DE3116247C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus einem Empfänger für Infrarotstrah­ lung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merk­ malen. Ein solcher Empfänger ist aus der DE-OS 25 41 818 be­ kannt.

Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobachtungssystemen, welche unter der Abkürzung "FLIR" (forward looking infrared systems) bekannt sind, und von afokalen Hochleistungsfernrohren, welche zur Verwendung in FLIR-Systemen geeignet sind, ist die Forderung entstanden, Wege zu finden, um ein am Ort des reellen Bildes innerhalb des optischen Gesamtsystems eingefügtes optisches Raster zu beleuchten. Typische Anwendungen von FLIR-Systemen, die eine solche Rasterbeleuchtung benötigen, sind z. B. Sichtge­ räte in Panzern, auf welchen dem Bild der Szene eine Zielmarke für das Geschütz, typischerweise in Gestalt eines offenen oder geschlossenen Strichkreuzes, oder ein System von Vergleichsmarken für die Ausrichtung des Geschützrohres, z. B. in Gestalt einer Strichteilung am Umfang des Gesichtsfeldes, überlagert werden. Für die Verwirklichung der Rasterbeleuchtung gibt es bereits eine Anzahl von Vorschlägen, die jedoch für den hier angesprochenen Ein­ satzzweck nicht befriedigen. Das in der DE-OS 25 41 818 offenbarte Raster wird durch eine teilweise strahlungsdurchlässige, die ein­ fallende Infrarotstrahlung modulierende Scheibe gebildet; Mittel zur Rasterbeleuchtung sind nicht vorgesehen. Aus der CH-PS 5 92 891 ist eine optische Meßeinrichtung mit einer im Strahlengang angeord­ neten, reflektierenden Meßmarke bekannt, welche durch eine seitlich vom Strahlengang angeordnete Lichtquelle beleuchtet wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine passive Rasterbe­ leuchtung zu verwirklichen, welche ohne elektrisch beheizte Drähte und ohne mechanisch bewegliche Komponenten auskommt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Empfänger für Infra­ rotstrahlung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weil die erfindungsgemäße Rasterbeleuchtung passiver Natur ist und lediglich erfordert, in der Bildfläche des reellen Bildes ein geeignetes Substrat anzuordnen, auf welchem reflektierende Rastermarkierungen angebracht sind, ist sie vom optischen und mechanischen Aufbau her sehr einfach; weil die vom Empfänger ausgehende Strahlung im Ver­ gleich zu der typischerweise von der Szene ausgesandten Strahlung verhältnismäßig kalt ist, wird praktisch immer ein hinreichender Kontrast zwischen den einander überlagerten Bildern der Szene und der Rastermarkierungen bestehen; und weil es einfach ist, die nötige Strahlungsmessung vorzunehmen für die von irgendeiner Stelle des Gesichtsfeldes am Ort des reellen Bildes von einer Rastermarkierung reflektierte Strahlung, können ohne weiteres auch nahezu beliebige Anzahlen von Rastermarkierungen vorgesehen werden.

Das Substrat, welches die Rastermarkierungen trägt, kann positive, negative oder gar keine optische Brechkraft besitzen; es kann auch ein chemisch bearbeitetes, z. B. geätztes Element sein; vorzugsweise befindet sich das Raster auf einer ebenen Oberfläche des Substrats. Die Rastermarkierungen, welche auf dem Substrat angebracht oder ein Bestandteil des Substrats sein können, sollten aus einem Material mit hinreichendem Reflexionsvermögen für den infrage­ kommenden Wellenlängenbereich bestehen. Im Idealfall wird ange­ strebt, daß die Oberfläche, auf welcher sich die Rastermarkierungen befinden und welche zugleich die Bildfläche für das reelle Bild ist, so gewählt ist, daß in ihr die Abbildungsgüte an­ nähernd nur durch Beugungserscheinungen begrenzt ist. Man kann je­ doch - abhängig von der Form und Größe der Rastermarkierungen - auch eine gewisse Verminderung der Abbildungsgüte in Kauf nehmen.

Unter gewissen thermischen Gegebenheiten in der zu beobachtenden Szene kann eine Verminderung des Kontrastes zwischen den Bildern der Szene und des Rasters eintreten. Um dem zu begegnen, kann man die Rastermarkierungen aus zwei oder mehreren verschiedenen Materia­ lien mit jeweils unterschiedlichem Reflexionsvermögen herstellen.

