DE3642547C2 - Verfahren zur Harmonisierung der Achse eines Zielfernrohres und derjenigen einer thermischen Kamera - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Harmonisierung (Angleichung) der Achse eines ein Objektiv, ein erstes Fadenkreuz und ein Okular umfassenden Zielfernrohres und der Achse einer thermischen Kamera (IR-Kamera) mit mehre­ ren Gesichtsfeldern, die ein Infrarotobjektiv, ein opto­ mechanisches Abtastsystem, einen Infrarotdetektor und ein System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor ge­ lieferten elektrischen Signale umfaßt.

Dieses System dient zum Nachtschießen. Es bezieht sich insbesondere auf den Fall einer IR-Kamera mit mehreren Gesichtsfeldern, in denen die Harmonisierung erforderlich ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine ständige Kontrolle und Steuerung der Harmonisierung der Achsen des Zielfernrohres und der IR-Kamera zu ermöglichen, und zwar sowohl vor als auch während des Abschusses bzw. der Geschoßflugphase. Desweiteren wird eine automatische Har­ monisierung zwischen dem Zielfernrohr und der Kamera ohne die Notwendigkeit einer starren mechanischen Verbindung zwischen diesen beiden Geräten angestrebt.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Zielfernrohr gleichzeitig ein Harmonisierungskollimator ist, der in die IR-Kamera einen Strahl mit einer außerhalb des Sichtbaren liegenden Wellenlänge projiziert, der von einem zweiten Fadenkreuz ausgeht und aufeinanderfolgend an den Flächen eines Trieders mit drei rechten Winkeln reflektiert wird und die exakte Parallelität des in der optischen Achse des Zielfernrohres einfallenden Strahles zu dem in der optischen Achse der Kamera austretenden Strahl sicherstellt, wobei die Wellenlänge etwa fünfmal kürzer als die mittlere Wellenlänge des Hauptbandes der Kamera ist, um eine Auflösung des projizierten Faden­ kreuzes zu erhalten, die mit der Grenzauflösung der Kame­ ra in dem genannten Hauptband (Spektralband) mit einem Nutzstrahl gleich einem Fünftel des Durchmessers der IR- Optik vergleichbar ist.

Nach einer bevorzugten Weiterbildung wird das zweite Fa­ denkreuz des Harmonisierungskollimators mit einer Strah­ lungsquelle beleuchtet, die eine Strahlung mit der ge­ nannten Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektrums sendet und im Inneren des Zielfernrohres symmetrisch zu dem ersten Fadenkreuz in bezug auf eine dichroitische oder halb­ durchlässige Platte angeordnet ist, die um 45° geneigt gegen die optische Achse des Zielfernrohres zwischen dem Objektiv und dem ersten Fadenkreuz angeordnet ist und für das sichtbare Licht durchlässig, für den von der genannten Strahlungsquelle ausgehenden Infrarotstrahl hin­ gegen reflektierend ist. Vorzugsweise besteht der Trieder mit drei rechten Winkeln aus einer ersten planparallelen oder parallelflächigen Platte, die vor dem Infrarotobjek­ tiv und um 45° geneigt gegen dessen Achse angeordnet ist, sowie aus einem Dieder, der vor dem Objektiv des Ziel­ fernrohres angeordnet ist und einen Planspiegel sowie eine zweite planparallele Platte umfaßt, auf deren rück­ wärtiger Fläche ein Filter aufgebracht ist, um die Strah­ lung des Kollimators nach außen zu unterdrücken, wobei die Kante des Dieders rechtwinklig zu der Ebene der ersten parallelflächtigen Platte ist und der Planspiegel und die parallelflächigen Platten aus einem Werkstoff sind, der für die genannte Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektrums reflektierend ist, wobei das Ganze eine unter allen Umweltbedingungen unverformbare Anordnung bildet.

Gemäß einer ersten Variante des Harmonisierungsverfahrens besteht das System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor gelieferten elektrischen Signale aus einer elek­ tronischen Signalverarbeitungsanordnung, die mit einer außerhalb befindlichen Kathodenstrahlröhre verbunden ist, auf der das Ziel und der zweite Detektor wiedergegeben wer­ den; alternativ hierzu kann die Signalverarbeitungsanord­ nung mit einer eingebauten Kathodenstrahlröhre verbunden sein, deren Bild in das Zielfernrohr mittels eines Kolli­ mators und eines weiteren Trieders eingeblendet wird, der aus einer dritten parallelflächigen Platte und dem Dieder besteht.

