DE102008028362A1

DE102008028362A1 - Kompakte Optikbaugruppe mit mehreren optischen Kanälen

Info

Publication number: DE102008028362A1
Application number: DE200810028362
Authority: DE
Inventors: Sven Gliege
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2008-06-12
Filing date: 2008-06-12
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-06-13
Also published as: DE102008028362B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine kompakte Optikbaugruppe zur Übertragung von Strahlenbündeln mit mehreren optischen Kanälen, die jeweils aus einer optischen, sammelnden Komponente und einer in deren Brennebene angeordneten aktiven Komponente, nämlich einer Strahlungsquelle (5) oder einem Strahlungsempfänger (4), gebildet sind und deren Achsen (K) eine vorgegebene Ausrichtung zueinander haben. Die optischen, sammelnden Komponenten sind jeweils durch eine Plankonvexlinse (3) und einen an deren Planflächen anliegenden, durch den jeweiligen Linsenumfang begrenzten Bereich eines gemeinsamen, planplattenförmigen, transparenten Trägers (2) gebildet, wodurch alle optischen Komponenten gemeinsam gefasst werden können.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optikbaugruppe mit mehreren optischen Kanälen, die jeweils aus einer optischen, sammelnden Komponente und einer aktiven Komponente, nämlich einer Strahlungsquelle oder einem Strahlungsempfänger, gebildet sind.
Im einfachsten Fall kann es sich um eine Optikbaugruppe mit einem Sendekanal und einem hierzu parallel ausgerichteten Empfangskanal handeln.
Gemäß dem Stand der Technik wird ein Sendekanal durch eine erste sammelnde Komponente, hier Sendeoptik genannt, gebildet, in deren objektseitiger Brennebene auf der optischen Achse eine Strahlungsquelle, z. B. eine Laserdiode oder die Lichtaustrittsfläche (Sekundärstrahlungsquelle) einer mit Laserstrahlung gespeisten Lichtleitfaser, positioniert ist. Die Achse des Sendekanals fällt demnach mit der optischen Achse der Sendeoptik zusammen und die ausgesendete Strahlung wird in ein achsparalleles Strahlenbündel geformt.
Der Empfangskanal wird durch eine zweite sammelnde Komponente, hier Empfangsoptik genannt, gebildet, in deren bildseitiger Brennebene auf der optischen Achse ein Strahlungsempfänger steht.
Die Achse des Empfangskanals fällt demnach mit der optischen Achse der Empfangsoptik zusammen und die abgebildete Strahlung wird auf den Strahlungsempfänger fokussiert.
Optikbaugruppen mit einem Sende- und Empfangskanal werden insbesondere zur berührungslosen Messung, z. B. der Entfernung oder der Geschwindigkeit eines Zielobjektes, eingesetzt.
Gemäß dem Stand der Technik sind die optischen Komponenten, nämlich die Sende- und die Empfangsoptik separat gefasst und müssen zueinander justiert werden, um die Achsen zueinander auszurichten. Zuvor wurden die aktiven Komponenten so justiert, dass der für die Strahlungsaussendung bzw. den Strahlungsempfang relevante Mittelpunkt der aktiven Komponente jeweils im Brennpunkt der optischen Komponente liegt. Die einjustierte Lage muss gesichert werden, damit sie langzeitstabil, unbeeinflusst von mechanischen und thermischen Belastungen erhalten bleibt. Dies ist für kritische Belastungen kaum realisierbar.
Derart kritischen Belastungen ist z. B. eine Optikbaugruppe eines Schusssimulators ausgesetzt, der, auf einem Geschosslauf montiert, bei Truppenmanövern eingesetzt wird.
Eine für einen Schusssimulator bestimmte Optikbaugruppe, mit mehreren Sendekanälen und einem Empfangskanal, hat die Anmelderin in ihrer älteren, noch unveröffentlichten Patentanmeldung vom 21.03.2007 mit dem Aktenzeichen 10 2007 014 290.2 beschrieben.
Ein derartiger Schusssimulator dient der Simulation des Auftreffpunktes eines ballistischen Geschosses auf einem Zielobjekt in Abhängigkeit der Entfernung des Zielobjektes. Neben einem ersten Sendekanal und dem Empfangskanal, die, wie vorangehend beschrieben, gebildet und zueinander parallel ausgerichtet sind, weist eine hier beschriebene Optikbaugruppe weitere Sendekanäle auf, deren Achsen mit der Achse des ersten Sendekanals in einer vertikalen Ebene liegen und in dieser um einen unterschiedlichen Winkel zur Achse des ersten Sendekanals verkippt sind.
