CH651927A5

CH651927A5 - Vorrichtung zur detektierung von infraroter strahlung.

Info

Publication number: CH651927A5
Application number: CH2739/81A
Authority: CH
Inventors: Iain Alexander Neil; Gordon Hall Mclean; Peter John Berry
Original assignee: Barr & Stroud Ltd
Priority date: 1980-04-26
Filing date: 1981-04-27
Publication date: 1985-10-15
Also published as: NO156428C; NO811401L; SE451037B; NL8102039A; IT8167559A0; NO156428B; US4383173A; BE888546A; IT1144188B; DE3116247A1; FR2481450B1; DE3116247C2; IN154209B; SE8102604L; FR2481450A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Detektierung von infraroter Strahlung mit einem Infrarotdetektor-Element, welches Teil eines Detektors bildet und einen kalten Schutzschild umfasst und mit einem optischen System zur Abbildung von infraroter Strahlung von einem Gesichtsfeld auf eine reelle Bildoberfläche, welche in Abstand vom Detektor-Element angeordnet ist und das Bild von der Oberfläche auf das Detektor-Element überträgt.

Das Erscheinen von Vorwärts-Infrarotsystemen (FLIR) von hoher Wirksamkeit und afokaler Teleskope mit hoher Wirksamkeit, welche sich zur Verwendung mit den FLIR-Systemen eignen, führte zu einer Nachfrage nach Verfahren, um die optische Fadenkreuzinformation zu beleuchten, welche bei einem reellen Bild innerhalb eines kompletten optischen Systems injiziert wurde. Anwendungen der FLIR-Systeme, welche diese Eigenschaften erfordern, sind z. B. ein optisches Visier für einen Tank, wo eine Kanonenzielmarke, typischerweise in der Form eines geöffneten oder geschlossenen Kreuzes, oder ein Kanonen-ausrichtungs-Referenzsystem, typischerweise in der Form von Referenzmarkierungen um den Rand des Feldes, jede dem Szenenbild überlagert sind.

Es sind verschiedene Arten von Fadenkreuzbeleuchtungen vorgeschlagen worden. Die praktischen Anforderungen für ein passives Verfahren drängten insofern eine Einschränkung auf, dass keine elektrisch geheizten Drahtelemente und keine mechanisch bewegbaren Komponenten vorhanden sein dürfen.

Entsprechend der vorliegenden Erfindung weist ein Fadenkreuz Markierungen auf, welche vom Detektor ausgesandte infrarote Strahlung reflektieren, wobei das Fadenkreuz auf der Bildfläche angeordnet ist, wobei die Fadenkreuzmarkierungen auf das Detektor-Element überlagert mit der Infrarotstrahlung vom Gesichtsfeld abgebildet werden.

Da die Fadenkreuzmarkierungsbeleuchtung gemäss der vorliegenden Erfindung passiv ist und bei einer reellen Bildoberfläche nur die Einführung eines passenden Substrates erforderlich ist, auf welchem die Fadenkreuzmarkierungen angefertigt sein können, ist sie optisch und mechanisch einfach. Die Detektorstrahlung ist relativ kalt in bezug auf die typische Strahlung von der Szene, so dass fast immer ein Kontrast zwischen der überlagerten Szene und dem Fadenkreuzmarkierungsbild bestehen wird und da es leicht ist, die erforderliche Radiometrie für die Reflexion von einer Fadenkreuzmarkierung irgendwo innerhalb des Gesichtsfeldes an einem reellen Bild vorzusehen, wird die Injizierung jeder beliebigen Zahl von Fadenkreuzmarkierungen leicht ermöglicht. Das Substrat, welches die Fadenkreuzmarkierungen trägt, kann ein optisches Element mit positiver-, negativer- oder Null-Leistung oder eine chemisch geriefte Komponente sein. Die Fadenkreuzmarkierungen, welche auf dem Substrat angebracht werden können oder einen Teil des Substrates bilden, werden vorzugsweise aus einem Material zusammengesetzt, das einen annehmbaren Reflexionsgrad gewährleistet. Idealerweise sollte die für die Injektion der Fadenkreuzmarkierungen ausgewählte reelle Bildfläche nahezu eine beugungsbegrenzte optische Ausführung aufweisen. Abhängig von der Grösse und der Form der Fadenkreuzmarkierungen kann ein gewisser Qualitätsverlust der optischen Ausführung toleriert werden. Unter gewissen Bedingungen der thermischen Szene können Kontrastverluste zwischen der Szene und den Fadenkreuzbildern auftreten. Bei einem Verfahren, um dieses Problem auszumerzen, werden die Fadenkreuzmarkierungen aus zwei oder mehr Materialien gefertigt, welche verschiedene Reflexionseigenschaften aufweisen. Um Defokussierungs-Effekte zu minimalisieren, welche durch Änderungen in der Umgebungstemperatur auftreten, werden die Fadenkreuzmarkierungen in der reellen Bildfläche angeordnet, welche unempfindlich auf mässige Umgebungstemperaturänderungen ist.

