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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Darstellung eines Ist-Treffpunktes einer Strahlenwaffe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 und eine Strahlenwaffe mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 2.
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Ein solches Verfahren und eine solche Strahlenwaffe sind per se bekannt. Das bekannte Verfahren bezieht sich auf eine Strahlenwaffe, die eine Wirkstrahloptik und eine Abbildungsoptik aufweist. Die Wirkstrahloptik dient zur Fokussierung und Ausrichtung von Primärstrahlung, die von der Strahlenwaffe in Form eines Wirkstrahls oder eines Hilfsstrahls abgestrahlt wird. Von einem mit dem Wirkstrahl oder Hilfsstrahl bestrahlten Objekt ausgehende Strahlung wird von der Abbildungsoptik erfasst und auf eine Kamera eines Bildschirms gerichtet, der eine Zielpunktmarkierung aufweist.
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Die Abbildungsoptik ist ein Beispiel einer Zieloptik, die zur optischen Darstellung eines Zielbereichs dient. Ein anderes Beispiel einer solchen Zieloptik ist ein Zielfernrohr, das eine direkte Betrachtung des Zielbereichs mit dem Auge erlaubt. Der Zielpunkt der Waffe wird in der Regel durch ein Fadenkreuz in der Optik des Zielfernrohrs oder auf einem Bildschirm der Kamera markiert. Der zum Beispiel als Fadenkreuz markierte Zielpunkt gibt bei einer Betrachtung des Zielbereiches durch das Zielfernrohr oder des auf einem Bildschirm abgebildeten Zielbereichs einen im Zielbereich liegenden Soll-Treffpunkt an. Das Verfahren zur Darstellung eines Ist-Treffpunktes wird auch als Zielpunktermittlung bezeichnet.
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Bei der Durchführung eines Beschusses wird die Waffe zunächst so ausgerichtet, dass das Fadenkreuz der Zieloptik, bzw. der Zielpunkt, mit dem Soll-Treffpunkt übereinstimmt. Danach wird der Schuss ausgelöst. Die Treffgenauigkeit der Waffe hängt davon ab, wie gut das Fadenkreuz, bzw. der Soll-Treffpunkt/Zielpunkt mit dem bei einem Schuss tatsächlich getroffenen Ist-Treffpunkt der Waffe übereinstimmt.
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Eine gute Übereinstimmung von Zielpunkt und Ist-Treffpunkt ist insbesondere für Strahlenwaffen von großer Bedeutung, da Strahlenwaffen prinzipiell eine sehr hohe Präzision besitzen. Diese Präzision kann aber nur ausgenutzt werden, wenn das Fadenkreuz der Zieloptik, bzw. der Zielpunkt, mit einer der Präzision der Strahlenwaffe entsprechenden Genauigkeit mit dem Ist-Treffpunkt der Waffe übereinstimmt.
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Eine Justierung der Abbildungsoptik, die zu der gewünschten Übereinstimmung führt, setzt eine Ermittlung des Ist-Treffpunktes voraus. Eine solche Ist-Treffpunktermittlung ist zum Beispiel bei dem erstmaligen Aufbau einer Waffe, nach einem Austausch von Teilen der Waffe oder nach einer Dejustage des Aufbaus durch Umwelteinflüsse wie Temperatur- und DruckSchwankungen, Vibrationen, Stoßwellen etc. erforderlich.
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Bei konventionellen Schusswaffen wird die Lage des Ist-Treffpunktes relativ zum Soll-Treffpunkt mit Hilfe von scharfen Schüssen der Waffe auf ein Testziel ermittelt, auf dem sich der Ist-Treffpunkt zum Beispiel als Einschussloch darstellt. Der entstandene Einschuss wird dann mit der Zieloptik der Waffe anvisiert und das Fadenkreuz der Zieloptik wird bei unveränderter Ausrichtung der Waffe auf den sich als Einschussloch darstellenden Ist-Treffpunkt eingestellt. Diese Prozedur wird zur Steigerung der Genauigkeit ggf. mehrmals wiederholt. Für andere Zielabstände kann eine Wiederholung dieser Prozedur erforderlich sein.
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Dies ist auch die konventionelle Prozedur für eine Strahlenwaffe. Das Analogon zu dem scharfen Schuss der konventionellen Schusswaffe ist hier ein Hochleistungslaserstrahl, der auf ein Testziel gerichtet wird und dort z.B. einen Einbrand in dem Material des Testziels erzeugt. Die Einbrandstelle wird mit der Abbildungsoptik erfasst, und der Zielpunkt der Strahlenwaffe (z.B. der Kreuzungspunkt eines Fadenkreuzes einer Abbildungsoptik) wird bei unveränderter Ausrichtung der Waffe so verstellt, dass der Zielpunkt bei der Betrachtung der Einbrandstelle mit der Zieloptik auf der sich als Ist-Treffpunkt darstellenden Einbrandstelle liegt.
