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Die
Erfindung betrifft eine Vorsatzvorrichtung für ein optisches Gerät mit Bildsensor,
insbesondere Nachtsichtgerät.
Ferner betrifft die Erfindung ein Nachtsichtgerät mit einem Objektiv und einem
Bildverstärker.
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Vorsatzvorrichtungen
für optische
Geräte sind
in unterschiedlichen Ausgestaltungen in Form von Vorsatzlinsen,
Vorsatzfiltern etc. bekannt. Für optische
Geräte
mit Bildsensor, insbesondere Nachtsichtgeräte ist die nachfolgend beschriebene
Vorsatzvorrichtung bestimmt.
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Nachtsichtgeräte wie z.
B. Nachtsichtbrillen, Zielbrillen und Zielfernrohre werden insbesondere
in der Dunkelheit verwendet, um Ziele auch bei schlechten Sichtverhältnissen
erfassen zu können. Derartige
Nachtsichtgeräte
bestehen im wesentlichen aus einem Objektiv, das das aufgenommene bzw.
betrachtete Bild zu einer Bildverstärkerröhre überträgt, einer Bildverstärkerröhre, in
der die schwachen Lichtsignale in ein elektrisches Signal umgewandelt,
verstärkt
und wieder in ein Bild konvertiert werden, und einem Okular, das
das verstärkte
Bild von der Bildverstärkerröhre zum
Auge des Benutzers des Nachtsichtgerätes übermittelt.
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Ferner
findet ein Kollimatoreffekt statt, was bedeutet, dass das Objektiv
in Art einer einfachen Vergrößerungslinse
wirkt und alles auf die Objektivlinse auftreffende Licht auf die
Fokusebene des Objektivs konzentriert. An der Fokusebene befindet
sich das Photokatodenglas (Eingangsfenster) der Bildverstärkerröhre, das
auftreffende Lichtereignisse teilweise reflektiert und durch das
Objektiv wieder zurückwirft.
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Es
besteht daher die Möglichkeit,
ein benutztes Nachtsichtgerät
durch ein entsprechendes aktives Auffindegerät, sog. Active-Laser-Finder
(nachfolgend kurz ALF genannt) aufzufinden. Solche insbesondere
bei militärischen
Auseinandersetzungen bekannten Auffindungsgeräte besitzen einen Laser, der über einen
Beobachtungsbereich ständig
verschwenkt wird und einen entsprechenden Detektor, der etwaiges
reflektiertes Laserlicht erkennen kann. Der ALF ist beispielsweise
auf einem Fahrzeug montiert, ebenso wie auch der oder die Detektoren.
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Aufgrund
der vorgenannten Eigenschaften der bekannten Nachtsichtgeräte wird
das ausgesandte Laserlicht des Auffindungsgerätes (ALF) von dem Objektiv
mit seiner Vielzahl von Glas-/Luftflächen sowie seinem Photokatodenglas
reflektiert und zumindest zu einem Teil auch zum Aussendeort des Laserstrahls
zurückgesandt.
Die dort angeordneten Detektoren können somit ein in Benutzung
befindliches Nachtsichtgerät
detektieren, die Entfernung zum Nachtsichtgerät aufgrund der Laufzeit des
Laserlichtstrahls und die Position über den Beobachtungswinkel
ermitteln, so dass das Nachtsichtgerät und sein Benutzer präzise bestimmbar
und nötigenfalls
angreifbar sind.
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Um
diese Gefahr zu unterbinden oder zumindest zu vermindern, könnte zwar
eine Antireflexionsschicht auf der Objektivlinse aufgebracht werden,
jedoch reicht dann die verbleibende Lichtdurchlässigkeit des Objektivs nicht
aus, um ein Bild bei sehr schwacher Beleuchtung zu erhalten.
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Die
US 5,745,292 A beschreibt
eine optische Vorsatzvorrichtung zur Reduzierung von Reflexionen an
optischen Geräten,
beispielsweise mit Bildsensor. Neben einem rohrförmigen Element, das einen Fächerfilter
mit kanalartigen Strahlengangöffnungen umfasst,
ist eine geneigte reflektive Oberfläche vorhanden, deren Reflexionen
in dem davor liegenden Fächerfilter
absorbiert werden sollen.
