DE9116920U1 - Vorrichtung zum lotrechten Ausrichten der Achse eines Gegenstandes - Google Patents

Description

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Vorrichtung zum lotrechten Ausrichten der Achse eines Gegenstandes

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum schnellen, lotrechten Ausrichten der Achse eines Gegenstandes auf eine beliebige Stelle einer reflektierenden Fläche gleichmäßiger (sphärischer) oder relativ gleichmäßiger (asphärischer), insbesondere tonnenförmiger oder zylinderförmiger Krümmungsgeometrie mittels einer oder mehrerer Leuchtquellen.

Im folgenden soll diese Vorrichtung sowie ihre Nutzung am Beispiel einer Kamera mit Objektiv und eines Bildschirmes zum Zweck der Bildschirmfotografie erläutert werden.

Für die Ausgabe von am Computer erstellten Bildern direkt auf Filmmaterial bieten verschiedene Hersteller sogenannte Diabelichter an. Bei diesen Geräten wird in der Regel auf einem kleinen Bildschirm von einem langstreckigen Kathodenstrahl das Bild zeilenweise aufgebaut. Der Bildschirm eines Diabelichters nähert sich aufgrund eines großen Krümmungsradius bei kleiner Bildschirmdiagonalen - obwohl Oberflächenausschnitt einer Kugel - einer ebenen Fläche. Verzeichnungen, inhomogene Ausleuchtungen und Unscharfen der von einer vor den Bildschirm montierten, justierten Kamera fotografierten Bilder werden so minimiert.

Die Anschaffungskosten solcher Geräte sind sehr hoch, will man hochqualitative Bilder erhalten; Belichtungszeiten von mehreren Minuten für ein einzelnes Bild hindern bei der praktischen Arbeit. Spezialsysterne oder auch -software bieten aber nicht zwangsläufig die Möglichkeit, einen solchen Diabelichter anzuschließen bzw. anzusteuern. Darüberhinaus gibt es Kompatibilitätsprobleme beim Betrieb solcher Geräte an verschiedenen Computern bzw. unter verschiedenen Programmen.

Von daher ist die Fotografie des Bildschirmbildes oft die einzige Möglichkeit, Arbeitsergebnisse direkt auf Film festzuhalten. Am Markt werden heute selbst im Bereich von Personal-Computern hochqualitative Monitore mit guter Bildgeometrie, ruhigem, flimmerfreiem und scharfem Bild sowie hoher Auflösung preiswert angeboten. Prinzipiell kann man von solchen Monitoren unterschiedlicher Bildschirmformate und -geometrie (vom flachen bis hin zum konventionell deutlich gewölbten Bildschirm) ebenso hochqualitative Bilder fotografieren.

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Unter Verwendung von Normal- oder Makroobjektiven mit kurzer Aufnahmedistanz kommt es zwangsläufig zu einigen typischen Bildfehlern. Diese bestehen in einer tonnenförmigen Verzeichnung, einer ungleichmäßigen Ausleuchtung (Hot Spot) sowie einem Schärfeverlust zu den Bildrändern hin und sind bei Bildern besonders deutlich, die von stark gewölbten Bildschirmen fotografiert werden. Aber selbst Aufnahmen von einem flachen Bildschirm führen nicht zu völlig befriedigenden Ergebnissen.

Man kann aber durch Einsatz eines längerbrennweitigen, korrekt zeichnenden Objektives (ca. ab 200 mm bei einer Kleinbildkamera) und einer entsprechend vergrößerten Aufnahmedistanz die genannten Fehler grundsätzlich auf einfache, unaufwendige und kostengünstige Weise minimieren. Im Verhältnis von (gleichbleibender) Bildschirmdiagonalen zur deutlich vergrößerten Aufnahmedistanz ist eine Analogie zum Diabelichter zu sehen. Prinzipiell sind so verzeichnungsarme, gleichmäßig ausgeleuchtete und scharfe Bilder selbst bei Aufnahmen von stark gewölbten Bildschirmen möglich.

