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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen bei binokularen Instrumenten
mit Bildverstärkung,
die allgemein Nachtsichtgeräte
genannt werden. Es gibt solche Nachtsichtgläser, die zwei Bildverstärker aufweisen,
aber die vorliegende Erfindung steht mit dem Typ in Zusammenhang,
der nur einen Bildverstärker
aufweist, dem ein Objektiv vorangeht, um eine Szene zu betrachten,
und dem eine Betrachtungsoptik folgt, die in zwei Okularen endet.
Eine besonders vorteilhafte Konstruktion dieser Art ist im US-Patent
4,826,302 beschrieben, wo die Optik gefaltet ist, um das Gerät zu verkürzen.
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Daher
betrifft die Erfindung ein binokulares Instrument mit Bildverstärkung von
dem Typ wie er allgemein im Einführungsteil
von Anspruch 1 angeführt
ist.
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Es
ist typisch für
Sichtgeräte,
dass sie allgemein wie Brillen getragen werden, um dem Träger zu ermöglichen,
dass er sich herumbewegt und fast wie bei Tageslicht umschaut. Es
ist auch typisch, dass Sichtgeräte
Einheitsvergrößerung aufweisen.
Solche Sichtgeräte
haben nun verbreitete Verwendung gefunden, und es wurden viele Verbesserungen
in Hinblick auf Bildverstärkerröhren eingebracht,
die heutzutage praktisch immer vom Typ mit sogenannten Mikrokanalplatten
sind, wo eine Bildintensivierung durch Elektronenmultiplikation
in Kapillarröhren
erreicht wird, wobei jede einen Pixelpunkt im verstärkten Bild
schafft. Es wurde beträchtliche
Arbeit aufgewendet, um immer feinere Kapillaren und dünnere Röhrenwände herzustellen.
Es werden deshalb heute ziemlich gute Bildqualitäten erreicht, und man ist, insbesondere
bei Luftanwendungen, schon sehr zufrieden. Ein allgemeiner Trend
zur Verbesserung geht zu Verstärkerkathoden
mit größerem Durchmesser,
da dies als praktischer Weg zur Erhöhung der Anzahl der verfügbaren Pixel
angesehen wird.
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Es
gibt jedoch einige Enttäuschungen,
insbesondere bei Benutzern am Boden, wo Soldaten es manchmal bevorzugen,
die Sichtgeräte
in der Hand zu halten statt auf dem Kopf angebracht. Befragungen
zeigen, dass die Sichtgeräte
oft als äußerst nützlich angesehen
werden, insbesondere bei stationären
Situationen, dass sie aber, wegen der Größe und des Gewichts des Instruments
und die wiederholte Notwendigkeit zur Nachfokussierung ein Problem darstellen,
wenn der Benutzer sich bewegt. In der Tat kann damit eine Hand an
der Fokussiervorrichtung fest eingesetzt sein. Dies ist unpraktisch,
wenn die Bedienungsperson zum Beispiel beide Hände benötigt, um ein Fahrzeug zu steuern
oder eine Waffe zu bedienen. Dieser letztgenannte Umstand ist durch die
Tatsache bedingt, dass die zum Erhalt großer Einfangkapazität benötigte Hochgeschwindigkeitslinse, was
wegen der Dunkelheit notwendig ist, eine sehr kurze Fokussiertiefe
aufweist. Praktisch ausgedrückt kann
dies bedeuten, dass zu einem Zeitpunkt nur ein Ziel im Fokus sein
kann, wobei der Rest der Ansicht mehr oder weniger außerhalb
des Fokus liegt. Es gibt deshalb wenig Anwendung für die potentielle
Raumauflösung
und das große
Sichtfeld des Sichtgeräts, wo
die Ansicht Objekte umfasst, die im Bereich von den Füßen des
Benutzers und bis zum Horizont liegen.
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Es
ist deshalb ein Ziel der vorliegenden Erfindung, dieses allgemeine
Fokussiertiefenproblem zu reduzieren, ein Bildverstärkersichtgerät für Benutzer an
Land akzeptabler tragbar zu machen, es leichter zu machen und eine
verbesserte Fokussiertiefe vorzusehen.
