DE69720902T2

DE69720902T2 - Bildstabilisierungsvorrichtung

Info

Publication number: DE69720902T2
Application number: DE1997620902
Authority: DE
Inventors: Kouichi Nagata; Kenichi Takahashi
Original assignee: Fuji Photo Optical Co Ltd
Current assignee: Fujinon Corp
Priority date: 1996-09-30
Filing date: 1997-08-01
Publication date: 2003-11-13
Anticipated expiration: 2017-08-02
Also published as: DE834761T1; EP0834761A1; EP0834761B1; JP3441898B2; JPH10104681A; DE69720902D1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Bildstabilisierungsvorrichtung, welche in einer optischen Vorrichtung angeordnet ist, wie etwa einem monokularen Fernglas, einem binokularen Fernglas oder einer Videokamera, um zu verhindern, dass optische Bilder bei der Betrachtung verwackeln, wenn der Austrittswinkel eines Lichtflusses von dem betrachteten Objekt in Bezug auf die optische Achse einer solchen optischen Vorrichtung aufgrund von Vibration fluktuiert.

Beschreibung der herkömmlichen Technik

In Fällen, wo eine optische Vorrichtung, wie etwa ein monokulares oder ein binokulares Fernglas, das zur optischen Betrachtung dient, mit der Hand gehalten betrieben wird, insbesondere, wenn die optische Vorrichtung dazu verwendet wird, in ein Flugzeug, Fahrzeug o. dgl. verbracht zu werden, wird eine Vibration oder Rollbewegung des Flugzeugs, Fahrzeugs o. dgl. auf die optische Vorrichtung übertragen, wodurch der Austrittswinkel des Lichtflusses von dem betrachteten Objekt in Bezug auf seine optische Achse zur Fluktuation neigt. Infolgedessen verschlechtert sich das betrachtete optische Bild häufig. Auch wenn eine solche Vibration, die auf die optische Vorrichtung übertragen wird, eine kleine Amplitude hat, wird der Fluktuationswinkel in Bezug auf die optische Achse vergrößert, da das monokulare, binokulare Fernglas o. dgl. ein enges Blickfeld hat und bei der Betrachtung das Objekt vergrößert. Daher kann sich das betrachtete Bild auch bei einer Rollbewegung mit einer relativ geringen Winkelgeschwindigkeitsfluktuation schnell bewegen und kann von dem Blickfeld abweichen, wenn der Fluktuationswinkel groß ist. Auch wenn bei einer Rollbewegung mit einer relativ hohen Winkelfluktuationsgeschwindigkeit der Fluktuationswinkel relativ klein ist, hat das betrachtete Objekt eine höhere Winkelfluktuationsgeschwindigkeit in Antwort auf die Vergrößerung der optischen Vorrichtung, wodurch das Bild verwackeln und schlechter werden kann.
Es sind herkömmlich verschiedene Arten von Bildstabilisierungsvorrichtungen vorgeschlagen worden, um zu verhindern, dass ein betrachtetes Bild aufgrund von Fluktuation im Austrittswinkel eines Lichtflusses in Bezug auf die optische Achse bei Vibration oder einer Rollbewegung, die auf die optische Vorrichtung übertragen wird, schlechter wird.
Zum Beispiel offenbart die japanische Patentschrift Nr. 57-37852 ein binokulares Fernglas, das einen Vibrationsisolator enthält, der einen Rotationsträgheitskörper (Gyromotor) verwendet, um das Verwackeln des betrachteten Bilds in dem binokularen Fernglas zu korrigieren.
In dieser herkömmlichen Technik ist nämlich ein Umkehrprisma auf der optischen Achse zwischen den Objektiv- und Okularlinsen des binokularen Fernglases angeordnet, sodass es auf einem kardanischen Aufhängungsmittel gesichert ist, an dem der Rotationsträgheitskörper angebracht ist, wodurch das Umkehrprisma im Wesentlichen in derselben Lage gehalten wird, auch wenn das binokulare Fernglas durch manuelles Schütteln o. dgl. vibriert wird, um zu verhindern, dass das betrachtete Bild des binokularen Fernglases verwackelt.
Bei dieser Art von herkömmlicher Technik, die den Rotationsträgheitskörper und das kardanische Aufhängungsmittel verwendet, ist, während das Bild mit hoher Präzision stabilisiert werden kann, ein Hochgeschwindigkeitsrotor erforderlich, um in einem kleinen Raum eine große Trägheitskraft zu erhalten. Auch sollte der Rotor eine hohe Präzision haben, da es für den Rotor erforderlich ist, seine Eigenvibration zu minimieren. Aufgrund dieser Anforderungen nach kleiner Größe, hoher Geschwindigkeit und hoher Präzision könnte die Vorrichtung im Hinblick auf Kosten, Lebensdauer und die Zeit, die zum Erhalt einer erforderlichen Trägheitskraft nach dem Einschalten des Stroms notwendig ist, nachteilig werden. Auch wenn der effektive Durchmesser der Objektivlinse vergrößert wird, um eine stärkere Vergrößerung oder Auflösung in dem binokularen Fernglas zu erhalten, hat das Umkehrprisma eine größere Abmessung, wodurch eine größere Trägheitskraft erforderlich wird. Demzufolge können die oben angegebenen Nachteile größer werden. Auch könnte dementsprechend eine größere Menge an elektrischer Energie verbraucht werden.
Daher ist von gemeinsamen Anmelder eine Bildstabilisierungsvorrichtung vorgeschlagen worden (ungeprüfte japanische Patentschrift Nr. 6-250100), in der das kardanische Aufhängungsmittel mit einem Winkelgeschwindigkeitssensor anstatt dem oben erwähnten Rotationsträgheitskörper ausgestattet ist, während die Drehposition des kardanischen Aufhängungsmittels auf der Basis des Ausgangswerts von dem Winkelgeschwindigkeitssensor gesteuert wird, um die Lage des Umkehrprismas in Bezug auf die Erde (Trägheitssystem) festzuhalten. In dieser Vorrichtung hat das Umkehrprisma, das durch das kardanische Aufhängungsmittel gehalten wird, grundlegend eine Trägheitskraft und zeigt, insbesondere für Hochgeschwindigkeitsvibrationen mit hoher Frequenz, eine hohe Leistung zum Halten einer Lage gegen Vibration mit einer relativ großen Amplitude. Daher genügt eine kleine Kraft zum Steuern der Drehposition auf der Basis der Ausgabe von dem Winkelgeschwindigkeitssensor.
Die Offenbarung dieses Dokuments bildet den Oberbegriff von Anspruch 1.
Winkelveränderliche Prismen und andere Arten von Bildstabilisierungsvorrichtungen, die Linsen antreiben, benötigen jedoch einen aktiven Antriebsabschnitt. Da sich der Antriebsabschnitt mit einer hohen Geschwindigkeit bewegen muss, um eine große Amplitude in hochfrequenten Vibrationen zu korrigieren, ist eine solche Amplitude über einen großen Winkelbereich kaum zu korrigieren.
