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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System, und spezieller
ein optisches System mit einer Visiereinrichtung, die dazu verwendet
wird, den Mittelpunkt eines Bildsensors einzurichten.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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In
einer Art von optischen System richtet ein Teleskop das Licht eines
Schauortes auf eine lichtempfindliche Vorrichtung, wie ein Focal
Plane Array (Brennebenenarray) (FPA). Das Licht kann von einer beliebigen
geeigneten Wellenlänge
sein und liegt typischerweise im sichtbaren und/oder Infrarotbereich. Manche
optische Systeme verwenden zwei unterschiedliche Wellenlängenbereiche,
wie den sichtbaren und den Infrarotbereich. Das FPA wandelt das einfallende
Licht in elektrische Signale um, die dann in einem Zielverfolgungsgerät zur Beobachtung
oder zur automatischen Bildanalyse elektronisch verarbeitet werden.
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Um
den Ort des Bildes relativ zur Ebene des FPA zu bestimmen, wird
eine Visiereinrichtung vorgesehen. Die Visiereinrich tung erzeugt
einen homogenen Visier-Lichtstrahl an dem FPA, so dass der Zielverfolgungsgerätabschnitt
des optischen Systems den Mittelpunkt des FPA genau lokalisieren kann.
Das Bild des Schauortes wird dann mit diesem genau lokalisierten
Mittelpunkt in Beziehung gebracht.
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Die
Visiergenauigkeit und damit die Genauigkeit des optischen Systems
wird durch unterschiedliche Faktoren, einschließlich der Homogenität des Visier-Lichtstrahls
und des Temperaturunterschieds zwischen der Visiereinrichtung und
dem Hintergrund bestimmt. Die Visiereinrichtung muss daher den Visier-Lichtstrahl mit hoher
räumlicher
Homogenität
erzeugen. Die Visier-Lichtquelle erzeugt einen Lichtstrahl, der
in gewisser Weise nicht homogen ist. Bei der herkömmlichen
Vorgehensweise wird der Visier-Lichtstrahl durch eine Lochblende
gerichtet, um seine räumliche
Homogenität
zu verbessern. Die Größe der Lochblende
ist häufig
auf wenige Tausendstel eines Zoll (25,4 mm) im Durchmesser begrenzt,
um die gewünschte
räumliche
Homogenität des
Strahls zu erreichen. Folglich besitzt der Strahl, der durch die
Lochblende hindurchtritt, keine genügende Helligkeit und kein genügendes Signal-Rausch-Verhältnis, um
für die
geforderte Visiergenauigkeit zu sorgen.
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Obwohl
eine kohärente
Lichtquelle wie eine Laserdiode verwendet werden kann, um die Helligkeit
zu erhöhen,
wird die Strahlhomogenität
aufgrund von mit einer typischen kohärenten Lichtquelle verknüpften Fleckenbildungen
sehr verschlechtert. Eine Möglichkeit,
einen homogenen Strahl zu erhalten, besteht darin, eine Lochblende
mit einem Durchmesser von etwa der Hälfte der Größe der Airy-Scheibe zu verwenden,
die typischerweise etwa 10 bis 20 Mikrometer für den sichtbaren und nahen
infraro ten Wellenlängenbereich
beträgt.
Die meiste Energie der Lichtquelle geht nicht durch diese kleine
Lochblende hindurch und geht verloren. Darüber hinaus ist es ziemlich
schwierig, eine sehr genaue Lochblende dieser kleinen Größe herzustellen,
die zur Verwendung in der Visiereinrichtung geeignet ist. Die Verwendung
einer nicht exakten Lochblende hat zum Ergebnis, dass der Strahlungsfleck
auf dem FPA nicht homogen, und die Genauigkeit des Zielverfolgungsgeräts verschlechtert
ist. Die kleine Lochblende führt darüber hinaus
zu einem geringen Leistungsvermögen
und einem geringen Signal-Rausch-Verhältnis.
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Es
besteht ein Bedürfnis
an einem verbesserten Ansatz für
die Visiereinrichtung, der es ermöglicht, dass das optische System
sogar für
den Betrieb im sichtbaren und kurzwelligen Infrarotbereich eine hohe
Genauigkeit beibehält.
Die vorliegende Erfindung befriedigt diesen Bedarf und schafft weiterhin damit
verbundene Vorteile. Optische Systeme mit Visiereinrichtungen sind
aus
US 5,054,917 und
US 5,838,014 bekannt.
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ZUSAMMENFASSENDE DARSTELLUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein optisches System bereit, das eine
ausgedehnte Visiereinrichtung umfasst, und das alle in Anspruch
1 angegebenen strukturellen Merkmale aufweist. Die Visiereinrichtung
erzeugt einen Strahl, der räumlich
sehr homogen und kollimiert ist, und zwar sogar für Betriebswellenlängen im
sichtbaren und kurzwelligen Infrarotbereich. Die erfindungsgemäße Visiereinrichtung
erfordert keine Änderung
im Aufbau und Betrieb des Rests des optischen Systems, der für sein Leistungsvermögen optimiert
sein kann.