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Gemäß der Erfindung
wird dieses Problem dadurch gelöst,
dass ein binokulares Instrument mit Bildverstärkung gemäß der Einführung zur Verfügung gestellt
wird, wie es im Kennzeichen des Anspruch 1 angeführt ist.
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Im
Stand der Technik hatten die effektiven Eintritts- und Austrittsflächen der
verwendeten Mikrokanalbildverstärkerröhren unlängst einen
Durchmesser von minimal 18 mm, mit einer Tendenz bei Hochleistungsgeräten, Röhren mit
noch größerem Durchmesser
zu verwenden. Es ist hier gemäß der Erfindung
vorgesehen, das Gegenteil vorzunehmen, d. h. Bildverstärker zu
verwenden, die beträchtlich
geringeren Durchmesser aufweisen und die deshalb notwendigerweise
entsprechend geringeres Auflösungsvermögen aufweisen.
Daraus sind zwei Vorteile ersichtlich, nämlich, Miniaturisierung, die
ein geringeres Gewicht und größere Handlichkeit
ergibt, und eine verbesserte Fokussiertiefe. Derzeit ist ein Durchmesser
von 12 mm bevorzugt. Im Vergleich zur Standardgröße von 18 mm ergibt dies weniger
als 50% der Anzahl der Bildpunkte (Pixel), die mit einer Röhre von
18 mm verfügbar
sind, wenn die selbe Technik verwendet wird. Aus einem praktischen Standpunkt
wird dieser Verlust an Pixeln jedoch, bedingt durch die größere Fokussiertiefe,
durch die Tatsache kompensiert, dass die betrachtete Szene viel mehr
fokussierte Bildelemente enthält
als bei einem Instrument, das die Standardröhre von 18 mm verwendet.
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Die
Fokussiertiefe hängt
vom effektiven Durchmesser der Photokathode der Bildverstärkerröhre ab,
und dieser Durchmesser ist für
den Objektivdurchmesser entscheidend. Anders herum betrachtet kann
diese Parameterwechselwirkung so gesehen werden, dass die Fokussiertiefe
durch den Frontdurchmesser des Sichtgerätobjektivs bestimmt ist, so
dass ein kleinerer Durchmesser verbesserte Fokussiertiefe ergibt.
Um diese Frontlinse zu verkleinern, ohne gleichzeitig die relative
Apertur (Lichtstärke)
der Linse zu reduzieren (und eine Reduzierung kann wegen der Bedingungen
bei Dunkelheit kaum akzeptiert werden), muss die Brennweite ungefähr in Proportion
zum reduzierten Linsendurchmesser reduziert werden, so dass auch
der Bilddurchmesser reduziert wird, unter der Annahme, dass das
selbe Standardsichtfeld (40–50°) beibehalten
werden soll.
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Berechnungen
und praktische Tests beweisen, dass ein Sichtgerät mit einer Verstärkerröhre von
12 mm und das darum konstruiert ist, in der Weise fokussiert werden
kann, dass ein Bereich von 5 Metern bis Unendlichkeit ohne Auflösungsverlust
betrachtet werden kann, während
ein Sichtgerät
aus dem Stand der Technik mit 18 mm Röhre einen vergleichbaren Bereich
von nur 10 Metern bis Unendlichkeit aufweist. Praktische Tests bestätigen auch, dass
das Sichtgerät
mit kleiner Röhre
ohne Nachfokussieren auf einen nächsten
Abstand von ein oder zwei Metern noch ziemlich nützlich ist, während das Sichtgerät mit 18
mm Röhre
bei solch kurzen Abständen
ohne Nachfokussieren weniger nützlich
ist.
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Es
mag paradox erscheinen, aber es ist eine Tatsache, dass obwohl die
Verringerung der effektiven Kathodengröße einer Bildverstärkerröhre im Vergleich
zu einer Röhre
mit größerer effektiver
Kathode sicher eine entsprechende Verringerung verfügbarer Bildelemente
(Pixel) bedeutet, die Anzahl fokussierter Bildelemente zu einem
bestimmten Zeitpunkt trotzdem und typischerweise für die kleine
Röhre gleich
ist, was durch ihre größere Fokussiertiefe
bedingt ist. Dies ist für
einen Benutzer in Bewegung unmittelbar relevant, der – ohne Nachfokussieren – ein Paar
Meter vor seinen Schritten sehen möchte, während er gleichzeitig eine
klare Sicht eines entfernten Hintergrunds behält.