Wenn andererseits binokulare Ferngläser oder Videokameras verwendet werden, findet häufig ein Schwenken oder Kippen mit hoher Geschwindigkeit statt. Zum Beispiel ist ein schneller Schwenk-/Kippvorgang erforderlich, wenn ein fliegendes Objekt, wie etwa ein Vogel oder ein Flugzeug, nachgeführt betrachtet wird. Demzufolge können die binokularen Ferngläser oder Videokameras manchmal unbeabsichtigt geschüttelt werden.
Auch bei einem solchen Betrieb ist es für das optische System in der Vorrichtung notwendig, dem betrachteten Objekt in seiner Bewegungsrichtung glattgängig zu folgen, was eine Funktion erfordert, die der oben erwähnten Vibrationsisolationsfunktion, um das optische System auf seine Anfangslage gegen Vibration abzusichern, entgegensteht.
Obwohl es im Hinblick auf die Eigenschaften einer solchen Vorrichtung versucht worden ist, Bereiche zur Durchführung dieser zwei Funktionen gemäß Differenzen in der Vibrationsfrequenz, Vibrationsamplitude, Winkelgeschwindigkeitsänderung u. dgl. einheitlich abzutrennen, ist dies nicht immer zufriedenstellend gewesen.
Obwohl z. B. angenommen wird, dass ein manuelles Schütteln allgemein im Bereich von 0,5 bis 15 Hz liegt, ist häufig ein Schwenk-/Kippbetrieb, der in diesem Bereich enthalten ist, erforderlich. Somit können die Umstände, wo die oben erwähnten Funktionen erforderlich sind, jedes Mal unterschiedlich sein.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Im Hinblick auf das Vorstehende ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Bildstabilisierungsvorrichtung anzugeben, die einen glatten Schwenk- /Kippbetrieb durchführen kann, wie es von einem Bediener angefordert wird, sowie eine günstige Vibrationsisolationsfunktion, während das Gewicht, die Größe und der Stromverbrauch der Vorrichtung reduziert werden.
Die Bildstabilisierungsvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung ist an einer optischen Vorrichtung angebracht, die ein monokulares oder binokulares optisches System mit einem Umkehrprisma umfasst, welches zwischen Objektiv und Okularlinsen angeordnet ist, die in einem Gehäuse fest angeordnet sind.
Die Bildstabilisierungsvorrichtung umfasst:
ein kardanisches Aufhängungsmittel mit einer ersten und einer zweiten Drehachse, welche sich in der Quer- bzw. der Vertikalrichtung der optischen Vorrichtung erstrecken, zur schwenkbaren Anbringung des Umkehrprismas an dem Gehäuse;
ein Stellglied zur schwenkbaren Bewegung des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse;
ein erstes und ein zweites Winkelstellungs-Datenerfassungsmittel, um jeweils Winkelstellungsdaten des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse zu erfassen;
ein erstes und ein zweites Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel, welche an dem kardanischen Aufhängungsmittel fest angebracht sind, um jeweils Winkelgeschwindigkeitsdaten des kardanischen Aufhängungsmittels bei einer Änderung der Lage der optischen Vorrichtung zu erfassen;
ein Rückkopplungsregelungsmittel zum Regeln der Schwenkbewegung des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse durch Betreiben des Stellglieds beruhend auf den durch die Winkelstellungs-Datenerfassungsmittel und die Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel erfassten Daten, um das Umkehrprisma bezüglich eines Trägheitssystems festzuhalten;
ein Stellfaktor-Änderungsmittel zum Ändern eines Stellfaktors des Rückkopplungsregelungsmittels; und
ein Stellfaktor-Änderungs-Befehlsmittel, welches an einer von außen bedienbaren Position angeordnet ist, um dem Stellfaktor-Änderungsmittel eine Änderung des Stellfaktors zu befehlen.
Das Stellfaktor-Änderungs-Befehlsmittel kann konfiguriert sein, um eine Schaltbetätigung zwischen einem Nieder-Stellfaktor-Modus, welcher auf die Bildstabilisierung gerichtet ist, und einem Hoch-Stellfaktor-Modus zu ermöglichen, welcher auf wenigstens einen Vorgang von Schwenkvorgang und Kippvorgang gerichtet ist. Auch können eine Mehrzahl von Schaltschritten vorgesehen sein, um zwischen dem Niedrig- und dem Hoch-Stellfaktor- Modus betreibbar zu sein. Ferner kann der Stellfaktor kontinuierlich veränderbar sein. Das Stellfaktor-Änderungs-Befehlsmittel kann ein Schalter sein, der an der Außenfläche des Gehäuses angeordnet ist.
Bevorzugt ist das Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel ein Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen eines Betrags der Winkelgeschwindigkeit des kardanischen Aufhängungsmittels um die Drehachsen aufgrund eines Schüttelns der optischen Vorrichtung. Ein solcher Winkelgeschwindigkeitssensor ist durch einen piezoelektrischen Vibrationsgyrosensor gebildet, der einen säulenartigen Vibrator und ein piezoelektrisches Keramikelement verwendet.
Der oben erwähnte "Stellfaktor" betrifft das Verhältnis einer Änderung im Ausgangssignal des Winkelstellungs-Datenerfassungsmittels zu einer winzigen Änderung in der Winkelstellung des kardanischen Aufhängungsmittels um die Drehachsen herum.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Blockdiagramm, das eine Regelschleife in einer Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung zeigt;
Fig. 2 ist eine geschnittene Draufsicht, die ein binokulares Fernglas zeigt, das die oben erwähnte Bildstabilisierungsvorrichtung enthält;
Fig. 3 ist eine geschnittene Vorderansicht, die das oben erwähnte binokulare Fernglas zeigt;
Fig. 4 ist eine geschnittene Seitenansicht, die das oben erwähnte binokulare Fernglas zeigt;
Fig. 5 ist eine Perspektivansicht, die das oben erwähnte binokulare Fernglas zeigt;
Fig. 6 ist eine schematische Perspektivansicht zur Erläuterung der Funktion der oben erwähnten Bildstabilisierungsvorrichtung;
Fig. 7 ist ein Blockdiagramm zur Erläuterung von Funktion der oben erwähnten Bildstabilisierungsvorrichtung; und
Fig. 8 ist eine Seitenansicht zur Erläuterung eines in Fig. 2 gezeigten Umkehrprismas.

DETAILBESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGEN

Im Folgenden werden Ausführungen der vorliegenden Erfindung in Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 2, 3, 4 und 5 sind eine geschnittene Draufsicht, eine geschnittene Vorderansicht, eine geschnittene Seitenansicht bzw. eine Perspektivansicht, die einen Zustand zeigen, in dem eine Bildstabilisierungsvorrichtung gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung in ein binokulares Fernglas eingebaut ist. Wie dargestellt, umfasst ein binokulares Fernglas, in das eine Bildstabilisierungsvorrichtung 20 dieser Ausführung in ein Gehäuse 30 eingebaut ist, ein Paar von Objektivlinsensystemen 1a und 1b; ein Paar von Okularlinsensystemen 2a und 2b; sowie ein Paar von Umkehrprismen 3a und 3b. Die Objektivlinse 1a, die Okularlinse 2a und das Umkehrprisma 3a bilden ein erstes teleskopisches System 10a; wohingegen die Objektivlinse 1b, die Okularlinse 2b und das Umkehrprisma 3b ähnlich ein zweites teleskopisches System 10b bildet. Ein Paar dieser ersten und zweiten teleskopischen Systeme 1a und 1b bilden ein binokulares System.
Das Paar von Objektivlinsensystemen 1a und 1b und das Paar von Okularlinsensystemen 2a und 2b, die dieses binokulare System bilden, sind fest an dem Gehäuse 30 dieses optischen Systems angebracht, wohingegen die Umkehrprismen 3a und 3b an dem Gehäuse 30 mittels kardanischer Aufhängungselemente 7 und 107 schwenkbar angebracht sind, die jeweils Drehachsen 6 und 106 haben (siehe Fig. 6), die sich in den vertikalen Richtungen der Vorrichtung erstrecken (Richtungen orthogonal zur Erstreckungsrichtung der optischen Achse und Ausricht-Richtung der Objektivlinsensysteme 1a und 1b) und die Querrichtungen der Vorrichtung (Ausricht-Richtung der Objektivlinsensysteme 1a und 1b).
Die Rückseite des Gehäuses 30 ist mit einem Stellfaktor-Änderungs-Befehlsschalter 40 versehen, um die externe Betätigung des Stellfaktor-Umschaltens in einer Regelschleife zu ermöglichen, die später erläutert wird, sowie einem Hauptschalter 50.
Im Folgenden werden in Bezug auf die Fig. 6 und 7 die Grundfunktionen erläutert, die eine Voraussetzung für die Vorrichtung dieser Ausführung sind. In der Beschreibung beziehen sich hier die vertikalen Richtungen der Vorrichtung auf die Richtungen, die mit den Pfeilen A bezeichnet sind, wohingegen sich die Querrichtungen der Vorrichtung auf die Richtungen beziehen, die mit den Pfeilen C bezeichnet sind.
In Fig. 6 erhält diese optische Vorrichtung eine Konfiguration eines üblichen binokularen Systems in einem Zustand, wo die kardanischen Aufhängungselemente 7 und 107, die mit den Umkehrprismen 3 und 3a ausgestattet sind, an dem Gehäuse 30 gesichert sind, nämlich in einem Zustand, wo die Umkehrprismen 3a und 3b, die an dem kardanischen Aufhängungselement 7 und 107 angebracht sind, an dem Gehäuse 30 gesichert sind. Nachfolgend werden die optischen Achsen 4a und 4b der jeweiligen teleskopischen optischen Systeme 10a und 10b in diesem Zustand als die optischen Achsen dieser optischen Vorrichtung bezeichnet.
Geeignete Positionen der Objektivlinsensysteme 1a und 1b, der Okularlinsensysteme 2a und 2b, der Umkehrprismen 3a und 3b, der kardanischen Aufhängungselemente 7 und 107, der Drehachse 6 und 106 u. dgl. sind im Detail in bekannten Publikationen beschrieben (z. B. japanische Patentschrift Nr. 57-37852) und werden hier nicht erläutert.
Wie in Fig. 6 gezeigt, ist in der Vorrichtung dieser Ausführung das innere kardanische Aufhängungselement 107 durch das äußere kardanische Aufhängungselement 7 axial gelagert, um hierdurch eine kardanische Aufhängung mit einer Doppelstruktur zu bilden. Das äußere kardanische Aufhängungselement 7 ist um die Drehachse 6 schwenkbeweglich, die sich in die Querrichtungen der Vorrichtung erstreckt, um Verwackelungen eines Bilds in den vertikalen Richtungen zu korrigieren; wohingegen das innere kardanische Aufhängungselement 7 um die Drehachse 106 schwenkbeweglich ist, die sich in den vertikalen Richtungen der Vorrichtung erstreckt, um Verwackelungen des Bilds in den Querrichtungen zu korrigieren. Die Umkehrprismen 3a und 3b sind an dem inneren kardanischen Aufhängungselement 107 angebracht. Hier sind die Ober- und Unterseiten in Fig. 6 so dargestellt, dass sie jenen der Fig. 2 bis 5 entgegengesetzt sind.
