DE3415062C1 - Arbeitsverfahren einer aus Lasersender und Wärmebildgerät kombinierten Geräteanordnung sowie eine Vorrichtung hierzu - Google Patents

Description

• Der Raumwinkel, mit dem der Laser herausprojiziert wird, beträgt etwa zwischen 0,4 und 0,7 mrad, während der Raumwinkel des herausprojizierten Detektorelements bei hochauflösenden Wärmebildgeräten nur etwa 0,15 mrad und kleiner ist. Dies verursacht bei kleinen Scanfehlern Energieverluste von etwa 8 dB. Um diese aufgrund der Detektorgeometrie und der Energiever- teilung des Laserflecks entstehenden Energieverluste so gering wie möglich zu halten, ist es von Vorteil, daß das zum Abtastelement parallele Umlenkmittel als ein die Wärmestrahlung in Richtung Detektor reflektierender und die Laserstrahlung hindurchlassender Spektralteiler ausgebildet ist und die Laserstrahlung über eine Fiberoptik auf dem Detektor abgebildet wird.
• Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der restlichen Unteransprüche.
• Im folgenden wird die Erfindung an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei die in den einzelnen Figuren einander entsprechenden Teile dieselben Bezugszeichen aufweisen. Es zeigt Fig. la die Prinzipskizze für das Regeln der Geschwindigkeit des Abtastelements der erfindungsgemäßen Geräteanordnung mit einer Fiberoptik als Leitvorrichtung für die vom Abtastelement in Richtung Detektor abgegebene Strahlung, F i g. 1 b eine Variante des Ausführungsbeispiels nach F i g. 1 a, bei der die Fiberoptik durch eine starre Optik ersetzt ist, F i g. 2 eine Ausführungsform der Bremsvorrichtung für die Geschwindigkeitsregelung gemäß Fig. 1, Fig.3 die normale Abtastfunktion des Abtastelements, die sender- und empfängerseitige Energieverteilung des Laserimpulses sowie seine Projektion und die extremen Projektionslagen des Detektorelements in der Objektebene und F i g. 4 Abtastfunktion, Energieverteilung und Projektionen gemäß F i g. 3 bei abgebremster Bewegung des Abtastelements.
• F i g. 1 zeigt - schematisch dargestellt - einen Teil einer optronischen Visiereinrichtung mit Wärmebildzielgerät und Laserentfernungsmesser. Der kombinierte Wärmebild/Laser-Empfangskanal 9 ist hierbei mit dem über seine optische Achse 12 angedeuteten Lasersender so gekoppelt, daß die optische Achse 12 mit der Visierlinie 11 parallel verläuft. Der vom Ziel reflektierte Anteil sowie die Ziel- und Umgebungseigenstrahlung passieren den Empfangskanal und werden mittels eines Abtastelements, des Spiegels 8, über optische Umlenkmittel 1 auf den für Wärme- und Laserstrahlung ausgelegten Detektor 23 gelenkt, der die Strahlung nach optoelektronischer Umwandlung auf einer zeichnerisch nicht dargestellten Leuchtdiodenanordnung sichtbar macht. Insoweit ist diese Vorrichtung Gegenstand des Hauptpatents 33 29 588.
• In F i g. 3a ist mit Position 30 die normale Abtastfunktion des Abtastspiegels 1 (F i g. 1 und 2) und mit Position 31 die Projektion des Laserimpulses in der Objektebene (Ziel) bezeichnet. Die Pfeile 35 symbolisieren hierbei -nicht maßstäblich - die Zeit für einen Entfernungsmeßvorgang und die Pfeile 36 den Weg der Abbildung des Detektorelements 32 in der Objektebene. In F i g. 3c ist außer dem Laserimpuls 31 auch noch ein Detektorelement 32 in die Objektebene projiziert. Die ausgezogene Linie zeigt hierbei eine Mittelstellung, während die unterbrochene Linienführung den Beginn und das Ende desselben Detektorelements über einen Entfernungsmeßvorgang hinweg darstellen. In Fig.3b verdeutlichen die Kurven 33 und 34 oberhalb der Mittelstellung des Detektorelements 32 (F i g. 3c) die Energieverteilung des ausgesandten und des empfängerseitigen Laserimpulses. 34' gibt die zugeordnete Projektion der Empfangsenergieverteilung des Detektorelements 32' an.
• Wie ferner Fig. la entnommen werden kann, ist der Antriebsmotor 29 des Abtastspiegels 8 über die getrennten Versorgungsleitungen 14 und den Schalter 14' einmal mit der Antriebselektronik 16 und zum anderen mit der Bremselektronik 13 verbunden. Diese Bremselektronik wird durch den Auslöseimpuls 22 betätigt; sie kann durch das Sperrsignal 21 (F i g. 2) die Antriebselektronik 16 blockieren, von der wiederum das Synchronisationssignal 19 (Fig. la) zum Abbremsen der Geschwindigkeit des Abtastspiegels 8 abgeleitet wird.