Abhängig von der Ausbildung des optischen Systems kann eine Mehrzahl von reellen Bildflächen existieren, in welche Fadenkreuze eingesetzt werden können. Wenn das optische System ein Teleskop und einen Scanner umfasst und zwei reelle Bildflächen ausgebildet sind, so kann ein Fadenkreuz bei jeder Bildfläche eingefügt werden, wobei zusätzlich nützliche Markierungen, die dem Szenenbild überlagert sind, ein Mittel zur Identifizierung von relativen Versetzungen des Teleskops und des Scanners bilden.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnungen näher beschrieben.

Wie in der Zeichnung gezeigt, wird ein optisches System 10 durch ein FLIR-System 11 und ein Teleskopsystem 12 gebildet. Das FLIR-System 11 umfasst ein Detektorelement 13A, welches Teil eines Detektors 13 bildet, der auf einer Temperatur von ungefähr 77° K durch füssige Luft gekühlt wird, eine Öffnungsblende 14, im allgemeinen bekannt als Kaltschild, welcher auf einer ähnlichen Temperatur (z. B. 80°K) wie der Detektor 13 befindlich ist und ein Abtastsystem 15, welches über ein gegebe2

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nes Gesichtsfeld Strahlung von einer Pupille 0 aufnimmt und abgetastete Bilder am Detektorelement 13a vorsieht, um ein zweidimensionales Bild zu erzeugen. Das Teleskop 12 ist vom afokalen Refraktor-Typ und bildet intern ein reelles Bild I und eine Austrittspupille 0 von in das Teleskop von Objektraum O eintretender Strahlung. Das Teleskop 12 umfasst eine Okularlinse 16 und eine Objektivlinse 17 und bildet ein reelles Bild I, welches auf der Fläche 19 liegt. Die Fadenkreuzmarkierung 20 liegt in der Form einer Chromablagerung vor, welche in der brechenden Fläche 19 liegt und durch eine planparallele Platte 18 getragen wird. Das optische System 10 ist zur Verwendung im Infrarotgebiet mit der Wellenlänge von 8 bis 13 um bestimmt. Da nur die mit Chrom beschichtete Fadenkreuzmarkierung 20 die vom Detektor 13 ausgesandte Strahlung wesentlich reflektiert und weil diese reflektierte Strahlung ein reelles Bild am Detektorelement 13A bildet, wird ein «narcissus»-Bild der gekühlten Komponenten des Detektors 13 (inklusive das Detektorelement 13A umgebende Substrat und die Blendenöffnung 14) gebildet, dessen Form durch die Form der chrombeschichteten Fadenkreuzmarkierung 20 bestimmt ist. Da die vom Objektraum O ausgesandte Strahlung durch die Öffnungsfläche an der reellen Bildfläche I durchtritt, welche nicht chrombeschichtet ist, sieht das Detektorelement 13 A ein überlagerndes Bild der Szene im Objektraum O und der Fadenkreuzmarkierung 20 vor.

Der thermische Kontrast zwischen den überlagerten Bildern wird durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Fadenkreuzbild und dem Szenenbild beim Detektorelement 13A gebildet, wobei das Fadenkreuzbild durch Strahlung gebildet wird, welche vom Detektor 13 herrührt und welche relativ kalt im Vergleich zur Strahlung ist, welche im Objektraum O gebildet wird und das Szenenbild bildet.

Bei diesem Beispiel wird der Detektor 13 auf eine Temperatur von ungefähr 77°K gekühlt, währenddem die Szene ein Objekt enthält, welches Strahlung typischerweise innerhalb des Temperaturbereiches von 230 bis 340°K aussendet. Die planparallele 5 Platte 18 ist aus Zinkselenidmaterial zusammengesetzt, welches niedrige Materialinhomogenitäten aufweist und nicht signifikant die gesamte optische Ausführung des optischen Systems 10 verschlechtert.

