DE3408082A1 - Optisches system zum gleichzeitigen empfang von waerme- und laserstrahlung - Google Patents

Description

Optisches System zum gleichzeitigen Empfang von Wärme- und Laserstrahlung. _________

Die Erfindung betrifft ein optisches System mit einem

gemeinsamen Empfangskanal für Wärme- und Laserstrahlung, die von einem Lasersender mit parallel zur optischen Achse des Empfangskanals ausgerichteter optischer Achse ausgeht,
insbesondere für ein mit einem COp-Laserentfernungsmesser
kombiniertes Wärmebildgerät, wobei in dem Empfangskanal in Strahleneinfallsrichtung ein Scanspiegel, eine IR-Optik und mindestens eine Detektoranordnung vorgesehen sind, und mit einem Positionssensor zur Synchronisation des Sendezeitpunktes der Laserimpulse mit der Winkelstellung des Scanspiegels.

Für Ortungs- und Zielverfahren werden in zunehmendem Maße
Wärmebildgeräte eingesetzt, deren im allgemeinen reihenförmig angeordnete, eine Zeile bildende Detektoren im Wellenlängenbereich von 8-14 um arbeiten und im Betriebsfall

ausreichend gekühlt werden müssen. Hierzu sind alle Wärmebildgeräte mit einem Kühlsystem ausgestattet. Um mit einem Wärmebildgerät nicht nur ein Wärmestrahlung abgebendes
Objekt orten, sondern auch die Entfernung des georteten
Objektes messen zu können, werden Wärmebildgeräte mit einem Laserentfernungsmesser kombiniert. Dieser kann in das Wärmebildgerät integriert werden. Für Laserentfernungsmesser
werden in jüngerer Zeit immer häufiger C0--Laser mit einem Empfangsdetektor vorgeschlagen, dessen Empfindlichkeit entsprechend der gewählten COp-Linie im 10 um-Bereich liegt

HB 1 Wt / 5.3.1984

und der ebenfalls gekühlt werden muß. Es liegt also nahe, bei Wärmebildgeräten, die mit derartigen Lasern kombiniert werden, die teueren Komponenten dieser Geräte, nämlich die Empfangsoptik, die für das Wärmebildgerät und den Laserentfernungsmesser eingesetzten Detektoren und damit die für diese Signalempfänger notwendigen Kühlsysteme, möglichst weitgehend für beide Zwecke zu nutzen. Es werden daher die bereits vorhandenen Wärmebild-Detektoren für den Empfang der Laserstrahlung mitbenutzt oder auf einem gemeinsamen Träger sowohl eine Detektorzeile für die Bilderzeugung des Wärmebildgerätes als auch ein Einzeldetektor oder mehrere Detektoren für den Empfänger des Laserentfernungsniessers aufgebracht. Bei einer derartigen Detektoranordnung ergibt sich ferner noch der Vorteil, daß die Empfangsoptik des Wärmebildgerätes auch für den Empfänger des Laserentfernungsmessers mitbenutzt werden kann. Bei einem mit einem Laserentfernungsmesser kombinierten Wärmebildgerät, dessen Detektoren mit den Detektoren des Empfängers für den Laserentfernungsmesser auf einem gemeinsamen Träger angeordnet sind, ist somit nur eine gemeinsame Kühlvorrichtung und eine gemeinsame Empfangsoptik erforderlich.

Ein Gerät, bei dem dies verwirklicht ist, ist z.B. aus der DE-PS 30 48 809 bekannt. Hierbei ist bei einem Wärmebildgerät mit Lasersender und gemeinsamem Wärmebild/Laser-Empfangskanal eine gemeinsame Sensoranordnung vorgesehen, die aus einer Reihenanordnung von Einzeldetektoren für Wärmestrahlung und einer zu dieser Detektorzeile vom Bildfeldmittelpunkt aus senkrecht verlaufenden weiteren Anordnung von Einzeldetektoren oder wenigstens einem Stabdetektor besteht. Bei dem bekannten Gerät erfolgt wie bei gebräuchlichen Wärmebildgeräten die Bilderzeugung in der Höhe durch die Detektorzeile und in der Seite durch Strahlablenkung

mittels eines schwingenden Abtast- oder Scanspiegels. Die auf das Ziel gerichtete Visierlinie und damit auch der auf die Visierlinie ausgerichtete Laserstrahl, beschreiben in der Abbildungsebene ( = Detektorebene) eine Linie quer zur Detektorzeile. Ein auf dieser Linie angeordneter Einzeloder Stabdetektor, z.B. einer der mittleren Detektoren aus der Zeile oder ein seitlich zur Zeile angeordneter zusätzlicher Einzeldetektor, ist daher für die Detektion der vom Zielobjekt reflektierten Laserstrahlung zum Zweck der Entfernungsmessung geeignet. Bei einem derartigen Gerät sind somit für das Wärmebildgerät und den Laserentfernungsmesser nur eine gemeinsame Kühlvorrichtung und eine gemeinsame Empfangsoptik erforderlich.