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Bei dem eingangs als per se bekannt bezeichneten Verfahren zur Darstellung der Lage eines Treffpunkts einer eine Wirkstrahloptik und eine Abbildungsoptik aufweisenden Strahlenwaffe wird eine durch die Wirkstrahloptik fokussierte und gerichtete Primärstrahlung der Strahlenwaffe als Wirkstrahl oder Hilfsstrahl ausgelöst. Das mit diesem Wirkstrahl oder Hilfsstrahl bestrahlte Objekt emittiert eine Strahlung, die im Folgenden zur Unterscheidung von der als Primärstrahlung bezeichneten Ausgangsstrahlung der Strahlenwaffe nur als Strahlung bezeichnet wird. Diese Strahlung ist zum Beispiel ein breites Spektrum sichtbaren Lichts und/oder Infrarotstrahlung, die unter Umständen als Folge der Bestrahlung mit der Primärstrahlung emittiert wird, aber zum Beispiel auch reflektiertes Tageslicht sein kann. Diese Strahlung wird von der Abbildungsoptik erfasst und auf eine Kamera eines Bildschirms gerichtet. Dabei wird die Einbrandstelle als Ist-Treffpunkt auf dem Bildschirm abgebildet. Der Bildschirm weist zum Beispiel eine Zielpunktmarkierung in Form eines Fadenkreuzes auf, so dass die Lage des Treffpunktes relativ zu der Zielpunktmarkierung ablesbar ist.
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Bei dem bekannten Verfahren sind zur Zielpunktermittlung scharfe Schüsse / Bestrahlungen von Testzielen im realen Entfernungsbereich der Waffe erforderlich. Hierfür ist ein geeignetes Gelände mit entsprechenden Sicherheitsvorkehrungen für den Waffeneinsatz erforderlich. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass diese Zielpunktermittlung bei bewegter Waffe sehr schwierig ist. Eine Bewegung der Waffe ist zum Beispiel bei Schiffswaffen kaum zu vermeiden.
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Nachteilig ist auch, dass das Verfahren im Einsatzgebiet der Waffe u.U. nicht durchführbar ist, wenn es sich nicht um ein Sperrgebiet handelt. Dann ist z.B. nach einer Waffenreparatur eine genaue Zielpunktermittlung der Strahlenwaffe nicht möglich.
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Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung in der Angabe eines Verfahrens und einer Strahlenwaffe der jeweils eingangs genannten Art, die nicht mit diesen Nachteilen behaftet sind.
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Mit Bezug auf Verfahrensaspekte wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und mit Bezug auf Vorrichtungsaspekte mit den Merkmalen des Anspruchs 2 gelöst. Dabei unterscheidet sich das erfindungsgemäße Verfahren vom Stand der Technik durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1. Diese sehen vor, dass ein Strahlbündelquerschnitt eines aus der Strahlenwaffe austretenden Wirkstrahls oder Hilfsstrahls mit einem den einfallenden Wirkstrahl oder Hilfsstrahl reflektierenden optischen Hilfselement abgedeckt wird. Die Auslösung des Wirkstrahls oder des Hilfsstrahls erfolgt dann bei abgedecktem Strahlbündelquerschnitt, so dass die in diesem Strahlbündelquerschnitt propagierende Primärstrahlung auf das optische Hilfselement trifft und von diesem reflektiert wird. Von dem reflektierenden optischen Hilfselement reflektierte Primärstrahlung des Wirkstrahls oder des Hilfsstrahls wird von der Abbildungsoptik erfasst und auf einen Fleck der Kamera gerichtet. Dieser Fleck wird als ermittelter Ist-Treffpunkt auf dem Bildschirm dargestellt. Die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 2 stellen zu diesen Verfahrensmerkmalen korrespondierende Vorrichtungsmerkmale der Strahlenwaffe dar.
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Bei der Durchführung des Verfahrens ist das Gehäuse lichtdicht geschlossen. Dadurch wird erreicht, dass bei der Durchführung des Verfahrens keine Laserstrahlung austreten kann, so dass keine Sicherheitsmaßnahmen notwendig werden.
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Die Erfindung erlaubt eine Ermittlung und Darstellung des Zielpunktes der Strahlenwaffe, ohne dass dazu Primärstrahlung in Form eines Wirkstrahls oder Hilfsstrahls in die Umgebung abgestrahlt werden muss. Die Ermittlung und Darstellung des Zielpunktes ist zu jeder Zeit mit hoher Genauigkeit, geringem Zeitaufwand und ohne die Umgebung der Strahlenwaffe betreffende Sicherheitsvorkehrungen, wie z.B. Absperrungen, durchführbar. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass eine Ermittlung und Darstellung des Zielpunktes der Strahlenwaffe auch bei bewegter Strahlenwaffe durchführbar ist, ohne dass die Bewegung der Strahlenwaffe die Genauigkeit der Ermittlung und Darstellung des Zielpunktes beeinträchtigt.
