DE2760430C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Visiergerät mit einem Detektor zum Erfassen der Lageabweichung einer Strahlungsquelle von einem anvisierten Zielpunkt gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiges optisches Gerät ist insbesondere für Waffensysteme zum Führen eines sich bewegenden Objektes, z. B. eines Geschosses, zu einem Ziel geeignet. Dabei wird das optische Gerät auf einen Punkt auf dem Ziel gerichtet, und die Bedienungsperson richtet die Visierlinie permanent auf das Ziel. Wenn nun das sich bewegende Objekt mit Mitteln zum Abgeben von Strahlung versehen ist, kann die Abweichung der Strahlungsmittel von der Visierlinie mittels der Meßeinrichtung bestimmt werden, die auf die emittierte Strahlung anspricht. Die Strahlung kann durch eine Strahlungsquelle erzeugt werden, die innerhalb des Gehäuses des sich bewegenden Objektes angebracht ist, oder sie kann durch die Antriebseinrichtung des sich bewegenden Objektes erzeugt werden, die dann als infrarote Strahlung vorliegt. Die Strahlung kann jedoch auch von Reflektoren ausgehen, die auf dem sich bewegenden Objekt angeordnet sind. In diesem Fall wird die Strahlung durch eine Strahlungsquelle erzeugt, die z. B. am Ort des optischen Gerätes angeordnet ist. Die Strahlung wird dann zum sich bewegenden Objekt übertragen und dann über Reflektoren zum optischen Gerät zurückgeführt.

Ein optisches Gerät der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 39 89 947 bekannt. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird die eintreffende Strahlung durch eine gemeinsame Objektivoptik fokussiert und einem dichroitischen Spiegel zugeführt, der für sichtbares Licht transparent ist und Infrarotstrahlung reflektiert. Das sichtbare Licht gelangt dann über einen weiteren Spiegel und eine Visierhilfe, d. h. einem Fadenkreuz, zur Okularoptik. Die Infrarotstrahlung wird zusätzlich durch den dichroitischen Spiegel, der zur optischen Achse geneigt und drehbar angeordnet ist, moduliert und einem Detektor zugeführt, der aus der Modulation eine Information über die Lage der Strahlenquelle gewinnen kann.

Es ist ferner aus US-PS 36 89 772 ein photoempfindlicher Detektor bekannt, der in eine Vielzahl getrennter Detektorflächen, nämlich sektorförmige und ringsegmentförmige Bereiche, aufgeteilt ist. Jede Detektorfläche stellt einen eigenen Detektor dar und ist gesondert an ein Auswertegerät angeschlossen, welches die Lichtverteilung über den gesamten Detektor, z. B. ein Fourier-Beugungsmuster, auswertet. Für die Bestimmung der Richtung einer Strahlenquelle ist dieser Detektor nicht vorgesehen und wäre hierfür, selbst wenn man ihn in der Bildebene einer Abbildungsoptik anordnen würde, auch ungeeignet, da er in seiner einen Hälfte nur radiale und in der anderen nur azimutale Lichtverteilung feststellen kann.

Bei einem Gerät der eingangs genannten Art wird die Strahlung in der Meßeinrichtung von einem Detektor empfangen, der zur Erzielung eines niedrigen Rauschniveaus und einer entsprechend hohen Empfindlichkeit mit einer kleinen Detektoroberfläche versehen sein sollte. Die Bildebene, in der die Meßeinrichtung angeordnet ist, sollte daher zweckmäßigerweise auf den Photodetektor mit der größtmöglichen Verkleinerung auf solche Weise abgebildet werden, daß das gesamte Licht, das durch die Meßeinrichtung hindurchgeht, auch den Detektor erreicht. Eine gewisse Größe der Detektoroberfläche entspricht in diesem Falle dem größten Wert des Abweichungswinkels, der gemessen werden kann. Bei verschiedenen Systemen zum Messen des Ortes ist jedoch die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung im allgemeinen stark, wenn der Winkel der Abweichung groß ist. Dies ist z. B. der Fall, wenn die Strahlungsquelle sich vom Ortsmeßsystem mit einer konstanten Entfernung von der Visierlinie entfernt. Wenn auf kurzen Entfernungen Messungen vorgenommen werden, muß die Meßeinrichtung mit einem großen Gesichtsfeld versehen werden, während gleichzeitig die vom Detektor zur Verfügung gestellte Signalgröße ausreichend groß sein muß. Wenn auf große Entfernungen gemessen wird, ist das Gesichtsfeld jedoch klein, und die vom Detektor zur Verfügung gestellte Signalgröße ist häufig nicht groß genug.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem optischen Gerät der eingangs genannten Art die Meßeinrichtung so auszubilden, daß der Detektor sowohl bei kurzen als auch bei großen Entfernungen der Strahlenquelle ein ausreichendes Meßsignal zur Verfügung stellt und den Einfluß von Störungen möglichst gering hält.

