Optisches Beobachtungsgerät und Verwendung desselben
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein optisches Beobachtungsgerät mit mindestens einem Okular, sowie auf die Verwendung desselben. Wird ein Beobachtungsgerät z. B. als Fernrohr verwendet, ist es in vielen Fällen von Wichtigkeit, ein im Blickfeld des Fernrohres auftretendes Objekt möglichst schnell anzuvisieren. Dieses Anvisieren kann dadurch geschehen, dass im Fernrohr z. B. ein Fadenkreuz oder bei erforderlicher höherer Präzision zwei Fadenkreuze, oder sonst eine bekannte Visiereinrichtung vorhanden ist, womit eine Visurachse definiert ist. Das manuelle Anvisieren eines sich z. B. bewegenden Objektes kann besonders schwierig oder wenigstens zeitraubend sein. Die vorgeschlagene Lösung erlaubt einem ein Fernrohr benutzenden Beobachter schnelleres und müheloseres Visieren.
Erfindungsgemäss ist das optische Gerät dadurch gekennzeichnet, dass dem Gerät Mittel beigeordnet sind, welche es gestatten, die Lage des Kopfes eines Beobachters - und damit auch der Augen und Augendrehpunkte des Beobachters - relativ zur optischen Achse des Okulars des Gerätes zu bestimmen.
Bei diesen Mitteln kann es sich um eine einfache Kopf-Kinn-Stütze, um einen Helm mit Referenzgebern oder sonst ein beliebiges Ortungs- bzw. Lagebestimmungs-System handeln, welches die Lage des Kopfes, bezogen auf die Visurachse des optischen Gerätes, laufend ermittelt.
Eine vorteilhafte Ausführung eines solchen optischen Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Gerät Mittel zugeordnet sind, welche die gegenseitige Lage von Kopf und Visurachse selbsttätig immer gleich einstellen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung des erfindungsgemässen optischen Gerätes ist dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich eine Vorrichtung zur Bestimmung der momentanen Blickrichtung des Beobachters enthält, wobei jetzt und im Folgenden unter der Blickrichtung - oft auch Sehrichtung genannt - folgendes verstanden wird: Der Punkt des scharfen Sehens im Auge ist die Fovea. Die Einstellung des Auges auf einen beobachteten Punkt, d. h. das Einstellen eines Bildes auf die Fovea erfolgt auf etwa 10 Bogenminuten genau. Die Blickrichtung ist die Gerade, welche durch die Fovea des Auges und das Zentrum der Augenlinse definiert ist.
Das Ausnützen der Blickrichtung ist deshalb von grösstem Vorteil für ein Visiersystem, weil das Einstellen, d. h. das Anvisieren eines Objektes mit dem Auge mit einer Präzision und Geschwindigkeit erfolgt, die jedem andern menschlichen Servosystems, z. B. Ver änderung der Kopflage, Handbetätigung mechanischer Richtmittel usw., weit überlegen ist.
Es ist damit beispielsweise ohne weiteres möglich, eine vorbestimmte Achse eines Gerätes mit entsprechenden Richtorganen und Rechenorganen in eine bestimmte Lage zur Blickrichtung eines Beobachterauges einzu- stellen.
Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes und Teile davon sind in den Zeichnungen dargestellt.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schema eines optischen Beobachtungsgerätes mit einem Gebersystem und Mitteln zur Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters;
Fig. 2 ein Schema in Seitenansicht eines optisch arbeitenden Gebersystems;
Fig. 2a schematisch ein anderes optisch arbeitendes Gebersystem;
Fig. 3 ein Schema einer möglichen Anordnung der Spiegelprismen zum Umlenken der Lichtstrahlen und Photosensoren in einem Gebersystem nach Fig. 2;
Fig. 4 das Schema einer Vorrichtung zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex-Bildes (Okulometer) in Verbindung mit einem Fernrohr;
Fig. 4a schematisch eine andere Möglichkeit der Erfassung des Cornea-Reflex-Bildes;
Fig. 5 ein Beispiel der Anwendung eines optischen Gerätes als Zielanweisgerät oder Richtgerät, im Schema.