Ein Winkelgeschwindigkeitssensor 8 ist an dem Mittelteil des oberen Wandabschnitts des äußeren kardanischen Aufhängungselements 7 gesichert, wohingegen ein Winkelgeschwindigkeitssensor 108 an dem Mittelteil des vorderen Wandabschnitts des inneren kardanischen Aufhängungselements 107 gesichert ist. Der Winkelgeschwindigkeitssensor 8 ist ein Sensor zum Erfassen einer Drehwinkelgeschwindigkeit ω&sub1;, wenn das äußere kardanische Aufhängungselement 7 durch vertikales Schütteln des Gehäuses 30 in die Richtungen der Pfeile B schwenkend bewegt wird, wohingegen der Winkelgeschwindigkeitssensor 108 ein Sensor zum Erfassen einer Drehwinkelgeschwindigkeit ω&sub2; ist, wenn das innere kardanische Aufhängungselement 107 aufgrund eines Querschüttelns des Gehäuses 30 in die Richtungen der Pfeile D schwenkend bewegt wird.
Ein Ende der Drehachse 6 ist mit einem Stellungssensor 9 versehen, um einen Rotationswinkel θ&sub1; der Drehachse 6 zu erfassen, um, zusätzlich zur Geschwindigkeitsregelung auf der Basis der oben erwähnten erfassten Winkelgeschwindigkeit, eine Stellungsregelung zu bewirken; wohingegen das andere Ende der Drehachse 6 mit einem Drehmotor 5 versehen ist, der auf der Basis der Werte, die von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 8 und dem Stellungssensor 9 erfasst sind, die Drehachse 6 des kardanischen Aufhängungselements 7 derart verdreht, dass bei vertikalen Schüttelbewegungen des Gehäuses 30 die Umkehrprismen 3 und 3a immer wieder ihre Anfangslagen einnehmen. Andererseits ist ein Ende der Drehachse 106 mit einem Stellungssensor 109 versehen, um einen Drehwinkel θ&sub2; der Drehachse 106 zu erfassen, um, zusätzlich zu der Geschwindigkeitsregelung auf der Basis der erfassten Winkelgeschwindigkeit, die Stellungsregelung zu bewirken; wohingegen das andere Ende der Drehachse 106 mit einem Drehmotor 105 versehen ist, der, auf der Basis der von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 108 und dem Stellungsensor 109 erfassten Werte, die Drehachse 106 des kardanischen Aufhängungselements 107 derart verdreht, dass die Umkehrprismen 3a und 3b bei Querschüttelbewegungen des Gehäuses 30 immer wieder ihre Anfangslagen einnehmen.
Im Folgenden wird das Grundkonzept einer Regelschleife in der Vorrichtung dieser Ausführung in Bezug auf Fig. 7 erläutert. Wie dargestellt, umfasst diese Vorrichtung Verstärker 11a und 11b zum jeweiligen Verstärken des Winkelgeschwindigkeitssignals von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 108 und des Winkelsignals von dem Stellungssensor 9; eine CPU 12, um auf der Basis dieser Winkelgeschwindigkeit und Winkelsignale einen Antriebsbetrag des Drehmotors 5, durch den die Umkehrprismen 3a und 3b wieder ihre Anfangslagen einnehmen, und auf der Basis des so berechneten Betrags ein Steuersignal auszugeben; sowie eine Motortreiberschaltung 13 zum Verstärken des Steuersignals von der CPU 12, um den Drehmotor 5 anzutreiben. Mit der CPU 12 verbunden sind ein ROM 12a, das verschiedene Arten von Programmen speichert, sowie der Stellfaktor-Änderungs-Befehlsschalter 40 zum Anweisen der CPU 12, den Stellfaktor der Regelschleife zu verändern. Wie die Signale, die durch den Winkelgeschwindigkeitssensor 8 und den Stellungssensor 9 erfasst werden, werden die Signale, die von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 108 und dem Stellungssensor 109 erfasst werden, durch eine ähnliche Regelschleife, wie sie in Fig. 7 gezeigt ist, in ein Steuersignal umgewandelt, wodurch der Drehmotor 105 durch dieses Steuersignal angetrieben wird.
Obwohl in der Vorrichtung dieser Ausführung zwei Sätze von Regelschleifen somit erforderlich sind, um zu bewirken, dass die zwei Stücke der äußeren und inneren kardanischen Aufhängungselemente 7 und 107 wieder ihre Anfangslagen einnehmen, kann die CPU 12 auch gemeinsam verwendet werden.
Im Folgenden wird eine detaillierte Konfiguration der Regelschleife in Bezug auf Fig. 1 erläutert.
Diese Regelschleife ist durch eine doppelte Rückkopplungsschleife aufgebaut, die aus einer Geschwindigkeits-(Winkelgeschwindigkeits)-Rückkopplungsschleife und einer Stellungs-(Winkel)-Rückkopplungsschleife gebildet ist. Auch ist diese Regelschleife durch eine Kombination einer Softwareschleife, die durch ein Mikrocomputerprogramm der CPU 12 gebildet ist, sowie eine Hardwareschleife aufgebaut.
