DE2536903C3 - Prüf- und Justiervorrichtung für optronische Systeme und Geräte - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Prüf- und Justiervorrichtung für optische Systeme und Geräte, deren optische Achsen von Sendeoptik, Empfangsoptik, Visieroptik und gegebenenfalls Vidiconoptik einen relativ großen gegenseitigen Abstand aufweisen, unter

i$ Zuhilfenahme eines Kollimators.

Die Brauchbarkeit optronischer Systeme und Geräte, wie sie beispielsweise für Leitzwecke, Entfernungsmessung und Ortungszwecke zur Anwendung kommen, ist, unabhängig von ihrem jeweiligen Funktionsprinzip, in der Regel davon abhängig, ob für solche Systeme und Geräte eine praktikable Justierung bei der hier geforderten hohen Genauigkeit vorhanden ist oder nicht. Beispielsweise ist der für Laserentfernungsmesser über größere Entfernungen zulässige Achsenfehlwinkel zwischen Sende-, Empfangs- und Visieroptik kleiner oder gleich 0,1 mrad.

Durch die DT- OS 23 43 596 ist eine solche von einem Autokollimator Gebrauch machende Justiereinrichtung bekannt, die durch ihren modularen Aufbau und ihre Gestaltung zu einer mechanisch stabilen kompakten Einheit eine vielseitige Anwendung zuläßt und auch dort zum Einsatz kommen kann, wo das optronisrhe System bzw. Gerät fest, beispielsweise in ein Fahrzeug, eingebaut ist. Justiereinrichtungen dieser Art können unmittelbar allerdings nur bei solchen optronischen Systemen und Geräten zur Anwendung kommen, bei denen die Strahlengänge von Sende-, Empfangs- und Visieroptik entweder koaxial verlaufen oder aber räumlich nur einen geringen gegenseitigen Abstand aufweisen. Liegen die optischen Achsen von Sendeoptik, Empfangsoptik, Visieroptik und gegebenenfalls Vidiconoptik räumlich relativ weit auseinander, dann bereitet es erhebliche Schwierigkeiten, für sämtliche durchzuführenden Vergleichsmessungen und die hieraus resultierenden Justierungen die gleiche Meßbezugsebene zu gewährleisten. Hinzu kommt, daß bei räumlicher Trennung der optischen Achsen die Anforderungen an die Justiermöglichkeit und Justierkontrolle umso größer werden, je größer der räumliche gegenseitige Abstand der optischen Achsen ist, weil jedes noch so durchdachte Gerät empfindlich auf mechanische und thermische Umwelteinflüsse reagiert, flüsse reagiert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, für

f>ii optronische Systeme und Geräte der einleitend beschriebenen Art eine sehr hohen Anforderungen an die MeQ- und Justiergenauigkeit genügende weitere Prüf- und Justiervorrichtung anzugeben, die auch mit

sehr kleinen Meßstrecken auskommt, d. h. in kleinen Meßräumen zur Anwendung gelangen kann, wo Laborbedingungen herrschen und somit Umwelteinflüsse, wie z. B. atmosphärische Turbulenzen und Schlieren, auf die Meßgenauigkeit keinen Einfluß nehmen können.

Ausgehend von einer Prüf- und Jus.'iervorrichtung für optronische Systeme und Geräte, deren optische Achsen von Sendeoptik, Empfangsontik, Visieroptik und gegebenenfalls Vidiconoptik einen relativ großen gegenseitigen Abstand aufweisen, unter Zuhilfenahme eines Kollimators, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß dem Kollimator eine in ihrer Länge zur Überbrückung des gegenseitigen Abstandes zwischen der Sendeoptik und einer der übrigen Optiken veränderbaren Tripelstreifenoptik zugeordnet ist, die hierzu aus einem Teilstück eines senkrecht zu seiner Längsachse unterteilten Tripelstreifens und einem das andere Teilstück ersetzenden, zur Tripelstreifenlängsachse unter 45° geneigten Strahlteilerspiegel besieht, daß ferner der Sendestrahl, vorzugsweise ein kohärenter Lichtstrahl (Laserstrahl), im Brennpunkt der Linse des Kollimators im Unendlichen abgebildet ist und daß die Tripelstreifenoptik mit ihren Strahlteilerspiegel im Strahlengang des Sendestrahls zwischen Sendeoptik und Kollimatorlinse angeordnet ist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß ein als Tripelstreifen bezeichneter prismatischer Körper, wie er beispielsweise in dem Buch von J. Flügge »Praxis der geometrischen Optik«, Vandenhoek & Ruprecht-Verlag, Göttingen, 1962, Seite 23, Fig. 14 angegeben ist, die Eigenschaft aufweist, daß ein am einen Ende in ihn eintretender Lichtstrahl am anderen Ende parallel zum eintretenden Lichtstrahl wieder austritt und daß diese Parallelität praktisch unabhängig von der Dreh- und der Kipplage dieses prismatischen Körpers ist. Durch die erfindungsgemäße midifizierte Ausführung eines solchen optischen Bauelements ist es in Verbindung mit dem Kollimator in außerordentlich vorteilhafter Weise möglich, eine hochgenaue Vermessung und Justierung der relativ weit auseinanderliegenden optischen Achsen eines optronischen Systems oder Gerätes durchzuführen.