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Eine bevorzugte Ausgestaltung der Strahlenwaffe zeichnet sich dadurch aus, dass sie eine Primärstrahlungsquelle und wenigstens einen ein erstes Ende und ein zweites Ende aufweisenden strahlungsleitenden Festkörper sowie einen Wellenlängen- oder Strahl-Teiler aufweist, der ein gemeinsamer Bestandteil der Abbildungsoptik und der Wirkstrahloptik ist, wobei das erste Ende relativ zu der Primärstrahlungsquelle so angeordnet ist, dass von der Primärstrahlungsquelle emittierte Primärstrahlung über das erste Ende in den Festkörper einkoppelbar ist und über das zweite Ende aus dem Festkörper auskoppelbar ist und dass der Wellenlängen- oder Strahl-Teiler in einem Strahlengang der auskoppelbaren Primärstrahlung so angeordnet ist, dass er mit der auskoppelbaren Primärstrahlung beleuchtbar ist.
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Das Verfahren funktioniert aber auch uneingeschränkt ohne einen solchen Festkörper, wenn der Laserstrahl als Freistrahl in die Optik eingeführt wird (Justage auf die optische Achse der Optik). In der Regel wird dann der Laserstrahl als kollimierter Strahl, d.h. Strahl aus parallel ausgerichtetem Licht in die Optik eingekoppelt. Eine Einkopplung eines divergenten Strahls ist auch denkbar. Die Einkopplung als Freistrahl hat Vorteile bei sehr hohen Leistungen, da die mit heute bekannten Fasern übertragbaren Leistungen nach oben beschränkt sind.
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Bevorzugt ist auch, dass die Wirkstrahloptik und die Abbildungsoptik als weitere gemeinsame Bestandteile optische Elemente aufweisen, die zwischen dem Wellenlängen- oder Strahl-Teiler und der Wirkstrahlaustrittsöffnung der Strahlenwaffe liegen.
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Weiter ist bevorzugt, dass die optischen Elemente eine gemeinsame optische Achse aufweisen.
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Die gemeinsamen optischen Elemente sorgen dafür, dass die Zielebene scharf auf die Kamera und den Bildschirm abgebildet wird.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Strahlenwaffe zeichnet sich dadurch aus, dass zu den weiteren gemeinsamen optischen Elementen wenigstens eine erste Teleskopoptik und eine zweite Teleskopoptik gehört.
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Bevorzugt ist auch, dass das optische Hilfselement ein ebener Spiegel ist, der senkrecht zu der optischen Achse angeordnet ist.
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Alternativ dazu ist bevorzugt, dass das optische Hilfselement einen Retroreflektor aufweist, der dazu eingerichtet ist, einfallende Primärstrahlung als reflektierte und in zu Richtungen der einfallenden Primärstrahlung entgegengesetzte Richtungen zu reflektieren.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Strahlenwaffe zeichnet sich dadurch aus, dass die Wirkstrahloptik und die Abbildungsoptik als weiteren gemeinsamen Bestandteil einen Ablenkspiegel aufweisen, der so angeordnet und ausgerichtet ist, dass er vom Wellenlängen- oder Strahl-Teiler her einfallende Primärstrahlung in Richtung zur Wirkstrahlaustrittsöffnung reflektiert und aus der Richtung vom optischen Hilfselement her einfallende reflektierte Strahlung zum Wellenlängen- oder Strahl-Teiler reflektiert.
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Bevorzugt ist auch, dass der Wellenlängen- oder Strahl-Teiler wenigstens einen Teil der vom Ablenkspiegel her einfallenden reflektierten Strahlung auf wenigstens eine Kamera der Abbildungsoptik richtet.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Abbildungsoptik eine erste Kamera und eine zweite Kamera und einen zweiten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler aufweist, der vom ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler her einfallende reflektierte Strahlung in einen reflektierten Anteil und einen transmittierten Anteil trennt und dass die erste Kamera so angeordnet ist, dass sie mit dem reflektierten Anteil beleuchtbar ist und dass die zweite Kamera so angeordnet ist, dass sie mit dem transmittierten Anteil beleuchtbar ist.
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Für die Durchführung des Verfahrens reicht eine einzige Kamera aus. In der Regel wird dies eine sogenannte Fine Tracking Kamera sein. Die Bilder dieser Kamera werden per Software hinsichtlich der Targetposition zur Strahllage (=Fadenkreuz) ausgewertet, die Ablage wird berechnet, und es wird ein Steuersignal für den Ablenkspiegel ausgegeben.
