DE2512305A1 - Weitwinkeloptik fuer einen lichtempfaenger - Google Patents

Weitwinkeloptik fuer einen lichtempfaenger

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DE2512305A1 DE19752512305 DE2512305A DE2512305A1 DE 2512305 A1 DE2512305 A1 DE 2512305A1 DE 19752512305 DE19752512305 DE 19752512305 DE 2512305 A DE2512305 A DE 2512305A DE 2512305 A1 DE2512305 A1 DE 2512305A1
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Description

  • Weitwinkeloptik für einen Lichtempfänger Die Erfindung betrifft eine diskontinuierliche Weitwinkeloptik für einen Lichtempfänger in einem vorgegebenen Haut, der u.a. begrenzt ist durch eines oder mehrere Fenster od.dgl.
  • zum Lichtdurohtritt in den Raum aus einer oder aus mehreren Einfallsrichtungen relativ zu einem bestimmten Punkt auf einer dem Kaum zugeordneten Mittellinie, die unter gleichen Winkeln zu dieser Mittellinie stehen. Unter Licht wird in dem vorliegenden Fall optische Strahlung aller Wellenlängen verstanden, für die die erfindungsgemäße Optik transparent ist.
  • Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur verwendung in optischen irnwendungsgebieten geeignet, in denen eine jedoch nicht notwendigerweise kontinuierliche Weitwinkelsicht und gute optische Filterung mit Interferenzfiltern bevorzugt ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es u.a. notwendig, d.aß die Strahlungsdivergenz an irgendeiner Stelle in der Optik einen bestimmten Wert nicht übersteigt, und ein Interferenzfilter wird dann an dieser Stelle angeordnet.
  • Beispiele für derartige Anwendungen mit diesen Anforderungen sind optische Ännäherungszünder. Der Annäherungszünder tastet beispielsweise einen konischen Bereich der Umgebung ab und erzeugt ein Signal, falls ein fremder Gegenstand innerhalb dieses abgetasteten Bereiches ist; damit der Annäherungszünder Gegenstände aller Größen feststellen kann, ist es notwendig, daß er ein kontinuierliches Gesichtsfeld um seine Längsachse aufweist. In geeigneter Treise ist dann das Gesichtsfeld innerhalb der Hüllflächen zweier Kegel angeordnet, wobei der innere einen kleinerenKegelwinkel als der äußere aufweist (siehe Fig. 1). Es ist daher in besonderem Maße wünschenswert, daß die Grenzen (die IBllflächen) des abgetasteten Bereiches scharf sind, so daß der Bereich, innerhalb dessen der Annäherunggz nd fremde Gegenstande anzeigt, mit großer Genauigkeit bestimmt werden kann Um die Genauigkeit der gewünschten, festen Grenzen zu ermöglichen, wird eine Abbildungsoptik verwendet, bei der eine Blende, die das Gesichtsfeld begrenzt, in die Bildebene eingesetzt ist. Es hat sich nun herausgestellt, daß eine optik zum Brzeugen eines Gesichtsfeldes, das, wie oben beschrieben, den gesamten Bereich innerhalb der fiüllflache der zwei Kegel abdeckt, vergleichsweise sehr geringe Lichtintensität aufweist, selbst dann, wenn in großem Naße paralleles Licht durch einen verwendeten optischen Filter verringert wird.
  • Da die Gegenstände, die durch den Ännäherungszünder festgestellt werden sollen, gewöhnlich ziemlich große Abmessungen relativ zu der Größe des zünders aufweisen, kann ohne weiteres angenommen werden, daß ein Gegenstand ermittelt erden soll, selbst wenn der Bereich nicht um die Längsachse des Annaherungszünders kontinuierlich ist, sondern aus einzelnen Strahlungskeulen (s. Fig. 2) besteht, die sich gleichförmig innerhalb des oben beschriebenen Bereiches innerhalb der zwei konischen Hüllflächen erstrecken. Dadurch kann in vorteilhafter Weise jede Strahlungskeule als eine Einheit behandelt werden, so daß in unkomplizierter und wirkungsvoller Weise eine Filterung und Begrenzung des Gesichtsfeldes vorgenommen werden kann.