Da der Sender eines solchen Gerätes, wie das beispielsweise bei Laserentfernungsmessern der Fall ist, einen energiereichen kohärenten Lichtstrahl liefert, läßt sich die Durchführung einer Justierung dadurch besonders erleichtern, daß die öffnung einer in der Brennebene der Kollimatorlinse angeordneten Blende durch den Sendestrahl selbst erzeugt ist. Auf diese Weise ist dann automatisch die Meßbezugsebene der Justiervorrichtung hinsichtlich der Sendeoptik festgelegt.

Für die Durchführung einer Justierung erweist es sich auch als vorteilhaft, wenn im Strahlengang des nicht in den Kollimator einstrahlenden Teilstrahls des Sendestrahls eine weitere Kollimatorlinse mit einer in ihrer Brennebene vorgesehenen weiteren Blende vorhanden ist. Dabei wird vorteilhaft die öffnung der weiteren Blende ebenfalls durch den Sendestrahl selbst erzeugt.

Die weitere Kollimatorlinse mit der in ihrer Brennebene angeordneten weheren Blende kann dadurch in vorteilhafter Weise für eine Feinjustierung zur Anwendung kommen, daß die Energieaüfteilung des im allgemeinen impulsförmigen Sendestrahls am Strahlteilerspiegel, und zwar das Energieverhältnis des in den Kollimator einstrahlenden Teilstrahls zum die weitere Kollimatorlinse durchstrahlenden Teilstrahl, wesentlich größer als Eins isL Hierdurch wird nämlich im Zusammenhang mit der Erzeugung def Blendenöffnung durch den Sendesirah! erreicht, daß von den beiden öffnungen der beiden Blenden dii Blendenöffnung der weiteren Blende mit einem dem Energieverhältnis proportionalen kleineren Durchmesser erzeugt wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform ist der Kollimator im Strahlengang des den Strahlteilerspiegel durchsetzenden Anteils des Sendestrahls angeordnet

ίο Fur die meisten Anwendungsfälle ist es zweckmäßig, daß der Kollimator für Autokollimationszwecke zwischen Kollimatorlinse und Blende eine Strahlteilerplatte aufweist und daß im Strahlengang des am Strahlteiler durch Reflexion abgelenkten Anteils der Sendestrahlung, und zwar in der Brennebene der Kollimatorlinse, eine Meß- bzw. Registriervorrichtung angeordnet ist. Als Meßanordnung eignet sich in vorteilhafter Weise ein in den kartesischen Koordinaten justierbares Fadenkreuz. Als Registrieranordnung kann ein lagerempfindlicher fotoeiektrischer Empfänger vorgesehen sein.

Im Zusammenhang mit der Anwendung der Autokollimation ist es sinnvoll, in Strahlrichtung hinter der in der Brennebene der Kollimatorlinse angeordneten Blende einen Kondensor mit einem Illuminator vorzusehen, dessen Lichtemission wenigstens annähernd das Spektrum der Sendestrahlung hat. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß nicht die frequenzabhängigen Eigenschaften der zu justierenden Strahlachsen der verschiedenen Optiken auf die Justierung eingehen.

Zweckmäßig wird die Tripelstreifenoptik mittels

eines ausziehbaren Tubus zu einer mechanisch stabilen Einheit gestaltet und dabei der Strahlteilerspiegel am freien Ende im einen und das Tripelstreifenteilstück am freien Ende im anderen Tubusteil angeordnet.