Bei dem aus der DE-PS 30 48 809 bekannten Gerät wird der vom Zielobjekt reflektierte Laserstrahl über den Scanspiegel geleitet, der für die Szenenabtastung durch die Detektorreihenanordnung des Wärmebildgerätes periodische Bewegungen um eine Achse durchführt. Dadurch wird der Einbau einer oder mehrerer speziell gestalteter Detektorreihenanordnungen auch für die Laserstrahlung nebst einem Interferenzfilter im Dewargefäß des Wärmebildgerätes und gleichzeitig die Synchronisation des Sendezeitpunkts der Laserimpulse mit der Stellung des Abtastspiegels erforderlich.«Um die bei diesem bekannten Gerät für zwei verschiedene Strahlungsarten vorgesehene Detektorkonfiguration zu vereinfachen, ist bei

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einem weiteren, aus der DE-OS 31 04 318 bekannten Gerät vorgesehen, daß eine lineare Detektorreihenanordnung geraeinsam für Wärme- und Laserstrahlung verwendet, die Laserstrahlung unmittelbar hinter dem IR-Teleskop noch vor Erreichen des Abtastspiegels aus dem Strahlengang ausgekoppelt und anschließend über eine das IR-Objektiv beinhaltende optische Baugruppe auf in den Randbereichen der Reihenanordnung gelegene Detektoren fokussiert wird. Hierzu werden Laserstrahlung und Wärmestrahlung in einer Spektralteiler-/Umlenkeinheit getrennt, wobei die Laserstrahlung über eine nachfolgende optische Baugruppe mit Laserempfangsobjektiv, IR-Objektiv, einer bildfeldseitigen Linse sowie einem die Wärmestrahlung reflektierenden und die Laserstrahlung hindurchlassenden weiteren Spektralteiler auf den ausgewählten Laserdetektor der Reihenanordnung abgebildet und die vom Scanspiegel reflektierte Wärmestrahlung in die optische Baugruppe und damit wieder in den gemeinsamen Empfangskanal eingekoppelt und von dem weiteren Spektralteiler ebenfalls in die Detektorebene fokussiert wird. Die Justage des Laserbündeis auf den Laserdetektor wird dabei durch Drehung der Spektralteiler/Umlenkeinheit um ihre Längsachse erreicht. Man ist bei dem aus der DE-OS 31 04 318 bekannten Gerät also nicht mehr auf den mittleren Detektor der Reihenanordnung oder zusätzliche, seitlich auf einer Linie quer zur Reihe angeordnete Einzeldetektoren angewiesen und geht hierbei davon aus, daß die Detektorreihenanordnung für Wärmestrahlung an ihren Enden Detektoren enthält, die nicht für die Wärmebilddarstellung benutzt werden. Wärmebildgeräte, die nicht von vornherein für den Empfang von Laserstrahlung ausgelegt sind, können dann in entsprechender Weise dadurch für den Empfang von Laserstrahlung nutzbar gemacht werden, daß man in den Randbereichen der Reihenanordnung gelegene Detektoren für den Empfang von Laserstrahlung verwendet. Allerdings geht dabei eine entsprechende Anzahl von Zeilen

beim Wärmebild verloren. Durch die bei dem Gerät nach der DE-OS 31 04 318 vorgesehene Art der Trennung und Zusammenfassung von Laserempfangs- und Wärmebildkanal kann aber ein unmodifizierter Reihensensor zum gleichzeitigen Empfang von Wärme- und Laserstrahlung verwendet werden, so daß auch bestehende Wärmebildgeräte ohne Modifikation der Detektoranordnung für den Empfang von Laserstrahlung nutzbar gemacht werden können. Das bekannte Gerät sieht zur Erzielung dieses Vorteils aber zwei optische Baugruppen vor, die relativ große optische Bauteile beinhalten. Derartige zusätzliche optische Baugruppen beanspruchen daher relativ viel Platz. Dieser Platzbedarf kann bei der Integration der beiden optischen Baugruppen in bestehende Wärmebildgeräte bei den dort vorgegebenen Räumlichkeiten zu Schwierigkeiten führen und dann doch größere Modifikationen bestehender Geräte erfordern. Außerdem sind die beiden optischen Baugruppen zur Trennung und Zusammenführung von Laser- und Wärmestrahlung mit Spektralschichten ausgebildet, so daß sowohl für die Laser- als auch für die Wärmestrahlung optische Verluste in Kauf genommen werden müssen. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß bei Benutzung eines vorgegebenen Detektors aus der für den Empfang von Wärmestrahlung vorgesehenen Zeile oder Reihenanordnung zum Empfang von Laserstrahlung die Größe dieses Detektors in Verbindung mit der Brennweite des Wärmebildgerätes nicht an die Divergenz des Lasersendestrahles angepaßt ist.

Die aufgezeigten Probleme zeigen, daß es bei der Nutzbarmachung eines bestehenden, zum Empfang von Wärmestrahlung dienenden optischen Systems zum gleichzeitigen Empfang von Laserstrahlung, also z.B. bei der Kombination eines bestehenden Wärmebildgerätes mit einem Laserentfernungsmesser, besonders schwierig ist, das bestehende optische System oder das bestehende Wärmebildgerät mit wenigen Bauteilen kosten-

