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HINTERGRUND
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein scannende elektrooptische
Sensorsysteme, und genauer gesagt scannende elektrooptische Sensorsysteme
mit ultraweitem konzentrischem Sichtfeld.
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Die
meisten scannenden elektrooptischen Sensorsysteme mit breitem Sichtfeld
haben entweder eine Fischaugen-Linsenform oder ein konzentrisches
Bouwers-System. Für
ein Fischaugen-Linsensystem
ist die Gesamtlänge
wenigstens das Sechsfache der wirksamen Brennweite (EFL). Folglich
sind die Fischaugen-Linsensysteme
ausladend und schwer. In vielen Fällen sind asphärische Linsen
sowohl zur Korrektur von Abberation und als auch von Verzerrungen
notwendig. Ferner ist die Implementierung eines Scanners in der
Nähe der
Pupillenebene oder ein Blendenstopp ein herausforderndes Problem.
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Obwohl
das Bouwers-System ein konzentrisch ausgestaltetes System ist, ist
die Gesamtlänge das
Doppelte von EFL. Ferner begrenzt häufig die allgemeine zentrale
Verdunkelungscharakteristik, die mit dem Bouwers-System zusammenhängt, die F-Zahl
und die Abdeckung des Sichtfeldes. Deshalb muss ein Scanner in der
Nähe der Öffnung in
Bezug auf die optische Achse dezentriert sein.
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Die
europäische
Patentanmeldung EP-A-576 014 offenbart eine Strahlen-Scan-Vorrichtung,
die eine drehbare Linse aufweist, die eine ebene reflektierende
Oberfläche
besitzt. Diese Linse kann sphärisch
sein, das heißt,
es kann eine halbkugelförmige
Linse sein.
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Demnach
ist es eine Aufgabe der gegenwärtigen
Erfindung, scannende elektrooptische Sensorsysteme mit ultraweitem
konzentrischem Sichtfeld anzugeben, die gegenüber herkömmlichen Fischaugen-Linsensystemen
und Bouwers-artigen Systemen verbessert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Um
das obige und andere Ziele zu erreichen, stellt die gegenwärtige Erfindung
einen sehr kompakten konzentrischen scannenden optischen Sensor mit
hoher numerischer Apertur, hoher Auflösung und ultraweitem Sichtfeld
(FOV) bereit. Die mit den herkömmlichen
Systemen zusammenhängenden
Nachteile können
durch den konzentrischen scannenden optischen Sensor überwunden
werden, der gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung konstruiert ist.
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Der
konzentrische scannende optische Sensor weist eine drehbare Halbkugellinse
mit einer ebenen reflektierenden Rückfläche auf und ist gekennzeichnet
durch: eine äußere Mantellinse,
die in Bezug auf die halbkugelförmige
Linse konzentrisch angeordnet ist, eine lineare innere Mantellinse,
die konzentrisch in Bezug auf die halbkugelförmige Linse angeordnet ist,
und ein lineares Brennebenen-Array, das entlang einer Brennebene
der inneren Mantellinse angeordnet ist.
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Bei
einer Ausführung
der Erfindung wird die halbkugelförmige Linse gedreht, um das
Sichtfeld zu scannen. Die ebene Oberfläche der Halbkugellinse kann
ein reflektierender Schmidt-Korrektor
mit allgemein asphärischer
Form sein. Die ebene Oberfläche der
Halbkugellinse kann ein reflektierender Schmidt-Korrektor mit allgemein beidseitig symmetrischer
aspärischer
Form sein. Der Scan-Mechanismus kann auch eine vollständig sphärische Kugel
mit zahlreichen reflektierenden Oberflächen sein, um ein Scannen mit
Vielfachfacetten zu ermöglichen.
