DE60131948T2

DE60131948T2 - Optisches Gerät für Flugkörper

Info

Publication number: DE60131948T2
Application number: DE2001631948
Authority: DE
Inventors: Christian Pepin; Joel Rollin
Original assignee: Thales SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 2000-10-24
Filing date: 2001-10-23
Publication date: 2008-12-04
Anticipated expiration: 2021-10-24
Also published as: EP1203978A1; DE60131948D1; FR2815725A1; EP1203978B1; ES2298207T3; FR2815725B1

Description

Die Erfindung betrifft das Gebiet der optischen Einrichtungen für Flugkörper. Eine optische Einrichtung weist eine optische Untereinheit mit einer Visierlinie auf, zum Beispiel einen Lichtsensor oder einen Lichtemitter. Die optische Untereinheit wird vor der Außenumgebung durch eine Außenhülle geschützt. Die Außenhülle weist eine bewegliche Nachführhaube und mindestens ein in einem gegebenen optischen Spektralbereich transparentes Fenster auf. Das Fenster ist fest mit der Nachführhaube verbunden und ortsfest bezüglich der Nachführhaube. Das Fenster ermöglicht eine optische Kommunikation zwischen der optischen Untereinheit und der Außenumgebung. Die bewegliche Nachführhaube ermöglicht es dem Fenster und der Visierlinie der optische Untereinheit, deren Verschiebung mit derjenigen des Fensters harmonisiert ist, sich in einem großen Winkelbereich des Außenraums zu verschieben, zum Beispiel unter Durchführung einer Abtastung in einem Abschnitt eines Beobachtungsraums während des Flugs des Luftfahrzeugs. Allgemein ist die optische Untereinheit von ihrer Trägerstruktur durch eine vibrationshemmende Aufhängung getrennt, die die mechanischen Beanspruchungen filtert.
Gemäß einem Stand der Technik ist es bekannt, ein ebenes Fenster zu verwenden, da die relativen Restbewegungen zwischen dem Fenster und der optischen Untereinheit weniger störend sind mit einem ebenen Fenster als mit einem nicht-ebenen Fenster, wie zum Beispiel einem sphärischen Fenster.
Unter Betriebsbedingungen ist die optische Einrichtung in ein Luftfahrzeug integriert. Die Visierlinie der optischen Untereinheit muss über einen großen Winkelbereich ausrichtbar sein, insbesondere in dem Fall, in dem die optische Einrichtung im Wesentlichen die Form einer Kugel und die Nachführhaube eine sphärische Form hat. Das von der Nachführhaube getragene ebene Fenster wird dann dazu gebracht, Positionen mit großem Einfallwinkel bezüglich der Bewegungsrichtung des Luftfahrzeugs einzunehmen, in das die optische Einrichtung integriert ist, d. h. dass die Senkrechte außerhalb des Fensters einen großen Winkel mit der Bewegungsrichtung des Luftfahrzeugs bilden kann, insbesondere, wenn die optische Untereinheit und somit auch das Fenster zur Rückseite des Luftfahrzeugs "sehen". Die aerodynamische Strömung in Höhe des Fensters, d. h. die Luftströmungen vor dem Fenster, ist dann stark gestört, sie ist tatsächlich turbulent. Tatsächlich erzeugen die Kanten an der Grenzfläche zwischen der Ebene des Fensters und dem sphärischen Abschnitt der Nachführhaube Turbulenzanfänge, die die aerodynamische Strömung in Höhe des Fenster turbulent machen. Diese turbulente Strömung vor der Eingangspupille der optischen Untereinheit führt zum Beispiel zu Auflösungsverlusten in Höhe der optischen Untereinheit, die störend sind, insbesondere, wenn die optische Untereinheit in einem optischen Spektralbereich mit kurzen Wellenlängen arbeitet, zum Beispiel im sichtbaren oder nahen Infrarot-Bereich.
Die Erfindung beruht auf der Verwendung eines Fensters in der optischen Einrichtung, dessen sphärische Außenfläche eine Formkontinuität mit der Außenfläche der Nachführhaube hat. Diese Formkontinuität ist ausreichend, um die Störungen der aerodynamischen Strömung in Höhe des Fensters nicht wesentlich zu erhöhen. Eine Erhöhung der Störungen wird wesentlich, wenn für die beabsichtigte Anwendung diese Erhöhung der Störungen den Betrieb der optischen Einrichtung gemäß der Erfindung signifikant verschlechtert. Um die Belästigung, die die relativen Restbewegungen zwischen dem Fenster und der optischen Untereinheit bilden, stark zu verringern oder sogar zu beseitigen, wird das Fenster afokal gemacht.
Erfindungsgemäß ist gemäß Anspruch 1 eine optische Einrichtung für Flugkörper vorgesehen, die eine optische Untereinheit aufweist, die durch eine bewegliche Nachführhaube und durch ein fest mit der Nachführhaube verbundenes und bezüglich der Nachführhaube ortsfestes Fenster geschützt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster afokal ist, dass die Außenfläche des Fenster sphärisch ist, dass die Visierlinie der optischen Untereinheit durch das Krümmungszentrum der Außenfläche des Fensters verläuft, und dass die Außenfläche des Fensters mit der Außenfläche der Nachführhaube eine Formkontinuität aufweist.
