DE2647646C3 - Optisch-mechanisches Abtastsystem mit einem Cassegrain-Spiegelteleskop - Google Patents

Description

25

Die Erfindung betrifft ein optisch-mechanisches Abtastsystem mit einem Cassegrain-Spiegelteleskop mit kreiselstabilisiertem, rotierendem Primär- und Sekundärspiegel, wobei zur Erzielung eines Abtastmusters der Sekundlrspiegel zur optischen Systemachse geneigt is t

In kreiseloptischen Objektivsystemen und anderen Anwendungen optischer Teleskope r { es oft erwünscht, das Feld eines Strahlungssensors über das Feld eines optischen Objektivs zu schwenken, um die Orientierung der Strahlungsquelle relativ zur Achse des optischen Systems zu bestimmen. Von den verschiedenen verfügbaren Abtast- bzw. Schwenkmustern ist die Rosettenabtastung besonders vorteilhaft dahingehend, daß man mit einem Strahlungssensor mit verhältnismäßig kleinem Gesichtsfeld das gesamte Feld des optischen Objektivs zu einem kreisförmigen Suchmuster mit verhältnismäßig großem Gesichtsfeld abtasten kann.

Bei einem bekannten optisch-mechanischen Abtastsystem der eingangs erwähnten Art (US-PS 37 52 998) sind ein parabolischer Primärspiegel an der Kreiselmasse angebracht, der Sekundärspiegel zur optischen Achse geneigt und auf letzterer ein Prisma vorgesehen, wobei die Kreiselmasse und das Prisma um die optische Systemachse eine Relativbewegung ausführen können, um die Notwendigkeit der Gegendrehung einer Masse zu vermeiden, wie sie sonst zur Kompensation des vom Prisma erzeugten Momentes und zur Stabilisierung des gesamten optischen Systems erforderlich wäre. Bei diesem optisch-mechanischen Abtastsystem ist nur ein Abtastmuster erzielt.

Bekannt ist weiterhin ein ähnliches optisch-mechanisches System mit einem nicht rotierend angeordneten Primärspiegel und einem umlaufenden, neigbaren Sekundärspiegel. Infolge der nichtrotierenden Anordnung des Primärspiegels fehlt es hier an einer Stabilisierungswirkung. Bei diesem optisch-mechanisehen Abtastmuster wird ebenfalls nur ein Abtastmuster erzielt.

Bekannt ist ferner ein IR-Such- und Verfolgungsgerät (DE-AS 24 54 480), bei welchem ein rotierender Aufnahmekopf ein Eingangsobjektiv, ein Bildaufrichteprisma, einen Kippspiegel und einen geknickten Strahlengang enthält, wobei das Bildaufrichteprisma mit einer im Verhältnis zum Aufnahmekopf abgeänderten Frequenz um die Längsachse zu rotieren vermag. Zusätzlich ist das Bildaufrichteprisma zusammen mit dem Eingangsobjektiv und dem Kippspiegel für eine den Rotationsbewegungen überlagerte Bewegung in zur Längsachse senkrechten Ebene verdrehbar. Durch das Rotieren des Aufnahmekopfes um die Längsachse wird der Suchbereich, in dem ein Flugobjekt vermutet wird, kreisförmig abgetastet Die zusätzliche Drehbewegung des Bildaufrichteprismas um die Längsachse dient im Trackerbetrieb der Bildabtastung. Durch die gleichzeitig ausgeführte, den genannten Rotationsbewegungen überlagerte Kippbewegung von Eingangsobjektiv, Bildaufrichteprisma und Kippspiegel um eine in zur Längsachse senkrechten Ebene angeordnete Kippachse entsteht eine spiralförmige Bewegung. Der erforderliche geknickte Strahlengang gestaltet den Aufbau des Gerätes verhältnismäßig aufwendig.

Es hat sich herausgestellt, daß sich zur Erzeugung eines rosettenförmigen Abtastmusters mit zwei sich drehenden Spiegeln die Schwierigkeiten umgehen lassen, die bei der Verwendung prismatischer Elemente auftreten. Bei brechenden prismatischen Elementen treten oft chromatische und andere Aberrationen auf und lassen sich größtenteils nicht korrigieren, da die Hauptachse dieser Aberrationen ihrem Wesen nach eine Drehachse ist Weiterhin sind Drehspiegel in ihren wirksamen Wellenlängenbereichen nicht beschränkt — im Gegensatz zu prismatischen Elementen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisch-mechanisches Abtastsystem der eingangs erwähnten Art derart zu gestalten, daß eine Überlagerung von zwei Abtastmustern erzielbar ist

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Primärspiegel zwecks Überlagerung eines zweiten Abtastmusters mit eigener Drehzahl umläuft und zur optischen Systemachse ebenfalls geneigt oder neigbar ist

Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optisch-mechanischen Abtastsystems ergeben sich aus dem Unteranspruch.

