DE2533214B2 - Vorrichtung zur erfassung der einfallsrichtung elektromagnetischer strahlung - Google Patents

Vorrichtung zur erfassung der einfallsrichtung elektromagnetischer strahlung

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DE2533214B2 DE19752533214 DE2533214A DE2533214B2 DE 2533214 B2 DE2533214 B2 DE 2533214B2 DE 19752533214 DE19752533214 DE 19752533214 DE 2533214 A DE2533214 A DE 2533214A DE 2533214 B2 DE2533214 B2 DE 2533214B2
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Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zui Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischei Strahlung mittels zweier mit getrennten Detektorer arbeitender, koaxial zueinander angeordneter Emp fangsoptiken. von denen die äußere feststehend und die innere drehbar ausgebildet ist.
Aus der DT-AS 15 48 421 ist eine Vorrichtung ?ui Entdeckung elektromagnetischer Strahlung und m\ Feststellung ihrer Einfallsrichtung bekannt. Mittel! eines rotierenden Spiegels und einer zugehörigen erster Empfangsoptik wird eine Rundumabtastung vorgenom men, welche der Erfassung von Strahlung im sichtbarer und/oder Infrarotbereich dient. Eine weitere hierzi koaxiale Empfangsoptik, welche aus ringförmig an geordneten Laserdetektoren besteht, dient der Erfas sung von Strahlung im Laserfrequenzbereich. Di< Laserdetektoren umgeben dabei etwa ringförmig du Optik, welche der Erfassung des sichtbaren und/ode infraroten Strahlungsbereiches dient.
Da die modernen elektrooptischen Ortungs- Nach führ- und Suchverfahren meist mit Einzelimpulsei arbeiten oder mit Impulsserien von jeweils sehr kurze Dauer, bieten Sucheinrichtungen, welche den Azimu einer schwenkbaren Spiegelanordnung gleichmäßij abtasten keine ausreichende Sicherheit dafür, daß Ziel« auch tatsächlich erfaßt werden. An eine Rundsichtpeil Ordnung muß demnach die Anforderung gestell werden, daß sie immer empfangsbereit ist, wenn ein< sichere Zielerfassung gewährleistet sein soll. Anderer seits ergibt eine derartige ständig rundum suchend Empfangseinrichtung keine ausreichend genaue Zielauf
lösung oder anders ausgedrückt keine ausreichend genaue Erfassung der Einrallsrichtung elektromagnetischer Strahlung.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, der es ermöglicht. beiden Anforderungen mit einem einzigen Gerät aust eichend gerecht zu werden. Gemäß der Erfindung welche sich auf eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht daß die äußere Empfangsopiik als Panoramaoptik mittels mehrerer Detektoren eine erste Erfassung des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung durchführt, daß auf Grund des so ermittelten Einfallswinkels die innere Empfangsoptik grob auf die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet wird und ic daß mit der mit kleiner Empfangsöffnung versehenen inneren Empfangsoptik eine Feinnachführung mittels eines oder mehrerer weiterer Detektoren auf die genaue Einfallsrichtung vorgenommen wird.
Dadurch, daß die äußere Empfangsoptik eine ständige Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung durchführt, ist gewährleistet, daß der zu erfassende Azimutwinkelbereich ständig überwacht wird. Dadurch können auch sehr kurzzeitige Impulse elektromagnetischer Strahlung erfaßt werden. Andererseits ist durch den Übergang auf die innere Empfangsoptik mit ihrer kleineren Empfangsöffnung eine sichere und genaue Nachführung dieser Empfangsoptik auf die exakte Einfallsrichtung möglich.
Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
F i g. 1 eine Erfassungseinrichtung gemäß der Erfindung mit einer Toruslinse,
F i g. 2 eine Erfassungseinrichtung nach der Erfindung mit einer Fresnelloptik.
