Title:
Modulares optisches Aufnahmesystem
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Ein modulares optisches Aufnahmesystem ist vorgesehen. Dabei handelt es sich um einen kompakten, flexibel konfigurier- und erweiterbaren Systemaufbau zur Bildaufnahme, - stabilisierung und -korrektur mit einem im Bereich eines vorzugsweise zylinderförmigen Gehäusekonzepts anzuordnendem optischen Beobachtungsgerät, derart dass basierend auf einer inhärent modularen Systemstruktur eine mit Blick auf unterschiedliche Anwendungsfälle jeweils spezialisierte Funktionseinheit erreichbar ist, die aus mehreren im Benutzungszustand durch mechanische Vorspannung spielfrei verbundenen Funktionsmodulen mit integrierter Beobachtungstechnik besteht, dessen bildaufnehmende Einheit bedarfsweise steuerbar gelagert und in Relation zur Objektivmontagefläche zumindest axial einstellbar ist und unabhängig von der in Betriebsstellung gebrachten Funktionseinheit in ihrer jeweiligen Lage und Orientierung auf eine jeweilige - beispielsweise horizontale - Aufnahmeposition ausrichtbar ist. Neben einer unabhängig rigide systemweit festleg- und anpassbaren Objektivmontagefläche ist hierbei eine ubiquitäre Einstellbarkeit insbesondere der optischen und mechanischen Systemparameter als gleichermaßen wesentlich vorgesehen, so dass sowohl eine präzise spiel- und reibungsfreie mechanische Korrektur von zumindest vollständigen Rotationen um die optische Achse als auch optimale Befestigung und Steuerung optischer Elemente und Abbildungssysteme ermöglicht wird. embedded image





Inventors:
gleich Anmelder
Application Number:
DE102017000889A
Publication Date:
08/02/2018
Filing Date:
01/27/2017
Assignee:
Overmann, Christian, Dipl.-Ing., 53340 (DE)
International Classes:
G03B5/00; G03B17/02; H04N5/225; H04N5/232
Domestic Patent References:
DE102008008897B3N/A
DE102008042472A1N/A
DE112014006009T5N/A
DE19942900A1N/A
DE602004004719T2N/A
Foreign References:
20110050921
5557329
EP2884156
WO2012153281A1
Attorney, Agent or Firm:
Busse & Busse Patent- und Rechtsanwälte Partnerschaft mbB, 49084, Osnabrück, DE
Claims:
Systemaufbau zur Bildaufnahme, -stabilisierung und -korrektur, mit einem optischen Beobachtungsgerät, das im Bereich eines vorzugsweise zylinderförmigen Gehäusekonzepts anzuordnen ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gesamtsystem eine Funktionseinheit (1) bzw. (1') bildet, die aus mehreren im Benutzungszustand durch mechanische Vorspannung spielfrei verbundenen sowie auf vorbestimmbare Aufnahmepositionen ausrichtbaren Funktionsmodulen (2, 4, 5) bzw. (34, 35, 36) mit integrierter Beobachtungstechnik (3) bzw. (3') besteht, wobei in einem zentralen Modul der Funktionseinheit (1) bzw. (1') eine bildaufnehmende Einheit (15) bzw. (15') steuerbar gelagert und in Relation zu einer systemfest im Bereich eines äußeren Strukturmoduls (5) bzw. (35) vorgesehenen Objektivmontagefläche (97) bzw. (135) zumindest axial einstellbar ist, derart, dass unabhängig von der in Betriebsstellung gebrachten Funktionseinheit (1) bzw. (1') die bildaufnehmende Einheit (15) bzw. (15') in ihrer jeweiligen Lage und Orientierung auf die jeweilige Aufnahmeposition ausrichtbar ist.

Systemaufbau nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass diese die Funktionseinheit (1) bzw. (1') bildenden Baugruppen mit einem digitalen Fotoapparat und / oder einer digitalen Kamera als jeweiliges Beobachtungsgerät versehen ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur automatischen Bedienung des im Bereich der Funktionseinheit (1) bzw. (1') vorgesehenen inneren Moduls (4) bzw. der Funktionseinheit (34) zumindest ein mit einem Stellorgan (8) bzw. (38) verbindbarer Sensor (OS) vorgesehen ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsgerät mittels des zumindest einen Stellorgans (8) bzw. (38) im Bereich des inneren Moduls (4) bzw. der Funktionseinheit (34) sowohl in seiner Lage zum Horizont als auch seinen jeweiligen Aufnahmeparametern einstellbar ist.

Systemaufbau nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsgerät mittels des in das Modul (4) bzw. der Funktionseinheit (34) integrierten Sensors (OS) und des von zumindest einem Stellmotor gebildeten Stellorgans (8) bzw. (38) eine permanente Ausrichtung zu einer vorbestimmten Lage aufweist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungstechnik (3) bzw. (3') zumindest über eine Aufnahme mit dem Stellorgan (8) bzw. (38) zusammenwirkt, derart, dass das die bildaufnehmende Einheit (15) bzw. (15') als resultierende Funktionseinheit (2) bzw. (34) enthaltende Modul einen um zumindest die Z-Achse schwenkbaren und von der Objektivmontagefläche (97) bzw. (135) zumindest in Lage und Orientierung unabhängigen Teil des Gesamtsystems (1) bzw. (1') bildet.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (1) bzw. (1') durch die Verbindung externer Steuerorgane mit der integrierten Systemelektronik (SE) über weitgehend beliebige jedoch zumindest gegen äußere Medien gedichtete Schnittstellen (60) ein zumindest vollständig dreidimensional schwenkbares und in Lage und Orientierung steuerbares Beobachtungssystem bildet.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungstechnik (3) bzw. (3') auch ohne Module zur Korrektur der Lage und / oder Orientierung der bildaufnehmenden Einheit (15) bzw. (15') einsetzbar und mit zumindest einem adaptierbaren Schnittstellenelement (31) zur Montage eines optischen Abbildungsgeräts sowie zumindest einer äußeren Hüllstruktur (32) zu einer als vollständiges Beobachtungssystem (33) ausgebildeten Funktionseinheit festlegbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die die bildaufnehmende Einheit (15) bzw. (15') enthaltende Funktionseinheit (2) bzw. (34) bedarfsweise mit einer internen Funktionseinheit (ABF) bzw. (ABF‘) zusammenwirkt, derart, dass über eine axiale Verschiebung (ZA) bzw. (ZA‘) der bildaufnehmenden Einheit (15) bzw. (15') relativ zur Objektivmontagefläche (97) bzw. (135) eine stufenlose und gegen Verstellen gesicherte Einstellbarkeit des Auflagemaßes (AM) bzw. (AM‘) erreichbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau der elektronischen Komponenten der Funktionseinheit (1) bzw. (1') aus einer zumindest singulären gefalteten Systemplatine (SP) mit bereichsweise flexiblen Verbindungen (F1 bis FN) ausführbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die die bildaufnehmende Einheit (15) bzw. (15') enthaltende Beobachtungstechnik (3) bzw. (3') über zumindest ein entsprechendes Federelement (18) bzw. (49) gegen zumindest die Objektivmontagefläche (97) bzw. (135) spielfrei gelagert ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerung der bildaufnehmenden Einheit (15) bzw. (15') mit einer Funktionseinheit (TCS) zur Korrektur von Verkippungen relativ zur optischen Achse (OA) bzw. (OA‘) erweiterbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Beobachtungsgerät über eine aufnehmende weitgehend konforme Geometrie abdeckbar ist, derart, dass die insgesamt gehäuseförmige Hüllstruktur (4 bis 6) bzw. (35 bis 36) im Bereich einer der bildaufnehmenden Einheit (15) bzw. (15') zugeordneten Augenöffnung (98) bzw. (134) die Festlegung eines Objektivs (67) erlaubt.

Systemaufbau nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäuseförmige Hüllstruktur (4 bis 6) bzw. (35 bis 36) die Festlegung zumindest einer Funktionseinheit (68) zur Steuerung weitgehend beliebiger Objektive (67) ermöglicht.

Systemaufbau nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die gehäuseförmige Hüllstruktur (4 bis 6) bzw. (35 bis 36) an weitgehend beliebige Objektivanschluss- bzw. Auflagemaßstandards anpassbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Beobachtungstechnik (3) bzw. (3') unter Wahrung des vollen Funktionsumfangs und der Einstellbarkeit der elektronischen und mechanischen Parameter in weitgehend beliebigen Haltegeometrien (WD) festlegbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass zur Beleuchtung des aufzunehmenden Motivs an der gehäuseförmigen Hüllstruktur (4 bis 6) bzw. (35 bis 36) zumindest eine das Objektiv (67) zumindest bereichsweise umgebende Funktionseinheit (LM) vorgesehen ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass in die Funktionseinheit (1) bzw. (1') eine ein Sender-Empfänger-System bildende Funksteuerung (WI) integriert ist, mittels der das Beobachtungsgerät und / oder weitere funktionale Einheiten bedienbar ist / sind.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (1) bzw. (1') mit zumindest einem über Funk aktivierbaren Steuerprogramm versehen ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (1) bzw. (1') eine Empfangs- und / oder Sendeeinheit aufweist.

Systemaufbau nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendeeinheit eine Verbindungsleitung zu zumindest vorzugsweise im Bereich der zentralen Funktionseinheit (2) bzw. (34) angeordneten Speicherteilen (IFD) aufweist, derart, dass auch bei unbegrenzten Rotationsbewegungen von mehr als 360° der bildaufnehmenden Einheit (15) bzw. (15') eine Informationsübertragung durchführbar ist.

Systemaufbau nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Informationsübertragung sowohl zu zumindest einem im Bereich der zentralen Funktionseinheit (2) bzw. (34) vorgesehenen Speicherteil (IFD) als auch austauschbaren Speicherteil (EFD) hin erfolgt.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich eines das Beobachtungsgerät aufnehmenden Stützgehäuses jeweilige Funktionsflächen und -elemente vorgesehen sind, derart, dass an jeweiligen Verbindungspunkten des Stützgehäuses externe Bauteile, Geräte, Sensoren o.dgl. Anbauteile festlegbar sind.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 23, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Bereich des Stützgehäuses eine Stromversorgung, insbesondere in Form einer Batterie oder eines Akkus, integrierbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 24, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Steuerbaugruppe an eine externe Stromversorgung anschließbar ist.

Systemaufbau nach einem der Ansprüche 1 bis 25, dadurch gekennzeichnet, dass die Funktionseinheit (1) bzw. (1') zumindest im Bereich der als gehäuseförmige Baugruppen ausgebildeten Module ein zumindest bereichsweisen fluiddichten Verbindungsaufbau bildet.

Description:

Die Erfindung betrifft ein adaptives System zur Aufnahme und Stabilisierung von Bildern im Allgemeinen und eine flexibel modular konfigurier- und erweiterbare Vorrichtung zur Bildaufnahme und -stabilisierung mit Mitteln zur präzisen Korrektur von Verwackelungen und vollständigen Rotationen bei permanenter zuverlässiger und gesicherter Einstellbarkeit der technischen und geometrischen Parameter und einer nativen Interoperabilität mit weitgehend beliebigen Objektiv- und Bildverarbeitungssystemen im Besonderen.

Hintergrund der Erfindung

Seit der Markteinführung von Action-Cams und bedingt durch eine schnell voranschreitende Entwicklung digitaler Bildsensoren, führt der Wunsch nach qualitativ hochwertigeren Aufnahmen von bewegten Bildern aus immer neuen Blickwinkeln bei sehr eingeschränkten Platzverhältnissen und schnellen Bewegungsabläufen zu einem deutlichen Miniaturisierungsbedarf sowohl der Kamera- als auch der stabilisierenden mechanischen Systeme.

Darüber hinaus hat die stetig wachsende internationale Vernetzung und Kommunikation über soziale Medien und das Internet zur Folge, dass so aufgenommene Bilder und Videos zunehmend unbearbeitet weiterverwendet werden, wodurch die Nachfrage nach einer Aufbereitung der Bilddaten während der Aufnahme stark zunimmt. Da gering verwackelte Aufnahmen das Qualitätsempfinden stark negativ beeinträchtigen stabilisieren die meisten Kamerasysteme die aufgenommenen Bilddaten bereits im Rahmen dieser Aufbereitung intern vollelektronisch. Dies hat jedoch den Nachteil, dass ein Teil der maximal möglichen Auflösung nicht zur Ausgabe genutzt werden kann. Aus Platz- und Kostengründen findet zusätzlich eine interne Komprimierung der Bilddaten statt, bevor sie entweder ausgegeben oder gespeichert werden.

Dem gegenüber stehen mechanische Korrektursysteme, die zwar in der Lage sind die vollständig zur Verfügung stehende Oberfläche des Bildsensors auszunutzen, allerdings einerseits nur Verwackelungen resultierend aus einer Handbewegung ausgleichen oder andererseits nur Schräglagen stabilisiert werden können und zudem das Gesamtsystem bestehend aus Aufnahmegerät und Objektiv weder in ausreichendem Maße miniaturisierbar ist noch eine Stabilisierung in Echtzeit ermöglicht. In Bezug auf die zuvor beschriebenen neuen Anforderungen, insbesondere resultierend aus einem Betrieb in Outdoor-Umgebungen, müssen diese Ansätze jedoch als ungeeignet eingestuft werden, da gleichermaßen weder vollständige Rotationen noch große Schräglagen und Verwackelungen durch ein System stabilisiert werden können. Darüber hinaus sind insbesondere die Systeme zum Ausgleich von Schräglagen des gesamten Kamerasystems (sog. Steady-Cam Systeme) im Allgemeinen sehr ausgeführt und überdies unzureichend geschützt vor äußeren Einflüssen.