Aufnahmen mit einem Normal- oder Makroobjektiv und kurzer Entfernung zum Bildschirm, erst recht aber Fotografien mit einem Teleobjektiv aus größerer Distanz werfen ein nicht unerhebliches Justierproblem auf: Um durch den Aufbau von Kamera und Monitor bedingte Fehler im Bild zu minimieren, muß die optische Achse des Objektives möglichst exakt lotrecht auf die Mitte des Bildschirmes bzw. die Mitte des gewünschten Bildausschnittes gestellt werden. Diese für hochqualitative Aufnahmen hinsichtlich der geometrischen Zeichnung, Ausleuchtung und Schärfe notwendige Justierung ist aus freier Hand kaum, mit konventionellen Hilfsmitteln und entsprechenden Vermessungstechniken nur sehr aufwendig und letztlich ungenau möglich. Bei Aufnahmen mit einem Teleobjektiv aus größerer Entfernung werden diese Schwierigkeiten besonders deutlich.

Über Diagonalen läßt sich die Mitte des Bildes bzw. des gewünschten Bildausschnittes festlegen, auf die dann die Kamerasuchermitte (festgelegt durch einen Schnittbildindikator oder eine andere Suchergeometrie) ausgerichtet werden kann. Eine Verkippung der Kamera gegenüber dem Bildschirmbild ist am ebenfalls gekippten Bild im Kamerasucher zu erkennen und zu korrigieren; hingegen ist ein lotrechtes Ausrichten der optischen Achse des Objektives auf den Bildschirm auch mit großem Zeitaufwand nicht möglich.

Die Beurteilung des Bildes über den Kamerasucher wird noch schwieriger, ist diese Optik nicht gut korrigiert. Eine in die Filmebene gebrachte Mattscheibe

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erlaubt zwar (bei geöffnetem Verscfiluß) eine sichere Beurteilung der Bildgeometrie, die korrekte, schnelle und gegebenenfalls reproduzierbare Justierung des Aufbaus von Kamera und Monitor ist aber ebenfalls nicht möglich. Überzeugende Bilder sind Glückssache und kaum zu reproduzieren, sofern man nicht mit Aufbauten vergleichbar einer optischen Bank arbeitet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, mit der ein schnelles, lotrechtes Ausrichten der Achse (z.B. optische Achse) eines Gegenstandes (z.B. Kamera mit Objektiv) auf eine beliebige Stelle einer reflektierenden Fläche (z.B. Bildschirm) gleichmäßiger (sphärischer) oder relativ gleichmäßiger (asphärischer), insbesondere tonnenförmiger oder zylinderförmiger Krümmungsgeometrie vorgenommen werden kann. Diese Aufgabe wurde durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Bildschirme verhalten sich je nach der Geometrie ihrer Wölbung (sphärisch = Oberflächenausschnitt einer Kugel = Fläche gleichmäßiger Krümmungsgeometrie; asphärisch = Oberflächenausschnitt z.B. einer Tonne, eines Zylinders = Fläche relativ gleichmäßiger Krümmungsgeometrie) als Wölbspiegel verschiedener Stärke. Von einer vor dem Bildschirm befindlichen Leuchtquelle entsteht hinter der Mattscheibe (Rückfläche des Bildschirmes) ein virtuelles (= scheinbares, nicht reelles), aufrechtes, seitenrichtiges und verkleinertes Bild. Dieses virtuelle Bild befindet sich im Raum zwischen optischem Mittelpunkt (auf dem Bildschirm) und scheinbarem Brennpunkt (hinter dem Bildschirm).

Aufgrund der scheinbaren Brechkraft eines Bildschirmes ist die Fokussierentfernung des virtuellen Bildes geringer als bei einem ebenen Spiegel, aber größer als die Entfernung zwischen Kamera und Mattscheibe (Rückfläche des Bildschirmes), die eingestellt werden muß, um das reelle (wirkliche) Mattscheibenbild zu fotografieren; dabei ist das virtuelle Bild an einem stark gewölbten Bildschirm stärker verkleinert und liegt in kürzerer Entfernung hinter der Mattscheibe als bei einem nur flach gewölbten. Aus einem begrenzten Schärfentiefebereich erklärt sich, daß man das reelle Mattscheibenbild und das virtuelle Bild einer Leuchtquelle in der Regel nicht gleichzeitig scharf sehen kann, sondern notwendigerweise hin und her fokussieren muß. Auf das virtuelle Bild stellt man scharf, indem man langsam die Einstellentfernung, in der man das reelle Mattscheibenbild scharf sieht, vergrößert. Durch eine solche Veränderung der Einstellentfernung wird die Ausrichtung der optischen Achse des Objektives zum Bildschirm nicht beeinflußt.

