DE3922017C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische Sensoreinrichtung zur Er­ kennung und richtungsmäßigen Erfassung optischer Strahlung gemäß dem Gattungsbegriff des Anspruchs 1.

Durch die DE 33 23 828 C2 und die DE 35 25 518 A1 sind Sensoren bekannt, bei denen die Richtung der einfallenden Laserstrahlung mit Hilfe einer Laufzeitmessung festgestellt und bestimmt wird. Hierbei wird die Laser­ strahlung in Lichtleitfasern geführt. Hier wird durch eine sehr geringe Anzahl von Detektorelementen und elektronischen Schaltungen ein großer Raumwinkel mit guter Winkelauflösung erfaßt. Diese vorgeschlagene Lösung setzt jedoch Lichtleiter voraus, die in dem gesamten Spektralbereich einer möglichen Laserbedrohung arbeiten können.

Im Bereich von 0,4 µm bis 2 µm, der die häufigsten Laserquellen wie Rubin-Laser, Laser-Dioden, Alexandrit-Laser, Nd:YAG-Laser, Erbium- und Holmium-Laser etc. erfaßt, können Silizium-Oxid-Glas-Fasern verwendet werden. Zur Überbrückung des Bereiches bis 4,5 µm mit beispielsweise Deuterium-Fluorid-Laser (bei 4,2 µm) haben sich Lichtleitfasern aus Fluoriden - beispielsweise Zirkonium Fluorid - als geeignet erwiesen.

Keine der genannten Glas-Lichtleitfasern kann jedoch in den militärisch so bedeutsamen Spektralbereichen von 8 µm bis 14 µm auf Grund der fehlenden Transmission des Materials verwendet werden. Es wurden zwar in den letzten Jahren Lichtleitfasern entwickelt, wie z. B. Fasern als Hohlleiter aus Plastikmaterialien und Metallen, Fasern aus kristallinen Salzen wie NaCl, KCl, polykristalline Fasern aus Cs Br, Tl Ce oder chalcogenide Fasern aus AS, Ge, Se, Te. Gegenüber den Lichtleitfasern für die kürzeren Wellenlängen weisen die vorgenannten Fasern jedoch immer noch erhebliche Nachteile auf, und zwar eine hohe Dämpfung und Empfindlichkeit gegenüber Feuchtigkeit, eine nicht zu unterschätzende Giftigkeit und eine geringe Biegsamkeit. Deshalb ist es bisher nicht möglich, Laser-Warnsensoren zu bauen, die im Spektralbereich von 8 µm bis 14 µm problemlos arbeiten können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu konzipieren, der ohne Fasern oder höchstens mit solchen kurzer Länge arbeitet und eine gute Winkelauflösung mit geringer Anzahl von Detektorelementen auch im weiten IR-Bereich ermöglicht, wobei außerdem auch noch ein kompakter Aufbau, eine hohe optische Empfindlichkeit bei gleichzeitiger Unempfind­ lichkeit gegenüber Hintergrundlicht und Szintillation des Laserstrahls in der Atmosphäre sowie einen großen dynamischen Bereich gewährleistet.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 aufgezeigten Maßnahmen ge­ löst. In den Unteransprüchen sind Weiterbildungen und Ausgestaltungen angegeben und in der nachfolgenden Beschreibung sind Ausführungsbeispie­ le beschrieben und in den Figuren der Zeichnung dargestellt. Es zeigt

Fig. 1 eine Schemaskizze bezüglich der Verbreitung eines auf die Sensorscheibe einfallenden zentralen Lichtstrahls zum Rand der Sensorschale,

Fig. 2 ein Schemabild in einem Querschnitt einer Eingangsoptik des Laserwarnsensors in einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 3 ein Schemabild in einem Querschnitt einer Eingangsoptik des Laserwarnsensors in einem weiteren Ausführungsbeispiel,

