DE3736616C1 - Optischer Weitwinkel-Sensorkopf - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen optischen Weitwinkel-Sensorkopf zur richtungsabhängigen Erfassung optischer Strahlung gemäß dem Gattungsbe­ griff des Anspruchs 1.

Bei vielen optischen Sensorsystemen wird eine extreme Weitwinkel-Auffas­ sung gefordert, beispielsweise für eine Rundumsicht (360°) als Azimuth und Höhen bis zu 180° in Elevation. Dies trifft insbesondere für verschiedene Überwachungs- und Warnsensoren zu, bei denen das Eintreten des gesuchten Ereignisses bzw. Objektes über einen goßen Winkelbereich verteilt sein kann.

Für die optische Auffassung solcher großen Winkelbereiche sind die übli­ chen Objektive von Zielerfassungs- und Kamerasystemen mit einem Gesichts­ feld unter 50° nicht ausreichend. Der Nachteil bei der Verwendung von Weitwinkel-Objektiven oder gar Superweitwinkel-Objektiven mit Gesichtsfel­ dern bis zu 110° ist in der Komplexität und den Kosten solcher Objektive zu sehen, aber auch in der störenden Bildverzeichnung über das Gesichts­ feld und der notwendige starre Aufbau von Objektiv und Detektor in einer Bildebene.

Um diese Nachteile zu umgehen, sind optische Sensorköpfe konzipiert worden, die eine Vielzahl von Facettenaugen aufweisen, wo jedes Auge mit der optischen Achse in eine andere Richtung ausgerichtet ist und die Gesichtsfelder der Einzelaugen ausreichend groß sind, so daß durch gegen­ seitige Überlappung der gesamte Winkelbereich lückenlos überschaubar ist. Damit der opto-elektrische Wandler unabhängig von der Optik aufbaubar ist, wird das Signal jedes Facettenauges mit flexiblen Lichtleitfasern zu ihm geführt. Eine solche Ausführungsform ist durch die Anmelderin in der EP 01 14 053 bekanntgeworden. Hier wird ein halbkugelförmiger Sensorkopf offenbart, in dessen Oberfläche eine Vielzahl von Lichtleitern gleichmäßig verteilt und befestigt sind. Die anderen Enden der Lichtleiter sind zu einem Strang vereinigt, dessen Stirnfläche einer Detektormatrix mit einer Vielzahl von Detektoren gegenübersteht. Durch eine nachgeordnete Auswerte­ schaltung wird in einer Zuordnung der Detektoren zu den einzelnen Licht­ leitern die Richtung der Strahlung erkannt.

Weiterhin sind durch die Anmelderin in der DE-PS 33 23 828 und der DE-PS 35 25 518 Laserwarnsensoren bekanntgeworden, deren Sensorköpfe auf einer kugelförmigen Oberfläche Einzellinsen aufweisen, die zusammen mit den einzelnen Lichtleitfasern sogenannte Facettenaugen mit definiertem Gesichtsfeld bilden. Die Pupillenweite wird hier durch bestimmte Einstel­ lung der Eintrittsfläche des Lichtleiterendes aus der Brennebene der Linse geschaffen.

Bei diesen Ausführungsformen ist der allen Sensoroptiken gemeinsame Koordinatenursprung der Ausrichtung aller optischen Achsen ins Zentrum der sphärischen Montagefläche gelegt. Wie sich nun herausgestellt hat, treten bei den vorbeschriebenen Ausführungsformen bei bestimmten Einsätzen und verschiedenen Gegebenheiten einige Nachteile auf. So ragt beispielsweise der Sensorkopf bei einer sphärischen Montagefläche unweigerlich aus der Oberfläche des tragenden Systems, wie beispielsweise Flugkörper, Panzer, Hubschrauber etc. hervor und beeinflußt dadurch störend sowohl die aero­ dynamischen Eigenschaften des Trägers als auch die Lebensdauer des Gerätes in seiner exponierten Lage. Die Beschädigungsgefahr ist hier doch sehr groß, vor allem beispielsweise bei Panzern die durch bewaldetes Gelände etc. fahren.