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Aus
dem
US 6,088,165 A ist
ein Nachtsichtgerät
bekannt, bei dem eine zur optischen Achse des Nachtsichtgerätes geneigte
optisch reflektive Oberfläche
vor dem Objektiv vorgesehen ist. Die geneigten optisch reflektiven
Oberflächen
sind in Form von prismatischen optischen Elementen realisiert, jedoch dienen
diese prismatischen optischen Elemente zur Einkopplung eines Licht
verstärkten
Bildes in der Nachtsichtfunktion. Funktionsgemäß dient diese Anordnung somit
nicht zur Verschleierung und/oder Verfälschung der örtlichen
Identifizierung von optischen Geräten.
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Die
US 5,382,999 A beschreibt
einen optischen Musterprojektor zur Herstellung von Halbleitern,
der einen Laserstrahl in bestimmter Art und Weise auf einen Halbleiter
projiziert. Bei dieser Projektion wird der Laserstrahl mit kegelförmigen Spiegeln
oder kegelförmigen
Linsen aufgefächert
und kreisringförmig
gebündelt,
um bei guter Auflösung
eine hohe Lichtleistung auf die zu bearbeitende Oberfläche lenken
zu können.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, die örtliche Identifizierung
von optischen Geräten
mit Bildsensor, insbesondere Nachtsichtgeräten wesentlich zu erschweren
bzw. zu verfälschen,
ohne dabei die Leistungsfähigkeit
der Geräte
wesentlich zu beeinflussen.
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Gelöst wird
diese Aufgabe mit einer Vorsatzvorrichtung gemäß Anspruch 1 oder Anspruch
2 bzw. einem Nachtsichtgerät
gemäß Anspruch
8.
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Dadurch,
dass ein optisch aktives Mittel als Vorsatz vor dem optischen Gerät, beispielsweise Nachtsichtgerät vorgesehen
ist, das eine zum einfallenden Lichtereignis gerichtete, optisch-reflektive Oberfläche aufweist,
dessen Flächennormale
nicht parallel zur optischen Achse des optischen Gerätes ausgerichtet
ist, wird ein auf das optische Gerät gerichtetes Lichtereignis,
das einen Eintrittswinkel zur optischen Achse aufweist, aufgrund
des optisch aktiven Mittels gebeugt und so modifiziert reflektiert, dass
eine Reflexion nicht mehr erkennbar ist. Damit ist insbesondere
ein von einem aktiven Laser-Auffindungsgerät (ALF) abgegebenes Lichtsignal
von dessen Detektoren nicht mehr registrierbar. Dabei besteht das
optisch aktive Mittel aus optisch durchsichtigen Scheibenabschnitten
mit ebener optisch-reflektiver
Oberfläche
(Vorderseite) und ebener Rückseite, wobei
die streifenförmigen
Scheibenabschnitte stufenförmig
und mit ihren Oberflächen
zueinander parallel sowie die Stirnseiten der streifenförmigen Scheibenabschnitte
im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind. Damit ergibt
sich eine im Querschnitt zackenförmige
Ausbildung des optisch aktiven Mittels, das aus streifenförmig nebeneinander liegenden
Glasscheibenabschnitten besteht, die zueinander parallel aber schräg gestellt
und um einen vorbestimmten Winkel zur optischen Achse ausgerichtet
sind.
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Alternativ
kann das optisch aktive Mittel aus einer kegelförmigen Linse bestehen, wobei
die optisch-reflektive Oberfläche
die Kegeloberfläche
ist. Die Rückseite
der kegelförmigen
Linse ist planeben ausgebildet und normal zur optischen Achse des
optischen Geräts
ausgerichtet.
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Dadurch,
dass die Oberfläche
eine reflektive Beschichtung mit einem Reflexionsindex von maximal
20%, bevorzugt ca. 10% in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich
aufweist, werden eintreffende Lichtereignisse, insbesondere Laserstrahlen
in ihrem Lichtfluss abgeschwächt
und hinsichtlich des reflektierten Teils abgelenkt und/oder zerstreut.
Diese Ablenkung und/oder Zerstreuung im Winkel des reflektierten
Lichtstrahls wird in der Optik Reflexionsindikatrix genannt. Diese
Reflexionsindikatrix des reflektierten (Laser)lichts hat in diesem
Fall eine Öffnung
bzw. Appertur, die einige Winkelminuten nicht überschreitet.