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Eine zweite (oder weitere) Kamera(s) können unabhängig von der ersten Kamera eingesetzt werden. Das Verfahren liefert dann gleichzeitig mit der ersten Kamera auch für diese Kamera den Zielpunkt (Fadenkreuz). In der Regel nutzt die zweite Kamera eine andere Wellenlänge, so dass in der Optik die Strahlengänge durch einen Wellenlängenteilerspiegel getrennt werden. Manchmal erlaubt die Softwareauswertung nicht, dass die Bilder auch für den Beobachter zur Verfügung stehen. Dann kann die zweite Kamera zur Beobachtung genutzt werden. Die zweite Wellenlänge kann unter Umständen bessere Bilder liefern da andere atmosphärische Verhältnisse vorliegen (weniger Streuung, Nebel). Eine zweite Kamera kann eine höhere Auflösung, eine Optik mit stärkerer Vergrößerung für bessere Auflösung oder mit kleinerer Vergrößerung für größeres Bildfeld aufweisen.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Strahlenwaffe zeichnet sich dadurch aus, dass die Ausrichtung des Ablenkspiegels manuell oder automatisch verstellbar ist.
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Bevorzugt ist auch, dass ein optisches Element (Linse oder sphärischer Spiegel) zwischen dem Wellenlängen- oder Strahl-Teiler und einem Umlenkspiegel angeordnet ist und dass ein weiteres optisches Element (Linse oder sphärischer Spiegel) zwischen dem Umlenkspiegel und dem zweitem Wellenlängen- oder Strahl-Teiler angeordnet ist und dass ein zweiter Umlenkspiegel zwischen dem zweiten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler und der ersten Kamera angeordnet ist.
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Weiter ist bevorzugt, dass die Abbildungsoptik und die Wirkstrahloptik in einem Gehäuse angeordnet sind, das eine einen Austritt von Strahlung aus dem Gehäuse und einen Eintritt von Strahlung in das Gehäuse erlaubende Wirkstrahlaustrittsöffnung aufweist und dass das optische Hilfselement in Form eines die Wirkstrahlaustrittsöffnung verschließenden Deckels an einem Rand der Wirkstrahlaustrittsöffnung befestigbar ist.
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Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Strahlenwaffe zeichnet sich dadurch aus, dass das optische Hilfselement unverlierbar und mittels eines Gelenks klappbar befestigt ist, wobei das optische Hilfselement in einer ersten Klappstellung die Wirkstrahlaustrittsöffnung freilässt und in einer zweiten Klappstellung die Wirkstrahlaustrittsöffnung verschließt.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der Beschreibung und den beigefügten Figuren.
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Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen. Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Dabei bezeichnen gleiche Bezugszeichen in verschiedenen Figuren jeweils gleiche oder zumindest ihrer Funktion nach vergleichbare Elemente. Es zeigen, jeweils in schematischer Form:
- 1 eine vereinfachte Darstellung einer Strahlenwaffe als technisches Umfeld der Erfindung mit ausgehender Strahlung;
- 2 die Strahlenwaffe aus der 1 mit eingehender Strahlung;
- 3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Strahlenwaffe;
- 4 ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens; und
- 5 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Strahlenwaffe.
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Im Einzelnen zeigt die 1 eine vereinfachte Darstellung einer Strahlenwaffe 10. Die Strahlenwaffe 10 weist eine Primärstrahlungsquelle 12 und wenigstens einen ein erstes Ende 14 und ein zweites Ende 16 aufweisenden strahlungsleitenden Festkörper 18 sowie einen ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 auf. Die Primärstrahlungsquelle 12 weist bevorzugt einen oder mehrere Laser auf. Der strahlungsleitende Festkörper 18 ist zum Beispiel eine Glasfaser oder ein Glasfaserbündel.
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Die Strahlenwaffe 10 weist eine Wirkstrahloptik 22 und eine Abbildungsoptik 24 auf und ist zur Darstellung der Lage eines Treffpunkts 26 der Strahlenwaffe 10 eingerichtet. Die Wirkstrahloptik 22 ist dazu eingerichtet, als Wirkstrahl 28 oder Hilfsstrahl abzustrahlende Primärstrahlung der Strahlenwaffe 10 in eine Zielebene 30 zu fokussieren und auszurichten. Die Ausrichtung erfolgt zum Beispiel durch einen beweglichen Ablenkspiegel 32.
