DE3402847A1

DE3402847A1 - Abbildungsblock fuer zentrale aufnahme und wiedergabe von umgebungsraeumen

Info

Publication number: DE3402847A1
Application number: DE19843402847
Authority: DE
Inventors: Pál Budapest Greguss
Original assignee: BUDAPESTI MUESZAKI EGYETEM
Current assignee: BUDAPESTI MUESZAKI EGYETEM
Priority date: 1983-02-08
Filing date: 1984-01-27
Publication date: 1984-08-23
Also published as: JPS59192220A; US4566763A; DE3402847C2; DD219595A5; HU192125B; FR2540642A1; FR2540642B1; JPH0685019B2

Description

Abbildungsblock für zentrale Aufnahme und Wiedergabe

von Umgebungsräumen

Die Erfindung bezieht sich auf einen Abbildungsblock für zentrale Aufnahme und Wiedergabe von Umgebungsrä'umen.

Unter zentraler Abbildung von Umgebungsräumen versteht man einen Vorgang, währenddessen ein Beobachter sich im Mittelpunkt eines, den Anblick beschreibenden Polarkoordinatensystems statt an dessen Peripherie befindet, d.h. wenn das gewonnene Bild den in erster Annäherung rotationssymmetrischen Raum in einer "Breite" von 360° und in einer Höhe mit einem durch das System bestimmenden Raumwinkel darstellt. Als Beispiel für die zentrale Abbildung kann eine durch die Drehung eines Periskops gemachte Fotoreihe, und als Beispiel für die peripherische Abbildung kann die standsfeste Fotographie, auch die Anwendung von

Fischaugenoptiken mit einbegriffen erwähnt werden. 20

Das erste zentrale Abbildungssystem, das weder die Drehung der Abbildungselemente noch die gleichzeitige Verwendung mehrerer Abbildungssysteme benötigte, also das erste zentrale Abbildungselement mit annehmbarer Bildqualität und ohne jedwelche Drehung war ein Ansatzobjektiv für Astronomiezwecke, das in der GB-PS 225 398 dargestellt ist. Diese Vorrichtung ist geeignet, ein zentrales Bild in einer "Breite" von 360° und in einer Höhe von 150° zu machen. Diese Lösung wurde dann mit den DE-PS'en 620 538 aus dem

Jahre 1935, 672 393 aus dem Jahre 1939 und mit der HU-PS 193 538 aus dem Jahre 1954 weiterentwickelt. Unserem besten Wissen nach wird derzeit eine sogenannte Ringlinse der Firma Space Optics Research Laboratories, USA, als

Stand der Technik für ein zentrales Abbildungssystem ge-35

hai ten.

Die bekannten, eine Kombination von Spiegelflächen und

Refraktionsflächen enthaltenden Systeme für zentrale Aufnahme und Wiedergabe von Umgebungsräumen weisen den Nachteil auf, daß sie entweder zu kompliziert und deshalb zu teuer sind, oder einige, aus Konstruktionsgründen gegebene und schwer korrigierbare Fehler aufweisen. Hier will die Erfindung Abhilfe schaffen.

Das Ziel der Erfindung ist die Beseitigung der Mängel der bekannten Abbildungssysteme, wobei unsere Lösung für die Anwendung auch in dem akustischen, bevorzugt im Ul traschall bereich geeignet sein soll und der Hersteil ungsaufwand niedriger gehalten werden kann.

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß die Abbil-¹^ dungsfehler eines Abbildungsblockes vermindert werden können und der Abbildungsblock in breiterem Wellenbereich angewendet werden kann, wenn bei der Ausbildung seiner asphärischen Oberflächen und bei der Bestimmung seiner Form beachtet wird, daß die Ausbreitungsgeschwindigkeit der das Signalmuster tragenden Welle innerhalb oder außerhalb des Abbildungsblockes größer ist, ferner wenn die Bildqualitätszugeständnisse bei einer zentralen Abbildung beachtet werden.