Erfindungsgemäß ist ebenfalls eine optische Einrichtung für Flugkörper vorgesehen, die eine Trägerstruktur, eine optische Untereinheit, die eine Visierlinie hat und sowohl an der Trägerstruktur aufgehängt als auch mechanisch von der Trägerstruktur durch eine vibrationshemmende Aufhängung isoliert ist, die die mechanischen Beanspruchungen filtert, und eine Außenhülle aufweist, die die optische Untereinheit vor der Außenumgebung schützt, wobei die Außenhülle eine Nachführhaube, die bezüglich der Trägerstruktur beweglich ist, und ein Fenster aufweist, das eine optische Kommunikation in einem gegebenen Spektralbereich zwischen der optische Untereinheit und der Außenumgebung erlaubt, wobei das Fenster von der Nachführhaube umgeben und bezüglich der Nachführhaube ortsfest ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche des Fenster sphärisch ist, dass die Visierlinie der optischen Untereinheit in Abwesenheit von auf die Trägerstruktur ausgeübten mechanischen Beanspruchungen durch das Krümmungszentrum der Außenfläche des Fensters verläuft, dass die Außenfläche des Fensters mit der Außenfläche der Nachführhaube eine Formkontinuität in Höhe ihrer Verbindung aufweist, um die Störungen der aerodynamischen Strömung in Höhe des Fensters unabhängig von der relativen Stellung der Nachführkappe und der Trägerstruktur nicht wesentlich zu erhöhen, und dass das Fenster ein oder mehrere innere Diopter aufweist, die bezüglich der Außenfläche des Fensters ortsfest sind, wobei das oder die inneren Diopter das Fenster afokal machen.
Die Erfindung wird besser verstanden, und weitere Besonderheiten und Vorteile werden mit Hilfe der nachfolgenden Beschreibung und der beiliegenden Zeichnungen ersichtlich, die als Beispiel dienen. Es zeigen:
1 schematisch die Umlenkung von geneigten Lichtstrahlen bei der Durchquerung des Fensters, das zu einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung gehört;
2 schematisch die Schnittansicht einer ersten bevorzugten Ausführungsform einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung;
3 schematisch die Schnittansicht einer zweiten Ausführungsform einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung.
Die Erfindung betrifft eine optische Einrichtung, die dazu bestimmt ist, von einem Flugkörper getragen zu werden. Eine optische Einrichtung, die dazu bestimmt ist, von einem Flugkörper getragen zu werden, ist eine Einrichtung, die dazu bestimmt ist, in ein Luftfahrzeug integriert zu werden. Die optische Einrichtung weist eine optische Untereinheit mit einer Visierlinie auf. Die eine Visierlinie aufweisende optische Untereinheit ist zum Beispiel ein oder mehrere Lichtsensoren oder ein oder mehrere Lichtemitter oder eine Vorrichtung, die sowohl einen oder mehrere Lichtemitter als auch einen oder mehrere Lichtsensoren zusammenfasst.
Die optische Einrichtung weist eine Trägerstruktur auf. Die optische. Untereinheit ist an der Trägerstruktur aufgehängt. Die optische Untereinheit ist gleichzeitig mechanisch von der Trägerstruktur durch eine vibrationshemmende Aufhängung isoliert, die die mechanischen Beanspruchungen filtert. Die mechanischen Beanspruchungen sind zum Beispiel Vibrationen, Stöße, Beschleunigungen. Eine starke Vibrationsumgebung kann Unschärfen erzeugen, zum Beispiel auf der Ebene der vom Lichtsensor gelieferten Bilder, wenn die optische Untereinheit einen Lichtsensor aufweist. Die vibrationshemmende Aufhängung weist zum Beispiel einerseits eine Kreiselstabilisierungsschleife, um die mechanischen Beanspruchungen bei niederer Frequenz zu filtern, und andererseits Elastomerblöcke auf, um die mechanischen Beanspruchungen bei hoher Frequenz zu filtern, wobei die hohe Frequenz vorzugsweise die Frequenzen von mehr als einige zehn Hertz, typischerweise mehr als 30 Hertz enthält.
Die optische Untereinheit wird vor der Außenumgebung durch eine Außenhülle geschützt. Die Außenhülle ist vorzugsweise dicht, was eine trockene Atmosphäre und vorteilhafterweise eine kontrollierte Temperatur garantiert. Die Außenhülle weist eine Nachführhaube, die bezüglich der Trägerstruktur beweglich ist, und ein Fenster auf, das eine optische Kommunikation in einem gegebenen Spektralbereich zwischen der optischen Untereinheit und der Außenumgebung ermöglicht. Der gegebene Spektralbereich ist ein optischer Spektralbereich, der einen oder mehrere Spektralstreifen und/oder ein oder mehrere Spektralbänder in einem Bereich aufweist, der sich vom Ultraviolett bis zum fernen Infrarot erstreckt. Das Fenster wird von der Nachführhaube umrahmt und ist ortsfest bezüglich der Nachführhaube. Die bewegliche Nachführhaube ermöglicht es dem Fenster sowie der Visierlinie der optischen Untereinheit, die vorzugsweise stabilisiert ist und deren Verschiebung mit derjenigen des Fensters harmonisiert ist, sich in einem großen Winkelbereich des Außenraums zu bewegen, zum Beispiel indem sie eine Abtastung in einem Abschnitt eines gegebenen Beobachtungsraums während des Flugs des Luftfahrzeugs durchführt, zum Beispiel in dem Fall, in dem die optische Untereinheit mindestens einen Lichtsensor aufweist. In dem bevorzugten Fall, in dem das Fenster eine Drehsymmetrie aufweist, sind die Visierlinie der optischen Untereinheit und die Drehsymmetrieachse des Fensters harmonisiert, wobei eine von beiden im Allgemeinen auf die andere geregelt ist. Zumindest der Nutzbereich des Fensters, d. h. der Bereich des Fensters, durch den die Nutzlichtinformation geht, die zwischen der optischen Untereinheit und der Außenumgebung zirkuliert, weist allgemein eine Drehsymmetrie auf.
