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Die vorliegende Erfindung bezieht sich ganz allgemein
auf Methoden und Geräte, um die Brennweite einer optischen
Vorrichtung zu verändern, damit man nahe und entfernte
Gegenstände betrachten kann, und insbesondere auf
Fokussiermethoden und -geräte in optischen Systemen mit variabler
Vergrößerung oder variablem Bildfeld.
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Optische Vorrichtungen mit variabler Vergrößerung
sind weit verbreitet und umfassen unter anderem das bekannte
Kamera-Zoomlinsensystem und Zielfernrohre variabler
Leistung. Diese erwähnten Vorrichtungen ermöglichen eine
kontinuierlich variable Vergrößerung. Eine zunehmende
Vergrößerung und entsprechende Abnahme des Bildfelds ist für solche
Systeme mit variabler Vergrößerung typisch. Üblicherweise
bewegen diese System eine innere Linseneinheit entlang der
optischen Hauptachse der optischen Vorrichtung, um die
Vergrößerung zu verändern, während eine andere Linse, wie
z. B. das Objektiv- oder Okularlinsensystem, axial bezüglich
der übrigen optischen Komponenten zur Fokussierung der
Vorrichtung verschoben wird. Daher sind getrennte
mechanische Systeme zur getrennten Bewegung optischer Komponenten
erforderlich, um die beiden Funktionen der Veränderung der
Vergrößerung und der Fokussierung des Systems zu erledigen.
Diese Systeme sind bekannt als Zoomlinsen mit mechanischer
Kompensation.
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Variable Vergrößerung in diskreten Schritten anstatt
der kontinuierlich veränderlichen Vergrößerung wird in
manchen Anwendungen bevorzugt. Eine Technik zur Erzielung
solcher diskreter Vergrößerungsveränderungen besteht darin,
bestimmte der mittleren optischen Komponenten physisch aus
dem Lichtverlauf zu entfernen und durch andere zu ersetzen.
Eine andere Technik besteht einfach darin, einen
Zwischenbereich des optischen Systems, typisch ein Paar von konvexen
Linsen (also Sammellinsen) zwischen zwei diskreten
Positionen zu verschieben. Wie in einem kontinuierlichen System
kann die Fokussierung des Systems durch axiale Bewegung
entweder der Objektivlinse oder des Okulars bezüglich des
übrigen optischen Systems erzielt werden. Die Technik, in
der ein mittleres Linsenpaar, das oft als Variator
bezeichnet wird, zwischen zwei diskreten Positionen verschoben
wird, erlaubt die Fokussierung durch Bewegung der gleichen
optischen Komponenten, des Variators, die zur Veränderung
des Bildfelds bewegt wurden. Die Bewegung der gleichen
optischen Komponenten sowohl zur Veränderung der
Vergrößerung als auch zur Fokussierung des Systems ist höchst
wünschenswert, da mechanische Elemente entfallen und Platz
gewonnen wird. Es gibt dann aber auch einen unerwünschten
Aspekt: Die Richtung, in der der Variator zur Veränderung
der Fokussierung von einem entfernten zu einem
näherliegenden Gegenstand in einem bestimmten Vergrößerungsmodus bewegt
werden muß, ist der Richtung entgegengesetzt, in die der
Variator zur Veränderung der Fokussierung von einem
entfernten zu einem näher liegenden Gegenstand im anderen
Vergrößerungsmodus verschoben werden muß. Dies verwirrt die Nutzer
des optischen Systems. Die Druckschrift EP-A-0 287 202
beschreibt eine Vorrichtung mit variabler Brennweite, die
ein optisches Element zur Veränderung der Vergrößerung und
der Brennweite verschiebt.
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Es ist wünschenswert, ein kompaktes diskretes
optisches Zoom-System vorzusehen, in dem Veränderungen der
Vergrößerung und Veränderungen der Brennweite durch Bewegung
derselben optischen Komponenten erreicht werden, wobei das
Problem der entgegengesetzten Richtung der
Fokussiersteuerung gelöst wird.