Zuerst wird in der Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife eine Winkelgeschwindigkeit ω der kardanischen Aufhängung 70 (7, 107) um die Drehachse 6 oder 106 durch einen Winkelgeschwindigkeitssensor 61 (8, 108) erfasst. Nach Verstärkung durch einen Hardwareverstärker 62 wird der erfasste Wert ω mittels eines Subtrahierers 66 und eines Verstärkers 67 auf ein Motortreibersystem 68 negativ rückgekoppelt (erste Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife). Dementsprechend wird in einem Motor 69 ein Rückwärtsdrehmoment erzeugt, um hierdurch eine derartige Regelung zu bewirken, dass die kardanische Aufhängung 70, entgegen Vibration wie etwa manuellem Schütteln, wieder ihre Anfangslage einnimmt, nämlich derart, dass die Umkehrprismen 3a und 3b gegen Vibration mit großer Winkelgeschwindigkeit gegen die Erde (Trägheitssystem) gesichert sind.
Auch wird in dieser Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife der von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 61 erfasste Wert mittels eines Subtrahierers 63 und eines Verstärkers 64 in einen Integrator 65 eingegeben. Danach wird in dem Subtrahierer 66 der Ausgangswert von dem Integrator 65 von dem erfassten Wert, der von dem Verstärker 62 direkt eingespeist worden ist, subtrahiert, und das Ergebnis der Subtraktion wird zu dem Motortreibersystem 68 negativ rückgekoppelt (zweite Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife). In dem Fall, wo der von dem Winkelgeschwindigkeitssensor 61 erfasste Wert über den Integrator 65 negativ rückgekoppelt wird, kann das Regelsystem auch dann funktionieren, wenn die Dauerabweichung in Bezug auf einen Geschwindigkeitsbefehl null ist, nämlich dann, wenn ein Geschwindigkeitseingabewert in der Rückkopplungsschleife gleich seinem Geschwindigkeitsausgabewert ist. Da auch der Schleifenstellfaktor verdoppelt werden kann, kann die kardanische Aufhängung 70 mit hoher Geschwindigkeit stabilisiert werden (d. h. die Genauigkeit der Stabilisierung kann erhöht werden).
Da der Integrator 65 die Funktion hat, den Eingabewert zu mitteln, und sein Ausgabewert von dem erfassten Winkelgeschwindigkeitswert in den Subtrahierer 66 subtrahiert wird, kann man annehmen, dass er eine dämpferartige Funktion hat, um zu verhindern, dass die erste Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife schwingt.
Andererseits erfasst in der Stellungsrückkopplungsschleife ein Stellungssensor 81 (9, 109) eine Winkelstellung 9 der kardanischen Aufhängung 70 um die Drehachse 6 oder 106 herum, und somit wird der erfasste Wert durch einen Hardwareverstärker 82 verstärkt und wird dann zu dem Motortreibersystem 68 zurückgebracht, um den Drehmotor 69 (5, 105) derart zu regeln, dass sich die kardanische Aufhängung 70 einer Winkelstellung θ&sub0; des Mittelpunkts der Blickachse annähert.
In einer optischen Vorrichtung wie etwa einem binokularen Fernglas, liegt ein Fall vor, wo ein Schwenken oder Kippen bis zu einem großen Ausmaß erfolgt. Wenn in einem solchen Fall in der Regelung die Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife allein verwendet wird, könnte die Reaktion auf Schwenken oder Kippen schlecht werden, wodurch die kardanische Aufhängung 70 stark verschwenken könnte, um an ihrer Bewegungsgrenze mit einem Endteil des Gehäuses 30 zusammenzustoßen.
Wenn dementsprechend in dieser Stellungsrückkopplungsschleife erfasst wird, dass die kardanische Aufhängung 70 stark verschwenkt wurde, wird ein Signal entsprechend dem so erfassten Wert zu dem Motortreibersystem 68 zurückgebracht, wodurch der Motor 69 angetrieben wird, um die kardanische Aufhängung 70 zum Mittelpunkt der Blickachse zwangsweise zurückzubringen.
Dementsprechend wird verhindert, dass die kardanische Aufhängung 70 an ihrer Bewegungsgrenze beim Schwenken, Kippen o. dgl. unbeabsichtigt mit dem Endteil des Gehäuses 30 zusammenstößt, während die Spurführungseigenschaften beim Schwenken oder Kippen günstig gemacht werden.
Wenn binokulare Ferngläser tatsächlich benutzt werden, wird häufig ein fliegendes Objekt wie etwa ein Vogel oder Flugzeug nachführend betrachtet. In einem solchen Fall ist ein schneller Schwenk-/Kippvorgang erforderlich, z. B. insbesondere ein schneller Schwenkvorgang. Bei einem solchen Schwenkvorgang ist es notwendig, dass das optische System in der Vorrichtung dem betrachteten Objekt in seiner Bewegungsrichtung glattgängig folgt, was eine Funktion erfordert, die der Vibrationsisolierfunktion, um das optische System gegen Vibration in seiner Anfangslage zu sichern, entgegensteht. Bei einem solchen Schwenk-/Kippvorgang ist es nämlich notwendig, die Vibrationsisolierfunktion auf null zu setzen. Da der Schwenk-/Kippvorgang nach Bedarf durch den Beobachter ausgelöst wird, ist es erwünscht, dass dann durch eine vom Beobachter vorgenommene Bedienung ein Schaltvorgang durchgeführt wird, z. B. zwischen einem Schwenkmodus und einem Vibrationsisoliermodus.