Stand der Technik

Im Folgenden wird ein kurzer Überblick über den aktuellen Stand der Technik gegeben sowie die Nachteile technischer Lösungen und dazu eingereichter Patente und Offenlegungen in Bezug auf die anschließend beschriebene Erfindung erläutert.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass heutige Systeme zur Stabilisierung und Korrektur aufgenommener Foto und Videodaten allgemein in zwei Gruppen eingeteilt werden können.

Dabei gibt es Systeme, welche Verwackelungen und ungewünschte Rotationen mit einem digitalen Verfahren korrigieren. Dazu werden die jeweilige Schräglage und die Verwackelung des Gehäuses oder der bildgebenden Einheit mit Hilfe elektronischer Sensoren wie Gyros, Beschleunigungs- und Magnetsensoren, o.Ä. aufgezeichnet. Die so gewonnenen Sensordaten werden dann mit Hilfe einer zentralen Berechnungseinheit verarbeitet und eine stabilisierende, der Verwackelung und Schräglage entgegenwirkende, Korrektur bestimmt. Diese Korrektur wird dann auf die aufgenommenen Bild- und Videodaten digital angewandt, d.h. das Material wird intern gedreht, bewegt und ausgegeben ohne eine mechanische Korrektur vorzunehmen. Großer Nachteil dieses Verfahrens ist eine oft sehr starke Beschneidung der aufgezeichneten Bilddaten, was dazu führt, dass die im Verhältnis zur nutzbaren Sensorfläche ausgegebene Formatgröße stark eingeschränkt ist. Aus diesem Grund eignet sich dieses Verfahren nur für sehr geringe Korrekturen, wie Vibrationen und geringe Verwackelungen resultierend aus einer Handbedienung der Kamera. In Bezug auf die hiermit eingereichte Erfindung sind diese Systeme mit einer digitalen Korrektur jedoch nur der Vollständigkeit halber mit aufgeführt, da die Funktionsweise maßgeblich auf einem sensorgestützten mechanischen Korrekturverfahren basiert, wie im Folgenden näher betrachtet.

Unerwünschte Rotationen und Verwackelungen können außerdem korrigiert werden, indem mit Hilfe eines elektro-mechanischen Systems dafür gesorgt wird, dass die Seitenränder der bildgebenden Einheit jeweils parallel, im theoretischen Idealfall kongruent mit den entsprechenden Rändern des projizierten bzw. aufgenommenen Bildes sind und dadurch vollständig beleuchtet werden.

Im Rahmen der Recherche zum Stand der Technik wurden folgende Veröffentlichungen als relevant analysiert:

1.US20050001906A1, 2.US20060098967A1, 3.US20140347506A1, 4.US20060098967A1, 5.WO2009060624, 6.US4615590A, 7.US20120218428A1, 8.US5825545A, 9.JP2004295027A, 10.JP2004226956A, 11.US20100215353A1, 12.WO2012153281A1, 13.JPS6399680A, 14.JP2013009107A, 15.JPH09261524A, 16.JPH0630327A, 17.US20090245774A1, 18.JP2010128386A, 19.JP2008065163A, 20.JP2007241254A, 21.US20020080242A1, 2.DE102004045430A1, 23.US20060284495A1, 24.US20090251551A1, 25.DE19942900A1, 26.US20150036047A1, 27.JP2006337680A, 28.US20050276589A1, 29.US2012024981A1, 30.US2003067544A1, 31.US20120249814A1, 32.US2011050921A1, 33.US2006067660A1, 34.US20060064884A1, 35.US20050270379A1, 36.JP2008116836A, 37.US2010309323A1, 38.US220100157074A1, 39.US2003076421A1, 40.JP2007096493A, 41.JP2007110449A, 42.JP2009003010A, 43.US20030077082A1, 44.US20060104633A1, 45.DE102013004849A1, 46.US20160028844A1, 47.JP57099874A, 48.JP2012103376A, 49.JP2012103373A, 50.WO2010044197A1, 51.JP2008116836A, 52.JP2010114874A

Wie in den Offenlegungen 1-10 beschrieben kann eine elektro-mechanische Korrektur von Rotationen und Verwackelungen erreicht werden, indem durch bewegte Linsen(gruppen), Prismen oder Spiegel eine Veränderung des Strahlengangs herbeigeführt und so die Schräglage oder Verwackelung ausgeglichen wird. In einigen Fällen wird (zusätzlich) auch die bildaufnehmende Einheit selbst bewegt (vgl. Offenlegungen Nr. 9, 11-36, 46, 48 und 51).

Die meisten Kameras mit diesen Korrektursystemen verwenden zur Bewegung der optischen Elemente oder des Bildsensors Spulen in Kombination mit Permanentmagneten oder Piezoaktoren, wie in den Offenlegungen Nr. 16-19, 22, 27-30, 32, 37, 46, 48-50 und 52 exemplarisch beschrieben. Der Einsatz solcher Aktoren erlaubt insbesondere eine präzise translatorische Ausrichtung von Elementen in einer Ebene, wenngleich auch nur in sehr begrenztem Umfang. Darüber hinaus kann die Kombination von reinen axialen Translationen, unter Voraussetzung einer exakten Steuerung und Synchronisation sowie spielfreier Lagerung, präzise ebene Rotationen durchführen. Da die geometrische Ausprägung und Platzierung der Bewegung induzierenden Spulen in den meisten Fällen ebenfalls in einer Ebene erfolgt, können hiermit auch nur planare Translationen und Rotationen mit begrenztem Weg von deutlich unter 360° durchgeführt werden.

Ein alternativer Ansatz zur Bewegung der optischen Elemente oder des Bildsensors wird in den Offenlegungen Nr.26 und 47 beschrieben. Hierbei wird die Korrekturrotation über ein Getriebe von einem Motor ausgeführt. Dieser Aufbau ist nachteilig, weil durch die Verwendung eines Getriebes zur Übertragung der Rotation des Motors auf den Bildsensor zusätzliches Spiel ins kinematische System gebracht wird. Ein Getriebe ist aufgrund des zugrundeliegenden physikalischen Wirkprinzips grundsätzlich spielbehaftet und daher als unpräzise und anfällig gegen Vibrationen und Erschütterungen einzustufen. Dies führt dazu, dass die ermittelte und angefahrene Position des Bildsensors nach einer Korrektur selbst im Stillstand noch immer Spiel aufweist und somit beweglich ist. Weder elektronisch noch sensorisch kann hier Abhilfe geschafft werden, da das Spiel zu einem dauerhaften Ausgleichversuch der Elektronik führt, was sowohl ein erhöhtes Grundrauschen der Positionssensordaten bedeutet und zusätzlich einen steigenden Stromverbrauch zur Folge hat. Es kann keine exakte Position dauerhaft gehalten werden. Dies ist der Grund für mögliche Unschärfe und schlechte Abbildungsqualität, insbesondere in vibrationsbehafteten Umgebungen. Darüber hinaus ist im Betrieb mit Verzögerungen bei einem Richtungswechsel zu rechnen, da zunächst das Spiel bis zum Kontakt der gegenüberliegenden Gewindeflanken überwunden werden muss, bevor das Getriebe die Bewegung in die entgegengesetzte Richtung übertragen kann. Aufgrund der reibungsbehafteten Funktionsweise eines Getriebes ist hier zusätzlich mit Abnutzung in Form von Abrasion zu rechnen, so dass eine Zunahme der Probleme zu erwarten ist. Zuletzt bedeutet der beschriebene mechanische Aufbau eine Vergrößerung der gesamten Systemgröße.

Darüber hinaus weisen viele Systeme keine exakte oder langlebige Mechanik auf. Stellvertretend hierfür können die Offenlegungen Nr. 14, 20, 27, 36, 37 und 49-51 herangezogen werden. Dabei wird eine im optischen Strahlengang liegende Baugruppe über starre Gleitflächen gegen einen festen Anschlag bzw. das Gehäuse gelagert. Da eine Gleitlagerung jedoch aufgrund des physikalischen Wirkprinzips grundsätzlich ebenfalls spielbehaftet ist, können Bewegungen nicht exakt geführt werden. Dieses Spiel führt bereits bei geringen Vibrationen zu einem steigenden Präzisionsverlust durch erhöhten Verschleiß und Abrasion. Zusammengefasst kann gesagt werden, dass eine Gleitlagerung, trotz präziser Mechanik, eine ungenaue Basis mit großer Vibrationsanfälligkeit darstellt, so dass mit einer dauerhaften Kompensationsarbeit der Sensorik und Mechanik zu rechnen ist, was sowohl einen Präzisionsverlust als auch erhöhten Stromverbrauch zur Folge hat.

Um dem entgegenzuwirken, werden verschiedene Ansätze verfolgt. Eine der theoretisch besten Lösungen stellt die Vorspannung des mechanischen Aufbaus in Kombination mit der Verwendung von Wälzlagern dar. Aufgrund der immer voranschreitenden Miniaturisierung von Kamerasystemen wird in der Praxis jedoch auf die Verwendung dieser Elemente in den weitaus häufigsten Fällen verzichtet, wie in den Offenlegungen Nr. 11-16, 18, 20-27, 31, 39 und 46-52 auffällt. Wenige Erfindungen haben dieses Problem erkannt und Elemente zur Vorspannung integriert, jedoch so stark verkleinert oder lokal begrenzt ausgeführt, dass eine optimale technische Wirkung nicht erzielt wird. Für das kinematische bzw. mechanische System ist dies als nachteilig anzusehen.

Exemplarisch für eine solche Vorspannung über einzelne punktuell wirkende Federn können dazu die Offenlegungen Nr. 29, 32 und 38 herangezogen werden. Diese technischen Umsetzungen führen dazu, dass die Sensorebene nicht gleichmäßig vorgespannt wird, was durch Fertigungstoleranzen zusätzlich verstärkt wird. Darüber hinaus verwenden die in den Offenlegungen Nr. 23, 29 und 31 beschriebenen Erfindungen wenige einzelne Wälzkörper, die jeweils gegen eine lokal begrenzte Laufbahn gelagert sind. Sowohl Werkstoff und Geometrie als auch die geringe Anzahl der Wälzkörperlagersitze führen, neben einem sehr begrenzten Bewegungsbereich, ebenfalls zu einer ungleichmäßigen Lagerung der Bildsensorebene. Im Falle auftretender Vibrationen und Stößen kann es nun durch die oben genannten Ausführungen zu einer schlechten Abbildungsqualität und Unschärfe kommen. Die Ursache hierfür liegt in einer Verkippung und/oder Verschiebung der Sensorebene relativ zum abbildenden Linsensystem aufgrund einer schwachen, ungleichmäßigen Vorspannung und Lagerung.

Darüber hinaus gibt es technische Lösungen (vgl. Offenlegung Nr. 19 und 28), welche Federn zur Vorspannung der bildgebenden Einheit an einer Struktur abstützen, die ein Teil des äußeren Gehäuses ist oder mit ihm starr verbunden ist. Dies hat den Nachteil, dass (richtungsabhängig) den Korrekturbewegungen der Sensorfläche eine Federkraft entgegenwirkt, die überwunden werden muss. Dies macht einerseits größer dimensionierte Aktoren notwendig und führt überdies zu einem höheren Stromverbrauch während des Betriebs. Um Rotationen von mehr als 360° zu ermöglichen, muss außerdem hierfür die Feder ab einem gewissen Punkt mitgedreht werden, da zusätzlich die Reibung zwischen Feder und abstützender Struktur überwunden werden muss, um die gewünschte Bewegung durchzuführen. In jedem Fall kann bei diesen Systemen die Rotationsbewegung als beeinträchtigt eingestuft werden, da sie zu jeder Zeit behindert oder durch einen ungünstigen mechanischen Aufbau ausgeschlossen wird. Zusätzlich entsteht durch die hervorgerufene Reibung zwischen Feder und Federanschlagsfläche eine Abrasion der Anschlagsfläche.

Systeme, welche vollständige Rotationen von min. 360° erlauben, sind exemplarisch in den Offenlegungen. Nr. 11-16 und 47 beschrieben. Insbesondere die ungünstige kinematische und mechanische Struktur sowie das Fehlen von spielkompensierenden Komponenten, sind, wie zuvor beschrieben, hier ebenso als nachteilig hervorzuheben.

Es muss hinzugefügt werden, dass alle untersuchten und beschriebenen Systeme, welche Korrektureinheiten zum Ausgleich von Vibrationen und Schrägstellungen beinhalten, nicht in der Lage sind, den Abstand von der bildgebenden Oberfläche zum abbildenden optischen System (Linsen usw.) oder der Auflagefläche des Objektives nachträglich einzustellen. Dadurch können weder Setzerscheinungen, Fertigungstoleranzen und Abnutzung ausgeglichen werden noch kann das Auflagemaß präzise (nach-) justiert werden. Das Resultat ist eine zunehmende Unschärfe der aufgenommenen Bilder. Es werden stattdessen viele Maßnahmen entwickelt, um eine solche Justage zu umgehen. Diese können zwei grundlegenden Ansätzen zugeordnet werden - starre Systeme mit fixierten optischen Elementen und damit fester Brennweite und Schärfe und Systeme, welche die Veränderung von optischen Elementen zur Einstellung von Zoom und Schärfe erlauben.

Exemplarisch für den ersten Ansatz können hierzu die sehr grundlegenden Ausführungen in den Offenlegungen Nr. 11-13, 15, und 30 herangezogen werden. Dabei wird das abbildende System aus Linsen am Gehäuse in einem festen Abstand zum Bildsensor befestigt, so dass nur eine einmalige Kalibrierung (bei der Erstmontage) möglich ist. Somit kann die Position der optischen Elemente relativ zueinander nicht verändert werden, was eine feste Brennweite und Schärfe zur Folge hat. Eine Adaption an äußere Umgebungen, z.B. durch Wechselobjektive ist damit nicht möglich.