Fig. 1 zeigt schematisch ein einfaches Ausführungsbeispiel einer Beobachtungseinrichtung, bei der erstens die relative Lage vom Kopf des Beobachters und der Visurachse des Gerätes wenigstens angenähert festgelegt und zweitens die Blickrichtung des Beobachterauges in bezug auf die Visurachse bestimmbar ist.
Als Mittel für die wenigstens angenäherte Bestimmung der Lage des Kopfes des Beobachters B sind in der gezeigten Ausführung je eine mit dem Fernrohr 10 starr verbundene Stirnstütze 11 und Kinnstütze 12 vorhanden. Diese beiden Stützen 11, 12 müssen jedem Beobachter individuell angepasst werden. Das Okular ist mit 19 bezeichnet. Die Lage der Visurachse V des Fernrohrs 10 im Raum wird durch das Winkelgebersystem 13 ermittelt, welches beispielsweise den Azimutwinkel a und den Elevationswinkel ss der Visierachse in bezug auf einen Drehpunkt, der auch Ursprung eines räumlichen Koordinatensystems ist, bestimmt.
Der Beobachter B trägt z. B. ein brillenähnliches, auf dem Kopf gut sitzendes Gestell 14, das einen Stift 15 trägt. Ein Rohr 16 ist starr mit dem Fernrohr 10 verbunden und so angeordnet, dass in der Arbeitsstellung des Beobachters B der Stift 15 wenigstens teilweise in den Innenraum des Rohrs 16 zu liegen kommt. Das Gebersystem 15, 16 gestattet die Lage des Kopfes und damit der Augen relativ zum Fernrohr zu ermitteln.
Die Ablage eines Cornea-Reflex-Bildes relativ zu einem mit dem Stift 15 und damit dem Augendrehpunkt starr verbundenen Bezugssystems kann mit einer Vorrichtung 17 ermittelt werden, womit die Blickrichtung eines Beobachterauges bestimmt werden kann. Die Blickrichtung kann beispielsweise durch den Azimutwinkel a' und den Elevationswinlçel ss', im vorgenannten Bezugssystem bestimmt sein. Diese Winkelwerte werden z. B.
durch die Mittel 17 zur Blickrichtungsbestimmung den Rechnerorganen 18 zugeführt.
Diese Rechenorgane 18 können z. B. so beschaffen sein, dass sie den Azimutwinkel a" und Elevationswinkel ss" eines in Blickrichtung liegenden Objektes bezogen auf ein mit dem den Standort des Beobachtungsgerätes starr verbundenes Koordinatensystem liefern.
Anhand von Fig. 2 und Fig. 3 wird die Funktionsweise eines optisch arbeitenden Gebersystems näher erläutert. Der Stift 15 (Fig. 1) trägt an seiner Spitze z. B.
vier rechtwinklig zueinander angeordnete Spiegelprismen 151, 152, 153, 154 zum Umlenken der Lichtstrahlen kt, ke. Im Rohr 16 ist eine Lichtquelle 165, beispielsweise im Brennpunkt F einer Sammellinse 166, eingefügt, so dass zur Achse 160 paralleles Licht erzeugt wird. Dieses Licht wird wenigstens teilweise durch die Spiegelprismen 151, 152, 153, 154 auf z. B. vier im Rohr 16 rechtwinklig angeordnete Lichtdedektoren 161, 162, 163, 164 geworfen, welche die Signalströme Jt, J2, J3 bzw. J4 erzeugen.
Durch die Bildung von Linearkombinationen dieser vier Stromgrössen Jt, J2, J3, J4 ist es ohne weiteres möglich, die Winkellage des Stiftes 15 relativ zum Rohr 16 eindeutig zu bestimmen, womit auch die Winkellage des Kopfes und damit der Augen des Beobachters B gegenüber der Visurachse V des Fernrohres 10 bestimmt ist.
Die Eintauchtiefe des Stiftes 15 in das Rohr 16 muss bei einem System, bei dem die Lage vom Kopf des Beobachters zum Fernrohr 10, z. B. wie gezeigt mit Stirn- 11 und Kinnstütze 12, bestimmt ist, von diesem Gebersystem 15, 16 nicht ermittelt werden. In einem andern Gebersystem können Sensoren vorhanden sein, welche die Lage eines Stiftes im Raum bezogen auf beispielsweise emen diskreten Punkt der Visurachse in einem Fernrohr, vollständig bestimmen.