  • Außerdem sollte für jede Strahlungskeule an der Außenfläche des Annäherungszünders eine Linse und innerhalb eine Blende für das Gesichtsfeld, eine weitere Linse und ein Filter angeordnet sein, hinter dem die aus dem Filter erhaltenen Lichtstrahlen auf einer Facettenfläche, die auf einem Facettenreflektor angeordnet ist, zu einer signalübertragenden Einrichtung in Form eines Detektors (s. Eig. 5 und 6) reflektiert werden. Bei einer anderen Anordnung ist vorgeschlagen worden, das in Erage stehende Licht in der Strahlungskeule direkt auf die Facettenfläche zu führen, die in dem Facettenreflektor angeordnet ist, von wo es zu einer Linse reflektiert wird, hinter der in der erwähnten Weise eine Blende für das Gesichtsfeld, eine weitere Linse und ein Filter angeordnet ist, von dem aus das Licht auf einen Detektor fallen kann (s. wig. 7). Bei den bekannten Anordnungen ist der Empfangsbereich für jede Strahlungskeule durch die Größe der an der Außenfläche des Annäherungszünders verwendeten Linse begrenzt, d.h., daß der Durchmesser des hnnäherungszünders ein Begrenzungsfaktor für den Empfangsbereich ist.
  • Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den wirksamen Empfangsbereich in jeder Strahlungskeule zumindest zu verdoppeln, ohne die Anzahl der Strahlungskeulen bei einem Annäherungszünder mit einem vorgegebenen Durchmesser reduzieren zu müssen. Die Erfindung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch ein kugelförmiges Teil an der Basis eines pyramidenförmigen Facettenreflektors, der für jede Lichteinfallsrichtung Facettenflächen aufweist, wobei der Reflektor und der kugelförmige Teil symmetrisch um die Mittellinie angeordnet sind und letzterer derart zur Lichteinfallsrichtung angeordnet ist, daß seine Oberfläche als positive Linse für das Licht aus allen Einfallsrichtungen ausgebildet ist, so daß das Licht durch die Neigungen der Facettenflächen in eine Bildebene fokussierbar ist, die auf einer auf dem kugelförmigen Teil angeordneten Blende für das Gesichtsfeld ausgebildet ist.
  • Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die anliegende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abtastbereiches für einen Annäherungszünder, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Annäherungszünders mit Strahlungskeulen, der Teile des Abtastbereiches gemäß der Fig. 1 abtastet, Fig. 3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Weitwinkeloptik, Fig. 4 eine Aufsicht der Weitwinkeloptik gemäß Fig. 3, Fig. 5 eine schematische Ansicht einer Anordnung zum und 6 Empfangen der Strahlungskeulen gemäß Fig. 2, Fig. 7 eine schematische Ansicht einer anderen Anordnung zum Empfangen der Strahlungskeulen gemäß Fig. 2, Fig. 8a eine Ausführungsform der Weitwinkeloptik gemäß den Fig. 3 und 4 und Fig. 8a funktionelle Prinzipdarstellungen der Weitwinkelbis 9b optik gemäß Fig. 3 und der Anordnung gemäß Fig. 7 für diese Weitwinkeloptik.
  • In Fig. 1 ist ein Projektil 1 mit einem Annäherungszünder 2 dargestellt. Der Annäherungszünder tastet einen Bereich zwischen einer Innenfläche 3 und einer Außenfläche 4 zweier Kegel mit verschiedenen Kegelwinkeln ab. Der abgetastete Bereich ist außerdem symmetrisch um die Mittellinie 5 des Annäherungszünders angeordnet.
  • Fig. 2 zeigt, wie der Annäherungszünder, wenn eine Abbildungsoptik (depicting optic) verwendet wird, die Umgebung mit einer Anzahl Strahlungskeulen 6 abtastet, von denen angenommen werden kann, daß sie sich in die Abtastzone gemäß Fig. 1 erstrecken. Damit der Annäherungszünder einen möglichst grossen Teil des Bereiches gemäß Fig. 1 abtasten kann, ist es notwendigerweise wünschenswert, eine große Anzahl Strahlungskeulen oder Lichteinfallsrichtungen zu haben. Die Lichteinfallsrichtungen sind symmetrisch um eine Mittellinie für den Annäherungszünder oder um die Symmetrieachse 7 in Längsrichtung des Annäherungszünders angeordnet und sind daher unter einem Winkel auf einen gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse 7 gerichtet, der in dem Raum 8 in dem Annäherungszünder angeordnet ist, wobei dieser Raum umgekehrt durch eines oder mehrere Fenster od.dgl. begrenzt ist, durch die Licht in den in Frage stehenden Raum eintreten kann. In der Figur ist der Winkel der Strahlungskeule mit g gekennzeichnet.
