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HINTERGRUND
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Die
gegenwärtige
Erfindung betrifft allgemein elektro-optische Sensorsysteme, und
genauer gesagt konzentrische elektrooptische Sensorsysteme mit ultraweitem
Sichtfeld.
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Die
in jüngster
Zeit verwendeten Sensorarchitekturen verwenden ein optisches System
mit Vielfachsichtfeld mit einem Brennebenen-Array, das an einer
Bildebene vorgesehen ist, um Strahlung von einer Bildszene zu erhalten.
Ein Teleskop mit hoher Auflösung
und engem Sichtfeld führt
Funktionen der Verfolgung und Identifizierung aus. Im Such- und
Erfassungsmodus wird ein Zusatz mit breitem Sichtfeld in das enge
Sichtfeld des Teleskops eingebracht, um die Sichtfeldabdeckung zu
vergrößern. Der
Sensor ist auf einem kardanischen System befestigt, um das gesamte
gewünschtes
Sichtfeld abzudecken. Unglücklicherweise
sind solche Systeme relativ ausladend und komplex infolge der darin
verwendeten Bewegungsmechanismen, die ferner allgemein sehr enge
Toleranzgrenzen haben und eine potentielle Fehlerquelle sind.
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Das
US-Patent Nr. 4 184 749 offenbart ein sphärisches Linsenelement und ein
konzentrisches Linsenelement, die in dieser Reihenfolge Licht von
einem breiten Sichtfeld erhalten und alle Strahlen aufweiten, so
dass die Winkel aller Strahlen nach dem Verlassen des konzentrischen
Elementes annähernd in
radialen Linien verlaufen. Dieses Licht wird dann durch ein konzentrisches
schmales Bandpassfilter gefiltert, um das unerwünschte Hintergrundlicht abzuschwächen, und
wird von einem geeigneten Lichtsammler und Detektor gesammelt.
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Demnach
ist es eine Aufgabe der gegenwärtigen
Erfindung, konzentrische elektro-optische Sensorsysteme für ultraweite
Sichtfelder anzugeben, die gegenüber
herkömmlichen
Systemen verbessert sind.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
mit den herkömmlichen
Systemen zusammenhängenden
Nachteile können
durch eine optische Vorrichtung überwunden
werden, die gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung konstruiert ist und die ein sehr kompakter konzentrischer
optischer Sensor mit hoher numerischer Apertur, hoher Auflösung und
ultraweitem Sichtfeld (FOV) ist. Die gegenwärtige Erfindung stellt eine
optische Vorrichtung mit ultraweitem Sichtfeld bereit, die folgendes aufweist:
Einen konzentrischen Sensor mit: einer konzentrischen Linse, die
eine zentrale Kugellinse und eine rückwärtige Mantellinse aufweist;
und gekennzeichnet durch: ein Brennebenen-Array, das um einen Teil
der konzentrischen Linse konzentrisch angeordnet ist, wobei die
konzentrische Linse ferner eine vordere Mantellinse aufweist.
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Die
konzentrische Linse kann einen Blendenstopp an ihrer Mitte aufweisen,
sowie ein gekrümmtes
Brennebenen-Array, das konzentrisch um einen Teil der konzentrischen
Linse herum zentriert um die Mitte des Blendenstopps angeordnet
ist.
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Die
gegenwärtige
Erfindung kann ferner auch ein konzentrisches refraktives Linsensystem angeben,
das eine konzentrische Luftlinse besitzt, die als eine Kältebarriere
dient. Die auf die konzentrische Luftlinse folgenden Elemente können innerhalb eines
Dewar-Gefäßes eingeschlossen
sein, das das Brennebenen-Array
enthält.
Die gegenwärtige
Erfindung kann ferner auch einen Bildverstärker angeben, der eine konzentrische
Linse als eine Objektivlinse verwendet, um eine niedrige F-Zahl
und eine breite Sichtfeldabdeckung zu erreichen.
