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Diese
Erfindung bezieht sich auf eine Linsenanordnung für einen
Vorwärts-Infrarotsensor (FLIR) mit
mehreren Sehfeldern.
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Luftfahrt-FLIR-Sensoren
sind gewöhnlich
in einer abgeschnittenen, kugelförmigen
Hülle untergebracht,
typisch wie jene, die in einer zweiachsigen Masse-Kardanrahmenanordnung
verwendet wird. Die Abflachung ist erforderlich, um die Kardanrahmenstruktur
aufzunehmen, die daran gesichert ist. Die Größe des kugelförmigen Gehäuses wird
gewöhnlich
durch den kleinsten Durchmesser bestimmt, der erforderlich ist,
die optische Anordnung zu umgeben. Folglich nutzt die Optik den
Großteil des
Rauminhalts innerhalb der abgeschnittenen Kugel und es bleibt nur
wenig Raum übrig
für die
anderen notwendigen Bestandteile, wie zum Beispiel den Detektor
und seine Kühlvorrichtung
und die Elektronik. Der Raum für
andere elektrooptische Geräte
ist daher ebenso sehr beschränkt.
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Ferner
war die Maximalgröße des FLIR-Öffnungsdurchmessers
nach dem Stand der Technik begrenzt auf weniger als und höchstens
45 Prozent des Durchmessers des kugelförmigen Gehäuses aufgrund der Optik und
des Verlusts an Rauminhalt innerhalb des Gehäuses für ein flaches Fenster, um die
optische Blendenöffnung
und die Fenstersenkung innerhalb der kugelförmigen Hülle zu bedecken. Diese flachen
Fenster verursachen auch Schwankungen des Luftwiderstands an dem
Kardanrahmen als Funktion des Kardanrahmenwinkels, was die Stabilisierung
für hohe
Auslösung
erschwert.
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Existierende
FLIR-Sensoren sind für
eine gegebene Anzahl an Detektorelementen ausgelegt, zum Beispiel
240 oder 480, und erfordern einen vollständigen Neuentwurf der Optik
und Sensoren, um die Leistungseigenschaften zu ändern.
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Alle
bekannten FLIR-Systeme nach dem Stand der Technik umschließen die
FLIR-optischen Bestandteile innerhalb der kugelförmigen Hülle kleinster Größe, wie
oben beschrieben ist, oder weisen ein vergrößertes Ausmaß der Optik
auf, um eine bekannte kugelförmige
Größe auszufüllen. Die
anderen Bestandteile werden in den verbleibenden Raum eingepasst,
der gewöhnlich
minimal ist. In dem Fall eines Flugzeuggehäuses, wie zum Beispiel jenes des
F18-Flugzeugs, wird ein Überschlags-Neigungskardanring
eingesetzt. Die abgeschnittene kugelförmige Hülle enthält nur optische Bestandteile,
und zusätzliche
Optik muss das Bild an den Detektor und andere Bestandteile weiterleiten,
die auf anderen Teilen des Kardanrahmens angeordnet sind. Ein Beispiel
eines kardanisch aufgehängten
Systems ist in
US 5262630 dargestellt.
Ein Beispiel einer Linsenanordnung für ein optisches System kann
in
US 4695119 gefunden
werden.
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Zusammenfassend übersteigt
die optische Blendenöffnung
nach dem Stand der Technik in keinem bekannten Kardanrahmen-FLIR
45 Prozent des kugelförmigen
Hüllendurchmessers
und die Optik und das Fenster erstrecken sich von der Vorderseite zur
Rückseite
der Kugel. Alle bekannten hoch auflösenden FLIRs nach dem Stand
der Technik verwenden flache Fenster in dem kugelförmigen Gehäuse. Wenn
die FLIR-Öffnung
groß ist
verglichen mit dem Durchmesser des kugelförmigen Gehäuses, ist die Senkung des flachen
Fensters von der Kugelform ebenfalls groß. Dies führt zu einer Schwankung des Luftwiderstands
als Funktion des Kardanrahmenwinkels und verursacht Drehmomentschwankungen
an dem Kardanrahmen. Keine bekannten FLIRs nach dem Stand der Technik
weisen die Fähigkeit
auf, die Detektor-Arrays von 240 Elemente auf 480 Elemente zu ändern.