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Ein
weiterer Vorteil des Sichtgerätes
mit verringerter Röhrengröße ist eine
geringe Größe, natürlich innerhalb
der Grenzen, dass der Maßstab
der Mensch ist und der Mensch hat einen mittleren Abstand von 66
mm zwischen den Augen, während
der Fokussierknopf und andere Vorrichtungen am Sichtgerät groß genug
sein müssen,
dass sie praktisch bedient werden können.
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Um
eine Sichtgerätevergrößerung von
Eins zu erhalten und da diese Klasse von Bildverstärkerröhren auch
Einheitsvergrößerung besitzen, muss eine
Berechnung vorgenommen werden, die die Brennweite des Objektivs
f(obj) berücksichtigt,
die der Okulare f(oc) und die Vergrößerung G des Okulartransportsystems.
Um die Vergrößerung Eins
zu erhalten, muss die Formel f(oc) = G × f(obj)erfüllt sein.
Eine typische Objektivbrennweite f(obj) eines Sichtgeräts mit einem
Bildverstärker
von < 15 mm effektivem
Durchmesser kann 15 mm sein, während
die Brennweite der Okulare bevorzugt länger als dieser ist, etwa um
20 mm, um akzeptable Augenstellung und Austrittspupillendurchmesser
zu erreichen. Dem Transportsystem wird dann in einem solchen Fall
eine Systemvergrößerung von
G = 20/15 = 1 1/3 zugeordnet. Auf diese Weise wird die Okularbrennweite
in einem Sichtgerät
gemäß der Erfindung
allgemein länger
als die des Objektivs, um gute Augenstellung und Austrittspupillengröße zu erreichen.
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Es
ist in weiteren vorteilhaften Ausführungsformen der Erfindung
angestrebt, die Fokussierbewegung des Objektivs (oder manchmal eines
Teils des Objektivs) relativ zur Eintrittsebene des stufenweise
wirkenden Bildverstärkers
vorzunehmen, z. B. in zwei Stufen, einer zur Nahbetrachtung (zur
Verfolgung von Handarbeit) und einer weiteren für entfernte Objekte.
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Aus
dem Stand der Technik ist es bekannt, einen vergrößernden
Telekonverter entfernbar vor der Objektivlinse anzubringen. (Ein
Telekonverter ist vergleichbar zu einem Galileifeldglas). Solch
eine geeignete Vorrichtung mit einer Vergrößerung von 3 × kann ein
Gewicht von 150 g aufweisen, aber typischerweise ist es mehr. Wenn
eine solche Vorrichtung vor dem Kopf angebracht ist, ist sie ein
belastendes Hindernis für
die Bedienungsperson. Andererseits kann mit einer Vorrichtung gemäß der Erfindung das
Gewicht eines entsprechenden Telekonverters typi scherweise nur ein
Drittel davon betragen (50 g). Ein Sichtgerät aus dem Stand der Technik
hätte allein ein
Gewicht von ungefähr
400 g und ein Sichtgerät gemäß der Erfindung
ungefähr
300 g, so dass die Kombinationen 550 g bzw. 350 Gramm wiegen. Diese
Gewichtsreduzierung kann als ein weiterer Vorteil der Erfindung
angesehen werden.
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Die
Erfindung wird nun mit Bezug zu den nicht einschränkenden
beispielhaften Ausführungsformen
erläutert,
die in den Figuren gezeigt sind. 1 zeigt
eine sehr allgemeine Auslegung eines binokularen Bildverstärkers in
Perspektive und Teilschnitt. 2 zeigt
einen speziellen Typ.
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1 zeigt allgemein und schematisch
die Konstruktion eines binokularen Bildverstärkers vom Typ aus dem Stand
der Technik, der nur einen Bildverstärker 2 aufweist. Eine
Szene im Vordergrund wird auf eine Eintrittsfläche 3 des Bildverstärkers 2 fokussiert,
wobei dieses Bild verstärkt
und auf einer Austrittsfläche 6 dargestellt
wird. Ein optisches Transportsystem überträgt des Bild von der Austrittsfläche 6 über einen
Strahlteiler und Spiegel (nicht gezeigt) und die Okulare 13A und 13B.