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An einem sphärischen Bildschirm (Oberflächenausschnitt einer Kugel = Fläche gleichmäßiger Krümmungsgeometrie) bildet sich eine Leuchtquelle punktförmig ab, an einem asphärischen (Oberflächenausschnitt z.B. einer Tonne, eines Zylinders = Fläche relativ gleichmäßiger Krümmungsgeometrie) hingegen strichförmig ausgezogen in der Bildschirmachse mit geringerem Krümmungsradius (aufgrund der hier geringeren scheinbaren Brechkraft des Bildschirmes).

Immer dann wenn das virtuelle Bild einer mittig vor die Frontlinse des Objektives (also in die optische Achse) gebrachten Leuchtquelle einer Justiervorrichtung nach Anspruch la exakt in der Kamerasuchermitte (und somit ebenfalls in der optischen Achse) liegt (bzw. in der Mitte des Filmfensters auf einer in die Filmebene gebrachten Mattscheibe bei geöffnetem Verschluß), ist t die optische Achse des Objektives lotrecht auf die Stelle des Bildschirmes

gerichtet, die (bei kürzerer Einstellentfernung) ebenfalls in der Kamerasuchermitte zu sehen ist. Dies kann die Mitte oder jede andere beliebige Stelle eines sphärischen oder auch asphärischen Bildschirmes sein.

Bei sphärischen Bildschirmen bilden sich bei einer lotrechten Ausrichtung der optischen Achse des Objektives mittels einer Justiervorrichtung nach Anspruch Ib die Leuchtquellen, die in gleichem Abstand um das Objektiv bzw. dessen optische Achse innerhalb einer auf dieser senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind, immer in gleichem Abstand zur Kamerasuchermitte (und somit zur optischen Achse) virtuell ab. An einem sphärischen Bildschirm ist dies unabhängig von der Position der Leuchtquellen vor dem Bildschirm, da sie immer über Stellen mit gleichem Krümmungsradius liegen.

Bei asphärischen Bildschirmen bilden sich die virtuellen Bilder von Leuchtquellen einer Justiervorrichtung nach Anspruch Ib bei einer lotrechten Ausrichtung des Objektives auf die gewünschte Bildschirmstelle dann in gleichem Abstand zur Kamerasuchermitte ab, wenn sich die Leuchtquellen bezogen auf die optische Achse des Objektives innerhalb einer auf der optischen Achse senkrecht stehenden Ebene genau gegenüberliegen und sich damit über Stellen mit gleichem Krümmungsradius befinden; Bilder von nebeneinander liegenden Leuchtquellen weisen dabei unterschiedliche Abstände von der Kamerasuchermitte auf, da die Leuchtquellen über Bildschirmstellen mit unterschiedlichem Krümmungsradius liegen.

Da das virtuelle Bild aufrecht und seitenrichtig ist, kann man sich an diesem Bild hinsichtlich der Richtung, in der man die Kameraposition für eine lotrechte

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Ausrichtung der optischen Achse des OKjelctives auf cüe gewünschte Stelle des Bildschirmes verändern muß, direkt orientieren. Die Justierung wird über eine Veränderung der Kameraposition in Horizontal- und Vertikalrichtung problemlos innerhalb von 1-2 Minuten vorgenommen.

Da es sich um ein mehr oder weniger stark verkleinertes Bild (je nach Bildschirmwölbung) handelt, wird eine Bewegung der Kamera immer eine kleinere Bewegung des virtuellen Bildes einer Leuchtquelle zur Folge haben. Daraus folgt zwangsläufig eine geringere Justiergenauigkeit bei einem stark gewölbten Bildschirm, da über ein stärker verkleinertes Bild der Leuchtquelle(n) leichte Dejustierungen schlechter zu erkennen und zu korrigieren sind. Aber selbst bei einem solchen Bildschirm ist eine Justiergenauigkeit von ca. +- 0,5° zu erreichen. Bei abnehmender Bildschirmwölbung ist eine lotrechte Ausrichtung des Objektives mit noch engerem Fehlerbereich möglich.