günstig so zu modifizieren, daß es weiterhin mit einer Reihe üblicher, gemeinsamer Baugruppen aufgebaut werden kann und bei der Abwandlung nur geringe optische Verluste verursacht werden. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugründe, bei der Lösung des Problems, ein bestehendes, zum Empfang von Wärmestrahlung dienendes optisches System gleichzeitig für den Empfang von Laserstrahlung nutzbar zu machen, einen Weg aufzuzeigen, der es bei möglichst geringen optischen Verlusten für die Wärme- und die Laserstrahlung ermöglicht, daß das optische System zum gleichzeitigen Empfang beider Strahlungen weiterhin mit einer Reihe üblicher, gemeinsamer Baugruppen aufgebaut werden kann, diese für den Empfang von Wärmestrahlung bereits vorhandenen Baugruppen nicht oder nur so gering wie möglich modifiziert werden müssen und die dann evtl. erforderlichen zusätzlichen Bauteile möglichst kostengünstig hergestellt werden können.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen System der eingangs genannten Art gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß nach dem Scanspiegel im konvergierenden Strahlengang mindestens an einer Stelle nach der völligen geometrischen Trennung der durch die Bewegungen des Scanspiegels in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Strahlungskegel der Wärme- und der Laserstrahlung eine Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal vorgesehen und die ausgekoppelte Laserstrahlung von der Wärmestrahlung getrennt über jeweils eine optische Baugruppe auf einen zum Empfang der Laserstrahlung geeigneten Detektor gerichtet ist.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen System werden die Wärme- und die Laserstrahlung in einem gemeinsamen Empfangskanal über den Scanspiegel geleitet, erst danach und nach der Trennung der Strahlungskegel auf der Abbildungsseite getrennt, wobei die Wärmestrahlung im ursprünglichen gemeinsamen Empfangskanal alleine weitergeführt und ungeschwächt

auf die Detektoranordnung gerichtet wird. Die Laserstrahlung wird also von der Wärmestrahlung getrennt und über eine separate optische Baugruppe auf einen geeigneten Detektor geleitet. Um eine Auskopplung der Laserstrahlung nach einer völligen geometrischen Trennung der Strahlungskegel der Wärme- und der Laserstrahlung vornehmen zu können, ist zwar eine Synchronisation des Sendezeitpunktes der Laserimpulse mit der Winkelstellung des Scanspiegels erforderlich, bei dem erfindungsgemäßen optischen System ist jedoch anstelle einer physikalischen Strahlungstrennung und -zusammenführung von Wärme- und Laserstrahlung mit Spektralteilern eine Auskopplung lediglich der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal über eine geometrische Strahlenteilung ohne Spektralschichten realisierbar, so daß die optische Baugruppe zur Weiterleitung der ausgekoppelten Laserstrahlung auf die Detektoranordnung lediglich geometrisch umlenkende Elemente erfordert. Die zusätzlich erforderlichen Bauteile der optischen Baugruppe können daher kostengünstig und relativ klein hergestellt werden, so daß die optische Baugruppe insgesamt einfach aufgebaut werden kann und nur einen geringen Platzbedarf hat. Die Auskopplung der Laserstrahlung bei dem erfindungsgemäßen optischen System läßt sich daher ohne Schwierigkeiten und ohne besondere Modifikationen in bestehende Systeme zum Empfang von Wärmestrahlung integrieren.

Außerdem läßt sich bei dem erfindungsgemäßen optischen System die Auskopplung der Laserstrahlung verlustarm durchführen, da keine physikalische Trennung und Zusammenführung der beiden Strahlungsarten über Spektralteiler erfolgt, sondern nur eine geometrische Strahlablenkung lediglich der Laserstrahlung über einfache Umlenkelemente vorgesehen ist. Das erfindungsgemäße optische System ermöglicht es auch, für die Wärme- und die Laserstrahlung eine gemeinsame Detektoranordnung auf einem einzigen Träger vorzusehen, so daß das optische System zum gleichzeitigen Empfang beider Strahlungen auch im Hin-

blick auf die Detektoranordnung mit einer üblichen, gemeinsamen Baugruppe aufgebaut und ein aus üblichen Baugruppen bestehendes optisches System zum Empfang von Wärmestrahlung ohne große Modifikationen mit gemeinsamen . Baugruppen gleichzeitig zum Empfang von Laserstrahlung nutzbar gemacht werden kann.

Eine im Hinblick auf die Detektoranordnung besonders vorteilhafte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optisehen Systems erhält man dann, wenn zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung auf einem einzigen Träger eine Detektorreihenanordnung vorgesehen ist, und der zum Empfang der Laserstrahlung dienende Detektor in den Randbereichen der Detektorreihenanordnung liegt. Hierbei ist der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung vorzugsweise von einem Detektor der Reihenanordnung selbst gebildet. Es sind jedoch auch andere Detektorkonfigurationen denkbar. So ist es z.B. möglich, daß der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung aus einem in der Verlängerung der Reihenanordnung liegenden, davon räumlich jedoch abgesetzten Zusatzdetektor besteht. In den beiden zuletzt genannten Fällen ergibt sich durch eine gemeinsame Detektoranordnung, das heißt durch eine Anordnung der Detektoren für Wärme- und Laserstrahlung auf einem gemeinsamen Träger, der Vorteil, daß nur ein einziges Kühlsystem erforderlich ist. Wird der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung von einem Detektor der Reihenanordnung selbst gebildet, so ergibt sich darüberhinaus der Vorteil, daß eine bestehende, schon für bisher übliche Wärmebildgeräte verwendete Detektoranordnung ohne Modifikation gleichzeitig für den Empfang von Wärme- wie auch von Laserstrahlung verwendet werden kann. Ist der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung dagegen von der Reihenanordnung räumlich abgesetzt, so muß eine bestehende Detektoranordnung lediglich geringfügig modifiziert werden. Dies ist auch der Fall, wenn zum Empfang der

Wärmestrahlung auf einem einzigen Träger eine Detektorreihenanordnung und zum Empfang der Laserstrahlung mindestens ein auf einer Linie quer zur Reihenanordnung auf demselben Träger liegender zusätzlicher Detektor vorgesehen ist.