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Die vorliegende Erfindung bietet Lösungen für obige
Probleme, indem eine optische Vorrichtung mit variabler
Vergrößerung und variabler Fokussierung vorgesehen wird, die
mindestens ein Element besitzt, welches entlang der Hauptachse
der Vorrichtung zwischen getrennten Zonen entsprechend
höheren und niedrigeren Vergrößerungsmodi der Vorrichtung
bewegt werden kann. Dieses optische Element kann auch
entlang der Achse innerhalb der beiden getrennten Zonen bewegt
werden, um die Brennweite der Vorrichtung in dem
entsprechenden Vergrößerungsmodus zu variieren. Es gibt eine
Bedienungssteuerung für die Grobbewegung dieses optischen
Elements zwischen der ersten und der zweiten Zone zur Auswahl
des einen oder des anderen Vergrößerungsmodus und eine
zweite Bedienungssteuerung für die differentielle
Veränderung der axialen Position dieses optischen Elements
innerhalb jeder Zone, um die optische Vorrichtung in jedem
Vergrößerungsmodus zu fokussieren. Diese zweite oder
Fokussiersteuerung ist in einer Richtung beweglich, um die
Fokussierung von einem nahen Gegenstand zu einem fernen Gegenstand
umzustellen, und in Gegenrichtung, um die Fokussierung von
einem fernen Gegenstand zu einem näher liegenden Gegenstand
umzustellen, und zwar in beiden Modi. Die vorliegende
Erfindung enthält eine Vorrichtung mit variabler Vergrößerung und
variabler Brennweite, mit einer Mehrzahl von optischen
Elementen, die entlang einer optischen Hauptachse der
Vorrichtung angeordnet sind und mindestens ein optisches
Element enthalten, das entlang der Achse zwischen mindestens
zwei getrennten Zonen bewegbar ist, nämlich einer ersten
Zone entsprechend einem Modus stärkerer Vergrößerung und
einer zweiten Zone entsprechend einem Modus geringerer
Vergrößerung, wobei das mindestens eine optische Element,
das entlang der Achse innerhalb der beiden getrennten Zonen
bewegbar ist, um die Brennweite der Vorrichtung innerhalb
des jeweiligen Vergrößerungsmodus zu variieren,
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- erste von einer Bedienungsperson betätigbare Mittel zur
Bewegung des mindestens einen optischen Elements zwischen
den beiden Zonen für den selektiven Wechsel von einem
Vergrößerungsmodus zum anderen,
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- und zweite von der Bedienungsperson betätigbare Mittel
zur axialen Veränderung der Lage des mindestens einen
optischen Elements innerhalb jeder Zone enthält, um die optische
Vorrichtung in jedem Vergrößerungsmodus zu fokussieren,
wobei die zweiten von der Bedienungsperson betätigbaren
Mittel in einer Richtung bewegbar sind, um die Brennweite
von einem nahen Gegenstand auf einen weiter entfernten
Gegenstand in jeder dieser Zonen und in entgegengesetzter
Richtung von einem entfernten Gegenstand zu einem näher
liegenden Gegenstand in jeder der Zonen zu verändern.
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Fig. 1 zeigt von der Seite und teilweise geschnitten
eine optische Periskopvorrichtung für einen Betrieb mit
weitem Bildfeld zur Darstellung der vorliegenden Erfindung
in einer Form.
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Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Linie 2-2
aus Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt die Vorrichtung aus den Fig. 1 und 2
von unten.
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Fig. 4 ähnelt Fig. 2, zeigt aber die Vorrichtung in
einer Konfiguration mit engem Bildfeld und mit Fokussierung
auf die größte Entfernung.
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Fig. 5 ähnelt den Fig. 2 und 4, zeigt aber die
Vorrichtung in der Konfiguration mit engem Bildfeld und mit
Fokussierung auf eine mittlere Entfernung.
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Die Fig. 6a bis 6c zeigen vereinfacht
aufeinanderfolgende Stellungen der Kopplung zwischen dem Steuerarm
für die Vergrößerung und für die Fokussierung und der
Positionsachse des Variators beim Übergang von einem weiten zu
einem engen Bildfeld.
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Fig. 7 zeigt die Wechselbeziehung zwischen der
Position der beweglichen Linse und der Entfernung, auf die
die Vorrichtung gemäß den Fig. 1 bis 5 fokussiert ist.
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Gleiche Bezugszeichen bezeichnen entsprechende Teile
in den verschiedenen Figuren.
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Gemäß Fig. 1 wird von einem entfernten Gegenstand
ankommendes Licht durch den Pfeil 11 in der optischen Vorrichtung
10 bezeichnet. Dieses Licht durchläuft ein Fenster
13 und wird an einem Spiegel 15 nach unten durch eine Reihe
von Linsen abgelenkt, die in Fig. 2 besser zu sehen sind.