Neben der Bewegung des Bildsensors über Spulen und Permanentmagneten oder Piezoaktoren findet insbesondere ein weiterer kinematischer und mechanischer Aufbau Anwendung. Dieser ist exemplarisch in den Offenlegungen Nr.13 und 15 beschrieben. Eine den Bildsensor tragende Struktur des mechanischen Systems wird dabei über Kugellager direkt am Linsen beinhaltenden Tubus oder dem Gehäuse abgestützt und gelagert, so dass der Bildsensor an einer radial fixierten Position hinter dem abbildenden optischen System zur Korrektur frei bewegt werden kann. Das Fehlen einer mechanischen Vorspannung führt jedoch zu Lagerspiel in axialer Richtung zum abbildenden Linsensystem. Während einer Korrekturbewegung kann sich der Abstand vom Bildsensor zum optischen System verändern, was, neben einem unruhigen Lauf wechselnde Unschärfe zur Folge hat, die unter Einfluss äußerer Vibrationen und Stößen an Intensität zunehmen kann.

Um die zuvor beschriebene Unschärfe infolge von Lagerspiel auszuschließen, wird in vielen Erfindungen die bildgebende Einheit mit dem abbildenden optischen System fest verbunden und einheitlich mechanisch gelagert. Dieser Ansatz findet exemplarisch Umsetzung in den Offenlegungen 14, 18-20, 26, 39 und 51. Das impliziert jedoch, dass das Abbildungssystem, welches nun den vollständigen optischen Weg beinhaltet, zur Korrektur bewegt werden muss. Dies stellt einen großen Nachteil dar, da zum einen die Massenträgheit dieses Abbildungssystems deutlich größere Aktoren erfordert als Systeme, die nur die bildgebende Einheit bewegen müssen. Zum anderen ist dieser Aufbau insbesondere bei schnellen Korrekturen mit großen Wegen und Rotationen als träge einzustufen, was einen Ausgleich von Vibrationen und Schrägstellungen in Echtzeit unmöglich macht. Darüber hinaus müssten Funktionsbaugruppen, die Elemente (wie z.B. Linsen, Linsengruppen usw.) im optischen Strahlengang verstellen können, zusätzlich auf dem Abbildungssystem befestigt werden. Die Folge wäre eine weitere Steigerung des bei einer Korrektur zu bewegenden Gesamtgewichtes. Neben einer Vergrößerung der äußeren Abmessungen des Gesamtsystems würden hieraus eine zunehmende Trägheit der Korrekturbewegung und die Notwendigkeit von noch größeren Aktoren resultieren. Abschließend verhindert die feste, nicht lösbare Verbindung von abbildendem optischem System mit dem Bildsensor das modulare Anpassen der optischen Elemente an unterschiedliche Lichtverhältnisse und Anforderungen. Es ist nicht möglich, weitere Objektive über eine Schnittstelle (Bajonett) zu befestigen.

Um eine solche modulare Anpassbarkeit des Kamerasystems zu ermöglichen, werden bei einigen Erfindungen (vgl. Offenlegung 31) dazu mechanische Schnittstellen integriert. Da dieses Bajonett in der Regel vor einem beweglichen Bildsensor mechanisch mit dem Gehäuse fest verbunden ist, besteht hier die Möglichkeit, Wechselobjektive zu montieren, ohne die Korrekturmechanik des Bildsensors zu beeinflussen. Jedoch weisen alle diese Systeme, die mit einem Bajonett ausgestattet sind und zusätzlich elektromechanische Einheiten zum Ausgleich von Vibrationen und Schrägstellungen beinhalten, keine vorgespannte Lagerung auf, die überdies nicht in der Lage ist, vollständige Rotationen zu korrigieren. Außerdem ermöglicht keines dieser Systeme die (nachträgliche) präzise Einstellung des Auflagemaßes zwischen Bildsensoroberfläche und Bajonettanschlussflansch. Insbesondere Kamerasysteme auf Basis sog. Starrflex-Platinen weisen alle keine integrierte und nach geltender Norm anerkannte gegen Losdrehen gesicherte präzise Mechanik zur (nachträglichen) Einstellung und Fixierung des Auflagemaßes auf.

Systeme, bei denen die bildgebende Einheit fest mit einem Bajonett verbunden und einheitlich mechanisch gelagert ist, unterliegen vergleichbaren Problemen und Nachteilen zuvor beschrieben. Hierbei kann es außerdem vorkommen, dass große und schwere Objektive eingesetzt werden müssen. Diese sind nach ihrer Montage Bestandteil des Abbildungssystems und müssen bei einer Korrektur ebenso mitbewegt werden. Auch müssten Funktionsbaugruppen zur Verstellung des Zooms und der Schärfe zusätzlich extern am gesamten Abbildungssystem befestigt werden, was dazu führen kann, dass der interne Korrekturantrieb zu schwach dimensioniert ist, um eine vollständige Korrekturbewegung (in Echtzeit) des gesamten Abbildungssystems auszuführen.

Um die Orientierung und Position der gesamten Kamera bei auftretenden großen Bewegungen im Raum zu stabilisieren und auszugleichen werden externe Manipulationssysteme eingesetzt. Diese Systeme werden Steady-Cam Systeme genannt und bestehen im Wesentlichen, neben einer Positionssensorik zur Bestimmung der aktuellen Orientierung im Raum, aus drei Aktorbaugruppen - je eine pro räumliche Bewegungsachse. Dabei kann jede dieser Baugruppen einen auf die zugeordnete Achse begrenzten Lageausgleich durch Rotation ausführen. Durch die Superposition dieser einzelnen Korrekturrotationen um die Längsachse (Rollen), Querachse (Nicken) und Hochachse (Gieren) kann dabei jede Bewegung im Raum so ausgeglichen werden, dass das Kameragehäuse parallel zum Horizont ausgerichtet ist. Unter Voraussetzung einer bekannten Beziehung zwischen der Orientierung des Bildsensors relativ zum Kameragehäuse kann somit der Horizont des aufgenommenen Bildes im Idealfall senkrecht zur Gravitationsrichtung ausgerichtet werden.

Die Recherche zum Stand der Technik hierzu hat ergeben, dass solche Systeme (vgl. Offenlegungen Nr.40-44) bisweilen sehr groß und klobig ausgeführt sind. Es muss außerdem hinzugefügt werden, dass die wenigen Systeme, die in der Lage sind vollständige Rotationen des Kameragehäuses um die optische Achse (Roll-Achse) auszugleichen keine vollständig gekapselte, gegen äußere Einflüsse geschützte Struktur aufweisen. Exemplarisch kann hierfür die Offenlegung Nr. 45 betrachtet werden. Hierbei besteht kein Schutz der bewegten Elemente (z.B. der Kameraplattform bzw. des Kamerakopfes), so dass Beeinträchtigungen der freien Korrekturbewegung durch äußere Einflüsse nicht verhindert werden können, was zur vollständigen Blockade führen kann.

In Bezug auf die hier eingereichte Erfindung kann zusammengefasst werden, dass zur Stabilisierung optischer Elemente oder Beobachtungsgeräte unterschiedliche Lösungen bekannt sind. Diese vorbeschriebenen bekannten Konstruktionen erscheinen jedoch nur für die jeweilige angestrebte Anwendung geeignet. Alle Systeme mit einem integrierten elektro-mechanischen Korrektursystem, die einen Ausgleich von mindestens einer vollständigen Rotation ermöglichen, weisen eine ungünstige kinematische und mechanische Struktur sowie das Fehlen von spielkompensierenden Komponenten. Insbesondere der Verzicht einer vorgespannten Lagerung führt in Kombination mit einer spielbehafteten Mechanik dazu, dass weder eine definierte Lage des Bildsensors garantiert werden kann, noch Fertigungstoleranzen, Setzerscheinungen und Abnutzung ausgeglichen werden können, was sowohl einen unruhigen Lauf, als auch zunehmende Unschärfe der aufgenommenen Bilder zur Folge hat. Darüber hinaus ist der äußerst begrenzte Bewegungsbereich der weitaus meisten Korrektursysteme auf den Einsatz von lokalen Spulen in Kombination mit Permanentmagneten, Piezoaktoren oder lokal bewegungsbegrenzter Lagerung zurückzuführen, so dass diese veröffentlichten Kamerasysteme mit Korrekturmechaniken keine vollständige Rotation ermöglichen. Die Verwendung von reibungsbehafteter und teilweise ungleichmäßiger Lagerung optischer Bauteile verstärkt diese Probleme durch die Neigung zu erhöhtem Verschleiß und zusätzlichem Spiel weiter. Nicht zuletzt verhindert der Mangel an Elementen, mit dem der Abstand vom Bildsensor zum abbildenden Linsensystem kalibriert und nachjustiert werden kann, insbesondere bei Systemen, die über ein Bajonett die Verwendung von Wechselobjektiven ermöglichen, die präzise Einstellung des Auflagemaßes und somit der Schärfe der aufgenommenen Bilder. Abschließend ist festzustellen, dass es aktuell kein miniaturisierbares Kamerasystem gibt, das eine Systemstruktur enthält, welche die flexible Kombination der internen Funktionsmodule ermöglicht, derart, dass so auf die geplante Verwendung und den gewünschten Funktionsumfang spezialisierte, abgestimmte und umbaubare Kamerasysteme erreicht werden können.

Aufgabenstellung

Die Erfindung befasst sich mit dem Problem, eine kompakte, modular konfigurier- und erweiterbare Vorrichtung zur Bildaufnahme, -stabilisierung und -korrektur zu schaffen.

Allgemeine Beschreibung der Erfindung

Während die Systemstruktur dabei durch eine flexible Kombination der internen Funktionseinheiten den Aufbau intelligenter, auf die jeweilige Anwendung und den gewünschten Funktionsumfang spezialisierter Beobachtungssysteme ermöglicht, sind die einzelnen Bedienfunktionen des Systems sowohl automatisch als auch manuell steuerbar. Dabei werden ebenso Mittel zur präzisen Korrektur von Verwackelungen und vollständigen Rotationen integriert wie eine präzise, zuverlässige und gesicherte Einstellbarkeit der technischen und geometrischen Parameter, wie z.B. dem Auflagemaß, und eine native Interoperabilität mit weitgehend beliebigen Objektiv- und Bildverarbeitungssystemen erreicht. Die systeminterne Adaption auf veränderte Einsatzbedingungen ist dabei durch ein Hinzufügen oder Verändern der Modulauswahl und -position im Gesamtsystem ebenso einfach durchführbar wie vorgesehen. Unter Vermeidung bzw. Reduktion der Nachteile bekannter Umsetzungen werden dabei im Folgenden verschiedene Ausführungen exemplarisch erläutert.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit einer Vorrichtung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere Ausgestaltungen ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 26.

Ausgehend davon ist die Vorrichtung dieser Erfindung als ein System aus spezialisierten Modulen ausgebildet, das zumindest eine Beobachtungstechnik aufnehmen kann, mindestens eine Steuerbaugruppe enthält und dessen funktionale Einheiten optional durch zumindest ein Stellorgan bewegt werden können.

Das Konzept der „automatischen“ Bedienmöglichkeit des Beobachtungssystems sieht vor, dass mittels des Ausgangssignals zumindest eines integrierten Sensors die Lage der bildaufnehmenden Einheit unmittelbar bedient bzw. gesteuert werden kann. Außerdem ist denkbar, dass entsprechende Zwischenglieder zur Positionierung und/oder Einstellung der Beobachtungtechnik an dieser weitere Stellmöglichkeiten eröffnen, die weitgehend unabhängig von der Einbaulage des Gesamtsystems ausführbar sind.

Dazu kann das Beobachtungsgerät in eine mit einem Stellorgan zusammenwirkende und um zumindest eine Achse drehbar gelagerte Baugruppe eingesetzt werden, so dass mindestens eine Schwenkbewegung von 360° möglich ist. Dieser Teil der zentralen Funktionseinheit sieht darüber hinaus eine auf engem Raum optimal kompakte Anordnung der funktionalen Einheiten zueinander vor, dessen Gesamtschwerpunkt vorzugsweise auf der mit der optischen Achse deckungsgleichen Bewegungsachse liegt.

Im Zusammenhang damit muss die vorgespannte Lagerung der mechanischen Funktionseinheiten als gleichermaßen wesentlich betrachtet werden, wodurch einerseits eine Einstellung des Abstandes von der bildgebenden Oberfläche der Beobachtungstechnik zur Objektivmontagefläche ermöglicht und andererseits eine hochpräzise spielfreie Lagerung erreicht wird. Eine zuverlässige automatische Kompensation von Ungenauigkeiten, Setzerscheinungen, Wärmedehnungen o. dgl. wird hierdurch ebenso wie eine Kongruenz der optischen Achsen von bildaufnehmender Einheit und Objektivanschlussflansch bzw. einer optionalen Bewegungsachse sichergestellt.

Zur weiteren Steigerung der Präzision und Abbildungsgenauigkeit ist vorgesehen, dass eine Funktionseinheit zur Kalibrierung des axialen Abstandes der Montageoberfläche des Objektivbajonetts zur bildgebenden Oberfläche der Beobachtungstechnik (sog. Auflagemaß) integrierbar ist. Die hierfür entscheidenden Funktionsflächen können dabei so ausgeführt sein, dass eine durch den Nutzer aufgeprägte Justagebewegung eine axiale Verstellung des sicher arretierbaren Abstandes der Objektivauflagefläche zur bildaufnehmenden Einheit induziert. Neben einer hochpräzisen Einstellung der Schärfe der aufgenommenen Bilder wird so außerdem der Ausgleich von Ungenauigkeiten externer optischer Abbildungssysteme ermöglicht.