Da es im mobilen Einsatz optronischer Systeme oftmals erforderlich ist, das System in im Fahrzeug fest montiertem Zustand zu justieren, ist es vorteilhaft, die Gesamtheit der die Justiervorrichtung bildenden EIemente als mechanisch stabile und kompakte Einheit zu gestalten. Eine solche Einheit kann dann zur Durchführung einer Justierung am jeweiligen Fahrzeug auf eine hier vorgesehene Meßkonsole aufgesetzt werden. An Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels soll die Erfindung im folgenden noch näher erläutert werden. In der Zeichnung bedeuten:

Fig. 1 die Darstellung einer Prüf- und Justiereinrichtung nach der Erfindung in Gestalt eines Funktionsschemas,

F i g. 2 eine Tripelstreifenoptik nach der Erfindung. In F i g. 1 ist oberhalb der das optronische Gerät von der Prüf- und Justiereinrichtung unterscheidenden strichpunktierten Linie in zueinander paralleler Anordnung eine Sendeoptik SO, eine Empfängeroptik EO mit Gesichtsblende GBI, eine Visieroptik LO und eine Vidiconoptik 7VO schematisch angegeben. Für den einwandfreien Betrieb dieses optronischen Gerätes müssen die optischen Achsen sämtlicher Optiken parallel zueinander ausgerichtet sein, und zwar bis auf einen zulässigen Ablagefehlerwinkel φ < 0,1 mrad.

Die Elemente der Prüf- und Justiervorrichtung sind auf einer gemeinsamen Grundplatte GPangeordnet, die ihrerseits, beispielsweise bei fest eingebautem optronisehen Gerät in einem Fahrzeug auf eine für Justier- und Prüfzwecke vorgesehenen Meßkonsole aufsetzbar ist Die Prüf- und Justiervorrichtung besteht im wesentlichen aus dem Autokollimator AK, dem Hilfskollimator

HK und dem die Tripelstreifenoptik TO in sich aufnehmenden ausziehbaren Tubus TU. Der Autokollimator AK besteht aus der Kollimaturlinse LK 1, dem Strahlteiler STi der Blende BIi und der Tadenkreuzmarke F jeweils in der Brennebene der Kollimatorlinse LKi, dem in Strahlrichtung hinter der Blende BIi angeordneten Kondensor K mit Illuminator /und dem in Strahlrichtung hinter dem Fadenkreuz Fangeordneten Okular Öl. Die Tripelstreifenoptik TO, die in F i g. 2 besonders dargestellt ist, besteht aus dem Teilstück Ts eines senkrecht zu seiner Längsachse unterteilten Tripelstreifens und einem das andere Teilstück ersetzenden, zur Tripelstreifenlängsachse unter 45° geneigten Strahlteilerspiegel ST. Mit Hilfe des Tubus TU kann das Tripelstreifenteilstück Ts in Richtung seiner Achse durch Ausziehen des in seiner Länge veränderbaren Tubus TU zur Überbrückung des gegenseitigen Abstandes der Sendeoptik SO von einer der übrigen Optiken EO, LO, und 7VO verschoben werden. Wie Fig. 1 erkennen läßt, ist der Strahlteilerspiegel STim Strahl S der Senderoptik SO fest angeordnet. Die optische Achse der Sendeoptik SO stellt auf diese Weise die Bezugsachse für die übrigen hierauf zu justierenden optischen Achsen der übrigen Optiken dar. Je nachdem, ob die Empfangsoptik EO, die Visieroptik LO oder die _J5 Vidiconoptik TSO hinsichtlich ihrer optischen Achse zur optischen Achse der Sendeoptik justiert werden soll, wird das bewegliche Teil des Tubus TU mit dem Tripelstreifenteilstück TS bis in Höhe der betreffenden Optik ausgezogen und auf diese Weise der gegenseitige Abstand der miteinander zu vergleichenden Optiken überbrückt.

Der Hilfskollimator HK, der im Teilstrahl S2 des am Strahlteilerspiegel ST der Tripelstreifenoptik durch Reflexion abgelenkten Anteils des Sendestrahls 5 angeordnet ist, besteht seinerseits aus der Kollimatorlinse LK 2 und der in seiner Brennebene angeordneten Blende Bl 2.

Wie bereits einleitend ausgeführt worden ist, hat ein Tripeästreifen die Eigenschaft, daß ein am einen Ende ^₀ auf ihn auffallender Lichtstrahl sam anderen Ende zum einfallenden Strahl parallel wieder austritt, und zwar unabhängig von seiner Drehlage um den Winkel β und unabhängig von seiner Kipplage um den Winkel <x. Sei der in F i g. 2 dargestellten erfindungsgemäßen Tripel-Streifenoptik ist diese Lageunempfindlichkeit lediglich hinsichtlich der Kipplage um den Winkel χ gegeben, während dies für die Drehlage um den Winkel β nicht zutrifft. Dies stellt jedoch keine Beeinträchtigung der Meßgenauigkeit dar, weil mit Hilfe des Autokollimators AK die Solldrehlage jederzeit überprüfbar ist. Entsprechendes gilt hinsichtlich der exakt parallelen Ausrichtung des Strahlteilerspiegels STzu der Schnittfläche SF desTripelstreifenteilstücks TS.