Dementsprechend ist in der Vorrichtung dieser Ausführung der Moduswählschalter (Stellfaktoränderungbefehlsschalter) 40 an dem Rückseitenabschnitt des Gehäuses 30 angeordnet, sodass der Stellfaktor der oben erwähnten Regelschleife in Antwort auf eine Auswahl dieses Schalters 40 geändert wird, um hierdurch ein Umschalten zwischen einem Vibrationsisoliermodus, in dem die Regelschleife einen kleinen Stellfaktor hat, und einem Schwenkmodus, in dem die Regelschleife einen großen Stellfaktor hat, zu erlauben.
Die Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife zielt nämlich hauptsächlich auf die Vibrationsisolationsfunktion, wohingegen die Stellungsrückkopplungsschleife hauptsächlich auf die Schwenk-/Kippfunktion abzielt, d. h. eine Nachführfunktion für das Gehäuse 30.
Dementsprechend kann das System, das hauptsächlich auf die Schwenk- /Kippfunktion abzielt, erreicht werden, wenn das Rückkopplungsverhältnis der Stellungsrückkopplungsschleife relativ groß gemacht wird, wohingegen das System, das hauptsächlich auf die Vibrationsisolationsfunktion abzielt, erreicht werden kann, wenn das Rückkopplungsverhältnis der Stellungsrückkopplungsschleife relativ klein gemacht wird.
In der obenerwähnten Ausführung sind, wie in Fig. 1 gezeigt, ein erster Verstärker 83 mit einem kleinen Verstärkungsfaktor und ein zweiter Verstärker 84 mit einem großen Verstärkungsfaktor innerhalb der Stellungsrückkopplungsschleife angeordnet, um hierdurch, in Antwort auf einen vom Bediener vorgenommenen Schaltvorgang des Moduswählschalters 40, ein Umschalten zwischen einem Niedrig-Stellfaktor-Modus, in dem das erfasste Signal von dem Stellungssensor 81 über den ersten Verstärker 83 rückgekoppelt wird, und einem Hoch-Stellfaktor-Modus, in dem das erfasste Signal von dem Stellungssensor 81 über den zweiten Verstärker 84 rückgekoppelt wird, zu erlauben. Dieser Modusumschaltvorgang innerhalb der Regelschleife wird durch einen Softwareschaltabschnitt 85 bewirkt, der die Schleifenverbindung auf der Basis eines Moduswählsignals in Antwort auf den vom Bediener vorgenommenen Schaltvorgang des Moduswählschalters 40 ändert.
Wenn nämlich der Softwareschaltabschnitt 85 mit dem ersten Verstärker 83 verbunden ist, wird der Wert, der von der Stellungsrückkopplungsschleife in den Subtrahierer 63 gekoppelt wird, kleiner, um hierdurch den Wert, der in ihn von der Geschwindigkeitsrückkopplungsschleife gekoppelt wird, relativ zu erhöhen, um hierdurch den Vibrationsisolationsmodus zu erreichen (Nieder-Stellfaktor-Modus). Dementsprechend kann die kardanische Aufhängung 70 in Bezug auf die Erde (Trägheitssystem) gegen Vibrationen, wie etwa manuelles Schütteln, in günstiger Weise festgehalten werden.
Wenn hingegen der Softwareschaltabschnitt 85 mit dem zweiten Verstärker 84 verbunden wird, wird der Wert, der von der Stellungsrückkopplungsschleife in den Subtrahierer 63 gekoppelt wird, größer, um hierdurch den Wert, der in ihn von der Geschwindigkeitsrrückkopplungsschleife gekoppelt wird, relativ zu senken, um hierdurch den Schwenk-/Kippmodus (Hoch- Stellfaktor-Modus) zu erreichen. Dementsprechend wird die Nachführbarkeit in Bezug auf Schwenken oder Kippen günstig.
Ob nun hauptsächlich auf die Schwenk-/Kippfunktion oder die Vibrationsisolationsfunktion abgezielt wird, ändert sich stark in Abhängigkeit vom Wunsch des Bedieners und den Umständen, in denen sich der Bediener befindet.
Die oben erwähnte Ausführung, in der der Bediener das Umschalten leicht vornehmen kann, hat eine Konfiguration, die für die tatsächliche Situation geeignet ist, wo diese zwei Modi verwendet werden.
Obwohl in der vorstehenden Erläuterung der Stellfaktor zwischen zwei Schritten umgeschaltet wird, kann die Konfiguration natürlich auch so sein, dass eine Mehrzahl von Schaltschritten vorgesehen sind zwischen einem Nieder-Stellfaktor-Modus, der auf Bildstabilisierung abzielt, und einem Hoch- Stellfaktor-Modus, der auf Schwenken oder Kippen abzielt, oder derart, dass der Stellfaktor stufenlos geändert wird.
