DE2343077C3 - Vorrichtung zur Stabilisierung eines optischen Bildes - Google Patents

Description

kommt noch, daß eine derartige Kompensationsoptik offensichtlich nicht unabhängig vom eigentlichen abbildenden System aufgebaut und konstruiert werden kann, mithin nicht universell verwendbar, also beispielsweise nicht an die verschiedenen Wechselobjektive einer Kamera in Forni eines Objektivzusatzes ansetzbar ist.

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine wesentlich einfachere Bildstabilisierungsvorrichtung de/ in Rede stehenden Art bereitzustellen, die keine nichtlinearen Verzeichnungen einführt, mit normalen optischen Gläsern aufgebaut werden kann und auch universell verwendbar ist.

Gemäß der Erfindung ist diese Aufgabe dadurch gelöst, daß mindestens zwei Linsenpaare, die als Bos- ¹S covichsche Keile wirken, vorgesehen sind, daß die bewegbaren Linsen der Linsenpaare kardanisch gelagert sind, jedes Linsenpaar einen Krümmungsmittelpunkt der zueinander benachbarten sphärischen Flächen aufweist, der als zentraler Punkt auf der optischen Achse des Systems liegt, und daß Dämpfungseinrichtungen in den Lagerstellen der kardanischen Lagerung vorgesehen sind.

Dadurch, daß zwei oder mehr Linsenpaare, die je als Boscovichscher Keil wirken, vorgesehen sind, addieren sich die von den beiden Prismen erzeugten Strahlablenkwinkel, so daß beispielsweise für einen Brechungsindex von η = 1,5 es bereits möglich ist, den Gesamtablenkwinkel gleich dem Scheitelwinkel beider Prismen, d. h. gleich dem Neigungswinkel des Instrumentes zu machen. Die Linsenpaare können daher bei Verwendung üblicher optischer Gläser als afokales System ausgebildet werden (im einfachsten Fall ergänzen sich die beiden Linsen eines jeden Linsenpaares in der neutralen Stellung zu einer planparallelen Platte), so daß die ganze Stabilisierungsvorrichtung als universell verwendbare Baueinheit verwendet werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet. *°

Spezielle Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr an Hand der Zeichnung erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 eine Einrichtung gemäß Erfindung in Anwendung auf eine Stehbildkamera,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie II-II der Fig. 4, wobei die neue Einrichtung horizontal gehalten wird,

Fig. 3 einen Schnitt entlang der Linie HI-III in Fig. 4, wobei die Vorrichtung in einem Winkel θ ge- 5<> neigt ist,

Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV nach Fig. 2,

Fig. 5 eine vergrößerte Einzelheit eines Teilstücks aus Fig. 4,

Fig. 6 einen Schnitt entlang der Linie VI-VI nach Fig. 5,

Fig. 7 und 8 Strahlenbündel zur Verdeutlichung der Bildbildung entsprechend Fig. 2 bzw. 3 und

Fig. 9 bis 11 Anordnungen gemäß der Erfindung in weiteren Ausführungsformen.

Die Erfindung wird nunmehr im einzelnen an Hand einer Ausführungsform (Stehbildkamera) mit Bezug auf Fig. 1 bis 8 erläutert. In Fig. 1 ist ein Kameragehäuse K und der Tubus eines Objektivs L dargestellt. Am vorderen Ende des Tubus ist ein erschütterungsgesicherter Objektivzusatz S gemäß Erfindung ange-Fig. 2 zeigt den ersciiütterungsgesicherter. Objektivzusatz S mit horizontal gehaltener Achse, während in Fig. 3 die Achse um einen Winkel Θ geneigt ist. Der erschütterungsgesicherte Objektivzusatz S besteht im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, einem Zylinder 2, einem Kardanring 3 und Linsen 4 bis 7. Die Linsen 4 und 6 sind mit dem Gehäuse 1 und die Linsen 5 und 7 mit dem Zylinder 2 verbunden. Der Krümmungsmittelpunkt dieser vier Linsen liegt am Punkt C. Der Zylinder 2 ist um die Achse Y des Kardanringes 3 mitteis einer senkrechten Kardanachse 8 drehbar gelagert, in welcher die Achse Y den Punkt C (Fig. 4) durchstößt. Unter der Bedingung, daß alle erforderlichen Teile montiert sind, dient der Zylinder 2 dazu, einen Ausgleich mit Bezug auf die Kardanachse Y zu schaffen und für diesen Zweck ist eine Ausgleichsmasse la vorgesehen. Als Ausgleichs masse kann beispielsweise eine transparente parallele Planglasplatte auf dem Zylinder 2 angebracht sein. Der Kardanring 3 ist auch um die Achse X des Gehäuses 1 mittels einer horizontalen Kardanachse 9 drehbar gelagert und dient zur Herstellung eines Ausgleichs mit Bezug der Kardanachse X in ähnlicher Weise zum Zylinder 2. Der Punkt C ist der Schnittpunkt der beiden Kardanachsen X und V, die sich dort unter dem Winkel von 90° schneiden.