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In
weiterer Ausgestaltung weist das optisch aktive Mittel auf seiner
dem einfallenden Lichtereignis abgewandten Rückseite eine Interferenzbeschichtung
auf, die eine Abschwächung
des transmittierenden Licht ereignisses in einem vorbestimmten Wellenlängenbereich
bewirkt. Dabei richtet sich der Abschwächungswert nach dem wellenlängenabhängigen Transmissionskoeffizienten.
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Entsprechend
sollte der vorbestimmte Wellenlängenbereich
Wellenlängen
von 400 nm bis 1600, insbesondere 500 nm bis 1 100 umfassen, um die
typischen Laserwellenlängen
der verwendeten Auffindungsgeräte
zu berücksichtigen.
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Um
sowohl die optische Qualität
des optischen Geräts,
insbesondere Nachtsichtgeräts
durch die Vorsatzvorrichtung nicht oder zumindest nicht wesentlich
zu verschlechtern, besteht das optisch aktive Mittel aus optischem
Glas. Ferner ist die Aufbringung von anti-reflektiven Beschichtungen
bzw. Interferenzbeschichtungen auf Glasflächen dauerhafter und weniger
kratzempfindlich und unterstützt
zusätzlich
die gewünschte
Wirkungsweise.
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Um
eine ausreichend starke Verfälschung von
etwaigen Reflexionssignalen mit der Vorsatzvorrichtung zu erreichen,
ist die optisch-reflektive Oberfläche derart geneigt zur optischen
Achse angeordnet, dass die Flächennormale
der Oberfläche
in einem Winkel von 1° bis
40°, insbesondere
5° bis 20° und besonders
bevorzugt 8° bis
12° zur
optischen Achse ausgerichtet ist.
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Entscheidend
ist für
die Funktionsfähigkeit der
Vorsatzvorrichtung bzw. des damit ausgestatteten Nachtsichtgeräts der Effekt
des optisch aktiven Mittels, das bei eintreffenden Lichtereignissen
keine kollimierten Lichtreflexionen mehr entstehen lässt. Nur
für den
Fall, dass das Lichtereignis normal auf die Scheibenoberfläche der
Vorsatzvorrichtung auftrifft, entsteht eine in sich zurückgeworfene
Lichtreflexion, die nur um den Reflexionsindex, beispielsweise 10%,
geschwächt
ist. Diese Lichtreflexion wäre
von entsprechenden Detektoren nachweisbar. Dabei ist jedoch zu berücksichtigen,
dass die Wahrscheinlichkeit eines genau in Richtung der Flächennormalen zur
optisch-reflektiven Oberfläche
treffenden Lichtereignisses, beispielsweise erzeugt durch ein Auffindungsgerät, verschwindend
gering ist. Ferner ist zu berücksichtigen,
dass in der alternativen Ausgestaltung mit einer kegelförmigen Linse
durch die kegelförmige
Linsenoberfläche
eine unmittelbare Rückspiegelung
(Reflexion) nur für
einen einzigen Punkt auf der kegelförmigen Oberfläche erfolgt.
Bei der zu berücksichtigenden
Streuung auch des Laserlichtstrahls dürfte die Reflexion von der
kegelförmigen Oberfläche bereits
nicht mehr registrierbar sein.
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Nachfolgend
werden zwei Ausführungsbeispiele
der Vorsatzvorrichtung in Verbindung mit Nachtsichtgeräten anhand
der beiliegenden Zeichnungen detailliert beschrieben.
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Darin
zeigt:
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1 ein
Nachtsichtgerät
mit Vorsatzvorrichtung in einer geschnitten dargestellten Prinzipskizze,
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2 eine
Detailansicht der Vorsatzvorrichtung gemäß 1 im Querschnitt,
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3 ein
Nachtsichtgerät
mit Vorsatzvorrichtung gemäß einem
zweiten Ausführungsbeispiel in
einer geschnitten dargestellten Prinzipskizze und
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4 den
Strahlenverlauf in einer detaillierten Querschnittdarstellung zur
Ausführungsform
gemäß 3.
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1 zeigt
in einer geschnittenen Prinzipskizze ein Nachtsichtgerät 1 mit
einer Vorsatzvorrichtung 2, die der Verfälschung
eines auf das Nachtsichtgerät 1 bzw.