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Das
Brennebenen-Array kann in Bezug auf die Mitte der scannenden Halbkugellinse
gekrümmt und
konzentrisch sein. Das Brennebenen-Array kann koplanar mit Detektorelementen
sein, die entlang eines um die optische Achse des Sensors zentrierten Rings
verteilt sind. Das Brennebenen-Array kann auch Mehrfachstreifen
aufweisen, die konzentrisch in Bezug auf die Mitte der Halbkugellinse
sind.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
zahlreichen Merkmale und Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden unter
Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Zusammenhang
mit der zugehörigen
Zeichnung leichter verständlich,
in der gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen
und in der:
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1 eine
Schnittansicht von oben von einem beispielhaften, sehr kompakten,
scannenden optischen Sensor gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung mit hoher numerischer Apertur, hoher Auflösung und
ultraweitem Sichtfeld zeigt;
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2 eine
Seitenschnittansicht des beispielhaft in 1 gezeigten
Sensors ist und
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3 eine
Schnittansicht von oben eines zweiten beispielhaften scannenden
optischen Sensors gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung ist.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Zeichnungsfiguren zeigt 1 eine Schnittansicht
von oben von einem beispielhaften, sehr kompakten konzentrischen, scannenden
optischen Sensor 10 mit hoher numerischer Apertur, hoher
Auflösung
und ultraweitem Sichtfeld gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen Erfindung. 2 zeigt
einen seitlichen Querschnitt des beispielhaften in 1 gezeigten
Sensors 10.
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Der
Sensor 10 mit ultraweitem Sichtfeld weist eine drehbare
Halbkugellinse 11 mit einer ebenen, reflektierenden (Spiegel-)Fläche 12 auf.
Eine äußere Mantellinse 13 ist
in Bezug auf die Mitte der drehbaren Halbkugellinse 11 konzentrisch
angeordnet. Eine relativ dünne
teilringartige innere Mantellinse 14 ist in Bezug auf die
Mitte der scannenden Halbkugellinse 11 konzentrisch angeordnet.
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Ein
lineares Brennebenen-Array 15 ist konzentrisch mit einer
Brennebene der inneren Mantellinse 14. Das Brennebenen-Array 15 kann
entweder ein gekrümmtes
lineares Array mit einem Krümmungsmittelpunkt
in der Nähe
der Blende sein, oder ein lineares Array, das in einer Ringform
konzentrisch mit einer optischen Achse des Sensors 10 angeordnet
ist. Somit sind die äußere Mantellinse 13,
die innere Mantellinse 14 und das lineare Brennebenen-Array 15 in
Bezug auf die Mitte der drehbaren Halbkugellinse 11 konzentrisch
angeordnet.
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Eine
Drehung der drehbaren Halbkugellinse 11 ist in 1 dargestellt
und dreht um eine Achse durch die Mitte der Kugel in der Ebene der
Zeichnung. In 2 rotiert die drehbare Halbkugellinse 11 um
eine Achse durch die Mitte der Kugel, die in die Zeichnung hinein-
und hinausgeht.
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Während des
Betriebs gelangt einfallende Strahlung, die von einer Bildszene
kommt, durch die äußere Mantellinse 13,
gelangt in die Halbkugellinse 11 und wird von der ebenen
rückwärtigen reflektierenden
Oberfläche 12 der
Halbkugellinse 11 reflektiert. Die von der reflektierenden
Oberfläche 12 der Halbkugellinse 11 reflektierte
Strahlung gelangt durch die innere Mantellinse 14 und wird
auf das Brennebenen-Array 15 fokussiert.
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An
der reflektierenden (Spiegel-)Oberfläche 12 der Halbkugellinse 11 ist
ein Blendenstopp 16 vorgesehen. Da jedes optische Element
in dem Sensor 10 in Bezug auf die Mitte des Blendenstopps 16 konzentrisch
ist, ist die Bildqualität
praktisch für
jeden Feldpunkt identisch. Dieses Symmetrieprinzip macht die konzentrische
Struktur des konzentrischen scannenden optischen Sensors 10 bezüglich des
Aufbaus und der Herstellung sehr einfach.
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Um
die Größe des Brennebenen-Arrays 15 zu
reduzieren, wird ein lineares Detektor-Array 15 in Zusammenhang
mit einer scannenden Halbkugellinse 11 verwendet, um das
zweidimensionale Sichtfeld zu scannen. Der Scannvorgang wird erreicht,
indem die Halbkugellinse 11 gedreht wird, um das Sichtfeld zu
scannen.