Fig. 4 ein Schemabild in einem Querschnitt einer Eingangsoptik des Laserwarnsensors in einem dritten Ausführungsbeispiel,

Fig. 5 drei Schemabilder über Ausführungsformen der Einrichtungen zur Leitung des Meßsignals der Randstrahlung auf den Detektor,

Fig. 6 ein Diagramm bezüglich der Lichtintensität eines Doppelschalen­ sensors nach der Erfindung,

Fig. 7 ein Diagramm bezüglich des Verhältnisses der optischen Signale an dem Doppelschalensensor gemäß Fig. 6,

Fig. 8 ein Diagramm bezüglich des Signalverhältnisses "V" der Intensitäten an dem Doppelschalensensor gemäß Fig. 6.

Wegen des zunehmenden Einsatzes von Laserstrahlung zur Vermessung, Mar­ kierung und Lenkung für Feuerleitsysteme im Gefechtsfeld usw., wächst der Bedarf an Laser-Warnsensoren ständig, um eine Laserstrahlung aus dem natürlichen Hintergrund zu identifizieren und die Position der Strahlen­ quelle im Gelände oder in der Luft bestimmen zu können. Da bereits heute Laserquellen vom sichtbaren Licht bis in den mittleren IR-Bereich der thermischen Strahlung für solche Anwendungen eingesetzt werden, müssen auch Warnsensoren für diese Spektralbereiche einsetzbar sein.

Nun ist eingangs schon ausgeführt worden, daß bisher weder Glaslicht­ leitfasern aus Silizium-Oxid noch solche aus Zirkonium-Fluorid in dem militärisch besonders bedeutsamen Spektralbereich von 8 µm bis 14 µm verwendet werden können. In diesem Bereich aber liegt mit λ = 10,6 µm die Wellenlänge des CO₂-Lasers, der als Entfernungsmesser, Ziel­ markierer und Leitstrahlquelle zunehmend an Bedeutung gewinnt. Hier greift die Erfindung mit einem überraschend einfachen Konzept für einen optischen Sensorkopf ein, der auf dem Prinzip des Amplitudenvergleichs optischer Signale beruht.

Hierbei wird nun davon ausgegangen, daß, wenn eine gerichtete Strahlung auf eine transparente Platte eines Dielektrikums - z. B. Glas - fällt, ein Teil der durchgehenden Strahlung auf Grund des Brechungs­ index-Unterschiedes von Luft und Dielektrikum an der zweiten Oberfläche in das Dielektrikum zurückreflektiert wird, d. h. die Strahlung S geht zum Teil durch die erste Oberfläche hindurch, aber zum anderen Teil wird sie zurück in das Dielektrikum zurückreflektiert, wo sich der Vorgang mehre­ re Male wiederholt. Der prozentuale Anteil der Lichtstrahlungsleistung, der an solchen Oberflächen zurückreflektiert wird, ist beim senkrechten Einfall auf die Platte nach der Fresnel-Formel:

I_r/I_o = (n-1)²/(n+1)².

Hierbei ist n das Verhältnis des Brechungsindexes des Dielektrikums und der Luft. Bei normalem Fensterglas mit n = 1,5 beträgt dieser Anteil etwa 4%, an hochbrechenden Gläsern im Infrarotbereich wie Germanium mit n=4 etwa 36%. Bei nicht senkrechtem Einfall eines Lichtbündels auf eine plane Platte wächst der reflektierte Anteil mit dem Einfallswinkel und das Licht, das in der Platte eingeschlossen ist, wandert durch die mehrfache Reflexion zu dem Rand der Platte. Dieser Effekt wird nun - wie die nachfolgenden Ausführungsbeispiele zeigen - dazu verwendet, die Ein­ fallsrichtung der Strahlung zu bestimmen, wenn anstatt einer planen Platte aus einem Dielektrikum ein Kugelschalenabschnitt verwendet wird. Hierzu werden drei verschiedene Ausführungsformen vorgeschlagen.