Es ist auch möglich, daß zum Empfang der Wärmestrahlung auf einem Träger eine Detektorreihenanordnung vorgesehen ist, und daß der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung auf einem separaten, von dem Träger der Reihenanordnung räumlich und körperlich getrennten Träger angeordnet ist. Dies hat zwar den Nachteil einer eigenen, gesonderten Kühlung für den Detektor zum Empfang der Laserstrahlung, kann aber systemtechnisch gewisse Vorteile mit sich bringen, z.B. wenn die Kühlung der Detektoranordnung für Wärmestrahlung oder diese Detektoranordnung selbst ausfällt. In einem solchen Fall ist die Laserentfernungsmessung noch voll funktionsfähig, da sie ja eine von dem Empfang der Wärmestrahlung unabhängige Sensoranordnung besitzt.

In bevorzugter Weise ist bei einem erfindungsgemäßen optisehen System zur Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal ein Auskoppelelement vorgesehen, das aus einem totalreflektierenden Umlenkelement besteht. Ein derartiges Auskoppelelement ermöglicht eine besonders verlustarme Auskopplung der Laserstrahlung. Hierbei besteht das Auskoppelelement aus einem Umlenkspiegel oder einem Umlenkprisraa. Das Auskoppelelement kann auch Bestandteil der optischen Baugruppe sein. Bei einem erfindungsgemäßen optischen System ist jedoch auch eine unmittelbare Auskopplung der Laserstrahlung in die optische Baugruppe, also ohne Auskoppelelement, möglich.

Bei einem erfindungsgemäßen optischen System ist es vorteilhaft, wenn die Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal dann erfolgt, wenn sich der Scanspiegel jeweils in Umkehrposition befindet. Auf diese Weise kann -

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da sich der Scanspiegel in seinen Umkehrpositionen für eine kurze Weile in Ruhestellung befindet - der Einfluß der unbekannten Laufzeit der Laserimpulse zu einem Zielobjekt und zurück weitgehend vermindert werden.

Die bei einem erfindungsgemäßen optischen System vorgesehene optische Baugruppe zur Weiterleitung der ausgekoppelten Laserstrahlung auf die für Laserempfang geeignete Detektoranordnung ist in vorteilhafter Weise so ausgebildet, daß sie ein optisch abbildendes System enthält, welches den Laserfleck der ausgekoppelten Laserstrahlung auf den zum Empfang der Laserstrahlung dienenden Detektor fokussiert. Dabei ist es zweckmäßig, wenn der Abbildungsmaßstab des optisch abbildenden Systems derart gewählt ist, daß eine Anpassung des durch Senderdivergenz und Brennweite des optischen Systems zum Empfang von Wärmestrahlung gegebenen Laserflecks an die Größe des zum Empfang der Laserstrahlung dienenden Detektors erfolgt.

Ferner ist es vorteilhaft, wenn die optische Baugruppe eine Lichtleitfaser enthält, wobei es besonders vorteilhaft ist, wenn die Lichtleitfaser aus einer Gradientenfaser besteht. Eine derartige Faser ermöglicht eine relativ große Eintrittsfläche bei kleiner Austrittsfläche und damit eine besonders gute Anpassung der Laserstrahldivergenz an die Größe des betreffenden Detektorelementes. Außerdem kann mit dieser Anordnung die Scanspiegelbewegung während der Laufzeit der Laserimpulse zum Zielobjekt und zurück berücksichtigt werden.

Eine abgewandelte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen optischen Systems ist so aufgebaut, daß das letzte Glied der optischen Baugruppe aus einem Umlenkelement in Form eines für Wärmestrahlung durchlässigen Einkoppelelementes besteht, welches unmittelbar vor den zum Empfang der Wärme- und der

Laserstrahlung dienenden, aus einer Reihenanordnung bestehenden Detektoren angeordnet und in dem vor dem Detektor für Laserstrahlung liegenden Abschnitt mit einer die Laserstrahlung in Richtung auf diesen Detektor reflektierenden Spektralteilerschicht ausgebildet ist. Diese Lösung ist dann vorteilhaft, wenn die zum Empfang der Laserstrahlung vorgesehenen Detektoren im Randbereich der Detektoranordnung zum Empfang der Wärmestrahlung durch ein Einkoppelelement abgedeckt werden, da sie dann - wenn auch unter Berücksichtigung einer gewissen Abschwächung - für den Empfang von Wärmestrahlung noch mitbenutzbar sind. Hierbei erleidet nur der Randbereich gewisse optische Verluste. Ein Vorteil dieser Lösung liegt aber in der gegenüber bekannten Spektraleinheiten kleineren und billigeren Bauweise.

Schließlich ist bei einem erfindungsgemäßen optischen System auch eine Auskopplung der Laserstrahlung an zwei Stellen nach der völligen geometrischen Trennung der Strahlungskegel der Wärme- und der Laserstrahlung möglich, vorzugsweise in den Umkehrpositionen des Scanspiegels. Hierbei ist zwar für jede Auskopplung jeweils eine optische Baugruppe vorzusehen, eine Duplizierung der erfindungsgemäßen Auskopplung der Laserstrahlung hat jedoch den Vorteil, daß bei Vergrößerungsumschaltung des Systems bzw. Divergenzumschaltung des Lasers jeweils die optimale Anpassung gewählt werden kann.

Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen optischen Systems zum gleichzeitigen Empfang von Wärme- und Laserstrahlung sind im folgenden anhand der Zeichnung näher beschrieben.