Da der Sensorkopf eine nach außen gewölbte optische Empfangsfläche auf­ weist, ist er gegen Streustrahlung und Reflexe relativ wenig geschützt, die zwar außerhalb seines eigentlichen Empfangsbereichs entstehen - beispielsweise an der Außenhaut des Trägers - aber aufgrund ihrer Intensi­ tät zum Teil in eine der Einzelaugen über Mehrfachstreuung gelingt.

Aber noch einen Nachteil weisen die beschriebenen Ausführungsformen auf, die eine sphärische Montagefläche mit Ferulen oder Steckern besitzen, die an der Innenfläche des Sensorkopfes angeordnet sind und in Richtung zum Zentrum weisen. Hier muß der Augenabstand außen relativ groß gehalten werden, damit genügend Platz bei der Montage von innen vorhanden ist, was wiederum ungünstig ist, weil die Forderung besteht, das Gewicht und das Volumen des Sensorkopfes so klein wie irgend möglich zu halten. Ein großer Augenabstand ist aber auch dort ungünstig, wo eine Winkel-Interpolation über die optischen Signale mehrerer "Einzel-Augen" angestrebt wird, denen die Größe der Szintillationszellen, d. h. die Hell/dunkel-Struktur über einem Laserstrahlquerschnitt in der Atmosphäre liegt üblicherweise in der Größenordnung von einigen Millimeter bis Zentimeter. Der Augenabstand sollte aus diesem Grunde höchstens im Bereich von einigen Millimeter sein.

Ein weiterer Nachteil der sphärischen Form des Sensorkopfes ist die Notwendigkeit einer ebenfalls sphärischen Glas-Abdeckhaube zum Schutz der Einzeloptiken. Abgesehen von den zusätzlichen Kosten solcher Hauben sind diese für eine automatische Reinigung ungünstig.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optischen Weitwinkel-Sensorkopf der eingangs genannten Art zu schaffen, der nicht mehr über die Oberfläche des ihn tragenden Systems hinausragt und gegen Reflexe und Streustrahlungen geschützt ist, sowie einen äußeren Augenab­ stand gewährleistet, der im Bereich von einigen Millimeter liegt.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgeführten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbei­ spiele erläutert und in den Figuren der Zeichnung skizziert. Es zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel in einem Querschnitt senkrecht zur Hori­ zontalebene eines kompakten optischen Sensorkopfes mit Weitwin­ kelauffassung und Facettenaugen,

Fig. 2a einen Horizontalschnitt entlang der Linie A-A gemäß Fig. 1, darstellend das Abdeckfenster des Sensorkopfes mit aufgedruckter Blendenstruktur,

Fig. 2b einen Horizontalschnitt entlang der Linie B-B gemäß Fig. 1, darstellend die angeschnittenen Einzeloptiken im Sensor­ kopf-Inneren,

Fig. 2c einen Horizontalschnitt entlang der Linie C-C gemäß Fig. 1, darstellend die angeschnittenen Einzeloptiken, teilweise mit Blick auf die Lichtleitfasern,

Fig. 3 einen Teilschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels eines kompakten optischen Sensorkopfes mit Weitwinkelauffassung und gemeinsamer Linsenoptik für einzelne Lichtleiter,

Fig. 4a einen Querschnitt durch eine Einzeloptik die mit einer Kugellinse versehen ist,

Fig. 4b einen Querschnitt durch eine Einzeloptik mit einem Trichterwel­ lenleiter aus Vollmaterial,

Fig. 4c einen Querschnitt durch eine Einzeloptik mit einem Trichterwel­ lenleiter, der aus einer offenen Hülse gebildet ist.