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Die
konzentrische Linse sorgt für
eine sehr hohe Bildqualität
für F-Zahlen
schneller als 1,0 und eine Sichtfeldabdeckung von bis zu 180°. Die Gesamtgröße des Sensors
ist ungefähr
das Zweifache seiner wirksamen Brennweite (EFL). Im Vergleich zu einer
Fischaugen-Linse, die ein Sichtfeld von 120° bereitstellt, ist die Gesamtgröße der Fischaugen-Linse
wenigstens 6 mal so groß wie
ihre wirksame Brennweite. Das Gesamtvolumen der Fischaugen-Linse beträgt wenigstens
das Zwanzigfache der vergleichbaren, konzentrischen Linse, die in
dem gegenwärtigen
Sensor verwendet wird. Ferner ist die F-Zahl einer Fischaugen-Linse
wenigstens zweimal langsamer als diejenige der konzentrischen Linse, die
in dem gegenwärtigen
Sensor verwendet wird.
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Das
Brennebenen-Array kann in Bezug auf die Mitte der konzentrischen
Linse gekrümmt
und konzentrisch sein. Das Brennebenen-Array kann coplanar mit Detektorelementen
sein, die entlang eines Rings verteilt sind, der um die optische
Achse des Sensors zentriert ist. Das Brennebenen-Array kann Mehrfachstreifen
aufweisen, die in Bezug auf die Mitte der konzentrischen Linse konzentrisch
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 im Zusammenhang
mit der zugehörigen
Bezeichnung besser verständlich,
in der gleiche Bezugsziffern gleiche strukturelle Elemente bezeichnen
und in der:
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1 eine
Querschnittsansicht eines beispielhaften sehr kompakten konzentrischen
optischen Sensors mit hoher numerischer Apertur, hoher Auflösung und
ultraweitem Sichtfeld gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung ist;
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2 ein
Brennebenen-Array mit variabler Dichte zeigt, das mit dem gegenwärtigen Sensor
verwendet werden kann;
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3 eine
geschnittene Seitenansicht eines beispielhaften Sensors ist, der
einen Bildverstärker umfasst
und
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4 eine
integrierte konzentrische Linsenabbildungs- und Detektoranordnung unter Verwendung
des gegenwärtigen
Sensors zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG
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Unter
Bezugnahme auf die Figuren der Zeichnung zeigt 1 eine
seitlichen Querschnitt eines beispielhaften, sehr kompakten konzentrischen optischen
Sensors 10 mit hoher numerischer Apertur, hoher Auflösung und
ultraweitem Sichtfeld gemäß den Prinzipien
der gegenwärtigen
Erfindung. Der konzentrische optische Sensor mit ultraweitem Sichtfeld
weist zwei Hauptele mente auf. Diese sind eine konzentrische Linse 20 mit
einem mittig angeordneten Blendenstopp 11, sowie ein Brennebenen-Array 12,
das um einen Teil der konzentrischen Linse 20 konzentrisch
angeordnet ist. Das Brennebenen-Array 12 ist vorzugsweise
gekrümmt
und kann eine variable Pixeldichte (oder Detektorelementdichte)
haben.
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Die
konzentrische Linse 20 weist eine vordere Mantellinse 13,
eine mittige Kugellinse 14 und eine rückwärtige Mantellinse 15 auf.
Die Dicken der vorderen und rückwärtigen Mantellinsen 13, 15 können von Anwendung
zu Anwendung variieren. Es gibt einen Luftspalt zwischen der mittigen
Kugellinse 14 und der vorderen und rückwärtigen Mantellinse 13, 15.