Vorsatzvorrichtung 2 auftreffenden Suchlichtstrahls eines
Auffindungsgerätes
dient.
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Das
Nachtsichtgerät 1 besteht
aus einem Objektiv 11, das bevorzugt mehrere optische Linsengruppen 111 mit
einer Vielzahl von Glas-/Luftflächen aufweist,
einer Bildverstärkerröhre 12 und
einem Okular 13. Die Bildverstärkerröhre 12 besteht aus
einer Photokatode 121, in der einzelne, auftreffende Lichtereignisse
in ein elektrisches Signal gewandelt und in der nachfolgenden Beschleunigungsstrecke 122 verstärkt und
anschließend
auf einem Leuchtschirm 123 wieder in ein sichtbares Bild
gewandelt werden. Das Objektiv 11 sammelt und fokussiert
vom Objekt stammende Lichtereignisse auf eine Fokussierebene, die
mit der Photokatode 121 zusammenfällt. Die auf der Photokatode 121 vom
Objektiv 11 projezierte Abbildung wird dann über die
Verstärkungsstrecke 122 des
Bildverstärkers 12 als
elektrisches Signal verstärkt
und auf dem Leuchtschirm 123 als zu betrachtendes restlichtverstärktes Bild wiedergegeben.
Ein Betrachter kann das auf dem Leuchtschirm 123 entstehende
verstärkte
Bild über das
Okular 13 mit seinem Auge A betrachten.
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In
Strahleneinfallrichtung vor dem Objektiv 11 ist die Vorsatzvorrichtung
bzw. das optisch aktive Mittel 2 angebracht. Im dargestellten
ersten Ausführungsbeispiel
besteht die Vorsatzvorrichtung 2 aus mehreren streifenförmigen Glasscheibenabschnitten 21,
die je eine ebene optisch-reflektive Oberfläche (Vorderseite) 211 und
eine ebene Rückseite 212 aufweisen.
Vorderseiten 211 und Rückseiten 212 sind zueinander
parallel angeordnet. Die Flächennormalen
der Glasscheibenabschnitte 21 sind zueinander parallel
angeordnet und weisen einen Winkel zur optischen Achse O des Nachtsichtgeräts 1 auf.
Dabei sind die Stirnseiten 213 der streifenförmigen Scheibenabschnitte 21 ebenfalls
im wesentlichen parallel zueinander angeordnet, so dass sich bei
Aufsichtbetrachtung der Vorsatzvorrichtung 2 ein parallel
strukturierter optisch aktiver Vorsatz ergibt.
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In
einer detaillierten Darstellung gemäß 2 sind zwei
nebeneinander liegende streifenförmige
Elemente 21 in einer geschnittenen Detailansicht der Vorsatzvorrichtung 2 gemäß erstem
Ausführungsbeispiel
hinsichtlich der durch die Vorsatzvorrichtung 2 tretenden
Lichtstrahlen mit den dabei entstehenden Reflexionen abgebildet,
wobei zur besseren Darstellung ein großer Abstand zueinander gezeichnet
wurde.
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Die
Vorderseite 211 der Vorsatzvorrichtung 2 weist
eine reflektive Beschichtung 214 mit einem Reflexionsindex
von 10% in einem Wellenlängenbereich von
500 nm bis 1 100 nm auf. Auf der Rückseite 212 des streifenförmigen Elementes 21 ist
eine ebenfalls in einem Wellenlängenbereich
von 500 nm bis 1 100 nm antireflektive oder leicht transparente
Schicht 215 aufgebracht.
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Laserstrahlen,
die in einem anderem Winkel als α,
eintreffen, werden wegen der Spiegelreflexion (reflektive Beschichtung) 214 auf
der Eingangsoberfläche 211 der
Scheibe 21 abgeschwächt.
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Der
Winkel des reflektierten Lichts ist ähnlich dem Winkel des ursprünglichen
Lichtstrahls (αin = αout). Es gibt jedoch keine idealen Spiegel,
so dass der reflektierte Lichtstrahl abgelenkt/zerstreut wird. Diese
Ablenkung des Winkels des reflektierten Lichtstrahls nennt man Reflexions-Indikatrix.
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Der
Reflexions-Indikatrix des reflektierten Lichts hat in diesem Falle
eine Öffnung/Appertur,
die einige Winkelminuten nicht überschreitet.
