DE2158462B2

DE2158462B2 - Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich

Info

Publication number: DE2158462B2
Application number: DE2158462A
Authority: DE
Inventors: Heinrich De Brey; Pieter Roos
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1978-04-20
Also published as: DE2158462A1; DE2158462C3; US3745347A; GB1377633A; NL7017658A; FR2116515B1; JPS539096B1; FR2116515A1; CH545977A

Description

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 für die sphärische Aberration an den Spiegeln zusammengesetzt ist.

s 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

ίο 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

i^r> Gegenstände nahezu nicht oder gar nicht sichtbar sind. Mit einem derartigen Nachtfernrohr 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 in der Mitte des Gesichtsfeldes des Fernrohres ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Tempe-

2^r> ratur befindet, daß die Vorrichtung aus einem optischen Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung besteht, dessen optische Achse mit der optischen Achse des Abbildungssystems für die sichtbare Strahlung nach Lage und Richtung übereinstimmt, und ferner aus einem für die

JO Infrarotstrahlung empfindlichen Detektionssystem und aus einem hiervon gesteuerten Anzeigesystem, das einen Lichtfleck in dem mittleren Teil des von dem Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes projiziert.

Unter »Infrarotstrahlung« ist hier Strahlung zu

3^r> verstehen, deren Wellenlänge in dem Bereich von 1 — 15μπι liegt. Mit diesem Fernrohr kann nachts auf übliche Weise ein Gebiet abgetastet werden. Sobald in der Mitte des Gesichtsfeldes des Fernrohrs 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 Richtfernrohr 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 größer, 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

ω Filtern kann auch dazu verwendet werden, tagsüber getarnte warme Gegenstände aufzuspüren.

Es sei bemerkt, daß es u. a. aus der britischen Patentschrift 11 50 976 bekannt ist, ein Fernrohr für sichtbare Strahlung mit einem Infrarotsystem zu

"^r> 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 riss Systems für sichtbare Strahlung und des Systems für Infrarotstrahlung werden einander überlagert. Die bekannte Vorrichtung liefert eine große Menge Information ist aber, 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, indem ein Hilfssystcm benutzt wird, das auf Infrarotstrahlung anspricht. In dem Fernrohr der britischen Patentschrift

11 50 976 sind die Systeme für sichtbare Strahlung und für Infrarotstrahlung zueinander parallel angeordnet, während in dem Fernrohr nach der Erfindung diese Systeme koaxial angeordnet und teilweise ineinander eingebaut sind.

Es sei bemerkt, daß es aus der deutschen Patentschrift

12 30 592 bekannt ist, die optischen Achsen des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung und des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung zusammenfallen zu lassen. Auch in diesem Fall 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 durchlässiges in einer mittleren öffnung 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 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 Gesichtsfeld über einen kleinen Winkel in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung abgetastet werden. Diese Spiegel haben keine bilderzeugende Funktion, wie dies z. B. bei dem Hohlspiegel nach der britischen Patentschrift 11 50 976 der Fall ist.

Eine zweite Ausführungsform 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 Detektionssystem reflektiert jnd 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 angebrachtsein.

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 Detektionssystem für Infrarotstrahlung auch noch eine oder mehrere Refeienzdetektorzeilen enthalten. Mit Hilfe dieser Referenzzellen kann der Einfluß der Infrarot-Hintergrundsstrahlung in bezug auf die Strahlung des zu erkennenden Gegenstandes in einer geeigneten elektronischen Schaltung eliminiert werden.

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

F i g. 1 eine Ausführungsform eines Fernrohres nach der Erfindung, in der das Abbildungssystem für

tu sichtbare Strahlung und das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung voneinander getrennt sind, und

Fig.2, 3 und 4 Ausführungsformen, in denen diese Systeme zusammengebaut sind.

In diesen Figuren sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bez.ugsziffern 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 meinerseits diese Strahlen 7u der Photokathode 12 der Helligkeitsverstärkerröhre 4. Das verstärkte Bild wird von dem Okular 5 beobachtet.

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

j» Dieses Objektiv ist aus einem Material mit einer befriedigenden Durchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich von 1 — 15μηι, wie Zinksulfid, hergestellt. Die durch das Objektiv 6 hindurchtretenden Infrarotstrahlen werden von dem Element 7, dessen dem Objektiv

J5 zugewandte Oberfläche mit Aluminium überzogen sein kann, zu dem Infrarotdetektor 8 reflektiert. Das Ausgangssignal dieses Detektors wird in einer nicht dargestellten Verstärkerschaltung verstärkt und das verstärkte Signal steuert die Lichtquelle 9, die z. B. eine GaAs-Photodiode ist und sichtbare Strahlung emittiert.

