DE69109852T2

DE69109852T2 - Ausrichtungskontrollvorrichtung und ihre verwendung.

Info

Publication number: DE69109852T2
Application number: DE69109852T
Authority: DE
Inventors: Jean-Louis Ricci; Jean-Marc Rouchon; Jean-Francois Vigouroux; Marc Wally
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-11-16
Filing date: 1991-10-25
Publication date: 1995-09-28
Anticipated expiration: 2011-10-26
Also published as: DE69109852D1; WO1992008944A1; EP0511346B1; FR2669427A1; FR2669427B1; US5251003A; JPH05503347A; EP0511346A1

Description

Die Erfindung stammt aus dem Bereich der Ortung eines Gegenstands durch einen Führungslaser für Waffensysteme und betrifft insbesondere eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fluchtung zweier optischer Kanäle in einem System zur Laserverfolgung oder "pod" (dieser englische Begriff bedeutet "Gondel") eines Ziels durch Laserführung, d.h. von einem optischen Infrarotkanal (mit Wellenlängen von 8 bis 12 Mikrometer) und einem Laserkanal (mit Wellenlängen von 1 bis 2 Mikrometer). Außerdem ist Gegenstand der Erfindung ein System zur Laserverfolgung, das eine solche Kontrollvorrichtung enthält.
Unter schwierigen Umweltbedingungen, insbesondere der Temperatur und Vibration, erfolgt die Laserverfolgung des Geschosses vorzugsweise mit Hilfe einer Gondel, die außen am Flugzeug befestigt ist und einen Infrarot-Bilderfassungskanal zur Ortung des Ziels und einen auf den Infrarot-Bildkanal verriegelten Laserkanal enthält. Diese Verriegelung setzt eine vollkommene Fluchtung zwischen den beiden Kanälen voraus, d.h. einen vollständig parallelen Verlauf ihrer optischen Achsen, die somit eine gemeinsame Visierlinie definieren. Diese Ausrichtung, die im Prüffeld des Herstellers erfolgt, muß während der Mission kontrolliert werden können.
Um die optischen Achsen eines Lasers und eines Infrarotdetektors in einem Optroniksystem zur Zielbestimmung in Flucht zu bringen, verwendet das US-Patent 4 422 758 gemäß Figur 1 eine optische Vorrichtung bestehend aus Spiegeln 1 bis 5. Diese Vorrichtung hat die Aufgabe, den Laserstrahl FL auf eine hitzebeständige Keramik 6 zu fokussieren, um dort einen Heißpunkt zu erzeugen, und die Infrarotstrahlung FI, die von diesem Heißpunkt ausgeht, auf den Bildkanal zu kollimatieren. Die Lage des heißen Bildpunkts in diesem Bildkanal erlaubt die Messung der Fluchtungsfehler der beiden Kanäle.
Ein erster wesentlicher Nachteil dieser Lösung besteht in der Art des verwendeten Materials, nämlich der hitzebeständigen Keramik: Dieses Material hat eine geringe Remanenz und erwärmt sich weder leicht noch schnell, was die Fakussierung einer erheblichen Energie auf die Keramik erforderlich macht. Diese Betriebsbedingungen lassen dieses Material nur schwer geeignet erscheinen:
- aufgrund der Impulsform des Laserstrahls, die ein Nachleuchten zwischen zwei Impulsen erfordert,
- aufgrund der Verwendung eines Ablenksystems für die Visierlinie in den thermischen Kameras mit Strahlablenkung, wobei das Detektormosaik nur während einer sehr kurzen Zeit angesteuert wird,
- und aufgrund der Dauer des Fluchtungstests, die nicht einige Sekunden überschreiten darf, in denen das verwendete Material sich nur schwer erwärmt.
Ein anderer wesentlicher Nachteil beruht auf den Parallelitätsfehlern des Laserkanals mit dem Infrarotkanal, die durch Neigungsfehler der Spiegelträger der optischen Vorrichtung hervorgerufen werden. Um dieses Problem zu lösen, wird nach dem Stand der Technik ein Verfahren zur Regelung am Boden in drei Etappen vorgeschlagen, bei dem insbesondere ein Teleskop eingesetzt wird. Eine solche Regelung ist wenig dauerhaft und kann unter den erwähnten schwierigen Bedingungen nicht beibehalten bleiben.
Ein letzter Nachteil bezieht sich auf die Organisation der Spiegel 1 bis 5 des optischen Systems, die dem Ganzen einen mit dem verfügbaren Raum ganz unvereinbaren Raumbedarf verleiht.
Um diese Nachteile zu beheben, schlägt die Erfindung eine Vorrichtung zur Fluchtungskontrolle des Laserkanals mit dem Infrarotkanal vor, durch die kein Parallelitätsfehler eingeführt wird und die auf der Ausbildung eines heißen Punkts durch lokalisierte Erwärmung eines in einer zuverlässigen modernen Vorrichtung angeordneten Polyimidfilms beruht.
Genauer gesehen ist Gegenstand der Erfindung eine Vorrichtung zur Kontrolle der Fluchtung zweier optischer Kanäle, nämlich eines Visierkanals mit Laserstrahl und eines Infrarotbildkanals, mit Mitteln zur Umwandlung des Laserstrahls in einen parallelen Infrarotstrahl und Mitteln, um den Infrarotbildkanal mit dem umgewandelten Laserstrahl in Flucht zu bringen, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung ein optisches Gehäuse enthält, das die Mittel zur Umwandlung trägt, und daß diese Umwandlungsmittel aus einer Kassette bestehen, die einen bandförmigen Polyimidfilm und eine Gruppe von reflektierenden Elementen enthält.
Die Erfindung und weitere Merkmale und Vorteile gehen aus der nachfolgenden Beschreibung und den bei liegenden Zeichnungen hervor.
Figur 1 zeigt die Fluchtungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik.
Figur 2 zeigt das allgemeine Aufbauschema des erfindungsgemäßen Systems.
Figur 3 zeigt den optischen Weg des Laserstrahls und des Infrarotstrahls.
Figur 4 zeigt eine erste Ausführungsform des Gehäuses zur Fluchtungskontrolle.
Figur 5 zeigt eine zweite Ausführungsform des Gehäuses zur Fluchtungskontrolle.
Figur 2 zeigt das Aufbauschema des erfindungsgemäßen Kontrollsystems in einer Gondel zur Laserverfolgung. Man sieht eine Nachführhaube in einem optischen Orientierungskopf 12 für die Visierlinie, bestehend aus afokalen Vorrichtungen 7 bzw. 8 für den Laserkanal mit dem Strahl FL und den Infrarotkanal der Infrarotstrahlung FI. Der Strahl FL tritt aus der afokalen Vorrichtung 7 aus und gelangt zum Gehäuse 9 für die Fluchtungskontrolle, während der Strahl FI aus dem Gehäuse 9 austritt, um parallel zu FL zur afokalen Vorrichtung 8 zurückzukehren. Das Gehäuse 9 enthält ein optisches Systems 10 zur Fokussierung und Kollimatierung sowie einen Polyimidfilm 11. Der optische Kopf 12 ist umgekehrt und zeigt zum Gehäuse 9 hin. So verhält sich das optische System 10 wie ein Würfeleck und wandelt den ankommenden Laserstrahl FL in einen Infrarotstrahl FI um, der genau parallel zum Strahl FL kollimatiert austritt. Der Strahl FI erzeugt das Bild des heißen Punkts auf dem Film 11 durch Fokussierung auf den Detektor einer thermischen Kamera 13. Der Fluchtungsfehler zwischen den beiden Kanälen wird dann durch Abstandsmessung gemessen, d.h. durch Messung des Abstands zwischen der Lage dieses so erfaßten Bilds und seiner theoretischen Lage für den Fall einer vollkommenen Parallelität der beiden Kanäle im Bezugspunkt des Detektors.
Das Gehäuse 9 zur Fluchtungskontrolle liegt vorzugsweise in der Zone, in der sich die Visierlinie beim Auftreffen des Geschosses auf das Ziel befindet, d.h. hinter dem optischen Kopf zur Orientierung der Visierlinie 12 mit den optischen Vorrichtungen 7 und 8 und vor der aus der thermischen Kamera 13 und dem Laser 14 bestehenden und eine optische Bank bildenden Einheit. Um den Fluchtungsfehler zu korrigieren, wird die Orientierung der optischen Achse des Infrarotkanals mit Hilfe eines nicht dargestellten Umlenkspiegels so lange verändert, bis der gemessene Abstand zu Null wird. Ein solcher Spiegel kann wie üblich auf piezoelektrischen Stützen zwischen dem optischen Kopf 8 und der thermischen Kamera 13 montiert werden.
Die Anordnung der verschiedenen Spiegel des optischen Systems 10, die den optischen Verlauf zwischen dem ankommenden Laserstrahl FL und dem ausgehenden Infrarotstrahl FI definiert, und die Anordnung des Polyimidfilms 11 sind in Figur 3 gezeigt. Der ankommende Strahl FL wird zuerst an einem Eingangsspiegel 18 geknickt und verläuft dann durch einen dichroitischen Spiegel 19, der im Wellenlängenband von 1 bis 2 um transparent ist. Er wird dann auf den Polyimidfilm 11 nach Reflexion an ebenen Spiegeln 15 und 16 und einem sphärischen Fokussierspiegel 17 fokussiert, der den Strahl auf den Spiegel 16 zurücklenkt, ehe er den Spiegel 15 durch ein zentrales Loch zum Durchlaß des Laserstrahls durchquert, wobei der Film 11 hinter dem Spiegel 15 liegt. Die Erwärmung des Polyimidfilms führt zum Auftreten eines Heißpunkts, dessen Infrarotstrahlung kollimatiert wird, um den Infrarotstrahl FI zu bilden, der nacheinander in umgekehrter Richtung über die Spiegel 16, 17, 16, 15 verläuft. Der Strahl FI wird dann zu einem Infrarotausgangsspiegel 21 nach Reflexion am dichroitischen Spiegel 19 abgelenkt, der die Strahlungen im Wellenlängenband von 8 bis 12 um reflektiert, und nach Reflexion an einem Spiegel 20.
Ein Polyimidfilm einer beliebigen Dicke kann jedoch für eine solche Anwendung nicht verwendet werden. Die Dicke des Films ist nämlich ein wesentliches Merkmal und muß genau eingestellt werden, da diese Dicke die Geschwindigkeit des Auftretens des den Auftreffpunkt des Lasers auf dem Film bildenden Flecks (auch Heißpunkt genannt), die Intensität der ausgesendeten Infrarotstrahlung, das Nachleuchten und die Auswertedauer dieses Flecks beeinflußt. Ein zu dünner Film (typische Dicke unter 25 um) verbrennt zu schnell (nach weniger als einer Sekunde Bestrahlung), um auswertbar zu sein. Andererseits erwärmt sich ein zu dicker Film (typische Dicke größer als 100 um) langsam und bildet einen Fleck, der eine unzureichende Helligkeit und Nachleuchtdauer (weniger als 20 ms) aufweist. Ein Polyimidfilm einer Dicke zwischen 25 und 100 um, insbesondere einer Dicke von 50 um, stellt eine gute Wahl dar, da die geforderten Eigenschaften erreicht werden (Nachleuchtdauer, Auswertedauer, Helligkeit).
Eine Ausführungsform des Gehäuses zur Fluchtungskontrolle gemäß der Erfindung, in dem die anhand von Figur 3 beschriebenen Elemente montiert sind, ist schematisch in Figur 4 gezeigt. Seine Struktur setzt sich aus zwei Halbgehäusen I und II komplementärer Form, die ineinandergesteckt werden können, und aus einer Kassette III mit dem Polyimidfilm zusammen. Im ersten Halbgehäuse I sind Auflageflächen für die den beiden optischen Pfaden gemeinsamen Elemente (Spiegel 15 bis 17 und Polyimidfilm 11) vorgesehen, nämlich den Pfad des Laserstrahls und den Pfad des Infrarotstrahls, die in Figur 2 durch einen einfachen bzw. einen Doppelpfeil symbolisiert sind. Im anderen Halbgehäuse II sind Auflageflächen für die den beiden Kanälen nicht gemeinsamen optischen Elemente (Spiegel 18 bis 21) vorgesehen, die entweder dem Infrarotstrahl oder dem Laserstrahl zuzuordnen sind.
Um die durch die nur angenähert genaue Anordnung der den beiden Kanälen nicht gemeinsamen optischen Elemente eingeführten Fehler gering zu halten, werden so durch das erfindungsgemäße Gehäuse zwei Grundbedingungen eingehalten:
- die Anzahl der nicht gemeinsamen Elemente ist sehr gering: Im Ausführungsbeispiel und unter Berücksichtigung der Forderung nach kompaktem Aufbau durch die Knickung der Eingangs- und Ausgangsstrahlen handelt es sich um nur vier Elemente (einen Lasereingangsspiegel 18 und drei Infrarotausgangsspiegel 19 bis 21);
- die den beiden Kanälen nicht gemeinsamen Spiegel sind auf einem gemeinsamen mechanischen Bauteil (dem Halbgehäuse 11) montiert, wodurch die Auflageebenen für die Spiegel 19, 20 einerseits und für die Spiegel 18 und 21 andererseits gemeinsam bearbeitet werden. Man erreicht so eine hohe Fluchtungsgenauigkeit dieser Spiegel in der Größenordnung von 100 urd und damit eine praktisch vollkommene Parallelität zwischen dem optischen Eingangskanal und dem optischen Ausgangskanal.
Die hohe Genauigkeit, die für das Halbgehäuse II prägend ist, gilt nicht mehr für die Auflageflächen der optischen Elemente im Halbgehäuse I. Die Strahlen FL und FI bleiben nämlich in diesem Bereich vollkommen parallel, da die eingesetzten optischen Elemente nur einen gemeinsamen geometrischen Pfad für den Laser- und den Infrarotkanal definieren, wobei nur die Fortpflanzungsrichtung der Strahlen FL und FI umgekehrt ist. Die auf die Auflageflächen dieses Halbgehäuses I aufgebrachten Spiegel bilden ein gemeinsames optisches Fokussier- oder Kollimationssystem je nach der Richtung des Verlaufs des optischen Pfads.
Die Kassette III mit dem Polyimidfilm ist in das Halbgehäuse I integriert, das die den beiden Kanälen gemeinsamen optischen Elemente enthält. Der gewählte Polyimidfilm, dessen Dicke (zwischen 25 und 100 um) aufgrund der optischen Merkmale bestimmt wurde, kann nur ein einziges Mal unter den hier betrachteten Einsatzbedingungen verwendet werden (d.h. mit einem Laser einer Leistung oberhalb von einigen MW). Dieses Hindernis wird nun durch den Einsatz einer solchen Kassette überwunden, die zwei Spulenkörper A1 und A2 besitzt, auf die der Polyimidfilm aufgewickelt ist. Mit einer Dicke zwischen 25 und 75 um besitzt dieser Film eine ausreichende Biegsamkeit. Zwischen zwei Fluchtungstests wird das Band um einige Millimeter vorwärtsbewegt.
Eine besondere Anpassung ist jedoch erforderlich, um ein solches Gerät unter den schwierigen Einsatzbedingungen verwendbar zu machen (insbesondere in einer stark vibrierenden Umgebung).
Hierzu müssen die Spulenkörper unbedingt mit dem Gehäuse der Trägergondel des Steuergehäuses 9 fest verbunden werden und man muß eine Sperrklinke verwenden, die auf das Polyimidband einwirkt, um den Film unter einer ausreichenden und konstanten Spannung zu halten. Außerdem ermöglicht die Kombination eines der Wickelkörper mit einem Optokoppler zur Positionserfassung die Überprüfung, daß der Film richtig vorwärtsbewegt wurde. Es ist dann notwendig, das Spiel des mit dem Optokoppler kombinierten Wickelkörpers durch einen leichten Überdruck zu beseitigen, der beim Einsetzen der Kassette aufgebracht wird.
Im Rahmen einer Variante kann die erf indungsgemäße Fluchtungsvorrichtung eine vereinfachte Version eines Laserverfolgungssystems mit einem gemeinsamen optischen Endkanal ausrüsten, bei dem der optische Ablenkungskopf für die Visierlinie für den Laserkanal (1 bis 2 um) und den Infrarotkanal (im Wellenlängenbereich von 3 bis 5 um oder 8 bis 12 um) gemeinsam vorgesehen ist, wobei diese Kanäle dann in einem optischen Separator, beispielsweise einem dichroitischen Spiegel, getrennt werden. Unter diesen Bedingungen enthält das Fluchtungsgehäuse im wesentlichen, wie in Figur 5 gezeigt, den Eingangsspiegel 18, den Lochspiegel 15 und den sphärischen Spiegel 17 in Verbindung mit einer Konvergenzlinse 16', während die Ausgangsspiegel 19 bis 21 nicht mehr erforderlich sind. Der umgewandelte Strahl FI tritt koaxial zum ankommenden Laserstrahl FL durch den Spiegel 18 aus, der als Eingangs-Ausgangsspiegel dient.
Die Erfindung ist nicht auf die beschriebenen und dargestellten Ausführungsformen beschränkt
Insbesondere kann das Material für den sphärischen Spiegel Aluminium sein, wie die Struktur des tragenden Gehäuses, um jede thermische Fokussierabweichung zu vermeiden.
Weiter kann der Fachmann eine Feinregelung der Fluchtung der beiden Kanäle nach der Bearbeitung des Gehäuses mit Hilfe von Diasporameter-Prismen durchführen, die in den Laserkanal eingesetzt werden (insbesondere vor dem Eingangsspiegel).
Wenn schließlich der Laserstrahl zu genau auf den Polyimidfilm fokussiert ist, ergibt sich eine Erscheinung eines Durchschlags aufgrund der Ionisierung der umgebenden Luft, so daß kein Fleck entsteht. Es kann deshalb vorgesehen sein, daß der Brennpunkt des Laserstrahls geringfügig auf der optischen Achse (um 1 bis 3 mm) durch eine langbrennweitige Linse verschoben wird, die am Eingang des Laserkanals liegt.

Claims

1. Vorrichtung zur Fluchtungskontrolle von zwei optischen Kanälen, nämlich einem Visierkanal mit Laserstrahl (FL) und einem Infrarotbildkanal, mit einem optischen Gehäuse (9), das Mittel zur Umwandlung des Laserstrahls in einen zum Laserstrahl parallelen Infrarotstrahl und Mittel, um den Infrarotbildstrahl mit dem aus der Umwandlung stammenden Strahl in Flucht zu bringen, sowie eine optische Einheit (10) aufweist, um den Laserstrahl (FL) zu fokussieren und den aus der Umwandlung stammenden Infrarotstrahl (FI) zu kollimatieren, dadurch gekennzeichnet, daß die Umwandlungsmittel aus einem bandförmigen Polyimidfilm (11) bestehen, der in einer Kassette (III) enthalten ist, so daß er weiterbefördert werden kann, um nach jedem Vorschub dem Laserstrahl einen anderen Bereich zu bieten.

2. Vorrichtung zur Fluchtungskontrolle nach Anspruch 1 in Anwendung auf zwei getrennte optische Kanäle, wobei die optische Einheit (10) aus einer Untereinheit von für die beiden optischen Kanäle gemeinsamen reflektierenden Elementen und einer Untereinheit von je einem der beiden Kanäle zugehörigen reflektierenden Elementen gebildet wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) aus zwei Halbgehäusen gebildet wird, von denen das erste (I) die den beiden optischen Kanälen gemeinsamen reflektierenden Elemente (15 bis 17) und ein zweites Halbgehäuse (II) die je einem der beiden optischen Kanäle zugeordneten reflektierenden Elemente (18 bis 21) trägt, daß die Untereinheit von reflektierenden Elementen, die je einem der beiden Kanäle zugeordnet sind, ein optisches System mit parallelen Eingängen und Ausgängen bildet, das aus einem Eingangsspiegel (18), mit dem der einfallende Laserstrahl (FL) geknickt wird, und aus drei Ausgangsspiegel (19, 20, 21) besteht, die den austretenden Infrarotstrahl (FI) knicken sollen, und daß die Untereinheit von den beiden Kanälen gemeinsamen reflektierenden Elementen aus Spiegeln (15, 16, 17) besteht, die der Fokussierung des Laserstrahls (FL) auf den Polyimidfilm (11) und der Kollimatierung des von dem Polyimidfilm ausgehenden Infrarotstrahls FI dienen.

3. Vorrichtung zur Fluchtungskontrolle nach Anspruch 1 in Anwendung auf zwei optische Kanäle mit zusammenfallenden Achsen, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Einheit (10) einen Eingangsspiegel (18) für den ankommenden Laserstrahl FL sowie Spiegel (15, 16', 17) aufweist, die der Fokussierung des Laserstrahls FL auf den Polyimidfilm (11) und der Kollimatierung des von dem Polyimidfilm (11) ausgehenden Strahls FI dienen, wobei der Strahl FI koaxial zum ankommenden Strahl FL aus dem gemeinsamen Spiegel (18) austritt.

4. Kontrollvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Polyimidfilm (11) eine Dicke zwischen 25 und 75 um besitzt und in Bandform in der Kassette (III) aufgespult ist, die in das Halbgehäuse zur Fluchtungskontrolle (I) integriert ist und Mittel zum Filmvorschub aufweist.

5. Kontrollvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kassette (III) zwei Spulenkörper (A&sub1;, A&sub2;) zum Aufwickeln des Polyimidfilms (11) aufweist, die mit dem Gerüst der Gondel fest verbunden sind, und daß eine Sperrklinke eine ausreichende Spannung des Polyimidbands gewährleistet und ein Optokoppler die Spulenkörperlage erfaßt, um den Vorschub des Films zu überwachen.

6. Kontrollvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (9) und der Spiegel (17) zur Fokussierung und Kollimatierung aus Aluminium sind.

7. Kontrollvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Parallelität des einfallenden und austretenden Strahls FL bzw. FI mit Hilfe von Diasporameter-Prismen feingeregelt wird, die im Verlauf des Laserstrahls angeordnet werden.

8. Kontrollvorrichtung nach den Ansprüchen 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Brennpunkt des Laserstrahls um 1 bis 3 mm bezüglich der Brennweite des Spiegels (17) zur Fokussierung und Kollimatierung verschoben wird.

9. System zur Zielverfolgung durch Laserführung, das insbesondere einen optischen Kopf (12) zur Orientierung der Visierlinie, bestehend aus mindestens einem afokalen System (7) für einen Laserkanal und für einen Infrarotkanal (8), und eine optische Bank (10) aufweist, bestehend aus einer thermischen Kamera (13) und einer Laserquelle (14), dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Vorrichtung zur Fluchtungskontrolle (9) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche aufweist, die zwischen dem optischen Visierkopf (12) und der optischen Bank (10) liegt, um den Laserstrahl FL, der vom afokalen System (7) in einen Infrarotstrahl FI umzuwandeln, dessen Achse genau parallel zu der des Laserstrahls FL verläuft oder mit dieser zusammenfällt, wobei dieser Infrarotstrahl zum afokalen System (8) übertragen wird, wenn der optische Visierkopf (12) umgekehrt ist.