Die zumindest bereichsweise gehäuseförmige Hüllstruktur der Vorrichtung ist dabei so ausgeführt, dass im Bereich der bildaufnehmenden Einheit der Beobachtungstechnik eine Augenöffnung - beispielsweise mit entsprechend anpassbarem Anschlussflansch - freigegeben ist, so dass ein Objektiv in Gebrauchslage fixiert werden kann und mit zumindest einem zugeordneten Steuersystem bedienbar ist, derart dass eine gleichermaßen vollautomatische wie manuelle Bedienung aller Stellorgane von ebenso motorisierten wie, in Kombination mit zusätzlich festlegbaren Stellmodulen, unmotorisierten Objektiven möglich ist. So kann sowohl eine minimale Baugröße erreicht werden, als auch gewährleistet werden, dass Objektive und Stellsysteme optimal zugänglich montiert und bedient werden und mit weiteren Baugruppen ideal zusammenwirken können ohne andere Funktionen zu beeinflussen.

Als praktisch wesentlich hat sich herausgestellt, dass neben der modularen, flexiblen Kombination von Funktionseinheiten und der permanenten Einstellbarkeit der geometrischen und technischen Parameter des Gesamtsystems zumindest das Beobachtungsgerät wahlweise mittels einer Stelleinheit so positioniert werden kann, dass unabhängig von der räumlichen Orientierung der Vorrichtung eine (vor)bestimmbare Lage zum Horizont erreichbar ist.

Diese Ausrichtung kann dabei durch mehrere Funktionseinheiten ausgeführt werden, so dass die gesamte, weitgehend automatisch erfolgende Stabilisierung aus superponierten, auf die zu korrigierende Bewegung spezialisierten Einzelkorrekturbewegungen besteht. Damit können sowohl große Bewegungen als auch Verwackelungen und Vibrationen von Bewegungsabläufen und Bedienaktionen - insbesondere in permanenter Beziehung zu einer vorbestimmten Lage und der optischen Achse - synchronisiert korrigiert und stabilisiert werden. Damit werden übliche Steady-Cam Systeme o. dgl. zur Korrektur von Bewegungen der Kamera abgelöst und durch ein automatisierbares integriertes System ersetzt.

Darüber hinaus ist denkbar, mit Hilfe eines weiteren Funktionsmoduls zusätzlich Verkippungen und/oder Deviationen zumindest zwischen den optischen Achsen der bildaufnehmendem Einheit und des Objektivanschlussflansches - beispielsweise aufgrund von Fertigungs- und/oder Montagetoleranzen, Vibrationen, einer Handbedienung usw... - systemweit synchronisiert zu korrigieren.

Es versteht sich, dass die Steuerbaugruppe auch mit einem aktivierbaren Steuerprogramm versehen sein kann, so dass sowohl zumindest die automatische Aufnahme einer Beobachtungssituation bedarfsgerecht zu- bzw. abgeschaltet werden kann, als auch Aufnahmeparameter - zumindest betreffend den Bildausschnitt, die Helligkeit und Bildschärfe - gesteuert und eingestellt werden können. Ebenso ist denkbar, dass aus einer externen Signalübertragung entsprechende Zusatzprogramme gestartet und damit zusätzliche Steuer- und Stellfunktionen im Bereich des Beobachtungssystems ausgelöst werden können.

Es versteht sich, dass die Vorrichtung optimal so dimensioniert ist, dass zusätzlich zu den vorbeschriebenen Bauteilen auch eine Stromversorgung - insbesondere eine Batterie oder ein Akku - in die Gehäusestruktur integrierbar ist oder die Vorrichtung außerdem an eine externe Stromversorgung angeschlossen werden kann. Ebenso ist hervorzuheben, dass alle zum Betrieb notwendigen Signalleitungen - beispielsweise über Steckverbinder oder drahtlos - jederzeit unabhängig von der aktuellen Lage und Orientierung der internen beweglichen Funktionseinheiten angesprochen werden können.

Für den Einsatz in rauen und insbesondere vibrationsbehafteten Umgebungen ist es darüber hinaus wesentlich, dass alle zentralen Bauteile einer Funktionseinheit konstruktiv gegen Lockern bzw. selbstständiges oder unbeabsichtigtes Verstellen gesichert sind und die Vorrichtung zumindest im Bereich der gehäuseförmigen Baugruppen und Steckverbinder ein derart abgedichtetes System bildet, dass zumindest das Eindringen von Wasser und Wasserdampf sowie Festkörpern in den Bereich der beweglichen und elektronischen Baugruppen sowie des optischen Strahlengangs auch unter hohem Außendruck sicher vermieden wird. Die zumindest bereichsweise geschlossene Form des Stützgehäuses ermöglicht außerdem die Montage weiterer Geräte sowie eine optimale Fixierung und räumlich unabhängig orientierte Montage der Vorrichtung an frei festlegbaren Strukturen durch beliebig positionierbare Trageinrichtungen.

Figurenliste

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, die verschiedene Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung veranschaulichen. Die Zeichnungen zeigen:

  • 1 ein Systemdiagramm,
  • 2 eine isometrische Vorderansicht des Gesamtsystems gemäß einer ersten Ausführung im Betriebszustand,
  • 3 eine isometrische Rückansicht des Gesamtsystems gemäß einer ersten Ausführung im Betriebszustand,
  • 4 eine Explosivdarstellung der Systemstruktur gemäß einer ersten Ausführung,
  • 5 eine Explosivdarstellung der zentralen Funktionseinheit gemäß einer ersten Ausführung,
  • 6 eine Explosivdarstellung des inneren Strukturmoduls mit Funktionssystem zur Korrektur von Schräglagen gemäß einer ersten Ausführung,
  • 7 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung des äußeren Strukturmoduls gemäß einer ersten Ausführung,
  • 8 eine isometrische Ansicht des Gesamtsystems gemäß einer ersten Ausführung im Betriebszustand mit partiell geschnittenen Funktionseinheiten und Moduldetails,
  • 9 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung der zentralen Funktionseinheit mit System zur Einstellung des Auflagemaßes gemäß einer ersten Ausführung,
  • 10 eine Explosivdarstellung einer alternativen Auswahl und Zusammensetzung von Funktionsmodulen zu einem neuen Beobachtungssystem ohne Korrektur von Schräglagen,
  • 11 eine isometrische Ansicht des alternativen Beobachtungssystems im Betriebszustand mit partiell geschnittenen Funktionseinheiten und Moduldetails,
  • 12 eine isometrische Vorderansicht des Gesamtsystems gemäß einer zweiten Ausführung im Betriebszustand,
  • 13 eine isometrische Rückansicht des Gesamtsystems gemäß einer zweiten Ausführung im Betriebszustand,
  • 14 eine Explosivdarstellung der Systemstruktur gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 15 eine Explosivdarstellung der zentralen Funktionseinheit gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 16 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung der zentralen Funktionseinheit gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 17 eine isometrische Ansicht des Gesamtsystems gemäß einer zweiten Ausführung im Betriebszustand mit partiell geschnittenen Funktionseinheiten und Moduldetails,
  • 18 eine Explosivdarstellung des Schnittstellenmoduls gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 19 eine Explosivdarstellung des äußeren Strukturmoduls gemäß einer zweiten Ausführung,
  • 20 eine Explosivdarstellung der Struktur eines möglichen Stellmoduls zur Steuerung eines Objektivs,
  • 21 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung des Stellmoduls zur Steuerung des Objektivs gemäß 20,
  • 22 eine Explosivdarstellung der Struktur eines Beleuchtungsmoduls,
  • 23 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung einer alternativen Ausführung des Gesamtsystems mit einer denkbaren alternativen Stelleinheit,
  • 24 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung der alternativen Stelleinheit gemäß 23,
  • 25 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung einer alternativen Lagerung, Vorspannung und Funktionseinheit zur Einstellung des Auflagemaßes im Betriebszustand
  • 26 eine isometrische partiell geschnittene Ausschnittsdarstellung einer alternativen Vorspannung gemäß 25,
  • 27 eine isometrische partiell geschnittene Ausschnittsdarstellung einer alternativen Funktionseinheit zur Einstellung Auflagemaßes gemäß 25,
  • 28 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung einer alternativen Funktionseinheit zur Einstellung Auflagemaßes im Betriebszustand,
  • 29 eine isometrische partiell geschnittene Detaildarstellung der alternativen Funktionseinheit zur Einstellung des Auflagemaßes gemäß 28,
  • 30 eine isometrische partiell geschnittene Darstellung einer angepassten Funktionseinheit zur Korrektur von hochfrequenten Verkippungen und Vibrationen im Betriebszustand,
  • 31 eine isometrische Detaildarstellung der angepassten Funktionseinheit zur Korrektur von Verkippungen und Vibrationen aus 30 und
  • 32 eine isometrische Darstellung eines denkbaren Einbaus in eine weitgehend beliebige Geometrie am Beispiel einer dünnwandigen Struktur.

Detaillierte Beschreibung der ErfindungErstes Ausführungsbeispiel

In Kombination mit der Funktionsstruktur gemäß 1 stellen die Perspektivdarstellungen entsprechend 2 und 3 eine mögliche erste Ausführung des Konzeptes der Erfindung in Form einer jeweils isometrischen Vorder- und Rückansicht des Gesamtsystems 1 dar.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht vor, dass das Gesamtsystem 1 nunmehr als eine mit Blick auf unterschiedliche Anwendungsfälle optimierbare Funktionseinheit ausgebildet ist. Diese funktionale Einheit weist dabei eine modulare Systemstruktur nach 4 auf, derart, dass ausgehend von einer zentralen Funktionseinheit 2 zumindest eine Beobachtungstechnik 3 festgelegt werden kann, welche von Modulen - wie beispielsweise zumindest einem inneren 4 und einem äußeren 5 - aufgenommen und durch eine gehäuseförmige Einheit 6 gegen äußere Einflüsse kapselbar ist. Diese Modulkombination ist außerdem so ausgebildet, dass die Beobachtungstechnik 3, bei in beliebiger Lage gehaltenem Gesamtsystem, auf eine jeweilige (vor-)bestimmbare - beispielsweise horizontale - Aufnahmeposition ausrichtbar ist. Als horizontale Referenzebene ist dabei die mit der Gravitationsrichtung G (2) kongruenten Flächennormalenrichtung, durch die jeweiligen Einheitsvektoren der Koordinatenachsen X und Z (2) aufgespannte, Ebene W heranzuziehen.

Die Explosivdarstellung gemäß 5 macht deutlich, dass eine weitere Aufteilung der zentralen Funktionseinheit 2 in weitere Module - wie zumindest die Beobachtungstechnik 3 und bedarfsweise zumindest eine Schnittstelle 7 - vorgesehen ist. Mittels eines von zumindest einem integrierten Sensor OS erzeugten Ausgangssignals kann, basierend auf der Erfassung der räumlichen Lage und Orientierung des Gesamtsystems 1, von zumindest einer Systemelektronik SE (1) ein allgemein mit 8 (6) bezeichnetes Stellorgan aktiviert, zur Bewegung interner Funktionseinheiten genutzt und so eine weitgehend automatische Bedienung ermöglicht werden.

Wie die Explosivdarstellung des Moduls 4 in 6 darstellt, ist vorgesehen, dass das auf eine an die aufzunehmende Beobachtungstechnik 3 anpassbare mechanisch vorspannbare Aufnahme 9 wirkende Stellorgan 8 im Bereich der inneren Struktur 10 festlegbar ist.

Über eine entsprechend vorteilhafte Kombination mit zumindest einem äußeren Modul 5 gemäß der partiell geschnittenen Darstellung in 7 kann erreicht werden, dass die Beobachtungstechnik 3 einerseits über zumindest eine mechanisch rigide Verbindung mit dem Stellorgan 8 zusammenwirkt und andererseits mit zumindest einer Druckfläche 95 der Schnittstelle 7 (5) über eine entsprechend konform ausgeführte Gegendruckfläche 96 eines Anschlags 11 und zumindest einem Lagerelement 12 gegen den Anschlussflansch 13 des zumindest teilweise umgebenden Moduls 5 vorgespannt und so in Form der zentralen Funktionseinheit 2 einen um zumindest die Z-Achse schwenkbaren, exakt zentrierten und spielfrei geführten Teil des Gesamtsystems bildet.

Das hieraus resultierende, sich im Betriebszustand befindende Gesamtsystem 1, ist in einer isometrischen partiell geschnittenen Ansicht in 8 dargestellt. Weitere wesentliche erfindungsgemäße Charakteristika sind zum Erreichen eines hochpräzisen und zuverlässigen Betriebs sowie der Aufnahme von optimalen Bilddaten vorgesehen und im Folgenden detailliert beschrieben.

Ausschlaggebend dabei ist neben zumindest der exakten Einstellbarkeit des Auflagemaßes die präzise und rigide Befestigung eines abbildenden optischen Systems - wie beispielsweise eines Objektivs - welches erfindungsgemäß an einer Montagefläche 97 im Bereich einer Augenöffnung 98 festgelegt werden kann. Die Form des Anschlussflansches 13 ist dazu als eine zumindest einteilige, die zentrale Funktionseinheit 2 teilweise umgebende Hüllstruktur vorgesehen, derart, dass eine durch eine vorteilig ausgeführte Kontaktfläche 99 ideale koaxiale Führung und Befestigung mit zumindest gehäuseförmigen Strukturmodulen - wie beispielsweise dem inneren Modul 4 - erreicht werden kann. Es versteht sich, dass die Ausgestaltung des Anschlussflansches 13 an unterschiedliche bildtechnische Systeme und/oder Objektive anpassbar ist.