Die Außenfläche du Fenster ist sphärisch, d. h. dass diese Fläche ein Sphärenabschnitt ist. Die Visierlinie der optischen Untereinheit geht durch das Krümmungszentrum der sphärischen Außenfläche des Fensters, wenn die optische Untereinheit in ihrer Gleichgewichtsstellung ist, d. h. in Abwesenheit von mechanischen Beanspruchungen, die auf die Trägerstruktur ausgeübt werden. Beim Flug des Luftfahrzeugs unter Betriebsbedingungen geht die Visierlinie nämlich durch die Nähe dieses Krümmungszentrums, zum Beispiel indem sie um dieses Krümmungszentrum vibriert oder schwingt.
Die Außenfläche des Fensters und die Außenfläche der Nachführhaube haben eine Formkontinuität zwischen sich in Hohe ihrer Verbindung, um die Störungen der aerodynamischen Strömung in Höhe des Fensters nicht wesentlich zu erhöhen, und dies unabhängig von der relativen Position der Nachführhaube und der Trägerstruktur, d. h. unabhängig von der Position, die die Nachführhaube bezüglich der Trägerstruktur bei der Bewegung dieser Nachführhaube einnehmen kann. Die Störungen der aerodynamischen Strömung in Höhe des Fensters, d. h. außerhalb der optischen Einrichtung und in der Nähe des Fensters, tatsächlich vor dem Fenster, sind nämlich sehr störend, da sie sich auf dem Weg der Visierlinie der optischen Untereinheit befinden.
Das Fenster weist ein oder mehrere innere Diopter auf, die bezüglich der Außenfläche des Fensters ortsfest sind. Dieses oder diese inneren Diopter machen das Fenster afokal, d. h. dass ihre Eigenschaften, wie zum Beispiel Werkstoffe und geometrische Abmessungen, so gewählt werden, dass das global, d. h. als optisches Element, das von seiner sphärischen Außenfläche bis zu seiner innersten Fläche geht, betrachtete Fenster afokal ist, d. h. dass jeder auf einer Seite des Fensters kollimierte Lichtstrahl auf der anderen Seite des Fensters nach der Durchquerung des Fensters auch noch kollimiert ist. Mit einem afokalen Fenster sind die relativen Translationsbewegungen zwischen dem Fenster und der optischen Untereinheit nicht mehr störend, während die relativen Drehbewegungen zwischen dem Fenster und der optischen Untereinheit noch zu einer leichten Störumlenkung führen, deren Amplitude von der Vergrößerung abhängt, die das afokale Fenster aufweist.
1 zeigt schematisch die Umlenkung von geneigten Lichtstrahlen bei der Durchquerung des Fensters, das zu einer erfindungsgemäßen optischen Einrichtung gehört. Es sei ein global afokales Fenster H angenommen, das eine Drehsymmetrie um eine Drehsymmetrieachse ar aufweist, die gestrichelt in 1 dargestellt ist. Das Fenster H kann funktionell in eine divergierende Linse DV, die sich auf der Außenseite des Fensters H befindet, da sie die sphärische Außenfläche des Fensters H umfasst, und eine konvergierende Linse CV zerlegt werden, die sich auf der Innenseite des Fensters H befindet. Die zwei Linsen DV und CV haben die gleiche Symmetrieachse ar und den gleichen Brennpunkt F. Es seien A das Zentrum der divergierenden Linse DV und B das Zentrum der konvergierenden Linse CV. Es sei der Lichtstrahl f₀, der von außen gemäß einer Richtung parallel zur Symmetrieachse ar der Linsen DV und CV ankommt. Die Ausbreitungsrichtung der Lichtstrahlen ist durch Pfeile in 1 dargestellt. Nach der Durchquerung der zwei Linsen DV und CV, ist der Lichtstrahl f₀ der Lichtstrahl f₀' geworden, der immer noch parallel zur Symmetrieachse ar ist. Dagegen wird ein Lichtstrahl f₁, der von außen kommt und dessen gestrichelt in 1 dargestellte Richtung einen Winkel θ₁ ungleich Null mit der Symmetrieachse ar bildet, nach Durchquerung der Linsen DV und CV zu einem Lichtstrahl f₁', dessen Richtung einen Winkel θ₂ mit der Symmetrieachse ar bildet, wobei der Winkel θ₂ sich vom Winkel θ₁ unterscheidet. Die vom Lichtstrahl f₁ bei der Durchquerung der zwei Linsen DV und CV, d. h. bei der Durchquerung des Fensters H, erfahrene Umlenkung α hat den Wert θ₁-θ₂. Es sei α der Wert der abgesenkten Lotrechten der Richtung des Lichtstrahls f₁ auf der Symmetrieachse ar in Höhe des Brennpunkts F. Es sei F₁ der Wert der Länge des Segments AF und F₂ der Wert der Länge des Segments BF. Es sei G die Vergrößerung des afokalen Fensters H. G hat den Wert F₁/F₂. Es gilt tanθ₁ = a/F₁ und tanθ₂ = a/F₂. Für kleine Winkel kann man die folgenden Näherungen durchführen: tanθ₁ = θ₁ und tanθ₂ = θ₂ Man erhält dann α = a/F₁-a/F₂, d. h. unter Berücksichtigung des Werts der Vergrößerung G des afokalen Fensters H, α = θ₁(1 – G). Für eine relative Stördrehbewegung zwischen dem Fenster H und der optischen Untereinheit entsprechend einem Winkel θ₁ wird ein gegebener Lichtstrahl um einen Winkel der Größe α = θ₁(1 – G) umgelenkt.