Die von der Photodiode 9 emittierten Strahlen

werden von einem Spiegel für sichtbares Licht zu der Photokathode 12 der Helligkeitsverstärkerröhre 4 reflektiert. Dieser Spiegel kann durch die von dem Objektiv 6 abgekehrte und mit einer reflektierenden Schicht versehene Oberfläche 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, kann das Element 7 schwingbar um eine zu der Zeichnungsebene senkrechte Achse angebracht sein, wie mit dem Pfeil 14 angedeutet ist. Das Element 7 schwingt z. B. über einen Winkel von 1°, 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

M) 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

hi Schwingkreis ist genügend.

Das Gesamtbild eines Fernrohres besteht also aus 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 oben beschriebene Fernrohr ist der minimal zu detektierende Temperaturunterschied bei einem geometrischen Auflösungsvermögen von 5mradetwaO,5°C. ^r>

In dem Fernrohr nach F i g. 1 ist das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung getrennt. In den Ausführungsformen nach den F i g. 2, 3 und 4 bilden eines oder mehrere Elemente des Systems für sichtbare Strahlung zugleich i< > einen Teil des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung.

So ist in dem Fernrohr nach F i g. 2 das Korrekturelement 3 mit einer bichromatischen Spiegelschicht 17 versehen. Die Strahlen 23 und 24 mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlaufen den gleichen Weg im i^r> 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 Zusammenhang mit der Fokussierung auf die Detektorzelle ist die Oberfläche des Korrekturelements, auf der die Schicht 17 angebracht ist, parabolisch gestaltet.

Das Gesichtsfeld des Fernrohrs für sichtbare Strahlung ist etwa 1 Omal größer als das Gesichtsfeld des i^r> Wärmedetektors. Dadurch wird erreicht, daß in der Mitte des Helligkeitsverstärkerbilds ein kleines Gebiet mit thermischer 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 eine: geeigneten optischen Systems als ein Lichtfleck auf den Schirm 13 der Helligkeitsverstärkerröhre 4 abgebildet.

Dadurch, daß neben der eigentlichen Signaldetek tionszelle 15 eine oder mehrere Referenzzellcn, wie die Zelle 16, verwendet und Ausgangssignale der Zellen au elektronischem Wege miteinander verglichen werden kann der Einfluß von Hintergrundstrahlung eliminier! werden.

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

In dem Fernrohr nach Fig. 4 ist die Detektionseinrichtung 8 in dem Strahlengang hinter dem flacher Spiegel 2 angeordnet. Das Korrekturelement 3 ist eine Schmitt-Platte mi· einer asphärischen Oberfläche unc besteht aus einem Material, das für sichtbare Strahlung sowie für Infrarotstrahlung eine geringe Absorptior aufweist, z. B. Zinkselenid. Der flache Spiegel 2 bestehl aus einem Material mit einer geringen Absorption füi Infrarotstrahlung, z. B. Zinksulfid. Dieser Spiegel ist mil einer bichromatischen Spiegelschicht 27 versehen, die die sichtbare Strahlung größtenteils reflektiert, aber die Infrarotstrahlung größtenteils durchläßt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten und einem zweiten Spiegel und mindestens einem Korrekturelement für die sphärische Aberration an den Spiegeln zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß es eine Vorrichtung enthält, die anzeigt, ob sich in der Mitte des Gesichtsfeldes des Fernrohres ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur befindet, daß die Vorrichtung aus einem optischen Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung besteht, dessen optische Achse (0—0') mit der optischen Achse des Abbildungssystems für die sichtbare Strahlung nach Lage und Richtung übereinstimmt, und ferner aus einem für die Infrarotstrahlung empfindlichen Detektionssystem (8) und aus einem hiervon gesteuerten Anzeigesystem (9), das einen Lichtfleck in den mittleren Teil des von dem Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes (auf 13) projiziert.

2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung nacheinander ein für Infrarotstrahlung durchlässiges in einer mittleren öffnung des Korrekturelements (3) für sichtbare Strahlung angebrachtes Objektiv (6) und einen flachen Spiegel (7) enthält, und daß das Anzeigesystem einen flachen Spiegel (7a) enthält, der die von einer Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung zu der Mitte des von dem Abbildungssystem (1, 2) für sichtbare Strahlung erzeugten Bildes (12) reflektiert.

3. Fernrohr nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Spiegel (7, 7a) des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung (7) und des Anzeigesystems synchron 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 (3) angebrachte bichromatische Spiegelschicht (17) enthält, die die Infrarotstrahlung größtenteils zu dem Detektionssystem (8) reflektiert und die sichtbare Strahlung größtenteils durchläßt.

5. Fernrohr nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verarbeitung der sichtbaren Strahlung benötigten optischen Oberflächen alle auf einem einzigen Körper (19) 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 enthält, und daß der zweite Spiegel (2) aus einem die sichtbare Strahlung reflektierenden und die Infrarotstrahlung durchlassenden Material (27) besteht.

7. Fernrohr nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionssystem (8) für Infrarotstrahlung außer einer Signaldetektorzelle (15) mindestens eine Referenzdetektorzelle (16) enthält.