Die Erfindung wird dazu verwendet, das Feld eines optischen Objektivs abzutasten und den räumlichen Ursprung bzw. die Raumeigenschaften einer Strahlungsquelle oder einss Strahlungsverteilungsmusters zu ermitteln. Unter spezieller Anwendung auf ein kreiseloptisches System, das bei der Führung eines Strahlungssuchenden Geschosses eingesetzt wird, kann die Erfindung so eingerichtet werden, daß sie das als »Rosette« bekannte Suchmuster ausführt. Ein besonderer Vorteil der Rosette liegt dabei in der Tatsache, daß die maximale Informationserfassung des Musters in dessen Mittelpunkt erfolgt, was dieses System aus sich heraus gegenüber den Effekten von Störzielen weniger empfindlich macht Folglich ist bei einer beispielhaften Ausführungsform die Abtastanordnung in einem Kopfdom angeordnet, der für Strahlung bestimmter Wellenlängen durchlässig ist. Einfallende Strahlung trifft dabei auf eine erste Strahlrichteinrichtung auf der Vorderfläche einer magnetischen Kreiselmasse. Die Drehung der Kreiselmasse wird von Präzessionsspulen gesteuert, die auf einem Spulenkäfig an der Kreiselmasse sitzen. Die Kreiselmasse wird mit einem drehenden elektrischen Signal in den Präzessionsspulen gesteuert. Die Kreisel-

masse dreht dabei in einem Lager im vorderen Teil des Kopfdoms. Weiterhin ist die Kreiselmasse kardanisch in Lagern gelagert, die einem inneren und einem äußeren Lagerring zugeordnet sind. Die reflektierende Oberfläche des Primärspiegels ist gegenüber der optischen Systemachse der Anordnung geringfügig weniger als rechtwinklig angeordnet Die Bewegung des Primärspiegels erzeugt eine erste Abtastmusterkomponente, die das von der Anordnung erzeugte Rosettenmuster bewirkt

Die reflektierende Oberfläche der magnetischen Kreiselmasse lenkt einfallende Strahlung auf die optische Hauptachse und den Sekundärspiegel, der um die optische Systemachse drehbar gelagert ist Der Sekundärspiegel kann eben oder mit einer geringen Krümmung ausgeführt sein. Zwischen die Läuferflanschen und dem ebenen Sekundärspiegel ist ein Keil eingeführt, der die Spiegelebene geringfügig aus der Rechtwinkligkeit zur optischen Systemachse neigt Die Bewegung des Sekundärspiegels erzeugt die zweite Abtastkomponente, die, wenn mit der vom Primärspiegel erzeugten Komponente zusammengefaßt, das Rosetten-Abtastmuster des Systems ergibt

Eine Dreheinrichtung in Form eines Elektromotors dreht den Sekundärspiegel um die optische Systemachse. Ein erster Teil des Elektromotors, ein Ringmagnet, ist auf die Vorderseite des Läuferflansches aufgebracht Ein zweiter Teil der Dreheinrichtung, eine Läufer- und Spulenanordnung, sitzt vor dem Ringmagnet und dreht selbst nicht Die gesamte Ständeranordnung sitzt auf einer Abstützung, um die der Primärspiegel dreht Die Läuferanordnung dreht zwar nicht gegenüber dem Magneten und dem Sekundärspiegel, ist aber gegenüber dem Rest der Suchanordnung vollkardanisch aufgehängt Der Nutzen eines nichtdrehenden Ständers liegt dabei in der direkten elektrischen Verbindung mit der Betriebsleistungsquelle, die Bürsten, Schleifringe und dergleichen überflüssig macht Liegt ein Zielkörper im Gesamtfeld der Rosette, aber nicht in deren Zentrum, liefern von einem Sensor erzeugte Impulssignale eine Fehlerinforiiiation an die externe Verarbeitungsschaltung, die ein richtig gephastes Präzessionssignal liefert, das auf die Präzessionsspulen gegeben wird, die ihrerseits einen Magnetfluß erzeugen, mit dem der Primärspiegel in diejenige Richtung bewegt wird, bei der das Zielbild in den Mittelpunkt des Rosettenfeldes läuft. Da alle optischen Kompontr.ten des Systems vollkardanisch aufgehängt sind, kann das Suchsystem auf ein Ziel einrasten und dessen Winkelabweichungen von der optischen Systemachse intermittierend folgen.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen erläutert. In letzteren sind