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Die Abbildungsoptik 24 ist dazu eingerichtet, von einem mit dem Wirkstrahl 28 oder dem Hilfsstrahl bestrahlten Objekt ausgehende Strahlung zu erfassen und auf eine Kamera 34 eines eine Zielpunktmarkierung 36 aufweisenden Bildschirms 38 zu richten. Zu diesem Zweck weist die Strahlenwaffe 10 einen Bildschirm 38 auf. Dabei wird bevorzugt ein vergrößertes, hochaufgelöstes Bild 40 des Treffpunktes 26 auf der Kamera 34 und dem Bildschirm 38 erzeugt. Die Abbildungsoptik 24 weist neben der Kamera 34 und dem Bildschirm 38 als nicht auch zur Wirkstrahloptik zugehöriges optisches Element eine Abbildungsoptik 35 auf.
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Der erste Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 ist ein gemeinsamer Bestandteil der Abbildungsoptik 24 und der Wirkstrahloptik 22. Der Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 basiert zum Beispiel auf einer Umkehrung einer Wellenlängenkopplung. Solche Wellenlängenteiler ( = Wellenlängenkoppler in Umkehrung) sind bekannt. Bekannte Wellenlängenteiler weisen eine spezielle Spiegelschicht auf, die auf ein Glassubstrat aufgedampft wurde. Diese Schicht reflektiert Licht mit Wellenlängen aus einem bestimmten Wellenlängenbereich und transmittiert Licht mit Wellenlängen aus einem anderen Wellenlängenbereich. Solche Spiegel sind dem Fachmann bekannt und kommerziell erhältlich (z.B. Fa. Laseroptik, Garbsen)
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Beim Gegenstand der 1 reflektiert der Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 die Wellenlänge des Wirklasers und transmittiert die Wellenlänge des Beleuchtungslasers (Hilfslaser). Der Beleuchtungslaser ist ein unabhängiger Laser, der mitbewegt wird, so dass er das Zielgebiet mit dem Target großflächig beleuchtet ( wie ein Scheinwerfer). Man kann alternativ dazu auch ohne Beleuchtungslaser und bei irgendeiner Wellenlänge für das Kamerabild arbeiten, wenn genug Tageslicht vorhanden ist. Theoretisch könnte die Kamera auch eine Thermokamera sein und man arbeitet mit Wärmestrahlung im nahen oder weiten Infrarot. Prinzipiell ist es auch möglich das Kamerabild in einem Wellenlängenbereich zu erzeugen in dem auch die Wirklaserwellenlänge liegt. Das Element 20 ist dann kein Wellenlängenteiler sondern ein Strahlteiler. D.h., dass das Element 20 sehr Licht (99%) reflektiert (nämlich den Laser) und nur einen kleinen Teil (1%) zur Kamera durchlässt.
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Generell können aber auch nach anderen Prinzipien arbeitende Wellenlängenteiler zum Einsatz kommen.
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Das erste Ende 14 des strahlungsleitenden Festkörpers 18 ist relativ zu der Primärstrahlungsquelle 12 so angeordnet, dass von der Primärstrahlungsquelle 12 emittierte Primärstrahlung über das erste Ende 14 in den Festkörper 18 einkoppelbar ist, und das zweite Ende 16 ist relativ zum ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 so angeordnet, dass im Festkörper 18 propagierende Primärstrahlung über das zweite Ende 16 aus dem Festkörper 18 auskoppelbar ist und dass der erste Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 mit der auskoppelbaren Primärstrahlung beleuchtbar ist. Eine zwischen dem zweiten Ende 16 und dem ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 angeordnete Kollimationsoptik 42 bündelt die aus dem zweiten Ende 16 austretende Primärstrahlung. Die Kollimationsoptik 42 ist ein optisches Element der Wirkstrahloptik 22, das nicht auch zur Abbildungsoptik 24 gehört.
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Die Abbildungsoptik 24 und die Wirkstrahloptik 22 sind in einem Gehäuse 50 angeordnet. Das Gehäuse 50 weist eine Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 auf, die einen Austritt von Strahlung aus dem Gehäuse 50 und einen Eintritt von Strahlung in das Gehäuse 50 erlaubt.
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Die Wirkstrahloptik 22 und die Abbildungsoptik 24 weisen neben dem ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 und dem Ablenkspiegel 32 weitere gemeinsame optische Elemente auf, die zwischen dem ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 und der Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 liegen. Die weiteren gemeinsamen optischen Elemente sind wenigstens eine erste Teleskopoptik 46 und eine zweite Teleskopoptik 48. Die gemeinsamen optischen Elemente weisen eine gemeinsame optische Achse 51 auf. Die gemeinsamen optischen Elemente sorgen aufgrund ihrer gemeinsamen optischen Achse 51 dafür, dass die Zielebene 30 (Laserfokusebene) scharf auf die Kamera 34 abgebildet wird.
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Wie eingangs erwähnt, erfolgt bei der konventionellen Ermittlung des Zielpunktes 26 eine Bestrahlung eines Testziels 52, das sich in einem großen Abstand, z.B. in einem Abstand von mehreren hundert Metern oder einigen Kilometern von der Strahlenwaffe 10 entfernt befindet.