Beispiele der Umkehrprismen 3 und 3a enthalten Schmidt-Umkehrprismen, Abbe-Umkehrprismen, Bauern Fend Umkehrprismen, Porro-Umkehrprismen und Dachumkehrprismen. Fig. 8 zeigt ein Schmidt-Umkehrprisma. Wie dargestellt, ist dieses Schmidt-Umkehrprisma durch Prismen 23 und 24 aufgebaut, während ein Teil 25 des Prismas 24 als Dachreflexionsfläche dient. In einem solchen Umkehrprisma gibt es eine Stellung der optischen Lichteinfallsachse, bei der eine optische Lichteinfallsachse 21 und eine optische Lichtaustrittsachse 22 auf derselben Linie angeordnet werden können wie dargestellt. Wie in Fig. 8 gezeigt, wird in einem solchen Umkehrprisma, in dem die optische Lichteinfallsachse 21 und die optische Lichtaustrittsachse 22 auf derselben Linie angeordnet werden können, ein Lichtstrahl 21', der parallel zur optischen Achse 21 ist und davon um h nach oben separiert wird, nach Durchtritt durch das Umkehrprisma, zu einem Lichtstrahl 22', der parallel zur optischen Achse 22 und davon um h nach unten separiert ist. Hier kann nicht nur ein solches Prisma verwendet werden, in dem die optische Einfallslichtachse und die optische Austrittslichtachse auf derselben Linie angeordnet sind, sondern auch andere Prismen, solange sie Umkehrprismen sind.
Jeder der Winkelgeschwindigkeitssensoren 8 und 108 ist ein piezoelektrischer Vibrationsgyrosensor unter Verwendung der Corioliskraft, der einen säulenartigen Vibrator, der eine Zylinderform o. dgl. hat, sowie mehrere Stücke piezokeramischer Elemente umfasst. Eine Seitenfläche des säulenartigen Vibrators ist nämlich mit zumindest zwei Stücken von piezokeramischen Elementen zum Zwecke der Erfassung und zumindest einem Stück eines piezokeramischen Elements zum Zwecke der Rückkopplung versehen.
Die jeweiligen piezokeramischen Elemente zum Zwecke der Erfassung geben ihre Erfassungssignale mit unterschiedlichen Werten in Antwort auf Vibration aus, und eine Differenz dazwischen wird berechnet, um hierdurch eine Winkelgeschwindigkeit zu gewinnen.
Das piezokeramische Element zum Zwecke der Rückkopplung wird zur Phasenkorrektur der erfassten Signale verwendet.
Da diese Winkelgeschwindigkeitssensoren 8 und 108 eine einfache Konfiguration und eine sehr kleine Größe haben, kann die Bildstabilisierungsvorrichtung 20 selbst eine einfache Konfiguration und eine kleine Größe haben. Da sie auch ein hohes Signalrauschverhältnis und eine hohe Präzision haben, kann die Winkelgeschwindigkeitsregelung mit sehr hoher Genauigkeit bewirkt werden.
Ohne Einschränkung auf die oben erwähnte Ausführung kann die Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auf zahlreiche Weise modifiziert werden. Zum Beispiel können, als die Winkelgeschwindigkeitsdatenerfassungsmittel, nicht nur piezoelektrische Vibrationsgyrosensoren vom säulenartigen Vibratortyp verwendet werden, sondern auch solche, die verschiedene Vibratortypen verwenden, wie etwa vom Dreieckprisma-Vibratortyp, vom Viereckprisma-Vibratortyp und vom Stimmgabel-Vibratortyp. Ferner können andere Arten verschiedener Winkelgschwindigkeitssensoren verwendet werden.
Hier können, anstatt der Winkelstellungsdatenerfassungsmittel, anstatt des oben erwähnten Stellungssensors, verschiedene Arten von Winkelsensoren verwendet werden, wie etwa Resolver-, Synchro- und Drehcodierer.
Obwohl die Vorrichtung der oben erwähnten Ausführung so konfiguriert ist, dass sie bei einem binokularen Fernglas angewendet wird, kann die Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung auch so konfiguriert sein, dass sie bei einem monokularen Fernglas anwendbar ist. Auch lassen sich ähnliche Effekte erreichen, wenn die Vorrichtung an einer Kamera angebracht ist, wie etwa einer Videokamera.
In der Bildstabilisierungsvorrichtung der vorliegenden Erfindung wird eine mit einem Umkehrprisma ausgestattete kardanische Aufhängung durch ein elektrisches Regelsystem geregelt, das ein Winkeldatenerfassungsmittel, ein Steuerschaltungssystem sowie einen Drehmotor verwendet, um seine anfängliche Lage wieder einzunehmen, d. h. auf Erde (Trägheitssystem) festgehalten zu werden. Da das Regelsystem ein geringes Gewicht und eine kleine Größe hat, billig ist und nur wenig Strom verbraucht, kann die optische Vorrichtung insgesamt ein geringeres Gewicht, eine kleinere Größe, einen geringeren Stromverbrauch und geringere Herstellungskosten erreichen.
Auch ist ein Stellfaktoränderungsbefehlsschalter zum Umschalten des Stellfaktors der so konfigurierten Regelschleife an einer Position angeordnet, wo ihn der Bediener extern bedienen kann, sodass der Stellfaktor der oben erwähnten Regelschleife in Antwort auf die Bedienung dieses Schalters geändert wird, um hierdurch ein Umschalten zwischen einem Vibrationsisoliermodus, in dem die Regelschleife einen kleinen Stellfaktor hat, und einem Schwenk-/Kippmodus, in dem Regelschleife einen großen Stellfaktor hat, zu erlauben. Dementsprechend kann, wie vom Bediener erwünscht, sowohl ein glatter Schwenk-/Kippvorgang als auch eine günstige Vibrationsisolierfunktion erlangt werden.

Claims

1. Bildstabilisierungsvorrichtung, welche an einer optischen Vorrichtung angebracht ist, wobei die optische Vorrichtung ein monokulares oder ein binokulares optisches System mit einem Umkehrprisma umfasst, welches zwischen Objektiv- und Okularlinsen angeordnet ist, die in einem Gehäuse fest angeordnet sind,

wobei die Bildstabilisierungsvorrichtung umfasst:

ein kardanisches Aufhängungsmittel mit einer ersten und einer zweiten Drehachse, welche sich in der Quer- bzw. der Vertikalrichtung der optischen Vorrichtung erstrecken, zur schwenkbaren Anbringung des Umkehrprismas an dem Gehäuse,

ein Stellglied zur schwenkbaren Bewegung des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse,

ein erstes und ein zweites Winkelstellungs-Datenerfassungsmittel, um jeweils Winkelstellungsdaten des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse zu erfassen,

ein erstes und ein zweites Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel, welche an dem kardanischen Aufhängungsmittel fest angebracht sind, um jeweils Winkelgeschwindigkeitsdaten des kardanischen Aufhängungsmittels bei einer Änderung der Lage der optischen Einrichtung zu erfassen,

ein Rückkopplungsregelungsmittel zum Regeln der Schwenkbewegung des kardanischen Aufhängungsmittels um die erste und die zweite Drehachse durch Betreiben des Stellglieds beruhend auf den durch die Winkelstellungs-Datenerfassungsmittel und die Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel erfassten Daten, um das Umkehrprisma bezüglich eines Trägheitssystems festzuhalten, gekennzeichnet durch

ein Stellfaktor-Änderungsmittel zum Ändern eines Stellfaktors des Rückkopplungsregelungsmittels; und

ein Stellfaktor-Änderungs-Befehlsmittel, welches an einer von außen bedienbaren Position der optischen Vorrichtung angeordnet ist, um einen Bediener in die Lage zu versetzen, dem Stellfaktor-Änderungsmittel eine Änderung des Stellfaktors zu befehlen.

2. Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Stellfaktor- Änderungs-Befehlmittel dazu ausgebildet ist, eine Schaltbetätigung zwischen einem Nieder-Stellfaktor-Modus, welcher auf die Bildstabilisierung gerichtet ist, und einem Hoch-Stellfaktor-Modus zu ermöglichen, welcher auf wenigstens einen Vorgang von Schwenkvorgang und Kippvorgang gerichtet ist.

3. Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Stellfaktor- Änderungs-Befehlmittel derart ausgebildet ist, dass eine Mehrzahl von Schaltstufen zwischen einem Nieder-Stellfaktor-Modus, welcher auf die Bildstabilisierung gerichtet ist, und einem Hoch-Stellfaktor-Modus, welcher auf wenigstens einen Vorgang von Schwenkvorgang und Kippvorgang gerichtet ist, einrichtbar ist.

4. Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Stellfaktor- Änderungs-Befehlmittel derart ausgebildet ist, dass der Stellfaktor zwischen einem Nieder-Stellfaktor-Modus, welcher auf die Bildstabilisierung gerichtet ist, und einem Hoch-Stellfaktor-Modus, welcher auf wenigstens einen Vorgang von Schwenkvorgang und Kippvorgang gerichtet ist, kontinuierlich veränderbar ist.

5. Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Stellfaktor- Änderungs-Befehlmittel ein an einer Außenoberfläche des Gehäuses angeordneter Schalter ist.

6. Bildstabilisierungsvorrichtung nach Anspruch 1, worin das Winkelgeschwindigkeits-Datenerfassungsmittel ein Winkelgeschwindigkeitssensor zum Erfassen eines Betrags der Winkelgeschwindigkeit des kardanischen Aufhängungsmittels um die Drehachsen aufgrund eines Schüttelns der optischen Vorrichtung ist, wobei der Winkelgeschwindigkeitssensor durch einen piezoelektrischen Vibrationsgyrosensor gebildet ist, welcher einen säulenartigen Vibrator und ein piezoelektrisches Keramikelement verwendet.