DE2158462A1

DE2158462A1 - Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich

Info

Publication number: DE2158462A1
Application number: DE19712158462
Authority: DE
Inventors: Heinrich de; Roos Pieter; Eindhoven Brey (Niederlande)
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1972-06-15
Also published as: FR2116515A1; US3745347A; DE2158462C3; GB1377633A; JPS539096B1; FR2116515B1; DE2158462B2; NL7017658A; CH545977A

Description

■ Pi-IN'15317.

. Herfcert SchoU

Anma'i- N- Y. Philips' GloellampenfabriefcsB

PHU- 5317

...... . 20. KoTc 1971

Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich. ·

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten und einem zweiten Spiegel und mindestens einem Korrekturelement zusammengesetzt ist.

Derartige Fernrohre werden oft dazu verwendet, in der Nacht bei geringer Szenenbeleuchtung Beobachtung zu ermöglichen. Zu diesem Zweck sind die Nachtgläser mit einer Helligkeitsverstärkerröhre versehen, die das nachts vorhandene Licht des Mondes und der Sterne verstärkt, so dass ein Bild mit hoher Leuchtdichte erhalten wird.

Das Licht des Mondes und der Sterne kann aber nur in geringem Masse durch ein Laubdach hindurchdringen, so dass unter Bäumen oder hinter Sträuchern befindliche Gegenstände

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nahezu nicht oder gar nicht sichtbar sind. Mit einem derartigen Nacht fernrohr lässt sich auch kaum etwas beobachten, wenn das Licht des Mondes und der Sterne schwach ist.

Die Erfindung hat den Zweck, ein.verbessertes Fernrohr zu schaffen. Das Fernrohr nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung enthält, die anzeigt, ob sich im mittleren Teil des Gesichtsfeldes des Fernrohres ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur befindet, welche Vorrichtung aus einem optischen Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung besteht, dessen optische Achse mit der optischen Achse des Abbildungssystems für die sichtbare Strahlung zusammenfällt, und ferner aus einem für die Infrarotstrahlung empfindlichen Detektionssystera und aus einem von diesem Detektionssystem gesteuerten Anzeigesystem, das einen Lichtfleck in dem .mittleren Teil des von dem Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes projizieren kann. Unter "Infrarotstrahlung" ist hier Strahlung zu verstehen, deren Wellenlänge in dem Bereich von 1 - 15 /um liegt. Mit diesem Fernrohr kann nachts auf übliche ¥eise ein Gebiet abgetastet werden. Sobald in der Mitte des Gesichtsfeldes des Fernrohres ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur, wie ein Lebewesen oder ein Fahrzeug, erscheint, wird ein Lichtfleck im Bildfeld des Beobachters projiziert. Der Beobachter weiss dann, dass sein Fernrohr auf einen Gegenstand gerichtet ist, obgleich er die Abbildung dieses Gegenstandes in erster Linie nicht mit dem System für sichtbare Strahlung beobachten kann.

Das Fernrohr lässt sich also als Riehtfernrohr

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verwenden. Wegen der koaxialen Bauart der Systeme für Infrarotstrahlung und für sichtbare Strahlung weist das Fernrohr geringe Abmessungen auf, so dass es leicht auf Feuerwaffen montiert werden kann. Das Fernrohr bietet 'aber auch zur ordentlichen Beobachtung von Gegenständen mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur Vorteile. Die Möglichkeit, dass man.einen Gegenstand beobachten kann, ist ja grosser, wenn man weiss, dass es in der Tat einen Gegenstand gibt, als wenn man der Anwesenheit eines Gegenstandes nicht gewiss ist. Ein Fernrohr nach der Erfindung mit geeigneten an das Tageslicht angepassten Filtern kann auch dazu verwendet werden, tagsüber getarnte warme Gegenstände aufzuspüren .