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1 zeigt eine Strahlenwaffe 10 mit einem Wirkstrahl 28 oder Hilfsstrahl, der auf ein entferntes Testziel 52 gerichtet ist und dort eine Einbrandstelle erzeugt. Dieser Einbrand, der den Ist-Treffpunkt 26 markiert, wird von der Kamera 34 der Abbildungsoptik 24 erfasst und als Bild 40 des Treffpunktes 26 auf dem Bildschirm 38 dargestellt.
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2 zeigt die Strahlenwaffe aus der 1 mit einem Strahlengang von Strahlung 54, die in zur Richtung des Wirkstrahls 28 umgekehrter Richtung von dem Testziel 52 ausgeht und durch die Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 der Strahlenwaffe 10 in die Abbildungsoptik 24 der Strahlenwaffe 10 eintritt. Bei dieser Strahlung 54 handelt es sich zum Beispiel um sichtbares Licht oder Infrarotstrahlung. Diese Strahlung kann sich als Folge einer Bestrahlung mit der Primärstrahlung einstellen, sie kann aber auch von der Primärstrahlung unabhängig emittiert werden, zum Beispiel als Temperaturstrahlung oder reflektiertes Tageslicht.
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Die 1 zeigt, dass das zweite Ende 16 des strahlungsleitenden Festkörpers, das gewissermaßen die Quelle der Primärstrahlung für die Strahlenwaffe 10 darstellt, durch eine erste Abbildung in die Zielebene 30 abgebildet wird. Die erste Abbildung wird durch den Wirkstrahl 28 vermittelt. Das in der Zielebene 30 liegende Bild entspricht dem Treffpunkt 26 auf dem Testziel 52.
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2 zeigt dieselbe Struktur wie die 1 mit einem Strahlengang umgekehrter Richtung. 2 verdeutlicht damit, dass dieser Treffpunkt 26 in einer zweiten optischen Abbildung durch die Abbildungsoptik 24 scharf auf die Kamera 34 abgebildet wird und als Bild 40 des Treffpunktes 26 auf dem Bildschirm 38 dargestellt wird. Diese zweifache optische Abbildung kann gewissermaßen als indirekte Abbildung des zweiten Endes 16 des strahlungsleitenden Festkörpers 18 betrachtet werden.
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3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Strahlenwaffe 10. Diese Strahlenwaffe 10 weist sämtliche Elemente der mit Bezug auf die 1 und 2 erläuterten Strahlenwaffe 10 auf und unterscheidet sich von dieser durch ein zusätzliches optisches Hilfselement 56.
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Dieses optische Hilfselement 56 zeichnet sich dadurch aus, dass es durch seine Form und Abmessungen sowie Anordnung dazu eingerichtet ist, einen Strahlbündelquerschnitt eines aus der Strahlenwaffe 10 austretenden Wirkstrahls 28 oder Hilfsstrahls abzudecken und aus der Strahlenwaffe 10 heraus gerichtete Primärstrahlung in die Abbildungsoptik 24 der Strahlenwaffe 10 zu reflektieren. Die Abbildungsoptik 24 ist dazu eingerichtet, von dem reflektierenden optischen Hilfselement 56 reflektierte primäre Strahlung des Wirkstrahls 28 oder des Hilfsstrahls zu erfassen und als Bild des zweiten Endes 16 auf die Kamera 34 zu richten und dieses Bild als Treffpunkt 40 auf dem Bildschirm 38 darzustellen.
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Das optische Hilfselement 56 ist in einer Ausgestaltung ein ebener Spiegel 58, der senkrecht zu der optischen Achse 51 angeordnet ist. Dazu muss der Spiegel den Strahl exakt in sich selbst reflektieren. Dafür müsste der Spiegel im Winkel genau justiert werden, was nicht einfach ist. Daher wird man als Hilfselement bevorzugt einen Retroreflektor 60 verwenden: Der Retroreflektor reflektiert den Strahl ohne Winkeljustage in sich selbst. Ein Retroreflektor ist eine Vorrichtung, die einfallende elektromagnetische Strahlung weitgehend unabhängig von deren Einfallsrichtung sowie der Ausrichtung des Retroreflektors in die Richtung reflektiert, aus der die Strahlung einfällt. Ein einfallender Strahl wird lateral versetzt um 180° reflektiert. Ein solcher Retroreflektor 60 ist daher dazu eingerichtet, einfallende Primärstrahlung als reflektierte und in zu Richtungen der einfallenden Primärstrahlung entgegengesetzte Richtungen zu reflektieren.