Das Licht verläuft durch eine Objektivlinse 17, dann durch
ein Linsenpaar 19 und 21 und schließlich durch die Linsen 23
und 25. Die letztgenannten Linsen können als Okular
betrachtet werden, und das daraus austretende Licht könnte direkt
ein sichtbares Bild ergeben, auf eine Leinwand projiziert
oder auf andere Weise genutzt werden. In der bevorzugten
Form arbeitet die Vorrichtung im Infrarotbereich des
Spektrums, und das aus der Linse 25 kommende Licht kann nicht
ohne weiteres betrachtet werden, sondern muß weiter durch
eine Struktur verarbeitet werden, die unterhalb der
gezeigten Struktur liegt, ehe ein sichtbares Bild des Gegenstands
entsteht.
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Die beiden Linsen 19 und 21 sind in einer Buchse 27
montiert, die entlang der optischen Hauptachse 29 der
Vorrichtung hin- und herbewegt werden kann. Diese beiden Linsen
können grob verschoben werden, um als eine Zoomlinse oder
als Variator zur Veränderung der Vergrößerung (und damit
auch des Bildfelds) der Vorrichtung zu dienen. Fig. 2 zeigt
den Variator in einer oberen Position für ein weites
Bildfeld und geringe Vergrößerung. Die Fig. 4 und 5 zeigen
den Variator in einer unteren Position für eine größere
Vergrößerung und ein engeres Bildfeld. Die beiden Linsen 19
und 21 können auch fein verschoben werden, um die optische
Vorrichtung selektiv auf nahe oder weiter entfernte
Gegenstände zu fokussieren. Fig. 4 zeigt den Variator in einer
Stellung, in der die Vorrichtung auf größte Entfernung
fokussiert ist. Diese Position des Variators trägt in Fig.
7 das Bezugszeichen 30, während die maximale
Fokussierentfernung mit 38 bezeichnet ist. Fig. 5 zeigt den Variator in
einer etwas höheren Zwischenstellung 34 (siehe Fig. 7) zur
Fokussierung der Vorrichtung auf einen näher liegenden
Gegenstand.
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Es wäre auch möglich, einen direkten Antrieb für die
Buchse 27 und der Variatorlinsen 19 und 21 zur Betätigung
durch die Bedienungsperson vorzusehen, beispielsweise in
Form eines einfachen Zahnstangenantriebs, sodaß die
Bedienungsperson einen Steuerknopf zur Verschiebung der Buchse 27
entlang der Achse 29 verdrehen könnte. Solch eine Anordnung
hat verschiedene erhebliche Nachteile, wie dies anhand von
Fig. 7 klar wird.
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In Fig. 7 beschreibt die Kurve 26 die Beziehung
zwischen der Position des Variators oder der beweglichen
Linsen und der Entfernung, auf die die optische Vorrichtung
fokussiert ist, wenn sie sich in einer Konfiguration für ein
enges Bildfeld befindet. Die Kurve 28 beschreibt die
Beziehung zwischen der Position des Variators oder der
beweglichen Linsen und der Entfernung, auf die die optische
Vorrichtung fokussiert ist, wenn sie sich in der Konfiguration
für ein weites Bildfeld befindet. Befindet sich der Variator
in der unteren Position entsprechend dem engen Bildfeld,
dann verändert die Aufwärtsbewegung des entsprechenden
Variators, die beispielsweise der Drehung des Steuerknopfs
im Uhrzeigersinn entspricht, die Fokussierung von einem
weiter entfernten zu einem näherliegenden Gegenstand.
Befindet sich der Variator in der oberen Position entsprechend
dem weiten Bildfeld, dann verändert die Aufwärtsbewegung des
Variators, die wieder der Drehung des Steuerknopfs im
Uhrzeigersinn entspricht, die Fokussierung von einem
näherliegenden zu einem weiter entfernten Gegenstand. Die unterste
Endposition 30 des Variators entspricht der Fokussierung auf
die größte Entfernung und die höchste Endposition 32
entspricht ebenfalls der Fokussierung auf größte Entfernung. So
verändert sich die Richtung der Drehung des Steuerknopfs bei
einem Wechsel zwischen weitem und engem Bildfeld, was für
den Benutzer sehr frustrierend und verwirrend ist.
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Es gibt eine Zone, die als nicht nutzbar
identifiziert ist und zwischen den Positionen des Variators für
enges und weites Bildfelds liegt. In dieser Zone ist die
optische Vorrichtung nicht funktionsfähig. Mit dem
empfohlenen Zahnstangenantrieb müßte der Zahnstangenantrieb lange
gedreht werden, um den Variator durch diese Zone beim
Übergang von einer Bildfeldzone in die andere zu verschieben.