Folglich, um die Wirkung der relativen Stördrehbewegungen zwischen dem afokalen Fenster und der optischen Untereinheit zu verringern, genauer gesagt, zwischen der Drehsymmetrieachse des Fensters und der Visierlinie der optischen Untereinheit, ist es vorteilhaft, die Vergrößerung G so nahe wie möglich zu 1 zu bringen. Es gibt mehrere Möglichkeiten, ggf. untereinander kombinierbar, um die Vergrößerung eines Fensters näher zu 1 zu bringen. Zum Beispiel den Krümmungsradius der Außenfläche des Fensters vergrößern, als Werkstoff des Fensters einen Werkstoff mit geringerem Index zu wählen, die Dicke des Fensters zu verringern und dabei die Mindestdicke zu beachten, die von den mechanischen Beanspruchungen bedingt wird, denen das Fenster unter Betriebsbedingungen während des Flugs des Luftfahrzeugs ausgesetzt ist.
Beispiele einer erhaltenen Vergrößerung G werden in der nachfolgenden Beschreibung auf der Ebene von Zahlenbeispielen angegeben, die weiter unten beschrieben werden. Die Vergrößerung G der Afokalen ist vorzugsweise nahe genug bei 1, damit unter Berücksichtigung des maximalen Werts der Amplitude der relativen Drehbewegungen zwischen der Drehsymmetrieachse des Fensters und der Visierlinie der optischen Untereinheit die Störumlenkung eines das Fenster durchquerenden Lichtstrahls gering genug ist, um den Betrieb der erfindungsgemäßen optischen Einrichtung nicht wesentlich zu stören. Wenn zum Beispiel die optische Untereinheit eine Kamera ist, die eine Matrix von Elementardetektoren aufweist, die einen gegebenen Abstand haben, wird der Wert der Vergrößerung G des afokalen Fensters vorteilhafterweise so gewählt, dass die resultierende Störumlenkung des Lichtstrahls in Höhe der Kamera die Hälfte des Abstands der Elementardetektoren der Matrix nicht überschreitet. Die Vergrößerung G wird vorzugsweise so nahe wie möglich bei 1 gewählt. Vorzugsweise liegt die Vergrößerung G des afokalen Fensters zwischen 0,95 und 1. Eine Vergrößerung G, deren Wert nicht nahe genug bei 1 liegt, erfordert oft eine zusätzliche Korrektur, zum Beispiel elektronischer Art, in dem Teil der elektronischen Verarbeitung, der dann der optischen Untereinheit zugeordnet ist.
Wenn die optische Einrichtung mindestens zwei optische Kanäle aufweist, die getrennte Eingangspupillen haben, gehen die zwei optischen Kanäle vorzugsweise durch das gleiche Fenster oder durch zwei getrennte Fenster, aber mit gleicher Vergrößerung. Wenn die Visierlinie der optischen Untereinheit winkelmäßig zur Nachführhaube versetzt ist, d. h. zur Drehsymmetrieachse des Fensters oder der Fenster, wird so eine Entharmonisierung zwischen den optischen Kanälen vermieden.
Wenn zum Beispiel die optische Untereinheit eine Bilderzeugungsvorrichtung aufweist, gibt es vorzugsweise der optischen Untereinheit zugeordnete oder in sie integrierte Mittel zur elektronischen Korrektur, die es ermöglichen, die Bilder elektronisch zu korrigieren. Diese Mittel zur elektronischen Korrektur kompensieren die Abweichung zwischen der Drehsymmetrieachse des Fensters und der Visierlinie der optischen Untereinheit. Die Störumlenkung des das afokale Fenster durchquerenden Lichtstrahls äußert sich nämlich durch eine Translationsverschiebung in dem Sensor der Bilderzeugungsvorrichtung, die zum Beispiel eine Kamera ist, des Bilds, das einen Abschnitt des Beobachtungsraums darstellt. Diese Translationsverschiebung hängt aber von dem Wert der Winkelabweichung zwischen der Drehsymmetrieachse des Fensters und der Visierlinie der Bilderzeugungsvorrichtung ab. Der Wert dieser Winkelabweichung kann bekannt sein, und ist sogar in Echtzeit messbar mittels der Messung der jeweiligen Winkelpositionen einerseits der Visierlinie der Bilderzeugungsvorrichtung und andererseits der Nachführhaube. Die elektronische Korrektur der Bilder des Sensors ist in Echtzeit möglich, unter der Bedingung, dass die Frequenz der Störschwingungen, die die Störumlenkung der das Fenster durchquerenden Lichtstrahlen verursacht, gering genug ist gegenüber dem Umkehrwert der Integrationszeit des Sensors der Bilderzeugungsvorrichtung. Zum Beispiel im Fall einer Digitalkamera kann die Korrektur auf eine Adressenänderung in einem digitalisierten Bild reduziert sein.
Das afokale Fenster hat eine Außenfläche, die sphärisch ist. Wenn das Fenster ein Monoelement-Fenster ist, d. h. aus einem einzigen Meniskus besteht, kann die Innenfläche des Fensters keine einfache sphärische Fläche konzentrisch zur Außenfläche sein, da das Fenster dann divergierend anstatt afokal wäre. Die Innenfläche des Fensters, die dann das einzige innere Diopter des Fensters ist, ist vorzugsweise sphärisch nicht konzentrisch zur Außenfläche und/oder asphärisch und/oder diffraktiv, d. h. enthält mindestens ein Gitter. Eine asphärische und/oder diffraktive Innenfläche erlaubt es ebenfalls, bestimmte optische Fehler der erfindungsgemäßen optischen Einrichtungen zu korrigieren oder besser zu korrigieren. Eine diffraktive Innenfläche erlaubt es zum Beispiel, chromatische Korrekturen in das Fenster einzufügen. Wenn das Fenster ein Bielement-Fenster ist, d. h. aus zwei Meniskus-Elementen besteht, können die drei inneren Diopter nicht alle einfache sphärische Flächen konzentrisch zur Außenfläche sein, da dann das Fenster divergierend anstatt afokal wäre. Alle oder ein Teil dieser inneren Diopter sind vorzugsweise sphärisch nicht konzentrisch zur Außenfläche und/oder asphärisch und/oder diffraktiv, je nach dem Typ der betrachteten optischen Einrichtung. Das Fenster kann auch ein Multielement-Fenster sein und dann mehr als drei innere Diopter aufweisen.
