von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 61 erfasste Wert über den Integrator 65 negativ rückgekoppelt wird, kann das Steuersystem auch dann funktionieren, wenn der Offset in Bezug auf einen Geschwindigkeitsbefehl Null ist, d. h., wenn ein Geschwindigkeitseingangswert und ein Geschwindigkeitsausgangswert der Rückkopplungsschleife miteinander identisch sind. Auch weil die Schleifenverstärkung dupliziert werden kann, kann die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 mit höherer Geschwindigkeit stabilisiert werden (die Stabilisierungsgenauigkeit kann erhöht werden).
Der Integrator 65 hat die Funktion, Eingangswerte aufzumitteln, wohingegen sein Ausgangswert der Subtraktion mit dem erfassten Winkelgeschwindigkeitswert im Subtraktor 66 unterzogen wird. Daher kann der Integrator 65 so betrieben werden, dass er eine Dampferfunktion hat, um zu verhindern, dass die erste Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife schwenkt.
Andererseits erfasst die Positionsrückkopplungsschleife die Winkelposition θ der kardanischen Aufhängungsvorrichtung 70 um die Schwenkachse 6, 106, mit einem Positionssensor 81 (9, 109), verstärkt den so erfassten Wert mit einem Hardware-Verstärker 82 und schickt dann den so verstärkten Wert zum Motortreibersystem 68 zurück, um hierdurch den Drehmotor 69 (5, 105) derart anzusteuern, dass sich die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 der Winkelposition θ₀ des Mittelpunkts auf der Kollimationsachse annähert.
Es gibt Fälle, wo die optische Vorrichtung wie etwa das Fernglas stark verschwenkt oder gekippt wird. Wenn die oben erwähnte Geschwindigkeits-Rückkopplungsschleife allein zur Steuerung in solchen Fällen benutzt wird, ist dessen Reaktion auf das Verschwenken oder kippen ungünstig, wobei die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 so stark verschwenkt werden könnte, dass sie mit dem Gehäuse 30 am Bewegungsbegrenzungsabschnitt davon kollidiert.
Wenn daher festgestellt wird, dass die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 in dieser Positionsrückkopplungsschleife stark verschwenkt worden ist, dann wird ein dem erfassten Wert entsprechendes Signal zum Motortreibersystem 68 zurückgeschickt, wodurch der Motor 69 angetrieben wird, um die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 kräftig zum Mittelpunkt auf der Kollimationsachse zurückzubringen. Infolge dessen wird beim Verschwenken, Kippen und dergleichen verhindert, dass die kardanische Aufhängungsvorrichtung 70 unerwartet mit dem Gehäuse 30 an dessen Bewegungsbegrenzungsabschnitten kollidiert, und wird deren Nachführcharakteristik, wenn ein Verschwenken oder Kippen ausgeführt wird, verbessert.
Diese Positionsrückkopplungsschleife ist derart konfiguriert, dass das erfasste Signal von dem Positionssensor 81 grundlegend über einen ersten Verstärker 83 rückgekoppelt wird. Der Verstärkungsfaktor des ersten Verstärkers 83 hat eine lineare Charakteristik, die allmählich zunimmt, wenn der Schwenkwinkel der kardanischen Aufhängungsvorrichtung 70 besser wird, wohingegen der Gradient dieser Liniencharakteristik auf einen relativ geringen Wert gesetzt wird. Der erste Verstärker 83 wird nämlich so eingestellt, dass er die Verstärkung der Positionsrückkopplungsschleife (die Positionsverstärkung) auf einen relativ geringen Wert drückt, um hierdurch einen Modus (Antivibrationsmodus) zu bekommen, der den Antivibrationsleistungen mehr Wichtigkeit zumisst.
Wenn ein Fernglas in der Praxis benutzt wird, werden häufig fliegende Objekte wie etwa Vögel und Flugzeuge beobachtet, während sie verfolgt werden. In diesem Fall sind schnelle Schwenk-/Kippvorgänge erforderlich, insbesondere schnelles Schwenken. Da es erforderlich ist, dass das optische System in der Vorrichtung das Beobachtungsobjekt in dessen Bewegungsrichtung glattgängig zu verfolgen, erfordert ein Schwenkvorgang eine Funktion, die im Gegensatz zur oben erwähnten Antivibrationsfunktion steht, um das optische System in seiner ursprünglichen Position zu sichern. Daher ist es hingegen erforderlich, die oben erwähnte Antivibrationsfunktion auszusetzen, wenn eine solche Schwenk-/Kippoperation ausgeführt wird.