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Unter
Verwendung eines Brennebenen-Arrays 12 mit variabler Pixeldichte
kann die konzentrische Linse 20 gleichzeitig Funktionen
der Erfassung und Verfolgung ausführen. 2 zeigt
ein Brennebenen-Array 12 mit variabler Pixeldichte, bei
dem die Pixeldichte eines zentralen Bereiches 12a des Brennebenen-Arrays 12 zur
Verfolgung oder Identifizierung sehr hoch ist, sowie einen äußeren Bereich 12b des
Brennebenen-Arrays 12 mit niedriger Dichte, der eine Erfassung
oder Suche ermöglicht.
Jedoch versteht es sich, dass die gegenwärtige Erfindung nicht auf Detektor-Arrays
mit multipler Dichte begrenzt ist. Mit dem Sensor 10 kann
ein Detektor-Array 12 mit einer einzigen oder gleichförmigen Dichte
verwendet werden.
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In
Verbindung mit einer sehr hohen Dichte des Brennebenen-Arrays 12 kann
der Sensor 10 Identifizierungsfunktionen ausführen. Indem
ein Ausleseschema für
das Brennebenen-Array 12 angegeben wird, das eine hohe
Auflösungsfähigkeit
für den zentralen Bereich
des Sichtfeldes und eine niedrigere Auflösung in dem äußeren Bereich
des Sichtfeldes aufweist, kann der Sensor 10 sowohl Funktionen
der Zielerfassung als auch der Identifizierung ausführen. Die
mit dem Sensor 10 zusammenhängende Fähigkeit der großen numerischen
Apertur ist besonders geeignet sowohl für einen Sensor mit sehr geringer Lichtintensität, wie bei
einem Bildverstärker,
als auch z.B. für
einen nicht gekühlten
Infrarotsensor.
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Da
die konzentrische Linse 20 in der Lage ist, ein sehr weites
Sichtfeld abzudecken und eine niedrige F-Zahl aufweist, kann sie
sowohl Funktionen der Verfolgung als auch der Identifizierung ausführen. Das
Brennebenen-Array 12 mit variabler Dichte reduziert die
Signalverarbeitungslast. Eine Alternative für ein Brennebenen-Array 12 mit
variabler Dichte ist ein Brennebenen-Array 12 mit einer
hohen Dichte, bei dem äußeren Pixel
in einer 4×4-Anordnung
oder z.B. einer 8×8-Anordnung
zusammengeschaltet sind.
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Herkömmliche
Bildverstärker
sind für
Piloten, Fahrer und Soldaten als Nachtsichtausrüstung weit verbreitet. Der
herkömmliche
Bildverstärker
arbeitet bei extrem niedrigen Lichtwerten und hat ein breites Sichtfeld.
Die Objektivlinse eines herkömmlichen
Bildverstärkers
ist ein inverses Teleobjektiv mit einer F-Zahl, die schneller als
1,2 ist. Das Objektiv hat allgemein mehr als acht Linsen und eine
asphärische
Linse oder asphärische
Linsen. Deshalb ist die Größe des Objektivs
eines herkömmlichen
Bildverstärkers
sehr ausladend, schwer und teuer. Da der herkömmliche Bildverstärker hauptsächlich eine
auf einem Helm befestigte Vorrichtung ist, bedeutet die schwere
und ausladende Art eine erhebliche Last für die Benutzer. Die einzigartigen optischen
Eigenschaften (wie etwa weites Sichtfeld und niedrige F-Zahl) der
konzentrischen Linse 20 und des Sensors 10 sind
besonders für
Bildverstärkeranwendungen
geeignet.
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3 zeigt
einen Querschnitt einer beispielhaften Ausführung eines Bildverstärkers 30 unter Verwendung
einer konzentrischen Linse 20 gemäß der gegenwärtigen Erfindung.
Der Bildverstärker 30 weist
eine konzentrische Linse 20 mit einem zentral angeordneten
Blendenstopp 11 und eine Bildverstärkerröhre 22 auf, die optisch
gekoppelt ist, um Licht von der konzentrischen Linse 20 unter
Verwendung eines gekrümmten
faseroptischen Übertragers 21 zu erhalten,
der eine Eingangsfläche 23 besitzt,
die konzentrisch in Bezug auf die Mitte der konzentrischen Linse 20 angeordnet
ist.