Es ist vorgesehen, dass die zentrale Funktionseinheit 2 gemäß 5 über eine vorteilhaft ausgeführte Kontaktfläche 100 der Schnittstelle 7 in einer entsprechend ausgeprägten Gegenfläche 101 (6) eines Trägers 14 der mechanischen Aufnahme 9 ebenso präzise zentriert wie passgenau geführt aufnehmbar ist. Eine sichere und spielfreie Übertragung der vom Stellorgan 8 ausgeführten Korrekturbewegung auf die bildaufnehmende Einheit 15 der Beobachtungstechnik 3 wird dabei über eine mit einer der Kontaktfläche 102 eines definiert festlegbaren Führungselements 16 zusammenwirkenden, weitgehend konform ausgeführten Gleitfläche 103 (6) des Trägers 14, erreicht. Gleichzeitig wird eine sichere und gegen Fehlkontaktierung geschützte Verbindung der an der Beobachtungstechnik 3 über entsprechende Steckverbinder 17 (5) ausgebbaren Signalleitungen mit entsprechend konform ausgeführten und positionierten Kontaktelementen C1 bzw. C2 der mechanischen Aufnahme 9 zur weiteren Ein- bzw. Ausgabe hergestellt. Dabei ist ebenso denkbar, die Verbindung der Signalleitungen drahtlos aufzubauen.

Zusätzlich ist die von einem Federelement 18 induzierte Vorspannung FV (6) zwischen der gehäuseartigen inneren Struktur 10 und der entsprechend der Druckfläche 95 weitgehend konform ausgeführten Gegendruckfläche 96 der zumindest teilweise umgebenden Strukturen als ebenso wesentlich im Hinblick auf eine präzise und spielfrei korrigierende Stellbewegung anzusehen. Dabei ist vorgesehen, diese Vorspannung einerseits von dem Träger 14 über ein Stellorgan 8 auf die eine zumindest gehäuseartige Struktur 10 und andererseits über eine Druckfläche 104 des elektro-mechanischen Adapters 19 und eine entsprechend ausgeführte Druckfläche 105 (5) der Schnittstelle 7 auf die Gegendruckfläche 96 des Anschlags 11 derart aufzubauen, dass die resultierende Einheit aus zumindest der mechanischen Aufnahme 9 und einem Anschlag 11 einen ebenso präzise einstellbaren wie gegen Verstellen sicher fixierten und spielfrei gelagerten, um zumindest die Z-Achse schwenkbaren Teil des Gesamtsystems bildet, (variabler Schwenkwinkel, gemäß Pfeil RS, 6).

Durch die mit einem vorzugsweise elektro-mechanischen Bauteil SR zur rotatorischen Signalübertragung zusammenwirkende Antriebsfläche 106 des Trägers 14 kann zudem einerseits erreicht werden, dass sämtliche Ein- und Ausgangssignale auch bei einem Schwenkwinkel RS von insbesondere mehr als ±360° uneingeschränkt abruf- und bedienbar sind und andererseits sich die bildgebende Oberfläche 107 der bildaufnehmenden Einheit 15 (8), unabhängig von Umgebungstemperatur, Fertigungstoleranzen oder äußeren Einflüssen zu jeder Zeit in einem präzise einstellbaren konstanten Abstand AM zur Objektiv-Montagefläche 97 befindet.

Die partiell geschnittene perspektivische Darstellung nach 9 verdeutlicht, dass die Beobachtungstechnik 3 erfindungsgemäß mit zumindest einer Funktionseinheit ABF zur Einstellung dieses Abstandes AM versehen werden kann, derart, dass die bildgebende Oberfläche 107 des auf zumindest einer der Objektiv-Montagefläche 97 zugewandten Seite eine starren Platinenelements PS befindlichen bildaufnehmenden Einheit 15 relativ zu weiteren starren Bereichen P1 bis PN eines vorderen Platinenpakets PX und der mechanischen Basis 20 bewegt werden kann. Auf diese Weise können sowohl die Vorteile einer singulären gefalteten Systemplatine mit flexiblen Verbindungen F1 bis FN und starren Bereichen P1 bis PN ausgenutzt, als auch eine universelle mechanische Einstellbarkeit des Auflagemaßes AM erreicht werden.

Dabei ist vorgesehen das gefaltete Platinenpaket PX vorteilhaft mit wärmeleitenden Distanzelementen 21 in einer zumindest teilweise umgebenden Hüllgeometrie 22 präzise orientiert zu führen und mittels einer Druckplatte 23 sicher zu einer rigiden Beobachtungseinheit VU festzulegen, dessen mit der optischen Achse OA der bildaufnehmenden Einheit 15 exakt kongruenten Führungs- bzw. Bewegungsachse Z über entsprechend ausgeführte Führungsflächen 108 zumindest mit der mechanischen Basis 20 vorteilhaft zusammenwirkt. Die Befestigung von optischen Elementen 24 - wie beispielsweise Filtern - ist ebenso vorgesehen wie eine sichere gegen schädliche Knickung geschützte Arretierung 109 zumindest einer flexiblen Verbindung F2 des Platinenpakets PX mit hinteren Elementen FN, PN der gefalteten Systemplatine SP.

Erfindungsgemäß ist beabsichtigt, dass eine vom Benutzer eingebrachte - beispielsweise rotatorische - Justagebewegung RA mittels der Funktionseinheit ABF in eine translatorische Verschiebung ZA der Beobachtungseinheit VU transformiert wird und somit eine Kalibrierung des Auflagemaßes AM erreicht werden kann. Dabei ist denkbar, die funktionale Einheit aus in definiertem Abstand kraft- und/oder formschlüssig wirkenden Stellelementen - beispielsweise basierend auf einer Verzahnung - auszuführen, derart, dass eine Zahngeometrie 110 eine mit der vom Benutzer auf den über eine entsprechend ausgeführte Öffnung 111 freigegebenen Manipulator 25 aufgeprägten mit der Achse XA koaxialen Rotation RA des über Lagerelemente 26 gehaltenen Antriebselementes 27 auf eine weitgehend konform ausgeführte Gegenzahngeometrie 112 der in der mechanischen Basis 20 gelagerten Stelleinheit 28 übertragen wird und mittels einer weiteren kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung - wie beispielsweise eines Gewindes 113 - auf die Druckplatte 23 der Beobachtungseinheit VU wirkt und so eine Verschiebung der bildgebenden Oberfläche 107 auf der optischen Achse OA induziert. Hierbei ist ebenso denkbar, die Justagebewegung RA über einen in das Antriebselement 27 integrierten Motor auszuführen und sowohl eine automatisierbare als auch vorteilhafte Steuerung in schlecht zugänglichen Einbausituationen zu ermöglichen.

Neben einer Einschränkung der Bewegungsfreiheit der Beobachtungseinheit VU auf zumindest eine Translation in Z-Richtung, beispielsweise durch einen räumlich parallelen Versatz E der Bewegungsachse ZV des Gewindes 113 relativ zur Z-Achse, ist die durch das Federelement 29 mit der Kraft FV vorgespannte Lagerung der Druckplatte 23 über die Stelleinheit 28 gegen einen entsprechend ausgeführten Anschlag 114 der mechanischen Basis 20 zur Kompensation von Toleranzen, Vibrationen, Wärmedehnungen o. dgl. als ebenso wesentlich vorgesehen.

Zur Fixierung des eingestellten Abstandes AM ist vorgesehen, die kraft- und/oder formschlüssige Verbindung des Antriebselements 27 und der Stelleinheit 28 vorteilhaft derart auszuführen, dass zumindest eine inhärente Selbsthemmung erreicht wird. Darüber hinaus kann eine zusätzliche Arretierung der Funktionseinheit ABF über eine entsprechende geometrische Ausprägung erreicht werden, die in der einfachsten Ausführung eine geschlitzte die freigebende Öffnung 111 zumindest teilweise konform berührende Form 115 aufweist, welche durch das Eintreiben eines Sicherungselementes 30 aufgeweitet wird und somit radial blockierende Kräfte FB auf die als Gegendruckfläche wirkende Öffnung 111 ausübt.

Im Rahmen der erfindungsgemäßen modularen Systemstruktur ist zudem als wesentlich vorgesehen, die Beobachtungstechnik 3 zur Integration in das Gesamtsystem mit der Schnittstelle 7 rigide zu einer zentralen Funktionseinheit 2 zu verbinden, wie in der Explosivdarstellung gemäß 5 dargestellt. Hierzu ist denkbar, dass die Schnittstelle 7 zumindest eine entsprechend der als Führungs- und Montagefläche ausgeführte äußeren Kontur 116 bis 118 der Basis 20 weitgehend konform umgebende Geometrie 119 bzw. 120 (5 bzw. 8) aufweist, die sowohl zur Unterstützung der mechanischen Führung und Justagebewegung der Beobachtungseinheit VU auf der optischen Achse OA dient, als auch eine präzise ausgerichtete und zentrierte Montage ermöglicht.

Darüber hinaus ist vorgesehen, dass im Bereich der äußeren Wandung der Schnittstelle 7 zumindest eine Funktionsfläche 121 festgelegt werden kann, die mit Hilfe eines entsprechenden Sicherungselements - wie beispielsweise einer Schraube (nicht dargestellt) - über eine Öffnung 122 (8) zur bedarfsweisen permanenten Arretierung gegen umgebende Strukturen verwendet werden kann.

Dabei ist denkbar die funktionalen Eigenschaften der Schnittstelle 7 durch entsprechende inhärente Gestaltcharakteristika der äußeren Geometrie der Beobachtungstechnik 3 und / oder weiterer zumindest teilweise umgebender Hüllstrukturen und -module zu substituieren, so dass die Beobachtungstechnik ohne zusätzliche Adapter- oder Schnittstellenelemente sowohl vorteilhaft geführt aufnehmbar als auch spielfrei und rigide mit zumindest einem schwenkbaren durch ein Stellorgan 8 angetriebenen Teil des Gesamtsystems festlegbar ist.

Es versteht sich, dass die Funktionseinheit ABF frei wählbar positioniert auf zumindest jeden starren Bereich PS bis PN weitgehend beliebig gefalteter Platinenpakete wirken und somit durch eine systemweite Integrierbarkeit die maximale Flexibilität und Modularität in der Gestaltung des Gesamtsystems erreicht werden kann. Darüber hinaus ist ebenso verständlich, dass die Funktionseinheit ABF auch bei Ausführungen zumindest elektronischer Systemkomponenten ohne flexible Verbindungen F1 bis FN optimal integrier- und einsetzbar ist.

Im Hinblick auf die funktionale Optimierbarkeit des Gesamtsystems auf jeweilige unterschiedliche Anwendungsfälle ist erfindungsgemäß außerdem vorgesehen, dass die Beobachtungstechnik 3 auch ohne (elektro-)mechanische Korrektureinheit zur Stabilisierung des Bildausschnittes und -orientierung eingesetzt und mit zumindest einem adaptierbaren Schnittstellenelement 31 zur Montage eines optischen Abbildungsgeräts und zumindest einer äußeren Hüllstruktur 32 zu einem Beobachtungssystem 33 gemäß der Darstellung in 10 festgelegt werden kann.

Dabei ist vorgesehen, dass das Schnittstellenelement 31 analog über eine entsprechend der äußeren Führungs- und Montageflächen 116 bis 118 weitgehend konform umgebend ausgeführten inneren Geometrie 123 verfügt, die sowohl eine präzise ausgerichtete und zentrierte Montage im Bereich der Basis 20, als auch die mechanische Führung und justierende Verschiebung ZA der Beobachtungseinheit VU auf der optischen Achse OA ermöglicht.

Es versteht sich, dass bedingt durch eine in das Gesamtsystem strukturtief integrierte und zumindest an unterschiedliche bildtechnische Systeme und Objektive anpassbare Ausführung des Schnittstellenelements 31 eine sichere und leicht durchführbare Adaption des Beobachtungssystems an jeweilige Anwendungen ermöglicht wird. Erfindungsgemäß ist dabei vorgesehen, das Objektiv an einer Montagefläche 124 im Bereich einer Augenöffnung 125 zuverlässig festzulegen.

Wenngleich die Kombination eines adaptierbaren Schnittstellenelements 31 mit der Beobachtungstechnik 3 bereits ein System mit vollem Funktionsumfang eines Beobachtungsgerätes beschreibt, kann über die Festlegung einer weitgehend beliebigen Hüllstruktur 32 ein bedarfsweise zusätzlicher Schutz des Gesamtsystems gegen äußere Einflüsse erreicht werden. Dazu ist vorgesehen, dass insbesondere zumindest die innere Geometrie 126 der Hüllstruktur 32 derart ausgeführt ist, dass sowohl die Führungs- und Montageflächen 116 bis 118 als auch die äußere Form 127 des Schnittstellenelements 31 zumindest gleichsinnig koaxial ausgerichtet und zentriert sind und so eine zusätzliche Optimierung der Rigidität und Führungsprazision erreicht wird. Darüber hinaus kann hierdurch ein zusätzlicher Schutz des durch eine entsprechend ausgeführte Öffnung 128 freigegebenen Manipulators 25 des Antriebselements 27 zur Kalibrierung des Auflagemaßes AM vor unbeabsichtigter Verstellung erreicht werden.

Das hieraus resultierende, sich im Betriebszustand befindende Beobachtungssystem 33, ist in einer isometrischen partiell geschnittenen Ansicht in 11 dargestellt. Als wesentlich hervorzuheben ist, dass durch die dargestellte Kombination von Modulen eine weitgehend beliebige Anpassbarkeit, bei gleichzeitiger Wahrung des vollen Funktionsumfangs, ermöglicht wird.

Der Aufbau der zumindest mechanischen Strukturen im gehäuseförmigen Bereich ist zusätzlich derart ausgeführt, dass einerseits zur Befestigung des Gesamtsystems an einem Trägersystem in einer weitgehend beliebigen Orientierung und andererseits zur Verbindung externer Bauteile, Geräte, Sensoren o. dgl. Anbauteile beispielsweise Montagegeometrien 129 vorgesehen sind. Denkbar ist außerdem, dass diese alternativ als Bajonett, Gewinde- oder Steckfläche ausgeführt werden können. Eine Montage des Gesamtsystems an einem Trägersystem in beliebiger Orientierung kann außerdem über an der äußeren Hüllgeometrie 130 bzw. 131 kraft- und/oder formschlüssig angreifenden Tragelemente (nicht dargestellt) erreicht werden.

