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Diese
Erfindung betrifft eine optische Vorrichtung zur Überwachung
eines Panoramas mit niedriger Auflösung und zur gleichzeitigen
Beobachtung eines Teils des Panoramas mit hoher Auflösung.
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Die Überwachung
und Verfolgung von Projektilen und anderen fliegenden Objekten ist
ein signifikantes Problem für
die Raumfahrt-, die astronomische und die Verteidigungsbranche.
Idealerweise würde
man eine präzise
Information bezüglich
der Position und den Flugbahnen von allen Objekten zu jeder Zeit
wünschen.
Eine genaue Information betreffend die Position von Objekten ohne
die Kenntnis ihrer Geschwindigkeiten ist z. B, für die meisten Anwendungen von
geringem Interesse. Gleichermaßen
ist die genaue Kenntnis von Geschwindigkeiten ohne die Kenntnis
der zugehörigen
Positionen der Objekte gleichfalls von begrenzter Nützlichkeit.
Andererseits ist die Überwachung
sämtlicher
Aktivitäten
mit hoher Auflösung
in der gesamten Hemisphäre
oder selbst eines erheblichen Anteils davon eine Aufgabe mit äußerst hoher
Anforderung aus der Sicht der Instrumentierung. Jedoch besteht die
Alternative darin, entweder zwischen Beobachtung mit niedriger Auflösung eines
relativ großen
Bereiches oder Beobachtung mit hoher Auflösung eines relativ kleinen
Bereiches zu wählen,
wobei keines von beiden für
eine gegebene Anwendung akzeptabel sein mag.
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Das Überwachen
des gesamten Panoramas erfordert entweder das Scannen über den
Horizont oder die Beobachtung des gesamten Horizontes. Dies kann
selbst bei Bedingungen mit niedriger Auflösung schwierig sein. Wenn die Überwachung
optisch durchgeführt
wird, kann eine reflektierende Oberfläche asphärischer Art mit höherer Ordnung,
wie etwa ein Hyperboloid, verwendet werden, um sichtbare oder unsichtbare
(z. B. infrarote) elektromagnetische Strahlung über der Hemisphäre zu sammeln.
Dies kann gefolgt werden vom Analysieren der optischen Verzerrung,
die auf der Verwendung von komplexen konvexen Oberflächen beruht. Eine
Panoramavorrichtung ist im US-Patent Nr. 3,203,328 von Brueggemann
skizziert, in der ein Hyperboloid-Spiegel mit negativer Krümmung verwendet
wird, um das Panorama abzubilden (d. h. um Lichtstrahlen oder Photonen
zu sammeln und zu lenken). Wie in 3 dieses
Patentes zu sehen ist, dient der Brennpunkt (23) des hyperboloiden
Spiegels (22) auch als der Brennpunkt eines sphärischen
Spiegels (25), der die von dem hyperboloiden Spiegel gesammelten
Lichtstrahlen umlenkt. Nur ein Teil der Lichtstrahlen, die den sphärischen Spiegel
erreichen, werden von einem Strahlenteiler (27) reflektiert,
der die Lichtstrahlen auf einen fotografischen Film (34)
umlenkt, der das Bild aufnimmt. Unglücklicherweise sind die mit
diesem Ansatz verbundenen Verluste erheblich. Ferner wird bei dem
Ansatz von Brueggemann und bei anderen vollumfänglichen Betrachtungssystemen
keine hochauflösende
Information erhalten, da diese Systeme in einem kleineren Bereich
von Interesse nicht fokussieren.
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Es
gibt jedoch einige optische Überwachungsanwendungen,
die sowohl die Überwachung
eines breiten Bereiches mit niedriger Auflösung als auch die Überwachung
eines kleineren Bereiches mit hoher Auflösung verlangen. Eine Situation
besteht z. B. in dem Fall, dass Kugeln von einem unbekannten Ort
auf dem Boden oder auf einem Gebäude
gefeuert werden. Da es möglich
ist, den von der Rohrmündung
einer Feuerwaffe ausgehenden Feuerstoß zu unterdrücken oder
zu verbergen, kann das Verfolgen der Flugbahn der Kugel selbst durch Überwachen
ihrer Infrarot-Spur
(insbesondere durch Überwachung
von Wellenlängen
zwischen 3 und 5 μm,
ein Spektralbereich, in dem die Absorption der Atmosphäre minimal
ist) den einzigen Hinweis darauf geben, wohin die Kugel abgefeuert
wurde. Ferner sei erwähnt,
dass dann, wenn Ereignisse oder sehr kurze Zeitspannen beobachtet
werden müssen,
eine Abdeckung des Panoramas unter Verwendung eines scannenden Verfahrens
nachteilig gegenüber
der Verwendung eines Beobachtungsverfahrens ist. Beim Ersteren wird
eine kleinere Anzahl von Detektoren optisch über die Szene bewegt und kann
ein Ereignis verpassen, während
beim Letzteren eine größere Anzahl
von Detektoren fest auf die Szene gerichtet bleibt und so eine kontinuierliche
Erfassung von Ereignissen mit kurzer Zeitdauer liefert. Die Verfolgung
der Flugbahn der Kugel mittels einer niedrig auflösenden Überwachung
eines breiten Panoramabereiches könnte den allgemeinen Ort ermitteln,
von wo das Schießen
ausging, gefolgt von einer Überwachung
dieses Bereiches mit höherer Auflösung, um
den präzisen
Ort zu ermitteln.
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Aus
der EP-A-0 103 301 ist eine optische Vorrichtung für eine Panoramafeld-Beobachtung
als auch eine gleichzeitige Beobachtung eines kleineren Sichtbereiches
bekannt, die ein ringförmiges
Abbildungselement (1, 11) in der Form einer ringförmigen Linse
zum Sammeln von Licht aus einem Panoramasichtfeld aufweist, wobei
das ringförmige
Abbildungselement ein Loch (3) darin aufweist; ferner einen
Zielspiegel (17) aufweist, um Licht aus dem kleineren Sichtfeld
zu sammeln; einen ersten Satz von optischen Komponenten (20, 23)
zum Sammeln von Licht von dem Zielspiegel, wobei der erste Satz
von optischen Komponenten Licht durch das Loch in dem ringförmigen Abbildungselement
abbildet; und mit einem zweiten Satz von optischen Komponenten (14),
um Photonen sowohl von dem ringförmigen
Abbildungselement als auch von dem ersten Satz von optischen Komponenten
zu sammeln, wobei der erste und zweite Satz von optischen Komponenten, das
ringförmige
Abbildungselement und der Zielspiegel entlang einer gemeinsamen
Achse ausgerichtet sind.
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Diese
bekannte optische Vorrichtung ist zur Adaptierung vor einer optischen
Vorrichtung ausgebildet, wie etwa vor einem Fotoapparat, um Panoramabilder
zu erzeugen. Der Zielspiegel, der die Form eines Suchprismas besitzt,
ist dazu vorgesehen, das Panoramasichtfeld auf eine bestimmte Gegend
einzustellen.
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Gemäß der Erfindung
soll eine optische Vorrichtung offenbart werden, die ein System
mit niedriger Auflösung
und ein System mit hoher Auflösung
in einer Vorrichtung integriert, die besonders als ein Beobachtungssensor
geeignet ist, der angepasst ist zur Überwachung und Verfolgung von
Projektilen und anderen fliegenden Objekten.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe gelöst,
indem eine optische Vorrichtung gemäß der aus der EP-A-0 816 891
bekannten Art derart ausgebildet wird, dass das ringförmige Bildelement
als ein konvexer Spiegel ausgestaltet wird, und dass die ersten
und zweiten Sätze
von optischen Komponenten, der konvexe Spiegel und der Zielspiegel
gemäß Anspruch
1 entlang einer Achse ausgerichtet sind.
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Die
bevorzugte Anwendung der Erfindung ist ein optisches System für einen
Beobachtungssensor, der gleichzeitig zwei Sichtfelder liefert:
- (1) einen Panoramamodus mit niedriger Auflösung (typischerweise
2–5 mrad)
mit einem Sichtfeld von bis zu 360 Grad im Azimuth (d. h. volles
Panorama) und
- (2) einen Beobachtungsmodus mit hoher Auflösung (typischerweise 0,5 mrad)
zur Beobachtung eines kleineren Bereiches des Panoramas. Zur Überwachung
von Feuer von städtischen
Heckenschützen
ist der Panoramabereich der Vorrichtung dazu konstruiert, ein Sichtfeld
von ungefähr
40 Grad nach oben zu erfassen (das sich z. B. von 35 Grad über dem
Horizont bis zu 5 Grad darunter erstreckt), während für eine ländliche Einstellung 20 Grad
ausreichend wären.
Ferner ist die Erfindung besser als herkömmliche Vorrichtungen zur Überwachung
von Infrarotstrahlung geeignet.
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Die
gegenwärtig
bevorzugte Ausführung
der Erfindung verwendet einen dreidimensionalen Spiegel, der eine
konvex gekrümmte
Oberfläche
(z. B. einen Hyperboloid) hat, die mit einer Achse ausgerichtet
ist, wobei ein Abschnitt ausgeschnitten ist, der mit dieser Achse
zentriert ist. Da er ein Loch aufweist, wird er hier als ein ringförmiger konvexer
Spiegel bezeichnet. Bei der bevorzugten Ausführung der Vorrichtung wird
der ringförmige
konvexe Spiegel verwendet, um ein Bild (Photonen) mit niedriger
Auflösung über den
vollen Panoramasichtbereich von 360 Grad zu sammeln, jedoch ist
er in der Höhenrichtung
auf einen Teil der Hemisphäre (d.
h. weniger als 90 Grad) begrenzt.
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Die
bevorzugte Ausführung
verwendet auch einen Spiegel, der oberhalb des Loches des ringförmigen konvexen
Spiegels sitzt. Dieser Spiegel bildet einen Teil des hochauflösenden optischen
Systems, das verwendet wird, um einen kleineren Bereich des Panoramas
zu überwachen.
Er wird hier als ein Zielspiegel bezeichnet, da er sowohl gedreht
als auch geneigt werden kann. Ein Satz von Linsen oder anderen optischen Komponenten
wird verwendet, um das von dem Zielspiegel aufgenommene hochauflösende Bild
durch das Loch in dem ringförmigen
konvexen Spiegel zu richten. Ein anderer Satz von Linsen oder optischen
Komponenten lenkt sowohl dieses Bild, als auch das niedrigauflösende Panoramabild
zu einer Brennebene um und auf unterschiedliche Bereiche eines Detektor-Arrays,
das viele Pixel umfasst, was es erlaubt, dass das hochauflösende und
das niedrigauflösende
Bild getrennt voneinander analysiert werden. Der Detektor ist vorzugsweise
ein zweidimensionales Brennebenen-Array aus Pixeln zur Detektion von Infrarotstrahlung
zwischen nominal 3 und 5 μm,
was zur Verfolgung einer Kugel geeignet ist.
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Ein
erheblicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass das gesamte
Panorama mit niedriger Auflösung
beobachtet werden kann, während
gleichzeitig ein Bereich des Panoramas in hoher Auflösung überwacht wird,
wodurch zwei grundsätzlich
unterschiedliche Funktionen in eine Vorrichtung integriert werden.
Ein anderer Vorteil ist, dass der volle Querschnitt des Detektors
verwendet werden kann, da zwei unabhängige Bilder erzeugt werden,
während
eine Abbildung des Panoramas alleine auf den Detektor nur einen
ringförmigen
Bereich des Detektors verwenden würde und das Zentrum des Detektors
nicht verwenden würde.
Ferner können in
Abhängigkeit
von der Spiegelkonfiguration entweder hochauflösende oder niedrigauflösende Winkel
des Panoramas von der Mitte des Detektors weg gerichtet werden,
wodurch die Auflösung
erheblich verbessert wird.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung werden den Fachleuten beim Lesen
der folgenden detaillierten Beschreibung unter Bezugnahme auf die
zugehörige
Zeichnung deutlich werden.
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1 ist eine geschnittene
Ansicht einer Ausführung
der Erfindung mit Strahlengängen,
insbesondere eine Ausführung,
bei der Winkel des Panoramas mit größerer Höhe weiter entfernt von der
Mitte des Detektors abgebildet werden;
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2 ist eine perspektivische
Ansicht eines Teils der Erfindung, die zeigt, wie Lichtstrahlen
auf die Oberfläche
des Detektors abgebildet werden, und
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3 ist eine geschnittene
Ansicht einer anderen Ausführung
der gegenwärtigen
Erfindung mit Strahlengängen,
insbesondere bei einer solchen Ausführung, bei der Winkel des Panoramas
mit niedrigerer Höhe weiter
von der Mitte des Detektors entfernt abgebildet werden.
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Wie
in den zugehörigen
Figuren zu sehen, bezieht sich die gegenwärtige Erfindung auf eine optische Vorrichtung,
die gleichzeitig das gesamte Panorama in niedriger Auflösung überwachen
kann, als auch einen ausgewählten
Bereich des Panoramas in hoher Auflösung. Eine Ausführung der
gegenwärtigen
Erfindung, bei der Winkel des Panoramas mit großer Höhe weiter von der Mitte des
Detektors entfernt abgebildet werden, ist in 1 gezeigt. In dieser und in nachfolgenden
Figuren verdeutlichen Strahlengänge
den Weg, den Lichtstrahlen (Photonen) nehmen, bevor sie detektiert
werden. Der Begriff "Licht" wird hier breit
verwendet, so dass er sowohl sichtbare als auch unsichtbare Photonen
umfasst. Einfallende Lichtstrahlen 20, 20', 24 und 24' fallen auf
einen ringförmigen
konvexen Spiegel 32, der aus Aluminium oder irgend einem
anderen Material (allgemein ein Metall) hergestellt ist, das bei
der Wellenlänge
der einfallenden Lichtstrahlen reflektierend ist. Alternativ kann
eine nicht reflektierende oder teilweise reflektierende Oberfläche für eine bestimmte
Wellenlänge oder
einen bestimmten Spektralbereich beschichtet werden. Der mittlere
Infrarotbereich des Spektrums (3–5 μm) wird häufig verwendet, um Projektile
zu verfolgen. 1 zeigt
nur einen Schnitt eines konvexen Spiegels 32, bei dem es
sich um ein dreidimensionales Objekt handelt, das vorzugsweise symmetrisch
zu der Achse 34 ausgerichtet ist. So wird der Spiegel 32 verwendet,
um das gesamte Panorama von 360 Grad zu betrachten. Ein Loch 35 in
der Mitte des konvexen Spiegels 32 erlaubt den Durchtritt
von Lichtstrahlen aus einem ausgewählten Teil des Panoramas, wie
nachfolgend beschrieben. Der konvexe Spiegel 32 kann eine
von vielen Arten von konvexen Oberflächen haben, wie etwa ein Ellipsoid,
ein Paraboloid oder Hyperboloid, obwohl die beste Bildqualität mit einer
hyperboloiden Fläche
erhalten wird. Ferner kann der Spiegel 32 so ausgebildet
sein, dass er einen gewünschten
Teil der Atmosphäre
abschneidet, was für
Anwendungen in einer ländlichen
Umgebung zur Verfolgung von Kugeln so gering wie etwa 20 Grad in
der Höhenrichtung
sein könnte.
Andererseits könnten Anwendungen
in einer städtischen
Umgebung ein Ausschneiden von 40 Grad erfordern. Z. B. kann der
konvexe Spiegel 32 so geformt sein, dass der Sichtbereich
in der Höhe
von 5 Grad unterhalb des Horizontes bis zu 35 Grad des Horizontes
reicht, wie in
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1 gezeigt. Alternativ könnte der
Spiegel 32 so gekrümmt
sein, dass sich das Beobachtungsfeld in der Höhe von dem Horizont bis zu
40 Grad oberhalb des Horizontes erstreckt. Wie der konvexe Spiegel 32 genau
geformt ist, hängt
von der jeweiligen Anwendung ab.
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Der
Spiegel 32 reflektiert die einfallenden Lichtstrahlen 20, 20', 24 und 24' auf einen Satz 36 von
optischen Komponenten, wie etwa Linsen, die um die Achse 34 ausgerichtet
sind. Der Satz von Linsen 36 bildet das Panorama durch
ein Vakuumfenster 38 und dann durch eine Iris 40 zu
einer Brennebene 41 ab. Dies erlaubt es, dass die Iris 40 vakuumgekühlt wird.
Ein Detektor 42 zum Detektieren von Photonen ist nachfolgend zu
der Iris 40 angeordnet. Obwohl 1 den Satz von Linsen 36 als
aus sieben Linsen bestehend zeigt, gibt es viele Kombinationen von
Linsen oder anderen optischen Komponenten, die verwendet werden
könnten,
um das Panorama auf den Detektor 42 wieder abzubilden.
Alle der in 1 sowie
in den nachfolgenden Figuren gezeigten Komponenten sind in einem
geeigneten Gehäuse
oder auf andere Weise fest miteinander montiert. Das Verhältnis zwischen
den einfallenden Lichtstrahlen 20, 20', 24 und 24', der Iris 40 und
dem Detektor 42 wird nachfolgend vollständiger im Zusammenhang mit 2 diskutiert. Es können zahlreiche
Infrarot übertragende
Materialien für
das Fenster 38 verwendet werden, wie etwa Saphir oder Silicon.
Das Fenster 38 schirmt den Detektor 42 gegenüber der
Atmosphäre
ab, was es erlaubt, den Detektor vakuumzukühlen. Die Detektion von Photonen
in dem mittleren Infrarotbereich des Spektrums (nominal 3–5 μm) erfordert
allgemein aktives, kryogenes Kühlen
der Detektionsvorrichtung. Die Iris 40 dient andererseits
als eine Abschirmblende, die so unerwünschtes Licht abschirmt. Die
Iris 40 kann aus Metall oder einem anderen undurchsichtigen
Material hergestellt sein und dient teilweise als eine Kälteabschirmung
für den
Detektor 42. Ein 480 × 480
großes
Array aus gekühlten,
Indiumantimonid-Pixeln 43 (InSb) arbeitet gut als Detektor 42,
wobei jedes Pixel 43 ungefähr 20 μm × 20 μm groß ist. Jedoch können zahlreiche
verschiedene Materialien für
den Detektor 42 verwendet werden, und gleichfalls sind
unterschiedliche geometrische Anordnungen der Pixel möglich. In
dem Infrarotbereich des Spektrums verwendete Detektoren werden in "Infrared Detectors", Hudson and Hudson,
Editors, Dowden, Hutchinson and Ross, Inc., 1975 diskutiert.
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2 zeigt das Verhältnis zwischen
den einfallenden Lichtstrahlen 20, 20', 24 und 24', der Blende 40 und
den Pixeln 43 des Detektors 42. Zum Zwecke der
Klarheit ist das Fenster 38 nicht gezeigt. Nach dem Hindurchtreten
durch den Satz von Linsen 36 und die Blende 40 werden
die einfallenden Lichtstrahlen 20, 20', 24 und 24' durch das Fenster 38 (nicht
dargestellt) auf die Oberfläche
des Detektors 42 abgebildet, der viele Pixel 43 aufweist.
Die Lichtstrahlen 20 und 20' haben einen Elevationswinkel (d.
h. der Winkel, den sie in Bezug auf den Horizont bilden), der größer als
die in 1 gezeigten Lichtstrahlen 24 und 24' ist. Bei dieser
Ausführung der
Erfindung werden die Lichtstrahlen 20 und 20' auf die Pixel 43 weiter
entfernt von der Achse 34 als die Lichtstrahlen 20 und 20' abgebildet.
Lichtstrahlen, die einen Elevationswinkel haben, der gleich dem
der Lichtstrahlen 20 und 20' ist, werden in einen Kreis von
Licht 22 auf die Pixel 43 abgebildet. Gleichermaßen werden Lichtstrahlen,
die einen Elevationswinkel haben, der gleich dem der der Strahlen 24 und 24' ist, einen
Kreis aus Licht 26 bilden. Demnach bilden Lichtstrahlen,
die die Pixel 43 erreichen und einen Elevationswinkel zwischen
diesen beiden Winkeln haben, einen Ring aus Licht 28, der
durch die Kreise aus Licht 22 und 26 definiert ist.
Bei der in 1 gezeigten
Ausführung
der Erfindung werden Photonen, deren Elevationswinkel größer ist, weiter
von der Mitte des Detektors 42 entfernt abgebildet, der
vorzugsweise entlang der Achse 34 ausgerichtet ist. Da
der Detektor 42 aus einem Array aus zahlreichen Pixeln 43 besteht,
deckt jedes Pixel 43 einen bestimmten festen Winkel des
zu überwachenden
Raumes ab. Da es aufgrund von geometrischen Erwägungen mehr Pixel geben muss,
die von Kreisen geschnitten werden, die weiter von der Mitte des
Detektors 42 entfernt sind, als näher daran sind, ist die Auflösung des
Panoramas für
höhere
Elevationswinkel in 1 größer als
für niedrige
Elevationswinkel. Somit gibt 1 eine
Ausführung
der Erfindung wieder, die am besten für die Anwendungen geeignet
ist, die eine höhere
Auflösung
bei höheren
Elevationswinkeln erfordern.
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Indem
die bei den Pixeln 43 des Detektors 42 registrierte
Lichtintensität
periodisch elektronisch gelesen wird, kann die Flugbahn eines verfolgten
Objektes unter Verwendung von Rechenalgorithmen auf der Basis der
Newton'schen Physik
berechnet werden, nachdem eine Korrektur für Verzerrungen vorgenommen
wurde, die durch den konvexen Spiegel 32 verursacht sind.
Die Benutzung von Detektions- und Verfolgungsmechanismen wird diskutiert
in "Imaging Infrared:
Scene Simulation, Modeling, and Real Image Tracking", August J. Huber,
Milton J. Triplett and James R. Wolverton, Editors, Proceeding of
SPIE, vol. 1110, 1989. Mathematische Transformationen zur Kompensation
der optischen Verzerrung werden in "Digital Picture Processing", 2nd edition. vo1.
2, A. Rosenfeld and A. Kak, Editors, Academic Press, Inc., 1982,
diskutiert. Information betreffend zwei dimensionale Überwachungsarrays,
wie sie elektronisch ausgelesen werden, können in "Staring Infrared Focal Plane Technology", Pocock, Editor,
Proceedings of SPIE, vo1. 267, 1981 gefunden werden.
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Ein
Teil des Panoramas kann auch in hoher Auflösung mit einem Zielspiegel 50 abgebildet
werden, wie in 1 gezeigt.
Der Zielspiegel 50 wird zum raummäßigen Zielen und Verfolgen
sowohl für
Azimuth- (360 Grad) als auch für
Elevationswinkel (90 Grad) verwendet. Er befindet sich
oberhalb eines Satzes 52 aus optischen Komponenten, wie
etwa Linsen, und ist wie der konvexe Spiegel 32 und der
Zielspiegel 50 entlang der Achse 34 orientiert.
Der Zielspiegel 50 reflektiert Photonen, die von dem einfallenden
Lichtstrahl 54 repräsentiert
sind, aus einem gewünschten
Bereich des Panoramas auf den Satz 52 von Linsen, der auf
einfallende Lichtstrahlen in einer solchen Weise einwirkt, dass
diese durch den Satz von Linsen 36 harmonisch zu der Brennebene 41 und
auf die Pixel 43 in der Nähe der Achse 34 gerichtet
werden. Der Satz von Linsen 52 ist hier mit drei Linsen
dargestellt, die als ein Linsenobjektiv arbeiten, das ein Bild erzeugt,
das auf das von dem Satz von Linsen 36 erzeugte Bild abgestimmt
ist. Jedoch können
andere Kombinationen von optischen Komponenten verwendet werden.
Die Transmission von Linsen und anderen optischen Komponenten kann
durch die Anwendung von Antireflektions-Coating verbessert werden,
die für
spezielle Wellenlängen
maßgeschneidert
werden können.
Eine optische Beschreibung für
die Ausführung
der Erfindung gemäß 1 wird am Ende der Beschreibung
gegeben.
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Eine
andere Ausführung
der Erfindung ist in 3 gezeigt.
Die mit einem Strich versehenen Elemente in 3 funktionieren im Wesentlichen genauso
wie ihre Gegenstücke
ohne Strich gemäß 1. Jedoch wurde der konvexe
Spiegel in 1 durch zwei
Spiegel ersetzt, einen konvexen ringförmigen Spiegel 60,
der zusammen mit einem Faltspiegel 62 arbeitet, der den
optischen Weg invertiert. Der Faltspiegel 62 ist ein flacher, ringförmiger Spiegel,
der oberhalb des konvexen Spiegels 60 angeordnet ist. Der
konvexe ringförmige
Spiegel 60 hat ein erstes Loch 35' , und der Faltspiegel 62 hat
ein Loch 35'' . Die Spiegel 60 und 62 sind
beide vorzugsweise symmetrisch zu einer Achse 34' ausgerichtet.
Die Krümmung
des konvexen Spiegels 60 ist typischerweise weniger steil
als diejenige des konvexen Spiegels 32 in 1. Der konvexe Spiegel 60 ist
in 3 beim Sammeln eines
Bildes gezeigt, das sich von 5 Grad unter dem Horizont 74, 74' bis zu 30 Grad
oberhalb des Horizonts 70, 70' erstreckt, obwohl andere Bereiche
gleichfalls ausgewählt
werden könnten,
wobei der konvexe Spiegel 60 in entsprechender Weise ausgebildet
ist. Wie bei 1 bildet
ein Satz 36' aus
optischen Komponenten, wie etwa Linsen, das Panorama durch eine
Blende 40' zu
einer Brennebene 41' und
auf Pixel 43' ab,
die sich über
die Oberfläche
eines Detektors 42' erstrecken.
Da der optische Weg jedoch invertiert wird, werden Winkel des Panoramas
mit niedrigerer Elevation näher
an der Achse 34' abgebildet,
im Vergleich zu dem in 1 gezeigten
Fall. Die Konfiguration gemäß 3 wäre deshalb für solche
Anwendungen geeignet, die eine vergrößerte Auflösung von Objekten bei niedrigeren
Elevationswinkeln oder in der Nähe
des Horizontes erfordern.
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Dies
ist genauer in 2 gezeigt,
die das Verhältnis
zwischen einfallenden Lichtstrahlen 70, 70', 74 und 74', der Blende 40' und Pixeln 43' auf dem Detektor 42' zeigt. Wie
in 3 gezeigt, haben
Lichtstrahlen 70 und 70' einen Elevationswinkel, der größer als
der der Lichtstrahlen 74 und 74' ist. Bei dieser Ausführung der
Erfindung werden Lichtstrahlen 70 und 70' auf die Pixel 43' näher an der
Achse 34' als
die Lichtstrahlen 74 und 74' abgebildet. Lichtstrahlen, die
einen Elevationswinkel haben, der gleich dem der Lichtstrahlen 70 und 70' ist, werden
in einen Kreis aus Licht 76 auf die Pixel 43' abgebildet,
und Lichtstrahlen, die einen Elevationswinkel haben, der gleich
dem der Lichtstrahlen 74 und 74' ist, bilden einen Kreis aus Licht 72.
Demnach bilden Lichtstrahlen, die die Pixel 43' erreichen und
Elevationswinkel zwischen diesen beiden Winkeln haben, einen Ring
aus Licht 78, der durch die Kreise aus Licht 72 und 76 definiert
ist. Bei dieser Ausführung
der Erfindung werden niedrigere Elevationswinkel des Panoramas auf
die Pixel 43' weiter
entfernt von der Achse 34' abgebildet.
Dies ist das Gegenteil des Falls, der in 1 beschrieben wurde, und so ist die Auflösung des
Panoramas bei niedrigeren Elevationswinkeln in 3 höher
als die Auflösung
bei höheren
Elevationswinkeln. Somit zeigt 3 eine
Ausführung
der Erfindung, die für
Anwendungen geeignet ist, die eine höhere Auflösung von Objekten erfordert,
die bei niedrigeren Elevationswinkeln auftauchen.
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Eine
optische Ausgestaltung der in 1 gezeigten
Erfindung ist in den Tabellen 1 und 2 gegeben, für optische Wege für das Engfeld
(hohe Auflösung)
bzw. das Panorama (niedrige Auflösung).
Tabelle 3 listet verschiedene optische Charakteristiken auf, die
der in den Tabellen 1 und 2 dargelegten optischen Auslegung entsprechen.
Die Tabellen 4 bis 6 geben analoge Information für die Ausführung der in 3 gezeigten Erfindung. Die in diesen
Tabellen gegebenen optischen Auslegungen werden verwendet, um die 1 und 3 zu erzeugen, außer dass das Vakuumfenster 38 (38') und der Zielspiegel 50 (50') später zu den 1 und 3 hinzugefügt wurden und in den hier offenbarten
optischen Auslegungen nicht enthalten sind. Die zahlreichen reflektierenden
und brechenden Oberflächen
in den optischen Auslegungen werden mit der wohlbekannten sag-Formel
erzeugt, in der die für
diese Formel notwendigen Koeffizienten in den Tabellen erscheinen.
Jede Auslegung erzeugt ein optisches Design, indem an der Brennebene 41 (41') begonnen wird
und entweder zum Spiegel 50 (50') oder 32 (60)
weitergearbeitet wird, d. h. entgegen der Richtung, die Photonen
nehmen, die sich in Richtung des Detektors 42 (42') bewegen. Demnach
wird der Krümmungsradius
(als "RD" in den Tabellen
bezeichnet) als positiv angesehen, wenn die fragliche optische Oberfläche einen
Krümmungsradius
hat, der weiter entfernt (im Sinne des optischen Weges) von der
Brennebene 41 (41')
ist, als die optische Fläche
selbst. Gleichermaßen
zeigt eine positive Dicke ("TH" in den Tabellen)
zwischen Oberflächen
an, dass die beschriebene Oberfläche
weiter entfernt (im Sinne des optischen Weges) von der Brennebene 41 (41') ist als die
zuvor aufgelistete Fläche.
Das in der letzten Spalte jeder Tabelle aufgelistete Medium ist
das Medium, das beim Fortpflanzen von der durch die Koeffizienten
in der Reihe beschriebenen Fläche
zu Spiegeln 50 (50')
oder 32 (60) und weg von der Brennebene 41 (41') auftritt.
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TABELLE
1. Optische Auslegung für
die in dem Engsichtfeld von FIG. 1 definierten Komponenten
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TABELLE
2. Optische Auslegung für
die in dem Panoramasichtfeld von FIG. 1 definierten Komponenten
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TABELLE
3. Optische Systemcharakteristiken der in den Tabellen 1 und 2 und
FIG. 1 angegebenen Ausführung
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TABELLE
4. Optische Auslegung für
die in dem Engsichtfeld von FIG. 3 definierten Komponenten
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TABELLE
5. Optische Auslegung für
die in dem Panoramasichtfeld von FIG. 3 definierten Komponenten
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TABELLE
6. Optische Systemcharakteristiken der in den Tabellen 4 und 5 und
FIG. 3 angegebenen Ausführung
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Obwohl
bestimmte Ausführungen
der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, werden den Fachleuten
zahlreiche Variationen und alternative Ausführungen einfallen. Demnach
ist es beabsichtigt, dass die Erfindung lediglich durch die zugehörigen Ansprüche begrenzt
ist.