Die erste - in Fig. 2 skizzierte - Ausführungsform wird aus einem Kugel­ schalenabschnitt 11 aus dielektrischem Material gebildet. Die einfallen­ de Strahlung S trifft auf diesen Kugelschalenabschnitt 11 aus dielektri­ schem Material, dessen äußere 11′ und innere Oberfläche 11′′ die Radien r₁ und r₂ aufweisen. Die Kugelschalenabschnitte haben - bezogen auf den Kugelmittelpunkt M - einen Öffnungswinkel von π/2.

Die innere Oberfläche 13 wird vorzugsweise hochverspiegelt, so daß die auftreffende Strahlung S vollständig reflektiert wird. Der durch die äußere Oberfläche hindurchtretende Anteil der Strahlung wird mehrmals zwischen den beiden Oberflächen 11′ und 11′′ hin- und herreflektiert und läuft dabei, falls der Strahl schräg auf die Oberfläche trifft, von der Auftreffstelle weg. Bei zweidimensionaler Betrachtung läuft - wie aus Fig. 1 zu entnehmen ist - der rechts von dem Strahl durch den Kugelab­ schnitts-Mittelpunkt M auftreffende Anteil des Strahlenbündels S nach rechts, der links davon auftreffende Anteil nach links. In Abhängigkeit vom Einfallswinkel ϕ des gesamten Strahlenbündels kommen daher am rechten und am linken Ende des Kugelschalenabschnitts unterschiedliche Signale an, die entweder direkt auf einen Detektor 16 gegeben werden oder in die mit dem Detektor 16 verbundenen Lichtleiter 15 eingehen, ihm zugeführt werden und zu einer Bestimmung des Einfallwinkels benutzt werden.

Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 sieht vor, daß sich zwischen der hochverspiegelten Fläche 13 mit dem Radius r₂ und dem Dielektrikum (dem transparenten Kugelschalenabschnitt 11) ein Luft- oder Vakuumspalt 12 mit der Dicke r₁-r₂ befindet. Erst über der Fläche mit dem Radius r₁ schließt sich das Dielektrikum 11 mit der Dicke r₃-r₁ an. Das Dielektrikum ist vorzugsweise nach außen hin vollständig entspiegelt, so daß ankommende Strahlen von außen praktisch ohne Reflexionsverluste in diese eindringen können. Zur transversalen Umleitung der einfallenden Strahlung wird bei dieser Version nicht das Dielektrikum, sondern der Luft- bzw. Vakuumspalt 12 benutzt.

Hier wird ein ankommender Strahl beim Eintreten in das Dielektrikum 11 zur Flächennormalen hin und beim Verlassen des Dielektrikums von der Flächennormalen weggebrochen. Ist die Dicke des Dielektrikums 11 - wie in Fig. 3 gezeigt - klein, so unterscheiden sich die Richtungen der Flächennormalen im Eintritts- und Austrittspunkt nur wenig. Die resul­ tierende Richtungsänderung des Strahls S ist daher vernachlässigbar, so daß angenommen werden kann, daß dieser das Dielektrikum praktisch mit nur einer Parallelversetzung durchdringt.

Im dritten Fall wird eine Ausführungsform mit einem dicken dielektri­ schen transparenten Kugelschalenabschnitt 11 vorgeschlagen und in Fig. 4 skizziert. Hier tritt nach dem Durchgang des Strahles S durch den Kugelschalenabschnitt 11 eine deutliche Richtungsänderung auf mit einer größeren Schräge zur Flächennormalen. Der Strahl gelangt damit nach deutlich geringerer Anzahl von Reflexionen an der totalreflektierenden Spiegelfläche 13 zum Rand des Luft- bzw. Vakuumspaltes 12.