Zweites Ausführungsbeispiel

In Kombination mit der Funktionsstruktur gemäß 1 stellen die beiden isometrischen Perspektivdarstellungen entsprechend 12 und 13 eine mögliche weitere Ausführung des Konzeptes der Erfindung in Form einer jeweils isometrischen Vorder- und Rückansicht des Gesamtsystems 1' dar.

Die Umsetzung ist hierbei ebenso als eine mit Blick auf unterschiedliche Anwendungsfälle optimierbare Funktionseinheit vorgesehen, welche ebenfalls eine flexible Systemstruktur gemäß 14 aufweist, derart, dass ausgehend von einer zentralen Funktionseinheit 34 einerseits zumindest eine Beobachtungstechnik 3' mit einer bildaufnehmenden Einheit 15' festgelegt werden kann und andererseits diese Einheit mit zumindest einem äußeren Strukturmodul 35 und zumindest einer Schnittstelleneinheit 36 kombiniert werden kann. Diese Funktionseinheit ist außerdem so ausgebildet, dass die bildaufnehmende Einheit 15', bei in beliebiger Lage gehaltenem Gesamtsystem, auf eine jeweilige horizontale Aufnahmeposition ausrichtbar ist. Als horizontale Referenzebene ist ebenfalls die, mit der Gravitationsrichtung G (12) kongruenten Flächennormalenrichtung, durch die jeweiligen Einheitsvektoren der Koordinatenachsen X und Z aufgespannten Ebene W heranzuziehen.

Die Explosivdarstellung gemäß 15 macht deutlich, dass zum effektiven Einsatz der Beobachtungstechnik 3' eine weitere Aufteilung der zentralen Funktionseinheit 34 in weitere Module vorgesehen ist, so dass eine weitgehend automatische Bedienung zumindest im Bereich einer Steuereinheit 37 möglich ist. In einfachster Ausführung ist dabei denkbar, dass dazu ein Sensor OS zur Erfassung der räumlichen Lage und Orientierung des Gesamtsystems integrierbar ist. Mittels eines von diesem Sensor erzeugten Ausgangssignals kann von zumindest einer Systemelektronik SE (1) ein allgemein mit 38 bezeichnetes Stellorgan aktiviert und zur Bedienung der Baugruppen im Bereich der zentralen Funktionseinheit 34 genutzt werden. Darüber hinaus ist vorgesehen, dass die bildaufnehmende Einheit 15' der Beobachtungstechnik vorteilhaft im Bereich einer Kopfbaugruppe 39 festlegbar ist, welche einerseits über zumindest eine rigide Verbindung mit dem Stellorgan 38 zusammenwirkt und andererseits über zumindest eine vorgespannte und spielfreie mechanische Einheit MU präzise gelagert ist. Damit wird deutlich, dass zumindest die Kopfbaugruppe 39 insgesamt einen um zumindest die Z-Achse schwenkbaren Teil der zentralen Funktionseinheit 34 bildet (variabler Schwenkwinkel, gemäß Pfeil RS', 15). Der Schwenkwinkel RS' kann dabei ebenso insbesondere mehr als ±360° betragen.

Zur Gewährleistung eines hochpräzisen und zuverlässigen Betriebs sowie der effektiven Aufnahme von optimalen Bilddaten werden erfindungsgemäße Charakteristika vorgesehen, dessen zumindest grundlegende Ausführungen in 17 in einem partiell geschnittenen und sich im Betriebszustand befindenden Gesamtsystem 1' dargestellt sind und im Folgenden detailliert beschrieben werden.

Gemäß 16 ist der Aufbau der Kopfbaugruppe 39 so vorgesehen, dass die bildaufnehmende Einheit 15' mittels einer zu einer Basisplatte 40 weitgehend konformen Gegenplatte 41 exakt festgelegt werden kann, derart, dass die Flächennormale der bildgebenden Oberfläche 107' im Zentrum 132 (optische Achse OA‘) koaxial mit dem Einheitsvektor der Achse Z ist. Zur Adaption an spezifische Anwendungsszenarien kann im optischen Strahlengang vor dem Auftreffen auf die bildgebende Oberfläche 107' zumindest ein weitgehend beliebiges optisches Element 42 festgelegt werden. Zum Schutz des Gesamtsystems 1' gegen äußere Einflüsse im Allgemeinen und der zentralen Funktionseinheit 34 gegen Verunreinigung im Speziellen ist zumindest ein Dichtelement 43 festlegbar, welches gegen eine entsprechende Kontaktfläche 133 einer zumindest bereichsweise umgebenden äußeren Struktur 44 (17 bzw. 19) wirkt und in Form und Funktion derart ausgeführt sein kann, das bei voller Dichtwirkung alle Funktionen des Gesamtsystems unbeeinträchtigt bleiben.

Zur Gewährleistung einer optimalen Abbildungsqualität der aufgenommenen Bilder ist eine vorteilhafte Kombination funktionaler Einheiten vorgesehen, so dass unter Anderem der Abstand und die Orientierung der bildgebenden Oberfläche 107' zur Montagefläche des abbildenden optischen Systems - wie beispielsweise eines Objektivs - exakt eingestellt und eingehalten werden kann. Erfindungsgemäß kann dieses Objektiv im Bereich einer Augenöffnung 134 freigegeben und an einer entsprechend zugeordneten Montagefläche 135 festgelegt werden. Die Form der äußeren Struktur 44 ist außerdem als eine, die zentrale Funktionseinheit 34 zumindest bereichsweise umgebende Hüllstruktur denkbar, derart, dass neben einer durch eine vorteilig ausgeführte Lauffläche 136 (17) erreichbare koaxiale Führung und Lagerung der internen vorgespannten mechanischen Einheit MU mit der optischen Achse OA‘ eine Anpassbarkeit an unterschiedliche bildtechnische Systeme und/oder Objektive ermöglicht wird.

Außerdem ist vorgesehen, dass im Bereich eines gegen eine entsprechend ausgeführte Kontaktfläche 137 (15) vorteilhaft geführtes Lagerelement 45 zumindest ein Fixierungselement 46 festlegbar ist, dessen äußere Fläche 138 einerseits durch Führung in einer entsprechend geformten Gegenfläche 139 (17) zumindest der äußeren Struktur 44 die Bewegungsfreiheit auf eine Translation in Z-Richtung reduziert und sowohl die Anfälligkeit gegen Vibrationen verringert als auch die Lebensdauer erhöht werden kann.

Für die Gestaltung eines vibration- und spielkompensierenden intelligenten mechanischen Aufbaus ist gemäß 15 eine vorgespannte Lagerung ebenso wesentlich, wobei, ausgehend von der Steuereinheit 37, im Allgemeinen in den Bereichen der vorgesehenen Lagerelemente 47 und 48 einerseits die kompakte Kopfbaugruppe 39 und andererseits das Stellorgan 38 über eine vorzugsweise mit einem elektro-mechanischen Bauteil SR (1) zur rotatorischen Signalübertragung zusammenwirkende Antriebsfläche 140 verbunden und gelagert werden können, derart, dass zumindest die Bewegungsachse der resultierenden zentralen Funktionseinheit 34 kongruent mit der optischen Achse Z ist und so beliebig viele Umdrehungen ausführbar sind. Die Vorspannung wird dazu gemäß 15 ausgehend von einem Federelement 49 über vorteilhaft geführte Elemente 45 und 50 auf einen Manipulator 51 ( 16) induziert.

Die im Bereich des Stators 52 (17 bzw. 15) festlegbare Anschlagselement 53 ist dabei so ausgeführt, dass sowohl ein Lagerelement 48 aufgenommen werden kann, als auch die in Form der Fläche 141 dargestellte geometrische Ausprägung als Gegendruckfläche, für das die Vorspannung FV‘ induzierende Federelement 49 dient. Außerdem ist vorgesehen, dass das Anschlagselement 53 spielfrei und rigide mit umgebenden gehäuseförmigen Strukturen verbunden werden und beispielsweise über ein geführtes Element 50 der Betrag der Vorspannung eingestellt werden kann.

Die partiell geschnittene perspektivische Darstellung nach 16 und 17 verdeutlicht, dass zur Einstellung des Abstandes AM‘ erfindungsgemäß eine Funktionseinheit ABF‘ vorgesehen ist, derart, dass unter Wirkung der Vorspannung FV‘ eine vom Benutzer eingebrachte Justagebewegung - beispielsweise eine Rotation RA‘ - des Manipulators 51 über eine Druckfläche 142 jeweils zumindest radial senkrecht zur optischen Achse gerichtete Bewegungen von Stellelementen 54 - beispielsweise Kugeln - induziert, die über eine Kontaktfläche 143 einer axial präzise beweglich geführten Stützstruktur 55 auf eine entsprechend ausgeführte Gegenfläche 144 einer rigide zumindest mit der bildaufnehmenden Einheit 15' verbundenen Trägereinheit 56 wirken und basierend auf einer zumindest kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung - beispielsweise in Form einer Gewindeverbindung 145 - des Manipulators 51 mit der Stützstruktur 55 in eine vom Lagerelement 48 ausgehende Translation der bildgebenden Oberfläche 107' in Richtung ZA‘ relativ zur Objektivmontagefläche 135 transformiert werden und somit das Auflagemaß AM‘ präzise eingestellt werden kann.

Zur Unterstützung einer optimalen Funktion ist zusätzlich vorgesehen, dass die relativ zueinander beweglichen Bauteile 55 und 56 dabei sowohl über eine entsprechende Führungsfläche 146 als auch zumindest eine auf die in Z-Richtung beschränkte axiale Führung 147 einer geometrischen Ausprägung - beispielsweise in Form eines Führungszapfens 148 der Trägereinheit 56 - die in einer weitgehend konformen Nut 149 der beweglichen Stützstruktur 55 geführt wird, zusammenwirken. Eine Einstellung und/oder Beschränkung des Stellweges ist über die Festlegung eines Endanschlagselementes 57 denkbar.

Der strukturelle Aufbau des Gesamtsystems ermöglicht es außerdem, die Funktionseinheit ABF‘ systemintern weitgehend beliebig positioniert festzulegen, beispielsweise in einem Bereich vom zumindest bereichsweise umgebenden äußeren Strukturmodul 35, derart, dass ein zusätzlicher Schutz vor äußeren Einflüssen, Blockaden oder unerwünschter Verstellung erreicht werden kann. Auf diese Weise wird zusätzlich die maximale Flexibilität und Modularität in der Gestaltung des Gesamtsystems sichergestellt.

Darüber hinaus ist denkbar, dass der Manipulator 51 Funktionsflächen 150 aufweist, die durch entsprechende Öffnungen 151a und 151b der umgebenden Bauteile freigegeben werden und ggfs. mit Hilfe entsprechender Bedienwerkzeuge (nicht dargestellt) eine Rotation des Manipulators 51 ermöglichen. Über eine entsprechende geometrische Gestaltung 152 kann eine Fixierung des eingestellten Abstandes AM‘ erreicht werden, die in der einfachsten Ausführung eine die Führungsfläche 146 zumindest teilweise umgebende Form aufweist, welche durch das Anziehen eines Sicherungselementes 58 zusammengezogen wird und somit eine blockierende Wirkung auf die Führungsfläche 146 ausübt.

Ebenso denkbar ist, dass im Bereich der Funktionseinheit ABF‘ zumindest eine Funktionsfläche 153 ausgeprägt ist, die einerseits während der rotatorischen Einstellbewegung des Manipulators 51 zur Fixierung der Trägereinheit 56 über eine Öffnung 154 gegen die äußere zumindest bereichsweise umgebende Struktur 44 vorgesehen ist und andererseits ebenso zur bedarfsweisen permanenten Arretierung der mechanischen Einheit genutzt werden kann.

Der Aufbau der Schnittstelleneinheit 36 ist gemäß 18 so ausgeführt, dass im Bereich einer Basis 59 zumindest weitgehend beliebige, in vorteilhafter Ausführung jedoch jeweils gegen äußere Einflüsse und Medien geschützte, festlegbare Schnittstellen 60 Signale und Informationen der intern und extern angeschlossenen Funktionseinheiten des Gesamtsystems zur Weiterverarbeitung mit zusätzlichen Geräten sowohl ausgegeben als auch Benutzerbefehle eingegeben werden können. Die Basis 59 weist dabei außerdem eine entsprechende Form 155 auf, mit der eine rigide kraft- und/oder formschlüssige Verbindung mit umgebenden Strukturen bzw. Funktionseinheiten hergestellt werden kann.

Es versteht sich, dass zum Schutz des Gesamtsystems vor äußeren Einflüssen und Medien zumindest im Bereich der gehäuseförmigen Baugruppen ebenso einerseits gegen entsprechend konforme Nuten 156 und 157 (18 bzw. 19) und andererseits gegen Kontaktflächen zumindest eines gegen äußere Einwirkungen schützenden und austauschbaren Hüllelements 61 wirkende Dichtelemente 62 vorgesehen sind.

Der Aufbau der zumindest mechanischen Strukturen im gehäuseförmigen Bereich ist zusätzlich derart ausgeführt, dass einerseits zur Befestigung des Gesamtsystems an einem Trägersystem in einer weitgehend beliebigen Orientierung und andererseits zur Verbindung externer Bauteile, Geräte, Sensoren o. dgl. Anbauteile neben den in den Ansichten gemäß 18 und 19 dargestellten Befestigungsstellen 158 und 159 sowohl über jeweilige allgemein mit 160 und 161 bezeichnete Funktionsflächen als auch an der äußeren Hüllgeometrie 162 kraft- und/oder formschlüssig angreifende Tragelemente (nicht dargestellt) vorgesehen sind. Denkbar ist außerdem, dass diese Montageflächen alternativ als Bajonett, Gewinde- oder Steckfläche ausgeführt werden. Zur optimalen Befestigung der Tragelemente bzw. bedarfsweisen Sicherung gegen Verdrehen kann das Hüllelement61 über zumindest entsprechende Verriegelungselemente - beispielsweise Kugeln 63 - befestigt werden.