Bei der Erfassungseinrichtung nach F i g. 1 besteht die innere Empfangsoptik aus einem Spiegel SPl, einer im Schnitt dargestellten Linse L1 und einem oder mehreren, z. B. matrixartig angeordneten Empfangsdetektoren DfI. Die äußere Empfangsoptik weist einen Spiegel SP2 sowie eine geschnitten dargestellte Toruslinse L 2 auf und ringförmig angeordnete (nach unten abgeklappt dargestellte) Detektoren Df 21 bis DE2n auf. Der Spiegel SP2 hat die Form eines Kegelstumpfes, dessen äußere Schrägfläche verspiegelt ist. In der Mitte ist eine entsprechend große öffnung vorgesehen, durch welche die Strahlung der inneren Empfangsoptik vom Spiegel SP1 zur Linse L1 hindurchtreten kann. Die beiden Empfangsoptiken sind somit koaxial zueinander angeordnet. Die einfallende Strahlung, welche aus einer beliebigen Azimutwinkelrichtung kommen kann, wird über den Spiegel SP2 und die Toruslinse /. 2 zu der ringförmigen Detektoranordnung Df 21 bis Df 2n geleitet. Jeder dieser Detektoren erfaßt einen bestimmten Winkelbereich; diese Bereiche sind mit ψ 1 bis φ π bezeichnet. Durch entsprechend feine Quantisierung der Winkelbereiche kann eine ausreichend genaue erste Erfassung der Einfallsrichtung einer Strahlung vorgenommen werden. Die Ausgänge der einzelnen Detektoren Df 21 bis DE2n sind mit einer Winkelauswertung WA 2 verbunden. Diese Winkelauswertung liefert eine Stellgröße, die dem Stellmotor MO zugeführt wird. Dieser Stellmotor bewegt den Spiegel SP1 in diejenige Azimutwinkelrich- f,s tung, aus der die Strahlung eingefallen ist.
Nach der Durchführung dieser Grobeinstellung auf der Winkelinformation von der zweiten Empfangsoptik geht die weitere Feineinstellung der ersten, inneren Empfangsoptik mittels einer Winkelauswertung WA 1 vor sich, die ihre Information von dem oder den Detektoren DEX erhalt Dadurch wird die genaue Ausrichtung des Spiegels SP1 in die gewünschte Azimutrichtung vorgenommen. Diese Ausrichtung kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß eine Schwenkbewegung ir einem vorgegebenen Azimutwinkelbereich, z. B. von ±2° durchgeführt wird. Bei dieser Überstreichung ergeben sich Ausgangsspannungen am Detektor Df 1. die zunächst ansteigen, dann einen Maximumwert erreichen und schließlich wieder abfallen. Derjenige Winkelwert, an dem die maximale Ausgangsspannung erreicht worden ist, wird in der Winkelauswertung WA 1 festgehalten und als Stellgröße für die genaue Ausrichtung des Spiegels SPI benutzt. Es ist aber auch möglich, z. B. bei einer matrixartigen Anordnung mehrerer Detektoren DfI bis DEm durch Auswertung der jeweils verschieden großen Ausgangsspannungen die Einfallsrichtung genau zu bestimmen.
Ergänzend zu der Drehbewegung um die Achse des Motors MO kann noch eine Kippbewegung des Spiegels SP1 vorgesehen sein. Diese Kippbewegung ermöglicht es. Ziele in einer bestimmten Höhe besser zu erfassen.
Eine genauere Zielmittenbestimmung kann im übrigen auch bereits bei den Detektoren DE 21 bis DE2n der äußeren Empfangsoptik vorgenommen werden. Hierzu können die Ausgangsspannungen benachbarter Detektoren miteinander verglichen werden, wobei derjenige Detektorbereich als Einfallswinkel herangezogen wird, der die höchste Ausgangsspannung liefert.
Zur beseitigung sphärischer Aberrationen bei der Toruslinse L 2 ist zweckmäßig eine asphärische Fläche, insbesondere eine Parabel, verwendet. Diese kann durch entsprechende Formgebung einer Fläche der Toruslinse L 2 und/oder durch entsprechende Formgebung des Spiegels L 2 realisiert werden.
Die innere Empfangsoptik, bestehend aus dem Spiegel SP1 und der Linse L 1. weist eine extrem kleine Empfangsöffnung auf. Demgegenüber hat die äußere Empfangsoptik, bestehend aus dem Spiegel SP2 und der Linse L 2, eine sehr große Empfangsöffnung.