Der Strahlteilerspiegel ST ist zweckmäßig so dimensioniert, daß lediglich ein Teilstrahl S 2 von 8 bis 20% des Sendestrahls S an ihm in Richtung auf den Hilfskollimator HK reflektiert wird, während der weitaus größere Teilstrahl 51 von 80 bis 92% durch den Strahlteilerspiegel ST hindurch in den Autokollimator AK einstrahlt

Zur Festlegung der Bezugsebene der Justiereinrichtung hinsichtlich der die Bezugsachse bildenden optischen Achse der Sendeoptik SO ist es sinnvoll, die öffnung sowohl der Blende Bl 1 als auch der Blende Bl 2 durch den Sendestrahl S selbst zu erzeugen, was immer dann möglich ist, wenn die Sendeeinrichtung ein Impulslaser mit ausreichend hoher Impulsenergie ist Dies ist bei den meisten optronischen Geräten dieser Art der Fall, da sowohl für Entfernungmessungen über größere Distanzen als auch für Ortungs- und Feuerleitzwecke optische Sender, in der Regel Impulslascr, mit relativ hoher Strahlungsenergie zum Einsatz kommen. Da ein Laserimpuls über der Zeit und dem Querschnitt eine in erster Näherung Gauß'sche Verteilung der Intensität aufweist, hat die hinsichtlich der F.nergie unterschiedliche Aufteilung des Sendestrahls S in die beiden Teilstrahlen 51 und S2 am Strahlteilerspiegel zur Folge, daß im Bereich der Blende BIi, vorausgesetzt, daß der durch den Strahlteiler STi hindurchtretende Anteil 511 im wesentlichen dem Teilstrahl 51 entspricht, ein Laserimpuls für die Erzeugung der Blendenöffnung mit wesentlich größerer Strahldivergenz zur Wirkung kommt als am Ort der Blende Bl 2. Am Ort der Blende Bl 2 wird nämlich prakiisch nur noch die Spitzenenergie des Laserimpulses für die Erzeugung der Blendenöffnung wirksam. Die größere Blendenöffnung der Blende Bl 1 gibt wegen des größeren Gesichtsfeldes die Möglichkeit, den eigentlichen Justierbereich schneller aufzufinden, während mit Hilfe der wesentlich kleineren Blendenöffnung der Blende Bl 2 anschließend eine Feinjustierung durchgeführt werden kann. Die Justierung der Fadenkreuzmarke F im Bereich des am Strahlteiler 57"! reflektierten Anteils 512 des Teilstrahls 51 geschieht zweckmäßig in Autokollimation mit Hilfe des Illuminators /, wobei für die Rückstrahlung des Illuminatorlichts die schwach reflektierende Schnittfläche 5F des Tripelstreifenteilstücks TS ausreichend ist. Diese schwach reflektierende Schnittfläche dient auch gleichzeitig zur Justierung des Strahlteilerspiegels ST sowohl hinsichtlich seiner 45° -Kipplage, als auch hinsichtlich seiner zur Schnittfläche SF parallelen Ausrichtung senkrecht zur Zeichenebene.

Die Blenden ß/1 und Bl2 bestehen zweckmäßig aus einem leicht und definierbar verdampfbaren Material, wie z. B. Blaupapier, 5 bis 30 μΐη Tantalblech oder aus auf Glassubstraten aufgedampften, für die Sendestrahlung gut absorbierenden dünnen Metallschichten. Hierbei soll das Blendensubstrat in einer entsprechenden Halterung leicht verschiebbar und auswechselbar sein.

Anstelle des Fadenkreuzes F und des Okulars OL kann in der Brennebene der Kollimatorlinse LK 1 im Bereich des Anteils 512 des Teilstrahles 51 auch ein lagerempfindlicher fotoelektrischer Empfänger angeordnet sein. Von dieser Maßnahme wird dann Gebrauch zu machen sein, wenn die Strahlung des Senders und damit auch die Strahlung des Illuminators, die ja zur Vermeidung des Einflusses der Frequenz auf die justierung wenigstens annähernd das gleiche Emissionsspektrum aufweisen soll, im nicht sichtbaren Bereich, beispielsweise IR-Bereich liegt Die Justierung wird in diesem Falle an der optimalen Aussteuerung des fotoelektrischen Empfängers erkannt