Es dürfte selbstverständlich sein, daß der dreidimensionale Fall, der in den Fig. 2 bis 4 nicht dargestellt ist, sich durch Rotation des Kugelschalenabschnitts 11 um die Strahlachse zum Zentrum der Kugelschale ergibt, d. h. die Strahlen laufen - von oben auf die Schale gesehen - radial aus dem Durchstoßpunkt M auf die Schalenoberfläche zu den Rändern hin, wie dies in Fig. 1 skizziert ist.

Zur Auffassung eines Winkelbereichs von 90° ist ein Ausschnitt des Kugelschalenabschnitts 11 von 90° erforderlich. Bei der Weiterleitung der optischen Strahlung zu den opto-elektronischen Detektoren muß die Flächen- und Winkelverteilung der Strahlung berücksichtigt werden. Die Strahlen verteilen sich über die Randfläche weitgehend homogen. Die Aus­ trittswinkel am Rande R sind aber begrenzt auf einen festen Winkelbe­ reich um die Normale zu dem Kugelschalenabschnitt 11, entweder nach außen oder nach innen, abhängig davon ob die letzte Reflexion an der inneren 11′′ oder äußeren Schale 11′ erfolgt.

In dem erstgenannten Ausführungsbeispiel (Fig. 2) ist der Grenzwinkel β_n für 90°-Winkelauffassung, also mit Einfallswinkeln von α_m=±45°.

sin β_m = sin α_m/n

Hierbei ist "n" der Brechungsindex des Kugelschalenmaterials, z. B. bei

n=1,45 (Quarzglas) ist β_m=29,2°

und bei

n=4 (Germanium) ist β_m=10,2°

Damit Strahlen am Rande R, die nach außen gerichtet sind, auf den Detek­ tor 16 gelangen, ist ein innen reflektierender Ring 14 an diesem Rand R vorgesehen, der diese Strahlen in Richtung zum Detektor 16 umlenkt.

Im zweiten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist der Grenzwinkel ungefähr α_m = 45°, und im dritten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 4 ist er größer als 45°. In diesen beiden Fällen ist eine Strahlumlenkung auch dadurch vorteilhaft, daß nämlich dem Detektor 16 möglichst viel von dem Nutzlicht geboten wird. Da das gesamte Licht, das aus der Randzone R nach Umlenkung herausgeht, in einem relativ engen Winkelbereich verteilt ist - in der zweidimensionalen Querschnittsebene gesehen - ist es vor­ teilhaft, das Strahlenbündel Si mit einer Linse 17′ oder einer anderen Art von Lichtkonzentratoren 17 - beispielsweise Kegelspiegel usw. - auf den Detektor zu konzentrieren.

Die Größe der Nutzfläche an dem Spiegelrand beträgt nach solcher Abbil­ dung bei optimaler Anpassung an die Fläche und Akzeptanzwinkel des Detektors 16:

A_N = A_D Ω_D/Ω_N.

Hierbei ist A_D die Fläche des Detektors, Ω_D der räumliche Akzep­ tanzwinkel des Detektors und Ω_N der Abstrahlwinkel der Randzone R. Die Fig. 5 zeigt drei Ausführungsbeispiele für die Abbildung des Strah­ lenbündels auf einen Detektor 16 bzw. die Eintrittsflächen eines Licht­ leiterbündels 15, das mit einem Detektor 16, der in einer gewissen Ent­ fernung von dem Kugelschalenabschnitt 11 plaziert ist, verbunden ist.

Zur Verwendung der dielektrischen Kugelschalenabschnitte 10 als Ein­ gangsoptik eines Sensors mit einer ausreichend hohen Strahlungsempfind­ lichkeit und einer guten Winkelauflösung sind folgende Voraussetzungen notwendig: Einmal ist eine ausreichende Bestrahlungsstärke am Rande R der Schale zur Detektion der einfallenden Laserstrahlung S erforderlich. Weiterhin muß das Strahlungsverhältnis an den Detektoren so sein, daß eine eindeutige Bestimmung des Einfallswinkels gegeben ist. Außerdem muß die Unempfindlichkeit der Detektion gegenüber der Szintillation des Laserstrahles durch atmosphärische Turbulenzen und gegenüber eventueller Polarisierung der Laserstrahlung gewährleistet sein.