• In Fig.2 ist eine Möglichkeit aufgezeigt, wie die Bremselektronik 13 arbeitet: Der Bremsimpuls 15 wirkt über die elektromagnetische Bremse 17 und den der Bremskraft angepaßten Hebelarm 18 auf den Abtastspiegel 8. Die Bremskraft kann über die ferromagnetischen Werkstoffe 17' und 18' übertragen werden.
• Auf diese Weise wird bewirkt, daß der Abtastspiegel 8 während des Entfernungsmeßvorgangs lediglich um einen Bruchteil, z. B. die Hälfte, der Bildpunktbreite bewegt wird, wie dies in F i g. 4 dargestellt ist. Diese Figur weicht gegenüber F i g. 3 durch eine flachere Rückflanke der Abtastfunktion 30 ab, wodurch die mit unterbrochener Linienführung angedeuteten Projektionen des Detektorelements 32' bei Beginn und Ende des Entfernungsmeßvorgangs näher zusammenrücken. Das heißt, im Gegensatz zu F i g. 3 empfängt das Detektorelement 32 bzw. 32' immer die seinem Sehfeld entsprechende Laserenergie, während in Fig. 3 ein Großteil dieser Energie - besonders in den Extremlagen - verlorengeht Dies schränkt die Reichweite eines normal abtastenden Systems erheblich ein. Nach Beendigung des Meßvorgangs wird der Abtastspiegel 8 durch den Impuls 20 (Fig. 1) wieder auf seine Ausgangsfrequenz beschleunigt.
• Die einfallende Wärmestrahlung wird von dem Abtastspiegel 8 über die abgewinkelten Glieder des z. B.
• dreilinsigen Detektorobjektivs 10 und das Umlenkglied 1 auf den Detektor 23 gelenkt. Die auf demselben Weg jedoch im wesentlichen nur während des Entfernungsmeßvorgangs einfallende Laserstrahlung, bei der es sich vorwiegend um CO2-Strahlung im Bereich von 10,6 Um Wellenlänge handelt, wird dagegen das Umlenkglied 1, das als Spektralteiler ausgebildet ist, passieren. Sie tritt durch den Spektralteiler und wird durch die z. B. zweilinsige Abbildungsoptik 28, die mit einem allerdings zeichnerisch nicht dargestellten Justierkeil ausgerüstet sein kann, auf das eine Ende einer z. B. aus KrS5 bestehenden Fiberoptik 25 abgebildet. Die Fiber wirkt durch viele Reflexionen als optischer Integrator, d. h. die an ihrem Ende austretende Strahlung erfährt keine Winkelbewegung mehr, obwohl die Strahlung am Fibereingang durch den Abtastspiegel 8 während der Entfernungsmeßzeit verschiedene Winkelstellungen erfährt.
• Der Ausgang der Fiber wird dann verkleinert auf den Detektor 23 abgebildet. Bei einer sich verjüngenden Fiber oder dem sich verjüngenden starren optischen Element 25' ist ein günstigerer Abbildungsmaßstab realisierbar. Der Fibereingang muß mindestens so groß gewählt werden, daß die während der Entfernungsmeßzeit bewegte Abbildung der Laserstrahlung von der Fiber voll erfaßt wird. Diese Fiberoptik ändert den Strahlungsverlauf um den erforderlichen Winkel, z. B. 90°, bei einer Ausführung gemäß F i g. la.
• Ihrem austrittseitigen Ende liegt die z. B. zweilinsige Abbildungsoptik 26 gegenüber. Für den Fall, daß die Fiberoptik 25 - wie dargestellt - einen gleichmäßigen Querschnitt aufweist, hat die Abbildungsoptik eine verkleinernde Wirkung.
• Bei einem anderen, zeichnerisch nicht dargestellten Ausführungsbeispiel, ist die Fiberoptik in Strahlenver- laufsrichtung verjüngt ausgebildet Die Abbildungsoptik bildet dann z. B. im Verhältnis 1:1 ab.
• Von dem austrittseitigen Ende der Fiberoptik 25 und nach Passieren der Abbildungsoptik wird der Strahlungsverlauf mit Hilfe des Umlenkprismas 27 um 90" umgelenkt, bevor ein der Achse der Wärmestrahlung - auf den Detektor 23 trifft.
• Gemäß Fig. 1b kann die Fiberoptik 25 auch durch eine als starr bezeichenbare Optik ersetzt werden, die an Stelle der Fiber ein in Strahlungsrichtung sich derart verjüngendes optisches Element 25' enthält, in welchem die eingekoppelte Strahlung - den Gesetzmäßigkeiten der Totalreflexion folgend - über die Abbildungsoptik 26' und das Umlenkprisma 27' weitergeleitet wird.
• Es versteht sich, daß bei anderen Ausführungbeispielen sowohl die Linsenanzahl der einzelnen Objektive als auch der Richtungsverlauf von Wärme- und Laserstrahlung hinsichtlich der angegebenen Winkel variieren kann, ohne daß dadurch der Rahmen der Erfindung verlassen würde.