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Das
lineare Brennebenen-Array 15 kann eine Anzahl von unterschiedlichen
Strukturen haben. Das lineare Brennebenen-Array 15 kann
ein gekrümmtes
lineares Brennebenen-Array 15 sein, das in Bezug auf den
Blendenstopp 16 (oder die Mitte der Halbkugellinse 11)
konzentrisch angeordnet ist. Das lineare Brennebenen-Array 15 kann
ein ebenes lineares Brennebenen-Array 15 sein, bei dem
die Detektorelemente auf einem Bogen verteilt sind, der konzentrisch
in Bezug auf die optische Achse des Sensors 10 ist oder
damit zentriert ist. Das lineare Brennebenen-Array 15 kann
auch jede sphärische
Anordnung von Detektorelementen des Brennebenen-Arrays 15 verwenden.
Zum Beispiel kann das Brennebenen-Array 15 aus Vielfachstreifen
bestehen, die in Bezug auf die Mitte der Halbkugellinse 11 konzentrisch
angeordnet sind.
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Die
ebene Spiegeloberfläche 12 der
Halbkugellinse 11 kann eine reflektierende Schmidt-Platte oder
einen reflektierenden Schmidt-Korrektor aufweisen, um verbleibende
Abberation zu korrigieren. Die Schmidt-Platte kann eine allgemein
asphärische Form
haben oder eine allgemein zweiseitig symmetrische Form. Dieser zusätzliche
Freiheitsgrad in der sphärischen
Abberation und der schrägen
spährischen
Abberationskorrektur lässt
eine größere Auswahl
an Glasmaterialien sowohl für
die Halbkugellinse 11 als auch für die äußere und innere Mantellinse 13, 14 zu.
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Der
Sensor 10 hat eine Gesamtlänge, die ungefähr gleich
seiner wirksamen Brennweitenlänge ist.
Noch wesentlicher ist, dass die optischen Elemente eine sphärische Form
haben und dass die Bildqualität
praktisch über
das gesamte Sichtfeld durch die Diffraktion begrenzt ist.
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Die
Sichtfeldabdeckung des konzentrischen scannenden optischen Sensors 10 kann
bis zu 180 Grad betragen. Nichtsdestoweniger ist das Volumen des
Sensors 10 wenigstens 20 mal geringer als das einer entsprechenden
Fischaugen-Linse. Die Möglichkeit
eines großen
Sichtfeldes ist ideal für
zahlreiche Sensoranwendungen zur Zielerfassung.
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Der
konzentrisch scannende optische Sensor 10 hat zahlreiche
Anwendungen zur Verwendung in Sensorsystemen, die vom Zessionar
der gegenwärtigen
Erfindung hergestellt werden. Die große numerische Apertur, das
große
Sichtfeld und der ultrakompakte Aufbau des gegenwärtigen Sensors 10 ist besonders
für Sensoranwendungen
in der Raumfahrt und Luftfahrt geeignet.
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In
dem Sensor 10 kann mehr als eine reflektierende Facette
verwendet werden, falls die scannende Kugel sphärisch gemacht wird, um den
Nutzzyklus des Scannens zu verbessern. 3 zeigt
eine Querschnittsansicht eines zweiten beispielhaften scannenden
optischen Sensors 10 gemäß den Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung.
Der in 3 gezeigte Sensor verwendet zwei Halbkugellinsen 11, die
zu einer vollständig
sphärischen
Kugellinse 11a kombiniert sind.
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So
wurden konzentrische scannende elektrooptische Sensorsysteme mit
ultraweitem Sichtfeld offenbart. Es versteht sich, dass die oben
beschriebenen Ausführungen
lediglich beispielhaft für
einige der zahlreichen speziellen Anwendungen sind, die Anwendungen
der Prinzipien der gegenwärtigen
Erfindung darstel len. Es ist offensichtlich, dass zahlreiche und
andere Anwendungen von den Fachleuten ohne weiteres angegeben werden
können,
ohne vom Rahmen der beanspruchten Erfindung abzuweichen.