F i g. 1 Rosetten-Abtastmuster relativ zu einem typischen Geschoß mit Suchkopf;

F i g. 2 ein Diagramm des grundsätzlichen optischen Systems;

Fig.3 ein Axialschnitt einer Ausführungsform des optischen Systems; und

F i g. 4 ein Axialschnitt eines kompletten Suchkopfes mit dem optischen System.

F i g. 1 zeigt einen typischen Flugkörper 10 mit einem Suchkopf 12 in der Nähe des Kopfdoms 14. Das produzierte Sichtfeld ist mit dem Strahl 16 angedeutet, der ein Rosettenmuster 18 beschreibt, das in aufeinanderfolgenden Suchläufen das gesamte kreisförmige Sichtfeld des Objektivs bestreicht. Bei dieser Art der Abtastung bewirkt das verhältnismäßig kleine momentane Sichtfeld eines Sf. E.hlungssensors zusammen mit der Brennweite des Objektivs und sich wiederholende sinusförmige Auslenkungen, die »Blätter« bilden, die mit verhältnismäßig geringerer Geschwindigkeit winklig umlaufen und so ein kreisförmiges geometrisches Suchmuster mit einem verhältnismäßig großen Sichtfeld bilden. Das Sichtfeld ist hier mit einem eindringenden Luftfahrzeug bzw. Ziel 20 dargestellt, das einen Strahlungssensor erregt, der elektrische Impulssignale abgibt, wenn immer das Ziel sich im Sichtfeld des Strahlungssensors befindet Diese Signale liefern ihrerseits Fehlerinformationen, mit denen ein Präzessionssystem die kreiseloptische Achse nachstellt und damit das Zielbild in den Mittelpunkt des abgetasteten Rosettenfeldes bringt

Wie in der F i g. 2 gezeigt, ist eine der Komponenten, aus denen die Abtastrosette 18 sich aufbaut, die Drehung eines sekundären Reflektors bzw. ebenen Spiegels 22 um dessen Drehachse 26. Die Drehung erfolgt dabei in Richtung des Pfeils. Gleichzeitig kann der ebene Spiegel 22 um die Schwenkachse 24 schwingen, wie mit dem Doppeiy.feil gezeigt. Der Spiege! 22 bewirkt, daß die einfalleiideti Lichlsirahien 28, 28' zwischen den Stellungen A und B auf den projizierten Strahlen 30, 30' schwingen. Das gleiche Abtastmuster läßt sich beschreiben, indem man die Schwingung des Spiegels 22 um die Schwenkachse 24 durch eine geringfügige Neigung des Spiegels 22 zur Drehachse 26 ersetzt und den Spiegel 22 auf die beschriebene Weise dreht Offensichtlich sind die erzeugten Abtastmuster in beiden Fäüen identisch. Die Bewegung des Spiegels 22 ist im zweiten Fall jedoch einfacher, da er nur zur Drehung angetrieben zu werden braucht; seine Schwingungen sind die Folge seiner Kipplage.

F i g. 2 zeigt die funktioneile Zuordnung des primären Reflektors 32 und des sekundären bzw. ebenen Spiegels 22. Parallele einfallende Lichtstrahlen 28,28' von einem entfernten Ziel werden vom primären Reflektor 32 auf den ebenen Spiegel 22 reflektiert. In der Stellung B des Spiegels 22 laufen die Strahlen 30' im Punkt B auf dem Sensor 34 zusammen, in der Stellung A des Spiegels 22 im Punkt A des Sensors 34. Das Sichtfeld des Sensors 34 überstreicht also das Feld des Ziels 20.

Die F i g. 3 zeigt eine Ausführungsform Oer sekundären Strahlrichteinrichtung 48. Die einfallenden Strahlen 28, 28' treffen auf die konvexe reflektierende Fläche 54 auf dem primären Spiegel 52 auf. Dieser Spiegel 52 ist als Teil eines magnetisierten Kreiselläufers ausgebildet, der auf der Lageranordnung 56 im Lager 58 drehbar gelagert ist Das Kreiseldrehlager 58 sitzt auf einem optischen Tubus, der seinerseits kardanisch aufgehängt, aber nicht drehbar gelagert ist; die Einzelheiten sind hier nicht gezeigt. Der Tubus 60 trägt ein Stützfenster 62.