Bei der Erfassungseinrichtung nach F i g. 2 sind die beiden Spiegel SPl und SP2 sowie die Linse L 1 nach F i g. 1 ebenfalls vorhanden. Der Aufbau der inneren Empfangsoptik ist somit unverändert. Dagegen sind bei der äußeren Empfangsoptik an Stelle der Toruslinse nach F i g. I mehrere konzentrische, ringförmige Linsensysteme L 21, L 22, L 23 vorgesehen. Diese Linsensysteme bilden eine sogenannte Fresneloptik. Diese Fresnellinsen gestatten einen einfacheren und kompakteren Aufbau und eine weitgehende Korrektur der sphärischen Aberrationen Außerdem ist eine besonders gute Anpassung an die Detektoren Df 21 bis Df 2n möglich, weil die sphärischen Aberrationen in Teilbereiche aufgetrennt korrigierbar sind. Diese Detektoren können dabei wesentlich weiter nach innen gezogen werden als bei der Anordnung nach F i g. 1. Dadurch ist es möglich, den oder die Detektoren DfI und die ringförmigen Detektoren Df 21 bis DE2n auf einem einzigen Substrat anzuordnen und das Volumen zu verringern.
Die Auswertung der Empfangssignale der äußeren Empfangsoptik und die Nachsteuerung des Spiegels SP1 erfolgen in analoger Weise wie bei F i g. 1 beschrieben und dargestellt. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind die einzelnen Steuerleitungen hier
weggelassen.
Bei der Einrichtung nach Fig.3 ist der Spiegel 5Pl und die Linse L 1 in analoger Weise aufgebaut wie bei den vorhergehenden Beispielen. Eine Abänderung besteht lediglich insoweit, als die Linse L 1 vor der Linse L 2 liegt. Die Anordnung bleibt aber weiterhin koaxial. Dadurch sind die Bildebenen beider Linsen auseinandergezogen. Der Detektor OEl liegt näher beim Linsensystem L 2. Mittels eines leildurchlässigen Spiegels SPi kann ein Teil der einfallenden Strahlung des inneren Optiksystems auf einen weiteren Detektor oder weitere Detektoren DEl' abgelenkt werden. Dann kann der Detektor DEl entfallen, und somit wird der Weg für den Strahlengang in der Achse des Systems frei.
Die mit einer Öffnung versehene Linse L2 ist als Ringbildlinse ausgebildet. Sie enthält eine verspiegelte Fläche F2 an ihrer Innenseite, die durch ein Rotationshyperboloid gebildet ist. Die beiden weiteren Flächen Fl und F3 des Linsensystems L 2 sind nicht verspiegelt. Diese Flächen sind Kugelflächen wobei die Radien Brennweite und öffnung festlegen. Hinter dem Linsensystem L 2 ist im Strahlengang ein teildurchlässiger Spiegel SP2' angeordnet. Dieser leitet einen Teil der einfallenden Strahlung zu einer Detektoranordnung DE 2" die außerhalb des Strahlengangs längs der Achse des Systems liegt. Andernfalls gelangt die Strahlung zu einem weiteren Detektor DE2'. Wenn der Detektor DE 2' weggelassen wird, ist auch hier der Weg für die Strahlung in der Achse frei. Im Strahlengang ist eine Linse L 3 und eine weitere ringförmige Detektoranordnung DE 2 vorgesehen.
Wenn die Detektoren DE2, DE2' und DEl weggelassen sind und dafür die Strahlung durch die teildurchlässigen Spiegel SP2' und SP3 seitlich herangespiegell wird kann die Anordnung, wie durch das Auge AG angedeutet, gleichzeitig als Rundsichtfernrohr (Periskop) benutzt werden. Die Linse L 3 ist in diesem Fall das Okular des Fernrohres, die Linse L 4 stellt eine Zwischenoptik und die Linse L 1 das Objektiv dar, wobei die Linse LA das Bild aufrichtet und die geometrisch richtige Zwischenabbildung herstellt.
ίο Neben der richtungsselektiven Detektierung bei der Detektoranordnung DE 2 bietet sich auch noch die Möglichkeit, eine integrale Detektierung des gesamten Ringbildes im Detektor DE2" durchzuführen. Hierzu dient ebenfalls die Ablenkung durch den Spiegel SP 2'.
,5 Diese Anordnung bringt somit eine erhöhte Sicherheit in der Zielentdeckung und Zielerfassung.