  • Fig. 3 zeigt das mit 9 und 10 gekennzeichnete Licht, das in den Raum aus einer der Einfallsrichtungen einfällt. Die diskontinuierliche Weitwinkeloptik weist einen sphärischen Teil 11 auf, der in die Einfallsrichtungen gerichtet und auf einer Basisfläche eines pyramidenförmigen Facettenreflektors 12 2 angeordnet ist, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zehn Facettenflächen 13 aufweist und an seinem schmalen Ende abgestumpft ist, um u.a. eine Einrichtung 14 für eine Befestigungsvorrichtung anzupassen, so daß die Optik in einfacher Weise in dem Raum befestigt werden kann. Die zehn Facettenflächen 13 erlauben daher zehn Einfallsrichtungen für das einfallende Licht. Der sphärische Teil 11 und der Facettenreflektor 12 sind symmetrisch um eine Symmetrieachse 15 angeordnet, die, wenn die Optik in dem Annäherungszünder angeordnet ist, mit der Symmetrielinie 7 des Annäherungszünders gemäß Fig. 2 zusammenfällt. Die Oberfläche des sphärischen Teils wirkt als eine positive Linse für das einfallende Licht. Dieses wird nach Reflexion in einer Facettenfläche 13 entsprechend der Einfallsrichtung 9,10 auf den Punkt F über eine Blende 16 für das Gesichtsfeld fokussiert. Die Blende 16 für das Gesichtsfeld ist an der oberen Fläche des sphärischen Teils 11 angeordnet, die mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet ist, das sich von der Blende für das Gesichtsfeld nach außen zu den Rändern der oberen Flache erstreckt. Die Abmessungen des Glasteils müssen dann so berechnet werden, daß Gegenstände in dem Abstand, in dem die maximale Positionsdiskriminierung vorgesehen ist, in der Bildebene 16 scharf abgebildet werden.
  • Auf der Blende 16 für das Gesichtsfeld ist ein Lichtleiter 17 angeordnet, der pyramidensteunmBförmig ausgebildet und mit seinem schmlen Teil auf der oberen Fläche 16 und auf dem Teil dieser Fläche angeordnet ist, der nicht mit lichtabsorbierendem Material beschichtet ist. Der Lichtleiter bildet daher mit seinem schmalen Teil eine Begrenzung des Gesichtsfeldes. Außerdem ist der Lichtleiter mit Facettenflächen versehen, die jeder der Flächen des Facettenreflektors entsprechen, und in dem dargestellten Beispiel entspricht die Facettenfläche 18 des Lichtleiters 17 der Facettenfläche 13 des Reflektors 12. Durch geeignete Wahl der Neigung der reflektierenden Flächen des Reflektors und des Lichtleiters zueinander wird Totalreflexion in der Facettenfläche des Lichtleiters erhalten, und das Licht in der in Frage stehenden Einfallsrichtung fällt dann unter dem geringstmöglichen Winkel auf einen Interferenzfilter 19, der in geeigneter Weise in optischem Kontakt mit dem breiten Teil des Lichtleiters verbunden ist. Hinter dem Filter ist außerdem ein nicht gezeigter Detektor angeordnet, der ein Signal abgibt, falls ein Gegenstand in der in Frage stehenden Einfallsrichtung erscheint. Im Falle sogenannter aktiver Annäherungszünder kann der Gegenstand dann mit einer lichtemittierenden Vorrichtung beleuchtet werden, die in der Lichtquelle des Annäherungszünders vorgesehen ist; im Falle sogenannter passiver Annäherungszünder ermittelt der Empfänger des Annäherungszünders beispielsweise IR-Strahlung von dem Gegenstand. Um den technischen Fortschritt näher zu erläutern, werden im folgenden bekannte Vorrichtungen für Annäherungszünder mit erfindungsgemäßen verglic hen.
  • Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeipiel einer derartigen bekannten Vorrichtung. Die Bezugszahl 20 kennzeichnet die äußere Fläche des Annäherungszünders, und die optischen Einheiten, die Licht aus zwei Einfallsrichtungen 21 und 22 aufnehmen, sind ebenfalls dargestellt. Da die beiden Einheiten, die Licht aus jeweils einer Einfallsrichtung empfangen, identisch sind, wird hier nur die Einheit beschrieben, die Licht aus der Einfallsrichtung 21 empfängt. An der äußeren Fläche 20 des Annäherungszünders ist eine positive Linse 23 angeordnet, die das Licht in eine Blende 24 für das Gesichtsfeld fokussiert. Hinter dieser Blende ist eine weitere Linse 25 angeordnet, um paralleles Licht durch einen Filter 26 zu erzeugen, worauf das Licht auf einer Fläche eines reflektierenden Facettenteils in Richtung auf einen Detektor reflektiert wird, der einen möglichen Gegenstand in der in Frage stehenden Einfallsrichtung 21 feststellt. Ein in Richtung 21 erhaltener Empfangsbereich ist mit 28 gekennzeichnet.