Die gestellte Aufgabe, einen Abbildungsblock für zentrale Aufnahme und Wiedergabe von Umgebungsräumen zu schaffen, haben wir mit einem Abbildungsblock gelöst, der über mit mathematischen Funktionen beschreibbare Spiegelflächen und Refraktionsflächen verfügt. Der Abbildungsblock wur-

de erfindungsgemäß so weiterentwickelt, daß er über mindestens vier, die Wellenausbreitung beeinflussende Oberflächen verfügt, die als von einem annähernd rotationssymmetrischen Raum rings der Symmetrieachse des Abbildungsblockes ein ringförmiges Bild herstellende, gleichzahli-

ge Spiegelflächen und Refraktionsflächen ausgestaltet sind.

Nach einem bevorzugten Ausführungsbeispiel des erfindungs-

gemäßen Abbildungsblockes sind die Spiegelflächen und/ oder die Refraktionsflächen mit der mathematischen Funk-

tion χ = y /4f beschreibbare asphärischen Flächen. Diese Lösung weist den Vorteil auf, daß sie eine fast fehlerlose Abbildung ermöglicht.

Nach einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel haben die Spiegelflächen einen Krümmungsradius

r - 2 -V¹⁶4x ^/kA

Die Qualität der Abbildung ist im Falle so ausgestalteter Oberflächen noch ausreichend und der Abbildungsblock kann wesentlich einfacher und billiger hergestellt werden.

Im Sinne eines weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiels ist der Wert des Krümmungsradius der Refraktionsflächen mit dem Wert des Krümmungsradius der den Refraktions-²^ flächen gegenüberliegenden Spiegelflächen gleich.

Es wirkt vorteilhaft, wenn die Refraktionsflächen des Abbildungsblockes von den Wellenausbreitungsverhältnissen abhängig als konvexe oder konkave Oberflächen ausgestal-²^ tet sind. In diesem Fall kann der Abbildungsblock auch in dem akustischen Bereich verwendet werden.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist der erfindungsgemäße Abbildungsblock aus mehreren, zur Lösung

selbstständiger Aufgaben geeigneten Teileinheiten zusammengestellt. So können jene Teileinheiten, die zur Herstellung des ringsförmigen Bildes nicht benötigt werden, aus dem Abbildungsblock entfernt und zum Erfüllen anderer Abbildungsaufgaben verwendet werden.

Theoretisch können so die Spiegelflächen wie die Refraktionsflächen des Abbildungsblockes plan, konvex oder kon-

kav ausgebildet sein, d.h. daß mit zwei Spiegelflächen und zwei Refraktionsflächen gerechnet die Zahl der möglichen AbbildungsbTockformen mit der Zahl der aus den drei Formationen herstellbaren wiederholten Variationen vierter Potenz, also 81, übereinstimmt. (Das bedeutet aber nicht, daß alle dieser Abbildungsblockformen zur zentralen Abbildung von Räumen geeignet sind).

Im weiteren wird die Erfindung anhand von lediglich meh- rere Ausführungswege darstellenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 die Deutung der mathematischen Funktionen, die die asphärischen Flächen einer vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Abbil

dungsblockes beschrieben,

Fig. 2 einen Schnitt durch einen Abbildungsblock, wobei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der das Signalmuster tragenden Welle innerhalb des Ab

bildungsblockes niedriger als außerhalb des Abbil-dungsblockes ist,

Fig. 3 einen Schnitt durch einen Abbildungsblock, wo-. bei die Ausbreitungsgeschwindigkeit der das

Signalmuster tragenden Welle innerhalb des Abbildungsblockes höher als außerhalb des Abbildungsblockes ist, und

Fig. 4 den erfindungsgemäßen und mit einer Videokamera

verbundenen Abbildungsblock und das ringförmige Bild des durch diese Vorrichtung abgebildeten Umgebungsraumes, schematisch dargestellt.