Zum Schutz der als Montageflächen verwendbaren Funktionsflächen 160 und 161 einerseits und andererseits der Fixierung zumindest des Hüllelementes 61 sind die zumindest teilweise abdeckenden Elemente 64 bzw. 65 (18 bzw. 19) vorgesehen.

Im Hinblick auf die funktionale Optimierbarkeit des Gesamtsystems auf jeweilige unterschiedliche Anwendungsfälle ist erfindungsgemäß analog zum ersten Ausführungsbeispiel vorgesehen, dass sinngemäß beliebige Funktionseinheiten auch ohne (elektro-)mechanische Korrektureinheit zur Stabilisierung des Bildausschnitts und- orientierung kombiniert und alternativ mit zumindest einem Element zur Montage eines optischen Abbildungsgeräts und zumindest einer äußeren Hüllstruktur zu einem Beobachtungsgerät (analog zu 10) verbunden werden können.

Weitere für beide Ausführungsbeispiele erfindungsgemäß gleichermaßen adaptier- bzw. anwendbare Charakteristika sind im Folgenden anhand des zweiten Ausführungsbeispiels detailliert beschrieben.

Gemäß der Explosivdarstellung in 20 ist ersichtlich, dass es denkbar ist, die äußere Hüllgeometrie der gehäuseförmigen Elemente bzw. Einheiten mit zumindest einer Funktionsfläche 160 zu versehen, der die Montage weitgehend beliebiger zusätzlicher Module zugeordnet werden kann. Durch Festlegung entsprechender Dichtelemente 66 kann ein vollständiger Schutz des mit einem externen Modul erweiterten Gesamtsystems gegen äußere Einflüsse erreicht werden.

Aus der Explosivdarstellung gemäß 20 ist außerdem eine denkbare Erweiterung mit einem Modul zur Steuerung zumindest der Stellsysteme eines weitgehend beliebigen Objektivs 67 ersichtlich. Dazu ist vorgesehen den Aufbau des Moduls als eine ein an der Montagefläche 135 befestigtes Objektiv 67 zumindest teilweise umgebende und gegen unerwünschte Verstellung abgeschirmte Funktionseinheit 68 auszubilden, welche im Bereich der Funktionsfläche 160 festgelegt werden kann.

Die zumindest teilweise umgebende gehäuseartige Hüllgeometrie 69 der in 21 dargestellten Funktionseinheit 68 kann dabei im Wesentlichen so ausgeführt werden, dass zumindest jeweils eine den objektivseitigen Einheiten zur Einstellung der Aufnahmeparameter - insbesondere zum Steuern des Bildausschnittes ZC und zur Regulierung der Bildschärfe SC - entsprechend zugeordnete über zumindest ein Adapterelement 70 bzw. 71 auf ein korrelierendes Steuerorgan des Objektivs wirkende und zumindest gegen einen Bereich der gehäuseartigen Hüllgeometrie 69 gelagerte Stelleinheit 72 bzw. 73 festgelegt werden kann. Dazu ist denkbar die umgebende Hüllgeometrie 69 als eine sich während des Betriebs der Steuerorgane ZC und SC in Größe und Gestalt dem verwendeten Objektiv 67 automatisch anpassende Funktionseinheit auszubilden, so dass sowohl Objektive mit statischer als auch dynamischer äußerer Hüllgeometrie - beispielsweise auf Basis einer Innen- bzw. Außenfokussierung - betrieben werden können.

Zusätzlich ist denkbar, die Adapterelemente 70 und 71 einerseits als auf die geometrische Ausprägung der äußeren Wirkflächen 163 bzw. 164 der objektivseitigen Steuerorgane ZC bzw. SC zumindest in äußerer Form anpassbare Funktionselemente auszuführen und andererseits, bei einer mechanisch inhärent nutzbar ausgeprägten Oberfläche der äußeren Wirkflächen 163 und 164 - wie beispielsweise einer Verzahnung - eine Steuerung über eine entsprechend ausgeführte Gegenzahngeometrie der jeweiligen korrelierenden Stelleinheit 72 bzw. 73 direkt aufzuprägen. Zum zusätzlichen Schutz des Objektivs kann in einfachster Ausführung ein optisches Element 75 festgelegt werden.

Analog sind zusätzliche Stellorgane, wie beispielsweise ein der objektivseitigen Einheit IC zur Steuerung der Apertur bzw. Helligkeit zugeordnetes Stellorgan 74, denkbar. Es ist vorgesehen, über entsprechende Öffnungen 165 (20) neben den Stelleinheiten 72 bis 74 und weitgehend beliebigen in das Objektiv 67 integrierten Funktionseinheiten auch zusätzliche extern montierte Bauelemente zumindest an die Systemelektronik SE (1) anschließen und steuern zu können.

Die Explosivdarstellung gemäß 22 verdeutlicht, dass ebenso denkbar ist, in dem zu beobachtenden Objekt zugewandten Bereich der äußeren gehäuseartigen Hüllgeometrie eine das Objektiv zumindest bereichsweise umgebende Funktionseinheit LM zur Beleuchtung an einer entsprechenden weitgehend konformen Gegenfläche 166 einer Trägereinheit 76 festzulegen, derart, dass einerseits ein zumindest gegen äußere Einflüsse geschütztes Gesamtsystem erreicht wird und andererseits zumindest über eine vorgesehene Verbindung (nicht dargestellt) mit der Systemelektronik SE (1) sowohl die Intensität und Farbe als auch die Art der Beleuchtung zumindest eines Leuchtelements 77 einstellbar ist und eine optimale Ausleuchtung des aufzunehmenden Objektes erreicht wird, so dass zusätzliche (teilweise komplexe) Beleuchtungssysteme ersetzt werden können. Darüber hinaus kann so eine Beleuchtung von Anwendungsumgebungen erreicht werden, in denen aktuelle Beleuchtungssysteme - beispielsweise aus Platzgründen - nicht eingesetzt werden können.

Das erfindungsgemäße Konzept sieht zur Informationsverarbeitung und/oder -übertragung nach 1 zumindest eine entsprechende Systemelektronik SE vor, welche im Wesentlichen als eine die internen und externen Systemkomponenten steuernde Funktionseinheit ausgeführt sein kann, wobei insbesondere mindestens Steuereinheiten AI, AF, AZ und AL zur jeweiligen Steuerung eines Stellorgans der Bildhelligkeit, der Bildschärfe, des Bildausschnitts und eines Beleuchtungsmoduls vorgesehen sind und zusätzlich zumindest ein in das System integriertes Steuerprogramm aktivierbar ist.

Dabei ist außerdem vorgesehen nach der Montage eines weitgehend beliebigen Objektivs eine automatische Initialisierung bzw. Abfrage und Erkennung der mechanischen und elektronischen Parameter durchzuführen. Im Rahmen dessen ist, neben einer manuellen Eingabe des Stellbereichs, insbesondere zumindest eine automatische Bestimmung der den Bewegungsbereich begrenzenden Endanschläge des jeweiligen Blendenantriebs vorgesehen, derart dass die Stelleinheit des Objektivs zur Blendenöffnung von einer entsprechend zugeordneten Funktionseinheit automatisiert bewegt wird bis der durch die synchronisiert aufgezeichneten Positionen der mechanischen Endanschläge bestimmte Stellbereich ermittelt ist. Zur Gewährleistung einer zuverlässigen und präzisen Bestimmung des Stellbereichs ist außerdem denkbar zusätzlich den zumindest sensorbasiert gemessenen Helligkeitswert, beispielsweise von der bildaufnehmenden Einheit 15 bzw. 15', bei der Bestimmung der Endanschläge zu berücksichtigen, derart, dass im einfachsten Fall Endanschläge jeweils durch das Minimum (erste auftretende Stellposition ohne Lichteinfall bzw. Sensormessung) und das Maximum (erste auftretende Stellposition mit maximaler Helligkeit) des Helligkeitswertes festgelegt werden können. Eine exakte Zuordnung von Blendenwert bzw. mechanischer Stellposition zur Blendenöffnung ist damit unter Verwendung des jeweils bekannten Aperturbereiches präzise berechen- bzw. interpolierbar. Neben einer vorteilhaften manuellen Einstellung eines exakten Aperturwertes kann, in Kombination mit einer automatisierbaren Steuerung der elektronischen Bildparameter, eine präzise automatische Steuerung weitgehend beliebiger Objektive im Allgemeinen und zumindest der Blendenöffnung im Besonderen erreicht werden. Analog ist dieses Verfahren für alle weiteren Stellorgane eines montierten Objektivs vorgesehen.

Es ist vorgesehen, dass einerseits die zentrale Systemelektronik SE aus mehreren einzelnen unabhängig von den in 1 dargestellten Modulgrenzen beliebig im gesamten Systembereich festlegbaren Funktionseinheiten aufgebaut werden kann und andererseits die Einheit SR zur zumindest rotatorischen Verbindung der zentralen Steuereinheit SE mit mindestens einem Schnittstellenmodul ebenso unabhängig von den dargestellten Modulgrenzen beliebig im gesamten Systembereich festgelegt werden kann.

Es ist insbesondere denkbar, dass auf diese Weise eine intelligente Kommunikation mit weiteren Systemen erreicht werden kann. Unter Berücksichtigung der zuvor beschriebenen vorteilhaft einstellbaren und skalierbaren mechanischen und systematischen Ausführung des Gesamtsystems kann - beispielsweise durch eine Synchronisation mit zumindest einem weiteren (Kamera-) System ein Multikamerasystem erreicht werden, derart, dass beispielsweise eine aus zwei in einem zumindest stufenlos einstellbaren Abstand zueinander positionierten Gesamtsystemen ausgebildete Funktionseinheit erreicht werden kann, die in der Lage ist, intelligente, der realen Wahrnehmung äußerst präzise entsprechende dreidimensionale Aufnahmen zu machen. Infolge der systeminhärenten flexiblen Skalierbarkeit kann außerdem über ebenso eine zumindest geometrische Vergrößerung wie auch Verkleinerung des Gesamtsystems der minimal und maximal erreichbare Abstand der einzelnen synchronisierten (Kamera-) Systeme verringert bzw. vergrößert werden.

Außerdem kann zumindest ein im Bereich der zentralen Funktionseinheit vorgesehenes zusätzliches Speicherteil IFD und/oder ein bedarfsweise austauschbares Speicherteil EFD zur Aufzeichnung und späteren Auswertung von Aufnahmen genutzt werden.

Auf diese Weise wird erreicht, dass das Gesamtsystem sowohl nahtlos in bestehende Systeme integriert werden kann als auch mit weitgehend beliebigen Geräten erweitert und gesteuert werden kann. Außerdem ist vorgesehen, dass beispielweise mittels ausgegebener sensorbasierter Steuersignale ASX, ASY für zusätzliche auf die X- und Y-Achse wirkende Aktoren entsprechende Stellorgane verbunden und aktiviert werden können, derart, dass eine vollständige Orientierungskorrektur des Bildsensors und des Gesamtsystems im dreidimensionalen Raum erreicht werden kann.

Es versteht sich, dass die nicht näher dargestellten Bauteile einer Stromversorgung für die Steuerung des Systems vorgesehen sind. Insbesondere ist dabei die Anwendung von Batterien oder Akkus vorgesehen. Ebenso ist denkbar, dass das Gesamtsystem an eine externe Stromversorgung anschließbar ist.

Alternative Ausführungen

Neben den zuvor beschriebenen Stellorganen sind alternative Funktionseinheiten zum Antrieb bzw. der Steuerung der zumindest beweglich gelagerten Baugruppen denkbar, dessen Aufbau als ein die anzutreibende Baugruppe zumindest teilweise umgebendes, auf der Z-Achse weitgehend beliebig festlegbares, Systemmodul ausgebildet sein kann. Neben einer (elektro-) magnetisch aufgeprägten Bewegung ist hierbei insbesondere die vorteilhafte Ausnutzung des sog. piezoelektrischen Wirkprinzips denkbar.

Während der Detailausbruch der perspektivischen Ansicht des Gesamtsystems 1' gemäß 23 hierzu eine mögliche alternative Stelleinheit 78 beschreibt, verdeutlicht 24 einen denkbaren detaillierten Aufbau dessen basierend auf einer intelligenten synchronisierten Anregung der in die Funktionseinheit 79 integrierbaren piezoelektrischen Aktorelemente um eine auf dem Umfang wandernde Wellenform zu erzeugen, welche über die vom Federelement 80 wirkende Vorspannung FVD eine Rotationsbewegung RSX auf das Rotorelement 81 überträgt, das mittels eines Lagerelements 48b gegen eine äußere Geometrie 82 beweglich gelagert ist und über eine entsprechend ausgeführte Funktionsfläche 167 mit der zentralen Funktionseinheit 34 verbunden werden kann. Auf diese Weise kann eine optimale Leistungsdichte bei minimalem räumlichem Platzbedarf und gleichzeitig eine exakt steuerbare und wartungsfreie Stellbewegung erreicht werden.

Zur weiteren Optimierung der mechanischen Struktur ist außerdem denkbar, dass sowohl die Vorspannung als auch das zuvor mit 49 bzw. 18 bezeichnete induzierende Federelement durch den in 23 bzw. 24 dargestellten funktionalen Aufbau ersetzt werden kann, derart, dass mit der zur Übertragung der Rotationsbewegung RSX aufgeprägten Vorspannung FVD ein ebenso spielfreies Gesamtsystem, bei gleichzeitiger signifikanter Reduktion der mechanischen Komplexität, erreicht werden kann.