Gemäß einer ersten Ausführung sind auf einem gemeinsamen Träger zwei Sendeköpfe und eine Empfangseinheit vorgesehen.
Die Empfangseinheit besteht aus einem Empfänger und einer Empfangslinse, die gemeinsam einen Empfangskanal bilden.
Die Sendeköpfe umfassen jeweils eine Sendeoptik und ein Faserende bzw. zwei Faserenden, die als Sekundärstrahlungsquelle wirken. Jedes Faserende bildet gemeinsam mit der vorgeordneten Sendeoptik einen Sendekanal, dessen Kanalachse durch den Hauptstrahl des jeweils abgebildeten Strahlungsbündels bestimmt ist.
Der erste Sendekanal ist im ersten Sendekopf gebildet, wobei das Faserende auf der optischen Achse der zugehörigen Sendeoptik liegt und damit der Hauptstrahl des Strahlenbündels mit der optischen Achse zusammenfällt.
Der zweite und dritte Sendekanal sind im zweiten Sendekopf gebildet, wobei zwangsläufig wenigstens eines der Faserenden zur optischen Achse versetzt angeordnet ist. Dadurch schließen die Kanalachsen in Abhängigkeit von der Größe des Versatzes und der Brennweite der zugehörigen Sendeoptik einen Winkel miteinander ein, sodass die über die einzelnen Kanäle auf ein Zielobjekt projizierten Strahlflecken zueinander versetzt sind.
So kann mit einer Reihe von Faserenden in der Brennebene einer Sendeoptik eine Reihe von übereinander liegenden Strahlflecken auf ein Zielobjekt projiziert werden.
Mit zwei derartig ausgeführten Sendeköpfen, deren optische Achsen zueinander geneigt werden können, ist es möglich, eine Reihe von sich überlappenden Strahlflecken zu erzeugen. Es wird vorgeschlagen, die Faserenden in den Sendeköpfen fest zu vergießen. Damit ist die einmalig eingestellte Relativlage der Faserenden innerhalb eines Sendekopfes stoffschlüssig fixiert.
Die Justierlagen der Sendeköpfe werden in der Regel über lösbare Verbindungen gehalten und sind daher zueinander und zum Empfangskanal nicht dauerhaft und belastbar fixiert.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine kompakte Optikbaugruppe mit mehreren optischen Kanälen zu schaffen, die auch unter kritischen Bedingungen eine langzeitstabile, feste Achsenlage der Kanäle zueinander gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch eine Optikbaugruppe mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Anhand der Zeichnung wird die Erfindung im Folgenden beispielhaft näher erläutert.
Es zeigen:
1a eine Optikbaugruppe mit einem Sendekanal in perspektivischer Ansicht von vorn
1b eine Optikbaugruppe gemäß 1a in perspektivischer Ansicht von hinten
1c eine Optikbaugruppe gemäß 1a in Schnittbilddarstellung
2a eine Optikbaugruppe mit mehreren Sendekanälen in Draufsicht
2b schematische Darstellung der Achsen der Kanäle einer Optikbaugruppe gemäß 2a
2c Darstellung der Ablage der Strahlflecken über alle Kanäle einer Optikbaugruppe nach 2a
Eine erfindungsgemäße Optikbaugruppe umfasst in allen Ausführungen einen transparenten, planplattenförmigen Träger 2, der über seine Umgangsfläche in einem topfartigen Gehäuse 1 gefasst ist.
Gemäß einer ersten Ausführungsform, dargestellt in den 1a–1c, bei der die Optikbaugruppe einen Sende- und einen Empfangskanal aufweist, sind auf der dem Gehäuseäußeren zugewandten Planfläche des Trägers 2 zwei Plankonvexlinsen 3.1, 3.2 so aufgeklebt, dass deren optische Achsen A₁, A₂ zueinander parallel ausgerichtet sind. Die Plankonvexlinsen 3.1, 3.2 bilden jeweils mit einem an der Planfläche anliegenden und durch den jeweiligen Linsenumfang begrenzten Bereich des Trägers 2 eine optische, sammelnde Komponente, deren optische Achse gleich den optischen Achsen A₁, A₂ der jeweilig zugehörenden Plankonvexlinse 3.1, 3.2 ist.
Die sammelnden Komponenten sind durch ihren quasi-monolitischen Materialverbund dauerhaft in einer stabilen Lage zueinander angeordnet, die mit dem Aufkleben nach einer sogenannten schwimmenden Justage fixiert wird.