Eine ausführliche Berechnung der Intensitätsverteilung am Rande der Kugelschalenabschnitte bei verschiedenen Radien, Schalendichten, Bre­ chungsindizes und verschiedenen Ausführungsformen der Schalen zeigt, daß mit Kugelradien im Bereich von 2 bis 3 cm, bei einem Einfallswinkel von ϕ= 45°, eine Intensität (Bestrahlungsstärke) in gleicher Größenord­ nung wie die auf die Kugelschalen einfallende Lichtintensität gegeben ist.

Bei kleinerem bzw. größerem ϕ wächst das Signal auf der einen und fällt auf der anderen Seite des Randes R herunter. Dies bedeutet, daß mit relativ kleinen Schalen oder mit einem Durchmesser von 2-3 cm, Intensitätsverhältnisse am Detektor über die Strahlungsumsetzung in der Schale zu erwarten sind, wie sie bei einer direkten Bestrahlung des Detektors ohne Voroptik auftreten.

Der Vorteil der Schale besteht nun darin, daß das Intensitätsverhältnis links und rechts am Rande eine monoton ansteigende Funktion des Ein­ fallswinkels darstellt und daß auf Grund der begrenzten Winkelverteilung der Strahlung am Rande der Schale des Signals zusätzlich durch Vergröße­ rung des Schalenradius erheblich verstärkt werden.

Ein Beispiel für die Parameter einer typischen Ausführung eines Kugel­ schalensensors für langwelliges Infrarot-Licht mit Germanium als Kugel­ schalenmaterial zeigt die Fig. 6. Hier sind aufgetragen: die Intensität der Laserstrahlung am Rande I_r normiert mit der einfallenden Lichtin­ tensität I_o als Funktion des Einfallwinkels ϕ von 0° bis 90° - wie in den Fig. 3 und 4 bezeichnet - für die Ausführung einer Doppelschale mit einem Vakuumspalt.

Wie die Kurven zeigen, unterscheiden sich die Signale für die zwei auf­ einander senkrechten Polarisationsrichtungen I_rII und I_rI in diesem Falle unwesentlich, so erreichen beide ein Maximum bei etwa 1.2. Das Verhältnis beider Signale am linken und rechten Rand Q wächst monoton mit dem Einfallswinkel von 0° bis 80° um einen Faktor 0 bis 4. Damit der störende asymtomatische Zuwachs des Signals bei 90° eliminiert wird, ist es sinnvoller als Meßwert das Verhältnis

V = I_r-I₁/I_r+I₁

zu nehmen. V als Funktion des Einfallswinkels ϕ : V = V (ϕ) zeigt die Fig. 7. Außer der positiven Tatsache, daß der Funktionsverlauf fast symmetrisch um 45° verläuft, ist der Unterschied der Signalverhältnisse der beiden Polarisationsrichtungen um die Einfallsebene der Strahlung auf die Schale nicht mehr zu unterscheiden. Es versteht sich, daß das Verhältnis V nicht linear mit dem Winkel verläuft. Da der Funktionsver­ lauf jedoch nur durch die geometrischen und optischen Parameter der Schale nicht mehr zu unterscheiden. Es versteht sich, daß das Verhältnis V nicht linear mit dem Winkel verläuft. Da der Funktionsverlauf jedoch nur durch die geometrischen und optischen Parameter der Schale bestimmt wird, kann dieser Verlauf, der rechnerisch oder durch Messungen ermittelt wird, bei der Signalverarbeitung berücksichtigt wer­ den und der Einfallswinkel aus jedem Signalverhältnis V eindeutig be­ stimmt werden.

Die Messung der Signalamplitude an den Detektoren am Rande des Schalen­ sensors kann mit verschiedenen bekannten elektronischen Meßverfahren bestimmt werden, z. B. durch "Amplitudenspitzen-Detektion" (Amplitude Peak Detection), oder "Abtast- und Halte-Detektion" (Sample and Hold Detec­ tion). Die weitere Signalverarbeitung geschieht - wie heute allgemein üblich - mit Mikroprozessor-Technik.

Claims (10)

1. Optische Sensoreinrichtung zur Erkennung und richtungsmäßigen Er­ fassung optischer Strahlungen mit Hilfe einer Laufzeitmessung und der Signalermittlung durch Amplitudenvergleich, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsoptik der Sensoreinrichtung (10) als dielektrischer, transparenter Kugelschalenabschnitt (11) ausgebildet ist, dessen Schalenflächen (11′, 11′′) die einfallende Strahlung (S) durch Reflexion zum Rand (R) des Kugelschalenabschnitts (11) und dort unmittelbar über einen Spiegelring (14) oder mit Hilfe einer Strahlungsleitung über Lichtwellenleiter (15) mehreren elektro-optischen Detektoren (16) zu­ führt und aus dem Verhältnis der Signale dieser Detektoren (16) die Ein­ fallsrichtung im Raume bestimmt wird.

2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kugelschalenabschnitt (11) oder dessen Querschnittskombination aus einer dünnen Schalenfläche (11′), Luftraum oder Vakuumspalt (12) und to­ talreflektierender Spiegelfläche (13) besteht.

3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen integriert sind, die aus dem Strahlungsverlauf der Detektoren (16) Kenngrößen der Strahlung (S) wie Wellenlänge, Strah­ lungsdauer und Wiederholfrequenz ermitteln.

4. Sensoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die innere Schalenfläche (11′′) als metallischer Spiegel (13) ausgebildet ist und daß direkt am Rande (R) des Kugelschalenab­ schnitts (11) das optische Signal (Si), das zwischen den beiden Schalen­ flächen (11′, 11′′) reflektiert wird, dem Detektor (16) eingegeben wird.

5. Sensoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der dielektrische, transparente Kugelschalenabschnitt (11) eine solche Stärke aufweist, daß die Strahlung (S) die erste Scha­ lenfläche (11′) und zweite Schalenfläche (11′′) mit einem vorbestimmten Strahlversatz durchdringt und nach Durchqueren eines Luft- oder Vakuum­ spaltes (12) von einer metallischen, kugelförmigen Spiegelfläche (13) auf die zweite Schalenfläche (11′′) zurückreflektiert wird und der zwi­ schen diesen beiden Flächen hin- und herreflektierte Anteil der einfal­ lenden Strahlung (S) den Detektoren (16) zugeleitet wird.

6. Sensoreinrichtung nach 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe Oberfläche des Kugelschalenabschnitts (11) oder die konkave innere Oberfläche des Kugelschalenabschnitts (11) als Eintrittsfläche des Sensors (16) verwendet wird.

7. Sensoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das optische Signal (Si) der Strahlung (S) am Rande (R) zwischen den beiden reflektierenden Grenzflächen direkt dem elektro-op­ tischen Detektor (16) zugeführt wird.

8. Sensoreinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal (Si) der Strahlung (S) am Rande (R) zwischen den beiden reflektierenden Grenzflächen einem oder mehreren Lichtwellenleiter (15) eingegeben wird, welche mit dem Detektor (16) verbunden sind.

9. Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Signal (Si) der Strahlung (S) am Rande (R) des Luft- oder Vakuumspaltes (12) zwischen den reflektie­ renden Flächen (13, 11′′) Hilfseinrichtungen (17, 17′) - wie Strahlumlen­ ker, Lichtkonzentrationslinsen - zur besseren Bündelung zugeleitet wird.

10. Sensoreinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische, transparente Kugel­ schalenabschnitt (11) um die Strahlachse zum Zentrum der Kugelschale mittels eines Antriebs in Rotation versetzt wird.