Wie aus Fig. 5 und 6 hervorgeht, sind die Kardanachsen 8 und 9 mit jeweiligen inneren Flügeln 10 und äußeren Flügeln H sowie mit Bälgen 12, einem Lager 13 und einer Feder 14 versehen. Die Flügel 10 und 11 greifen schwalbenschwanzartig, jedoch mit Abstand ineinander. Der meanderförmige Spalt zwischen dem inneren Flügel 10 und dem äußeren Flügel 11 mündet in einen Raum zwischen den Flügeln und den Bälgen 12 ein und ist mit einer viskosen Flüssigkeit gefüllt. Diese Kombination wirkt als Dämpfer zur Aufnahme von äußerer Schwingungsenergie. Der innere Flügel 10 der Kardanachse 9 ist mit dem Gehäuse 1 und der äußere Flügel 11 mit dem Kardanring 3 verbunden; in entsprechender Weise ist der innere Flügel 10 der Kardanachse 8 mit dem Kardanring 3 und der äußere Flügel 11 mit dem Zylinder 2 verbunden. Die Feder 13 dient zur Rückführung des Linsenzylinders 2 in die neutrale Lage, in welcher eine optische Achse eines bildentwerfenden Objektivs mit der Achse des linken Zylinders zusammenfällt. Hieraus ist verständlich, daß der Zylinder 2 und die Kardanachsen 8 und 9 ein gegenüber Schwingungen ge dämpftes Eingangssystem gegen äußere Vibrationer darstellen. Wie aus Fig. 2 hervorgeht, wird ein Schraubstutzen 16 zur Befestigung des vibrationsgesicherten Objektivzusatzes S an den Tubus L des Objektivs benutzt.

Das Prinzip der optischen Bildstabilisierung wire nunmehr mit Bezug auf Fig. 7 und 8 erläutert. Au; Erläuterungsgründen sei angenommen, daß di< Schwingungsrichtung auf eine vertikale Ebene be schränkt sei. Wenn überhaupt keine Schwingung vor liegt, ist die optische Achse des vibrationsgesichertei Objektivzusatzes S in horizontaler Richtung, weil di< ausgeglichene Lage vorliegt und die optische Achsi mit der des Photoobjektivs L zusammenfällt. Das BiIi O eines Objektes O soll auf der Bildfläche (Fig. 7 liegen. Dann sei angenommen, daß der Tubus L de photographischen Objektivs und das Kamerage häuse K um einen Winkel θ nach oben infolge Vibra tion geschwenkt werde, wobei ihre relative Lage zu einander konstant gehalten wird. In diesem Zustam

werden die Linsen 5 und 7 in ihren ursprünglichen Lagen gehalten, während die Linsen 4 und 6 zusammen mit dem Gehäuse schwenken. Da der Krümmungsmittelpunkt dieser Linsen 4 bis 7 gemeinsam ist (Punkt C), bilden diese Linsen ein Prisma mit einem Scheitelwinkel Θ. Die Beziehung zwischen einem Scheitelwinkel a, einem Ablenkwinkel ö des Lichtes und dem Brechungsindex η wird durch eine bekannte Gleichung wie folgt dargestellt:

