DE2163234C3

DE2163234C3 - Laserilluminator

Info

Publication number: DE2163234C3
Application number: DE19712163234
Authority: DE
Inventors: Ulrich Dipl-Ing 8000 München Deserno
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Filing date: 1971-12-20
Publication date: 1977-10-27

Description

Die Erfindung betrifft einen Laserilluminator für ein Beobachtungs-, Ortungs-, Zielmarkierungs- oder Verfolgungsgerät.

Es ist bekannt, für die obengenannten Anwendungen Laserilluminatoren zu verwenden. Die Zielobjekte können entweder direkt über ein Fernrohr beobachtet werden, oder die am Zielort reflektierte Strahlung wird über einen Bildverstärker sichtbar gemacht, oder durch einen Photodetektor in ein elektrisches Signal verwandelt, das elektronisch ausgewertet werden kann.

Ein Nachteil eines solchen Ortungssystems: besteht darin, daß man bei der Verwendung von hochintensiven Laserilluminatoren eine Strahlung erhält, die in der Regel transversale Moden höherer Ordnung enthält. Das Modenbild wird im Fernfeld reproduziert und verursacht eine starke inhomogene Ausleuchtung des Gesichtsfeldes.

Das kann dazu führen, daß Objekte, obwohl sie sich im Strahl des Beleuchtungslasers befinden, nicht geortet werden. Die Ausbildung höherer transversaler Moden kann hier nur mit zusätzlichem technischem Aufwand und unter Einbuße an Lichtleistung unierdrückt werden.

Durch die Kohärenz des Laserlichtes wird eine zusätzliche Inhomogenität in der Intensitätsverteilung des Strahles erzeugt. Durchläuft nämlich der Laserstrahl eine dickere Atmosphärenschicht, so wird das; Licht in unkontrollierbarer Weise durch Luftschlieren gebeugt, welche durch Feuchtigkeits-, Druck- und Temperaturgradienten und durch die Turbulenz von Luftströmungen entstehen. Die gebeugten Anteile erzeugen wegen der Kohärenz des Laserlichtes zusätzliche Interferenzstrukturen, die als statistisch nach Ort und Größe verteilte, unregelmäßig bewegte helle und dunkle Flecken erscheinen. Haben diese Interferenzsirukturen etwa die Größe der zu ortenden Objekte, so wird die Ortung noch unsicherer.

Aus der DT-AS 12 87 227 ist ein Lasersender oder Verstärker bekannt, dessen Resonatorspiegel so ausgebildet ist, daß nur ein Strahlungsmodus emittiert wird.

Beim Einsatz dieser Vorrichtung als Laserilluminator würde sich aufgrund der Unterdrückung mehrerer Moden eine Einbuße der für die Ausleuchtung des Gesichtsfeldes zur Verfügung stehenden Lichtleistung ergeben.

Hinzu kommt, daß auch eine kohärente Strahlung mit nur einem Modus an Luftschlieren gebeugt wird, so daß im Fernfeld trotzdem ein nicht glattes Intensitätsprofil entsieht.

Aus der US-PS 35 21 192 ist es bekannt, zwischen den Resonatorspiegeln eines Lasers eine akustische Zelle anzuordnen. Damit ist es möglich, die Sitärke der Rückkopplung des Lasers zu verändern, so daß die ausgesendeten Laserimpulse in Form und Stärke variieren.

Aus der Druckschrift W. L. K u r i g e r, Appl. Optics, Vol. 10, No. 11 (1971), S. 2462 bis 2467 ist es bekannt, einen Laserstrahl so zu modulieren, daß die Phasenmo-

duiation innerhalb des Strahlquerschnittes in Abhängigkeit vom Ort variiert. Befindet sich innerhalb des Strahlquerschnittes ein kleines Objekt, so reflektiert dies einen Teil der Strahlung. Aus der Phase dieser reflektierten Strahlung kann dann auf den Ort des Objektes innerhalb des Strahlquerschnittes geschlossen werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Laserilluminator anzugeben, der im Fernfeld ein praktisch glattes Intensitätsprofil vorgegebener Form erzeugt. »Praktisch glatt« bedeutet, daß die Interferenzstrukturen am Zielort klein gegenüber den zu beobachtenden oder zu ortenden Objekten oder Objektstrukturen sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Laserilluminator gelöst, der die Merkmale des Patentanspruches 1 aufweist.

Bei dem erfindungsgemäßen Laserilluminator ist also im Strahlengang des Laserstrahls ein Modulator angeordnet, der durch eine Phasenvariation des Laserlichtes eine glatte Intensitätsverteilung im Fernfeld erzeugt.

