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Die
Erfindung geht aus von einer optischen Anordnung zur Abbildung einer
Objektszene auf eine Detektoreinheit umfassend eine Optik, die zwei
optische Einheiten aufweist, und einen optischen Filter.
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Zur Überwachung
eines Luftraums in der Umgebung eines Flugzeugs, Flugkörpers oder
vom Boden aus ist es vorteilhaft, Fluggeräte über eine besonders weite Entfernung
frühzeitig
erkennen zu können.
Zu Erzielung einer großen
Sichtweite wird insofern bevorzugt der infrarote Strahlungsbereich
genutzt, da die Atmosphäre
für Strahlung
im infraroten Spektrum – speziell
im Bereich von 3–5 μm – besonders
durchlässig
ist. Es gibt jedoch Situationen, in denen die Unterscheidung eines
Flugkörpers
vom Hintergrund schwierig ist und nicht mehr nur aufgrund von Helligkeitsunterschieden
im infraroten Spektralbereich vorgenommen werden kann. Beispiele
hierfür
sind Flugkörper
vor einer sonnenbeschienen Wolke oder in der Nähe von Sonnenreflexionen auf
dem Wasser.
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In
solchen Fällen
sind zusätzliche
Informationen nötig,
die aus einer Strahlungsfilterung, beispielsweise mit Hilfe eines
Spektralfilters oder eines Polarisationsfilters, gewonnen werden
können.
Soll beispielsweise Information aus der Polarisationsrichtung des
einfallenden Lichts gewonnen werden, so gibt es mehrere Möglichkeiten
zur Trennung der Polarisationsrichtungen von in ein optisches System einfallender
Strahlung. So können
unterschiedliche Reflexionskoeffizienten in Abhängigkeit vom Reflexionswinkel
genutzt werden, insbesondere wie sie unter dem sogenannten Brewster-Winkel
auftreten. Auch ist das Ausnutzen von Doppelbrechung von optischen
Materialien oder die Verwendung von anderen Polarisationsfiltern,
beispielsweise Mikrogittern, möglich.
Diese Verfahren führen
dazu, dass einfallende Strahlung aufgeteilt wird, wobei typischerweise zwei örtlich getrennte Strahlungsbüschel entstehen, deren
Polarisationsrichtungen orthogonal zueinander sind.
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Die
zugehörige
Detektoreinheit ist hierbei so zu gestalten, dass nur eines dieser
Strahlungsbüschel
auf eine Detektorfläche
bzw. in die Filmebene gelangt. Das andere Strahlungsbüschel wird
entweder direkt im Polarisationsfilter oder an anderer Stelle absorbiert.
Bei einer Anwendung im sichtbaren Spektrum ist diese Aufteilung
unproblematisch. Im infraroten Spektralbereich enthält das unerwünschte Strahlungsbüschel jedoch
thermische Strahlung, die z. B. von ungekühlten Wänden der optischen Anordnung zunächst absorbiert
und dann wieder emittiert wird. Diese Strahlung gelangt dann in
die Detektoreinheit und führt
hierdurch zu einer Verschlechterung des Signal- zu Rauschverhältnisses.
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Es
ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine optische Anordnung
zur Abbildung einer Objektszene auf eine Detektoreinheit anzugeben,
mit der auf einfachem Wege eine gute Abbildungsqualität im infraroten
Spektralbereich erreicht werden kann.
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Diese
Aufgabe wird durch eine optische Anordnung der eingangs genannten
Art gelöst,
bei der die Optik erfindungsgemäß telezentrisch
ist und der Filter in einer Zwischenbildebene zwischen den optischen
Einheiten angeordnet ist. Durch diese besondere Gestaltung des Strahlengangs
in der optischen Anordnung und durch die Anordnung des Polarisationsfilters
kann gewährleistet
werden, dass eine Rauscherhöhung
durch von der Detektoreinheit selbst emittierte thermische Strahlung
gering gehalten bleibt. Selbstverständlich ist es denkbar, dass
die optische Anordnung neben der zuvor genannten Optik noch weitere
optische Einheiten umfasst, d. h. die Optik nur eine von mehreren
Teiloptiken der optischen Anordnung darstellt.
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Dieser
so genannte Effekt des Narzissmus tritt auf, wenn von der Detektoreinheit
oder anderen Elementen innerhalb der optischen Anordnung emittierte
Strahlung direkt oder durch Reflexion bzw. Streuung in die Detektoreinheit
einfällt
und die Kamera somit „sich
selbst sieht”.