Während dieses Vorgangs ergäbe sich eine lange Zeitdauer, in
der kein Bild verfügbar wäre. Außerdem würde die
Fokussierentfernung, die vorher für eines der Bildfelder eingestellt
worden war, beim Übergang von einer Bildfeldzone zur anderen
verlorengehen.
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Nun wird hauptsächlich auf die Fig. 2 und 3
eingegangen, die zeigen, wie diese Nachteile durch die
vorliegende Erfindung beseitigt werden, indem ein drehbarer
Fokussier-Bedienungsknopf 31 und eine damit verbundene
Fokussierwelle 33 vorgesehen sind, die durch Lager wie die
Laufbuchse 35 zur Drehung um die Achse 75 der Welle geeignet
gelagert sind. Die Welle 33 ist über ein Gewinde mit zwei
scheibenförmigen Fokussierring-Anschlägen 37 und 39 im
Eingriff. Zwei Spiralfedern 41 und 43 drücken die beiden
Fokussierring-Anschläge 37 und 39 auseinander, um wirksam
jedes Spiel der Anschläge 37 und 39 in axialer Richtung
entlang der Welle 33 zu eliminieren, das ansonsten durch
Toleranzen zwischen den Innengewinden der Anschläge und den
Gewinden auf der Welle möglich wäre. Die Spiralfedern 41 und
43 halten die Anschläge 37 und 39 auch bei Vibrationen in
Position. So lange ein Anschlag nur die Welle 33 berührt,
reicht die Reibungskopplung zwischen den beiden, um den Ring
mit der Welle drehen zu lassen, sodaß seine axiale Stellung
trotz der Drehung der Welle erhalten bleibt.
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Eine Fokussierrolle 45 liegt am Anschlag 39 an und
erzeugt eine ausreichende Reibung, um eine Drehung des
Anschlags 39 zu verhindern, wenn die Welle 33 gedreht wird.
Daher sorgt nun die Drehung der Welle 33 dafür, daß der
Anschlag 39 entlang der Gewinde auf der Welle 33 hin- und
herbewegt wird. Die Rolle 45 ist über einen Stift 53 mit dem
Steuerhebel oder Arm 49 für die Steuerung der Vergrößerung
und der Fokussierung gekoppelt. Die Rolle 45 und der Stift
53 werden schwenkbar von einem Block 47 getragen und können
zwischen den in Fig. 2 beziehungsweise den Fig. 4 und 5
gezeigten Positionen bewegt werden. Der Arm 49 ist über die
in den Fig. 6a bis 6c gezeigten Hebelverbindung mit der
Steuerwelle 55 verbunden. An der Steuerwelle 55 ist ein
Halteblock 67 befestigt, der eine Verbindungsstange 69
gleitend trägt. Die Stange 69 hat ein kugelförmiges Ende,
das in einen Sockel 71 der Variatorbuchse 27 eingreift. So
führt die Drehung der Welle 55 zu einer vertikalen Bewegung
der Buchse 27 und ihrer Variatorlinsen 19 und 21 entlang der
optischen Hauptachse der Vorrichtung.
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Mit der Welle ist ein von einer Bedienungsperson
betätigbarer Steuerhebel 73 (siehe Fig. 3) fest verbunden,
der bewegt werden kann, um die Vorrichtung zwischen dem
weiten und dem engen Bildfeld umzuschalten. Der ebenfalls
von der Bedienungsperson betätigbare Hebel 79 wird zur
Veränderung des Winkels des Spiegels 15 verwendet und gehört
nicht in den Rahmen der vorliegenden Erfindung. Durch
Drehung des Steuerhebels 73 um die Achse 77 der Steuerwelle
wird auch der Block 47 gedreht und der Stift 53, die Rolle
45 und die Fokussiersteuerung werden bewegt, sodaß über die
Zentriermechanik der Block 47, der Stift 53 und die Rolle 45
von der Position für weites Bildfeld, die in Fig. 2 gezeigt
ist, in die Position für enges Bildfeld, die in den Fig.
4 und 5 gezeigt ist, oder umgekehrt geworfen werden, wie
dies anhand der Fig. 6a bis 6c deutlich wird. Sobald der
Hebel 73 die Mittelachse 77 überschritten hat, schlägt die
Rolle 45 automatisch am Anschlag 37 oder 39 an. Die Welle 55
ist im Rahmen der optischen Vorrichtung drehbar um ihre
Mittelachse 77 befestigt. Der Hebelarm 49 zur
Fokussiersteuerung ist in der Vorrichtung um den Stift 51 schwenkbar
gelagert. Zum Wechsel von der Position mit weitem Blickfeld
in die Position mit engem Blickfeld betätigt die Bedienungsperson
den Hebel 73, sodaß die Welle 55 im Uhrzeigersinn
gemäß der Darstellung der Fig. 6a bis 6c gedreht wird.