ό = (_rt - 1) ό...(1)

Wenn zwei Sätze von Prismen mit Brechungsindizes des Glases (n — 1,5) für die Linsen 4 bis 7 benutzt werden, und wenn die Ablenkwinkel der Prismen in jedem Satz durch ol bzw. ö2 dargestellt werden, wird als Ergebnis erhalten: ol = 0,5a und ö2 = 0,5 a. Infolgedessen ergibt sich der Gesamtablenkwinkel von ö = öl + ö2 = a. Selbst wenn die optische Achse infolge Vibration um einen Winkel θ aus ihrer richtigen Lage verschwenkt wird, kann die Bildwanderung auf der Bildfläche kompensiert werden.

Obwohl der Ablenkwinkel in einer vertikalen Ebene aus Erläuterungszwecken in Fig. 3 und 8 angenommen worden ist, sei daran erinnert, daß der Zylinder 2 kardanmäßig im Gehäuse 1 gelagert ist, so daß er tatsächlich eine Ablenkung in einem gewissen Raumwinkel kompensieren kann. In der dargestellten Ausführungsform ist der vibrationsgesicherte Objektivzusatz so konstruiert, daß er an das Frontteil eines optischen Instrumentes angesetzt werden soll. In Abhängigkeit von dem Gehäuse des optischen Instruments kann der Zusatz auch so konstruiert sein, daß er an das rückwärtige Teil eines Instrumentes anzusetzen ist, um einen ähnlichen Effekt zu bewirken.

Weitere Ausführungsformen der Erfindung werden nunmehr mit Bezug auf Fig. 9,10 und 11 beschrieben. In Fig. ^l) sind Linsen 4, 5 , 6 und T vor und hinter dem Schnittpunkt der Kardanachsen, d. h. dem Krümmungsmittelpunkt Cl der Linsen 4 bis 7 angeordnet. In diesem Fall dienen d:ie Linsen selbst als Ausgleichsmasse, so daß getrennte Ausgleichsmassen nicht speziell vorgesehen sein müssen, wie in der zuvor erläuterten Ausführungsform. Fig. 10 stellt eine Ausführungsform dar, in welcher zwei Sätze von Linsen 4", 5" und 6", 7" vor dem Schnittpunkt der Kardanachsen bzw. dem Krümmungsmittelpunkt C2 der Linsen 4"bis 7" angeordnet sind. Fig. 11 schließlich stellt eine Ausführungsform dar, in welcher zur Durchführung einer vorteilhaften Aberration zwei Sätze vor Linsen 17,18 und 19, 20, 21, 22 und 23, 24 vor unc hinter dem Schnittpunkt der Kardanachsen, d. h. irr Krümmungsmittelpunkt der Linsen 17 bis 24 ange ordnet sind, und die Linsen 17, 19, 22 und 23 sine mit dem Gehäuse und die Linsen 18, 20, 21 und 22 mit dem Zylinder verbunden. Um in diesem Fall jedoch einen Ablenkwinkel Θ des Lichts als ganze;

ίο gleich einem Winkel θ'" der Neigung der Vorrichtung (optische Achse) zustande zu bringen, liegt der Schei telwinkel α des von den Linsen 21 und 22 gebildeter Prismas in einer Richtung entgegengesetzt zu den" Scheitelwinkel der anderen Prismen. Jede der er

»5 wähnten Figuren stellt eine optische Achse in einei horizontalen Lage und eine um die Winkel θ\ θ und Θ " von der horizontalen Lage verschwenkter Lage dar.

Bei der praktischen Photographic kommt eint große Anzahl von Erschütterungsfrequenzen in Be tracht, beispielsweise von der Hubschrauber-Erschütterung bis zum Handzittern. Bei der Anwendung dei Vorrichtung gemäß Erfindung werden zwei Elemente in dem gedämpften Schwingungssystem, nämlich dei

^a5 Federwert und der Viskosewiderstandswert geeignet gewählt, so daß diese an die entsprechende Schwingungsfrequenz angepaßt sind.