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Für die Durchführung des Verfahrens reicht es aus, nur einen Teilbereich des Strahls zurück zu reflektieren (der Rest trifft dann auf den Deckel). Das heißt, dass Retroreflektor einen viel kleineren Durchmesser als der Strahldurchmesser haben kann.
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Der Retroreflektor muss nicht zwingend in der Strahlmitte positioniert werden, es ist auch ein kleiner Retrorefelktor im äußeren Strahlbereich möglich.
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Die 3 zeigt einen großen Retroreflektor (Fläche entspricht der lichten Weite der Gehäuseöffnung), der auf den Strahl zentriert ist. Diese Lösung liefert vielleicht die die größte Genauigkeit. Es funktioniert aber auch mit einem kleinen Retroreflektor, der nicht zentriert ist. Es reicht zum Beispiel aus, einen kleinen Retroreflektor auf die Innenseite des Deckels zu kleben. Für das Verfahren wor der Deckel dann lichtdicht geschlossen. Da es für den Retroreflektor keine Winkel- oder Positionsanforderungen gibt, kann das Verfahren ohne Justagen sofort durchgeführt werden.
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Das optische Hilfselement 56 ist bevorzugt in Form eines die Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 verschließenden Deckels an einem Rand der Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 befestigbar. Eine solche Befestigung kann auf verschiedene Arten und Weisen erfolgen, zum Beispiel durch Schrauben oder Klammern. In jedem Fall muss es sich um lösbare Befestigungen handeln.
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In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das optische Hilfselement 56 unverlierbar und mittels eines Gelenks 62 klappbar an dem Gehäuse 50 befestigt. Dabei lässt das optische Hilfselement 56 in einer ersten Klappstellung die Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 frei, und in einer zweiten Klappstellung verschließt es die Wirkstrahlaustrittsöffnung 44. Die erste Klappstellung wird in der 3 durch die gestrichelte Darstellung des optischen Hilfselements 56 repräsentiert. Die zweite Klappstellung wird in der 3 durch die durchgezogene Darstellung des optischen Hilfselements 56 repräsentiert. Die reflektierende Seite des optischen Hilfselements 56 ist auf der Seite des optischen Hilfselements 56 angeordnet, die im geschlossenen Zustand dem Inneren des Gehäuses 50 zugewandt ist. Alternativ zu dem beschriebenen drehbaren Deckel sind auch andere Ausführungen möglich wie z.B. ein Schiebeverschluss, oder ein zur Seite wegschwenkender Verschluss. Der Verschluss ist bevorzugt so konstruiert, dass das Gehäuse bei der Durchführung des Verfahrens lichtdicht geschlossen ist. Der Verschluss eines das Gehäuse schließenden Deckels wird bevorzugt sicherheitsrelevant überwacht. Dadurch wird erreicht, dass bei der Durchführung des Verfahrens keine Laserstrahlung austreten kann, so dass keine Sicherheitsmaßnahmen notwendig werden.
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Im Gegensatz zu den 1 und 2, die gemeinsam eine indirekte Abbildung des Strahlaustritts der Primärstrahlung auf eine Kamera 34 zeigen, zeigt die 3 eine direkte optische Abbildung des Strahlaustritts des zweiten Endes 16 (oder des Strahlaustritts eines zum Wirkstrahl kollinearen Hilfsstrahls) auf die Kamera 34. Die direkte optische Abbildung erfolgt mit Hilfe des optischen Hilfselements 56. Das optische Hilfselement 56 wird dazu direkt vor der Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 der Strahlenwaffe 10 angeordnet und reflektiert den aus der Wirkstrahlaustrittsöffnung 44 austretenden Wirkstrahl 28 an der optischen Achse 51 entlang in den gemeinsamen Teil der Abbildungsoptik 24 und der Wirkstrahloptik 22 zurück. Die Richtung der auf das optische Hilfselement 56 einfallenden Strahlen wird bei der Reflexion am optischen Hilfselement 56 umgekehrt, so dass die reflektierte Strahlung in der Abbildungsoptik 24 so zu der Kamera 34 propagiert, als wenn diese Strahlung von einem entfernten Testziel stammen würde, das sich in einem entfernten Testziel-seitigen Brennpunkt des Wirkstrahls 28 befindet.
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Die direkte Abbildung erfolgt damit so, dass das direkte optische Bild des Strahlaustritts des Wirkstrahls oder Hilfsstrahls (also des zweiten Endes 16) dem Bild des Auftreffpunkts 26 des Wirkstrahls 28 auf ein entferntes Testziel 52 entspricht. Daher kann das so erzeugte Bild des zweiten Endes 16 zur Ermittlung und Darstellung des Ist-Treffpunktes dienen.
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Dieses optische Verfahren kann so ausgeführt werden, dass der Wirkstrahl 28 das Gehäuse 50 nicht verlasst, so dass zur Ausführung kein Versuchsplatz benötigt wird und keine Sicherheitsvorkehrungen zu treffen sind.