Dieser Modulator wird direkt hinter dem Auskoppelspiegel des Lasers oder hinter der Objektivlinse einer Strahlaufweitungs- und Beleuchtungsoptik im Strahlengang angeordnet. Die Phasenvariation durch diesen Modulator kann statistisch oder nichtstatistisch erfolgen. Der Glättungseffekt wird dann erreicht, wenn die Deformation der Phasenflächen des Laserlichtes durch den Modulator groß ist gegen die Deformation der Phasenflächen durch Modenstruktur des Lasers und Beugung an Luftschlieren.

Die Modulation kann vorzugsweise erfolgen mit Hilfe eines statischen, eines dynamischen oder eines quasi-dynamischen Modulators. Ein statischer Modulator besteht insbesondere aus einem Phasengitter, z. B. einem Phasenpunktgitter oder einem Phasenstrichgitter. Bei einem solchen Modulator kann durch Wahl des Phasenhubes die Intensitätsverteilung im Fernfeld des Beleuchtungsstrahls in gewünschter Weise beeinflußt werden. Durch Wahl der Gitterkonstanten läßt sich außerdem die Divergenz des Beleuchtungsstrahls in gewünschter Weise einstellen.

Ordnet man mehrere Phasenstrichgitter auf einem gemeinsamen transparenten Substrat an. dann lassen sich polygonförmige Verteilungen erreichen; speziell lassen sich damit rechteckige Bildfelder ausleuchten.

Durch unterschiedliche Wahl der Gitterkonstanten der einzelnen Gitter kann erreicht werden, daß z. B. eine elliptische Intensitätsverteilung erzeugt wird. Läßt man die Gitterkonstanten sich örtlich stetig ändern, dann gehen die erzeugten Beugungsordnungen lückenlos ineinander über.

Diese Phasengitter lassen sich optisch mittels Photoemulsionen, Photolacken, dichromatisierter Gelatine sowie Ätz-, Ritz- und Prägetechnik oder auch mit Elektronenstrahlen in Thermoplasten und ähnlichen herstellen.

Die Modulation des Laserstrahls kann auch dadurch bewirkt werden, daß der Laserstrahl an laufenden Ultraschallwellen gebeugt wird. Als Modulator wird hierbei vorteilhafterweise ein wassergefülltes Gefäß verwendet, in dem zwei senkrecht zueinander laufende Ultraschallwellen erzeugt werden. Für den senkrecht dazu einfallenden Laserstrahl wirken diese laufenden Ultraschallwellen wie ein Phasengitter. Die hrequenz der Ultraschallwellen wird vorzugsweise im Bereich von 2 bis 4 MHz gewählt.
Vorteilhafterweise bidet man die dem Resonator des Lasersenders zugewandte Glasscheibe des Wasserbehälters als Auskoppelspiegel aus.

Da die Frequenz der Uliraschallwellen im Vergleich zur Laserlichtfrequenz klein ist, kann die Modulation mit Hilfe von Ultraschallwellen als quasi-dynamische Modulation bezeichnet werden. Durch schnellere Änderung der Ultraschallfrequenz kann man auch eine dynamische Modulation durchführen. Hierbei wird der Strahl zeitlich nacheinander in verschiedenen Richtungen abgelenkt, so daß sich die erwünschte Intensitätsverteilung als zeitlicher Mittelwert der tatsächlichen Strahlung ergibt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung an Hand der Figuren beschrieben.

Die Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines Laserilluminators,

die Fig. 2, 3 und 4 je eine Intensitätsverteilung bei Verwendung verschiedener Modulatoren.

Die Fig. 1 zeigt einen Lasersender 1, der Riesenimpulse 2 auf eine Aufweitungsoptik 3 sendet. Von dieser fällt der Lichtstrahl auf einen als Phasenhologramm ausgebildeten Modulator 4, der eine Phasenvariation der Lichtwellen und eine Aufweitung des Laserlichtes erzeugt. Die transversale Modenstruktur des Laserlichtes wird durch die Aufweitungsoptik abgebildet, so daß die Intensitätsverteilung im Strahlquerschnitt vor dem Phasenhologramm mehrere O-Stellen besitzt. Durch das Phasenhologramm 4 wird die Kohärenz des Lichtes zwar nicht zerstört, aber die Phasenflächen so stark deformiert, daß das entstehende Intensitätsprofil im Fernfeld so dicht gelegene Interferenzmaxima und -minima aufweist, daß sie von der Beobachtungsoptik bzw. dem Ortungssystem nicht mehr aufgelöst werden können.