Fig. 2a zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines optischen Gebersystems. Der Beobachter trägt wie angedeutet einen Helm H, mit welchem das Fernrohr 10 fest verbunden ist. Weiter ist dem Beobachter eine Brille 30 angepasst, auf der eine Lichtquelle 31 angebracht ist. Diese Lichtquelle 31 wird von den Linsen 41, 42 auf die Photozelle 43, z. B. eine Lateralphotozelle, abgebildet.
Lateralphotozellen sind flächig, und an den Ausgangsleitungen l'l, I'2, I13, I'4 erscheinen elektrische Signale, aus denen sich die Lage eines auf die Photozelle einfallenden Lichtpunktes bestimmen lässt. Im vorliegenden Fall wird mit der Lage des Bildpunktes 31 der Lichtquelle 31 auf der Photozelle 43 die relative Lage des Kopfes eines Beobachters zum Fernrohr 10 bestimmt. Photozelle 43 und Abbildungslinsen sind mit dem Fernrohr starr verbunden. Die Signale I't, I'2, I's, I'4, welche z. B. in Kabeln, welche im Innern des Haltebügels 44, welcher Helm H und Fernrohr 10 mit Lagebestimmungsmitteln starr miteinander verbindet, verlaufen, werden einem Rechner 18 zugeführt.
Im Rechner 18 wird aus I't, I'2, I's und I'4 gegenseitige Lage von Fernrohr 10 und Auge des Beobachters bestimmt.
Das eben beschriebene Prinzip der gegenseitigen Lagebestimmung von Kopf und Fernrohr lässt sich auch durch die Anordnung mehrerer Photozellen in der Bildebene verwirklichen.
Fig. 4 zeigt schematisch ein Lösungsbeispiel zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex-Bildes (Fernrohr mit Okulometer). Zwischen den Linsen 101 und 102 des Fernrohres 10 mit der Visurachse V kann ein nur teilweise durchlässiger Spiegel 103 eingefügt sein. Der Einfachheit halber sei angenommen, dass die Visurachse V des Fernrohrs 10 mit der Blickrichtung zusammenfalle. Licht der Lampe 170, der z.B. eine Linse 171 und eine Blende 172 nachgeschaltet sind, kann über den Spiegel 103 auf die Cornea C des Beobachterauges geworfen werden. Das im Auge entstehende virtuelle Cornea-Reflex-Bild wird mit den Spiegeln 103, 173, 174, welche teilweise durchlässig sind, auf den Lichtdetektor 176 projiziert. Zwischen den Spiegeln 173 und 174 ist die Linse 175 eingeschaltet.
Durch den Stift 15 und das Rohr 16 ist die Lage der Augen relativ zur Visurachse des Fernrohrs und durch die Lage des Cornea-Reflex-Bildpunktes auf der Detektorfläche die Blickrichtung des Beobachters relativ zur Visurachse des Fernrohrs bestimmt. Einer bestimmten Blickrichtung des Beobachterauges entspricht eine bestimmte Lage des Cornea-Reflex-Bildpunktes auf der Detektorfläche. Die Null-Lage der Blickrichtung, d. h. das Zusammenfallen von Blickrichtung des Beobachters und Visurachse V des Fernrohrs 10, kann mit Eichorganen bestimmt werden. Dies kann beispielsweise so geschehen, dass der Beobachter B seine Blickrichtung auf das Zentrum eines Fadenkreuzes, das im Fernrohr 10 liegt, einstellt. Die Augenlage des Beobachters ist durch das Gebersystem 15, 16 bestimmt.
Der Blickrichtung durch das Zentrum des Fadenkreuzes der Blicknullachse entspricht eine ganz bestimmte Lage des Cornea-Reflex-Bildes auf dem Detektor 176. Abweichungen der Blickrichtung von der beliebig oft nacheichbaren Blicknullachse werden als änderungen in der Lage des Cornea-Reflex-Bildes, bezogen auf das Gebersystem 15, 16, registriert. Es ist dabei vorausgesetzt, dass die gegenseitige Lage von Stift 15 und Rohr 16 in der Arbeitsphase wenigstens angenänert gleich bleibt. Sonst wird eine neue Eichung notwendig.