Der komplette Justiervorgang läßt sich durch den Kamerasucher exakt kontrollieren. Auch mit eingelegtem Film (und somit ohne die Möglichkeit, das Bild über eine in die Filmebene gebrachte Mattscheibe bei geöffnetem Verschluß zu beurteilen) kann jederzeit der gewünschte Bildausschnitt verändert und die erforderliche Neujustierung schnell vorgenommen werden.

Eine Justiervorrichtung nach Anspruch la kann bei Verwendung eines optisch korrigierten, vergüteten Glases als Träger für die Leuchtquelle und einer entsprechend kleinen, aber ausreichend hellen Leuchtquelle (z.B. LED) auch während des Fotografierens prinzipiell belassen werden (da innerhalb der einfachen Brennweite und somit nur virtuell vor dem Objektiv abgebildet). Bei höchsten Ansprüchen an Schärfe und Kontrast kann die Vorrichtung schnell abgeschraubt und bei Veränderung des Bildausschnittes für die neue Justierung wieder montiert werden. Dieser Aufwand entfällt bei einer Vorrichtung nach Anspruch Ib, da hier nichts in den Strahlengang vor das Objektiv gebracht wird. Ein entsprechender Halter ist aber in der Regel schwerer als eine Vorrichtung nach Anspruch la.

Mit beiden Vorrichtungen ist ein präzises, lotrechtes Ausrichten des Objektives auf den Bildschirm schnell und unaufwendig auch aus größeren Entfernungen vorzunehmen. Dabei ist es gleich, ob es sich um stark oder flach gewölbte, sphärische oder asphärische Bildschirme handelt. Ebenso unerheblich ist es, ob diese antireflex-beschichtet bzw. -behandelt sind oder nicht. Aufbauten mit fest installierter Kamera und fest installiertem Monitor (vergleichbar einer optischen

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Bank) können so ebenfalls justiert werben,* sind *a*ber*im PVinzi'p aufgrund des geringen Zeitaufwandes für eine Justierung unnötig.

In gewissen Grenzen ermöglicht es die Justiervorrichtung sogar, geometrische Fehler, die das Mattscheibenbild zeigt, im fotografierten Bild auszugleichen bzw. zu vermitteln: Dies ist durch eine gezielte Dejustierung des Aufbaus unter Nutzung der Abbildungseigenschaften eines gewölbten Bildschirmes zu erreichen. An diesem scheint eine horizontale Gerade beim Blick von oben nach unten, beim Blick von unten nach oben durchgebogen. Diesen Effekt kann man nutzen, um nach oben bzw. unten oder auch nach links bzw. rechts durchgebogene Geraden im Bild zu korrigieren, indem man die Kamera nicht lotrecht, sondern etwas versetzt aus der Richtung, in die die Gerade durchgebogen ist, auf die gewünschte Stelle des Bildschirmes richtet.

Einer solchen Korrektur sind jedoch dadurch Grenzen gesetzt, daß sich Dejustierungen immer über das ganze fotografierte Bild auswirken und zwangsläufig die Bildgeometrie auch an anderer Stelle (als gewünscht) beeinflußt wird. Darüberhinaus resultieren aus einer deutlichen Dejustierung ebenso zwangsläufig inhomogene Ausleuchtungen des Bildes. Die Justiervorrichtung schafft aber die Möglichkeit, Fehler gezielt zu vermitteln, so daß eine vorsichtige Dejustierung durchaus eine Verbesserung der Geometrie im fotografierten Bild ermöglicht. Eine solche einmal gefundene, das gewünschte Bildergebnis zeigende Dejustierposition läßt sich einfach dokumentieren, indem man das virtuelle Bild der Leuchtquelle bzw. die Bilder der Leuchtquellen in Projektion auf ein Mattscheibenbild mit geeigneten Geometrien fotografiert. Eine Reproduktion der Dejustierposition ist nach diesem Foto und gleichem } Mattscheibenbild einfach möglich.