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Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein optisches System zum gleichzeitigen Empfang von Wärme- und Laserstrahlung, welches in einem mit einem Laserentfernungsmesser kombinierten Wärmebildgerät mit gemeinsamen Empfangskanal für Wärme- und Laserstrahlung realisiert ist,

Fig. 2 den Strahlenverlauf in dem gemeinsamen Empfangskanal mit einem Scanspiegel, einer Detektoranordnung und einer Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal,

Fig.3 und 4 eine Draufsicht bzw. eine Seitenansicht im Bereich vor der Detektoranordnung mit der Auskopplung der Laserstrahlung über eine optische Baugruppe,

Fig. 5 bis 10 verschiedene Ausführungsformen von zur Auskopplung der Laserstrahlung einsetzbaren optischen Baugruppen,

Fig. 11 und 12 eine Seitenansicht bzw. eine Draufsicht im Bereich vor der Detektoranordnung mit einer weiteren Ausführungsform einer optischen Baugruppe zur Auskopplung der Laserstrahlung,

Fig. 13 und 14 in Draufsicht verschiedene Detektoranordnungen zum gemeinsamen Empfang von Wärme- und Laserstrahlung,

Fig. 15 in Seitenansicht die Auskopplung der Laserstrahlung auf eine separate Detektoranordnung,

Fig. 16 in Seitenansicht die Auskopplung der Laserstrahlung mittels eines als Umlenkspiegel ausgebildeten Auskoppelelementes und

Fig. 17 in Seitenansicht die Auskopplung der Laserstrahlung ohne eigenes Auskoppelelement unmittelbar in eine optische Baugruppe.

In Fig. 1 ist eine optronische Einrichtung mit einem Wärmebildgerät und einem Laserentfernungsmesser dargestellt, wobei das Wärmebildgerät und der für Wärme- und Laserstrahlung gemeinsame Empfangskanal 1 in einem ersten Gehäuse 2 und der Lasersender 3 in einem zweiten Gehäuse 4 angeordnet und die beiden Gehäuse starr miteinander verbunden sind. Der Lasersender 3 ist dadurch mit dem gemeinsamen Empfangskanal 1 so gekoppelt, daß die optische Achse des Lasersenders parallel zur optischen Achse 5 des Empfangskanals, welche gleichzeitig die Visierlinie des Wärmebildgerätes darstellt, ausgerichtet ist. Die auszusendende Laserstrahlung 6 wird von einem Sendeteleskop 7 gebündelt und in Richtung des Pfeiles 8 auf ein nicht dargestelltes Zielobjekt abgestrahlt. Die von dem Zielobjekt reflektierte Laserstrahlung 9 trifft in Richtung des Pfeiles 10 auf die für Wärme- und Laserstrahlung gemeinsame Empfangsoptik 11 und tritt durch diese hindurch parallel zu der optischen Achse 5 des Empfangskanals 1 in den Afokalteil des Wärmebildgerätes ein. Auch die von der Bildszene ausgehende und durch Pfeile 12 angedeutete Wärmestrahlung 13 tritt über die Empfangsoptik 11 in den Afokalteil ein. Beide Strahlungen, die Laserstrahlung 9 und die Wärmestrahlung 13/ verlassen den Afokalteil als parallele Strahlenbündel und treffen auf einen beidseitig verspiegelten Scanspiegel 14, der in bekannter Weise zur Erzeugung eines Wärmebildes, d.h. zum Schreiben einer Zeile des Wärmebildes, dient, wobei die verspiegelte Rückseite des Scanspiegels in ebenfalls bekannter Weise zur Wiedergabe des Wärmebildes im sichtbaren Bereich verwendet wird. Derartige Bilderzeugungs- und Wiedergabeverfahren sind in der Wärmebildtechnik allgemein bekannt, z.B. aus der Zeitschrift "Wehrtechnik" Oktober 1980,

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Seiten 21-23/ der DE-AS 23 32 245 oder der US-PS 29 89 643. Die von dem Scanspiegel 14 abgelenkten parallelen Strahlenbündel der Wärme- und der Laserstrahlung werden von einer abbildenden IR-Optik 15 auf eine Detektoranordnung 16 gerichtet, die in der Bildebene der IR-Optik angeordnet ist. Dabei werden die durch die Abtast-Schwenkbewegungen des Scanspiegels erzeugten, für dessen Umkehrpositionen eingezeichneten Strahlungskegel 13a und 13b (Fig.2) der Wärmestrahlung auf die Detektoranordnung 16 fokussiert, während die ebenfalls für die Umkehrpositionen des Scanspiegels eingezeichneten Strahlungskegel 9a und 9b der Laserstrahlung durch die Bewegungen des Scanspiegels in unterschiedliche Richtungen verlaufen und die Laserstrahlung mindestens an einer Stelle nach der völligen geometrischen Trennung der Strahlungskegel der Wärme- und der Laserstrahlung, z.B. im Bereich des Strahlungskegels 9a, oder auch im Bereich beider Strahlungskegel 9a und 9b, aus dem gemeinsamen Empfangskanal 1 ausgekoppelt und von der Wärmestrahlung getrennt über jeweils eine optische Baugruppe 35 (Fig.3/4) auf einen zum Empfang der Laserstrahlung geeigneten Detektor gerichtet wird. Im Ausführungsbeispiel der Figuren 1 bis 4 ist zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung eine einzige Detektoranordnung 16 vorgesehen, die aus einer auf einem einzigen Träger 18 angeordneten Detektorreihe 19/ z.B. einer Zeile von 180 Detektoren, besteht, wobei der zum Empfang der Laserstrahlung dienende Detektor in den Randbereichen der Detektorreihe liegt und dann zweckmäßigerweise von einem Detektor 20 der Reihe 19 selbst gebildet ist. Die Detektoranordnung 16 .. wandelt die empfangene Wärme- bzw. Laserstrahlung in elektrisehe Signale um, wobei die von der Laserstrahlung stammenden elektrischen Ausgangssignale 21 (Fig.1) der Detektoranordnung in üblicher Weise über eine Verstärkeranordnung 22 einer z.B. im zweiten Gehäuse 4 angeordneten, die Laufzeit der Lasersendeimpulse in Entfernungswerte umsetzenden und die