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Ein
optisches System mit einer ausgedehnten Visiereinrichtung weist
eine Visier-Lichtquelle, die einen Lichtstrahl erzeugt, eine Kondensorlinse,
die den Lichtstrahl von der Visier-Lichtquelle empfängt, einen räumlichen
Lichtintegrierer, der den Lichtstrahl von dem Kondensor empfängt, eine
Verengung, durch die der Lichtstrahl von dem räumlichen Lichtintegrierer ausgehend
gerichtet wird, und einen Kollimator auf, der den Lichtstrahl empfängt, der
durch die Verengung hindurchtritt und einen Visier-Lichtstrahl ausgibt.
Das optische System umfasst üblicherweise
weiterhin einen Bildsensor, der den Visier-Lichtstrahl von dem Kollimator ausgehend
empfängt
und den Visier-Lichtstrahl für
Lokalisierungs- und Ausrichtungszwecke verwendet.
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Die
Visier-Lichtquelle emittiert vorzugsweise Licht im Wellenlängenbereich
von etwa 0,4 bis etwa 12 Mikrometer, und ist vorzugsweise eine Glühlampe.
In manchen Anwendungen kann die Lichtquelle eine Laserdiode sein,
deren Treiberspannung oder -strom moduliert sein kann, um eine zeitliche
Inkohärenz
zu erhalten. Der räumliche
Lichtintegrierer kann ein Lichtleiter wie ein refraktiver Rechteck-Lichtleiter oder
ein hohler reflektierender Rechteck-Lichtleiter sein. Der räumliche
Lichtintegrierer kann stattdessen eine Kombination eines Linsenarrays,
das den Lichtstrahl von der Kondensorlinse empfängt, und einer Fokussierlinse
sein, die den Lichtstrahl von dem Linsenarray empfängt. Die
Verengung kann bspw. eine Leuchtfeldbegrenzung oder eine Lochblende
sein.
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Der
erfindungsgemäße Ansatz
erzeugt einen räumlich
sehr homogenen Visier-Lichtstrahl, auch wenn die Visier-Lichtquelle
gewissermaßen
nicht homogen sein kann. Der Mittelpunkt des Lichtsensors kann daher
bei einer entsprechenden hohen Genauigkeit des Zielverfolgungsgerätes des
optischen Systems sehr genau lokalisiert werden. Der vorliegende Ansatz
hängt nicht
von Beugungseffekten ab, um einen homogenen Visier-Lichtstrahl zu
erhalten, und ist entsprechend leicht in der Praxis umsetzbar und
optisch leistungsfähig.
Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung gehen aus
der folgenden detaillierteren Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels
in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen
hervor, die beispielhaft die Prinzipien der Erfindung veranschaulichen.
Der Umfang der Erfindung ist jedoch nicht auf dieses bevorzugte
Ausführungsbeispiel
beschränkt.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Zeichnung eines optischen Systems mit einem ersten
Ausführungsbeispiel
einer ausgedehnten Visiereinrichtung;
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2 ist
eine schematische Zeichnung eines optischen Systems mit einem zweiten
Ausführungsbeispiel
der ausgedehnten Visiereinrichtung;
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3 ist
eine schematische Zeichnung eines optischen Systems einschließlich des
Bildsensors und einer ausgedehnten Visiereinrichtung für eine interne
Visierkalibrierung; und
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4 ist
eine schematische Zeichnung eines optischen Systems einschließlich des
Bildsensors und einer ausgedehnten Visiereinrichtung für eine externe
Visierkalibrierung.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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1 und 2 stellen
zwei Ausführungsbeispiele
eines erfindungsgemäßen optischen
Systems 20 dar. In beiden Fällen umfasst das optische System 20 eine
Visier-Lichtquelle 22, die einen Lichtstrahl 24 erzeugt.
Die Visier-Lichtquelle 22 kann von beliebiger betriebsfähiger Art
sein, und ist vorzugsweise eine Glühlampe. In manchen Anwendungen kann
die Lichtquelle eine monochromatische Lichtquelle, wie eine Laserdiode,
sein, vorzugsweise mit einem Modulator, um die Treiberspannung oder
den Treiberstrom der Laserdiode zu modulieren, um eine zeitliche
Inkohärenz
zu erhalten und den Lichtstrahl weiter zu verbessern. Die Visier-Lichtquelle 22 emittiert
Licht einer beliebigen betriebsfähigen
Wellenlänge,
vorzugsweise im Wellenlängenbereich
von etwa 0,4 bis etwa 12 Mikrometern, bevorzugter im infraroten
Wellenlängenbereich,
und am bevorzugtesten im kurzwelligen Infrarotbereich von etwa 3
bis etwa 5 Mikrometern oder dem langwelligen Infrarotbereich von etwa
8 bis etwa 12 Mikrometern. „Licht" kann wie vorliegend
verwendet Energie im ultravioletten, sichtbaren oder Infrarotbereich
oder einer beliebigen Kombination dieser Bereiche umfassen.