Claims (14)

1. Patentansprüche: 1. Arbeitsverfahren einer aus Lasersender und Wärmebildgerät kombinierten Geräteanordnung mit zueinander parallel ausgerichteten optischen Achsen und einem gemeinsamen Wärmebild/Laser-Empfangskanal, der in Strahlendurchtrittsrichtung empfangsseitig im wesentlichen aus folgenden Bauelementen besteht: a) einem IR-Teleskop, b) einem in Ruhestellung unter 45" angeordneten Abtastelement, c) einem abgewinkelten mehrgliederigen Detektorobjektiv, d) einem zwischen den Objektivgliedern, parallel zum Abtastelement, angeordneten und bedarfsweise antreibbaren Umlenkmittel, e) einem Detektor sowie f) einer Leuchtdiodenanordnung, auf der die empfangene Strahlung nach optoelektronischer Umwandlung sichtbar gemacht wird nach Patent P3329588, dadurch gekennz e i c h n e t daß die Geschwindigkeit der Bewegung des Abtastelements (8) während der Zeit des Entfernungsmeßvorgangs herabgesetzt und anschließend wieder auf seine Ausgangsfrequenz beschleunigt wird.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Abtastelement (8) während des Entfernungsmeßvorgangs lediglich um einen Bruchteil, z. B. die Hälfte, der Bildpunktbreite bewegt wird.
3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegung des Abtastelements (8) für die Dauer des Entfernungsmeßvorgangs durch einen Bremsimpuls (15) herabgesetzt und nach Beendigung des Meßvorgangs durch einen weiteren Impuls (20) wieder auf seine normale Abtastfrequenz beschleunigt wird (F i g. 1 a).
4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorausgehenden Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Antriebsmotoren (29) des Abtastelements (8) über getrennte Versorgungsleitungen (14) einmal mit einer Antriebselektronik (16) und zum anderen mit einer eine Regelung aufweisenden Bremselektronik (13) verbunden sind (Fig. 1).
5. 5. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Bremsimpuls (15) der Bremselektronik (13) über eine elektromagnetische Bremse (17) auf das Abtastelement (8) einwirkt (Fig. 2).
6. 6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die elektromagnetische Bremse (17) über einen Hebelarm (18) das Abtastelement (8) betätigt (F i g. 2).
7. 7. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das zum Abtastelement (8) parallele Umlenkmittel (1) als ein die Wärmestrahlung in Richtung Detektor (23) reflektierender und die Laserstrahlung hindurchlassender Spektralteiler ausgebildet ist (F i g. 1).
8. 8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die den Spektralteiler (1) passierende Laserstrahlung über eine Fiberoptik (25) oder eine starre Optik (25') auf dem Detektor (23) abgebildet wird (Fig. 1).
9. 9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Spektralteiler (1) kommende Laserstrahlung über wenigstens eine Linse (28) auf dem einen Ende der Fiberoptik (25) oder der starren Optik (25') abgebildet wird, deren anderes Ende die Strahlung direkt oder über eine separate Abbildungsoptik (26 bzw. 26') ab bildet (F i g. 1).
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Fiberoptik (25) bzw. die starre Optik (25') in Richtung Detektor (23) verjüngt ausgebildet ist.
11. 11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß Fiberoptik (25) und starre Optik (25') sowie zugehörige Abbildungsoptiken (26 bzw. 26') über ein Umlenkprisma (27) auf dem Detektor(23) abbilden (F i g. 1).
12. 12. Vorrichtung nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Spektralteiler (1) und Fiberoptik (25) eine weitere, bedarfsweise mit einem Justierkeil ausgestattete Abbildungsoptik (28) vorgesehen ist (F i g. 1).
13. 13. Verfahren zur Betätigung der Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bremselektronik (13) über einen Auslöseimpuls (22) betätigt wird (F i g. 1 und 2).
14. 14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Abbremsen der Abtastgeschwindigkeit zeitlich über ein von der Antriebselektronik (16) erzeugtes Synchronisationssignal (19) abgeleitet wird (Fig. 1). -15. Verfahren nach einem der vorausgehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Antriebselektronik (16) bedarfsweise durch ein Sperrsignal (21) der Bremselektronik (13) gesperrt wird (Fig. 2).

    Die Erfindung bezieht sich auf ein Arbeitsverfahren einer aus Lasersender und Wärmebildgerät kombinierten Geräteanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Patent 3329 588.

    Diese ansonsten durchaus brauchbare Vorrichtung setzt die kontinuierliche Bewegung des Abtastelements voraus, was jedoch nicht immer zweckmäßig ist. Außerdem sieht sie nur eine Verminderung der Scan-, nicht jedoch der dB-Verluste vor.

    Aufgabe der Erfindung ist es, eine Möglichkeit zu schaffen, die Bewegung des Abtastelements den jeweiligen Abschnitten der Funktionsabläufe eines kombinierten Lasersender-Wärmebildgerätes bestmöglich anzupassen. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst Auf diese Weise kann vor allem erreicht werden, daß das Abtastelement, in der Regel ein Spiegel, während eines Entfernungsmeßvorgangs, der ca. 69 bis 100 Us dauert, nur geringfügig bewegt wird sowie eine optimale Winkelstellung einnimmt.