Es sei bemerkt, dass es u.a. aus der britischen Patentschrift 1.150.976 bekannt ist, ein Fernrohr für sichtbare Strahlung mit einem Infrarotsystem zu kombinieren, in dem eine Quelle sichtbarer Strahlung von einer für Infrarotstrahlung empfindlichen Detektorzelle gesteuert wird. Das Infrarotsystem der bekannten Vorrichtung dient zur Erzeugung eines vollständigen Infrarotbildes der zu beobachtenden Szene. Die Bilder des Systems für sichtbare Strahlung und des Systems für Infrarotstrahlung werden einander überlagert. Die bekannte Vorrichtung liefert eine grosse Menge Information, aber ist auch verwickelt und kostspielig. Es liegt der Bedarf an einem verbesserten Nachtfernrohr für sichtbare Strahlung vor, das kein Infrarotbild der Szene zu erzeugen braucht und das einfach und nicht ausserordentlich teuer ist. Das Fernrohr nach der Erfindung kommt diesem Bedarf entgegen,

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indem ein Hilfsaystem benutzt wird, das auf Infrarotstrahlung anspricht. In dem Fernrohr der britischen Patentschrift 1.15Ο£76 sind die Systeme für sichtbare Strahlung und für Infrarotstrahlung zueinander parallel angeordnet, wahrend in dem Fernrohr nach der Erfindung diese Systeme koaxial angeordnet und teilweise ineinander eingebaut sind.

Es sei bemerkt, dass es aus der deutschen Patentschrift 1.230.592 bekannt ist, die optischen Achsen des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung und des Aufnahmesysteins für Infrarotstrahlung zusammenfallen zu lassen. Auch in diesem Falle erzeugt aber das Infrarotsystem ein vollständiges Bild der zu beobachtenden Szene. Ausserdem werden nicht gleichzeitig ein Bild in sichtbarer Strahlung und ein Bild in Infrarotstrahlung erzeugt.

Eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Fernrohres nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung nacheinander ein für Infrarotstrahlung durchlassiges in einer mittleren Oeffnung des Korrekturelements für sichtbare Strahlung angebrachtes Objektiv und einen flachen Spiegel enthält, und'dass das Anzeigesystem einen flachen Spiegel enthält_r der die von einer Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung der Mitte des von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung erzeugten Bildes reflektieren kann.

Vorzugsweise können dabei die flachen Spiegel des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung und des Anzeigesystems über einen kleinen Winkel um eine zu der optischen Achse des Objektivs senkrechte Achse schwingen. Dadurch kann das

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Gesichtsfeld über einen kleinen ¥inkel in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung abgetastet werden.' Diese Spiegel haben keine bilderzeugende Punktion, wie dies z.B. bei dem Hohlspiegel nach der britischen Patentschrift 1.150.976 der Fall ist.

Eine zweite Ausftihrungsform eines Fernrohres nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung eine auf dem Korrekturelement angebrachte bichromatische Spiegelschicht enthält, die die Infrarotstrahlung grösstenteils zu dem Detektionssystera reflektiert und die sichtbare Strahlung grösstenteils durchlässt.

Dabei können die zur Verarbeitung der sichtbaren Strahlung benötigten optischen Oberflächen alle auf einem einzigen Körper aus einem die sichtbare Strahlung grösstenteils durchlassenden Material angebracht sein.

In einer weiteren Ausführungsform eines Fernrohres nach der Erfindung enthält das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung die Elemente des Abbildungssystems für sichtbare ( Strahlung und besteht der letzte Spiegel im Strahlengang aus einem die sichtbare Strahlung reflektierenden und die Infrarotstrahlung durchlassenden Material.

Ausser einer ersten Detektorzelle kann das Detektionssyatem für Infrarotstrahlung auch noch eine oder mehrere. Referenzdetektorzellen enthalten. Mit Hilf· dieser Referenzzellen kann der Einfluss der Infrarot-Hintergrundstrahlung in bezug auf die Strahlung des zu erkennenden Gegenstandes in einer geeigneten elektronischen Schaltung eliminiert werden.

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Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ausführungsform eines Fernrohres nach der Erfindung, in der das Abbildungssystem für sichtbare Strahlung und das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung voreinander getrennt sind, und

Fig. 2_t 3 und h Ausführungsformen, in denen diese Systeme zusammengebaut sind.

In diesen Figuren sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In dem Fernrohr nach Fig. 1 ist eine gesonderte

Linse 6 für Infrarotstrahlung angebracht. Das Abbildungssystem für die sichtbare Strahlung wird durch einen sphärischen Hohlspiegel 1 und einen flachen Spiegel 2 gebildet. Die asphärische Korrekturplatte 3 bewirkt eine Korrektur für die sphärische Aberration der Spiegel 1 und 2. Die beispielsweise dargestellten Strahlen 20, 21 und 22 werden vom Spiegel 1 zu dem Spiegel 2 reflektiert. Der Spiegel 2 reflektiert seinerseits diese Strahlen zu der Photokathode 12 der

rl

Helligkeitsveretärkerröhre 4. Das verstärkte Bild wird von dem Okular 5 beobachtet.