Die Fig. 1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Sensorkopfes 10, der anstatt einer sphärischen Halterung eine plane Halterung in Form einer Montageplatte 14 für die Einzeloptiken 11 aufweist, wobei die Richtung aller optischen Achsen 11 a beibehalten wird, jedoch der gemeinsame Schnittpunkt aller Achsen 11 a - der Koordinaten-Nullpunkt 11 b - anstatt nach innen, nunmehr nach außen - also vor den Sensorkopf - verlegt ist. Der Sensorkopf 10 ist mit sieben Reihen von Einzeloptiken 11 versehen, die in einem Azimuth-Abstand von 15° angeordnet sind und deren optische Achsen 11 a liegen im gleichen Winkelabstand von 17,3° zueinander. Bei ca. 33% Abnahme des Empfangssignals genügt hier ein Gesichtsfeld von 20°, um einen lückenlosen und gleichmäßigen Empfang über einen Winkelbereich von 90° × 90° zu gewährleisten.

Ist jedoch ein größerer Auffassungsbereich beispielsweise von 180° oder 360° gefordert, so können problemlos, aufgrund der Flexibilität der Lichtleiterverbindungen, mehrere einzelne Sensorköpfe an dem Sensorträger (Panzer, Flugkörper etc.) angebracht werden, die alle von einer zentralen elektronischen Einrichtung erfaßt werden.

Die Einstellung des Gesichtsfeldes und der Pupillenweite jeder Einzeloptik 11 kann mit Hilfe verschiedener "Voroptiken" 11 c-11 e geschehen, wobei diese vor die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser 12 gesetzt werden.

In den Fig. 4a bis 4c sind verschiedene Ausführungsformen skizziert. Das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4a sieht die Verwendung einer sogenannten Kugellinse 11 c vor, die jedem Lichtleitfaserende 12 b mittels einer Kugel­ linsenhalterung 11 f vorgesetzt wird. Durch die lichtsammelnde Wirkung der Kugellinse 11 c wird die Pupillenweite vergrößert. Gleichzeitig verringert sich jedoch das Gesichtsfeld bzw. der Akzeptanzwinkel des Auges, der ursprünglich durch die numerische Apertur der Lichtleitfaser gegeben ist, auf einen Wert, der durch den Abstand des Lichtleitfaserendes 12 b aus der Brennebene der eingesetzten Kugellinse 11 c bestimmt ist. Um nun Strahlan­ teile die über Mehrfachreflexionen in der Kugellinse bzw. durch Streulicht aus Winkelbereichen außerhalb des eigentlichen Gesichtsfeldes zur Licht­ leitfaser 12 gelangen, unterdrücken zu können, ist diese Kugellinse in einer Halterung 11 f gefaßt, die als sogenanntes "Bafflerohr" ausgebildet ist.

Durch die Verlegung des gemeinsamen Koordinatenursprungs bzw. Kooridina­ ten-Nullpunkts 11 b vor die Eintrittspupille und durch das gemeinsame Konvergieren der optischen Achsen 11 a zu diesem Punkt 11 b hin, können die Eintrittsöffnungen sehr nache beieinander liegen und trotzdem reicht hinten der Raum für die Montage der Ferulen in der gemeinsamen Halterungsplatte bzw. Montageplatte 14. Ein wesentlicher Vorteil ist dadurch gegeben, daß hier das gemeinsame Abdeckfenster 15 plan ausgeführt werden kann.

Bei der in Fig. 4b gezeigten Ausführungsform einer Einzeloptik 11 wird auf das Lichtleitfaserende 12 b ein sogenannter kegelförmiger Trichter-Wellenleiter 11 d aus einem lichtleitenden Vollmaterial aufgesetzt. Der Winkel des Kegels, die Länge und der Durchmesser sind derart gewählt, daß Lichtstrahlen aus einem bestimmten Winkelbereich über Totalreflexion innerhalb des Kegels auf das Lichtleitfaserende 12 geleitet wird. Mit dieser Ausführungsform kann auch die Pupillenweite vergrößert und der Akzeptanzwinkel verkleinert werden.