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In
dem Bildverstärker 30 wird
das Licht, das von der konzentrischen Linse 20 auf den
gekrümmten
faseroptischen Übertrager 21 abgebildet
wird, der Bildverstärkerröhre 22 zugeführt. Der
gekrümmte
faseroptische Übertrager 21 kann
eine Mehrzahl von Fasern eines faseroptischen Kabels aufweisen,
die das Licht in den Bildverstärker 22 koppeln,
der die Signale für
eine nachfolgende Betrachtung verstärkt.
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Die
einfallende Strahlung wird auf den gekrümmten faseroptischen Übertrager 21 fokussiert, um
die Bildverstärkerröhre 22 zu
beleuchten. Da die konzentrische Linse 20 und der gekrümmte faseroptische Übertrager 21 sphärische Oberflächen haben, ist
der Bildverstärker 30 sehr
einfach herzustellen und zusammenzubauen. Die mit der Verwendung
der konzentrischen Linse 20 zusammenhängende Kompaktheit ist besonders
vorteilhaft, um die Trägheitsmomente
des Bildverstärkers 30 zu
reduzieren.
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Bei
zahlreichen herkömmlichen
Infrarotsensoren hoher Qualität
ist vor einem Detektor-Array eine Kältefalle notwendig, um das
Hintergrundrauschen zu reduzieren. Eine ähnliche Anordnung unter Verwendung
der konzentrischen Linse 20 gemäß der gegenwärtigen Erfindung
ist in 4 gezeigt. Der in 4 gezeigte
Sensor 20 weist eine integrierte konzentrische Linse 20 auf,
die zur Abbildung dient, sowie eine Detektoranordnung, die ein Dewar 19 aufweist,
das ein Brennebenen-Array 12 aufnimmt.
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Die
konzentrische Linse 20 weist eine vordere Mantellinse 13,
eine mittige Kugellinse 14 mit einer Eingangs- und Ausgangslinse 17, 18 auf,
die ein Blendenstopp 11 beidseitig einschließen, sowie
eine rückwärtige Mantellinse 15.
Die vordere Mantellinse 13 ist von der dritten Linse 17 durch
einen Luftspalt getrennt. Die rückwärtige Linse 15 ist
gleichfalls von der Ausgangslinse 18 durch einen Luftspalt
getrennt. Die Ausgangslinse 18, die rückwärtige Mantellinse 15 und
ein Brennebenen-Array 12 sind innerhalb des Dewars 19 angeordnet.
Der gegenwärtige
Sensor 10, der die konzentrische Linse 20 und
das Brennebenen-Array 12 umfasst, kann somit als ein gemeinsames
Abbildungsmodul für
zahlreiche Sensoranwendungen verwendet werden.
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Das
Brennebenen-Array 12 kann eine Anzahl von unterschiedlichen
Strukturen haben. Das Brennebenen-Array 12 kann ein gekrümmtes Brennebenen-Array 12 sein,
das konzentrisch in Bezug auf die Mitte der konzentrischen Linse 20 angeordnet ist.
Das Brennebenen-Array 12 kann auch jede sphärische Anordnung
von Detektorelementen verwenden. Z.B. kann das Brennebenen-Array 12 aus
Mehrfachstreifen bestehen, die konzentrisch in Bezug auf die Mitte
der konzentrischen Linse 20 angeordnet sind. Das Brennebenen-Array 12 hat
einen Krümmungsmittelpunkt
in der Nähe
der Mitte des Blendenstopps 11.
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Die
Sichtfeldabdeckung des konzentrischen scannenden optischen Sensors 10 kann
bis zu 180° betragen.