  • Fig. 7 zeigt eine vorbekannte Vorrichtung, die sich von der Ausführungsform gemäß den Fig. 5 und 6 unterscheidet. Das Licht in den zwei Einfallsrichtungen ist mit den Bezugszeichen 29 und 30 gekennzeichnet, und das Licht aus jeder der Einfallsrichtungen fällt auf eine Facettenfläche auf einem reflektierenden Facettenteil 33, die der Einfallsrichtung, beispielsweise 31, für 29 und 32 und 30, entspricht.
  • In diesen Facettenflächen wird das Licht auf eine Linse 34 reflektiert, die dieses auf eine Blende 35 für das Gesichtsfeld fokussiert, worauf, wie oben beschrieben, das Licht durch eine weitere Linse 36 zum Erzeugen parallelen Lichts und einen Filter 37 zuseinem Detektor 38 geführt wird.
  • In dem vorliegenden Fall ist ein Empfangsbereich, der an der äußeren Fläche 39 des Annäherungszünders erhalten wird, mit 40 gekennzeichnet.
  • Falls nun die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 3 beispielsweise mit der Vorrichtung gemäß Fig. 7 verglichen wird, kann festgestellt werden, daß die Leuchtdichte auf der reflektierenden Fläche 13 nicht weniger als viermal so groß ist wie die auf der Fläche 31. Gleichzeitig bleibt jedoch die Tatsache bestehen, daß nur etwa die Hälfte der Fläche 13 im Vergleich zu der Fläche 31 aktiv ist, und daher ist der erhaltene Effekt verringert, doch trotzdem bedeutet er zumindest eine Verdoppelung (Faktor 2).
  • Die Vorteile der erfindungsgemäßen Optik im Vergleich beispielsweise mit dem Reflektor 33 gemäß Fig. 7 können schematisch mit Hilfe der Fig. 8a, 8b, 9a und 9b dargestellt werden.
  • In der Bildebene der Fig. 8a soll der in die Optik einfallende Lichtstrahl eine Ausdehnung a' aufweisen. Die Ausdehnung des Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zu der Bildebene der Fig. 8a soll eine mittlere Ausdehnung b' aufweisen, wie in Fig. 8b dargestellt, wobei die mittlere Ausdehnung durch die Breite der Facettenfläche begrenzt ist. Für einen Facettenreflektor gemäß Fig. 9a ist der dem Wert a' entsprechende Wert mit a gekennzeichnet, wobei die Werte a' und at' etwa gleich sind für zwei Vorrichtungen vergleichbarer Größe-.
  • Die mittlere Ausdehnung des Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht zu der Ebene gemäß Fig. 9a ist in Fig. 9b mit b gekennzeichnet, wobei dieser Wert etwas weniger als halb so groß ist wie die mittlere Ausdehnung b', was aus der Geometrie gemäß Fig. 8b entnommen werden kann. F' ist der virtuelle Fokus der sphärischen Fläche.
  • Aus den Fig. 8a, 8b, 9a und 9b und aus der obigen Beschreibung ergibt sich, daß der Empfangsbereich der erfindungsgemäßen Optik pr-mal größer ist als der entsprechende Empfangsbereich der vorbekannten Vorrichtung.
  • Lin beispiel einz Prismas, das in der praxis zufriedenstellende Ergebnisse erzielt, ist ebenfalls in Fig. 8a dargestellt. Für die in der Figur dargestellte Einfallarichtung relativ zu der Symmetrieachse 41 hat es sich herausgestellt, daß ein ikadiua von 22,5 mm für den sphärischen Teil gewählt werden kann, während die Höhe des Reflektors 15 mm und die Gesamthöhe des Reflektors mit dem sphärischen Teil 34,5 mm beträgt. Der Winkel ß beträgt 60° und der Winkel # 450. Das verwendete Material ist Acrylglas. Iiaterialien mit anderem Brechungsindex können natürlich ebenfalls verwendet werden, und die Abmessungen, Winkel, die Anzahl der Facettenflächen und die Form des Lichtleiters können verändert werden. Außerdem kann die s.rt des Aufbaus des diskontinuierlichen Weitwinkelobjektivs auch durch den Lichteinfallswinkel bestimmt werden.