In einer Oeffnung der Korrekturplatte 3 rings um die optische Achse 00' ist ein Infrarotobjektiv 6 angebracht.

Dieses Objektiv ist aus einem Material mit einer befriedigenden Durchlässigkeit in dem WellenlÄngenbereich von 1 - 15,um, wi· Zinksulfid, hergestellt. Die durch das Objektiv hindurchtretenden Infrarotstrahlen werden von dem Element 7, dessen dem Objektiv zugewandte Oberfläche mit Aluminium

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überzogen sein kann, zu dein Infrarotdetektor 8 reflektiert. Das Ausgangesignal dieses Detektors wird in einer nicht dargestellten Verstärkerschaltung verstärkt und das verstärkte Signal steuert die Lichtquelle 9# die z.B eine GaAa-Photodiode ist und sichtbare Strahlung emittiert.

Die von der Photodiode 9 emittierten Strahlen werden von einem Spiegel für sichtbares Licht zu der Photokathode der HelllgkeitsverstSrkerröhre k reflektiert. Dieser Spiegel kann durch die von dem Objektiv 6 abgekehrte und mit einer .reflektierenden Schicht versehene Oberflfiche des Elements 7 gebildet werden. Die Linsen 10 und 11 sichern eine scharfe Abbildung auf der Photokathode.

Um mit dem Wärmedetektionssystem einen bestimmten Teil eines Gebietes schnell absuchen zu können, ist das Element 7 schwingbar um eine zu der Zeichnungsebene senkrechte Achse angebracht, wie mit dem Pfeil 1U angedeutet ist. Das Element 7 schwingt z.B. über einen Winkel von V₁ so dass vertikal ein Gebiet von 2* abgetastet wird. Der Durchmesser des Gesichtsfeldes des Systems für sichtbare Strahlung umfasst einen Winkel von 10°.

Durch Kombination des rotierenden flachen Spiegels des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung mit dem Spiegel des Anzeigesystems sind diese Systeme direkt miteinander gekoppelt, so dass die Form der Schwingungsbewegung nicht wesentlich ist. Das Element 7 kann auf einfache Weise in Schwingung versetzt werden; ein Magnet mit einer Spule und einem Schwingkreis ist genügend«

Das Gesamtbild eines Fernrohres besteht also aus

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- 8 -■ ρτίΝ. 531 7.

dem Normalbild eines Fernrohres für sichtbare Strahlung, dem bei drehbarem Element 7 eine helle Linie oder bei stillstehendem Element 7 ein Lichtpunkt überlagert ist. Für das obenbeschriebene Fernrohr ist der minimal zu detektierende Temperaturunterschied bei einem geometrischen Auflösungsvermögen von 5 mrad etwa 0,5⁰C.

In dem Fernrohr nach Fig. 1 ist das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung getrennt. In den AusfOhrungsformen nach den Fig. 2, 3 und k bilden eines oder mehrere Elemente des Systems für sichtbare Strahlung zugleich einen Teil des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung,

So ist in dem Fernrohr nach Fig. 2 das Korrekturelement 3 mit einer bichromatischen Spiegelschicht 17 versehen. Die Strahlen 23 und 2h mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlaufen den gleichen Weg im Fernrohr wie in Fig. 1, weil die Schicht 17 die sichtbare Strahlung nahezu völlig durchlässt. Die Infrarotstrahlen 25 und 26 werden aber von der Schicht 17 nahezu völlig zu der Detektorzelle 15 der Detektionseinrichtung 8 reflektiert. Im Zusammenhang⁷ mit der Fokussierung auf die Detektorzelle ist die Oberfläche des Korrekturelements, auf der die Schicht 17 angebracht ist, parabolisch gestaltet.

Das Gesichtsfeld des Fernrohres für sichtbare Strahlung ist etwa 10 mal grosser als das Gesichtsfeld des Wärmedetektors. Dadurch wird erreicht, dass in der Mitte des Helligkeitsverstärkerbildes ein kleines Gebiet mit thermischer

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- 9 - PJTN. 53¹· 7.