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Eine
Kondensorlinse 26 empfängt
den Lichtstrahl 24 von der Visier-Lichtquelle 22 und
fokussiert den Lichtstrahl 24 auf einen räumlichen
Lichtintegrierer 28. Der räumliche Lichtintegrierer 28 mischt
die Lichteinzelstrahlen in dem Lichtstrahl 24, um so irgendwelche
Ungleichmäßigkeiten
auszugleichen, die bspw. von dem Bild des Filaments in der Visier-Lichtquelle 22 herrühren. Jeder
beliebige betriebsfähige
räumliche
Lichtintegrierer 28 kann verwendet werden. In dem Ausführungsbeispiel
in 1 weist der räumliche
Lichtintegrierer 28 einen Licht leiter 28a auf.
Der Lichtleiter 28a kann bspw. ein ZnSe (Zinkselenid)-Lichtleiter
sein, und der Lichtleiter kann die Form eines refraktiven Rechteck-Lichtleiters
oder eines hohlen reflektiven Rechteck-Lichtleiters aufweisen. Die
Homogenität
des Lichtstrahls kann durch die Verwendung eines streuenden optischen
Elements, wie einem geschliffenen Glas 28b, in optischer
Reihenanordnung mit dem Lichtleiter 28a weiter verbessert
werden.
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In
dem Ausführungsbeispiel
in 2 ist der räumliche
Lichtintegrierer 28 ein integrierendes Linsensystem 28c.
Das integrierende Linsensystem 28c umfasst ein Linsenarray 30,
das eine Mehrzahl an einzelnen Lisen 31 in einer Seite-an-Seite-Anordnung quer über den
Lichtstrahl 24 hinweg aufweist, die an der Apertur der
Kondensorlinse 26 angeordnet sind. Das Linsenarray 30 empfängt den
Lichtstrahl 24 von der Visier-Lichtquelle 22.
Eine fokussierende Linse 32, die den Lichtstrahl 24 von
dem Linsenarray 30 empfängt,
integriert den Lichtstrahl 24 weiter und fokussiert den
Lichtstrahl 24 zu einem gebündelten Fleck.
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In
beiden Ausführungsbeispielen
verlässt der
Lichtstrahl 24 den räumlichen
Lichtintegrierer 28 und tritt durch eine Verengung 34 hindurch.
Der Lichtstrahl 24 ist an diesem Ort zu einem Fleck fokussiert, und
zwar entweder wegen der Geometrie des Lichtleiters 28a in 1 oder
der bündelnden
fokussierenden Linse 32 in 2. Die Verengung 34 ist
in der Form einer Lochblende oder einer Leuchtfeldbegrenzung von
beliebiger betriebsfähiger
Größe. Die
Verengung 34 gemäß der vorliegenden
Erfindung unterscheidet sich von der Lochblende des Ansatzes gemäß dem Stand
der Technik, die ausreichend klein sein muss, um den Strahl zu beugen.
Hier ist die Verengung hinreichend groß, so dass sie den Lichtstrahl, der
hindurchtritt, nicht wesentlich beugt. Die Verengung 34 weist
typischerweise eine Größe von etwa 200
Mikrometern im Durchmesser auf. Eine solche größer bemessene Verengung ist
viel leichter herzustellen als eine kleinere beugende Lochblende.
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Der
Lichtstrahl 24, der durch die Verengung 34 hindurchtritt,
wird von einer Kollimatorlinse 36 empfangen, die einen
parallelen Visier-Lichtstrahl 38 ausgibt. Der Visier-Lichtstrahl 38 ist
räumlich
homogen, und zwar nicht als Ergebnis von Beugungseffekten, sondern
als Ergebnis der räumlichen
Integrationseffekte des räumlichen
Lichtintegrierers 28. Es ist nicht erforderlich, ein exaktes
Beugungselement, wie eine winzige Lochblende gemäß den Ansätzen gemäß dem Stand der Technik, zu
bilden. Die Verengung 34 ist viel größer als ein Beugungselement
und kann leicht hergestellt werden.
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Die
geforderte Größe des Visierstrahls
wird durch die Wahl der Apertur des Lichtintegrierers 28 und
der effektiven Brennweite der Kollimatorlinse 36 erhalten.
Je kleiner die Apertur des Lichtintegrierers 28, desto
größer ist
die Aufspreizung des aus dem Lichtintegrierer 28 herauskommenden
Lichtstrahls, und umso kürzer
ist die effektive Brennweite der Kollimatorlinse 36.