Bei einer zweiten Variante wird das System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor gelieferten elektrischen Signale durch Elektrolumineszenzdioden gebildet, die sym­ metrisch zu den Detektoren in bezug auf eine halbdurch­ lässige Platte angeordnet sind und von einer elektronischen Schaltung zur Verstärkung der von dem Detektor gelieferten Signale und zur Speisung der Dioden versorgt werden. Die von den Elektrolumineszenzdioden abgegebene sichtbare Strahlung durchquert die optomechanische Abtastvorrich­ tung in umgekehrter Richtung wie die einfallende Infrarot­ strahlung und wird in das Zielfernrohr mittels eines Kol­ limators und eines weiteren Trieders eingeblendet, der aus einer dritten parallelflächigen Platte und dem Trieder be­ steht.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung erläu­ tert, in der beispielhaft gewählte Ausführungsformen sche­ matisch vereinfacht dargestellt sind. Es zeigt:

Fig. 1 das Prinzipschema einer ersten Variante der Vor­ richtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung (in zwei Projektionen),

Fig. 2 das Prinzipschema einer zweiten Variante der Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach der Erfindung (in zwei Projektionen) und

Fig. 3 eine Variante des Zielfernrohres mit zwei proji­ zierten Fadenkreuzen, das eine für die sichtba­ re Strahlung und das andere für die Infrarotstrah­ lung.

In dem Prinzipschema der Fig. 1 ist die Visierachse 2 eines Zielfernrohres 1 durch den Mittelpunkt des Objek­ tivs 3 und das Fadenkreuz 4 definiert. Ein zweites Faden­ kreuz 5 ist symmetrisch zu dem Fadenkreuz 4 in bezug auf eine dikroitische Platte 6 vorgesehen. Es wird durch ei­ ne Lichtquelle 7 beleuchtet.

Die IR-Kamera umfaßt ein Infrarotobjektiv 9, ein Abtast­ symstem 10, einen Infrarotdetektor 11, eine elektronische Verarbeitungsschaltung, die Signale für eine Kathoden­ strahlröhre 13 liefert, deren Bildschirm sich im Brenn­ punkt eines Kollimators 14 befindet.

Die Harmonisierungsvorrichtung umfaßt einen Trieder, des­ sen Spitze bei 15 liegt und der drei rechte Winkel auf­ weist. Der Trieder besteht aus einer planparallelen Plat­ te 18 und einem Dieder, dessen Kante bei 17 liegt und der aus einer planparallelen Platte 18 und einem Planspiegel 19 besteht. Die Anordnung 16, 18, 19 muß unter allen Um­ weltbedingungen verformungssteif (unverformbar) sein. Von der Stabilität dieser Einheit hängt die Güte der Harmoni­ sierung ab. Ein perfekter Trieder mit drei rechten Win­ keln hat die Eigenschaft, daß die Richtung des reflektier­ ten Strahles exakt parallel zu der Richtung des einfallen­ den Strahles ist, unabhängig von der Richtung des Strahls in bezug auf den Trieder.

Erfindungsgemäß ist das Zielfernrohr 1 gleichzeitig auch ein Harmonisierungskollimator, dessen Achse mit der Achse 2 des Zielfernrohres zusammenfällt. Dieser Kollimator projiziert das Bild des Fadenkreuzes 5 ins Unendliche. Das Fadenkreuz 5 ist konstruktiv so angeordnet, daß es zu dem sichtbaren Fadenkreuz 4 symmetrisch in bezug auf den Strahlteiler 6 liegt.

Die Sendewellenlänge liegt außerhalb des sichtbaren Spek­ trums, so daß mittels eines auf der planparallelen Plat­ te 18 niedergeschlagenen Filters die Strahlung des Kol­ limators nach außen unterdrückt werden kann. Vorzugsweise wird eine Wellenlänge gewählt, die kleiner als die Grenz­ wellenlänge des optischen Glases ist, so daß für das Ob­ jektiv 3 des Zielfernrohres keine Spezialwerkstoffe er­ forderlich sind; andererseits müssen die Infrarotoptiken und insbesondere das Germanium für die Wellenlänge des Kollimators durchlässig sein. Die Wellenlänge des Kolli­ mators kann folglich zwischen etwa 2 und 2,5µ liegen.

Der von dem Kollimator gesendete Strahl legt mithin die Visierrichtung des Zielfernrohres fest. Nach Reflexion an den drei Spiegeln 18, 19, 16 des Trieders mit drei rechten Winkeln und der Spitze bei 15 (Tripelreflektor) tritt der Strahl in die IR-Kamera 8 durch die Mitte der Eingangsoptik 9 ein. Dieser Strahl ist folglich parallel zur Achse 2 des Zielfernrohrs. Die IR-Kamera sieht das Ziel durch die planparallele Platte 16 hindurch sowie das Bild des Fadenkreuzes 5, das sich dem Gesichtsfeld überlagert und das die Visierachse oder -linie 2 fest­ legt. Ein auf der Außenfläche der Platte 16 niederge­ schlagenes Filter begrenzt das Spektralband der Anord­ nung auf das atmosphärische Fenster, beispielsweise das Spektralband von 8 bis 12µ.