Daher ist diese Ausführung derart konfiguriert, dass ein zweiter Verstärker 84, der einen höheren Verstärkungsfaktor hat, innerhalb der Positionsrückkopplungsschleife parallel zum ersten Verstärker 83, der einen niedrigeren Verstärkungsfaktor hat, angeordnet ist, während durch einen Software-Schaltabschnitt 85 zwischen dem ersten Verstärker 83 und dem zweiten Verstärker 84 umgeschaltet werden kann. Während der Verstärkungsfaktor des zweiten Verstärkers 84 eine solche lineare Charakteristik hat, dass sie allmählich zunimmt, wenn der Schwenkwinkel der kardanischen Aufhängungsvorrichtung 70 größer wird, wird der Gradient dieser linearen Charakteristik auf einen viel größeren Wert als den im ersten Verstärker 83 gesetzt.
Das Umschalten des Software-Schaltabschnitts 85 wird ausgeführt, wenn der Bediener den Modusumschalter 40 an der Rückseite des Gehäuses 30 in Reaktion auf die Umstände schaltet. Wenn der Software-Schaltabschnitt 85 mit dem zweiten Verstärker 84 verbunden ist, wird die Positionsverstärkung größer gestellt, wodurch man einen Modus (Schwenkmodus) erhält, der den Nachführeigenschaften mehr Wichtigkeit zumisst.
Nun wird die durch die CPU 12 bewirkte Antriebssteuerung des Drehmotors 5 erläutert.
Wie oben erwähnt, wird der Drehmotor 5 unter PWM Regelung über die Motortreiberschaltung 13 angetrieben. 9 und 10 sind ein Schaltplan und ein Wellenverlaufsdiagramm, die die Inhalte der PWM Regelung in leicht verständlicher Weise zeigen.
Wie in diesen Zeichnungen gezeigt, erzeugt die CPU 12 einen Pulswellenverlauf und gibt ihn an die Motortreiberschaltung 13 aus, wohingegen die Motortreiberschalter 13 den Drehmotor 5 mit einer Energie betreibt, die der Pulsweite des ausgegebenen Wellenverlaufs entspricht. Da Kondensatoren C1 und C2 mit beiden Anschlüssen des Drehmotors 5 jeweils verbunden sind, hat die an dem Drehmotor 5 tatsächlich angelegte Spannung einen Wellenverlauf, wie in 10 mit der unterbrochenen Kurve angegeben ist.
Während eine Versorgungsspannung V_p der Motortreiberschaltung 13 zugeführt wird, fällt die Versorgungsspannung V_p allmählich ab, wenn die Batterie benutzt wird. Wenn die Versorgungsspannung V_p als solche abfällt, dann sinkt die Energie zum Antrieb des Drehmotors 5, wodurch die gewünschte Schwenksteuerung nicht ausgeführt werden kann.
Wenn daher die Versorgungsspannung V_p der Motortreiberschaltung 13 in dieser Ausführung abfällt, vergrößert die CPU 12 die Pulsweite des Wellenverlaufs, der von der CPU 12 an die Motortreiberschaltung 13 ausgegeben wird, wie in 11 gezeigt.
Während nämlich die Versorgungsspannung V_p als konstante Spannung V_cc (5 V) über den Regler in die CPU 12 gespeist wird, wird die Versorgungsspannung V_p von der CPU 12 an deren A/D Anschluss ausgelesen. Wenn somit die ausgelesene Versorgungsspannung V_p auf eine Spannung V₂ fällt, die niedriger als deren Nennspannung V₂ ist, dann wird die Pulsweite des ausgegebenen Wellenverlaufs so korrigiert, dass sie entsprechend dem Betrag des Abfalls von W₁ zu W₂ vergrößert wird. Die Korrekturrate (W₂/W₁) wird hierbei auf den Kehrwert (V₁/V₂) der Abfallrate der Versorgungsspannung V_p gesetzt.