Wie es aus der Fig. 1 ersichtlich ist, können asphärische Spiegelflächen 1, 2 eines erfindungsgemäßen Abbildungs-

2 blockes mit einer mathematischen Funktion χ = y /4f be-

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schrieben werden, wobei bedeutet:

χ die Entfernung der Spiegelflächen 1, 2 des Abbildungsblockes von den Fußpunkten 3, 3',

y die Entfernung der Oberflächenpunkte von der Symmetrieachse des Abbildungsblockes, und

f die Brennweite der Spiegelflächen 1, 2.

Da die Herstellung der mit der obigen mathematischen Funktion beschreibbaren asphärischen Oberflächen in der Praxis als sehr kostspielig und viel Arbeit verlangend erscheint, ist es zweckmäßig, diese Oberflächen durch eine Oberfläche mit einem Krümmungsradius

»x ^{/k Δ}

zu ersetzen, wobei bedeutet:

y _v den größten Halbdurchmesser der Spiegelflächen 1, 2, max

k eine von dem Material des Abbildungsblockes abhängige und experimentiell bestimmte Konstante, 25

£± die von der gegebenen Aufgabe abhängige Abweichung von einer idealen asphärischen Oberfläche.

Bei der Planung von Refraktionsflächen 4, 5 des Abbildungsblockes soll immer beachtet werden, ob die Ausbreitungsgeschwindigkeit der das Signalmuster tragenden Welle innerhalb des Abbildungsblockes niedriger oder hoher als außerhalb des Abbildungsblockes ist.

Wenn die Ausbreitungsgeschwindigkeit innerhalb des Abbildungsblockes höher ist, dann sollen die Refraktionsflächen 4, 5 konvex (Fig. 2), und wenn die Ausbreitungs-

geschwindigkeit der Wellen innerhalb des Abbildungsblockes niedriger ist* wie es bei der Anwendung des Abbildungsblockes in dem akustischen, bevorzugt im Ultraschal1 be- ■ reich der Fall ist, dann sollen die Refraktionsflächen ^; 4,-5 konkav ausgestaltet werden.

Wie aus den Figuren der Zeichnung ersichtlich, sind die Spiegelflächen 1, 2 und die Refraktionsflächen 4, 5 bezüglich der optischen Achse des Abbildungsblockes rotationssymmetrisch angeordnet. Bei den dargestellten Ausführungsformen des Abbildungsblockes weist dieser zwei Spiegelflächen 1, 2 und zwei Refraktionsflächen 4, 5 auf, wobei im Axialschnitt gesehen am Umfang des Abbildungsblockes jeweils eine Spiegelfläche 1, 2 und eine Rota- tionsfläche 4, 5 einander abwechseln. Bei den dargestellten Ausführungsformen des linsenförmigen Abbildungsblokkes ist daher die eine Scheitel fläche des Abbildungsblokkes eine Spiegelfläche, die von einer als Refraktionsfläche ausgebildeten Ringfläche umgrenzt ist, an welche an der anderen Linsenseite eine als Spiegelfläche ausgebildete Ringfläche angrenzt, von welcher die andere, als Refraktionsfläche ausgebildete Scheitelfläche des Abbildungsblockes umgrenzt ist.

Die Krümmungsradien r der Spiegelflächen 1, 2 und der Refraktionsflächen 4, 5 sowie die Entfernung dieser Oberflächen voneinander bestimmen die effektive Brennweite f des Abbildungsblockes bei einer gegebenen Brechungszahl. In dem so hergestllten ringförmigen Bild - das auf 30

Grund der bekannten Gesetze der optischen Geometrie leicht aufgetragen werden kann - stellen radiale Geraden die mit der Symmetrieachse des Abbildungsblockes parallelen Geraden dar, während die in konzentrischen Kreisen liegenden Punkte die in einer zu der Symmetrieachse des Abbildungsblockes senkrechten Ebene liegenden Kreislinien darstel1 en.