Bei der dritten - in Fig. 4c gezeigten - Ausführungsform wird als Trich­ ter-Wellenleiter eine innen verspiegelte kegelige Hülle 11 e verwendet. Hier gelangt das Licht spätestens nach einigen Reflexionen auf das Licht­ leitfaserende 12.

Der Vorteil der beiden letztgenannten Ausführungsformen ist einmal, daß Störungen durch Linsenfehler vermieden werden, zweitens darin, daß bessere Immunität gegen Störstrahlung gegeben ist und drittens, daß ein außeror­ dentlich kompakter Aufbau des gesamten Augenfeldes damit erreicht wird. Ein kompakter Aufbau ist - wie eingangs erwähnt eine Voraussetzung für beispielen auch - auf einer Fläche 14 angeordnet, die jedoch zur Korrektur der Bildkrümmung leicht gewölbt ausgeführt sein kann. Durch die entspre­ chende Wahl der Linsenbrennweite, des Durchmessers und der Anordnung der Lichtleitfasern 12 entstehen benachbarte, sich zum Teil überlappende, Gesichtsfelder, die - wie in den anderen Anordnungen auch - einen bestimm­ ten Raumwinkelbereich lückenlos erfassen. Eine besonders einfache Ausfüh­ rungsform ist hier dadurch gegeben, daß eine kugelförmige bzw. zylinder­ förmige Linse 16 verwendet wird, wo dann alle Lichtleitfasern 12 auf einer sphärischen Fläche mit einem mit der Linse gemeinsamen Zentrum unterge­ bracht sind.

Claims (7)

1. Optischer Weitwinkel-Sensorkopf zur richtungsabhängigen Erfassung von optischer Strahlung, der sich aus einer Vielzahl von Einzeloptiken mit sich teilweise überlappenden Gesichtsfeldern zusammensetzt und welche mit dem elektro-optischen Wandler des Sensors mittels Lichtleit­ fasern verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeloptiken (11) so unterhalb der Oberfläche einer Montageplatte (14) angeordnet sind, daß der gemeinsame Schnittpunkt (11 b) aller optischen Achsen (11 a) vor den Lichteintrittsöffnungen dieser Einzeloptiken (11) liegt.

2. Optischer Sensorkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Montageplatte (14) als sphärische oder plane Halterung für die Einzeloptiken (11) ausgebildet ist.

3. Optischer Sensorkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einstellung des Gesichtsfeldes und der Pupillenweite der Einzeloptik (11) vor die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser (12) eine Kugellinse (11 c) in einer Halterung (11 f) angeordnet ist.

4. Optischer Sensorkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einstellung des Gesichtsfeldes und der Pupillenweite der Einzeloptik (11) vor die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser (12) ein kegelförmiger Trichter-Wellenleiter (11 d) aus einem lichtleitenden Vollmaterial angeordnet ist.

5. Optischer Sensorkopf nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß zur Einstellung des Gesichtsfeldes und der Pupillenweite der Einzeloptik (11) vor die Eintrittsfläche der Lichtleitfaser (12) eine innen verspiegelte kegelförmige Hülse (11 e) angeordnet ist.

6. Optischer Sensorkopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß vor die Einzeloptiken (11) ein planes Abdeckfenster (15) mit aufgedruckter Blendenstruktur angeordnet ist.

7. Optischer Sensorkopf nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Lichtleitfaserenden (12 b) eine ihnen gemein­ same Linsenoptik (16) als Voroptik zugeordnet ist, vor der das plane Abdeckfenster (15) angeordnet ist, und sich die optischen Achsen (11 a) der Lichtleitfasern (12) durch die Linsenoptik (16) in einem Schnitt­ punkt (Nullpunkt des Koordinatensystems), der vor der Eintrittsöffnung der Linsenoptik oder in dieser selbst liegt, schneiden.