Während die zuvor erläuterten Ausführungsformer als Zusatz für ein optisches Instrument beschriebe:

wurden, versteht es sich, daß sie auch in dem Gehäuse des optischen Instrumentes eingebaut sein kann.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich daß gemäß Erfindung es möglich ist, ein stabilisierte; und klares Bild selbst unter solchen Bedingungen zi

erhalten, wenn das Bild von einer Kamera aus einenr Hubschrauber aufgenommen wird. Die Vorrichtung isl einfach in der Konstruktion, d. h. zu handhaben billig herzustellen und benötigt keine Antriebskraf zum Wirksamwerden, wie bei früheren bekannter Einrichtungen, welche einen Kreisel benutzt haben Die Einrichtung kann ferner als Zusatz für ein optisches Instrument dienen, so daß, wenn ein Systenr aus einer Kombination mit einem optischen Instrument und einem Blickwinkel in Betracht gezoger

♦5 wird, es durch Anfügen an zahlreiche optische Instrumente oder Kameraobjekte od. dgl. verwendet werden kann.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Boscovichschen Keiles zu stabilisieren, der durch eint Patentansprüche· ^ feststehende und eine bewegbare Linse in der Weist gebildet ist, daß die zueinander benachbarten Flächei

1. Vorrichtung zur Stabilisierung eines opti- der beiden Linsen sphärisch sind und einen gemeinsa sehen Bildes nach dem Prinzip des Boscovichschen 5 men Krümmungsmittelpunkt aufweisen, der auf de Keiles,dadurch gekennzeichnet,daß minde- optischen Achse des Systems liegt und zugleich dei stens zwei Linsenpaare (4-7, 4-7', 4-7", 17-20, Drehpunkt einer für die bewegbare Linse vorgeselie 21-24), die als Boscovichsche Keile wirken, vor- nen zweiachsigen kardanischen Aufhängung bildet, se gesehen sind, daß die bewegbaren Linsen der Lin- daß die räumliche Lage der bewegbaren Linse mi senpaare kardanisch gelagert sind, jedes Linsen- i° Hilfe eines Kreisels stabilisiert wird. Die bewegbar« paar einen Krümmungsmittelpunkt (C, C₁, C₂, Linse kann dabei selber als die für die Kreiselstabili C₃) der zueinander benachbarten sphärischen sierung erforderliche Trägheitsmasse benutzt werden Flächen aufweist, der als zentraler Punkt auf der Abgesehen davon, daß die Kreiseisteuerung bei dei optischen Achse des Systems liegt, und daß Däm- bekannten Vorrichtung einen hohen konstruktiver pfungseinrichtungenilO.ll.ttJindenLagerstel- 15 Aufwand und Platzbedarf erfordert, ist bei der be len der kardanischen Lagerung vorgesehen sind. kannten Vorrichtung nachteilig, daß das dort vorgese

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge- hene als Boscovichscher Keii wirkende Linsenpaar die kennzeichne;, daß die bewegbaren Linsen aller ihm zugedachte Kompensationsfunktion nur unvoll Linsenpaare um einen gemeinsamen Drehpunkt kommen zu erfüllen in der Lage ist. Hierzu folgendes als dem zentralen Punkt drehbar kardanisch 2° Ein Boscovichscher Keil stellt ein Prisma dar, des (bei 3) aufgehängt sind. sen Keilwinkel kontinuierlich änderbar und auch aui

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, da- Null einstellbar ist. Da der Ablenkungswinkel eine: durch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsein- ein Prisma durenquerenden Strahles mit zunehmenrichtung der Kardan-Lager durchsichtige überste- dem Scheitelwinkel bekanntlich zunimmt, kann, wenr hende Flügel (10, 11, 12) an den beiden Hälften *5 sich der Scheitelwinkel des Prismas in Abhängigkeil des Lagers angebracht und in einer viskosen FIüs- von einer durch eine Erschütterung od. dgl. ausgelösigkeit stehen sowie durch eine Rückstellfeder sten Neigunsswinkelvergrößerung ändert, die da (14) gebildet ist, die die beweglichen Linsen in durch größer werdende Strahlablenkung des gebro ihre neutrale Stellung zu drängen suchen. chenen Prismenstrahls dazu benutzt werden, die durch

A. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 30 die unbeabsichtigte Verschwenkung beispielsweise 3, dadurch gekennzeichnet, daß die feststehenden einer Kamera verursachte Bildverschiebung in dei Linsen Bestandteil einer an ein optisches Instru- Bildebene zu kompensieren. Für kleine Winkel sine ment, beispielsweise das Objektiv (L) einer Ka- die Beziehungen zwischen Prismenscheitelwinkel c mera (K), ansetzbaren Zusatzeinheit (5) ist, in und Strahlablenkungswinkel Λ in erster Näherung Iideren Innerem die beweglichen Linsen der Lin- 35 near und können ausgedrückt werden durch
senpaare nebst ihrer kardanischen Aufhängung
untergebracht sind. ^ ⁼ (" ~ 1) ^α

mit η = Brechungsindex des prismas. Da der veränderliche Scheitelwinkel des durch einen Boscovich-

40 sehen Keil gebildeten Prismas auf Grund der räumlichen Lagestabiiisierung des beweglichen Linsengliedes immer gleich dem Neigungswinkel des optischer

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung Instrumentes gegenüber der neutralen oder Sollage zur Stabilisierung eines optischen Bildes nach dem ist, erhält man nur dann eine vollständige Kompensa-Prinzip des Boscovichschen Keiles. 45 tion von Bildverwacklungen od. dgl., wenn auch dei

Mit einer solchen Vorrichtung sollen die durch von Strahlablenkungswinkel dem Betrage nach gleich dem außen einwirkenden Erschütterungen, Verwacklun- Instrumentenneigungswinkel, also auch gleich derr gen u. dgl. auf optische Instrumente auftretenden FoI- Prismenscheitelwinkel ist. Nach der vorstehender gen kompensiert werden, so daß die vom optischen Gleichung kann dieses aber nur dann erfüllt werden Instrument, beispielsweise einer Kamera, eines TeIe- 5° wenn der Brechungsindex den Wert 2 annimmt. Anskops, eines Fernrohres u. dgl. erzeugte Abbildung dererseits liegen aber die üblichen optischen Gläsei trotz der einwirkenden Erschütterungen in der Abbil- mit ihrem Brechungsindex weit unter 2, so daß diese dungsebene verwacklungsfrei stehenbleibt, also stabi- Forderung auf diesem Wege nicht erfüllt werden kann lisiert ist. Aus diesem Grunde bilden die beiden den Boscovich-

Bekanntlich ist es in vielen Fällen schwierig, bei- 55 sehen Keil aufbauenden Linsen bei der bekannter spielsweise ein unverwackeltes, «charfes Bild auch Vorrichtung auch kein afokales System; vielmehr bildann mit einer Kamera aufzunehmen, wenn aus einem den dort die beiden Linsen des Boscovichschen Keils fahrenden Auto herausphotographiert werden soll, insgesamt einen zum Bildraum durchgebogenen zer- oder wenn bei Verwendung langbrennweitiger Ob- streuenden Meniskus, um eine entsprechende Anpasjektive eine Aufnahme freihändig gemacht werden ^6o sung zu erreichen. Durch diese meniskusartige soll, da sich bereits hier das Zittern der Hand des Pho- Durchbiegung des Boscovichschen Keils werden abei tographen störend bemerkbar macht. Wie auch immer unerwünschte Nichtlinearitäten eingeführt, da der ar die Ursache solcher Erschütterungen oder Vibrati- einem Prisma auftretende Ablenkwinkel bekanntlich onen sein mögen, sind sie jedenfalls häufig als Stör- nicht unabhängig vom Einfallswinkel und bei symmefaktor zu beobachten, und es besteht dementspre- 65 trischem Einfall ein Minimum ist. Dem einfallender chend ein Bedürfnis nach Abhilfe. Strahlenbündel werden also in unterschiedlichen Be-

Zu diesem Zweck ist es aus der USA.-Patentschrift reichen unterschiedliche PrismeneinfaMswinkel dar-3459473 bekannt, ein optisches Bild mit Hilfe eines geboten, was zu Bildverzeichnungen führt. Hinzt