Im infraroten Spektralbereich empfindliche Detektoren sind üblicherweise
gekühlt,
so dass sie selber wenig infrarote Strahlung emittieren und der
Narzissmus durch vom Detektor herrührender Strahlung unproblematisch
ist. Tritt allerdings von Gehäusewänden oder
anderen Elementen der optischen Anordnung infrarote Strahlung in die
Detektoreinheit, so führt
das zu einer ungleichmäßigen Ausleuchtung
der empfindlichen Detektorfläche
mit Narzissmusstrahlung. Gerade bei einem optischen Filter, bei
dem Strahlungsenergie aus der einfallenden Strahlung ausgesondert
wird, ist der Effekt des Narzissmus besonders auffällig, da
diese ausgesonderte Energie in der optischen Anordnung verbleibt
und dort in störende
thermische Streustrahlung umgewandelt wird. Durch die Erfindung
kann ein optischer Filter in die optische Anordnung integriert werden,
ohne dass dadurch Nachteile im Bezug auf Narzissmus und eine Erhöhung des
Rauschhintergrunds in Kauf genommen werden müssen.
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Die
optischen Einheiten können
Linsen, Linsensysteme, Spiegel oder Spiegelsysteme sein, wobei eine
der optischen Einheiten zweckmäßigerweise die
Zwischenbildebene erzeugt. Die Anordnung des optischen Filters in
der Zwischenbildebene ist im Sinne der Erfindung auch dann gegeben,
wenn der Filter ein Stück
weit aus der mathematisch exakten Zwischenbildebene herausgerückt ist.
Als Zwischenbildebene bzw. als deren Bereich wird im Folgenden der
Bereich angesehen, der 10% Prozent der paraxialen Gegenstandsweite
vor und hinter der mathematisch exakten Zwischenbildebene umfasst.
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Beim
telezentrischen Strahlengang verlaufen die Hauptstrahlen aller Bildpunkte
parallel zur optischen Achse. Die anderen Strahlen verlaufen symmetrisch
um diesen Hauptstrahl herum. Für
das am Filter reflektierte Strahlenbüschel gilt das Reflexionsgesetz,
wonach der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel ist. Reflektierte
Strahlen nehmen daher exakt den inversen Weg wie einfallende Strahlen,
sie verlassen also die Optik wieder durch eine Frontlinse. Umgekehrt
bedeutet dies aus der Sicht der Detektoreinheit, dass von der empfindlichen
Detektorfläche ausgehende
Strahlen wieder in die Detektorfläche hineingelenkt werden. Zweckmäßigerweise
ist die Detektoreinheit gekühlt,
sodass von einer gekühlten empfindlichen
Detektorfläche
kaum thermische Strahlung ausgeht.
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Durch
die Symmetrie der telezentrischen Anordnung kann die „Sicht” des Detektors
auf den Strahlengang beschränkt
sein, ohne dass Streustrahlung von außerhalb der empfindlichen Detektorfläche auf
diese auftrifft. Bei einer Anordnung des Filters in der Zwischenbildebene
bleibt diese Symmetrie auch für
von dort reflektierte Strahlung erhalten, sodass diese aus der optischen
Anordnung wieder herausgeführt
werden kann. Der Energieeintrag in die optische Anordnung wird dadurch
gering gehalten. Vorteilhafterweise ist die telezentrische Anordnung
sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig telezentrisch.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
der Erfindung ist der optische Filter ein Polarisationsfilter. Einfallende
Strahlung, die aufgrund ihrer Polarisationsrichtung ausgefiltert
wird, kann einer Reflexion unterworfen werden und hierdurch aus
der optischen Anordnung wieder herausgeführt werden, ohne dass eine
wesentliche Absorption dieser herausgefilterten Strahlung in der
optischen Anordnung stattfindet.
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Der
optische Filter kann alternativ oder zusätzlich ein nicht linearer optischer
Filter sein. Bei diesen ist eine optische Eigenschaft des Filters,
z. B. dessen Brechungsindex, abhängig
von der Intensität der
einfallenden Strahlung, sodass ein solcher Filter beispielsweise
besonders geeignet als Sonnenschutzfilter ist. Ebenfalls denkbar
ist ein Spektralfilter, beispielsweise ein Farbfilter.