Die Lösung der Aufgabe ist im Anspruch 1 angegeben. Die Unteransprüche beziehen sich auf vorteilhafte weitere Ausgestaltungen.

Je nach dem Entfernungsbereich der Strahlungsquelle wird die einfallende Strahlung auf den einen oder anderen Detektorflächenbereich fallen, so daß dieser Bereich ein ausreichendes Meßsignal zur Verfügung stellt, wobei jeder dieser Flächenbereiche hinreichend klein ausgebildet werden kann, um auch den Rauschpegel niedrig zu halten.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise unter Bezugnahme auf die Zeichnungen beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes optisches System,

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Systems gemäß Fig. 1,

Fig. 3 Mittel, durch die das Ausrichten des Systems erleichtert wird,

Fig. 4 die Meßeinrichtung,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Photodetektor, dessen empfindliche Oberfläche in zwei getrennte Gebiete aufgeteilt ist,

Fig. 6 die empfindliche Oberfläche des Detektors,

Fig. 7 eine alternative Ausführungsform der Detektoroberfläche,

Fig. 8 eine vergrößerte Ansicht der Meßeinrichtung,

Fig. 9 eine vergrößerte Schnittansicht des Gebietes zwischen den durchlässigen und nicht durchlässigen Bereichen der Meßeinrichtung und

Fig. 10 eine alternative und verbesserte Ausführungsform in einer Ansicht gemäß Fig. 9.

In Fig. 1 ist schematisch das erfindungsgemäße optische System dargestellt. Wie bereits erwähnt wurde, ist das optische System besonders dafür geeignet, in einem optischen Visier eingebaut zu werden. Aus diesem Grund wird es im folgenden in Verbindung mit einem optischen Visier beschrieben werden, das die zwei hauptsächlichen Funktionen hat, daß das Ziel angeschaut und die Visierlinie auf dem Ziel gehalten werden kann und daß die Bahn eines Geschosses mit der Visierlinie verglichen und die Abweichung zwischen dem Geschoß und der Visierlinie bestimmt werden kann. Die Art des Meßvorganges und die Art, wie die Abweichung, die durch den Meßvorgang bestimmt ist, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und wie dieses Signal verarbeitet und ausgewertet wird, bildet keinen Teil der Erfindung und wird daher hier nicht ausführlicher beschrieben.

Das optische System umfaßt im wesentlichen eine einzelne optische Eingangsöffnung mit einer Objektivlinse 1, eine Glasplatte 2 und ein Prisma 3, um das sichtbare Licht vom Ziel und von seinem Hintergrund und die durch die Strahlungsquelle des Geschosses emittierte Strahlung zu trennen. Die Strahlungsquelle kann z. B. aus einer Laserquelle bestehen, vorzugsweise einer Laserdiode, die am Geschoß auf solche Weise angebracht ist, daß das Laserlicht zum Visier hin ausgesandt wird. Die Objektivlinse 1 sammelt sowohl sichtbares Licht als auch Laserlicht und ist so ausgebildet, daß die Brennweite für sichtbares Licht und Laserlicht verschieden ist. Hieraus folgt, daß ein Bild des Ziels und seines Hintergrunds in die Bildebene F₁ für sichtbares Licht projiziert wird, während ein Bild der Strahlungsquelle in eine andere Bildebene F₂ für Laserlicht projiziert wird. In Fig. 1 ist der Strahlengang des sichtbaren Lichtes durch gestrichelte Linien angedeutet, während das Laserlicht durch ausgezogene Linien angedeutet ist. Die Strahlengänge werden im Prisma 3 in an sich bekannter Weise geteilt, so daß sichtbares Licht durch das Prisma hindurch und aus diesem heraus durch ein Okular 4 in die Augen einer Bedienungsperson fällt, während das Laserlicht durch das Prisma 3 reflektiert und aus diesem heraus durch ein Linsensystem 6 zu einem Detektor 7 gelangt.