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch aus, daß sie mit einer Lichttransmissionseinheit anstelle mit einer Empfangseinheit in Form eines Detektors zusammenwirken kann. Die Lichtstrahlen haben dann im wesentlichen entgegengesetzte Richtung in dem Objektiv im Vergleich zu dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel, so daß das Licht in eine oder in mehrere Auslaufrichtungen übertragen werden kann, die den Einf&llsrichtungen entsprechen.

Claims (7)

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. Diskontinuierliche Weitwinkeloptik für einen Lichtempfänger in einem vorgegebenen Raum, der u.a. begrenzt ist durch eines oder mehrere Fenster od.dgl., zum Lichtdurch-triin den kaum aus einer oder aus mehreren Einfallsrichtungen relativ zu einem bestimmten Punkt auf einer den Raum zugeordneten Mittellinie, die unter gleichen winkeln zu dieser Mit--tellinie stehen, g e k e n n z e i c h n e t durch ein sphärisches Teil (11) an der basis eines pyramidenfo'rmi0en Facettenreflektors (12), der für jede Lichteinfallsrichtung Facettenflächen aufweist, wobei der reflektor (12) und der sphärische Teil (11) symmetrisch um die Mittellinie (7) angeordnet sind und letzterer derart zur Lichteinlallsrichtung angeordnet ist, daß seine Oberfläche als positive Linse für das Licht aus allen Einfallsrichtungen ausgebildet ist, so daß das Licht durch die Neigungen der Facettenflächen in eine Bildebene fokussierbar ist, die auf einer auf dem sphärischen Teil (11) angeordneten Blende (1o) ausgebildet ist.
2. Weitwinkeloptik nach Anspruch 1, dadurch g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Blende (16) für das Gesichtsfeld an der oberen Fläche des sphärischen Teils (11) angeordnet ist, die mit lichtabsorbierendem Material von der Apertur der Blende (16) nach außen zu den Rändern der oberen Fläche beschichtet ist.
. Weitwinkeloptisç nach Anspruch 1 oder 2, g e k e n n -z e i c h n e t durch einen auf der oberen Fläche pyramidenstumpfiörmig ausgebildeten Lichtleiter (17), dessen schmales Ende in optischem Kontakt mit dem unbeschichtetem Teil der oberen Fläche is-t, so daß der Llchtleiter (17) eine Begrenzung des Gesichtsfeldes bildet.
4. Weitwinkeloptik nach Anspruch 3, dadurch g e -k e n n z e i c kl ne t, daß der Lichtleiter (17) die gleiche Anzahl Facettenflächen wie der Facettenreflektor (12) au,-weist, daß jede Facettenfläche (18) auf dem Lichtleiter (17) einer Facettenfläche (13) des Reflektors (12) entspricht und daß die zwei einander entsprechenden Facettenflächen zueinander eine derartige Neigung aufweisen, daß Totalreflexion des Lichts in der Facettenfläche (18) des Lichtleiters (17) vorliegt und das Licht dadurch unter geringstmöglichem Winkel zur Normalen eines Filters (19) reflektierbar ist, der an dem breiten Ende des Lichtleiters (17) angeordnet ist.
5. Weitwinkeloptik nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß ein mit dem Lichtleiter (17) und/oder dem Filter (19) zusammenwirkender Detektor vorgesehen ist, durch den ein Gegenstand in dem Gesichtsfeld feststellbar ist.
6. Weitwinkeloptik nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, daß der Facettenreflektor (12) an seinem schulen Ende abgestumpft ist und daß die dadurch erhaltene Fläche eine Einrichtung (14) für eine Befestigungsvorrichtung zum einfachen Befestigen der Optik in dem Raum (8) aufweist.
7. Weitwinkeloptik nach einem der Ansprüche 1 bis O zur Verwendung in einem Lichttransmitter, dadurch g e k e n n -z e i c h n e t, daß der Lichtleiter (17) mit einer lichtemittierenden Einheit in Verbindung steht, wobei Licht in Abstrahlrichtungen, die den Einfallsrichtungen entsprechen, durch die Facettenflächen des Lichtleiters (17) und durch den Reflektor (18) reflektierbar ist und die Optik durch die sphärische Fläche des sphärischen Teils (11) verläßt.
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