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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung betrifft
ein optisches System mit einem darin vorgesehenen Fenster, und insbesondere
ein optisches System, welches in einem Flugzeug oder einer Rakete
verwendet wird, wobei das Fenster eine angepaßte Fensterform hat.
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Ein optischer Sensor empfängt abgestrahlte Energie
von einer Szenerie und verwandelt sie in ein elektrisches Signal.
Das elektrische Signal dient zur Wiedergabe oder zur weiteren Verarbeitung
für eine Mustererkennung
oder dergleichen. Optische Sensoren sind in einer Vielfalt von Arten
und für
Wellenlängenbereiche
vom ultravioletten über
das sichtbare Licht bis in den Infrarotbereich hinein verfügbar. Optische
Sensoren werden in einer Vielfalt von zivilen und militärischen
Anwendungen eingesetzt. Bei einigen Anwendungen werden die optischen
Sensoren mit fester Orientierung montiert, während in anderen Anwendungen
der optische Sensor so bewegbar ist, daß er eine Schwenkbewegung ausführt, um
eine Detektierung über
einen weiten Winkelbereich zuzulassen.
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Die optischen Sensoren verwenden
im Allgemeinen ein fotoempfindliches Material, welches der Szenerie
ausgesetzt ist und ein elektrisches Ausgangssignal in Abhängigkeit
von der einfallenden Energie erzeugt. Das fotoempfindliche Material
und der Rest der Sensorstruktur sind ziemlich brüchig und werden leicht durch
Schmutz, Erosion, Chemikalien oder durch hohe Luftgeschwindigkeiten
beschädigt. Im
Betrieb befindet sich der Sensor hinter einem Fenster, durch welches
hindurch er die Szenerie betrachtet und welches den Sensor vor den
genannten äußeren Einflüssen schützt. Das
Fenster muß gegenüber der
Strahlung der Betriebswellenlänge
des Sensors transparent sein und Angriffen durch äußere Kräfte widerstehen.
Das Fenster muß es
dem Sensor auch gestatten, die Szenerie über das vorgeschriebene Betrachtungsfeld
hin zu betrachten.
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Das Fenster sollte im Idealfall keine
Wellenfrontverzerrungen in der Mitte des Blickfeldes außer einer
möglichen
sphärischen
Aberration einführen, insbesondere,
wenn der Sensor ein Bilderzeugungssensor ist. Je dicker und je stärker gekrümt das Fenster
ist, desto wahrscheinlicher ist die Einführung wesentlicher Wellenfrontverzerrungen.
Eine breite Vielfalt von Sensorfenstern wurde bei verschiedenen
Anwendungen in Flugzeugen eingesetzt. In vielen Fällen, beispielsweise
bei zivilen Hubschraubern niedriger Geschwindigkeit, sind flache
Fenster annehmbar. Fenster, welche als Segmenten von Kugeln gestaltet sind,
werden bei Anwendungen in Flugzeugen oder Raketen verwendet, doch
neigen diese Fenster zu hohen Wellenfrontverzerrungen, wenn der
Schwenkmittelpunkt sich nicht im Kugelmittelpunkt des Fensters befindet.
Bei all diesen Fensterarten ist, wenn das Fenster groß sein muß oder sich über einen
beträchtlichen
Abstand in einen Luftstrom hinein erstrecken muß, um ein großes Gesichtsfeld
zuzulassen, der aerodynamische Widerstand, der durch das Fenster
eingeführt
wird, groß.
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Für
Anwendungen bei Flugzeugen oder Raketen, welche mit hohen Geschwindigkeiten
fliegen, sollte das Fenster verhältnismäßig aerodynamisch sein,
so daß das
Vorhandensein des Fensters, das sich in den Luftstrom hinein erstreckt,
nicht unannehmbar hohe und/oder asymmetrische aerodynamische Widerstände auf
das Fahrzeug zur Wirkung bringt. Ein formangepaßtes Fenster ist daher vorteilhaft
zur Verminderung des Widerstandes und zur Erhöhung der Reichweite des Luftfahrzeuges.
Einige existierende formangepaßte
Fenster führen
große Wellenfrontverzerrungen
in den Sensorstrahl ein, insbesondere für hohe asimutale Zielwinkel
oder Blickrichtungen des Sensors.
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Eine wichtige Überlegung beim Einhalten annehmbarer
Kosten des Systems besteht darin, daß das formangepaßte Fenster
bezüglich
der Genauigkeit seiner Gestalt leicht zu prüfen sein muß und auch bei der Montage
in dem Fluggerät
leicht auszurichten sein muß.
Je komplizierter die Gestalt des formangepaßten Fensters ist, desto größer ist
der Aufwand bei der Prüfung
und Ausrichtung.
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Die
EP
0 616 187 offenbart ein optisches Abbildungssystem mit
einer im Wesentlichen konischen, transparenten Schutzkuppel und
einem optisch brechenden feststehenden Korrekturteil zur Umkehrung
der konischen Deformation, welche durch den Blick durch die Kuppel
hindurch erzeugt wird. Das System kann einen perfekten Konus mit
flachen Seiten als Schutzkuppel verwenden.