Das von der IR-Kamera empfangene Bild kann nach Verarbei­ tung in der Elektronik 12 entweder einer außerhalb ange­ ordneten Kathodenstrahlröhre 20 zugeführt werden, auf de­ ren Bildschirm dann das Ziel und das die Visierlinie de­ finierende Fadenkreuz erscheint, oder das Bild kann auf dem Bildschirm einer eingebauten Kathodenstrahlröhre 13 wiedergegeben und in das Zielfernrohr 1 mittels des Kol­ limators 14 und eines Trieders eingeblendet werden, dessen Spitze bei 21 liegt und der aus einer planparallelen Plat­ te 22 und demselben Dieder 18, 19 wie der vorhergenannte Trieder besteht. Der Beobachter 23 sieht dann durch das Okular 24 des Zielfernrohrs hindurch die von der IR- Kamera wahrgenommenen Bilder des Ziels und des Faden­ kreuzes 5.

Das Bild des Fadenkreuzes 5 muß dem Fadenkreuz 4 nicht notwendigerweise überlagert werden. Die Stellung des Bildes hängt von der Orientierung der Einheit mit der IR-Kamera 8 ab, jedoch beeinträchtigt dies nicht die Richt- oder Zielgenauigkeit, da das Bild des Fadenkreuzes 5 stets die Visierrichtung angibt.

Die IR-Kamera soll zusätzlich zu ihrem Hauptempfangs­ fenster entsprechend dem atmosphärischen Fenster zwischen beispielsweise 8 und 12µm ein Empfangs- oder Empfindlich­ keitsfenster bei der Wellenlänge des Kollimators, nämlich beispielsweise zwischen 2 und 2,5µm haben.

Der Kollimator, dessen Wellenlänge ungefährt fünfmal kürzer als die mittlere Wellenlänge des Hauptempfangsbandes der IR-Kamera ist, liefert das projizierte Fadenkreuz mit ei­ ner Auflösung, die mit der Grenzauflösung der Kamera im Band von 8 bis 12µ vergleichbar ist, und zwar mit einem Nutzstrahl gleich einem Fünftel des Durchmessers der In­ frarotoptik 9; die winkelmäßige Grenze der Beugung bei 2µm ist nämlich fünfmal kleiner als bei 10µm.

Die verschiedenen Systembauteile arbeiten in den folgen­ den Spektralbändern:

Fig. 2 zeigt eine Variante, bei der das mittels der IR- Kamera gewonnene Bild durch Elektrolumineszenzdioden 25 sichtbar gemacht wird, die in bezug auf eine dikroitische Platte 26 symmetrisch zu den Detektoren 11 angeordnet sind. Die Elektronik 12 verstärkt die von den Detektoren 11 ge­ lieferten Signale und speist die Elektrolumineszenzdioden 25.

Der optomechanische Abtaster 10 wird zweimal durchquert, nämlich von der IR-Strahlung im Band von 8-12µ bei der Analyse oder Abtastung und von der von den Elektro­ lumineszenzdioden ausgehenden sichtbaren Strahlung bei der Sichtbarmachung. Das durch die Dioden restituierte Bild ist dem Infrarotbild des Objektivs 9 exakt überlagert. Der Kollimator 14 projiziert dieses restituierte Bild ins Unendliche.

Die dichroitische Platte 27 stimmt mit der Platte 26 überein - sie reflektiert die Infrarotstrahlung und das Band von 2 bis 2,5µ, während sie für die sichtbare Strahlung durchlässig ist.

In Fig. 3 ist eine Variante des Zielfernrohres 1 mit zwei Fadenkreuzen dargestellt, von denen das Fadenkreuz 4 mit sichtbarem Licht projiziert wird und das Fadenkreuz 5 im Band von 2 bis 2,5µm projiziert wird. Beleuchtet wird entweder das eine oder das andere Fadenkreuz, so daß im Feld des Zielfernrohres stets nur ein Fadenkreuz zu sehen ist. Bei Tagbetrieb wird das Fadenkreuz 4 beleuchtet, während bei Nachbetrieb mit der IR-Kamera das Fadenkreuz 5 beleuchtet wird.

Der restliche Längschromatismus zwischen den Bändern bei 2µm und 10µm oder zwischen dem sichtbaren Band und dem Band bei 2µm kann durch entsprechende Konstruktion des Zielfernrohres kompensiert werden, und zwar durch eine Axialverschiebung des Fadenkreuzes 5. Der Kollimator ist dann nicht mehr exakt auf das Unendliche scharfgestellt, um den Chromatismus zu kompensieren. Die Genauigkeit des Harmonisierungsverfahrens wird durch diese Korrektur nicht verändert.