Von einem Monitor mit korrekter Bildgeometrie und ruhigem, scharfem Bild sind unter Verwendung eines längerbrennweitigen Teleobjektives (ca. ab 200 mm bei einer Kleinbildkamera) mit guten Abbildungseigenschaften und der beschriebenen Justiervorrichtung reproduzierbar optimierte Bildschirmfotografien möglich. Die Bilder erreichen hinsichtlich ihrer Bildgeometrie, Ausleuchtung, Schärfe und Kontrastverhältnisse das Niveau von Fotos, die mit professionellen, hochqualitativen Diabelichtern angefertigt werden. Dabei ist bei der Bildschirmfotografie der Investitions- und Zeitaufwand unter Umgehung der bei Belichtersystemen auftretenden Kompatibilitätsprobleme deutlich geringer.

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An Hand der Zeichnungen werden nachfolgend firfindungsbeispiele dargestellt und deren Funktionsweise veranschaulicht. Es zeigt

Fig. 1: Seitenansicht einer am Objektiv montierten Justiervorrichtung nach Anspruch la im Halbschnitt

Fig. 2: Aufsicht einer Justiervorrichtung nach Fig. 1

Fig. 3: Seitenansicht einer am Objektiv montierten Justiervorrichtung nach Anspruch Ib im Halbschnitt

Fig. 4: Aufsicht einer Justiervorrichtung nach Fig. 3

Fig. 5: Ansicht des schematischen Aufbaus einer Kamera mit Objektiv vor einem Bildschirm mit sphärischer Oberfläche von der linken Seite; Konstruktion des (virtuellen) Bildes einer in der optischen Achse vor dem Objektiv befindlichen Leuchtquelle bei nach oben aus dem Lot auf der Mitte des Bildschirmes verschobener Kamera mit Ausrichtung der optischen Achse des Objektives auf diese

Fig. 6: Ansicht des schematischen Aufbaus einer Kamera mit Objektiv vor einem Bildschirm mit sphärischer Oberfläche von der linken Seite; Lage des (virtuellen) Bildes einer in der optischen Achse vor dem Objektiv befindlichen Leuchtquelle bei lotrecht auf die Mitte des Bildschirmes ausgerichteter optischer Achse des Objektives

Fig. 1 zeigt einen aus Tragring la, Schraubfassung Ib und Einschraubring Ic bestehenden Halter 1. Im Tragring la liegt eine Glasscheibe 2, die eine in der optischen Achse 7 angebrachte Leuchtquelle 3 trägt. Ein in den Tragring la passender Einschraubring Ic sichert die Glasscheibe 2. Tragring la und Schraubfassung Ib sind drehbar miteinander verbunden. Über die in die Objektivfassung 4a passende Schraubfassung Ib kann der Halter 1 vor die Frontlinse 4b montiert werden.

Fig. 2 zeigt den Tragring la des Halters 1, in dem die vom Einschraubring Ic gesicherte Glasscheibe 2 liegt. In der Glasscheibe 2 ist die exakt mittig angeordnete Leuchtquelle 3 zu sehen.

Fig. 3 zeigt einen aus Trägerplatte ld, Trägern le und Buchse If bestehenden Halter 1. Über die Trägerplatte ld und die an ihr befestigten Träger Ie sind

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Leuchtquellen 3 in einer senkrecht zur" optischen Achse *7 stehenden Ebene angeordnet. Der Halter 1 wird mit seiner Buchse If auf die Objektivfassung 4a, die die Frontlinse 4b hält, aufgeschoben. Die Trägerplatte ld, deren Innenausschnitt vom Durchmesser etwas kleiner als der Außendurchmesser der Objektivfassung 4a ausfällt, dient als Anschlag.

Fig. 4 zeigt die Trägerplatte ld, an der die Träger Ie befestigt sind. Sowohl in der Trägerplatte ld wie auch in den Trägern Ie sind Leuchtquellen 3 angeordnet.