Dies ist sehr wichtig für
die Bedeutung des Eingangsglühens, das
durch die Streuung des Lichts auf der Scheibe entsteht.
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Die
Rückseite 212 der
Scheibe 21 ist mit einer Interferenzbeschichtung 215 versehen,
welche den einfallenden Lichtfluss vom Laser abschwächt. Der
Wert der Abschwächung
richtet sich nach dem Transmissionskoeffizient τoλ für Wellenlängen der Emission
von Lasern.
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Der
Intensitätswert
des Lichtes, das durch das optische System dringt, ist bestimmt
durch: Foτ = Foλ·(1 – ρo)(1 – ρ1)·τoλ.
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Vom
Brennpunkt der letzten Linse des Objektives, der sich direkt auf
der Photokatodenschicht des Bildverstärkers befindet, wird kollimiertes
Licht reflektiert und ist bestimmt durch: FKOη =
Foτ·(1 – ρo)·τoλ·τΣ =
Foλ·(1 – ρo)2·(1 – ρ1)2·τoλ 2·τΣ 2.
- τΣ
- – Akkumulierter Transmissionsindex
des optischen Systems
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Der
Wert der Abschwächung
der Laseremission überschreitet
106. In diesem Fall wird das Eingangsglühen wegen
des sehr engen Reflexions-Indikatrix auf der Oberfläche der
Scheibe nur durch die Streuung auf den Oberflächen des jeweiligen optischen
Instruments bestimmt. Aber diese Emission wird ebenfalls abgeschwächt zu dem
Wert (1 – ρo)2·(1 – ρ1)2·τoλ 2. Mit dem geringen Lichtdiffusionskoeffizient ρCB ≤ 0,01% wird
die Intensität
des Eingangsglühens vernächlässigbar,
aber durch den Beobachter sichtbar.
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Gefährlich ist
der Fall eines Abfalls des Lichtflusses auf den Scheiben in einem
Winkel α,
da der wiederhergestellte Lichtfluss Foλ·ρo auf
den Laserdetektor des Auffindungsgerätes fallen würde. Aber
mit jeder anderen, selbst einer insignifikanten Abweichung vom Winkel α, wird auch
der Strahl vom Laserdetektor abweichen. Der Wert des Einfallswinkels, mit
dem der Strahl, der von der Scheibe reflektiert wird, nicht vom
Laserdetektor des Auffindungsgerätes
erfasst wird, wird durch die folgende Beziehung bestimmt: Δα = dBX/D + αP
- dBX
- – Eingangsdurchmesseröffnung des
Laserdetektors
- D
- – Entfernung von der Phantomkappe
zum Laserdetektor
- αP
- – Streuungswinkel des Laserstrahls
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Gewöhnlich überschreitet
der Wert Δα nicht den
Wert von einigen Winkelminuten. Die Wahrscheinlichkeit, dass der
Lichtfluss der Beleuchtungsquelle mit einem Winkel α auftrifft,
ist verschwindend gering, selbst im Suchmodus. Zieht man auch die Existenz
von Vibrationen des Beleuchtungsinstruments in Betracht, dann kann
der reflektierte Lichtblitz nicht wahrgenommen werden. Man muss
betonen, dass dies keine kollimierten Lichtreflexionen, sondern
Lichtreflexionen von den Eingangsoberflächen der Scheiben (mit einem
Reflexionsindex von 10%) sind.
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- 1
- optisches
Gerät,
Nachtsichtgerät
- 11
- Objektiv
- 111
- Linse,
Linsengruppe
- 12
- Bildverstärker
- 121
- Photokatode
- 122
- Verstärkungsstrecke
- 123
- Leuchtschirm
- 13
- Okular
- 2,
2'
- Vorsatzvorrichtung,
optisch aktives Mittel
- 20
- Fassung
- 21,
21'
- Glas,
Glasscheibenabschnitt
- 211
- optisch
reflektive Oberfläche,
Vorderseite
- 212
- Rückseite
- 213
- Stirnseite
- 214
- reflektive
Beschichtung
- 215
- anti-reflektive
Beschichtung, Interferenzbeschichtung
- 22
- kegelförmige Linse
- 221
- optisch-reflektive
Oberfläche,
Vorderseite
- 222
- Rückseite
- A
- Auge
- N
- Flächennormale
- O
- optische
Achse