In einer ersten bevorzugten Ausführungsform ist das Fenster ein Monoelement, das Fenster besteht also aus einem einzigen Meniskus. Die Außenfläche des Fensters ist sphärisch, besitzt also eine optische Leistung, die divergierend ist. Das einzige innere Diopter des Fensters, das die Innenfläche des Fensters ist, besitzt dann eine optische Leistung, die konvergierend ist, um das Fenster afokal zu machen. Bei einem Bielement- Fenster ist es möglich, eine Vergrößerung näher bei 1 zu erhalten als mit einem Monoelement-Fenster. Sobald man sich von der Drehsymmetrieachse entfernt, weist das Bielement-Fenster aber einen größeren Symmetriebruch auf als das Monoelement-Fenster, und folglich sind die Aberrationen und Chromatismusfehler mit dem Bielement-Fenster schwieriger zu korrigieren als mit dem Monoelement-Fenster. Da aber mit dem Monoelement-Fenster die divergierende und konvergierende funktionale Linse, die das global afokale Fenster bilden, sehr nahe zueinander gebracht werden können, kann die Vergrößerung des so erhaltenen afokalen Fensters ausreichend nahe zu 1 gebracht werden. Daher wird das Monoelement-Fenster dem Bielement-Fenster bevorzugt.
2 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Beispiels einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung, die ein Monoelement-Fenster aufweist. Aus Gründen der Klarheit der 2 ist keine Schraffierung dargestellt. Der einzige Meniskus 10, der das afokale Fenster H bildet, hat eine Außenfläche 1, die sphärisch ist, und eine Innenfläche 2, die zum Beispiel sphärisch nicht konzentrisch zur Außenfläche 1 ist. Das Fenster H hat eine Drehsymmetrieachse ar. Das Fenster H ist in eine Nachführhaube 50 integriert, deren Außenfläche 51 eine Formkontinuität mit der Außenfläche 1 des Fensters H in Höhe ihrer Verbindung 52 hat. Die Nachführhaube 50 hat vorzugsweise eine sphärische Form, die es ihr ermöglicht, ein großes Winkelfeld im Raum abzudecken. Die Nachführhaube ist drehbeweglich um ihr Zentrum C, das auch das Krümmungszentrum des Fensters H ist. Eine optische Untereinheit 80 ist an einer Trägerstruktur 60 durch eine vibrationshemmende Aufhängung 70 aufgehängt, die die optische Untereinheit 80 mechanisch isoliert, indem sie die von der Trägerstruktur 60 kommenden mechanischen Beanspruchungen filtert. Die optische Untereinheit 80 hat eine Visierlinie LDV, deren Harmonisierung mit der Drehsymmetrieachse ar zum Beispiel mit Hilfe von zwei Spiegeln M₁ und M₂ gewährleistet wird, wobei der Spiegel M₂ ein fester Teil der optischen Untereinheit 80 ist, während der Spiegel M₁, der ebenfalls auf die optische Untereinheit 80 montiert ist, drehbeweglich um das Krümmungszentrum C der Außenfläche 1 des Fensters H ist, d. h. genauer um eine Achse, die in Abwesenheit von auf die Trägerstruktur 60 ausgeübten mechanischen Beanspruchungen durch das Krümmungszentrum C der Außenfläche 1 des Fensters H verläuft. Die optische Untereinheit 80 kann sich zum Teil außerhalb der von der Nachführhaube 50 mit sphärischer Außenfläche 51 gebildeten Kugel befinden.
Wenn der Empfindlichkeits-Spektralbereich der optischen Untereinheit 80 entweder eine Laserlinie oder ein schmales Spektralband wie zum Beispiel das sichtbare Band oder das Band im nahen Infrarot ist, besteht die Innenfläche 2 des Meniskus vorzugsweise aus einem Diopter, das einerseits sphärisch nicht konzentrisch mit der Außenfläche 1 des Fensters H und andererseits diffraktiv ist. Ein Diopter wird zum Beispiel durch Hinzufügung eines Hologramms diffraktiv gemacht.
Wenn das innerste Diopter 2 des Fensters H, d. h. die Innenfläche des Fensters H, sphärisch nicht konzentrisch zur Außenfläche 1 des Fensters H ist, wobei R₂ der Krümmungsradius des innersten Diopters 2 des Fensters H, R₁ der Krümmungsradius der Außenfläche 1 des Fensters H, e die Dicke des Fensters H in Höhe seines Zentrums, d. h. in Höhe der Drehsymmetrieachse ar, N der Index des den Meniskus 10 bildenden Werkstoffs ist, wird die folgende Beziehung im Wesentlichen erfüllt: R₂ = R₁ – e + e / N, um das Fenster H afokal zu machen.
Es sei ein Zahlenbeispiel betrachtet. Der Krümmungsradius R₁ wird gleich 200 mm gewählt. Der Krümmungsradius R₂ hat den Wert 180 + 20/N für e = 20 mm und 190 + 10/N für e = 10 mm, wobei N der Index des den Meniskus 10 bildenden Werkstoffs ist, um die vorhergehende Beziehung zu erfüllen. Die verschiedenen verwendbaren Werkstoffe sind zum Beispiel: der Saphir mit einem Index mit dem Wert N = 1,7; ZnS mit einem Index mit dem Wert N = 2,2; Silicium mit einem Index mit dem Wert N = 3,4. Die Vergrößerungswerte G des erhaltenen afokalen Fensters sind in der folgenden Tabelle für zwei Werte der Dicke e von 20 mm und 10 mm angegeben:

Dicke e 20 mm 10 mm

Index N

1,7 G = 0,96 G = 0,98

2,2 G = 0,95 G = 0,97

3,4 G = 0,93 G = 0,96
Der Wert der Vergrößerung G wurde durch die Formel
erhalten. Der bevorzugte Werkstoff ist der Saphir, dessen Index N = 1,7 der geringste der drei betrachteten Werkstoffe ist; außerdem ist der Saphir ein sehr harter Werkstoff, der eine gute Festigkeit gegenüber den mechanischen Beanspruchungen bietet, der Saphir ist ebenfalls in einem breiten Spektralband im Wesentlichen transparent. Eine geringere Dicke e ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Leistungen.
Wenn man nämlich wieder die Formel nimmt, die die Störumlenkung α der Lichtstrahlen angibt, die mit dem Einfallwinkel θ₁ ungleich Null nach Durchquerung des afokalen Fensters mit der Vergrößerung G ankommen, nämlich α = θ₁(1 – G), stellt man fest, dass eine halb so große Dicke (e mit dem Wert 10 mm anstatt 20 mm) es ermöglicht, die Störumlenkung α um einen Faktor nahe 2 zu reduzieren, was sehr vorteilhaft ist; trotzdem wird die Verringerung der Dicke e durch eine Mindestdicke begrenzt, die notwendig ist, damit das Fenster den mechanischen Beanspruchungen widersteht, denen es unter Betriebsbedingungen während des Flugs des Träger-Luftfahrzeugs ausgesetzt ist.
Nun werden die Leistungen dieses Zahlenbeispiels untersucht durch Betrachtung der aberranten Abweichung Δ verbunden mit dem Chromatismus, der den folgenden Wert hat:
mit Φ dem Durchmesser der Eingangspupille der optischen Untereinheit, X dem Bildabzug in Gegenwart einer relativen Indexdrift mit dem Wert 1%. Die folgende Tabelle gibt in Abhängigkeit vom Index N und der Dicke e die Werte der aberranten Abweichung Δ in μm an:

Index N 1,7 2,2

Dicke e

10 mm Δ = 5,2 μm Δ = 6,9 μm

20 mm Δ = 10,5 μm Δ = 13,8 μm
Der Fall eines Fensters aus Saphir mit einer Dicke e mit dem Wert 10 mm entspricht der schwächsten aberranten Abweichung und somit dem besten Ergebnis.
In einer zweiten Ausführungsform ist das Fenster ein Bielement, das Fenster besteht also aus zwei Menisken.
Das Fenster besteht aus einem divergierenden Meniskus, der nach außerhalb des Fensters angeordnet ist, und aus einem konvergierenden Meniskus, der nach innerhalb des Fensters angeordnet ist, wobei die zwei Menisken durch einen Luftzwischenraum oder durch eine Klebstoffschicht getrennt sind. Mit dem Bielement-Fenster ist es möglich, eine Vergrößerung näher 1 zu erhalten als mit dem Monoelement-Fenster. Sobald man sich aber von der Drehsymmetrieachse entfernt, hat das Bielement-Fenster aber einen größeren Symmetriebruch als das Monoelement-Fenster, und folglich sind die Aberrationen und die Chromatismusfehler mit dem Bielement-Fenster schwieriger zu korrigieren als mit dem Monoelement-Fenster. Ein späteres Zahlenbeispiel wird es ermöglichen, die aberranten Abweichungen, die vorher für das Monoelement-Fenster gefunden wurden, mit den aberranten Abweichungen zu vergleichen, die für ein Beispiel eines Bielement-Fensters existieren.
3 zeigt schematisch die Schnittansicht eines Beispiels einer optischen Einrichtung gemäß der Erfindung, die ein Bielement-Fenster aufweist. Aus Gründen der Klarheit der 3 ist keine Schraffierung dargestellt. Der Hauptunterschied zum oben beschriebenen Fall der 2, die eine optische Einrichtung gemäß der Erfindung mit einem Monoelement-Fenster darstellt, besteht in der Gestaltung des Fensters selbst. Das afokale Bielement-Fenster H besteht aus einem ersten divergierenden Meniskus 10 mit einer Außenfläche 1, die sphärisch ist, und mit einer Innenfläche 2. Die Innenfläche 2 kann zum Beispiel sphärisch konzentrisch mit der Außenfläche 1 sein, was die Verwendung eines traditionellen klassischen Fensters als ersten Meniskus 10 erlaubt. Das Fenster H weist ebenfalls einen zweiten Meniskus 30 mit einem äußeren Diopter 3 und einem inneren Diopter 4 auf, das die Innenfläche des Fensters H ist. Ein Luftzwischenraum 20 oder eine Klebstoffschicht 20 trennt im Allgemeinen die zwei Menisken, den divergierenden 10 und den konvergierenden 30. Der Rest der optischen Einrichtung ist ähnlich demjenigen, der in 2 beschrieben ist.
Nun wird einem Zahlenbeispiel eines Bielement-Fensters betrachtet, das es ermöglicht, die erhaltenen aberranten Abweichungen mit denen zu vergleichen, die vorher für das Monoelement-Fenster erhalten wurden. Der Krümmungsradius R₁ wird gleich 200 mm gewählt. Der Krümmungsradius R₂ wird mit dem Wert 165 mm gewählt, da es dieser Wert ist, der im Wesentlichen die besten Ergebnisse ergibt, d. h. die geringsten aberranten Abweichungen. Die Dicke jedes Fensters wird gleich 10 mm gewählt. Es werden zwei verschiedene Werte des Zwischenraums zwischen Menisken betrachtet, nämlich ei = 30 mm und ei = 40 mm. Der Zwischenraum zwischen Menisken ei ist auch die Dicke des Luftzwischenraums 20 oder der Klebstoffschicht 20. Die Krümmungsradien R₃ bzw. R₄ der Diopter 3 und 4 des zweiten Meniskus 30 sind in den folgenden Tabellen mit den aberranten Abweichungen Δ angegeben. Der gleiche Werkstoff bildet jeden der zwei Menisken 10 und 30. Eine erste Tabelle wird für den Saphir angegeben, der einen Index mit dem Wert N = 1,7 hat.

ei 30 mm 40 mm

R₃ 1410 mm 437 mm

R₄ –4400 mm 733 mm

Δ 6,8 μm 7,7 μm
Die aberranten Abweichungen Δ = 6,8 μm und Δ = 7,7 μm für das Bielement-Fenster sind mit der aberranten Abweichung zu vergleichen, die vorher für das Monoelement-Fenster mit einer Fensterdicke gleich 10 mm erhalten wurde, nämlich Δ = 5,2 μm. Die für das Monoelement-Fenster erhaltene aberrante Abweichung ist geringer als diejenige, die für das Bielement-Fenster erhalten wird, was das Monoelement-Fenster in diesem Zusammenhang vorteilhafter macht.
Eine zweite Tabelle wird für ZnS angegeben, das einen Index mit dem Wert N = 2,2 hat.

ei 30 mm 40 mm

R₃ 557 mm 269 mm

R₄ 1100 mm 347 mm

Δ 10,3 μm 13,8 μm
Die aberranten Abstände Δ = 10,3 μm und Δ = 13,8 μm für das Bielement-Fenster sind mit dem aberranten Abstand zu vergleichen, der vorher für das Monoelement-Fenster mit einer Fensterdicke gleich 10 mm erhalten wurde, nämlich Δ = 6,9 μm. Die für das Monoelement-Fenster erhaltene aberrante Abweichung ist geringer als diejenige, die für das Bielement-Fenster erhalten wird, was das Monoelement-Fenster in diesem Zusammenhang vorteilhafter macht.
Im Fall des Bielement-Fensters besteht das Innere der zwei Menisken 10 und 30 des Fensters vorzugsweise aus dem gleichen Werkstoff für die zwei Menisken 10 und 30. So wird die Korrektur des Chromatismus, insbesondere, wenn die erfindungsgemäße optische Einrichtung in einem Multiband-Spektralbereich arbeitet, erleichtert. Die temperaturabhängige Drift des Index des Werkstoffs des afokalen Fensters mit einer Vergrößerung nahe 1 kompensiert sich selbst, was nicht der Fall ist, wenn die zwei Menisken 10 und 30 aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen.
Sowohl im Fall des Monoelement-Fensters als auch im Fall des Bielement-Fensters ist optional das äußerste Diopter des äußersten Meniskus des Fensters mit einer dünnen Schicht von einigen Mikrometern aus DLC (für diamond light carbone in der englischen Terminologie) oder aus Borphosphat bedeckt, um das Fenster erosionsbeständiger zu machen.
Der Empfindlichkeits-Spektralbereich der optischen Einrichtung enthält vorzugsweise einen Teil des sichtbaren Spektralbereichs und/oder einen Teil des Spektralbereichs im nahen Infrarot. Dieser Empfindlichkeits-Spektralbereich besteht zum Beispiel aus dem sichtbaren Band oder dem Band im nahen Infrarot.
Die optische Einrichtung ist vorzugsweise ein terrestrisches Erkennungssystem großer Reichweite. Die optische Einrichtung ist dann in ein Luftfahrzeug integriert, dessen Aufgabe es zum Beispiel ist, Bilder über die Landschaft eines Nachbarlands aufzufangen und dabei nicht im Luftraum des Nachbarlands zu fliegen. Dieser Systemtyp hat nämlich eine sehr hohe Auflösung, die es besonders empfindlich macht für die Turbulenzen der aerodynamischen Strömung in Höhe des Fensters. Unter Betriebsbedingungen ist die optische Einrichtung auf ein Luftfahrzeug montiert oder in ein Luftfahrzeug integriert. Das Luftfahrzeug ist vorzugsweise schnell, d. h. seine Fluggeschwindigkeit ist vergleichbar derjenigen eines Flugzeugs, im Gegensatz zu den langsamen Luftfahrzeugen vom Typ Hubschrauber.