Claims (6)

1. Verfahren zur Harmonisierung (Angleichung) der Achse eines Zielfernrohres mit einem Objektiv, einem ersten Fadenkreuz und einem Okular an die Achse einer IR-Kamera mit mehreren Gesichtsfeldern, die ein Infrarotobjektiv, ein optomechanisches Abtastsystem, einen Infrarotdetektor und ein System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor gelieferten elektri­ schen Signale umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß das Zielfernrohr (1) gleichzeitig ein Harmonisierungs­ kollimator ist, der in die IR-Kamera (8) einen Strahl mit einer außerhalb des Sichtbaren liegenden Wellenlänge projiziert, der von einem zweiten Faden­ kreuz (5) ausgeht und aufeinanderfolgend an den Flächen eines Trieders (18, 19, 16) reflektiert wird, der die exakte Parallelität des in der optischen Achse des Zielfernrohres (1) einfallenden Strahles zu dem in der optischen Achse der Kamera (8) aus­ tretenden Strahl sicherstellt, wobei die Wellen­ länge etwa fünfmal kürzer als die mittlere Wellenlänge des Hauptbandes der Kamera ist, um eine Auflösung des projizierten Fadenkreuzes (5) zu erhalten, die mit der Grenzauflösung der Kamera in dem genannten Band mit einem Nutzstrahl gleich einem Fünftel des Durch­ messers der Infrarotoptik (9) vergleichbar ist.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Fadenkreuz (5) des Harmonisierungs­ kollimators mit einer Strahlungsquelle (7) beleuchtet wird, die eine Strahlung mit der genannten Wellenlänge außerhalb des sichtbaren Spektrums sendet und im Inneren des Zielfernrohres symmetrisch zu dem ersten Fadenkreuz (4) in bezug auf eine halbdurchlässige Platte (6) angeordnet ist, die um 45° geneigt gegen die optische Achse des Zielfernrohres zwischen dem Objektiv (3) und dem ersten Fadenkreuz (4) angeordnet ist und für das sichtbare Licht durchlässig, für den von der genannten Strahlungsquelle (7) ausgehenden Infrarotstrahl reflektierend ist.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Trieder mit drei rechten Winkeln aus einer ersten planparallelen Platte (16), die vor dem Infrarotobjektiv (9) und um 45° geneigt gegen dessen Achse angeordnet ist, sowie aus einem Dieder besteht, der vor dem Objektiv (3) des Zielfernrohres (1) angeordnet ist und einen Planspiegel (19) sowie eine zweite planparallele Platte (18) umfaßt, auf deren rückwärtiger Fläche ein Filter aufgebracht ist, um die Strahlung des Kollimators nach außen zu unter­ drücken, wobei die Kante (17) des Dieders rechtwink­ lig zu der Ebene der ersten planparallelen Platte (16) ist, daß der Planspiegel (19) und die Platten (16, 18) aus einem Werkstoff sind, der für die genannte Wellen­ länge außerhalb des sichtbaren Spektrums reflektierend ist, und daß das Ganze eine unter allen Umweltbedin­ gungen unverformbare Anordnung bildet.

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor (11) gelieferten Signale aus einer elektronischen Signalverarbeitungs­ anordnung (12) besteht, die mit einer außerhalb der Gesamtanordnung befindlichen Kathodenstrahlröhre (20) verbunden ist, auf der das Ziel und das zweite Faden­ kreuz (5) wiedergegeben werden, oder die Signalver­ arbeitungsanordnung (12) mit einer eingebauten Kathodenstrahlröhre (13) verbunden ist, deren Bild in das Zielfernrohr mittels eines Kollimators und eines weiteren Trieders eingeblendet wird, der aus einer dritten planparallelen Platte (23) und dem Dieder (18, 19) besteht.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einem System zur visuellen Wiedergabe der von dem Detektor gelieferten elektrischen Signale durch Elektrolumineszenzdioden, die symmetrisch zu den Detektoren in bezug auf eine halbdurchlässige Platte (26) angeordnet sind und von einer elektronischen Schaltung (12) zur Verstärkung der von dem Detektor (11) gelieferten Signale und zur Speisung der Dioden (25) versorgt werden, dadurch gekennzeichnet, daß die von den Elektrolumineszenzdioden (25) abgegebene sichtbare Strahlung in das Zielfernrohr mittels eines Kollimators und eines weiteren Trieders eingeblendet wird, der aus einer dritten planparallelen Platte und dem Dieder besteht.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Fadenkreuz vorzugsweise ein projiziertes Fadenkreuz ist.