Auch wird in dieser Ausführung ein maximaler Grenzwert W_max für die Pulsweite des ausgegebenen Wellenverlaufs gesetzt, während die CPU 12 den maximalen Grenzwert V_max erweitert, wenn die Versorgungsspannung V_p der Motortreiberschaltung 13 abfällt. Der maximale Grenzwert W_max wird auf 1/2 der Periode T des von der CPU 12 ausgegebenen Wellenverlaufs gesetzt, wohingegen dessen Korrekturrate auf den gleichen Wert wie die Korrekturrate (W₂/W₁) der Pulsweite gesetzt wird.
Wie im Vorstehenden im Detail erläutert, wird, während der Drehmotor 5 durch die CPU 12 unter der PWM Regelung über die Motortreiberschaltung 13 angetrieben wird, wenn die Versorgungsspannung V_p der Motortreiberschaltung 13 abfällt, wenn die Batterie benutzt wird, die Pulsweite des ausgegebenen Wellenverlaufs durch die CPU 12 so korrigiert, dass sie in Antwort auf den Abfall größer wird. Daher kann verhindert werden, dass die Aktuator-Antriebskraft abnimmt, um in dieser Ausführung die gewünschte Schwenksteuerung auszuführen.
Da auch die Korrekturrate (W₂/W₁) der Pulsweite auf den Kehrwert (V₁/V₂) der Abfallrate gesetzt wird, kann in Antwort auf den Abfall in der Versorgungsspannung V_p eine geeignete Aktuatorantriebskraft erhalten werden.
12 ist ein Diagramm, das zeigt, wie sich die Versorgungsspannung V_p verändert, wenn eine Batterie benutzt wird, in dem Fall, wo eine Batteriestromquelle, die vier AA Alkalizellen in Serie aufweist, in der Bildstabilisierungsvorrichtung dieser Ausführung angewendet wird.
Wie dargestellt, fällt in einer solchen Batteriestromquelle die Versorgungsspannung V_p allmählich von einer Spannung, die etwas höher ist als deren Nennspannung von 6 V, wenn sie benutzt wird, ab, sodass sie in 2 Stunden etwa 5,2 V und in vier Stunden etwa 4 V wird, und fällt danach drastisch ab.
Wenn die Pulsweite nicht so korrigiert wird, dass sie größer wird, dann werden nur etwa 2 Stunden der Batterielebensdauer genutzt, da eine Treiberspannung von zumindest etwa 5,2 V zum Antrieb des Drehmotors 5 erforderlich ist. Im Gegensatz hierzu wird in dieser Ausführung die Pulsweite in Antwort auf den Abfall der Versorgungsspannung V_p erweitert, wodurch der Drehmotor 5 sogar bei einer Treiberspannung von etwa 4,5 V vollständig angetrieben werden kann. Daher kann die Batterielebensdauer entsprechend dieser Ausführung stark verlängert werden.
Auch wird in dieser Ausführung der maximale Grenzwert W_max durch die CPU 12 so korrigiert, dass er zunimmt, wenn die Versorgungsspannung V_p der Motortreiberschaltung 13 abfällt. Daher wird es möglich, die Gefahr zu reduzieren, dass die vergrößerte Pulsweite W₂ den maximalen Grenzwert W_max überschreitet und hierdurch begrenzt wird. Da insbesondere die Korrekturrate des maximalen Grenzwerts W_max aus dem gleichen Wert wie die Korrekturrate (W₂/W₁) der Pulsweite gesetzt wird, überschreitet die Pulsweite W₂ den maximalen Grenzwert W_max nicht, wodurch in dieser Ausführung immer eine erforderliche Aktuatorantriebskraft sichergestellt werden kann.