Information geliefert wird.

Zu dem Zeitpunkt, zu dem die empfangene Wärmestrahlung eine bestimmte Intensität überschreitet, wird eine Vorrichtung 18 eingeschaltet. In dieser Vorrichtung wird sichtbare Strahlung erzeugt und mittels eines geeigneten optischen Systems als ein Lichtfleck auf dem Schirm 13 der Helligkeit sver stärkerrßhre h abgebildet.

Dadurch, dass neben der eigentlichen Sipnaldetektionszelle 14 eine oder mehrere Referenzzellen, wie die Zelle 16, verwendet und Ausgangssignale der Zellen auf elektronischem Wege miteinander verglichen werden, kann der Einfluss von Hintergrundstrahlung eliminiert werden.

Auch können, wie in Fig. 3 dargestellt ist, die zur Abbildung einer Szene auf der Photokathode der Helligkeitsverstärkerröhre benötigten optischen Oberflächen auf einem einzigen Körper 19 angebracht werden. Dieser Körper 19 kann aus Polymethylmetacrylat bestehen, das eine geringe Absorption für sichtbare Strahlung aufweist.

In dem Fernrohr nach Fig. k ist die Detektionseinrichtung 8 in dem Strahlengang hinter dem flachen Spiegel 2 angeordnet. Das Korrekturelement 3 ist eine Schmitt-Platte mit einer asphärischen Oberfläche und besteht aus einem Material, das für sichtbare Strahlung sowie für Infrarotstrahlung eine geringe Absorption aufweist, z.B. Zinkselenid. Der flache Spiegel 2 besteht aus einem Material mit einer geringen Absorption für Infrarotstrahlung, z.B. Zinksulfid«, Dieser Spiegel ist mit einer bichromatischen Spiegelschicht versehen, die die sichtbare Strahlung grösstenteils reflektiert, aber die Infrarotstrahlung grösstenteils durchlässt.

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Claims

- 10 - PHX.53¹

PATENTANSPRUECHE{

'1 J Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten und einem zweiten Spiegel und mindestens einem Korrekturelement zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass es eine Vorrichtung enthält, die anzeigt, ob sich in dem mittleren Teil des Gesichtsfeldes des Fernrohres ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur befindet, welche Vorrichtung aus einem optischem Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung besteht, dessen optische Achse mit der optischen Achse des Abbildungssystems für die sichtbare Strahlung zusammenfällt, und ferner aus einem für die Infrarotstrahlung empfindlichen Detektionssystem und aus einem von diesem Detektionssystem gesteuerten Anzeigesystem, das einen Lichtfleck in dem mittleren Teil des von dem Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes projizieren kann.
2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung nacheinander ein für Infrarotstrahlung durchlässiges in einer mittleren Oeffnung des Korrekturelements für sichtbare Strahlung angebrachtes Objektiv und einen flachen Spiegel enthält, und dass das Anzeigesystem einen flachen Spiegel enthält, der die von einer Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung zu der Mitte des von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung erzeugten Bildes reflektieren kann.
3· Fernrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,

dass die flachen Spiegel de· Aufnahmesystems für Infrarot-

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Strahlung und des Anzeigesystems über einen kleinen Winkel um eine zu der optischen Achse des Objektivs senkrechte Achse schwingen können.
4. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung eine auf dem Korrekturelement angebrachte bichromatische Spiegelschicht enthält, die die Infrarotstrahlung grösstenteils zu dem Detektionssystem reflektiert und die sichtbare Strahlung grösstenteils durchlasst.
5. Fernrohr nach Anspruch h, dadurch gekennzeichnet, dass die zur Verarbeitung der sichtbaren Strahlung benötigten optischen Oberflächen alle auf einem einzigen Körper aus einem die sichtbare Strahlung grösstenteils durchlassenden Material angebracht sind.
6. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung die Elemente des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung enthalt, und dass der letzte Spiegel im Strahlengang aus einem die sichtbare Strahlung reflektierenden und die Infrarotstrahlung durchlassenden Material besteht.

7· . Fernrohr nach Anspruch k_t 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Detektionssystem für Infrarotstrahlung ausser einer Signaldetektorzelle mindestens eine Referenzdetektorzelle enthalt.

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