Die Fig. 2 zeigt eine Intensitätsverteilung, wie sie im Strahlengang der Fig. 1 vor dem Hologramm 4 vorliegt, wenn der erste Transversalmodus in x-Richtung TEM_W gewählt ist (Kurve a). Die Kurve b zeigt den Verlauf der Intensität im Fernfeld der Strahlung, wenn ein Phasenhologramm mit statistisch verteilten Punkten mit variierendem Brechwert verwendet wird. Die Intensitätsverteilung hat dann einen Gauß'schen Verlauf. Sollen andere, z. B. rechteckige Intensitätsprofile der F i g. 3 erzeugt werden, so ist für die Phasenvariation des Laserlichtes eine nichtstatistische Phasendeformation zu erzeugen. Dies ist hier beispielsweise durch eine ebene Platte aus lichtdurchlässigem Material als Träger mit einer Schicht durchgeführt, welche ein regelmäßiges Phasenstrichgitter enthält.

Die Intensitätsverteilungen, die in den Fig. 2 und gezeigt sind, beziehen sich nur auf eine Richtung durch den Strahlquerschnitt.

Die Fig.4 zeigt ein Intensitätsprofil für zwei senkrecht aufeinanderstellende Richtungen χ und y, wobei diese beiden Richtungen wiederum senkrecht zum Strahlengang stehen. Eine solche transversale Intensitätsverteilung erhält man dann, wenn man zwei der bei der Fig.3 beschriebenen Modulatoren hintereinander anordnet, wobei die Gitter der beiden Modulatoren senkrecht zueinander stehen und nicht gleich groß sind. Derselbe Effekt läßt sich auch mit einem einzigen Punktgitter mit zwei unterschiedlichen Gitterkonstanten erzielen.

Es sei erwähnt, daß für die Herstellung der Moduiationsschichten noch die Möglichkeit besteht, auf einem statistischen Phasenpunktgitter, das durch einseitiges Schleifen, Ätzen oder Ritzen einer lichtdurchlässigen Platte hergestellt wurde, durch Aufkleben einer

zweiten ebenen lichtdurchlässigen Platte den wirksamen Phasenhub zu vermindern. Bei geeigneter Wahl des Brechwerts von Substratplatten und Kleber läßt sich der Phasenhub nachträglich auf eine gewünschte Größe einstellen. Dadurch kann bei geringen Toleranzforderungen beim Schleifen, Ätzen oder Ritzen der Modulatorplatte nachträglich die benötigte Beleuchtungscharakteristik fein eingestellt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

i. Patentansprüche:

1. Laserilluminator für ein Beobachtungs-, Ortungs-, Zielmarkierungs- oder Verfolgungsgerät, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des Laserstrahls ein Modulator (4) angeordnet ist, der durch eine Phasenvariation des Laserlichtes eine glatte Intensitätsverteilung im Fernfeld erzeugt.

2. Laserilluminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein statischer Modulator angeordnet ist.

3. Laserilluminator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein dynamischer Modulator angeordnet ist.

4. Laserilluminator nach Anspruch !, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang ein quasi-dynamischer Modulator angeordnet ist.

5. Laserilluminator nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Beugung des Laserstrahles erfolgt.

6. Laserilluminator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Brechung des Laserstrahls erfolgt.

7. Laserilluminator nach ojnem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Streuung des Laserstrahls erfolgt.

8. Laserilluminator nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Modulation durch Reflexion des Laserstrahles erfolgt.

9. Laserilluminator nach einem der Ansprüche 1,2 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem Phasengitter besteht.

10. Laserilluminator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem Phasenpunktgitter besteht.

11. Laserilluminator nacli Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus einem Phasenstrichgitter besteht.

12. Laserilluminator nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus mehreren auf ein transparentes Substrat übertragenen Phasengittern besteht.

13. Laserilluminator nach einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Modulator aus mehreren hintereinander geschalteten Phasengittern besteht.

14. Laserilluminator nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gitter verschiedene Winkel miteinander einschließen.

15. Laserilluminator nach einem oder mehreren der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten der einzelnen Gitter so gewählt sind, daß eine elliptische Verteilung erzeugt wird.

16. Laserilluminator nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterkonstanten sich örtlich stetig ändern, derart, daß die erzeugten Beugungsordnungen lückenlos ineinander übergehen.

17. Laserilluminator nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Modulation des Laserstrahles laufende Ultraschallwellen verwendet sind.

18. Laserilluminator nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß als Modulator ein wassergefülites Gefäß verwendet wird, in dem zwei senkrecht zueinander laufende Ultraschallwellen erzeugt werden.

19. Laserilluminator nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Ultraschallfrequenz im Bereich von 2 bis 4 MHz verwendet wird.

20. Laserilluminator nach den Ansprüchen 17 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Resonator zugewandte Glasscheibe des Wasserbehälters als Auskoppelspiegel ausgebildet ist.