Die Organe zur Bestimmung der Lage des Cornea Reflex-Bildes können zum Eichen einem Punktprojektor 177 beigeordnet sein, dem eine Linse 178 vorgeschaltet ist. Ein vom Punktprojektor 177 erzeugtes optisches Signal soll vom Beobachter B beispielsweise in uer Blickrichtung zum Fadenkreuzzentrum wahrgenommen werden, solange die Nulleichung des Instrumentes noch richtig ist. Es ist beispielsweise auch möglich, den Punktprojektor 177 als Zielanzeige zu verwenden, d. h.
dass das optische Signal dem Beobachter B anzeigen soll, auf welchen Punkt bzw. in welcher Richtung oder auf welches beobachtete Objekt irgendeine definierte Achse eines vom optischen Gerät gesteuerten anderen Gerätes ausgerichtet ist.
Wie Fig. 4a zeigt, kann der teilweise durchlässige Spiegel 103 auch zwischen dem Auge eines Beobachters und der Okularlinse 101 eingeschaltet sein, so dass das vom Spiegel 103 nach dem teilweise durchlässigen Spiegel 173 abgelenkte Cornea-Reflex-Bild der Lichtquelle 170 (Fig. 4) nicht durch die Okularlinse 101 läuft. Im übrigen kann der Aufbau der Anordnung zur Bestimmung der Blickrichtung gleich wie schon in Fig. 4 beschrieben, gewählt sein.
Fig. 5 erläutert an einem Blockschema die Anwendung eines andern erfindungsgemässen optischen Gerätes als Zieleinweisgerät bzw. Richtgerät. Bei dieser Ausführung trägt der Beobachter B z. B. einen Helm H, an welchem das Fernrohr 10 mit dem Referenzrohr 16 und den Mitteln zur Bestimmung der Cornea-Reflex Bild-Lage 17 sowie dem Lichtpunktprojektor 177 starr befestigt ist. Der Beobachter B trägt zudem das brillen ähnliche Gestell 14 mit dem Stift 15. Mit dem Helm H ist ein Pantograph 130 mit den Gelenken 131, 132, 133 fest verbunden. Dieser Pantograph 130 enthält ein in der Zeichnung nicht näher erläutertes Gebersystem 13', das die Lage des Helms in bezug auf den Drehpunkt des Gelenkes 131 jederzeit genau bestimmt.
Vom Gebersystem 16, 15 stammt das Signal 160 und vom System 17 zur Erzeugung und Registrierung eines Cornea-Reflex Bildes kommt das Cornea-Reflex-Bild-Signal 176'. Dieses Cornea-Reflex-Bild-Signal 176' wird im elektrischen Filtersystem 76' gewandelt. Dieses Filtern ist notwendig, weil die Augenbewegungen diskontinuierliche Bewegungen sind und dazu noch durch Blinzeln usw. gestört werden.
Aus den Signalen 160 und 76' wird im Rechner 180 die Blickrichtung des Beobachters B in bezug auf die Visurachse V des Fernrohrs 10 nach bekannten geometrischen Gesetzen bestimmt.
Mit einer weitern Datenverarbeitungsstufe 181 kann die Null-Lage der Blickrichtung des Beobachters, wie in Fig. 4 beschrieben, berücksichtigt werden. In der Datenverarbeitungsstufe 182 wird die Lage der Visurachse V des Fernrohrs 10 bezüglich des Drehpunktes des Gelenkes 131 bzw. einem beliebigen Punkt bestimmt.
Es soll aber beispielsweise auch die Lage der Blickrichtung bezogen auf den Drehpunkt des Gelenkes 131 bzw. eines beliebigen Punktes bestimmt werden können.