gemessene Entfernung anzeigenden Auswerteelektronik 23 zugeführt wird, während die von der Wärmestrahlung stammenden elektrischen Ausgangssignale 24 in ebenfalls üblicher, z.B. aus den oben angeführten Literaturstellen bekannter-Weise über eine Vielkanalverstarkeranordnung 25 einer LED-Anordnung 26 zugeleitet werden, welche die verstärkten elektrischen Ausgangssignale dann in sichtbares Licht umwandelt, so daß das Wärmebild nunmehr im sichtbaren Bereich in bekannter Weise über die verspiegelte Rückseite des Scanspiegels 14 in ein Okular oder eine Visiereinrichtung 27 eingespiegelt wird. Dabei ist zwischen der Rückseite des Scanspiegels 14 und einer abbildenden Optik 28 der Visiereinrichtung noch ein Strahlteiler 29 angeordnet, der einen geringen Teil der Strahlung über eine weitere abbildende Optik 30 auf einen sogenannten Scan-Position-Sensor (SPS) 31 zuführt. Dies ist ein optisch-elektrischer Sensor, der den Sendezeitpunkt der Laserimpulse mit der Winkelstellung des Scanspiegels synchronisiert, also den Lasersender 3 triggert, d.h. die Position des Scanspiegels feststellt und in der richtigen Stellung des Spiegels den Laserimpuls auslöst. Die richtige Stellung des Scanspiegels ist im vorliegenden Falle dann gegeben, wenn die vom Zielobjekt reflektierte, empfangene und achsparallel einfallende Laserstrahlung durch die Bewegungen des Scanspiegels 14 auf diejenige Stelle oder Stellen gerichtet wird, an der bzw. an denen die Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal erfolgt. Im Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 ist eine mittelbare Auskopplung der Laserstrahlung über ein Auskoppeleleraent 32 vorgesehen, das aus einem totalreflektierenden Umlenkelement besteht. Das Auskoppelelement ist - wie sich aus obigen Ausführungen ergibt - so angeordnet, daß die Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal dann erfolgt, wenn die Strahlungskegel der Wärme- und der Laserstrahlung, z.B. die Strahlungskegel 9a und 13b,

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geometrisch völlig voneinander getrennt sind. Vorzugsweise erfolgt die Auskopplung dann, wenn sich der Scanspiegel 14 jeweils in Umkehrposition befindet. Die Umkehrpositionen des Scanspiegels sind in Fig.2 mit ausgezogenen bzw. gestrichelten Linien eingezeichnet. Durch ein weiteres in Fig.2 zusammen mit dem Strahlungskegel 9b der Laserstrahlung gestrichelt eingezeichnetes Auskoppelelement 32' ist angedeutet, daß die Auskopplung der Laserstrahlung auch auf der dem Strahlungskegel 13b gegenüberliegenden Seite nach der völligen geometrischen Trennung der Strahlungskegel von Wärme- und Laserstrahlung durchgeführt werden kann. In diesem Fall findet also bei jeder Umkehrposition des Scanspiegels eine Auskopplung der Laserstrahlung statt. Als Auskoppelelement ist bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1 bis 4 ein Umlenkprisma 33 vorgesehen, das in der Zeichnung als Dachkantprisma dargestellt ist. Das Auskoppelelement kann - wie in Fig. 16 gezeigt ist - aber auch aus einem Umlenkspiegel 34 bestehen. Zweckmässigerweise ist das Auskoppelelement 32 bzw. 32' justierbar in Bezug auf die optische Achse des Gesamtsystems. Außerdem kann das Auskoppelelement Bestandteil einer optischen Baugruppe 35 sein, welche dazu vorgesehen ist, die ausgekoppelte Laserstrahlung von der Wärmestrahlung getrennt auf den zum Empfang der Laserstrahlung geeigneten Detektor 20 zu richten. Bei dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 besteht die optische Baugruppe 35 nach dem als Umlenkprisma 33 ausgebildeten Auskoppelelement aus einer Lichtleitfaser 36, insbesondere aus einer Gradientenfaser, deren Anfang im Bildpunkt der IR-Optik 15 angeordnet ist, und einem optisch abbildenden System 37, bestehend aus einem Linsensystem 38 und einem z.B. ebenfalls als Dachkantprisma ausgebildeten Umlenkelement 39, welches den Laserfleck der aus der Lichtleitfaser 36 austretenden Laserstrahlung auf den Detektor 20 fokussiert. Dabei ist der Abbildungsmaßstab des optisch abbildenden Systems 37 derart gewählt, daß eine Anpassung des Laserflecks an die Größe des Detektors 20 erfolgt.

Bei einem erfindungsgemaßen optischen System ist zwar die Auskopplung grundsätzlich nach dem Scanspiegel 14 im konvergierenden Teil 40 des Strahlenganges an einer oder auch an mehreren Stellen nach der völligen geometrischen Trennung der durch die Bewegungen des Scanspiegels in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Strahlungskegel 13a,13b bzw. 9a,9b der Wärme- und der Laserstrahlung vorgesehen, jedoch sind für die Art der Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal und für die Ausbildung der optisehen Baugruppe wie auch der Detektoranordnung verschiedene, von dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1 bis 4 abweichende Ausführungsformen möglich. Diese sind anhand der Fig.6-10, 13 bis 15 und 17 im folgenden noch näher beschrieben

Die Fig. 17 zeigt im Gegensatz zu der mittelbaren Auskopplung der Fig. 1 bis 4 über ein Auskoppelelement nunmehr eine unmittelbare Auskopplung der Laserstrahlung 9a aus dem gemeinsamen Empfangskanal, wobei die Laserstrahlung ohne Auskoppelelement direkt in eine Lichtleitfaser 36 einer optischen Baugruppe eingekoppelt wird und der Anfang dieser Lichtleitfaser wiederum im Bildpunkt der IR-Optik 15 angeordnet ist.