Das sekundäre Strahlrichtsystem 48 weist einen ringförmigen ebenen Spiege! 64 auf. Der Spiegel 64 sitzt dabei auf einem Läufer 66, der um die primäre optische Achse 26 drehen kann. Der Läufer 66 weist einen radialen Flansch 68 auf. Eine Scheibe 70 mit allmählich zunehmender DicUe ist zwischen den Spiegel 64 und den Flansch 68 eingefügt, um den Spiegel 64 zur Achse,26 zu neigen. Bei einer Drehung des Spiegels 64 schwingt dieser also, wie bereits beschrieben, um Jas Bild über den Sensor 34 auszulenken. Der Läufer 66 ist in den Lagern 72 um die Achse 26 drehbar gelagert. Die Lager 72 sitzen auf einem diützboizen 74, der am Ende 76 mit einem Gewinde versehen ist, das durch ein Loch im Stützfenster 62 vorsteht. Mit einer Mutter 78 auf dem

Gewindestutzen 76 wird die relative Lage der einzelnen Bauteile eingehalten und festgelegt.

Der Läufer 66 trägt magnetische Einsätze 82 auf seiner Vorderseite. Ein Ständer 84 ist auf dem Stützbolzen 74 im vorderen Teil des vom Kopfdom 50 umschriebenen Bereiches angeordnet. Der Ständer 84 weist eine Rückscheibe mit den Spulen 88 auf. Elektrische Signale, die in die Spulen über eine externe Antriebsleistungsversorgung eingespeist werden, drehen den Läufer 66 über die magnetischen Einsätze 82 um die optische Hauptachse 26. Ein typisches Verhältnis der sekundären zur primären Drehfrequenz ist 16:7. DieVielzahl von Schwingungen während jeder Umdrehung des Spiegels 64 bewirkt ein Überlappungsmuster, bei dem die Blätter des Rosettenmusters 18 sich gegenseitig überlappend erzeugt werden, so daß man Informationen aus allen Teilen des Sichtfeldes des Objektivs mit minimaler Verzögerung erhält. Während der Ständer 84 vollkardanisch aufgehängt ist, dreht er sich selbst nicht, da er unmittelbar arn Siüizfensier 62 festgelegt ist, das ebenfalls nicht dreht. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß die elektrischen Anschlüsse zwischen der (nicht gezeigten) Ansteuerelektronik für den sekundären Drehmotor und dem Ständer 84 ohne Gleitkontakte oder Bürsten erfolgen können. Die Stör- und Rauschsignalc, die infolge des veränderlichen Widerstands an den Gleitkontaktflächen entstehen, und die begrenzte Lebensdauer von Miniaturbürsten- und Gleitringanordnungen für hohe Drehgeschwindigkeiten sind also vermieden.

Die F i g. 4 zeigt eine Anwendung der Prinzipien der primären Ausführungsform auf einen Geschoßsuchkopf. Dessen Dom 100 und Gehäuse 101 enthalten sämtliche Teile der Konstruktion der Suchkopfoptik. Der Kopfdom 100 ist für Strahlung bestimmter Wellenlängen durchlässig. Das Gehäuse 101 ist mittels des Gewindes 104 auf die Schottenwand 102 aufgeschraubt. Diese Schottenwand 102 trägt auch ein Drehlager 106. das seinerseits einen Wandlertragbolzen 108 abstützt Dieser Bolzen 108 trägt seinerseits an seinem vordersten Ende einen Strahlungssensor 110. Die Präzessionsspulen 112 sitzen auf einem Käfig 114, den die Schottenwand 102 trägt. Ein Präzessionssignal mit der erforderlichen Phasenlage wird von der externen Schaltung geliefert und auf die Präzessionsspulen gegeben. Die Präzessionsspulen erzeugen ihrerseits den erforderlichen Magnetfluß, der die primäre Strahlrichteinrichtung 113 in diejenige Richtung bewegt, mit der das Ziel in den Mittelpunkt der Abtastrosette 18 gebracht wird. Die primäre Strahlrichteinrichtung 113 so weist ein permanentmagnetisches Substrat auf, das, wie bereits erwähnt, die Kreiselmasse des Systems bildet Auf der vorderen Seite des Substrats 116 ist eine reflektierende Fläche 118 ausgebildet Das Substrat 116 dreht um die primäre optische Achse 26. Die