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In dem hier beschriebenen Fall wird der Wirkstrahl eines oder mehrerer Laser mit einer Glasfaser oder einem Bündel von Glasfasern zur Wirkstrahloptik geführt. Die optische Abbildung ist in diesem Fall gleichbedeutend mit der Abbildung des zweiten Endes 16, an dem Primärstrahlung aus einer Faserendfläche austritt. In diesem Fall kann auch ein Laserstrahl anderer Wellenlänge (Hilfsstrahl, Pilotlaser) zur direkten Abbildung auf die Kamera genutzt werden.
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Die Strahlführung des Laserstrahls von der Laserstrahlquelle zur Optik erfolgt in einer alternativen Ausgestaltung ohne Faser. Der Laserstrahl wird dann als Freistrahl in die Optik eingeführt. Die Justage erfolgt dann auf die optische Achse der Optik. In der Regel wird dann der Laserstrahl als kollimierter Strahl aus parallelem Licht in die Optik eingekoppelt. Dann entfällt die Kollimationsoptik (42). Die Einkopplung eines divergenten Strahls ist auch denkbar.
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4 zeigt ein Flussdiagramm als Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Darstellung der Lage eines Treffpunkts einer eine Wirkstrahloptik 22 und eine Abbildungsoptik 24 aufweisenden Strahlenwaffe 10.
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In einem ersten Schritt 100 wird ein Strahlbündelquerschnitt eines aus der Strahlenwaffe 10 austretenden Wirkstrahls 28 oder Hilfsstrahls mit einem den einfallenden Wirkstrahl 28 oder Hilfsstrahl reflektierenden optischen Hilfselement 56 abgedeckt.
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In einem zweiten Schritt 102 erfolgt die Auslösung des Wirkstrahls 28 oder des Hilfsstrahls bei abgedecktem Strahlbündelquerschnitt.
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In einem dritten Schritt 104 wird von einem mit dem Wirkstrahl 28 oder Hilfsstrahl bestrahlten Objekt ausgehende Strahlung von der Abbildungsoptik 24 erfasst und auf eine Kamera 34 eines Bildschirms 38 gerichtet, der eine Zielpunktmarkierung 36 aufweist. Beim Stand der Technik ist das bestrahlte Objekt ein entferntes Testziel 26. Bei der vorliegenden Erfindung ist das Objekt das optische Hilfselement 56.
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In einem vierten Schritt 106 wird der von der Kamera 34 erzeugte Strahlungsfleck als Ist-Treffpunkt 40 auf dem Bildschirm 38 dargestellt.
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Im Folgenden wird unter Bezug auf die 5 eine weitere Ausgestaltung einer erfindungsgemäßen Strahlenwaffe erläutert.
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Die Wirkstrahloptik 22 und die Abbildungsoptik 24 weisen als gemeinsamen Bestandteil den Ablenkspiegel 32 auf, der so angeordnet und ausgerichtet ist, dass er vom ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 her einfallende Primärstrahlung in Richtung zur ersten Teleskopoptik 46 reflektiert und aus der Richtung vom optischen Hilfselement 56 her einfallende reflektierte Strahlung zum ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 reflektiert.
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Der erste Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 richtet wenigstens einen Teil der vom Ablenkspiegel 32 her einfallenden reflektierten Strahlung auf wenigstens eine Kamera 34, 34' der Abbildungsoptik.
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Die Abbildungsoptik weist eine erste Kamera 34 und eine zweite Kamera 34' und einen zweiten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 64 auf, der vom ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 her einfallende reflektierte Strahlung in einen reflektierten Anteil und einen transmittierten Anteil trennt.
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Die erste Kamera 34 ist so angeordnet, dass sie mit dem reflektierten Anteil beleuchtbar ist, und die zweite Kamera 34' ist so angeordnet, dass sie mit dem transmittierten Anteil beleuchtbar ist.
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Die Ausrichtung des Ablenkspiegels 32 ist in einer Ausgestaltung manuell oder automatisch verstellbar. Ein optisches Element 66 ist zwischen dem ersten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 20 und einem Umlenkspiegel 68 angeordnet. Ein weiteres optisches Element 70 ist zwischen dem Umlenkspiegel 68 und dem zweitem Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 64 angeordnet. Ein zweiter Umlenkspiegel 72 ist zwischen dem zweiten Wellenlängen- oder Strahl-Teiler 64 und der ersten Kamera angeordnet. Die optischen Elemente können jeweils als Linse oder als sphärische Spiegel verwirklicht sein. Die Teleskopoptiken, Kollimationsoptiken und Abbildungsoptiken können ebenfalls jeweils als Linsen oder sphärische Spiegel verwirklicht sein.