In den Fig. 13-15 sind verschiedene Detektorkonfigurationen gezeigt. So sind nach Fig. 13 zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung zwar eine gemeinsame Detektoranordnung 16a auf einem einzigen Träger 18a und zum Empfang der Wärmestrahlung wieder eine Detektorreihe 19a vorgesehen, jedoch besteht hier der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung aus einem in der Verlängerung der Reihe 19a liegenden, davon räumlich jedoch abgesetzten Zusatzdetektor 20a.

In Fig. 14 ist wiederum eine gemeinsame Detektoranordnung 16b auf einem einzigen Träger 18b mit einer Detektorreihe 19b

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zum Empfang der Wärmestrahlung vorgesehen, jedoch ist zum Empfang der Laserstrahlung mindestens ein auf einer Linie quer zu der Reihe 19b liegender zusätzlicher Detektor 20b vorgesehen.

Anstelle einer gemeinsamen, auf einem einzigen Träger angeordneten Detektoranordnung für den Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung ist es auch möglich, daß zum Empfang der Wärmestrahlung, wie bei dem Ausführungsbeispiel in den Fig.

1-4 auf einem Träger 18 eine Detektorreihe 19 vorgesehen ist, während der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung auf einem separaten, von dem Träger 18 der Detektorreihe 19 räumlich und körperlich getrennten Träger 41 angeordnet ist (Fig. 15).

Verschiedene optische Baugruppen sind schließlich in den Fig. 5-12 dargestellt.

Fig. 5 zeigt im einzelnen eine optische Baugruppe 35, wie sie bei dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1-4 verwendet ist. Diese Baugruppe besteht aus dem Auskoppelelement 33, der Lichtleitfaser 36, dem optisch abbildenden System 37 mit Linsensystem 38 und Umlenkelement 39.

Die optische Baugruppe 35a nach Fig.6 besteht aus einem Auskoppelelement 33/ einem ersten optisch abbildenden System vor der Detektoranordnung, einem diesen optisch abbildenden System vorgeschalteten Umlenksystem 42 mit zwei zueinander parallelen Umlenkspiegeln 43, welche hier so angeordnet sind, daß sie die ausgekoppelte Laserstrahlung parallel zu sich selbst umlenken und einem zweiten, dem Umlenksystem vorgeschalteten, optisch abbildenden System 44.

Bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 7 ist im Gegensatz zu den Fig. 5 und 6 eine unmittelbare Auskopplung der Laserstrahlung vorgesehen. Die optische Baugruppe 35b besteht dabei lediglich aus einer Lichtleitfaser 36 und aus einem optisch abbildenden System 37 mit Linsensystem 38 und Umlenkelement 39· Das optisch abbildende System kann jedoch auch - wie in Fig. 9 dargestellt - integraler Bestandteil der Lichtleitfaser 45 sein und dann am Ende der Lichtleitfaser vorgesehen werden. Damit besteht die optische Baugruppe 35c lediglich aus der Lichtleitfaser 45.

Die optische Baugruppe 35d nach Fig.8 weist wie in Fig.6 außer dem Auskoppelelement 33 noch das optisch abbildende System 37 mit Linsensystem 38 und Umlenkelement 39 vor der Detektoranordnung 16 und das zweite optisch abbildende System 44 nach dem Auskoppelelement 33 auf und ist anstelle eines Umlenksystems mit einer Lichtleitfaser 36 ausgebildet.

Die in Fig.10 dargestellte optische Baugruppe 35e besteht lediglich aus einem Auskoppelelement 33 und einem optisch abbildenden System 37 mit Linsensystem 38.

Die optische Baugruppe 35f nach den Fig.11 und 12 schließlich besteht aus einem ersten totalreflektierenden Umlenkelement 33 zur Auskopplung, einem ersten optisch abbildenden System 46, zwei totalreflektierenden Umlenkspiegeln 47,48, welche so angeordnet sind, daß sie die Strahlung um 180° umlenken, einem zweiten optisch abbildenden System 49 und einem weiteren Umlenkelement in Form eines für Wärmestrahlung durchlässigen Einkoppelelementes 50, welches unmittelbar vor den zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung dienenden, aus einer Reihenanordnung bestehenden Detektoren 19 angeordnet und in dem vor dem Detektor 20 für Laserstrahlung liegenden Abschnitt mit einer die Laserstrahlung in Richtung auf diesen Detektor reflektierenden Spektralte.ilerschicht

ausgebildet ist. Dabei kann der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung, wie z.B.nach der Ausführung nach den Fig.1-4, von einem Detektor 20 im Randbereich der Reihenanordnung 19 oder auch durch einen zusätzlichen Detektor gebildet werden.