Vor dem Hintergrund einer möglichen anderweitigen Umsetzung des äußeren Strukturmoduls 35b ist in perspektivischer Darstellung gemäß 25 sowohl die alternative Ausführung einer Funktionseinheit ABF2 zur Einstellung des Abstandes der Objektivmontagefläche 135b zur bildgebenden Oberfläche 107' der bildaufnehmenden Einheit 15' als auch ein möglicher weiterer mechanisch vorgespannter Aufbau ersichtlich.

Bezugnehmend auf die perspektivische Darstellung nach 25 und die in 26 gezeigte Detailansicht einer weiteren denkbaren Ausgestaltung eines Lagerbereichs kann die Baugruppe 34b als eine im Allgemeinen eine auf einer entsprechenden Funktionsfläche 168 vorteilhaft geführten und über ein Federelement 80b zwischen zumindest zwei Lagerelementen 47b bzw. 48b vorgespannten rigiden sowohl zumindest eine Beobachtungstechnik als auch Systemelektronik aufnehmende zentrale Funktionseinheit ausgeführt werden.

Eine Objektivmontageeinheit 83 kann dazu gemäß der Detailansicht in 27 über eine Anschlussfläche 169 mit einer zumindest bereichsweise gehäuseartig umgebenden Struktur 44b kraft- und/oder formschlüssig verbunden und axial verstellt werden, wobei über eine als Zentrierung und Führung gestaltete Funktionsfläche 170 das Auflagemaß AM‘ (25) präzise justiert werden kann.

Zum Schutz vor unbeabsichtigter Verstellung der bildgebenden Oberfläche 107' ist vorgesehen ein die Objektivmontageeinheit 83 zumindest teilweise umgebendes Stellelement 84 über eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 171 gegen eine entsprechend ausgeführte Druckfläche 172 der äußeren Struktur 44b zu verspannen. Eine zusätzliche Sicherung der Funktionseinheit ABF2 vor unbeabsichtigter Dejustage oder Beschädigung kann über ein das Stellelement 84 zumindest teilweise umgebendes gegen zumindest eine Kontaktfläche 173 wirkendes Hüllelement 85 erreicht werden, das über eine entsprechend ausgeführte Wirkfläche 174 kraft- und oder formschlüssig und zumindest ein Dichtelement 86 gegen äußere Einflüsse und Medien gesichert verbunden werden kann. Es versteht sich, dass neben der dargestellten Verschraubung auch hier alternative Ausführungen denkbar sind.

Die Ausführung einer weiteren alternativen Funktionseinheit ABF3 zum Einstellen des Abstandes der Objektivmontagefläche 135c zur bildgebenden Oberfläche 107' ist in der perspektivischen Darstellung nach 28 und einer vergrößerten Detailansicht gemäß 29 verdeutlicht. Durch die Ausbildung einer Führungsfläche 175 zumindest im Bereich der bildaufnehmenden Einheit 15' und des Stellelements 87 kann hierbei einerseits eine vorteilhafte Zentrierung und Führung der die bildaufnehmende Einheit 15' aufnehmenden, spielfrei gelagerten und mit der zumindest die Beobachtungstechnik versehenen zentralen Funktionseinheit 34c zusammenwirkenden Basisplatte 88 erreicht werden. Neben einem minimalen Platzbedarf ist andererseits nun eine präzise Einstellung des Auflagemaßes AM‘ über das Stellelement 87 möglich, derart, dass unter Wirkung der eingebrachten Vorspannung FVC, eine in Z-Richtung induzierte Verschiebung der Druckfläche 176 eine Abstandsänderung der bildgebenden Oberfläche 107' relativ zur Objektivmontagefläche 135c zur Folge hat. Dabei ist vorgesehen, dass die Ausführung des Stellelements 87 zumindest eine einstellbare kraft- und/oder formschlüssige Verbindung 177 - beispielsweise in Form einer Gewindeverbindung - im Bereich der Basisplatte 88 ermöglicht, so dass eine Transformation einer vom Benutzer in Richtung RA“ eingebrachten Rotation des Stellelements 87 in eine Translation der Druckfläche 176 in Z-Richtung relativ zur Objektivmontagefläche 135c erreicht werden kann.

Ausgehend von einer Festlegung der Funktionseinheit ABF3 in der von zumindest bereichsweise umgebenden Struktur 44c zum zusätzlichen Schutz vor äußeren Einflüssen, Blockaden oder unerwünschter Verstellung kann dazu über durch eine entsprechende Öffnung 178 freigegebene Funktionsflächen 179 mit Hilfe entsprechender Bedienwerkzeuge (nicht dargestellt) eine Rotation des Stellelements 87 ermöglicht werden.

Zur sicheren Fixierung und dem Schutz der eingestellten Position des Stellelements 87 ist zumindest ein entsprechend ausgeführtes Klemmelement 89 vorgesehen, das beispielsweise über eine kraft- und/oder formschlüssige Verbindung in das Stellelement 87 eingetrieben werden kann, derart, dass mit den hieraus resultierenden auf entsprechend ausgeführte Kontaktflächen 180 bzw. 181 wirkende im Allgemeinen mit FD bezeichnete Kräfte eine steuerbare Blockade der kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung zwischen Basisplatte 88 und Stellelement 87 erreicht wird. Die Gestaltung ist dabei vorteilhaft so ausgeführt, dass einerseits eine die Sicherung unterstützende Selbsthemmung des Klemmelements 89 erreicht wird und andererseits keine funktionsbeeinflussende plastische Verformung im Verbindungsbereich des Stellorgans auftritt.

Der in 30 dargestellte Systemaufbau verdeutlicht einen in Betriebslage eingebauten alternativen Aufbau der zentralen Funktionseinheit 34d, welcher die Funktionseinheiten sowohl zur Einstellung des Auflagemaßes AM‘ als auch der Kompensation von Vibrationen und Verkippungen der bildaufnehmenden Einheit 15' relativ zur Objektivmontagefläche 135d ersetzt und in einer Funktionseinheit TCS vereint.

In der perspektivischen Darstellung der zentralen Funktionseinheit 34d gemäß 31 wird ein auf einer parallelkinematischen Mechanik basierender Aufbau ersichtlich, wodurch insbesondere eine gleichermaßen hochpräzise dreidimensionale Rotation der bildaufnehmenden Einheit 15' um das Zentrum 132' der bildgebenden Oberfläche 107' wie auch eine Translation TT relativ zur Objektivmontagefläche 135d (30) ermöglicht wird. Mit zumindest einer im Bereich der Basis 90 der die bildgebende Oberfläche 107' enthaltenden Kopfbaugruppe 39d und an einem mit der gehäuseartigen Basisstruktur 91 der zentralen Funktionseinheit 34d rigide zusammenwirkenden mechanischen Abstützung 92 angreifenden und über ein Lagerelement 47c vorteilhaft gelagerten, in Form von zumindest über axiale Längenänderung auf jeweiligen Bewegungsachsen HZ wirkenden Stellelemente 93 kann eine funktionale Einheit zur weitgehend beliebigen Manipulation der räumlichen Orientierung der bildaufnehmenden Einheit 15' erreicht werden.

Die Stellelemente 93 sind dabei so zueinander angeordnet und gelagert, dass die beschriebene dreidimensionale Bewegung der Kopfbaugruppe 39d die von Sensoren DS überwachten relativen Differenzen der Abstände zur Referenzebene 182 (30) zueinander minimiert werden bzw. im exakt korrigierten Zustand gleich Null sind und so hochfrequente Verkippungen zuverlässig kompensiert werden können. Dabei versteht sich, dass eine vorteilhafte Integration der zentralen Funktionseinheit 34d in das Gesamtsystem sowohl über die in 30 dargestellte Ausführung als auch eine der zuvor beschriebenen Umsetzungen denkbar ist.

Die exakte Einstellung des Auflagemaßes AM‘ (30) wird hierbei über eine, aus weitgehend gleichmäßiger und vorteilhaft synchronisierter Aktivierung der Stellelemente 93, resultierende Translation TT der bildgebenden Oberfläche 107' erreicht. In vorteilhafter Ausführung ist dazu ebenfalls denkbar, dass zum Erreichen sowohl einer optimalen Positionierungsgenauigkeit als auch Steuergeschwindigkeit entsprechende Aktoren - beispielsweise auf Basis der Ausnutzung des piezoelektrischen Effektes - Verwendung finden. Mit der in 31 dargestellten zumindest die Basisstruktur 91 umgebenden Positionierung der Stellelemente 93 kann überdies eine optimale Ausnutzung des Bauraums erreicht werden. Ebenfalls ist denkbar, dass die Verbindung - beispielsweise zumindest über Kardangelenke 94 gemäß 31 - der jeweiligen Stellelemente 93 im Bereich der Basis 90 bzw. der mechanischen Abstützung 92 auch in vorteilhafter spielfreier Gestaltung durch Festkörpergelenke ausführbar ist.

Wenngleich die äußere Systemgeometrie zuvor im Allgemeinen als zylindrische Form dargestellt und beschrieben wurde, versteht es sich, dass ebenso andere weitgehend frei wählbare äußere Geometrien denkbar sind. So kann eine Adaption an beliebige Strukturen ermöglicht und das Gesamtsystem für einen Einbau in weitere Funktionseinheiten, Module oder Systeme erreicht werden, wie exemplarisch in 32 am Beispiel des Einbaus einer denkbaren Umsetzung des ersten Ausführungsbeispiels in eine zumindest dünnwandige weitgehend beliebige Haltegeometrie WD dargestellt ist.

Dazu ist vorgesehen, die Haltegeometrie WD, analog zur Kombination mit einem Schnittstellenelement 31 gemäß 10, mit einer entsprechend der äußeren Führungs- und Montageflächen 116 bis 118 weitgehend konform umgebend ausgeführten inneren Kontaktfläche, welche zumindest im Allgemeinen einer vorteilhaft einfachen Geometrie 119' entspricht, vorbereitet wird, derart, dass sowohl eine präzise ausgerichtete und zentrierte Montage ermöglicht als auch die mechanische Führung und Justage der Beobachtungseinheit VU auf der jeweiligen optischen Achse OA ermöglicht wird. Erfindungsgemäß ist dazu denkbar, die Funktionseinheit ABF zur Umsetzung der gewünschten Justagebewegung, sowohl über einen weitgehend beliebig ausgestalteten Zugang 183 anzusteuern, als auch über einen in das Antriebselement 27 integrierten Antrieb zugangslos durchzuführen. Abbildungssysteme - wie beispielsweise ein Objektiv - können sicher an einer entsprechend ausgeführten Montagefläche 124' - beispielsweise einer äußeren Wandungsgeometrie - im Bereich einer Augenöffnung 125' zuverlässig festgelegt werden. Bedingt durch die erfindungsgemäße systeminhärente Skalierbarkeit der Funktionseinheiten können so, unter Gewährleistung maximaler Flexibilität und Modularität, hierbei weitgehend beliebige Kombinationen funktionaler Einheiten mit einer gegen äußere Einflüsse geschützten hohen Packungsdichte P integriert werden.

Neben der Bewegungserzeugung auf Basis eines (elektro-) magnetischen oder piezoelektrischen Wirkprinzips sind weitere Aktoren - beispielsweise fluid- oder druckluftgetriebene und konventionelle (wellen-) bzw. getriebebasierte (Schritt-)Motoren - ebenso denkbar wie eine Erweiterung weitgehend beliebiger funktionaler Einheiten zur Bewegungserzeugung mit entsprechenden elektronischen und/oder mechanischen Funktionseinheiten (z.B. Encoder) zur exakten Reproduktion von Stellbewegungen und/oder dem sicheren Anfahren von diskreten (gespeicherten) Positionen und Orientierungen. Zusätzlich ist denkbar, dass mit Hilfe einer Referenzsensorik - beispielsweise über einen zusätzlichen Sensor XS (1) zum Orientierungssensor OS - die Steuerungspräzision der jeweils korrelierenden Aktorik steigerbar ist.

Es versteht sich, dass zum Aufbau einer vorgespannten Mechanik neben den beschriebenen Ausführungen sowohl alternative Federelemente wie beispielsweise Spiralfedern, Wellenfedern, Tellerfedern, Festkörperfedern oder Wasser-, Luft- und Öldruckaktivierte o.dgl. Vorspannung induzierende Funktionseinheiten - als auch Lagerungselemente - wie beispielsweise Wälzlager, magnetische Lager, Festkörperlagerungen o.dgl. Lager - denkbar sind.

Außerdem ist denkbar die funktionseinheit- und modulgrenzenübergreifenden (rotatorischen) Signalleitungen sowohl des Gesamtsystems nach Außen als auch alternativ zur beschriebenen internen Übertragung mittels beschriebenem Bauteil SR (1) entsprechend berührungslos, optisch, magnetisch oder funkgestützt - beispielsweise über eine entsprechende Funktionseinheit WI - auszuführen.

Ebenso versteht es sich, dass ein neben der vollständig gegen äußere Einflüsse und Medien geschützter Systemaufbau sowohl elastomer- bzw. polymerbasiert als auch über metallische Dichtflächen erreicht werden kann. Entsprechende Dichtelemente können dabei ebenso mehrteilig ausgeführt sein. Darüber hinaus ist, z.B. zur Gewichtsreduktion, denkbar das Gesamtsystem zumindest bereichsweise ohne Dichtelemente auszuführen und die mechanische Struktur hierzu als eine rigide zumindest die innenliegenden Module und Funktionselemente teilweise umgebende Einheit vorzusehen. Insbesondere kann dabei die äußere Struktur beispielsweise sowohl die Steuerorgane eines angeschlossenen Objektivs über entsprechend ausgeführte Öffnungen freigeben und so eine manuelle Bedienung derer ermöglichen als auch einen Schutz der umgebenden Funktionselemente und Module vor äußeren Einflüssen und ungewollter Verstellung gewährleisten.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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