In diesem Beispiel ist die Oberfläche 19 eben, wobei sie jedoch 10 für eine andere Form eines Teleskopes 12 gekrümmt sein und mit einer Brechungsfläche der Okularlinse 16 zusammenfallen könnte, wobei in jedem Fall die Fadenkreuzmarkierung 20 auf einem Substrat mit optischer Leistung gestützt werden könnte. Das Substrat muss nicht aus optisch durchlässigem Material 15 bestehen, so könnte z. B. die Markierung 20 durch eine gewebeähnliche (chemisch gerieft) Struktur gestützt werden. Das Substrat oder die Stützstruktur kann das Gesichtsfeld in der Bildebene I ausfüllen oder nicht, und die Markierung 20 muss nicht axial angeordnet sondern könnte ringförmig ausgebildet sein und 20 das Gesichtsfeld peripher begrenzen. Die Markierung 20 könnte auch über, unter oder zwischen irgend einer Zahl von Antirefle-xionsbeschichtungen über dem Netzsubstrat angeordnet sein.

Zum Zwecke, die Ausrichtung oder Versetzung zwischen dem Teleskop 12 und dem Abtastgerät 15 zu bestimmen, könnte ein weiteres Fadenkreuz im Scanner 15 bei einem darin gebildeten reellen Bild eingefügt werden und ein Vergleich des Passens oder Nichtpassens, der auf den zwei Fadenkreuzen enthaltenen Information, könnte beim Detektorelement gemacht werden. Natürlich könnte jedes Fadenkreuz selbst durch ein Übereinanderlie-gen von verschiedenen Markierungen, die alle in der einen Bildfläche I angeordnet sind, gebildet werden.

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1 Blatt Zeichnungen

Claims

651 927 PATENTANSPRÜCHE

1. Vorrichtung zur Detektierung von infraroter Strahlung mit einem Infrarotdetektor-Element, welches Teil eines Detektors bildet und einen kalten Schutzschild umfasst und mit einem optischen System zur Abbildung von infraroter Strahlung von einem Gesichtsfeld auf eine reelle Bildoberfläche, welche in Abstand vom Detektor-Element angeordnet ist und das Bild von der Oberfläche auf das Detektor-Element überträgt, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fadenkreuz (20) Markierungen aufweist, welche vom Detektor (13) ausgesandte infrarote Strahlung reflektieren und das Fadenkreuz auf der Bildoberfläche (19) angeordnet ist, wobei die Fadenkreuzmarkierungen auf das Detektor-Element (13A) überlagert mit der Infrarotstrahlung vom Gesichtsfeld (0) abgebildet werden.

2. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenkreuz (20) auf einem Substrat (18) angeordnet ist, welches ein optisches Element des optischen Systems (10) ist.

3. Vorrichtung nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Substrat (18) eine plane Oberfläche (19) aufweist, welche das Fadenkreuz (20) enthält.

4. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenkreuz (20) chemisch auf das Substrat (18) gerieft ist.

5. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System (10) mit einer beugungsbegrenzten optischen Ausführung an der Bildoberfläche (19), an welcher das Fadenkreuz (20) angeordnet ist, versehen ist.

6. Vorrichtung nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fadenkreuz aus einer Mehrzahl von Materialien hergestellt ist, welche beträchtlich verschiedene Reflexionseigenschaften aufweisen, um einen Fadenkreuzkontrast mit dem Gesichtsfeld über einen grossen Bereich von thermischen Bedingungen zu schaffen.

7. Vorrichtung nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das optische System die Gesichtsfeldstrahlung auf eine zweite reelle Bildoberfläche abbildet und dass ein zweites Fadenkreuz (20) vorgesehen ist, welches Markierungen aufweist, die die vom Detektor (13) ausgesandte infrarote Strahlung reflektieren, wobei das Fadenkreuz an der zweiten reellen Bildoberfläche (19) angeordnet ist und die Markierungen des zweiten Fadenkreuzes (20) auf das Detektor-Element (13 A) abgebildet werden, um eine Versetzung der Komponenten innerhalb des optischen Systems (10), entsprechend der relativen Lage der zwei Fadenkreuzmarkierungen (20), wie sie durch das Detektor-Element (13A) detektiert werden, überwacht wird.