Damit der Verfolgungsvorgang erleichtert wird, ist das optische System mit einem Bezugssymbol für das Sichtvisier versehen, das aus dünnen Linien auf einer Glasoberfläche besteht, die in der Bildebene F₁ angeordnet ist, so daß die Bedienungsperson das Ziel und seinen Hintergrund zusammen mit dem Bezugssymbol des Sichtvisiers im Okular 4 sehen kann. Das Symbol kann aus einem Kreis 8 oder Bogen 9 oder mehreren konzentrischen Kreisen oder Bögen bestehen (siehe Fig. 3), die als gemeinsamen Mittelpunkt die Visierlinie 10 haben.

Die letztgenannte Ausführungsform wird gegenüber konventionellen Fadenkreuzen vorgezogen, wenn die Meßeinrichtung, wie weiter unten beschrieben, um die Visierlinie als Drehachse rotiert. Die Linien des Bezugssymbols des Sichtvisiers müssen so dünn sein, daß sie nicht die Arbeitsweise der Meßeinrichung dadurch behindern, daß die Lichtstrahlen unterbrochen werden.

Um die Abweichung des Geschosses von der Visierlinie zu bestimmen, ist das optische System mit einer Meßeinrichtung versehen, die die Form einer Meßmaske 11 (siehe Fig. 4) hat und in der Bildebene F₂ angeordnet ist. Die Meßmaske kann aus einer Glasplatte mit einem darauf angeordneten dichroischen geometrischen Muster bestehen, das für sichtbares Licht durchlässig, aber für das von der Strahlungsquelle emittierte Laserlicht undurchlässig ist. Da dieses Muster für sichtbares Licht durchlässig ist, stört es das optische Bild und das Bezugssymbol des Sichtvisiers sogar dann nicht, wenn die Maske bewegt wird.

Die Entfernung zwischen den beiden Bildebenen F₁ und F₂ ist so groß, daß die Abdeckungseffekte, die durch die Linien des Bezugssymbols des Sichtvisiers verursacht werden, klein sind, während gleichzeitig die Meßmaske und das Bezugssymbol des Sichtvisiers auf demselben optischen Element angeordnet sind, z. B. auf jeder Seite der Glasplatte 2, deren Seitenflächen mit den Ebenen F₁ und F₂ zusammenfallen. Da die Glasplatte gemeinsames Element für die Funktionen sowohl des Zielens als auch des Ortsmessens ist, führt jede Änderung im optischen System zu den gleichen Änderungen in beiden Einrichtungen, während die relative Einstellung dieser beiden Einrichtungen unverändert bleibt. Irgendwelche Mittel zum Kontrollieren und Einstellen der Visierlinie und der Achsen der Meßeinrichtung sind nicht notwendig.

Anstelle von einer gemeinsamen Glasplatte können zwei Glasplatten 13, 14 benutzt werden (siehe Fig. 2). In diesem Falle fällt die Bildebene F₁′ für das sichtbare Licht vorzugsweise mit der Oberfläche der Glasplatte 13 zusammen, die zur Bedienungsperson hin gerichtet ist. Die Bildebene F₂′ für das Laserlicht sollte analog mit der Oberfläche der Glasplatte 14 zusammenfallen, die zum Detektor 7 gerichtet ist. Auch andere Ausführungsformen mit zwei Glasplatten sind möglich; die einzige Bedingung, die beachtet werden muß, ist jedoch die, daß die Glasoberflächen, auf denen das Bezugssymbol für das Sichtvisier und die Meßmaske angebracht sind, mit der entsprechenden Bildebene zusammenfallen und daß beide Glasplatten so verbunden sind, daß sie relativ zueinander nicht bewegt werden können. Für das Arbeiten des Visiers ist es notwendig, daß die Glasplatte 14 rotiert. Die Glasplatte 13 kann mit der Glasplatte 14 starr verbunden sein und mit derselben Drehgeschwindigkeit rotieren. Sie kann jedoch auch feststehen; in diesem Falle kann das Bezugssymbol aus gekreuzten Haaren bestehen.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Glasoberfläche, die in der Bildebene F₁ angeordnet ist, mit dem Bezugssymbol des Sichtvisiers, das konzentrische Kreise 8 und Bögen 9 um einen Mittelpunkt umfaßt, der auf der Visierlinie 10 liegt. Der Mittelpunkt ist vorzugsweise durch einen kleinen Punkt 15 angedeutet. Der unscharfe Fleck 16 hängt mit dem Bild der Strahlungsquelle zusammen, das in der Bildebene F₁ unscharf ist, aber in der Bildebene F₂ scharfe Begrenzungen aufweist. In diesem Falle ist angenommen, daß die Wellenlänge der durch die Strahlungsquelle emittierten Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums liegt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung außerhalb des sichtbaren Bereichs des Spektrums zu wählen, wobei dann kein unscharfes Bild in der Bildebene F₁ erscheint.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Glasoberfläche, die in der Bildebene F₂ angeordnet ist, mit der Meßmaske 11, die aus einer Glasplatte besteht, die ein dichroisches geometrisches Muster trägt. Die gesamte Oberfläche der Glasplatte ist für sichtbares Licht durchlässig. Das darauf angeordnete Muster ist jedoch für Strahlung, die durch die Strahlungsquelle emittiert wird, undurchlässig. Die Grenzlinie 17 des undurchlässigen Musters kann eine solche Form aufweisen, daß Information bezüglich der Stellung der Strahlungsquelle aus der Beziehung zwischen den auftretenden Fluktuationen der Strahlungsintensität und der Winkelstellung der Maske gewonnen werden kann. Dies ist in der DE-OS 27 53 782 deutlicher beschrieben.