reflektierende Oberfläche 118 dreht sich unter einer geringen Neigung von etwa 1" zur Senkrechten auf der primären optischen Achse 26, wie in F i g. 2 gezeigt. Dadurch entsteht eine der beiden Abtastkomponenten der Abtastrosette 18. Das Substrat 116 sitzt auf einem Gehäuse 124, das in den Kopfdom 100 vorsteht. Das gesamte optische System des Suchkopfes ist kardanisch um das Gehäuse 128 verschwenkbar aufgehängt. Das Gehäuse 128 ist mit dem Gewinde 129 in die Schottenwand 102 eingeschraubt. Ein äußerer Lagerring 130 ist innerhalb des Gehäuses 128 in den Lagern 140 schwenkbar gelagert; ein innerer Ring 132 schwenkt in den Lagern 146 im äußeren Ring 130.

Das Kreiseldrehlager 126 liegt zwischen dem Gehäuse 124 und der Lageranordnung 150. Die Lageranordnung 150 sitzt ihrerseits auf dem inneren Kardanring 132 und trägt auch den Ständer 84. Wie in der vorigen Ausführungsform ist der Ständer 84 über seine Verbindung mit dem inneren Kardanring 132 vünkardänisch aufgehängt, dreht aber selbst nicht. In dieser Ausführungsform weist die Lageranordnung 150 eine Linse 152 auf, die so gestaltet ist, daß ihre Vergrößerung und Dispersion die negative chromatische Aberration des Doms 100 kompensieren.

Die Tastbewegung des primären Spiegels 118 und des sekundären Spiegels 64 bewirken gemeinsam das Rosettenmuster 18. Das Rosettenmuster 18 ist bevorzugt, da der maximale Informationsfluß sich bei einem im Mittelpunkt befindlichen Ziel ergibt und der oben beschriebene Aufbau ein solches Schließen des Abtastmusters ergibt. Der wesentliche Vorteil des Rosettenmusters liegt in der Tatsache, da2 das System aus sich heraus wenig empfindlich auf störende Ziele oder störende räumliche Strahlungsverteilungen reagiert

Der Durchmesser der Drehlager 72 ist verhältnismäßig gering; die sekundäre Strahlrichteinrichtung 48 kann also bei geringen Reibungsverlusten hohe Drehgeschwindigkeiten erreichen. Folglich kann der sekundäre Drehmotor die erforderliche Geschwindigkeit mit einem Bruchteil der Leistung erzeugen, die für die meisten Konstruktionen nach dem Stand der Technik erforderlich war. Die Anordnung des sekundären Drehmotors im äußersten vorderen Teil des Suchers erlaubt die in der Praxis größtmögliche Trennung zwischen dem sekundären Drehmotor und dem Sensor 110, reduziert damit die Störsignaleinkopplung in die hochverstärkende Schaltung, die auf den Sensor folgt, und ergibt auf diese Weise einen verbesserten Störabstand des Suchsignals. Weiterhin wird durch die Anordnung des sekundären Drehmotors im vordersten Teil des vom Dom 100 umschlossenen Bereichs die Drift im Substrat 116 verringert, die durch die magnetische Anziehung zwischen dem Substrat und dem ferromagnetischen Material des sekundären Motors zustandekommt

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Optisch-mechanisches Abtastsystem mit einem Cassegrain-Spiegelteleskop mit kreiselstabilisiertem, um eine gemeinsame Achse rotierendem Primär- und Sekundärspiegel, wobei zur Erzielung eines Abtastmusters der Sekundärspiegel zur optischen Systemachse geneigt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Primärspiegel (32, 54, 113) zwecks Oberlagerung eines zweiten Abtastmusters mit eigener Drehzahl umläuft und zur optischen Systemachse (26) ebenfalls geneigt oder neigbar ist

2. Abtastsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Scheibe (70) zwischen dem den Sekundärspiegel (22, 48, 64) in Drehung versetzenden Rotor (66) und dem Sekundärspiegel (22,48,64), die derart angeordnet ist, daß der Sekundärspiegel (22, 48, 64) aus der Rechtwinkligkeit zur optischen Systemachse (26) neigbar ist, wobei die Oberlagerung der Abtastmuster von einer Sensoreinrichtung (110) erfaßbar ist