Fig. 5 zeigt den schematischen Aufbau einer Kamera 5 mit Objektiv 4 vor einem Bildschirm 6 mit sphärischer Oberfläche von der linken Seite. Die nach oben aus dem Lot 15 auf der Mitte 14 des Bildschirmes 6 verschobene Kamera 5 ist mit der optischen Achse 7 ihres Objektives 4 auf die Mitte 14 des Bildschirmes

6 gerichtet. Die Bildwinkelbegrenzungen 8 zeigen den vom Objektiv 4 erfaßten Ausschnitt 13 (dickere Strichstärke) des Bildschirmes 6. Beiderseits der vorderen Fokussierebene 9 befinden sich die Begrenzungen 12 des Schärfentiefebereiches 11 (schraffiert). Über einen zum scheinbaren Brennpunkt 16 des Bildschirmes 6 virtuell abgelenkten Parallelstrahl 17 sowie einen sich virtuell zum Krümmungsmittelpunkt 18 des Bildschirmes 6 verlängernden Mittelpunktsstrahl 19 ist das (virtuelle) Bild 20 der sich in der optischen Achse 7 vor dem Objektiv 4 befindlichen Leuchtquelle 3 in der hinteren Fokussierebene 10 konstruiert. Deutlich ist der Versatz des (virtuellen) Bildes 20 zur optischen Achse 7 zu sehen, der aus der nicht lotrechten Ausrichtung der optischen Achse

7 des Objektives 4 auf die Mitte 14 des Bildschirmes 6 resultiert.

Fig. 6 zeigt das in der optischen Achse 7 liegende (virtuelle) Bild 20 der exakt mittig vor dem Objektiv 4 befindlichen Leuchtquelle 3 bei lotrecht auf die Mitte 14 des Bildschirmes 6 ausgerichteter optischer Achse 7.

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Benennungsliste

1 Halter, bestehend aus: la Tragring

Ib Schraubfassung

lc Einschraubring

oder:

Id Trägerplatte

le Träger

If Buchse

2 Glasscheibe

3 Leuchtquelle

4 Objektiv, bestehend aus: ^ 4a Objektivfassung

" 4b Frontlinse

5 Kamera

6 Bildschirm

7 optische Achse des Objektives

8 Bildwinkelbegrenzung

9 vordere Fokussierebene

10 hintere Fokussierebene

11 Schärfentiefebereich

12 Begrenzung des Schärfentiefebereiches

13 Ausschnitt des Bildschirmes

14 Mitte des Bildschirmes

15 Lot auf der Mitte 14 des Bildschirmes

k 16 scheinbarer Brennpunkt des Bildschirmes

17 Parallelstrahl

18 BCrümmungsmittelpunkt des Bildschirmes

19 Mittelpunktsstrahl

20 (virtuelles) Bild der Leuchtquelle

Claims (2)

Dr. Dietmar Enk, Ludgerusstraße 2,48653 Coesfeld ·· · ·· *· ·» . : : ·: · ··&ldquor;· ; :: Schutzanspruche ·· ·· ·· ·

1) Vorrichtung zum lotrechten Ausrichten der Achse (z.B. optische Achse (7)) eines Gegenstandes (z.B. Kamera (5) mit Objektiv (4)) auf eine beliebige Stelle einer reflektierenden Fläche (z.B. Bildschirm (6)) gleichmäßiger (sphärischer) oder relativ gleichmäßiger (asphärischer), insbesondere tonnenförmiger oder zylinderförmiger Krümmungsgeometrie, dadurch gekennzeichnet, daß

a) über einen Halter (1) eine Leuchtquelle (3) exakt in der optischen Achse (7) des Objektives (4) vor dessen Frontlinse (4b) angeordnet ist und der Gegenstand (z.B. Kamera (5)) einen Sucher mit einer Kennzeichnung der optischen Achse (7) aufweist, die mit einem virtuellen Bild (20) der Leuchtquelle (3) zur Deckung gebracht werden kann oder

b) über einen Halter (1) mehrere Leuchtquellen (3) in exakt gleicher Entfernung radiär um die optische Achse (7) des Objektives (4) innerhalb einer zur optischen Achse (7) senkrecht stehenden Ebene angeordnet sind und der Gegenstand (z.B. Kamera (5)) einen Sucher mit geeigneten Kennzeichnungen um die optische Achse (7) aufweist, die mit virtuellen Bildern (20) der Leuchtquellen (3) zur Deckung gebracht oder abgeglichen werden können.

2) Justiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Halter (1) mit seinem Tragring (la), der durch einen Einschraubring (Ic) eine innenliegende Glasscheibe (2) hält, die eine exakt mittig angebrachte Leuchtquelle (3) trägt, über eine Schraubfassung (Ib) in die Objektivfassung (4a) montiert ist.