Um ein niedriges Rauschniveau und eine entsprechend hohe Empfindlichkeit des Detektors 7′ zu erhalten, ist der Detektor in einer Bildebene F₃ (siehe Fig. 5) auf solche Weise angeordnet, daß die Bildebene F₂ mit der Ortsmeßeinrichtung mit der größtmöglichen Größenverkleinerung auf die Detektoroberfläche abgebildet wird. Die gesamte Strahlung, die durch die Meßmaske hindurchgeht, wird in diesem Falle den Detektor 7′ erreichen. Die empfindliche Oberfläche des Detektors ist in zwei oder mehr getrennte Gebiete aufgeteilt, wobei jedes dieser getrennten Gebiete einem gewissen Bereich von Winkeln entspricht, in dem der Ort der Strahlungsquelle bestimmt werden kann. Vorzugsweise besteht die Oberfläche des Detektors aus einer inneren mittigen Oberfläche 19 und einer äußeren ringförmigen Oberfläche 20 (siehe Fig. 6).

Die innere Oberfläche 19 entspricht dem Bereich von Winkeln bzw. dem Meßbereich, in dem die Abweichung der Strahlungsquelle klein ist, d. h. einem engen Gesichtsfeld des optischen Systems. Die äußere Oberfläche 20 entspricht dagegen dem Bereich von Winkeln oder dem Meßbereich, in dem die Abweichung der Strahlungsquelle groß ist, d. h. einem weiten Gesichtsfeld des optischen Systems. Die elektrische Verbindung zur äußeren Oberfläche 20 kann unterbrochen werden, wenn der Abweichungswinkel klein ist und eine große Empfindlichkeit benötigt wird. In diesem Falle wird die Möglichkeit ausgeschaltet, daß die Meßeinrichtung durch andere Strahlungsquellen innerhalb des Meßbereiches des äußeren Detektors gestört werden könnte. Auch die elektrische Verbindung zur inneren Detektoroberfläche 19 kann unterbrochen werden, z. B. in solchen Fällen, bei denen der Abweichungswinkel der Strahlungsquelle ziemlich groß ist und das einfallende Licht eine große Intensität hat.

In Fig. 7 ist eine alternative Ausführungsform der Detektoroberfläche dargestellt. Übereinstimmend mit der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist die Detektoroberfläche in eine mittige Oberfläche 21 und eine äußere Oberfläche 22 eingeteilt. In diesem Falle ist die innere Oberfläche rechteckförmig, und die äußere Oberfläche umschließt nicht völlig die innere Oberfläche. Eine solche Form von Detektoroberflächen wird bevorzugt, wenn unterschiedliche Meßbereiche in der vertikalen Ebene und der horizontalen Ebene benötigt werden. Wenn der Meßbereich in der vertikalen Richtung nicht vollständig benutzt wird, kann das entsprechende Gebiet der empfindlichen Detektoroberfläche weggelassen werden, was bedeutet, daß die Oberfläche verkleinert werden kann und eine entsprechende Vergrößerung der Empfindlichkeit erhalten werden kann.

Es ist wichtig, um eine genaue Messung des Ortes des Geschosses zu erhalten, daß die Grenzlinie 17, d. h. der Übergang zwischen dem durchlässigen Teil 12 und dem opaken Teil 18 der Maske klar begrenzt ist. In der Praxis ist dies jedoch schwierig zu erreichen, da das dichroische Muster aus mehreren dünnen dielektrischen Schichten besteht, die aufeinander angeordnet sind. Daraus ergibt sich eine Übergangszone zwischen den durchlässigen und opaken Gebieten der Maske, in der sich die Durchlässigkeit allmählich von einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert ändert.

Aus Fig. 9, die eine vergrößerte Querschnittsansicht des Gebietes zwischen den transparenten und opaken Gebieten der Maske zeigt, ist ersichtlich, daß das dichroische Muster 12 aus einer Anzahl von Schichten 23 besteht, die normalerweise aus dielektrischem Material bestehen, die auf der Glasplatte angeordnet sind und zusammen eine die fragliche Strahlung unterbrechende Schicht bilden. Aufgrund der großen Zahl von Schichten, die im Muster enthalten sind, tritt eine Übergangszone d auf. Wie bereits erwähnt wurde, ist eine solche Übergangszone dann nicht zufriedenstellend, wenn der Ort des Objekts genau bestimmt werden soll. Als Beispiel der Größe der Genauigkeit, die benötigt wird, kann erwähnt werden, daß für eine Änderung der durchgelassenen Strahlungsintensität von 90% eine Ortsveränderung des Geschosses von maximal 0,05 mrad erlaubt ist.

Um die Schärfe der Kante des dichroischen Musters zu verbessern und um damit diese Übergangszone zu verkleinern, ist die Kante des Musters, die an den durchlässigen Teil der Maske angrenzt, mit einer Schicht 24 versehen, die für die fragliche Strahlung undurchlässig ist (siehe Fig. 8). Diese Kantenschicht erstreckt sich entlang der Grenzlinie des Musters und ist so eng, daß, wenn die Maske rotiert, die Einrichtung weiterhin durchsichtig ist. Die Kantenschicht besteht vorzugsweise aus einem Metall, das sehr genau ausgeformt werden kann, z. B. Aluminium. Aus Fig. 10 ist ersichtlich, daß die Metallschicht oben auf den dielektrischen Schichten angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Kantenschicht unter den dielektrischen Schichten entlang ihren Grenzlinien anzuordnen.

Claims (3)

1. Optisches Visiergerät mit einem Detektor zum Erfassen der Lageabweichung einer Strahlungsquelle von einem anvisierten Zielpunkt, mit einer gemeinsam fokussierenden Objektivoptik für die Strahlung der Strahlungsquelle und das vom Zielpunkt kommende sichtbare Licht, einem in einer Bildebene der Objektivoptik angeordneten Strichträger zur Festlegung der Visierlinie, und einem Strahlteiler zum Leiten des sichtbaren Lichtes in eine Okularoptik und der Strahlung zu dem Detektor, welcher eine in einer Bildebene der Objektivoptik angeordnete, für die Strahlung der Strahlungsquelle empfindliche Detektorfläche aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß in an sich bekannter Weise im Strahlengang (1) der Objektivoptik eine rotierende Maske (11) angeordnet und an den Detektor (7′) eine Auswerteeinrichtung zur Bestimmung der Lageabweichung der Strahlungsquelle anhand der von der Maske gepulsten Detektorsignale angeschlossen ist, daß die Detektorfläche in zwei oder mehr getrennte Detektorflächenbereiche (19, 20) aufgeteilt ist, von denen jeder einen bestimmten Bereich von Winkelabweichungen zwischen der Richtung der Strahlungsquelle und der Visierlinie zugeordnet ist, und daß die Detektorflächenbereiche (19, 20) nach Maßgabe der Lageabweichung voneinander unabhängig elektrisch abschaltbar sind zur Erhöhung der Empfindlichkeit des Detektors und Unterdrückung von Stör- und Rauschsignalen der nicht benötigten Detektorflächenbereiche.

2. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektorfläche des Detektors (7′) aus einem inneren zentralen Detektorflächenbereich (19), der kleinen Winkelabweichungen entspricht, und einem äußeren ringförmigen Detektorflächenbereich (20), der großen Abweichungen der Einfallsrichtung von der Visierlinie entspricht, besteht.

3. Optisches Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Detektorflächenbereiche so gewählt ist, daß der jedem Flächenbereich zugeordnete Bereich der Winkelabweichung in der Vertikalen und Horizontalen eine unterschiedliche Winkelerstreckung hat.