Auch die Anordnungen nach F i g. 1 und 2 können durch entsprechende Umlenkspiegel (analog F i g. 3) als Periskope ausgestaltet werden. Die Spiegel SP 2' und
SP3 können zweckmäßig eine frequenzselektive Verspiegelung erhalten. Dadurch wird beim einfallenden Licht der zu messende Bereich vom sichtbaren Spektralbereich getrennt. So entsteht zusätzlich ein Schute für das Auge, weil nur der sichtbare Teil zum
ϊ5 Auge AG gelangt.
Zur Verringerung von Beschleunigungsmomenten kann der Spiegel SP1 zweckmäßig als Polynomspiegel ausgebildet werden. Es ist auch möglich, diesen Spiegel erst im bereits fokussierten Strahlungsgang, d. h. nach
der Linse L 1, anzuordnen. Dies hat den Vorteil, daß dann nur ein sehr kleiner Spiegel notwendig wird.
Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (18)

Patentansprüche:
1. Verrichtung zur Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung mittels zweier mit getrennten Detektoren arbeitender, koaxial zueinander angeordneter Empfangsoptiken, von denen die äußere feststehend und die innere drehbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik (LX SP2) als Pano ramaoptik mittels mehrerer Detektoren (DE 21 )0 bis DE2n) eine erste Erfassung des Einfallswinkels (φ) der elektromagnetischen Strahlung durchführt, daß auf Grund des so ermittelten Einfallswinkels (φ) die innere Ernpfangsoptik (Ll, SPΊ) grob auf die Einfallsrichtuug der elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet wird und daß mit der mit kleiner Empfangsöffnung versehenen inneren Empfangsoptik (Li. SPi) eine Feinnachführung mitteis eines oder mehrerer weiterer Detektoren (DEi) auf die genaue Einfalisrichtung vorgenommen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1. dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgangsspannungen der der inneren und/oder der äußeren Empfangsoptik (L 1, 5Pl; L 2, SP2) zugeordneten Detektoren (DEi. DE 21 bis DE2n) miteinander verglichen werden und daraus die Einfallsrichtung auf Grund des stärksten einfallenden Signals bestimmt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptk einen Spiegel (SP2) in Form eines Kegelspiegel: aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dal) der Strahlengang für die innere Empfangsoptk (Li, SPi) über eine zentrale öffnung des in Form eines Kegelstumpfes aulgebauten Kegelspiegels(SPi) verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik (L2. SP2) eine Toruslinse (L2) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Beseitigung sphärischer Aberrationen mindestens eine asphärische Fläche, insbesondere eine Parabel, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik eine Fresneloptik (L 21. L 22, L 23) aufweist (Fig 2).
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Fresneloptik eine zentrale öffnung aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (DEi, D£21 bis DE2n) beider Empfangsoptiken (L i. SPi; L 2, SP2) auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.
10 Vorrichtung nach eine™ der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik eine Ringbildlinse mit einer verspiegelten Innenfläche aufweist (F ig. 3).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelte Innenfläche der Ringbildlinse ein Rotationshyperboloid darstellt, während die nicht verspiegelten Flächen Kugelflächen bilden.
12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbildlinse eine zentrale öffnung für den Strahlengang der inneren
Empfangsoptik (L 1. SP1) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang nach der äußeren Empfangsoptik (L2) mittels zweier getrennter Detektoranoranungen (DEl", DE2) sowohl integral als auch richtungsselektiv einzeln delektiert wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Trennung der beiden Strahlengänge für die rechtungsselektive und integrale Delegierung mittels eines teildurchlässigen Spiegels (SP2') vorgenommen wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zwischenschaltung einer Optik (L 4) und eines Okulars (L 3) die gesamte Anordnung als Periskop zur visuellen Betrachtung dient und daß im Strahlengang der äußeren Optik teildurchlässige Umlenkspiegel (SPX SP2') vorgesehen sind, die einen Teil der Strahlung zu den außenliegenden Detektoren (DE Γ. DE 2") ablenken.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkspiege! (SP3. SP2') frequenzselektiv ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (SPl) für die innere Empfangsoptik als Polynomspiegel ausgebildet ist.
18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (SPl) für die innere Empfangsoptik als sehr kleiner Spiegel im bereits fokussieren Strahlengang angeordnet ist.
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