Im Bereich der Bodenfläche des Gehäuses 1 sind dem Träger 2 gegenüberliegend eine Strahlungsquelle 5 und ein Strahlungsempfänger 4 jeweils im Brennpunkt einer sammelnden Komponente angeordnet. Durch das Einkleben dieser beiden aktiven Komponenten im Gehäuseboden ist auch deren Relativlage zueinander fixiert.
Jede aktive Komponente ist genau einer sammelnden Komponente und umgekehrt zugeordnet, womit zwei optische Kanäle gebildet werden.
Eine optische Baugruppe, gemäß dieser ersten Ausführung, kann z. B. für ein Entfernungsmessgerät verwendet werden.
Eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Optikbaugruppe mit mehreren Sendekanälen und einem Empfangskanal ist in den 2a bis 2c gezeigt.
Sie dient der Simulation des Auftreffpunktes eines ballistischen Geschosses auf einem Zielobjekt in Abhängigkeit der Entfernung des Zielobjektes. Neben einem ersten Sendekanal und dem Empfangskanal, die, wie vorangehend beschrieben, gebildet und zueinander parallel ausgerichtet sind, weist diese zweite Ausführung vier weitere Sendekanäle auf, deren Achsen K jeweils in einer vertikalen Ebene liegen und in dieser um einen unterschiedlichen Winkel zur Achse des ersten Sendekanals verkippt sind.
Die insgesamt fünf Sendekanäle werden hier mit drei optischen Komponenten, mit den Plankonvexlinsen 3.1, 3.2, 3.3 gebildet, in deren Brennebenen die Austrittsflächen eines bzw. zweier Faserenden angeordnet sind, die als Sekundärstrahlungsquelle 5.1, 5.2.1, 5.2.2, 5.3.1, 5.3.2 wirken. Jedes Faserende bildet gemeinsam mit der vorgeordneten optischen Komponente einen Sendekanal, dessen Achse K durch den Hauptstrahl des jeweils abgebildeten Strahlungsbündels bestimmt ist.
In 2b sind in einem vereinfachten Optikschema die optischen Achsen A der sammelnden Komponenten, dargestellt durch ihre Hauptebenen HH', und die Achsen K der optischen Kanäle dargestellt. In 2c sind die abgebildeten Strahlflecken 5.1', 5.2.1', 5.2.2', 5.3.1', 5.3.2' innerhalb der Empfängerapertur 4' dargestellt.
Bei 2b wurde im Interesse einer einfachen Darstellung auf die Angabe der Hauptebenen HH'_3.3 als Ersatzdarstellung für die optische Komponente mit der Plankonvexlinse 3.3. verzichtet. Jedoch sind die Achsen der optischen Kanäle, die mit dieser optischen Komponente gebildet werden, als Achsen K_3.1 und K_3.2 sowie die zugehörigen Strahlungsquellen 5.3.1 und 5.3.2 gezeigt.
Wie sich aus 2a erkennen lässt, sind die Plankonvexlinsen 3 nicht auf einer Geraden angeordnet, womit die optischen Achsen A nicht in einer gemeinsamen Ebene, sondern in zueinander parallelen vertikalen Ebenen liegen. Der Versatz der Ebenen zueinander ist verschwindend gering und bewirkt keinen spürbaren Versatz der Strahlflecken 5' in horizontaler Richtung. Ein zulässiger Versatz hat den Vorteil, dass die Plankonvexlinsen 3 nicht auf einer Geraden angeordnet werden müssen, sondern, wie in 2 gezeigt, zueinander versetzt angeordnet werden können. Damit können die Plankonvexlinsen 3 innerhalb eines kleineren Umfangs auf dem Träger 2 angebracht werden, wodurch die gesamte Baugruppe kleiner gehalten werden kann.
Vorteilhaft werden mehrere Kanäle K mit einer gleichen optischen Komponente gebildet, indem mehrere Faserenden in deren Brennebene positioniert werden. Durch den Umfang der Fasern ist der minimal mögliche Abstand der Mittelpunkte der Austrittsflächen und damit der minimale Winkel zwischen den gebildeten Kanälen bestimmt. Um trotzdem kleinere Winkel zu erhalten, werden Fasern mit jeweils gleichem Mittelpunktsabstand zueinander zur optischen Achse A der jeweils zugehörigen optischen, sammelnden Komponenten zu dieser unterschiedlich versetzt fixiert.
Die zweite Ausführung macht die Vorteile einer erfindungsgemäßen Optikbaugruppe besonders deutlich. Durch die Bildung aller optischen Komponenten aus jeweils einer Plankonvexlinse 3 auf einem gemeinsamen transparenten Träger 2, der optisch betrachtet lediglich die einzelnen Plankonvexlinsen 3 um seine Dicke verstärkt und damit keine Wirkung auf die Abbildung hat, sind die optischen Achsen A der optischen Komponenten gegenüber thermischen und mechanischen Belastungen stabil.