Die Ausgangssignale R aus der Datenverarbeitungsstufe ermöglichen, z. B. mit einem Servosystem 2, das Ausrichten einer Achse eines beliebigen Gerätes 20 in emer gewunscnten Aonängigeit von eler Bhckrichtung ues BeoDacaters B. Wenn aem ganzen System aucn Mittel zur lntlernungsmessung beigeordnet sind,
so lasst sich beispielsweise bei bexanntem Abstand mit emem bervosystem 2 eme bestimmte Achse des Gerates 20 direkt nach einem im kernrohr 10 beobachteten Objekt ausrlcnten. Las Ausgangssignal des bervo- systems kann zusätzlich dazu benutzt weraen, den Licht punktprojektor 177, dessen Wirkungsweise in Fig. 4 naner enautert ist, so zu steuern, aass aer Beobachter B im Fernrohr 10 mit einem Lichtslgnal ständig oder nach Wunsch, z. B. den Zielpunkt aes zu richtenden Gerätes 2ü kontrollieren und überwachen kann.
In den Beispielen ist das optische Gerät als Beobachtungsgerät ausgebildet beschrieben. Das optische Gerät kann aber auch nur dazu ausgebildet sein, beispielsweise als medizinisches Gerät die Blickrichtung eines Auges zu bestimmen.
Das Gebersystem 15, 16 (Fig. 1) könnte auch so ausgebildet und an eine entsprechende Servosteuerung angeschlossen sein, dass das Rohr 16 einem Stift 15 immer wenigstens innerhalb eines räumlichen Bereiches so folgt, dass die gegenseitige Lage von Stift 15 und Rohr 16 gleich bleibt. Diese Nachführung kann nicht nur für optische, sondern für beliebige andere Geräte von Vorteil sein.
Das Gebersystem braucht keinesfalls optisch oder nur optisch zu arbeiten, sondern könnte auch kapazitiv, induktiv oder sonstwie arbeiten.
Ein optisches Beobachtungsgerät kann beispielsweise auch so ausgeführt sein, dass seine Visurachse mit Hilfe eines Servosystems nach der Blickrichtung eines Beobachters ausgerichtet wird.
Aus den verschiedenen Elementen: Referenzgebersystem 15, 16, System zur Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters, Servosysteme und Rechenorganen, lässt sich eine Vielzahl von möglichen Einrichtungen bilden, die wenigstens einen Teil dieser Elemente enthalten. Insbesondere kann ein beschriebenes System als Zieleinweis- bzw. Akquisitionsvorrichtung für ein Laser-, Maser- oder Radar-Ortungssystem dienen. Die notwendigen Rechenoperationen zur Bestimmung der Lage der einzelnen Teile des Systems S im Raum könnten beispielsweise in einer entsprechend programmierten Computeranlage bestehen.
Zur Erzeugung des Cornea-Reflex-Bildes kann auch für das Auge des Beobachters unsichtbares Licht, z. B.
Ultraviolett, Ultrarot, benützt werden. Es kann aber auch das vom natürlichen, durch das Fernrohr 10 einfallenden Licht erzeugte Cornea-Reflex-Bild zur Blickrichtungsbestimmung verwendet werden.
Eine andere Konstruktion des Gerätes sieht einen stereotaxisch am Beobachterkopf befestigten Helm mit Fernrohr und Okulometer vor, der z. B. mit einem Pantographen verbunden ist, so dass das Gebersystem 15, 16 nicht notwendig wäre und nur die Lage des Helms genau bestimmt werden muss. Auf diese Weise wäre die gegenseitige Lage von Kopf bzw. Augendrehpunkt zu Visurachse des optischen Gerätes ebenfalls wenigstens angenähert bestimmt.
Das Fernrohr kann sowohl monokular wie auch binokular ausgeführt sein, wobei in einem Binokularfernrohr die Blickrichtung beider oder nur eines Auges des Beobachters bestimmt werden kann. Besonders geeignet ist ein Fernrohr mit afokaler Optik. In den Aus fiihrungsbelspielen wird die Ablage eines Cornea-Reflex Bildes von einer definierten Referenz zur Bestimmung der Blickrichtung beigezogen. Es kann vorteilhaft sein, eine andere Referenz zu wählen, z.B. die Lage der Pupille. Zur Registrierung der Augenbewegungen und der Bestimmung der Blickrichtung eines Beobachters können eine beliebige Methode und die dazu notwendigen Mittel vorgesehen sein.