Die Welle 55 hat einen versetzten Hebelarm 59, der bei 61
schwenkbar mit einem Verbindungsglied 63 gekoppelt ist. Ein
Stift 65 in der Nähe des Endes des Verbindungsglieds 63
greift in einen Schlitz im Hebel 49 ein. Bei
kontinuierlicher Drehung wandert der Stift 65 in dem Schlitz und der
Stift 53 wandert entsprechend in einem Schlitz in der Nähe
des anderen Endes des Hebels 47, wie Fig. 6b zeigt. Dauert
die Drehung im Uhrzeigersinn an, dann gelangt man in die
Stellung gemäß Fig. 6c für enges Bildfeld. Beim Übergang
von der Position gemäß Fig. 6a in die der Fig. 6b wird die
Spiralfeder 57 komprimiert, während der Übergang von der
Position gemäß Fig. 6b in die Position der Fig. 6c von der
Spiralfeder 57 unterstützt wird. So arbeitet der
Steuerschalter oder Hebel 73 ähnlich wie ein Kippschalter, wenn er
zwischen den verschiedenen Bildfeldern umschaltet, und die
Welle wird in die Position gemäß Fig. 6c gedrückt, sobald
die Position gemäß Fig. 6b erreicht ist.
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Die Richtung der Gewinde zwischen dem Anschlag 37 und
der Welle 33 einerseits und zwischen dem Anschlag 39 und der
Welle 33 andrerseits sind einander entgegengesetzt.
Beispielsweise kann der Anschlag 37 mit einem linken
Innengewinde versehen sein, während der Anschlag 39 ein
Rechtsgewinde besitzt. Die Drehung des Knopfs 31 im Uhrzeigersinn,
wie in Fig. 1 gezeigt, bewegt den Anschlag 39 nach links in
Fig. 2 und läßt den Hebel 49 um den Stift 51 im
Uhrzeigersinn schwenken. Die Welle 55 dreht sich, da der Block 47 die
Welle 55 dreht. Die Welle 55 dreht sich entgegen dem
Uhrzeigersinn und die Linsen 19 und 21 des Variators bewegen sich
nach oben und verändern die Fokussierung des weiten
Bildfelds von einer geringen zu einer größeren
Fokussierentfernung. Die Drehung des Knopfs 31 im Uhrzeigersinn, wie in
Fig. 1 gezeigt, bewegt den Anschlag 37 nach rechts in den
Fig. 4 und 5 und bewegt die Variatorlinsen 19 und 21 nach
unten, sodaß die Fokussierung des engen Bildfelds von einer
geringen zu einer größeren Fokussierentfernung übergeht. In
beiden Einstellungen entspricht also eine Drehung des Knopfs
im Uhrzeigersinn einem Wechsel von einer geringen zu einer
größeren Fokussierentfernung, während eine Drehung entgegen
dem Uhrzeigersinn einem Wechsel von einer größeren zu einer
geringeren Fokussierentfernung entspricht.
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Zusammengefaßt bietet die Erfindung eine Anzahl von
Vorteilen gegenüber bekannten Fokussiertechniken bei
variablem Bildfeld. Der gleiche Satz von Linsen kann zur
Veränderung der Vergrößerung und zum Wechsel der Brennweite
verwendet werden. Wechsel der Brennweite verlaufen in der
gleichen Richtung unabhängig von der jeweiligen Einstellung
des Bildfelds. Dies bedeutet, daß die Drehrichtung des
Knopfes 31 zur Veränderung der Fokussierung von z. B. einem
nahen Gegenstand zu einem weiter entfernten Gegenstand nicht
von dem jeweiligen Vergrößerungsmodus abhängt, in dem die
Vorrichtung gerade arbeitet. Wenn eine Fokussierentfernung
in einem Vergrößerungsmodus eingestellt ist und die
Vorrichtung in den anderen Modus umgeschaltet wird, bleibt die
erste Fokussierentfernung erhalten, sodaß die Vorrichtung in
die Fokussierentfernung zurückkehrt, wenn man in den ersten
Vergrößerungsmodus zurückkehrt. Ausgewählte
Fokussierentfernungen bleiben für jeden Vergrößerungsmodus trotz der
Wechsel des Modus erhalten, da die Anschläge 37 oder 39 mit der
Welle 33 mitrotieren und so ihre axialen Stellungen
beibehalten, wenn sie mit der Rolle 45 nicht im Eingriff stehen.