Um den nachteiligen Einfluß von Brennpunktverschiebungen infolge von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf ein Minimum zu be­ grenzen, ist das Raster mit Vorteil in der Bildfläche eines reellen Bildes angeordnet, welche gegen mäßige Schwankungen der Umgebungs­ temperatur unempfindlich ist.

Abhängig vom gewählten Aufbau des optischen Systems kann es mehrere Bildflächen von reellen Bildern geben, in welchen erfindungsgemäß Raster angeordnet werden können. Wenn demgemäß das optische System ein Fernrohr sowie eine Abtasteinrichtung (Scanner) umfaßt und auf zwei Bildlfächen reelle Bilder entstehen läßt, dann kann man mit Vorteil in jeder dieser Bildflächen ein Raster anordnen, deren Ab­ bilder dem Bild der Szene überlagert werden; mit Hilfe zweier solcher Raster kann man eine etwaige fehlerhafte Justierung zwischen dem Fernrohr und der Abtasteinrichtung entdecken und korrigieren.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch in der Zeichnung dargestellt. Das in dieser Zeichnung dargestellte optische System 10 besteht aus einem Fernrohr 12 und aus einem FLIR-System 11. Das FLIR-System 11 besteht seinerseits aus einem Detektor 13 A für infrarote Strahlung, welcher Bestandteil einer mit flüssiger Luft auf eine Temperatur von ungefähr 77 Kelvin herab­ gekühlten IR-Empfangseinrichtung 13 ist, aus einer Aperturblende 14, welche auch als kalter Schild (cold shield) bezeichnet wird und auf eine von der Temperatur der Empfangseinrichtung 13 nur wenig verschiedene Temperatur (z. B. auf 80°K) herabgekühlt ist, und aus einer Abtasteinrichtung 15 (Scanner), welche aus einem vorgegebenen Gesichtsfeld die durch eine Pupille Φ begrenzte Strahlung empfängt und zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes abtastet und die Strahlung aus den abgetasteten Bildelementen an den Detektor 13 A übermittelt.

Das Fernrohr 12 ist ein afokales Linsenfernrohr und erzeugt in seinem Innern zwischen dem Okular 16 und dem Objektiv 17 am Ort der Bildfläche 19 ein reelles Bild I und bildet eine Austritts­ pupille Φ für die aus dem Gegenstandsraum O stammende Strahlung. Die Bildfläche 19 ist zugleich die brechende Oberfläche einer planparallelen Platte 18. In der Bildfläche 19 ist eine Raster­ markierung 20 angeordnet, welche durch einen Chromniederschlag auf der Oberfläche 19 der Platte 18 gebildet wird. Das optische System 10 ist zur Verwendung im Wellenlängenbereich von 8 µm bis 13 µm ausgelegt. Weil nur die chrombeschichtete Rastermarkierung 20 wesentlich die von der Empfangseinrichtung 13 ausgesandte Strahlung reflektiert und weil diese reflektierte Strahlung auf dem Detektor 13 A ein reelles Bild formt, erhält man von den ge­ kühlten Komponenten der Empfangseinrichtung 13 (einschließlich des Detektors 13 A, des umgebenden Trägers und der Aperturblende 14) ein Bild, welches auch als "Narzißmus"-Bild bezeichnet wird, dessen Gestalt von der Gestalt der Rastermarkierung 20 bestimmt wird. Da die aus dem Gegenstandsraum O kommende Strahlung durch die nicht mit Chrom beschichteten Bereiche des reellen Bildes I hindurchtritt, "sieht" der Detektor 13 A ein Bild der im Gegen­ standsraum O gelegenen Szene, welchem das Bild der Rastermarkierung 20 überlagert ist.

Der thermische Kontrast zwischen den beiden einander überlagerten Bildern wird durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Rasterbild und dem Bild der Szene auf dem Detektor 13 A bewirkt; das Rasterbild entsteht aus Strahlung, welche von der Empfangseinrichtung 13 ausgeht und im Vergleich zu der aus dem Gegenstandsraum O stammenden Strahlung, aus welcher das Bild der ein Gegenstandsraum gelegenen Szene entsteht, relativ kalt ist.