Beispiele der Umkehrprismen 3a, 3b enthalten Schmidt-Umkehrprismen, Abbe-Umkehrprismen, Bauernfeind-Umkehrprismen, Porro-Umkehrprismen und Dach-Umkehrprismen. Unter diesen zeigt 8 ein Schmidt-Umkehrprisma. Das Schmidt-Umkehrprisma ist gemäß Darstellung aus zwei Prismen 23, 24 aufgebaut, wohingegen ein Teil 25 des Prismas 24 als Dachreflektionsfläche 24 wirkt. In einem solchen Umkehrprisma gibt es eine Position auf der optischen Eintrittsachse, wo die optische Eintrittsachse 21 und die optische Austrittsachse 25 auf der gleichen Linie ausgebildet werden können, wie dargestellt. Ein solches Umkehrprisma, in dem die optische Eintrittsachse 21 und die optische Austrittsachse 22 auf der gleichen Linie ausgebildet werden können, hat eine Eigenschaft, dass, wie in 8 gezeigt, ein Lichtstrahl 21', der parallel zur optischen Achse 21 und um h von der optischen Achse 21 nach oben versetzt ist, nach Durchtritt durch das Umkehrprisma zu einem Lichtstrahl 22' wird, der parallel zur optischen Achse 22 und um h von der optischen Achse 22 nach unten versetzt ist.
Der Winkelgeschwindigkeitssensor 8, 108 ist ein piezoelektrischer Vibrationsgyrosensor, der einen säulenförmigen Vibrator aufweist, der wie ein Zylinder oder dergleichen geformt ist und eine Mehrzahl piezoelektrischer keramischer Stücke aufweist und die Corioliskraft verwendet, worin zumindest zwei piezoelektrische Keramikstücke zum Erfassen und zumindest ein piezoelektrisches Keramikstück zur Rückkopplung an einer Seitenfläche des säulenförmigen Vibrators angeordnet sind.
Die piezoelektrischen Keramikstücke zum Erfassen geben jeweilige erfasste Signale aus, die in Abhängigkeit von der Vibration voneinander unterschiedliche Werte haben. Wenn deren Differenz berechnet wird, erhält man eine Winkelgeschwindigkeit.
Die piezoelektrische Keramik zur Rückkopplung dient zur Korrektur der Phase der erfassten Signale.
Da der Winkelgeschwindigkeitssensor 8, 108 eine einfache Struktur und eine sehr geringe Größe hat, kann die Bildstabilisierungsvorrichtung 20 selbst eine einfache Struktur und eine sehr geringe Größe erreichen. Auch da er ein hohes Signalrauschverhältnis und eine hohe Präzision hat, kann die Winkelgeschwindigkeitsregelung eine hohe Genauigkeit erreichen.
Die Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung ist nicht auf jene gemäß der oben erwähnten Ausführung beschränkt und kann in verschiedener Weise modifiziert werden. Zum Beispiel kann, als das Winkelgeschwindigkeitsinformationserfassungsmittel, nicht nur ein piezoelektrischer Vibrationsgyrosensor vom säulenartigen Vibratortyp verwendet werden, sondern es können auch piezoelektrische Vibrationsgyrosensoren verschiedener Typen verwendet werden, wie etwa ein Dreieckprisma-Vibratortyp, ein Vierecktyp-Vibratortyp und ein stimmgabelförmiger Vibratortyp. Ferner können verschiedene Arten anderer Winkelgeschwindigkeitssensoren verwendet werden.
Als das Winkelpositionserfassungsmittel können, an Stelle des oben erwähnten Positionssensors, auch verschiedene Winkelsensoren wie etwa einem Resolver, einen Synchro, einen Drehkodierer und dergleichen verwendet werden.
Obwohl die Vorrichtung der oben erwähnten Ausführung eine Konfiguration zur Verwendung in einem binokularen Fernglas hat, kann die Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auch eine Konfiguration haben, die auf ein monokulares Fernglas anwendbar ist. Auch können ähnliche Effekte erhalten werden, wenn die Vorrichtung von einer Kamera wie etwa einer Videokamera angebracht wird.
Während die Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung derart konfiguriert ist, dass der Aktuator zum Verschwenken des kardanischen Aufhängungsmittels und der PWM Regelung über eine Treiberschaltung angetrieben wird, wird die Pulsweite des an die Treiberschaltung ausgegebenen Wellenverlaufs so korrigiert, dass sie größer wird, wenn die Versorgungsspannung der Treiberschaltung abfällt, während die Vorrichtung im Gebrauch ist, wobei verhindert werden kann, dass die Aktuatorantriebskraft absinkt, um die gewünschte Schwenksteuerung auszuführen.