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Besondere
und bevorzugte Gesichtspunkte der Erfindung sind in den begleitenden
unabhängigen
und abhängigen
Ansprüchen
dargelegt. Merkmale der abhängigen
Ansprüche
können,
soweit angemessen, mit jenen der unabhängigen Ansprüche kombiniert
und in anderen Kombinationen als jene, die ausdrücklich in den Ansprüchen dargelegt
sind, verwendet werden.
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Eine
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung stellt eine äußerst kompakte Linsenanordnung
für einen
FLIR-Sensor mit mehreren Sehfeldern (FOV), vorzugsweise drei FOV,
bereit, der die Größe und das
Gewicht minimiert, das erforderlich ist, um eine hohe Auflösung mit
einer optischen Blendenöffnung
großen
Durchmessers zu erreichen. Der Durchmesser der optischen Blendenöffnung ist
etwas größer als
der halbe Durchmesser der kugelförmigen Hülle oder
des Gehäuses,
ungefähr
52 Prozent des Durchmessers der kugelförmigen Hülle in einer bevorzugten Ausführungsform
und zusätzlich
sind alle optischen Bestandteile in weniger als einer Hälfte der kugelförmigen Hülle angeordnet,
was reichlich Raum für
andere erforderliche Bestandteile übrig lässt. Der Sensor ist so aufgebaut,
in eine abgeschnittene, kugelförmige
Hülle zu
passen, typisch wie jene, die für zweiachsige
Masse stabilisierte Kardanrahmen verwendet wird. Das Fenster für die große FLIR-Öffnung stimmt mit der kugelförmigen Hülle überein,
um den Luftwiderstand zu minimieren und stellt die Farbkorrektur
für die
Eng-FOV-Optik bereit. Das gesamte optische System in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung kann für existierende 240 Element- und
480 Elementdetektoren ausgelegt sein.
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Kurz
dargestellt wird ein FLIR-System mit einer FLIR-Linsenanordnung
bereitgestellt, die ein im Wesentlichen kugelförmiges, möglicherweise abgeschnittenes,
Gehäuse
mit einem Mittelpunkt und im Wesentlichen kreisförmigen Querschnitten umfasst und
ein optisches Fenster, das in dem Gehäuse angeordnet ist und sich
zu der Außenfläche des
Gehäuses
erstreckt, wobei der Durchmesser des optischen Fensters den Radius
eines kreisförmigen
Querschnitts, der durch den Mittelpunkt des Gehäuses geht, übersteigt. Das optische Fenster
ist eine Linse, die einen Teil des optischen FLIR-Systems bildet,
wobei die Linse eine beinahe kuppelförmige negative Linse aus relativ
stark streuendem Material ist. Das System umfasst ferner eine positive
Linse, die benachbart zu der negativen Linse aus relativ gering streuendem
Material angeordnet ist. Das System umfasst ebenso ein erstes optisches
System, das innerhalb des Gehäuses
angeordnet ist und sich zu einem ersten Fenster an dem Gehäuse erstreckt,
um Licht zu erhalten. Das erste optische System ist in einem Rauminhalt
innerhalb des Gehäuses
angeordnet, der durch das Gehäuse
und eine Ebene, die durch den Mittelpunkt des Gehäuses geht,
begrenzt ist. Das erste optische System umfasst ein afokales Linsensystem
aus einem ersten Linsenpaar, wobei eine Linse an einer Gehäusewand
angeordnet ist, einen ersten Spiegel, der innerhalb des Rauminhalts innerhalb
des Gehäuses,
der durch das Gehäuse und
die Ebene, die durch den Mittelpunkt des Gehäuses geht, angeordnet ist und
Licht reflektiert, das durch das erste Linsenpaar fällt und
darauf auftrifft, einen zweiten Spiegel, um das von dem ersten Spiegel
reflektierte Licht zu erhalten und das Licht entlang eines Wegs
parallel zu dem Licht, das auf den ersten Spiegel auftrifft, zu
reflektieren und eine weitere Vielzahl an Linsen, um das Licht,
das von dem zweiten Spiegel reflektiert wird, zu übertragen.
Eine Linse des ersten Linsenpaars ist eine beinahe kuppelförmige negative
Linse aus relativ stark streuendem Material und die andere Linse
ist eine positive Ge-Linse aus relativ gering streuendem Material,
die benachbart zu der negativen Linse angeordnet ist. Das von dem
ersten Spiegel reflektierte Licht wird bevorzugt in eine Richtung reflektiert,
die senkrecht zu der Richtung des Lichts ist, das auf den ersten
Spiegel auftrifft. Das System umfasst ferner ein zweites Fenster,
das an der Oberfläche
des Gehäuses
angeordnet ist und ein zweites optisches System, das in dem Rauminhalt
innerhalb des Gehäuses,
der durch das Gehäuse und
eine Ebene, die durch den Mittelpunkt des Gehäuses geht, begrenzt ist, angeordnet
ist, das Licht durch das zweite Fenster erhält und in der Lage ist, wahlweise
das zweite optische System durch einen Teil des ersten optischen
Systems zu ersetzen. Das System umfasst ferner eine Vorrichtung,
um das zweite optische System wahlweise durch das erste Linsenpaar,
den ersten Spiegel und den zweiten Spiegel zu ersetzen.
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Beispielhafte
Ausführungsformen
der Erfindung werden hierin nachstehend nur beispielhaft mit Bezug
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
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1 ein
schematisches Diagramm einer optischen Anordnung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung ist, die innerhalb eines kugelförmigen Gehäuses angeordnet
ist;
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2 eine
vergrößerte Perspektivansicht des
Eng-FOV-Optikteils der optischen Anordnung aus 1 ist;
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3 eine
vergrößerte Perspektivansicht des
Mittel-FOV-Optikteils der optischen Anordnung aus 1 ist;
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4 eine
vergrößerte Perspektivansicht des
Weit-FOV-Optikteils der optischen Anordnung aus 1 ist;
und
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5a, 5b und 5c Seitenansichten einer
baulichen Anordnung zum Umschalten zwischen den drei Sehfeldern
(FOVs) sind, wobei 5a die Anordnung für ein Weit-FOV
(WFOV) darstellt, 5b die Anordnung für ein Eng-FOV (NFOV) darstellt
und 5c die Anordnung für ein Mittel-FOV (MFOV) darstellt.
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In 1 ist
eine optische FLIR-Anordnung in Übereinstimmung
mit der vorliegenden Erfindung dargestellt, in der die optischen
Bestandteile in der unteren vorderen Hälfte des abgeschnittenen kugelförmigen Gehäuses 1 angeordnet
sind. Die andere Hälfte
des Gehäuses
ist für
die anderen Bauteile, wie zum Beispiel den Detektor 3,
die Detektorkühlung (nicht
dargestellt), die Kreisel (nicht dargestellt) und die Elektronik
(nicht dargestellt), verfügbar.
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Das
Gehäuse 1 umfasst
ein Fenster 11 für das
Eng-FOV-System und ein Fenster 7 für das Mittel- und Weit-FOV-System.
Das Bild, das durch das Fenster 11 für das Eng-FOV-System eintritt,
verläuft auf
einem geknickten Weg, indem es anfangs auf einen Diamantspitzendreh-(DPT)-Knickspiegel 9,
der typischerweise ein Aluminiumspiegel ist, der gewöhnlich entlang
einer Ebene angeordnet ist, die durch den Mittelpunkt des Gehäuses 1 geht,
zur Ablenkung des Strahlengangs auftrifft. Wie in 1 ersichtlich
ist, ist die gesamte FOV-Optik innerhalb der Hälft des Gehäuses auf einer Seite der Ebene
des Spiegels 9 angeordnet. Wie hierin nachstehend beschrieben
wird, wird ein Teil der Optik des optischen Systems in Verbindung
mit jeweils dem Eng-, Mittel- und Weit-FOV-System verwendet.
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Das
Eng-FOV-System ist ausführlicher
in 2 beschrieben und umfasst eine erste gekrümmte, beinahe
kuppelförmige
negative ZnS-Linse 11 aus stark streuendem Material, die
ebenfalls als Fenster an der Oberfläche des Gehäuses 1 für das Eng-FOV-System
agiert. Diese Linse weist einen Krümmungsradius an der Außenfläche auf,
der nahe, jedoch nicht notwendigerweise derselbe ist, wie jener der
Oberfläche
des Gehäuses 1.
Eine positive Ge-Linse 13 aus gering streuendem Material
mit einem relativ großen
Krümmungsradius
an seiner Rückfläche und
einem relativ kleinen Krümmungsradius
an seiner Vorderfläche
ist benachbart zu der Linse 11 angeordnet und innerhalb
des Gehäuses 1. Kollimationslicht
fällt durch
die Linsen 11 und 13 und gegen den ersten DPT-Knickspiegel 9 auf
einen zweiten DPT-Knickspiegel 15.
Die Linse 11 liefert eine axiale Farbkorrektur. Das Licht
wird dann von dem Spiegel 15 auf eine Bildebene reflektiert,
dann durch eine Reihe von Linsen, die eine ZnS-Linse 17 umfassen,
gefolgt von den Ge-Linsen 19 und 21. Die bis zu
diesem Punkt beschriebenen Linsen umfassen ein afokales Linsensystem
mit einer 8,66-fachen Vergrößerung.
Das von der Linse 21 ausstrahlende Licht trifft auf einen
Abtastspiegel 22, der um eine vertikale Achse schwingt,
um das gesamte horizontale FOV horizontal abzutasten und wird von
dort durch eine Ge-Linse 23 auf einen Interlace-Spiegel 25 reflektiert.
Der Interlace-Spiegel 25 reflektiert das Licht dann in
einem verschachtelten Muster durch eine Detektoroptik, die die Ge-Linsen 27, 29 und
die ZnS-Linse 31 umfasst, und durch das Dewar-Fenster 33 zu dem
Detektor 3.
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Wie
in 1 gesehen werden kann, können das optische Mittel- und
Weit-FOV-System
unterhalb des optischen Eng-FOV-Systems und in derselben Halbkugelhälfte angeordnet
werden. Es ist zu verstehen, dass das optische Mittel- und/oder Weit- FOV-System mit nur
einem optischen Eng-FOV-System eliminiert werden kann und eins oder
keins der anderen offenbarten optischen Systeme vorhanden ist.
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In 3 ist
die Optik für
das Mittel-FOV-System ausführlicher
dargestellt. Das System umfasst ein Ge-Fenster 7, wie auch
in 1 dargestellt ist, durch das Kollimationslicht
fällt.
Dieses Kollimationslicht verläuft
dann durch eine Ge-Linse 41 und eine ZnSe-Linse 43 zu
der Linse 17, wie in 2 dargestellt
ist, und dann durch den Rest des optischen Systems zu dem Detektor 3,
wie in 2 dargestellt ist. Das optische System für das Mittel-FOV
ist bis zu dem Abtastspiegel 22 ein afokales Linsensystem. Wenn
das Mittel-FOV-System in Betrieb ist, werden der Spiegel 15 und
die für
das Weit-FOV-System bestimmte Optik, die hierin nachstehend beschrieben wird,
aus dem optischen Weg des Mittel-FOV-Systems entfernt.
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In 4 ist
die Optik für
das Weit-FOV-System ausführlicher
dargestellt. Das System umfasst das Ge-Fenster 7, wie ebenfalls
in den 1 und 3 dargestellt ist, durch das
Kollimationslicht fällt. Dieses
Kollimationslicht verläuft
dann durch drei Ge-Linsen 51, 53 und 55 und
eine GaAs-Linse 57 zu der Linse 17, wie in den
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2 und 3 dargestellt
ist, und dann durch den Rest des optischen Systems zu dem Detektor 3,
wie in den 2 und 3 dargestellt
ist. Das optische System für
das Weit-FOV ist bis zu dem Abtastspiegel 22 ein afokales
Linsensystem. Wenn das Weit-FOV-System in Betrieb ist, werden der Spiegel 15 und
die für
das Mittel-FOV-System
bestimmte Optik, die oben erläutert
ist, aus dem optischen Weg des Weit-FOV-Systems entfernt.
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In
den 5a, 5b und 5c ist
eine bauliche Anordnung zum Umschalten zwischen den drei Sehfeldern
(FOVs) dargestellt. Die MFOV- und WFOV-Linsen (M) und (N) sind in
einem gemeinsamen Linsengehäuse
(C) angebracht und drehen sich um einen Drehpunkt (M), der oberhalb
der Linse angeordnet ist, wie in diesen Figuren dargestellt ist.
Der NFOV-Knickspiegel (K) ist auf einem linearen Gleittisch (J)
angebracht, der sich nach links zu der optischen Achse (L) und zurück zu der
Position, die in 5c dargestellt ist, verschiebt.
Der NFOV-Knickspiegel (K) und der Gleittisch (J) sind hinter oder nach
achtern der MFOV-Linse (M) angeordnet.
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5a stellt
die Linse in der WFOV-Position dar, in der der NFOV-Knickspiegel
(K) rechts der optischen Achse (L) angeordnet ist. Die Linsenumschaltreihenfolge
ist: weit zu eng zu mittel oder mittel zu eng zu weit. Ein einzelner
Motor (O) wird verwendet, um die Linsen-FOVs umzuschalten. Der Motor (O)
treibt zwei Kurbelarme (A) und (D) über ein Zahnradgetriebe (E).
Ein Kurbelarm (A) treibt ein Gestänge (B), das an dem Linsengehäuse (C)
befestigt ist, um von der MFOV-Linse (M) zu der WFOV-Linse (N) und
zurück
umzuschalten. Der andere Kurbelarm (D) treibt ein Gestänge (F),
das an dem Eng-FOV-Knickspiegel (K) befestigt ist, um den Spiegel
umzuschalten.
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Wenn
sich der Motor (O) von der in 5a dargestellten
WFOV-Position in die in 5b dargestellte
NFOV-Position dreht, dreht sich das Linsengehäuse (C) im Uhrzeigersinn um
seinen Drehpunkt (M). Der Linsenantriebskurbelarm (A) dreht sich
im Uhrzeigersinn um 121 Grad und zieht an dem Linsenantriebsgestängearm (B),
der wiederum das Linsengehäuse
(C) in Richtung der MFOV-Position zieht. Gleichzeitig wird der Spiegelkurbelarm
(D) ebenfalls im Uhrzeigersinn um 224 Grad durch das Zahnradgetriebe
gedreht (E). Dieser Kurbelarm (D) zieht an dem Spiegelantriebsgestänge #1 (F),
was den Spiegelantriebskurbelzwischenarm (G) veranlasst, sich im
Uhrzeigersinn zu drehen. Der Kurbelzwischenarm (G) zieht an dem
Spiegelantriebsgestänge
#2 (H), das den linearen Spiegelgleittisch (J) nach links und in Richtung
der optischen Mittelachse (L) zieht. Der Motor (O) dreht sich weiter,
bis sich der NFOV-Knickspiegel (K) in der optischen Achse (J) und
in der NFOV-Position befindet. Wenn dies geschieht, befindet sich
die WFOV-Linse (N) links der optischen Achse (L) und die MFOV-Linse
rechts der optischen Achse, wie in 5b dargestellt
ist. Um von der NFOV-Position zu der MFOV-Position umzuschalten, dreht
sich der Motor (O) in derselben Richtung wie vorher weiter. Der
Linsenkurbelarm (A) dreht sich im Uhrzeigersinn 71 Grad weiter,
um das Linsengehäuse
(C) im Uhrzeigersinn zu ziehen, bis sich die MFOV-Linsen (M) in
der optischen Achse (L) befinden. Gleichzeitig dreht sich der Spiegelkurbelarm
(D) im Uhrzeigersinn 132 Grad weiter, so dass er an dem Spiegelgestänge #1 (F)
zu drücken
und den Spiegelantriebskurbelzwischenarm (G) im Uhrzeigersinn zu drehen
beginnt. Der Kurbelzwischenarm (G) drückt an dem Spiegelantriebsgestänge #2 (H),
das den linearen Gleittisch (J) zurück rechts der optischen Achse
(L) in die MFOV-Position,
die in 5c dargestellt ist, drückt. Der
Antriebsmotor (O) kann umgekehrt werden, um von MFOV zu NFOV zu
WFOV umzuschalten. Mechanische Anschläge (nicht dargestellt) werden
verwendet, das Linsengehäuse
in der MFOV- und WFOV-Position
und den Spiegel (K) in der NFOV-Position zu stoppen.
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In
der bevorzugten Ausführungsform,
die in den Zeichnungen dargestellt ist, beträgt die Eng-FOV-Öffnung 5
8,67 Zoll im Durchmesser und das kugelförmige Gehäuse 1 beträgt 16,67
Zoll im Durchmesser. Dies ergibt für die FLIR-Öffnung 5 52 Prozent des Durchmessers
des kugelförmigen
Gehäuses 1.
Das Fenster 11 für
die Eng-FOV-Optik liefert eine Farbkorrektur und weist einen Außenradius von
9,1 Zoll auf. Der Radius des kugelförmigen Gehäuses beträgt 8,335 Zoll. Der Senkungsunterschied zwischen
der Eng-FOV-Linse und der kugelförmigen Hülle ist
geringer als 0,15 Zoll oder 1,7 Prozent des Kugelradius, was außerordentlich
gute aerodynamische Eigenschaften bereitstellt. Die Senkung des kleinen
flachen Fensters 7 für
das Mittel- und Weit-FOV ist geringer als 0,25 Zoll von der kugelförmigen Hülle oder
3 Prozent des Kugelradius.
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Die
Optik ist ausgelegt, mit horizontal abgetasteten, tdi, Detektor-Arrays
mit 240 Elementen bei 28 Mikron Mittenabstand oder 480 Elementen
bei 25 Mikron Mittenabstand zu arbeiten. Dies erlaubt einen Änderung
der Leistung und Kosten des Sensors mit minimaler Systemänderung.
Bestandteile in der hinteren Hälfte
des kugelförmigen
Sensorgehäuses,
die den Detektor, die Kühlung
und die Elektronik umfassen, werden getauscht. Die teuersten Bestandteile wie
das Kardanrahmensystem und das optische System mit Linsenumschaltung
werden beibehalten. Das Mittel-FOV beträgt das 3,9-fache des Eng-FOV.
Das Weit-FOV beträgt
das 6,2-fache des Mittel-FOV und das 24,15-fache des Eng-FOV.
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Während die
Beschreibung mit Bezug auf Abtast-FLIRs bereitgestellt wurde, ist
die Erfindung nicht darauf beschränkt und kann ebenso auf Starr-FLIRs
durch Verwenden eines größeren FOV-Bildwandlers,
eines Knickspiegels für
den Abtaster und eines Starrbildebenendetektors für den Abtastdetektor
angewendet werden. Das FLIR der vorliegenden Ausführungsform
hierin verwendet eine 8 bis 10 Mikron-Optik und drei afokale Linsenanordnungen.
Andere Wellenlängensensoren
oder elektrooptische Systeme könnten
diese optische Anordnung einsetzen und die afokalen Linsen könnten mit
einfachen Objektivlinsen oder einem Abbildungslinsensystem ersetzt
werden.
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Die
optische Anordnung könnte
in jedem elektrooptischen System eingesetzt werden, das ein großes Öffnungsverhältnis in
einer nahezu kugelförmigen
Hülle erfordert,
wie zum Beispiel ein Flugkörpersensor
mit einem externen Kuppelfenster.
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Obwohl
die Erfindung mit Bezug auf eine spezielle bevorzugte Ausführungsform
beschrieben wurde, werden dem Fachmann viele Änderungen und Modifikationen
unmittelbar deutlich werden.