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Es besteht ein Bedarf bezüglich eines
verbesserten Fensters, das in Anwendungen formangepaßter Fenster
für Raketen
und Flugzeuge hoher Geschwindigkeit verwendet werden kann. Die vorliegende
Erfindung genügt
diesem Bedarf und bietet weiter zugehörige Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die vorliegende Erfindung schafft
ein optisches System und ein Verfahren zum Prüfen und Konstruieren eines
Fensters, wie in den Ansprüchen 1,
12 und 17 beansprucht ist. Die Gestalt des Fensters ist so gewählt, das
sie für
aerodynamische Zwecke angepaßt
ist und das Optimieren zum Erzielen ausgezeichneter optischer Eigenschaften
ermöglicht. Das
Fenster ist entsprechend einer vorgewählten Nominalform konstruiert
und die tatsächliche
hergestellte Gestalt läßt sich
leicht bestimmen und mit der Nominalform vergleichen, um festzustellen,
ob das tatsächliche
Fenster sich innerhalb der vorgeschriebenen Herstellungstoleranzen
befindet, und auch, ob irgendwelche Ungenauigkeiten mit einem optischen Kompensationssystem
kompensiert werden können.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung
enthält ein
optisches System ein Fenster, das aus einem gekrümmten Stück eines transparenten Materials
mit einer Innenfläche
und einer Außenfläche gebildet
ist. Die innere Oberfläche
hat eine nominelle kegelschnittartige innere Oberflächengestalt,
welche durch eine erste konische Krümmungsgleichung definiert ist.
Die erste konische Krümmungsgleichung kann
vorzugsweise in folgender mathematischer Form ausgedrückt werden: z = cp2/(1 + (1 – (1 + k)c2p2)1/2.
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Hierin ist z der Abstand längs der
Symmetrieachse der Fläche,
p ist der Abstand von der Mittellinie zur Oberfläche und k und c sind Konstanten.
Andere äquivalente
Ausdrücke
für eine
Kegelschnitt-Form können
auch zur Beschreibung der Gestalt der Innenfläche verwendet werden.
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Die Außenfläche hat eine nominelle Außenflächengestalt
im Wesentlichen asphärischer
Form, welche aber für
viele zweckmäßige Fälle als
eine zweite konische Krümmungsbeziehung
definiert werden kann, die durch mindestens einen asphärischen Ausdruck
modifiziert ist. Die zweite konische Krümmungsbeziehung, welche durch
mindestens einen asphärischen
Ausdruck modifiziert sein kann, wird vorzugsweise in der folgenden
mathematischen Form ausgedrückt: z' =
c'p'2/(1 + (1 – (1 + k')c'2p'2)1/2 +
Ap'4 +
Bp'6 +
Cp'6 + Dp'10.
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Hierin ist z' der Abstand längs einer Symmetrieachse der
Oberfläche,
p' ist der Abstand
von der Mittellinie zu der Oberfläche hin und k' und c', A, B, C und D sind
Konstanten. Viele andere mathematische Beziehungen können zum
Ausdrücken
der im Allgemeinen asphärischen
Form verwendet werden. Für die
vorliegenden Zwecke ist festzustellen, daß solche anderen asphärischen
mathematischen Formen als äquivalent
zu den hier angegebenen anzusehen sind.
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Weit weniger wünschenswert ist, wenn die äußere Fläche eines
nicht unter dem Umfang der vorliegenden Erfindung fallenden Beispiels
durch eine erste konische Krümmungsbeziehung
definiert ist und die innere Oberfläche durch eine zweite konische
Krümmungsbeziehung
definiert ist, welche durch mindestens einen asphärischen
Ausdruck modifiziert ist. Diese Lösung würde jedoch einige der Prüfungsvorteile
und Ausrichtungsvorteile zunichte machen, welche nachfolgend diskuiert
werden, so daß diese
Lösung
außerhalb
des Umfangs der Ansprüche
liegt.
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Die Innenfläche ist notwendigerweise kegelschnittartig
zum Erleichtern der nachfolgend beschriebenen Prüfung und Ausrichtung. Die Außenfläche des
Fensters ist so gewählt,
das sie eine andere Gestalt hat, welche in Verbindung mit der kegelschnittartigen
Innenfläche
des Fensters diesem die gewünschte
Brechung als Teil des optischen Systems verleiht. Diese Ausführungsform
liegt auch außerhalb
des Umfangs der Ansprüche.
Das bedeutet, die Wahl der einen Oberfläche als kegelschnittartig ist
der Schlüssel
zum Erleichtern der Prüfung
und Ausrichtung, und die Gestalt der anderen Oberfläche wird
in Verbindung mit der Form der konischen Oberfläche so gewählt, daß man die gewünschten
optischen Eigenschaften erhält.