Nichtsdestoweniger ist das Volumen des Sensors ungefähr zwei
Größenordnungen
geringer als das eines entsprechenden Fischaugen-Linsensystems.
Die Möglichkeit
des großen
Sichtfeldbereiches ist ideal für
zahlreiche Sensoranwendungen mit Zielerfassung.
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Der
Sensor 10 hat eine Gesamtlänge, die ungefähr das zweifache
seiner effektiven Brennweite beträgt. Noch wichtiger ist, dass
die optischen Elemente eine sphärische
Form haben und dass die Bildqualität praktisch über das
gesamte Sichtfeld nur durch Diffraktion begrenzt ist.
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Der
konzentrische optische Sensor 10 hat breite Anwendungen
zur Verwendung in Sensorsystemen, die vom Zessionar der gegenwärtigen Erfindung
hergestellt werden. Die hohe numerische Apertur, das weite Sichtfeld
und die ultra-kompakte Anordnung, die von dem Sensor 10 bereitgestellt
wird, ist besonders für
Array-Anwendungen mit ungekühlter Brennebene
geeignet.
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Vor
diesem Hintergrund liefert die Erfindung ein Multifunktionssensorsystem
unter Verwendung eines refraktiven optischen Elementes (konzentrische
Linse 20) und eines gekrümmten Brennebenen-Arrays 12,
wobei das gekrümmte
Brennebenen-Array 12 konzentrisch um die refraktive konzentrische
Linse 20 angeordnet ist. Die gegenwärtige Erfindung liefert ein
konzentrisches refraktives Linsensystem mit einem Luftspalt, der
als eine Kältefalle dient.
Die optischen Elemente, die der auf die konzentrische Linse 20 folgen,
sind innerhalb eines Dewars 19 eingeschlossen, das das
Brennebenen-Array 12 aufnimmt. Die gegenwärtige Erfindung
liefert auch einen Bildverstärker 30,
der eine konzentrische Linse 20 als eine Objektivlinse
verwendet, um eine niedrige F-Zahl und eine weite Sichtfeldabdeckung zu
erhalten.
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Das
gekrümmte
Brennebenen-Array 12 kann eine variable Pixeldichte haben,
wobei ein äußerer Bereich 12b des
Arrays 12 eine niedrige Pixeldichte hat, um einen Suche
und Identifizierung zu erlauben, sowie einen zentralen Bereich 12a mit
einer hohen Pixeldichte hat, um eine Verfolgung und Identifizierung
zu erlauben. Das Brennebenen-Array 12 kann den äußeren Bereich 12b zusammengeschaltet
in Clustern von 2×2
oder 4×4
haben, um eine Suche und Identifizierung zu erlauben, und kann den
mittigen Bereich 12a ohne Zusammenschaltung aufweisen,
um eine Verfolgung und Identifizierung zu erlauben. Die Pixel des
gekrümmten
Brennebenen-Arrays 12 können über den
größten Teil
des Arrays 12 zur Suche und Identifizierung zusammengeschaltet
sein und bei einem kleinen Bereich des Arrays 12 ohne zusammengeschaltete
Pixel eine Verfolgung und Identifizierung erlauben. Der nicht zusammengeschaltete
Bereich des Brennebenen-Arrays 12 kann in jedem Teil des
Arrays 12 liegen, dessen Ausgang von einer Auslesesoftware
oder auf andere Weise kontrolliert wird.
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Somit
wurden konzentrische elektro-optische Sensorsysteme mit ultra-weitem
Sichtfeld offenbart. Es versteht sich, dass die oben beschriebenen Ausführungen
lediglich beispielhaft für
einige der zahlreichen Ausführungen
der gegenwärtigen
Anwendungen der Prinzipien der gegenwärtigen Erfindung sind. Es ist offensichtlich,
dass die Fachleute zahlreiche und andere Anwendungen entwerfen können, ohne
vom Rahmen der Erfindung abzuweichen.