Dieses System ist ähnlich
wie ein Mikroskop.
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2 zeigt einen modifizierten
und kompakteren Typ eines binokularen Bildverstärkers, wo die optische Konstruktion
beträchtlich
verkürzt
ist. Diese Konstruktion ist im US-Patent 4,826,302 beschrieben.
Auch in diesem Fall sind durch Verringern des effektiven Kathodendurchmessers
der Bildverstärkerröhre 2 die
selben Verbesserungen durch die Erfindung verfügbar. Wo es anwendbar ist,
werden die selben Bezugszahlen wie in 1 verwendet.
Wie zu sehen ist sind die Strahlenwege für die beiden Okulare 13A und 13B sehr
unterschiedlich, wobei das rechte Okular 13B sein Bild
durch Linsen 7 und 8 und durch den Strahlteiler 14 und
das „optische
Längenverringerungsprisma" 15 erhält, während das
linke Okular 13A sein Bild durch die selben Linsen, aber direkt
durch den Strahlteiler 14 erhält. Der Strahlengang zum rechten
Okular 13B umfasst zwei zusätzliche Reflexionen im Vergleich
zu dem des linken Okulars 13A.
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Gemäß dem Beispiel
der Erfindung liegt das neue Merkmal darin, dass gemäß 2 der Bildverstärker 2 einen
effektiven Durchmesser seiner Eintrittskathode aufweist, der nur < 15 mm ist und die Objektivlinse
weist eine entsprechend kurze Brennweite von < 15 mm auf, wodurch die gewünschte Verbesserung
der Fokussiertiefe erreicht wird. Wie schon erläutert wurde ist der Rest der
Konstruktion (2) entsprechend
modifiziert, was geeignete Einheitsvergrößerung durch das optische Transportsystem
(symbolisiert durch Linsen 7 und 8) und die Okulare 13A, 13B gewährleistet.
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Die
Objektivlinse kann als feste Fokusvorrichtung betrieben werden,
es ist aber allgemein bevorzugt, eine einstellbare Fokussierung
zu haben, zum Beispiel wie sie sehr schematisch in 2 gezeigt ist, mit einem Drehknopf 31,
der durch eine Nockenform und einen Mitnehmer 32 das Objektiv
verschiebt. In Hinblick auf die ausgezeichnete Fokussiertiefe ist
es bevorzugt, nur zwei feste Einschnappfokussierpositionen anzuordnen,
wie 34 und 35, die mit Federmitteln 33 zusammenwirken.
Eine davon ist dann so eingestellt, dass das ferne Ende der Fokussiertiefe
auf Unendlichkeit gestellt ist, während die andere für den Nahbereich
ist, z. B. zum Lesen einer Landkarte geeignet ist.
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Gemäß einer
bevorzugten Ausführungsform ist
ein Telekonverter mit einer Vergrößerung zwischen 2 und 3 × entfernbar
vor der Objektivlinse und dem Prisma 20 anbringbar. Bedingt
durch die geringe Größe des Objektivs 1 kann
dieser Telekonverter klein und leicht sein. Es ist bevorzugt, ihn
auf einem Arm anzubringen, damit er in und aus dem Eintrittsfenster
bei 19 gedreht werden kann (in der Figur nicht gezeigt).
Um entsprechende Fokussierung für
diesen Fall zu erreichen ist es geeignet, eine gewisse Breite des
genannten Stops 34 zu ermöglichen, um zusätzliches
Feinfokussieren zu erlauben, wenn der Telekonverter verwendet wird,
der eine relativ schwache Fokussiertiefe aufweist.
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Es
ist klar, dass die Erfindung auf vielfache Art in modifizierter
Form verwendet werden kann, wie es für die Fachleute offensichtlich
ist. Eine solche Anwendung ist die Verwendung eines Bildverstärkers in Standardgröße, aber
mit einer Kurzfokusobjektivlinse und geeignet angepasster Optik,
was ein Verringern des effektiven Durchmessers der Entrittskathode
ermöglicht.
Dann kann man einen faseroptischen Expander vor der eigentlichen
Bildverstärkerkathode verwenden
oder nur einen Teil des verfügbaren Durchmessers
dieser Kathode nutzen, zum Beispiel in einem konzentrischen Kreis
mit einem Durchmesser von weniger als 15 mm.