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Zur
Abschirmung der Detektoreinheit von Streustrahlung, die von außerhalb
des Strahlengangs in die Detektoreinheit eintreten könnte, umfasst
die optische Anordnung zweckmäßigerweise eine
Kühlblende
zum Abschirmen der Detektoreinheit von thermischer Strahlung. Diese
kann durch eine Kühleinheit
auf eine Temperatur unterhalb der Umgebungstemperatur heruntergekühlt werden.
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Menschen
gemachte Flugkörper
beeinflussen üblicherweise
die Polarisation des von ihnen ausgehenden Lichts stärker als
atmosphärische
Gegebenheiten, wie beispielsweise Wolken, Sonnenlicht oder auch
Reflexionen vom Wasser. Da die Richtung einer solchen Polarisationsbeeinflussung der
optischen Anordnung nicht bekannt ist, ist es vorteilhaft, wenn
der optische Filter gedreht werden kann, sodass Aufnahmen für verschiedene
Polarisationsrichtungen gemacht werden können. Diese können miteinander
verglichen, beispielsweise subtrahiert werden, sodass auf einfache
Weise Polarisationsinformationen gewonnen werden können. Hierzu umfasst
die optische Anordnung vorteilhafterweise einen Antrieb zum Drehen
des optischen Filters.
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Mit
Hilfe einer Steuereinheit zum Steuern des Antriebs in Abhängigkeit
von einem Detektionsergebnis der Detektoreinheit kann erreicht werden, dass
sehr schnell auf auffällige
Strahlung reagiert werden kann, wie sie beispielsweise von einem
Störungsemitter
ausgesendet wird zur Störung
einer Flugkörpererkennung.
Solche Störstrahlung
kann erkannt werden und der Filter kann so eingestellt werden, dass
sie beispielsweise zumindest weitgehend unterdrückt wird.
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Vorteilhafterweise
dient der Antrieb zum Drehen des optischen Filters um eine optische
Achse der Optik. Da dieser Bereich zweckmäßigerweise frei sein sollte
von Antriebselementen umfasst der Antrieb vorteilhafterweise einen
Außenläufer, der
um die optische Achse rotiert werden kann.
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Wie
die zuvor gemachten Ausführungen
belegen, eignet sich die optische Anordnung insbesondere zur Verwendung
in einem Suchkopf eines Flugkörpers,
speziell eines Lenkflugkörpers.
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Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung und die Beschreibung enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen
zusammenfassen wird.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer optischen Anordnung mit einer telezentrischen
Optik und einem Filter in deren Zwischenbildebene und
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2 die
optische Anordnung aus 1 mit Reflexion- und Polarisationsstrahlengängen.
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1 zeigt
eine optische Anordnung 2 mit einer Optik 4, die
zwei optische Einheiten 6, 8 umfasst, die der Übersichtlichkeit
halber nur schematisch dargestellt sind. Die beiden optischen Einheiten 6, 8 erzeugen
einen telezentrischen Strahlengang 10 mit einer zwischen
den beiden Einheiten 6, 8 angeordneten Zwischenbildebene 12.
Innerhalb eines Bereichs von 10% Prozent der paraxialen Gegenstandsweite 14 von
der Zwischenbildebene 12 zur Sekundäroptik, die von der optischen
Einheit 8 gebildet wird, ist ein optischer Filter 16 angeordnet,
der im Ausführungsbeispiel
der Figuren ein Polarisationsfilter ist.
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Der
Polarisationsfilter ist als Drahtgitterpolarisator ausgeführt mit
einem Amplitudengitter, dessen Gitterkonstante kleiner als die Wellenlänge von elektromagnetischer
Strahlung ist, für
die eine Detektoreinheit 18 bzw. deren empfindlicher Detektoroberfläche 20 empfindlich
ist. Ein solches Gitter hat die Eigenschaft, dass es für Strahlung
in einer Polarisationsrichtung parallel zum Gitter transparent ist
und für Strahlung
in der dazu senkrechten Polarisationsrichtung wie ein Spiegel wirkt.
Diese spiegelnde Wirkung kann dazu genutzt werden, um die ausgefilterten Strahlenbüschel gezielt
zu lenken und zu steuern. Hierzu ist der Polarisationsfilter eben
in der Zwischenbildebene 12 angeordnet.