Die optischen Komponenten werden in nur einer Fassung, nämlich dem Gehäuse 1 gehalten, was den Fertigungs- und Montageaufwand gegenüber vergleichbaren Optikbaugruppen aus dem Stand der Technik verringert. Der Aufbau der Optikbaugruppe wird wesentlich kompakter, was durch die gemeinsame Fassung mehrerer, einer optischen Komponente zugeordneten Faserenden, als Strahlungsquellen 5, in einer Ferule oder einem Grubenarray noch verstärkt wird.
Eine erfindungsgemäße Optikbaugruppe ist nicht durch die Anzahl der gebildeten optischen Komponenten oder die Anzahl der zugeordneten aktiven Komponenten beschränkt.
Gleich der geradlinigen Reihe von überlappenden Strahlflecken 5', wie sie mit der zweiten Ausführung gemäß 2c erzeugt werden können, können durch eine entsprechende Anordnung von Strahlungsquellen 5 zur optischen Achse A einer jeweils zugeordneten optischen Komponente beliebige Musteranordnungen von Strahlflecken 5', so z. B. auch ein flächenabdeckendes Raster, erzeugt werden. Die Strahlungsquellen 5 werden dann nicht nur in vertikaler Richtung zur optischen Achse A der jeweils vorgeordneten optischen Komponente versetzt angeordnet, sondern auch in horizontaler Richtung.

Claims

Kompakte Optikbaugruppe zur Übertragung von Strahlenbündeln mit mehreren optischen Kanälen, die jeweils aus einer optischen, sammelnden Komponente und einer in deren Brennebene angeordneten aktiven Komponente, nämlich einer Strahlungsquelle (5) oder einem Strahlungsempfänger (4), gebildet sind und deren Achsen (K) eine vorgegebene Ausrichtung zueinander haben, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen, sammelnden Komponenten jeweils durch eine Plankonvexlinse (3) und einen an deren Planflächen anliegenden, durch den jeweiligen Linsenumfang begrenzten Bereich eines gemeinsamen, planplattenförmigen, transparenten Trägers (2) gebildet sind und die optischen Achsen (A) der sammelnden Komponenten zueinander parallel ausgerichtet sind, dass der Träger (2) über seinen Umfang in einem Gehäuse (1) gefasst ist und in dem Gehäuse (1), der freien Planfläche des Trägers (2) gegenüberliegend, die aktiven Komponenten eingesetzt sind.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle (K) ein Sende- und ein Empfangkanal sind, wobei die aktiven Komponenten jeweils im Brennpunkt der sammelnden Komponente angeordnet sind, sodass die Achsen (K) der optischen Kanäle, bestimmt durch die Hauptstrahlen der übertragenen Strahlenbündel, jeweils mit den optischen Achsen (A) der sammelnden Komponenten zusammenfallen.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die optischen Kanäle (K) ein Empfangskanal und mehrere Sendekanäle sind, wobei wenigstens eine Strahlungsquelle (5) zur optischen Achse (A) der zugehörigen sammelnden Komponente versetzt angeordnet ist, sodass die Achse (K) dieses Sendekanals, bestimmt durch den Hauptstrahl des übertragenen Strahlenbündels, einen Winkel mit der optischen Achse (A) der sammelnden Komponente einschließt.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Sendekanäle mit einer gemeinsamen abbildenden Komponente gebildet sind und die Strahlungsquellen (5) in vorgegebenen Abständen zueinander angeordnet sind, wodurch die Hauptstrahlen der übertragenen Strahlenbündel, welche die Achsen (K) dieser Sendekanäle bestimmen, Winkel miteinander einschließen.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass mit zwei optischen, sammelnden Komponenten jeweils mehrere Sendekanäle gebildet werden, die jeweils mit gleichen Abständen zueinander, jedoch zur optischen Achse (A) der jeweiligen sammelnden Komponente unterschiedlich versetzt angeordnet sind, wodurch die Winkelabstände der Achsen (K) der Sendekanäle zueinander verringert werden.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquellen (5) Sekundärstrahlungsquellen sind, die durch die Faserenden von mit Laserstrahlung gespeisten Fasern gebildet sind.
Kompakte Optikbaugruppe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils mehrere Faserenden in einer Ferule oder einem Grubenarray gefasst sind, was eine enge und stabile Lage der Faserenden zueinander gewährleistet.