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Zwei
bevorzugte Anwendungen des optischen Systems 20 sind in 3–4 dargestellt, obwohl
die Verwendung des optischen Systems 20 nicht auf diese
bevorzugten Anwendungen beschränkt
ist. In jedem Fall verwendet ein optisches System 50 das
optische System 20, um die ausgedehnte Visiereinrichtung,
die für
einen Focal Plane Array-Sensor erforderlich ist, in einem opti schen
System bereitzustellen, das sowohl sichtbares als auch Infrarotlicht
verarbeitet. Ein optisches System 50a zur internen Visierkalibrierung,
das in 3 gezeigt ist, empfängt den Infrarot-Visier-Lichtstrahl 38 von dem
optischen System 20 und mischt diesen mit Laserlicht, das
von einer Laserlichtquelle 52 kommt, an einem Strahlvereiniger 54 in
der Form eines dielektrisch beschichteten Strahlteilers. Ein sich
daraus ergebender Visier-Lichtstrahl 56 wird zu einem im
sichtbaren Bereich dichroitischen Strahlteiler 58 übertragen,
wobei der sichtbare Anteil des Visier-Lichtstrahls 56 und
ein viel kleinerer Bruchteil des Laserlichts zu einer im sichtbaren
Bereich arbeitenden Würfelecke 60 und
dann zu einem im sichtbaren Bereich arbeitenden Abbildungssystem 62,
das vorzugsweise ein Linsensystem ist, und einem im sichtbaren Lichtbereich
arbeitenden Focal Plane Array (FPA) 64 reflektiert wird.
Der Großteil
der Laserenergie geht durch den Strahlteiler 58 hindurch
und wird von einem im infraroten Bereich arbeitenden Strahlteiler 66 reflektiert
und weiterhin von einem Teleskop 74 zum Zweck der Zielbestimmung
oder der Entfernungsmessung projiziert. Ein geringerer Anteil des
Infrarotanteils des Visier-Lichtstrahls 56 wird durch den
im sichtbaren Bereich arbeitenden Strahlteiler 58 durch
den im infraroten Bereich arbeitenden Strahlteiler 66 zu
einer im infraroten Bereich arbeitenden Würfelecke 68 durchgelassen,
und dann über
Reflexion von der Rückseite
des im infraroten Bereich arbeitenden Strahlteilers 66 zu
einem im infraroten Bereich arbeitenden Abbildungssystem 70 und
einem im infraroten arbeitenden Focal Plane Array 72 übertragen.
Der von dem Schauort eingehende Lichtstrahl wird durch das herkömmliche
Teleskop 74 und dann zu den zwei Focal Plane Arrays 64 und 72 durch
Reflexion durch die verschiedenen Elemente gerichtet.
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Ein
optisches System 50b für
eine externe Visierkalibrierung, das in 4 gezeigt
ist, empfängt den
Infrarot-Visier-Lichtstrahl 38 von
dem optischen System 20, und mischt diesen mit einem kleinen Bruchteil
des Laserlichts, das von einer Laserlichtquelle 80 kommt,
an einem Strahlvereiniger 82 in der Form einer dielektrischen
Beschichtung mit vielen Schichten, wodurch ein Mischlichtstrahl 84 gebildet wird.
Der Mischlichtstrahl 84 wird durch ein im sichtbaren Lichtbereich
arbeitendes Laserteleskop 86 zu dem Ziel projiziert. Ein
Anteil des Strahls wird durch Faltspiegel 94 und 96 zu
einem Infrarot-Teleskop 88 und dann zu einem im infraroten
Bereich arbeitenden Abbildungssystem 90 und einem Infrarotsensor 92, vorzugsweise
in der Form eines Focal Plane Arrays, reflektiert. Die Faltspiegel 94 und 96 sind
in ihrer Stellung zur Visierkalibrierung dargestellt. Während eines
Einsatzes in einer Mission werden die Faltspiegel 94 und 96 aus
dem Strahlengang herausgeklappt, so dass die Infrarotstrahlung von
dem Schauort durch den Infrarotsensor 92 abgebildet wird
und der Laserstrahl von dem Laserteleskop 86 das Ziel beleuchtet.
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In
jedem der Fälle
der 3–4 sorgt
das optische System 20 für einen genau positionierten
Visier-Lichtstrahl, der in der Lokalisierung des Mittelpunkts des
Focal Plane Arrays verwendet wird.
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Obwohl
ein spezielles Ausführungsbeispiel der
Erfindung zum Zwecke der Veranschaulichung im Detail beschrieben
wurde, können
verschiedene Abwandlungen und Erweiterungen vorgenommen werden,
ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Entsprechend ist die
Erfindung außer
durch die beigefügten
Ansprüche
nicht zu beschränken.