Für den Fall, daß die Sendestrahlung im sichtbarer Bereich liegt ist es für die Justierung der Achsen dei Visieroptik LO und der Vidiconoptik 7TO auf die optische Achse der Sendeoptik SO nicht erforderlich daß zwischen der Kollimatorlinse LK1 und der Blende BI1 der Strahlteiler STl angeordnet ist In diesem Fall« kann die gewünschte Justierung über die Visieroptik unc die Vidiconoptik selbst vorgenommen werden.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf ein« Anordnung entsprechend dem in F i g. 1 dargestellter Schema beschränkt, da die Justiereinrichtung in jeden

Falle auch ohne den hier dargestellten Hilfskollimator HK funktionsfähig ist. Weiterhin kann der Autokollimator AK am Ort des Hilfskollimators HK angeordnet sein. Eine Vertauschung der beiden Kollimatoren ist ebenfalls möglich.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Prüf- und Justiervorrichtung für optronische Systeme und Geräte, deren optische Achsen von Sendeoptik, Empfangsoptik, Visieroptik und gegebenenfalls Vidiconoptik einen relativ großen gegenseitigen Abstand aufweisen, unter Zuhilfenahme eines Kollimators, dadurch gekennzeichnet, daß dem Kollimator (A K) eine in ihrer Länge zur. Überbrückung des gegenseitigen Abstandes zwischen der Sendeoptik und einer der ürbigen Optiken veränderbaren Tripelstreifenoptik (TO) zugeordnet ist, die hierzu aus einem Teilstück (TS) eines senkrecht zu seiner Längsachse unterteilten Tripelstreifens und einem das andere Teilstück ersetzenden, zur Tripelstreifenlnngsachse unter 45° geneigten Strahlteilerspiegel (ST) besteht, daß ferner der Sendestrahl (S) vorzugsweise ein kohärenter Lichtstrahl (Laserstrahl) im Brennpunkt der Linse des Kollimators im Unendlichen abgebildet ist und daß die Tripelstreifenoptik mit ihrem Strahlteilerspiegel im Strahlengang des Sendestrahls zwischen Sendeoptik (SO) und Kollimatorlinse (LK 1) angeordnet ist.

2. Prüf- und Justiervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die öffnung einer in der Brennebene der Kollimatorlinse (LK 1) angeordneten Blende (BIi) durch den Sendestrahl (S) selbst erzeugt ist.

3. Prüf- und Justiervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang des nicht in den Kollimator einstrahlenden Teilstrahls (S 2) des Sendestrahls (S) eine weitere Kollimatorlinse (LK 2} mit einer in ihrer Brennebene vorgesehenen weiteren Blende (Bl2) vorhanden ist und daß die öffnung der weiteren Blende durch den Sendestrahl selbst erzeugt ist.

4. Prüf- und Justiervorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Energieaufteilung des im allgemeinen impulsförmigen Sendestrahls (S) am Strahlteilerspiegel (ST), und zwar das Energieverhältnis des in den Kollimator einstrahlenden Teilstrahls (51) zu dem die weitere Kollimatorlinse durchstrahlenden Teilstrahl (S2) wesentlich größer als Eins ist.

5. Prüf- und Justiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator im Strahlengang des den Strahlteilerspiegel (ST) durchsetzenden Teilstrahls (51) des Sendestrahls (S) angeordnet ist.

6. Prüf- und Justiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kollimator (AK) zwischen Kollimatorlinse (LK 1) und Blende (Bl 1) eine Strahlteilerplatte (STi) aufweist und daß im Strahlengang des am Strahlteiler durch Reflexion abgelenkten Anteils (512) der Sendestrahlung, und zwar in der Brennebene der Kollimatorlinse, eine Meß- (F)bzw. Registriervorrichtung angeordnet ist.

7. Prüf- und Justiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Tripelstreifenoptik (TO) mittels eines ausziehbaren Tubus (TU) zu einer mechanisch stabilen Einheit gestaltet ist und daß der Strahlteilerspiegel (STi) am freien Ende im einen und das Tripelstreifeateilstück (TS) am freien Ende im anHprpnTiihiKtpil anoporrlnpt ist.

8. Prüf- und Justiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in Strahlrichtung hinter der in der Brennebene der Kollimatorünse (LK 1) angeordneten Blende (BIi) ein Kondensor (K) mit einem Illuminator (I) vorgesehen ist, dessen Lichtemission wenigstens annähernd das Spektrum der Sendestrahlung hat.

9. Prüf- und Justiervorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gesamtheit der zu bildenden Elemente als mechanisch stabile und kompakte Einheit gestaltet ist.