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Die
Detektoreinheit 18 ist von einem Kühlelement 22 mit einer
Kühlblende 24 versehen,
durch die thermische Strahlung von außerhalb des Strahlengangs 10 zumindest
weitgehend von der Detektoroberfläche 20 abgeschirmt
wird. Um den optischen Filter 16 herum ist ein Antrieb 26 angeordnet
mit einem Außenläufer, durch
den der Filter 16 um die optische Achse 28 der
Optik 4 gedreht werden kann. Die Drehrichtung, Drehgeschwindigkeit
und die Drehstellung wird von einer Steuereinheit 30 gesteuert
und überwacht.
Während
des Betriebs wird der Filter 16 kontinuierlich oder schrittweise
gedreht und es werden nacheinander Aufnahmen mit in verschiedene
Richtung polarisierter Strahlung gemacht. Bei Einfallen von Störstrahlung
wird diese von der Steuereinheit 30 als solche erkannt
und der Filter 16 wird so lange gedreht, bis ein Minimum
der Störstrahlung
gefunden ist. In dieser Stellung kann der Filter zunächst verbleiben.
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2 zeigt
die optische Anordnung 2 mit einem einfallenden Strahl 32 des
Strahlengangs 10, wie er durch die von der optischen Einheit 6 gebildeten
Primäroptik
auf den Filter 16 gelenkt wird. Der Strahl 32 umfasst
Strahlung aller Polarisationsrichtungen, wie durch ein Pfeilkreuz 34 angedeutet
ist. Durch den Filter 16 wird der Strahl 32 in
einen ersten Teilstrahl 36 und einen zweiten Teilstrahl 38 aufgeteilt.
Der erste Teilstrahl 36 enthält beispielsweise nur horizontal
polarisiertes Licht und kann den Filter 16 passieren. Der
zweite Teilstrahl 38 enthält den senkrecht polarisierten
Anteil der Strahlung aus dem Strahl 32, die vom Filter 16 reflektiert
wird. Der reflektierte Teilstrahl 38 ist symmetrisch zum
einfallenden Strahl 32 und verlässt die optische Anordnung 2 durch
eine Frontlinse der Primäroptik.
Eine Absorption von Strahlung, die durch den Filter 16 ausgekoppelt
wurde, findet hierdurch nur in sehr geringem Maße im Filter 16 selbst
und in der Primäroptik
statt.
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Der
erste Teilstrahl 36 wird durch die zweite optische Einheit 8 in
die Detektoreinheit 18 geleitet und dort detektiert. Von
der Detektoroberfläche 20 emittierte
Strahlung, die in 2 anhand eines Strahls 40 exemplarisch
dargestellt ist, wird entweder reflektiert und so auf die Detektoroberfläche 20 zurückgeführt oder
durchtritt den Filter 16 und verlässt die optische Anordnung 2 durch
die optische Einheit 6. Für das reflektierte Strahlenbüschel gilt
das Reflexionsgesetz, wonach der Einfallswinkel gleich dem Ausfallswinkel
ist. Reflektierte Strahlen nehmen daher exakt den inversen Weg wie
einfallende Strahlen, sie verlassen also die Optik 4 wieder
durch die optische Einheit 6. Aus Symmetriegründen fällt wegen der
Telezentrik der Optik 4 somit keine andere Strahlung auf
die Detektorfläche 20.
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Durch
die Anordnung der Optik 4 wird erreicht, dass nur sehr
wenig vom Filter 16 ausgefilterter Strahlung in der optischen
Anordnung verbleibt. Dies wirkt einem Aufheizen der Anordnung 2 und
damit Narzissmusstrahlung entgegen. Außerdem kann unterbunden werden,
dass vom Filter 16 reflektierte Strahlung oder den Filter 16 passierende
Strahlung von außerhalb
der optischen Anordnung 2 oder von der Detektoreinheit 18 so
gelenkt wird, dass einem Narzissmus Vorschub geleistet wird. Störende Streustrahlung
kann hierdurch so weitgehend eliminiert werden, dass ein gutes Signal-
zu Rauschverhältnis erreichbar
ist.
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- 2
- optische
Anordnung
- 4
- Optik
- 6
- optische
Einheit
- 8
- optische
Einheit
- 10
- Strahlengang
- 12
- Zwischenbildebene
- 14
- Gegenstandsweite
- 16
- optischer
Filter
- 18
- Detektoreinheit
- 20
- Detektoroberfläche
- 22
- Kühlelement
- 24
- Kühlblende
- 26
- Antrieb
- 28
- optische
Achse
- 30
- Steuereinheit
- 32
- Strahl
- 34
- Pfeilkreuz
- 36
- Teilstrahl
- 38
- Teilstrahl
- 40
- Strahl