Claims

Optische Einrichtung für Flugkörper, die eine optische Untereinheit (80) mit einer Visierlinie (LDV) aufweist, geschützt durch eine bewegliche Nachführhaube (50) und durch ein fest mit der Nachführhaube (50) verbundenes und bezüglich der Nachführhaube (50) ortsfestes Fenster (H), dadurch gekennzeichnet, dass die Außenfläche (1) des Fenster (H) sphärisch ist, dass die Visierlinie (LDV) der optischen Untereinheit (80) durch das Krümmungszentrum (C) der Außenfläche (1) des Fensters (H) verläuft, und dass die Außenfläche (1) des Fensters (H) mit der Außenfläche (51) der Nachführhaube (50) eine Formkontinuität aufweist, und dass das Fenster (H) ein oder mehrere innere Diopter (2, 3, 4) aufweist, die bezüglich der Außenfläche (1) des Fensters (H) ortsfest sind, wobei das oder die inneren Diopter (2, 3, 4) das Fenster (H) afokal machen.
Optische Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Trägerstruktur (60) aufweist, wobei die optische Untereinheit (80) sowohl an der Trägerstruktur (60) aufgehängt als auch durch eine die mechanischen Beanspruchungen filternde, vibrationshemmende Aufhängung (70) mechanisch von der Trägerstruktur (60) isoliert ist, wobei die Visierlinie (LDV) der optischen Untereinheit (80) in Abwesenheit von auf die Trägerstruktur (60) ausgeübten mechanischen Beanspruchungen durch das Krümmungszentrum (C) der Außenfläche (1) des Fensters (H) verläuft, wobei die Nachführhaube (50) bezüglich der Trägerstruktur (60) beweglich ist, und dass sie eine Außenhülle (50, H) aufweist, die die optische Untereinheit (80) vor der Außenumgebung schützt, wobei die Außenhülle (50, H) die Nachführhaube (50) und das Fenster (H) aufweist, das eine optische Verbindung in einem gegebenen Spektralbereich zwischen der optischen Untereinheit (80) und der Außenumgebung erlaubt.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vergrößerung (G) des afokalen Fensters (H) zwischen 0,95 und 1 liegt.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie mindestens zwei optische Pfade aufweist, die getrennte Eingangspupillen haben, und dass die zwei optischen Pfade entweder durch das gleiche Fenster (H) oder durch zwei getrennte, aber die gleiche Vergrößerung (G) aufweisende Fenster (H) gehen.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (H) eine Drehsymmetrieachse (ar) aufweist, dass die optische Untereinheit (80) eine Bilderzeugungsvorrichtung und elektrische Korrekturmittel der Bilder aufweist, die die Abweichung zwischen der Drehsymmetrieachse (ar) des Fensters (H) und der Visierlinie (LDV) der optischen Untereinheit (80) kompensieren.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (H) aus einem einzigen Meniskus (10) besteht.
Optische Einrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenfläche (2) des Meniskus (10) aus einem Diopter besteht, das einerseits sphärisch und nicht konzentrisch mit der Außenfläche (1) des Fensters (H) und andererseits diffraktiv ist.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass, wenn R₂ der Krümmungsradius des am weitesten innen liegenden Diopters (2) des Fensters (H), R₁ der Krümmungsradius der Außenfläche (1) des Fensters (H), e die Dicke des Fensters (H) in Höhe seiner Mitte, N der Index des den Meniskus (10) bildenden Werkstoffs ist, die folgende Beziehung im Wesentlichen erfüllt ist: R₂ = R₁ – e + e / N.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Fenster (H) aus einem divergierenden Meniskus (10), der zur Außenseite des Fensters (H) angeordnet ist, und aus einem konvergierenden Meniskus (30) besteht, der zur Innenseite des Fensters (H) angeordnet ist, wobei die zwei Menisken (10 und 30) durch einen Luftzwischenraum (20) oder durch eine Kleberschicht getrennt sind.
Optische Einrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der das Innere der zwei Menisken (10 und 30) des Fensters (H) bildende Werkstoff der gleiche ist.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der das Innere des oder der Menisken (10, 30) bildende Werkstoff ein Saphir mit einem Index, der im Wesentlichen N = 1,7 beträgt, oder ZnS mit einem Index von im Wesentlichen N = 2,2 oder Silicium mit einem Index von im Wesentlichen N = 3,4 ist.
Optische Einrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das am weitesten außen liegende Diopter (1) des am weitesten außen liegenden Meniskus (10) des Fensters (H) mit einer dünnen Schicht bedeckt ist, die einige Mikrometer von DLC oder von Borphosphat bildet.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gegebene Spektralbereich einen Teil des sichtbaren Spektralbereichs und/oder einen Teil des Spektralbereichs im nahen Infrarot enthält.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführhaube (50) eine sphärische Form hat.
Optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sie ein Erderkundungssystem mit großer Reichweite ist.
Schnelles Luftfahrzeug, dadurch gekennzeichnet, dass es eine optische Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist.