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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der
Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Fernglas-ähnliches
Sichtsystem, welches ein deutlich vergrößertes Sichtfeld besitzt und
bei Tages- und/oder
Nachtzeitbedingungen verwendet werden kann.
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Diskussion
der verwandten Technik
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Existierende
Nachtsichtsysteme haben zahlreiche Anwendungen im täglichen
Leben. Vielleicht die bekannteste Verwendung von Nachtsichtsystemen
erfolgt durch das Militär
bei der Durchführung von
nächtlichen
Manövern.
Die Nachtsichtsysteme gestatten Sicht unter sehr schwachen Lichtbedingungen
durch Umwandeln von ankommendem Infrarot- und/oder sichtbarem Licht
von einer betrachteten Szene, in ein verstärktes Bild sichtbaren Lichts.
Während
nächtlicher
Manöver
führt militärisches
Personal oft andere Aufgaben, wie z.B. Steuern eines Flugzeugs oder
Fahren eines Fahrzeugs, aus, welche die Freiheit ihrer Hände erfordern,
während
sie das Territorium absuchen. Demgemäß sind Nachtsichtsysteme entwickelt
worden, um auf dem Kopf eines Benutzers getragen zu werden, wie
beispielsweise Brillen, die direkt an einem Kopf befestigt oder
an einem Helm angebracht werden.
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Ein
Nachtsichtsystem auf dem Kopf eines Benutzers zu platzieren, erlegt
dem optischen Design des Systems signifikante Beschränkung auf. Beispielsweise
müssen
Brillen, die auf dem Kopf eines Benutzers getragen werden, sowohl
kompakt als auch leicht im Gewicht sein, da übermäßiges Gewicht oder Längsausdehnung
der Brillen, dazu führen
können,
dass die Brillen große
Momente auf dem Kopf des Benutzers verursachen, was zu schweren Instabilitätsproblemen
führen
und deren effektiven Gebrauch in Anwendungen verhindern kann, in
denen der Kopf des Benutzers großen Schwerkraft- und Zentrifugallasten
ausgesetzt ist. Des Weiteren muss in einem optischen System mit
breitem Sichtfeld, die Brennweite der Okularoptik gemeinsam mit
der des Weitwinkelobjektivs zur Einheitsvergößerung verkürzt werden; und in Nachtsichtbrillen
führt dies
zu einer unzureichenden Entlastung der Augen zwischen der Okularoptik
und dem Auge, welche nicht nur dem Benutzer Unbehagen verursacht,
sondern auch die Fähigkeit
zur Positionierung eines Helmvisiers, von Augengläsern und
anderen Strukturen zwischen der Brille und den Augen des Benutzers,
beeinträchtigt. Um
die unzureichende Entlastung der Augen zu kompensieren, sind bisherige
Nachtsichtbrillen generell auf die Bereitstellung eines Sichtfeldes
von nicht mehr als 40 Grad beschränkt gewesen. In derartigen Brillen,
sehen beide Augen das gleiche Sichtfeld, d.h. es gibt eine 100 prozentige Überschneidung
der Bilder, die von beiden Augen des Beobachters gesehen werden.
Ein derartig beschränktes
Sichtfeld beschränkt
die Effektivität
der Nachtsichtvorrichtung erheblich.
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US 5,229,598 A spricht
die oben erwähnten Probleme
an und offenbart ein kompaktes, leichtgewichtiges Nachtsichtsystem,
welches imstande ist, ein vergrößertes Sichtfeld
von bis zu 60 Grad mit verbesserter Sehschärfe und ausreichender Entlastung der
Augen zu liefern.
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US 5,079,416 A offenbart
eine kompakte Nachtsichtbrillenvorrichtung, welche dem Benutzer mit
sowohl einem direkten oder nicht verstärkten Bild als auch einem verstärkten Bild über erste
und zweite, sich schneidende optische Pfade liefert. Die Vorrichtung
weist Sekundärbildeingabemittel
zur Einbringung von Symbolen oder anderen Sekundärbildern in den verstärkten optischen
Pfad auf, um sie dem Benutzer mit den verstärkten und unverstärkten Bildern
zu zeigen. Zusätzlich
beinhaltet die Vorrichtung Peripherie- bzw. Randabbildungsmittel,
um den Benutzer mit einem großen
Peripherie- bzw. Randsichtfeld trotz Hindernissen an der Vorrichtung,
welche normalerweise die Peripherie- bzw. Randsicht stören würden, zu
beliefern. Die Vorrichtung beinhaltet erste und zweite Brillengehäuse für die beiden
Augen des Benutzers, und beinhaltet gemäß einem Ausführungsbeispiel
auch optische Mittel in der Brücke
der Brille zur Übertragung
der verstärkten
Bilder von einem Gehäuse
zu dem anderen, und zwar derart, dass die verstärkten Bilder von einem Bildverstärkungsmittel
beiden Augen des Benutzers gezeigt werden.
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Neben
Nachsichtsystemen, liefern andere Abbildungssysteme, wie beispielsweise
in der Hand gehaltene Ferngläser,
typischerweise ein ziemlich beschränktes Sichtfeld; und es wäre wünschenswert solche
Systeme mit vergrößerten Sichtfeldern
ebenfalls zu liefern.
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Zusammenfassung
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung ist ein Fernglas-ähnliches Sichtsystem nach Anspruch
1 und eine Panorama-Abbildungsvorrichtung nach Anspruch 10. Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
der vorliegenden Erfindung können
den abhängigen
Ansprüchen
entnommen werden.
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Die
vorliegende Erfindung hat den Vorteil ein vergrößertes Sichtfeld mit verbesserter
Sehschärfe und
ausreichender Entlastung der Augen zu liefern, und zwar für ein kompaktes,
leichtgewichtiges Fernglas-ähnliches
Sichtsystem.
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Weitere
Vorteile und spezifische Details der Erfindung werden im Folgenden
zusammen mit der folgenden detaillierten Beschreibung der derzeit
bevorzugten Ausführungsbeispiele
erläutert.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist eine Draufsicht eines
Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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2 ist eine Rückansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 1;
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3 zeigt schematisch das
Sichtfeld, welches durch das Fernglas-ähnliche Sichtsystem der 1 erzeugt wird;
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4 ist eine Draufsicht eines
zweiten Ausführungsbeispiels
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 ist eine Rückansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 4;
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6 zeigt schematisch das
Sichtfeld, welches durch das Fernglas-ähnliche Sichtsystem der 4 erzeugt wird;
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7 ist eine Draufsicht eines
dritten Ausführungsbeispiels
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8 ist eine Rückansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 7;
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9 zeigt schematisch das
Sichtfeld, welches durch das Fernglas-ähnliche Sichtsystem der 7 erzeugt wird;
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10 ist eine Vorderansicht
eines vierten Ausführungsbeispiels
eines Fernglas-ähnlichen Sichtsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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11 ist eine Unteransicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 10;
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12 zeigt schematisch das
Sichtfeld, welches durch das Fernglas-ähnliche Sichtsystem der 10 erzeugt wird;
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13 stellt schematisch eine
mit aufrechtem Kopf sichtbare bzw. Head-up Anzeigeeinheit (Head-up
Display = HUD) überlagert
auf dem Sichtfeld der 12;
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14 ist eine Vorderansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 10 mit
einer Befestigungsstruktur zur Befestigung an einem Helm;
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15 ist eine Unteransicht
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 14;
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16 zeigt eine Draufsicht
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems des Standes der Technik und ein Sichtfeld, welches
durch das System erzeugt wird;
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17 zeigt eine Draufsicht
eines fünften Ausführungsbeispiels
eines Fernglas-ähnlichen Sichtsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung und das durch das System erzeugte Sichtfeld;
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18 ist eine Vorderansicht
eines sechsten Ausführungsbeispiels
eines Fernglas-ähnlichen Sichtsystems
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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19 ist eine Draufsicht des
Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 18;
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20 ist eine Rückansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 18;
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21 ist eine teilweise freigelegte
Draufsicht des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 18;
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22 zeigt eine Seitenansicht
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 18;
und
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23 zeigt eine freigelegte
Seitenansicht des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems der 22.
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Beschreibung
des bevorzugten Ausführungsbeispiels
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Mehrere
Fernglas-ähnliche
Sichtsysteme gemäß der vorliegenden
Erfindung sind in den 1 bis 23 schematisch gezeigt, wobei
gleiche Elemente durch gleiche Bezugszeichen identifiziert werden. Die
Fernglas-ähnlichen
Sichtsysteme 50 der 1 bis 23 besitzen im Allgemeinen
ein Eingabeende (72, 90), welches Licht von einem
Objekt empfängt
und ein optisches Übertragungssystem
(62, 64, 86, 88), welches das
Licht empfängt,
das von dem Eingabeende aufgenommen wird, und das aufgenommene Licht
an ein Ausgabeende (80, 92) des Systems überträgt, wobei
Licht, welches aus dem Ausgabeende ausgegeben wird, ein Sichtfeld
von dem Objekt ausbildet, welches größer ist als ein 60 Grad horizontales
Sichtfeld.
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1–3 zeigen
ein Ausführungsbeispiel
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems 50 gemäß der vorliegenden
Erfindung, welches in oben beschriebener Weise arbeitet. Das Sichtsystem 50 ist
in einer Gehäuseanordnung 52 enthalten,
welche ein Paar von Gehäusen 54 und 56 besitzt,
die miteinander durch eine Brücke 57 verbunden
und angeordnet sind, um das rechte Auge 58 bzw. das linke
Auge 60 eines Beobachters abzudecken. Ein Paar von Ösen 61 wird
in den Gehäusen 54 und 56 vorgesehen,
um einen Riemen oder ähnliches
aufzunehmen, damit der Benutzer das Sichtsystems 50 bequem
um seinen Hals tragen kann, wenn dieses nicht verwendet wird.
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Jedes
der Gehäuse 54 und 56 enthält identische
optische Systeme, welche Spiegelbilder von einander entlang einer
Ebene 63 (angezeigt durch gestrichelte Linien) sind, welche
die Gehäuseanordnung 52,
wie in 1 gezeigt, zweiteilt.
Demgemäß ist die
folgende Diskussion mit Bezug auf das Gehäuse 54 gleichermaßen anwendbar
auf das Gehäuse 56.
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Wie
in 1 gezeigt, weist
das Gehäuse 54 zwei
separate optische Komponenten 62 und 64 auf. Die
innere optische Komponente 62 besitzt die identische optische
Struktur wie die äußere optische Komponente 64.
Demgemäß ist die
folgende Diskussion der Struktur der inneren optischen Komponente 62 gleichermaßen anwendbar
auf die äußere optische
Komponente 64. Die innere optische Komponente 62 weist
drei optische Hauptstrukturen auf: (1) ein optisches Objektivsystem 66,
(2) eine Bildverstärkerröhre 68 und
(3) ein optisches Suchersystem 70. Das optische Objektivsystem 66 definiert
ein Eingabeende 72, welches Licht von einem Objekt empfängt. Das
optische Objektivsystem 66 weist eine Weitwinkellinsengruppe
auf, welche ein erwünschtes Sichtfeld
von z.B. 40 Grad liefert und eine herkömmliche Bauart haben kann,
wie in US Patent Nr. 5,416,315 offenbart, dessen gesamter Inhalt
hierin durch Bezugnahme enthalten ist. Das optische Objektivsystem 66 weist
ungefähr
2 bis 7 optische Elemente auf, wie beispielsweise Kunststoff- oder
Glaslinsen L, welche eine effektive Brennweite von ungefähr 21 mm,
P/1 .2 besitzen. Die Linsen L des optischen Objektivsystems besitzen
vorzugsweise eine sphärische
oder asphärische
Bauart.
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Das
optische Objektivsystem 66 ist ausgelegt für den Empfang
von Licht von einem Objekt, welches an einem Eingabeende 72 betrachtet
wird, und für
das Übertragen
von einem Bild von dem Objekt zu dem Eingabeende oder der photokathodischen
Seite 74 der Bildverstärkerröhre 68.
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Die
Bildverstärkerröhre 68 ermöglicht es dem
Benutzer, ein Objekt bei schwachen Lichtbedingungen zu betrachten,
indem sichtbare und/oder Infrarotbilder von dem Objekt empfangen
werden, die von ihrem Eingabeende 74 übertragen werden. Die Bildverstärkerröhre 68 wandelt
das empfangene Bild in ein verstärktes
sichtbares Ausgabebild in einem vorbestimmten, engen Wellenlängenband
an dem Ausgabeende 78 der Bildverstärkerröhre 68, um. Die Bildverstärkerröhre 68 ist
in der Technik bekannt. Beispielsweise kann die Bildverstärkerröhre 68 eine GaAs-Photokathode
an dem Eingabeende 74 aufweisen und das Ausgabelicht von
der Bildverstärkerröhre 68 wird
durch grünen
Phosphor ausgestrahlt, welcher ein sichtbares Lichtband erzeugt,
das als „P-20"-Licht bekannt ist,
wenngleich verstanden wird, dass andere Bildverstärkerkonstruktionen
ebenfalls verwendet werden könnten.
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Die
Bildverstärkerröhre 68 weist
auch ein Faseroptikbündel
bzw. Glasfaserbündel
(schematisch gezeigt bei 75) auf, zum Übertragen von Stücken von Bilddaten
von dem Photokathodeneingabeende 74 zu dem Phosphorausgabeende 78 derselben.
Das Faseroptikbündel 75 ist
vorzugsweise in einer in der Technik bekannten Art und Weise verdreht,
und zwar um eine Bildrotation von 180 Grad zu liefern, so dass ein
aufrechtes Bild des Objekts dem Auge des Benutzers präsentiert
wird.
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Das
verstärkte,
sichtbare Ausgabebild, welches durch die Bildverstärkerröhre 68 erzeugt
wird, wird an ein Ausgabeende 80 der inneren optischen Komponente 62 über das
optische Suchersystem 70 übertragen. Das Licht, welches
durch das Ausgabeende 80 übertragen wird, wird entlang
der optischen Achse 84 übertragen,
welche mit der optischen Achse des rechten Auges 58 ausgerichtet
ist. Das optische Suchersystem 70 kann eine herkömmliche
Bauart besitzen, wie beispielsweise im US Patent Nr. 5,416,315 offenbart
ist, dessen gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Das optische Suchersystem 70 weist ungefähr 2 bis
7 optische Elemente, wie z.B. Kunststoff- oder Glaslinsen L auf, welche
eine effektive Brennweite von ungefähr 21 mm, P/1 .2 haben. Die
Linsen L des optischen Objektivsystems besitzen vorzugsweise eine
sphärische oder
asphärische
Bauart.
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Um
das Sichtfeld zu vergrößern, wird
eine äußere optische
Komponente 64 vorgesehen, welche ebenfalls Licht von dem
Objekt an den Beobachter leitet. Wie zuvor beschrieben, hat die äußere optische
Komponente 64 die gleiche optische Struktur wie die zuvor
beschriebene, innere optische Struktur 62. Wie die innere
optische Komponente 62, weist die äußere optische Komponente 64 ein
optisches Objektivsystem 66, eine Bildverstärkerröhre 68 und ein
optisches Suchersystem 70 auf, welche in derselben Weise
arbeiten, wie ihre Gegenstücke
in der inneren optischen Komponente 62. Demgemäß haben das
optische Objektivsystem 66 und das optische Suchersystem 70 der äuße ren optischen
Komponente 64 jeweils eine effektive Brennweite von ungefähr 21 mm,
wie ihre Gegenstücke
in der inneren optischen Komponente 62.
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Die
oben beschriebene äußere optische Komponente 64 arbeitet
in einer Weise ähnlich
der der inneren optischen Komponente 62. Das Eingabeende 72 der äußeren optischen
Komponente 64 empfängt
Licht von einem Objekt. Das empfangene Licht wird dann über das
optische Objektivsystem 66 zur Bildverstärkerröhre 68 übertragen,
welche wiederum ein verstärktes
Bild erzeugt, welches von dem optischen Suchersystem 70 empfangen
wird. Das optische Suchersystem 70 sendet dann das Bild
an ein Ausgabeende 80 der äußeren optischen Komponente 64.
Das Licht, welches durch das Ausgabeende 80 übertragen
wird, bewegt sich entlang einer optischen Achse 82, die
von der optischen Achse 84 um einen Winkel versetzt ist,
der von ungefähr
30° bis 35° reicht und
der vorzugsweise bei 30 Grad liegt.
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Wie
oben festgestellt, besitzt die innere optische Komponente 86 für das linke
Auge 60 die gleiche Struktur und arbeitet in der gleichen
Weise wie die innere optische Komponente 62. In gleicher
Weise besitzt die äußere optische
Komponente 88 für das
linke Auge 60 die gleiche Struktur und arbeitet in der
gleichen Weise wie die äußere optische
Komponente 64. Mit anderen Worten empfangen die inneren und äußeren Komponenten 86 und 88 jeweils
Licht von einem Objekt an den Eingabeenden 90 und übertragen
ihre Bilder des Objekts zu entsprechenden Ausgabeenden 92.
Wie in 1 gezeigt, wird
das Bild von der inneren optischen Komponente 86 entlang
einer optischen Achse 94 projiziert, die mit der optischen
Achse des linken Auges 60 ausgerichtet und auf diese Weise
im Wesentlichen parallel zu der optischen Achse 84 ist.
Das Bild von der äußeren optischen
Komponente 88 wird entlang einer optischen Achse 96 projiziert,
die von der optischen Achse 94 um einen Winkel versetzt
ist, der von 30 Grad bis 35 Grad reicht, und zwar vorzugsweise von
ungefähr
30 Grad. Wie am besten in 2 gezeigt,
sind die beiden optischen Suchersysteme 70 für jedes
der Gehäuse 54 und 56 benachbart
zueinander angeordnet, damit beide Bilder der Ausgabeenden 80 und 92 kontinuierlich
erscheinen, und zwar ohne eine bemerkbare Demarkations- bzw. Abgren zungslinie
zwischen den Ausgangselementen der optischen Suchersysteme. In Bezug
auf die Vorwärtsblickrichtung,
sehen die beiden benachbarten optischen Suchersysteme für jedes
Gehäuse 54 und 56 ein
kontinuierliches, horizontales Sichtfeld vor, welches ungefähr 50 Grad zur
Rechten (oder zur Linken) beginnt und 15 Grad zur Linken (zur Rechten)
endet.
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Wie
in 1 gezeigt, liegen
die optischen Systeme auf einer Linie mit der Sichtlinie der Augen 58 und 60 des
Beobachters. Zudem können,
wie in 2 gezeigt, die
Ausgabeenden 80 und 92 jeweils unter die entsprechenden
Eingabeenden 72 und 90 versetzt sein. Dies wird
erreicht, indem bekannte Spiegelsysteme oder Prismen-Systeme (nicht
gezeigt) zwischen die Ausgabeenden 78 der Bildverstärkerröhren 68 und
der optischen Sucherkomponenten 70 eingefügt werden.
Die Vorrichtung weist auch einen bekannten Mechanismus 98 zum
Einstellen des Pupillenabstandes zwischen den optischen Suchersystemen
in den beiden Gehäusen 54 und 56 auf,
um unterschiedlichen Benutzern Rechnung zu tragen.
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Das
Sichtfeld 100, welches durch das Licht, das simultan entlang
der vier optischen Achsen 82, 84, 94 und 96 an
den Beobachter übertragen
wird, ist schematisch in der 3 gezeigt.
Das Sichtfeld 100 ist das Ergebnis, davon dass die von
jedem der Ausgabeenden 80 und 92 gebildeten Teilsichtfelder
sich überlappen.
Jedes der vier Teilsichtfelder ist kreisförmig mit einem horizontalen
Sichtfeld von ungefähr
40 Grad und einem vertikalen Sichtfeld von ungefähr 40 Grad. Das Sichtfeld 100 umfasst
zwei Randteile 102 und 104, die voneinander getrennt
sind, und jedes der Teile 102 und 104 hat einen
monokularen Effekt auf den Beobachter. Das Sichtfeld 100 umfasst
einen Überschneidungsmittelteil 106,
der ungefähr
30 Grad umspannt. Der Mittelteil 106 ist zwischen den monokularen
Teilen 102 und 104 angeordnet und wird von beiden
Augen 58 und 60 des Beobachters betrachtet, um
vollständige
Tiefenwahrnehmung und genaue Stereosicht im Mittelteil zu liefern.
Das Sichtfeld 100 hat ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 40 Grad
und ein horizontales Sichtfeld von ungefähr 100 Grad. Auf diese Weise
bildet das optische Übertragungssystem der
Erfindung ein erstes Teilsichtfeld und ein zweites Teil sichtfeld,
wobei das erste und zweite Teilsichtfeld das Sichtfeld bilden. Das
zweite Teilsichtfeld überschneidet
sich teilweise mit dem ersten Teilsichtfeld. In einem bevorzugten
Ausführungsbeispiel,
weist das erste Teilsichtfeld ein horizontales Feld von ungefähr 40 Grad
auf.
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Das
oben beschriebene Fernglas-ähnliche Sichtsystem 50 der 1–3 hat
eine Masse von ungefähr
550 g, einen Mikrokanalplatten-(MCP)-Abstand, der von 6 bis 7 Mikron
reicht, eine Grenzauflösung
die größer oder
gleich 60 LP/mm, eine Entlastung der Augen die größer oder
gleich 20 mm und eine Systemauflösung
die ungefähr
1,15 cy/mr min ist. Beachtet werden sollte, dass um ein verzerrungsfreies
System 50 zu erzeugen, die Vergrößerungen aller vier optischen
Komponenten 62, 64, 86 und 88 gesteuert
werden müssen,
um innerhalb von 2.5% voneinander zu sein. Zudem wird ein gekoppelter
Fokussierungsmechanismus 108 vorgesehen, um die Position
der Eingabeenden in den X- und Y-Richtungen einzustellen, und zwar
um jeden Versatz zwischen zwei benachbarten Bildern an den Ausgabeenden
zu beseitigen.
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Andere
Veränderungen
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems 50 sind möglich
durch Verändern der
optischen Objektiv- und Suchersysteme 66 und 70 auf
zahlreiche Arten und zwar auf eine Weise, wie sie im Stand der Technik
bekannt sind. Beispielsweise werden ein horizontales Sichtfeld von
ungefähr 120
Grad und ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad durch das Fernglasähnliche
Sichtsystem 50 der 4–6 gebildet. Das Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 4–6 hat im Wesentlichen die
gleiche Struktur und Funktionen wie das System 50 welches
vorher mit Bezug auf die 1–3 beschrieben wurde, mit
einigen geringfügigen
Veränderungen
an den optischen Objektivkomponenten 66 und den optischen
Sucherkomponenten 70 der optischen Komponenten 62, 64, 86 und 88.
Die Bildverstärkerröhren 68 sind
unverändert.
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Wie
bei dem Sichtsystem 50 der 1–3 haben die inneren optischen
Komponenten 62, 86 und die äußeren optischen Komponenten 64 und 88 jeweils
identische optische Strukturen. Das optische Objektivsystem 66 und
das opti sche Suchersystem 70 können eine herkömmliche
Bauart besitzen, wie beispielsweise in US Patent Nr. 5,416,315 offenbart, dessen
gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist. Das optische
Objektivsystem 66 weist ungefähr 2 bis 7 optische Elemente
auf, wie z.B. Kunststoff- oder Glaslinsen L, die eine effektive Brennweite
von ungefähr
17 mm besitzen. Das optische Suchersystem weist ungefähr 2 bis
7 optische Elemente auf, wie z.B. Kunststoff- oder Glaslinsen L, die
eine effektive Brennweite von ungefähr 22 mm haben. Die Linsen
L von sowohl dem optischen Objektivsystem 66 als auch dem
optischen Suchersystem 70 haben vorzugsweise eine sphärische oder
asphärische
Bauart.
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Wie
in 4 gezeigt, sind die
optischen Achsen 84 und 94 mit den optischen Achsen
des rechten und linken Auges 58 bzw. 60 des Beobachters
ausgerichtet. Die optischen Achsen 82 und 96 sind
von den optischen Achsen 84 bzw. 94 versetzt,
und zwar um ungefähr
35 Grad.
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Das
Sichtfeld 100, welches durch das Licht erzeugt wird, das
simultan entlang der vier optischen Achsen 82, 84, 94 und 96 übertragen
wird, wird schematisch in 6 gezeigt.
Das Sichtfeld 100 ist das Ergebnis davon, dass die von
jedem der Ausgabeenden 80 und 92 gebildeten Teilsichtfelder
sich überlappen.
Die vier Teilsichtfelder sind jeweils kreisförmig und haben ein horizontales
Sichtfeld von ungefähr
50 Grad und ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad. In einer Weise,
die ähnlich
der in 3 gezeigten ist,
weist das Sichtfeld 100 zwei monokulare Teile 102, 104 auf
und ein 35 Grad Binokularteil 106. Das Sichtfeld 100 hat
ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad und ein horizontales
Sichtfeld von ungefähr
120 Grad.
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Das
oben beschriebene Fernglas-ähnliche Sichtsystem 50 der 4–6 besitzt
eine Masse von ungefähr
550g, eine Grenzauflösung,
die von 57 bis 60 LP/mm reicht, und eine Systemauflösung von
ungefähr
0,93 cy/mr min.
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Das
Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 7–9 hat im Wesentlichen die
gleiche Struktur und Funktionen wie das Sichtsystem 50,
welches vorher mit Bezug auf die 4–6 beschrieben wurde, und zwar
wo die optischen Objektivkomponenten 66 der inneren und äußeren optischen
Komponenten 62, 64, 86 und 88 jeweils
ersetzt sind durch eine identische optische Objektivkomponente von
26 bis 27 mm effektiver Brennweite, wie sie von der Night Vision Corporation
unter der Marke NOVA-8 verkauft wird. Die Bildverstärkerröhren 68 werden
auch von der Night Vision Corporation unter der Marke NOVA-8 verkauft.
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Wie
bei dem Sichtsystem 50 der 1–6 haben die inneren optischen
Komponenten 82, 86 und die äußeren optischen Komponenten 64 und 88 jeweils
identische optische Strukturen für
die optischen Objektivsysteme 66, die Bildverstärkerröhren 68 und die
optischen Suchersysteme 70. Das optische Suchersystem 70 kann
eine herkömmliche
Bauart haben, wie sie im US Patent Nr. 5,416,315 offenbart ist, dessen
gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist. Das optische
Suchersystem 70 weist ungefähr 2 bis 7 optische Elemente
auf, wie z.B. Kunststoff- oder Glaslinsen L, die eine effektive Brennweite
von ungefähr
26 bis 27 mm haben. Die Linsen L von sowohl dem optischen Objektivsystem 66 als
auch dem optischen Suchersystem 70 haben vorzugsweise eine
sphärische
oder asphärische Bauart.
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Wie
in 7 gezeigt, sind die
optischen Achsen 84 und 94 mit den optischen Achsen
des rechten und linken Auges 58 bzw. 60 des Beobachters
ausgerichtet. Die optischen Achsen 82 und 96 sind
von den optischen Achsen 84 bzw. 94 versetzt,
und zwar um ungefähr
35 Grad.
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Das
Sichtfeld 100, welches durch das Licht erzeugt wird, das
simultan entlang der vier optischen Achsen 82, 84, 94 und 96 übertragen
wird, ist schematisch in 9 gezeigt.
Das Sichtfeld 100 ist das Ergebnis des Vorsehens der Teilsichtfelder,
die von den Ausgabeenden 80 und 92 geformt werden,
indem sie sich überlappen.
Die vier Teilsichtfelder sind jeweils kreisförmig und haben ein horizontales
Sichtfeld von ungefähr
50 Grad und ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad. In einer Weise,
die ähnlich
der in 3 gezeigten ist,
weist das Sichtfeld 100 zwei monokulare Teile 102, 104 auf
und ein 35 Grad Binokularteil 106. Das Sichtfeld 100 hat
ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad und ein horizontales Sichtfeld
von ungefähr
120 Grad.
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Das
oben beschriebene Fernglas-ähnliche Sichtsystem 50 der 7–9 besitzt
eine Masse von ungefähr
950g, eine Grenzauflösung
von mehr als 60 LP/mm, ein MCP Abstand von 6–7 Mikron und eine Systemauflösung, die
von 1,1 bis 1,4 cy/mr min reicht.
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Ein
viertes Ausführungsbeispiel
eines Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems gemäß der vorliegenden
Erfindung ist in den 10–15 gezeigt. Genauer gesagt
veranschaulichen 10–15 ein Visiersichtsystem,
in welchem ein Fernglasähnliches
Sichtsystem 50 an einem Helmvisier 110 angebracht
ist zur Verwendung durch Flugzeugpiloten und ähnlichem. Wie in den 14–15 gezeigt,
ist das Visier 110 an einem Helm 112 durch eine
Halterung 114 vom Pilotnachtsichtabbildungssystem-(Aviator
Night Vision Imaging System = ANVIS)-Typ angebracht. Die Halterung 114 gestattet
dem Visier 110 sich zwischen einer Ab-Position vor den
Augen des Beobachters während
des Gebrauchs und einer Auf-Position weg vom Gesicht des Beobachters
bei Nichtverwendung zu bewegen. Das Sichtsystem 50 weist üblicherweise
Eingangsanschlüsse
auf, um mit aufrechtem Kopf sichtbare Informationen bzw. Head-Up-Anzeigeeinheitsinformationen
zu projizieren und für
andere Zwecke, sowie geeignete Stromquellenkopplungen und andere
Strukturen, welche nicht einen Teil der vorliegenden Erfindung bilden
und deshalb hierin nicht beschrieben werden.
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Das
Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 10–15 besitzt im Wesentlichen
die gleiche Struktur und Funktionen wie das Sichtsystem 50,
welches vorher mit Bezug auf das System 50 der 1–9 beschrieben
wurde, und zwar wo die optischen Objektiv- und Sucherkomponenten 66 und 70 der
inneren und äußeren Komponenten 62, 64, 86 und 88 jeweils durch
optische Komponenten ersetzt sind, um das gewünschte Sichtfeld zu liefern.
Wie bei dem Sichtsystem 50 der 1–9, haben die inneren optischen Komponenten 62, 86 und
die äußeren optischen Komponenten 64 und 88 jeweils
identische optische Strukturen für
die optischen Objektivsysteme 66, die Bildverstärkerröhren 68 und
die optischen Suchersysteme 70. Die optischen Objektiv-
und Suchersysteme 66 und 70 können eine konventionelle Bauart besitzen,
wie sie im US Patent Nr. 5,416,315 offenbart ist, dessen gesamter
Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist. Das optische Objektivsystem 66 weist
ungefähr
optische Elemente auf, wie beispielsweise Kunststoff- oder Glaslinsen
L, die eine effektive Brennweite von ungefähr 21,9 mm haben. Das optische
Suchersystem 70 weist ungefähr optische Elemente auf, wie
beispielsweise Kunststoff- oder
Glaslinsen L, die eine effektive Brennweite von ungefähr 21,9
mm besitzen. Die Linsen L von sowohl dem optischen Objektivsystem 66 als
auch dem optischen Suchersystem 70 haben vorzugsweise eine
sphärische
oder asphärische
Bauart.
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Wie
in den 10–11 und 14–15 gezeigt, haben alle vier
Lichtkomponenten 62, 64, 86 und 88 Lichtpfade,
welche gefaltet sind, im Gegensatz zu den lineargleichen Lichtpfaden
des Fernglas-ähnlichen
Sichtsystems 50 der 1–9. Die gefalteten Lichtpfade
werden durch eine Anzahl von bekannten Faltprismen entlang des optischen
Pfades und zwischen den Bildverstärkerröhren 68 und den optischen
Suchersystemen 70 in einer Weise gebildet, wie sie im US
Patent Nr. 5,416,315 beschrieben ist, dessen gesamter Inhalt hierin
durch Bezugnahme enthalten ist. Die gefalteten Lichtpfade ermöglichen es
der Vorrichtung, radial dicht am Gesicht entlang der Kontur des
Visiers 110 gepackt zu werden, um dadurch jede resultierende
Verlagerung des Schwerpunkts des gesamten auf dem Kopf getragenen
Gewichts zu minimieren. Die Vorrichtung sieht auch ein flaches Profil
vor, welches jeden nachteiligen aerodynamischen Effekte minimiert,
der sich unter Windstoßbedingungen
entwickeln könnten.
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Wie
in 11 gezeigt, sind
die optischen Achsen 84 und 94 mit den optischen
Achsen des rechten und linken Auges 58 bzw. 60 des
Beobachters ausgerichtet. Die optischen Achsen 82 und 96 sind
von den optischen Achsen 84 bzw. 94 versetzt, und
zwar um ungefähr
35 Grad.
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Das
Sichtfeld 100, welches durch das Licht erzeugt wird, das
simultan entlang der vier optischen Achsen 82, 84, 94 und 96 übertragen
wird, ist schematisch in 12 gezeigt.
Das Sichtfeld 100 ist das Ergebnis des Vorsehens der Teilsichtfelder,
die von den Ausgabeenden 80 und 92 geformt werden,
indem sie sich überlappen.
Die vier Teilsichtfelder sind jeweils kreisförmig und haben ein horizontales
Sichtfeld von ungefähr
40 Grad und ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 40 Grad. In einer Weise,
die ähnlich
der in 3 gezeigten ist,
weist das Sichtfeld 100 zwei monokulare Teile 102, 104 auf
und ein 35 Grad Binokularteil 106. Das Sichtfeld 100 hat
ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 40 Grad und ein horizontales Sichtfeld
von ungefähr
100 Grad.
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Das
oben beschriebene Fernglas-ähnliche Sichtsystem 50 der 10–15 besitzt
eine Masse von ungefähr
550g, eine Grenzauflösung
von ungefähr
60 LP/mm, eine Entlastung der Augen von 20 mm min, eine Systemverstärkung von
3.000 min und eine Systemauflösung
von ungefähr
1,10 cy/mr min.
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Es
sei bemerkt, dass jedes der optischen Objektivsysteme 62, 64, 86, 88 in
einer Öffnung,
die in dem Visier 110 vorgesehen ist, angebracht ist und sich
geringfügig
durch sie erstreckt, und an dem Visier 110 durch geeignete
Lager oder ähnliches
angebracht ist. Obwohl die Objektivsysteme 66 in Position in
dem Visier 110 befestigt sind, sind die optischen Suchersysteme 70 durch
Einstellknöpfe 116 (10) einstellbar, um die
Pupillenabstände
der Benutzer einzustellen. Die Gehäuse, die die optischen Objektivsysteme 66 tragen,
sind drehbar in ihren entsprechenden Lagern, um den optischen Suchersystemen 70 zu
ermöglichen,
in Position eingestellt zu werden. Verschiedene strukturelle Details
und vorteilhafte Merkmale der an einem Helmvisier angebrachten Panorama-Nachtsichtvorrichtung 50 der 10–15 sind
detailliert im US Patent Nr. 5,416,315 beschrieben, dessen Offenbarung
hiermit durch Bezugnahme hierin enthalten ist.
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Das
Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 10–15 kann auch eine mit aufrechtem
Kopf sichtbare Einheit bzw. Head-Up-(HUD)-Anzeigeeinheit 118 aufweisen
zur Anzeige der Sekundärinformation wie
beispielsweise Flugzeugda ten und Symbole an den Piloten und Besatzung.
Ein Kombinierelement 120 wird verwendet zum Überlagern
der HUD-Information auf die bildverstärkte Sicht des rechten Auges 58,
so dass diese in der gleichen Ebene erscheinen. Auf diese Weise
ist keine Veränderung
der Entfernungsanpassung des Auges notwendig. Die HUD-Information
definiert einen rechteckigen Bereich 122 von ungefähr 28 Grad
Breite und 20 Grad Höhe
im Sichtfeld 100, welches auf der geradeaus schauenden
Sichtlinie des Benutzers, wie in 13 gezeigt, zentriert
ist.
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Die
HUD-Information wird vorzugsweise vorgesehen in einer sich von der
grünen
bildverstärkten Sicht
kontrastierenden Farbe (z.B. gelb) und da das HUD und die Bildverstärkerröhre Informationen
in verschiedenen Farben vorsehen, wird ein dicroitischer Kombinierer
verwendet. Als Resultat ergibt sich, dass das System eine hohe Helligkeit
für beide Bilder
liefert, ohne übermäßige Luminanz
von einer der beiden Quellen zu erfordern.
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Die
mit aufrechtem Kopf sichtbare Einheit bzw. Head-Up-Anzeigeeinheit 118 in
den 10–11 und 14–15 ist vorzugsweise eine
elektroluminiszente Anzeige, obwohl sie auch eine Flüssigkristallanzeige (LCD
= Liquid Crystal Display) aufweisen kann. In diesem Zusammenhang
wird Bezug genommen auf US Patent Nr. 5,254,852, dessen gesamter
Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist, und welches die Verwendung
einer Flüssigkristallanzeigeeinrichtung
zum Präsentieren
eines Sekundärbildes
an einen Benutzer in einem Nachtbildsystem beschreibt.
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Im
Allgemeinen wird die auf der elektronischen Anzeige präsentierte
Information in einem Computer ausgewählt und formatiert und wird
dem Anzeigeteilsystem als ein nominales RS-170-Signal oder ähnliches
monochromes An-Aus-Signal
(mit oder ohne Grauskala) präsentiert.
Das Anzeigefeld ist imstande, ein Minimum an 480-Zeilen mal 640-Spalten
bis 1024 × 1080
(SVGA) Pixelbildern zu erzeugen. Da der Kombinierer 120 verwendet
wird, wird das HUD-Bild kontinuierlich projiziert und der Benutzer
nimmt gelbe Symbole war, die das verstärkte Bild überlagern.
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Die
Aufnahme der HUD-Einheit 118 in die Panorama-Nachtsichtabbildvorrichtung 50 fügt der Gesamtvorrichtung
sehr wenig Gewicht (z.B. ungefähr
65 Gramm) hinzu; und, demgemäß, bleibt
die Gesamtvorrichtung notausstiegs- bzw. schleudersitzsicher mit
einer minimalen Verlagerung des Schwerpunkts des gesamten auf dem
Kopf getragenen Gewichts.
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In
den Ausführungsbeispielen,
die mit Bezug auf die 1–15 beschrieben wurden, sind
Panorama-Nachtsichtabbildvorrichtungen dargestellt. Wie in den 17–23 gezeigt,
kann die vorliegende Erfindung auch in Abbildvorrichtungen verwendet
werden, die nicht eine Bildverstärkerröhre 68 aufweisen.
Das Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 17–23 hat im Wesentlichen die
gleiche Struktur und Funktionen wie das System 50, welches
vorher mit Bezug auf das System 50 der 1–15, beschrieben wurde. Ein
Unterschied zwischen dem Sichtsystem 50 der 1–15 und
dem der 17–23 ist, dass das Licht von
den optischen Objektivsystemen 66 direkt an die optischen
Suchersysteme 70 übertragen
wird, ohne durch eine Bildverstärkerröhre 68 verstärkt zu werden.
Wie die Sichtsysteme 50 der 1–15 sind die Sichtsysteme
der 17–23 imstande, ein vergrößertes Sichtfeld
durch die Verwendung von zwei optischen Komponenten pro Auge zu
erzeugen. Die Sichtsysteme 50 der 17–23 werden ein Sichtfeld erzeugen,
das größer ist
als das 43 Grad Sichtfeld, das durch das Fernglas des Standes der
Technik der 16 erzeugt
wird. Das Fernglas der 16 ist
ein von Jason 7 × 35
PermaFocus Fernglas, welches ein horizontales Sichtfeld von 113
Yards bei einer Entfernung von 1.000 Yards erzeugt.
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Das
Fernglas-ähnliche
Sichtsystem 50 der 17–23 weist innere optische
Komponenten 62, 86 und äußere optische Komponenten 64 und 88 auf, wobei
jede Komponente identische optische Strukturen für die optischen Objektivsysteme 66 und
die optischen Suchersysteme 70 besitzt. Die optischen Objektiv-
und Suchersysteme 66 und 70 können eine herkömmliche
Bauart besitzen, wie sie z.B. in US Patent Nr. 5,416,315 offenbart
ist, dessen gesamter Inhalt hierin durch Bezugnahme enthalten ist.
Das optische Objektivsystem 66 weist ungefähr 2 bis
7 optische Elemente auf, wie beispielsweise Kunststoff- oder Glaslinsen
L, welche eine effektive Brennweite von ungefähr 160 mm haben. Das optische
Suchersystem 70 weist ungefähr 2 bis 7 optische Elemente auf,
wie beispielsweise Kunststoff- oder Glaslinsen L, welche eine effektive
Brennweite von ungefähr
25 mm haben. Die Linsen L von sowohl dem optischen Objektivsystem 66 als
auch dem optischen Suchersystem 70 haben vorzugsweise eine
sphärische
oder asphärische
Bauart.
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Wie
in den 17 und 21 gezeigt, wird das Licht
von den vier optischen Objektivsystemen 66 zu optischen
Zwischenkomponenten 124 und 126 übertragen,
bevor es in die optischen Suchersysteme 70 eintritt. Die
optische Komponente 124 ist vorzugsweise ein Porro-Prisma,
welches das Bild von den inneren optischen Komponenten 62 und 86 um
180 Grad dreht, damit ein aufrechtes Bild dem Beobachter präsentiert
wird. Die optische Komponente 126 ist vorzugsweise ein
Schmidt-Prisma, welches das Bild von den äußeren optischen Komponenten 64 und 88 dreht
und biegt, um ein aufrechtes Bild zu präsentieren.
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Wie
in den 17 und 21 gezeigt, sind die optischen
Achsen 84 und 94 mit den optischen Achsen des
rechten und linken Auges 58 bzw. 60 des Beobachters
ausgerichtet. Die optischen Achsen 82 und 96 sind
von den optischen Achsen 84 bzw. 94 um ungefähr 35 Grad
versetzt.
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Das
Sichtfeld 100, das durch das Licht erzeugt wird, welches
entlang der vier, in den 17 und 21 gezeigten, optischen Achsen 82, 84, 94 und 96 übertragen
wird, ist ähnlich
dem, welches in 6 gezeigt
ist. Das Sichtfeld 100 ist das Ergebnis des Vorsehens der
Teilsichtfelder, die von den Ausgabeenden 80 und 92 geformt
werden, indem sie sich überlappen.
Die vier Teilsichtfelder sind jeweils kreisförmig und haben ein horizontales
Sichtfeld von ungefähr
50 Grad und ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad. Das Sichtfeld 100 weist
zwei monokulare Teile 102, 104 auf und ein 35-Grad-Binokularteil 106.
Das Sichtfeld 100 hat ein vertikales Sichtfeld von ungefähr 50 Grad
und ein horizontales Sichtfeld von ungefähr 120 Grad. Das Fernglas-ähnliche Sicht system 50 der 17, erzeugt beispielsweise theoretisch
ein horizontales Sichtfeld von 495 Yards bei einer Entfernung von
1.000 Yards. Das Sichtsystem 50 der 18–23 erzeugt ein horizontales
Sichtfeld von 1.058 Fuß bei
1.000 Yards.
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Wie
in den vorangehenden Ausführungsbeispielen
der 1–15, sind die optischen Suchersysteme 70 in
jedem Gehäuse 54 und 56 benachbart
zueinander angeordnet, so dass das Panorama-Gesamtbild kontinuierlich
erscheint, ohne eine bemerkbare Demarkations- bzw. Abgrenzungslinie
zwischen den Ausgangselementen des Suchers.
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Das
Sichtsystem 50 der 18–23 unterscheidet sich von
dem Sichtsystem 50 der 17 in mehrerer
Hinsicht. Zuerst weisen die äußeren Komponenten 64 und 88 des
Sichtsystems 50 der 18–23 jeweils eine keilförmige Linse 128 auf,
die an dem Eingabeende 72 eingefügt ist. Die Linse 128 lenkt
die Sichtlinie auf bekannte Weise ab, die in die äußeren Komponenten 64 und 88 eintritt.
Die äußeren Komponenten 64 und 88 weisen
weiterhin einen Spiegel 130 auf, der Licht von dem optischen
Objektivsystem 66 zu einem Paar keilförmiger Linsen 132 und 134 leitet,
die benachbart zu dem Prisma 126 angeordnet sind. Wie in
der 21 gezeigt, sind
die Linsen 132 und 134 aufeinander angeordnet,
um parallele Eingabe- und Ausgabeseiten 136 bzw. 138 zu bilden.
Die Linsen 132 und 134 korrigieren die Farbe, die
durch die Linse 128 erzeugt wird.
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Die
vorangehende Beschreibung wird zur Veranschaulichung der Erfindung
vorgesehen und soll nicht als eine Beschränkung ausgelegt werden. Zahlreiche
Hinzufügungen,
Ersetzungen und andere Veränderungen
können
an der Erfindung vorgenommen werden ohne den Umfang der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Obwohl hierin an einem Visier befestigte Nachsichtabbildvorrichtungen
beschrieben sind, kann die Vorrichtung beispielsweise ohne weiteres
zur direkten Befestigung an einem Helm konstruiert werden, wenn
dies gewünscht
ist. Zusätzlich
kann die Optik der Komponenten 62, 64, 86 und 88 der 1–23 voneinander
abweichen, solange deren Komponenten 66, 68 und 70 imstande
sind, die erwünschten
Parameter des Sichtsystems zu erreichen, wie beispielsweise die
erwünschte
Vergrößerung und
effektive Brennweiten der Komponenten des Systems.
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Demgemäß sollte
klar sein, dass die Erfindung nur insofern beschränkt sein
sollte, als durch den Umfang der nachfolgenden Ansprüche erforderlich
ist.