PWM ist die Abkürzung für Pulsweitenmodulation.
In einer Bildstabilisierungsvorrichtung, in der ein Aktuator zum Verschwenken eines kardanischen Aufhängungsmittels unter PWM Regelung über eine Treiberschaltung angetrieben wird, wird die Pulsweite des von einer CPU an die Treiberschaltung ausgegebenen Wellenverlaufs vergrößert, wenn die Versorgungsspannung V_p in der Treiberschaltung abfällt. Die CPU ließt nämlich die Versorgungsspannung V_p aus und vergrößert die Pulsweite des ausgegebenen Wellenverlaufs von W₁ zu W₂, wenn die Versorgungsspannung V_p von ihrer Nennspannung V₁ auf eine niedrigere Spannung V₂ absinkt. Die Korrekturrate (W₂/W₁) wird auf den Kehrwert (V₁/V₂) der Abfallrate der Versorgungsspannung V_p gesetzt, um in Antwort auf den Abfall der Versorgungsspannung V_p eine geeignete Aktuatorantriebskraft zu bekommen.

Claims

Bildstabilisierungsvorrichtung, die in einer optischen Vorrichtung angebracht ist, die ein monokulares oder binokulares optisches System aufweist, worin ein Umkehrprisma (3a, b) zwischen einer Objektivlinse (1a, b) und einem Okular (2a, b) angeordnet ist, während die Objektivlinse und das Okular des optischen Systems innerhalb eines Gehäuses gesichert sind; wobei die Bildstabilisierungsvorrichtung umfasst: ein kardanisches Aufhängungsmittel (70, 7, 107), das dazu ausgelegt ist, das Umkehrprisma (3a, b) am Gehäuse (30) schwenkbar anzubringen, und zwei Schwenkachsen (6, 106) aufweist, die sich jeweils in seitlichen und vertikalen Richtungen der optischen Vorrichtung erstrecken; und einen Aktuator (5, 105) zum Verschwenken des kardanischen Aufhängungsmittels (70, 107) um die zwei Schwenkachsen (6, 106) herum; gekennzeichnet durch ein Schwenksteuermittel (in 12) zum Antrieb des Aktuators (5, 105) unter PWM Regelung über eine Treiberschaltung (13) und zum Steuern/Regeln des Schwenkens des kardanischen Aufhängungsmittels (70, 7, 107) um die zwei Schwenkachsen (6, 106) herum, um das Umkehrprisma (3a, b) in Bezug auf ein Erdträgheitssystem zu fixieren; eine zentrale Prozessoreinheit (12), worin eine Versorgungsspannung (V_p) als konstante Spannung (V_cc) in die zentrale Prozessoreinheit (12) über einen Regler eingespeist wird, worin die Versorgungsspannung (V_p) von der zentralen Prozessoreinheit (12) an deren A/D Anschluss ausgelesen wird, und ein Pulsweiten-Korrekturmittel (in 12) zum Vergrößern einer Pulsweite eines Wellenverlaufs, der von dem Schwenksteuermittel (12) an die Treiberschaltung (13) ausgegeben wird, wenn die ausgelesene Versorgungsspannung (V_p) der Treiberschaltung (13) abfällt.
Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin eine Korrekturrate (W₂/W₁) der Pulsweite auf den Kehrwert (V₁/V₂) der Abfallrate der Versorgungsspannung (V_p) gesetzt wird.
Bildstabilisierungsvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, worin ein maximaler Grenzwert (W_max) für die Pulsweite gesetzt wird, wobei die Bildstabilisierungsvorrichtung ferner ein Maximaler-Grenzwert-Korrekturmittel (in 12) aufweist, um den maximalen Grenzwert (W_max) zu vergrößern, wenn die Spannung (V_p) der Treiberschaltung (13) abfällt.
Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 3, worin eine Korrekturrate des maximalen Grenzwerts (W_max) auf den gleichen Wert wie eine Korrekturrate (W₂/W₁) der Pulsweite gesetzt wird.