In diesem Beispiel ist die Empfangseinrichtung 13 gekühlt und besitzt eine Temperatur von ungefähr 77°K, während im Gegenstandsraum Objekte liegen, die typisch eine Temperatur zwischen 230°K und 340°K auf­ weisen und eine entsprechend warme Strahlung aussenden. Die plan­ parallele Platte 18 besteht aus einem Zinkselenid-Werkstoff, welcher nur geringe Inhomogenitäten aufweist und die optische Leistungsfähigkeit des optischen Systems 10 nicht beeinträchtigt.

Die Bildfläche 19 ist im gezeichneten Beispiel plan, doch sie muß nicht unbedingt plan sein; bei anders gewähltem Aufbau des Fernrohrs 12 könnte die Bildfläche 19 auch gekrümmt sein und mit einer brechenden Oberfläche einer Okularlinse zusammenfallen, und in beiden Fällen könnte die Rastermarkierung 20 von einem Substrat getragen werden, welches eine gewisse optische Brech­ kraft besitzt. Das Substrat muß nicht aus optisch durchlässigem Material bestehen, vielmehr kann die Rastermarkierung 20 z. B. auf einem gewebeartigen, auf chemischem Wege erzeugten Träger liegen. Das Substrat bzw. der Träger können das gesamte Gesichtsfeld am Ort des reellen Bildes I überdecken oder auch nicht, und natür­ lich muß die Rastermarkierung 20 nicht axial angeordnet sein, sondern könnte z. B. das Gesichtsfeld kreisringförmig einrahmen. Die Rastermarkierung 20 kann auf, unter oder zwischen reflexmindern­ den Beschichtungen des Trägers, im gezeichneten Beispiel der Platte 18, liegen.

Zur Überprüfung, ob das Fernrohr 12 und die Abtasteinrichtung 15 exakt aufeinander ausgerichtet sind, könnte man in der Abtastein­ richtung 15 an einer Stelle, wo ein weiteres reelles Bild ent­ steht, ein weiteres Raster vorsehen; aus der Lage der überlagerten Bilder der beiden Raster relativ zueinander kann man ggfs. vor­ handene Justierfehler ermitteln.

Natürlich kann ein jedes Raster selbst auch aus mehreren einander überlagerten Markierungen gebildet werden, welche sämtlich in der­ selben Bildfläche 19 liegen.

Claims (6)

1. Empfänger für Infrarotstrahlung
mit einem Infrarot-Detektor (13 A) als Bestandteil einer Empfangseinrichtung (13), welche als weiteren Bestandteil einen kalten Schild (14) besitzt,
mit einem optischen System (17) zum Abbilden der aus einem Ge­ sichtsfeld kommenden Infrarotstrahlung auf eine Bildfläche (19), welche von dem Detektor (13 A) einen Abstand aufweist und auf welcher ein reelles Bild entsteht, welches weiter auf den Detektor (13 A) übertragen wird, und
mit einem auf der Bildfläche (19) angeordneten Raster (20) mit Markierungen, welche auf den Detektor (13 A) abgebildet und dabei jenem Bild überlagert werden, welches aus der aus dem Gegenstandsraum (O) stammenden Infrarotstrahlung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen des Rasters (20) die von der Empfangseinrichtung (13) ausgesandte Infrarot­ strahlung reflektieren.

2. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (20) von einem Substrat (18) getragen wird, welches selbst ein optisches Ele­ ment des optischen Systems (10) ist.

3. Empfänger nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (18) eine plane Oberfläche (19) besitzt und daß auf dieser Oberfläche (19) das Raster (20) angeordnet ist.

4. Empfänger nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (20) auf chemischem Wege auf einem Substrat (18) erzeugt wird.

5. Empfänger nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Kontrastes zwischen dem Bild des Rasters und dem überlagerten Bild der im Gegenstandsraum (O) gelegenen Szene über einen weiten Tempe­ raturbereich der im Gegenstandsraum (O) liegenden Gegenstän­ de das Raster aus mehreren Materialien mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen zusammengesetzt ist.

6. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die aus dem Gegen­ standsraum kommende Strahlung durch das optische System auf eine zweite Bildfläche, auf welcher ein reelles Bild ent­ steht abgebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der zweiten Bildfläche ein zweites Raster angeordnet ist, welches Markierungen besitzt, welche von der Empfangseinrichtung (13) ausgehende Infrarot­ strahlung reflektierten und dadurch auf den Detektor (13 A) abgebildet werden.