19 Patentansprüche 17 Figuren

Claims (18)

- 2ΐ - VPA 84 P 1 1 9 8 DE Patentansprüche:

1. Optisches System mit einem gemeinsamen Empfangskanal für Wärme- und Laserstrahlung, die von einem Lasersender mit parallel zur optischen Achse des Empfangskanals ausgerichteter optischer Achse ausgeht, insbesondere für ein mit einem CO^-Laserentfernungsmesser kombiniertes Wärmebildgerät, wobei in dem Empfangskanal in Strahleneinfallsrichtung ein Scanspiegel, eine IR-Optik und mindestens eine Detektoranordnung vorgesehen sind, und mit einem Positionssensor zur Synchronisation des Sendezeitpunktes der Laserimpulse mit der Winkelstellung des Scanspiegels, dadurch gekennzeichnet, daß nach dem Scanspiegel (14) im konvergierenden Strahlengang (40) mindestens an einer Stelle nach der völligen geometrischen Trennung der durch die Bewegungen des Scanspiegels in unterschiedliche Richtungen verlaufenden Strahlungskegel (13b bzw. 9a) der Wärme- und der Laserstrahlung (13 bzw. 9) eine Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal (1) vorgesehen und die ausgekoppelte Laserstrahlung von der Wärmestrahlung getrennt über jeweils eine optische Baugruppe (35) auf einen zum Empfang der Laserstrahlung geeigneten Detektor (20) gerichtet ist (Fig.2-4).

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung auf einem einzigen Träger (18) eine Detektorreihenanordnung (19) vorgesehen ist, und daß der zum Empfang der Laserstrahlung dienende Detektor in den Randbereichen der Detektorreihenanordnung liegt (Fig.3).

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung von einem Detektor (20) der Reihenanordnung (19) selbst gebildet ist (Fig.3).

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4. Optisches System nach Anspruch 2,

dadurch gekennzeichnet, daß der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung aus einem in der Verlängerung der Reihenanordnung (19a) liegenden, davon räumlich jedoch abgesetzten Zusatzdetektor (20a) besteht (Fig.13).

5. Optisches System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfang der Wärmestrahlung auf einem einzigen Träger (18b) eine Detektorreihenanordnung (19b) und zum Empfang der Laserstrahlung mindestens' ein auf einer Linie quer zur Reihenanordnung auf demselben Träger (18b) liegender zusätzlicher Detektor (20b) vorgesehen ist (Fig.14).

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6. Optisches System nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß zum Empfang der Wärmestrahlung auf einem Träger (18) eine Detektorreihenanordnung (19) vorgesehen ist, und daß der Detektor zum Empfang der Laserstrahlung auf einem separaten, von dem Träger der Reihenan-Ordnung räumlich und körperlich getrennten Träger (41) angeordnet ist (Fig.15).

7. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zur Auskopplung der Laser-Strahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal (1) ein Auskoppelelement (32) vorgesehen ist, das aus einem totalreflektierenden Umlenkelement besteht (Fig.2-4).

8. Optisches System nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelelement aus einem Umlenkspiegel (3^) besteht (Fig.16).

9· Optisches System nach Anspruch 7,

dadurch gekennzeichnet, daß das Auskoppelelement aus einem Umlenkprisma (33) besteht (Fig.1-6, 8, 10-12,15).

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Auskopplung der Laserstrahlung aus dem gemeinsamen Empfangskanal (1) dann erfolgt, wenn sich der Scanspiegel (14) jeweils in Umkehrposition befindet (Fig.2).

11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Baugruppe (35) mindestens ein optisch abbildendes System (37) enthält, welches den Laserfleck der ausgekoppelten Laserstrahlung auf den zum Empfang der Laserstrahlung dienenden Detektor (20) fokussiert (Fig.3-10).

12. Optisches System nach Anspruch 11,

dadurch gekennzeichnet, daß der Abbildungsmaßstab des optisch abbildenden Systems (37) derart gewählt ist, daß eine Anpassung des Laserflecks an die Größe des zum Empfang der Laserstrahlung dienenden Detektors (20) erfolgt

(Fig.3-10).
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13· Optisches System nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Baugruppe (35) eine Lichtleitfaser (36) enthält (Fig.3-5, 7-9, 15-17).

14. Optisches System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfaser (36) aus einer Gradientenfaser besteht.

15. Optisches System nach Anspruch 13 oder 14,

dadurch gekennzeichnet, daß das optisch abbildende System integraler Bestandteil der Lichtleitfaser (45) ist (Fig.9).

16. Optisches System nach Anspruch 11 oder 12,

dadurch gekennzeichnet, daß dem optisch abbildenden System (37) ein die ausgekoppelte Laserstrahlung ablenkendes Umlenksystem (42) vorgeschaltet ist (Fig.6).

17. Optisches System nach Anspruch 13 oder 16,

dadurch gekennzeichnet daß der Lichtleitfaser (36) bzw. dem Umlenksystem (42) ein zweites optisch abbildendes System (44) vorgeschaltet ist (Fig.6,8).
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18. Optisches System nach einem der Ansprüche 11-17/ dadurch gekennzeichnet, daß das die ausgekoppelte Laserstrahlung auf den zugehörigen Detektor (20) fokussierende optisch abbildende System (37) aus einem Linsensystem (38) und einem Umlenkelement (39) besteht (Fig.3-8, 11,12).

19· Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das letzte Glied der optischen Baugruppe (35f) aus einem Umlenkelement in Form eines für Wärmestrahlung durchlässigen Einkoppelelementes (50) besteht, welches unmittelbar vor·den zum Empfang der Wärme- und der Laserstrahlung dienenden, aus einer Reihenanordnung (19) bestehenden Detektoren angeordnet und in dem vor dem Detektor (20) für Laserstrahlung liegenden Abschnitt mit einer die Laserstrahlung in Richtung auf diesen Detektor reflektierenden Spektralteilerschicht (51) ausgebildet ist (Fig.11,12).