Es folgt aus dem Gesetz der Reversibilität des Strahlen-

ganges, daß wenn das ringförmige Bild über denselben Abbildungsblock auf einen Zylindermantel projiziert wird, dann erscheint ein verzerrungsfreies Bild an der Innenseite dieses Zylindermantels.
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Es ergibt sich aus dem Strahlengang innerhalb des Abbildungsblockes, daß die Abmessung des von dem den Abbildungsblock umschließenden Raum hergestellten Bildes nicht vergrößert werden kann, und das soll bei der Anwendung des Abbildungsblockes immer beachtet werden. Von den verschiedenen Anwendungsmöglichkeiten ist in der Fig. 4 ein vorteilhafter Anwendungsfall dargestellt, bei welchem der Abbildungsblock mit einer Videokamera verbunden ist. Der zwei Spiegelflächen 1, 2 und zwei Refraktionsflächen 4, 5 aufweisende Abbildungsblock gibt ein ringförmiges Bild in einer "Breite" von 360° und in einer Höhe in einem bestimmten Raumwinkel, und dieses ringförmige Bild 6 ist über eine Linse 7 an einen Target 9 einer Videokamera 8 projiziert und ist auch auf einem Bildschirm 10 eines Monitors sichtbar.

Die durch die Erfindung erreichten Vorteile sind im wesentlichen darin zu sehen, daß der Abbildungsblock einfach und billig hergestellt werden kann, und wegen seines zusammengesetzten Aufbaus in vielen Anwendungsfall en sowohl auf dem Gebiet der Wissenschaft, wie auch der Industrie eingesetzt werden kann.

AO

- Leersei te -

Claims

PATENTANWÄLTE

VIERING & JENTSCHURA

zugelassen beim Europäischen Patentamt European Patent Attorneys — Mandataires en Brevets Europeens

Dipl.-lng. Hans-Martin Viering · DipWng. Rolf Jentschura ■ Steinsdorfstraße 6 · D-8000 München 22 Anwaltsakte 4456

Budapesti MUszaki Egyetem Budapest/Ungarn

Abbildungsblock für zentrale Aufnahme und Wiedergabe

von Umgebungsräumen

Patentansprüche
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Abbildungsblock für zentrale Aufnahme und Wiedergabe von Umgebungsräumen, der mit einer mathematischen Funktion

beschreibbare Spiegelflächen und Refraktionsflächen hat, dadurch gekennzeichnet, daß er über mindestens vier die Wellenausbreitung beeinflussende Oberflächen verfügt, die als von einem annähernd rotationssymmetrischen Raum rings

der Symmetrieachse des Abbildungsblockes ein ringförmiges 30

Bild herstellende, gleichzahl ige asphärische Spiegelflächen (1, 2) und Refraktionsflächen (4, 5) ausgestaltet sind.
2. Abbildungsblock nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, 35

daß die Spiegelflächen (1, 2) und/oder die Refraktions-

I/P -2-

Telefon (089) 293413 und 293414 · Telefax (089) 222066 · Telex 5212306 jepa d ■ Telegramm Steinpat München

turn * - ■» Www

flächen (4, 5) mit der mathematischen Funktion

2 '

x = y /4f beschreibbare asphärische Oberflächen Sind.
3. Abbildungsblock nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge-S kennzeichnet, daß die Spiegelflächen (1, 2) einen Krümmungsradius

r = 2 10

haben.
4. Abbildungsblock nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Wert des Krümmungsradius der Refraktionsflächen (4, 5) mit dem Wert des Krümmungsradius der den Refraktionsflächen (4, 5) jeweils gegenüberliegenden Spiegelfläche (1, 2) gleich ist.
^2O5. Abbildungsblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Refraktionsflächen (4,^r5) als konvexe Oberflächen ausgestaltet sind.
6. Abbildungsblock nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Refraktionsflächen (4, 5) als konkave Oberflächen ausgestaltet sind.
7. Abbildungsblock nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß er aus mehreren zur Lösung selbstständiger Aufgaben geeigneten Teileinheiten zusammengestellt ist.