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Das optische System enthält vorzugsweise einen
Sensor, der gegenüber
der Energie einer bestimmten Betriebswellenlänge empfindlich ist. Der Sensor
ist innerhalb des Fensters angeordnet, d. h. er befindet sich näher an der
Innenfläche
des Fensters als an der Außenfläche. Das
transparente Material ist gegenüber
der Energie der Betriebswellenlänge
transparent. Typischerweise ist eine Optik zwischen der Innenfläche des
Fensters und dem Sensor angeordnet, um das optische Strahlenbündel auf
den Sensor zu lenken.
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Das Fenster ist so konstruiert, daß die nominelle
Innenflächengestalt
eine kegelschnittartige Form hat, um die Prüfung und nachfolgende Ausrichtung
des Fenster in einem Flugzeug oder anderen Struktur zu erleichtern.
Die Tatsache, das die kegelschnittartige Gestalt zwei Brennpunkte
hat, einen naheliegenden Brennpunkt nahe an der Innenfläche, und
einen entfernten Brennpunkt weiter von der Innenfläche entfernt,
wird für
die Prüfung
und Ausrichtung verwendet. Die Prüfung ist erforderlich, da trotz der
Konstruktion der nominellen Innenflächengestalt entsprechend einer
bestimmten nominellen Beziehung die Herstellungsvorgänge im Allgemeinen
in bestimmten Änderungen
der Gestalt gegenüber
der idealen nominellen Gestalt, welche gewünscht wird, resultieren. Um
diese Variationen in den Griff zu bekommen und zu bestimmen, ob
sie sich innerhalb der annehmbaren Toleranzen befinden, wird das
Fenster zweckmäßig durch
Hindurchleiten eines Teststrahles eines Doppelstrahlinterferometers
durch den entfernten Brennpunkt, reflektieren des Strahls von der
Innenfläche
in Richtung auf den nachliegenden Brennpunkt, Reflektieren des Strahls
von einem shärischen Spiegel
an dem naheliegenden Brennpunkt zurück im Wesentlichen längs desselben
Strahlenweges (,welcher jedoch nicht genau derselbe Strahlenweg auf
Grund von Defekten der Innenfläche
sein mag) zu dem Interferometer und interferometrisches Kombinieren
des Teststrahles und eines Bezugsstrahles des Interferometers geprüft. Defekte
in der Inenfläche
werden durch Interferometerstreifenverlagerungen angezeigt, welche
gezählt
werden können,
um die Anzahl von halben Wellenlängen
anzuzeigen, um welche die Innenfläche gegenüber der gewünschten Form variiert. Mit
dieser Information wird festgestellt, ob die tatsächliche
Innenflächengestalt
des Fensters in die gewählten
Toleranzgrenzen fällt.
Diesselben Prinzipien werden auch zur Ausrichtung des Fensters verwendet,
wenn es in einer Struktur montiert wird.
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Die nominelle Außenflächengestalt des Fensters wird
so gewählt,
daß in
Verbindung mit der kegelschnittartigen Innenflächengestalt eine annehmbar
niedrige Verzerrung des Bildes auftritt, wenn es durch das Fenster
geht. Die nominelle Außenflächengestalt
wird unter Verwendung herkömmlicher
optischer Konstruktionsregeln bestimmt. Anders ausgedrückt, das
Fenster hat nominell eine ungleichförmige Dicke, wobei die absichtliche
Ungleichförmigkeit
die Basis für
eine bewußte
Gestaltung der Wellenfront ist, wenn sie durch Fenster tritt, um
eine minimale Aberration zu erhalten.
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Andere Merkmale und Vorteile der
vorliegenden Erfindung werden aus der folgenden detaillierteren
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform in Verbindung mit
den begleitenden Zeichnungen deutlich, welche beispielsweise die
Grundsätze
der Erfindung darstellen. Der Umfang der Erfindung wird jedoch nicht
durch diese bevorzugte Ausführungsform
beschränkt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1A und 1B sind perspektivische Ansichten
von einer Rakete mit einem darin vorgesehenen Fenster, wobei 1A ein im sogenannten Kinnbereich
montiertes Fenster zeigt und 1B ein
Nasenkuppelfenster wiedergibt;
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2 ist
eine schematische Darstellung eines optischen Systems nach der Erfindung
;
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3 zeigt
einen Ausschnitt eines Fensters;
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4 ist
ein Flußdiagramm
einer Möglichkeit
der Konstruktion und Herstellung des Fensters;
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5 ist
eine Grafik des Luftwiderstandkoeffizienten eines kuppelartigen
Fensters;
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6 ist
eine schematische Darstellung einer Einrichtung zur Prüfung des
Fensters; und
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7 ist
ein Flußdiagramm
einer Lösung
der Prüfung
und Ausrichtung des Fensters.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die 1A und 1B zeigen einen Flugkörper, im
vorliegenden Falle eine Überschallrakete 20 mit einem
Rumpf 22 und einem daran befestigten gekrümmten Fenster 24.
In 1A ist das Fenster 24 im
Kinnbereich befestigt und in 1B ist
das Fenster 24 eine Nasenkuppel. In jedem Falle ragt das Fenster 24 teilweise
in die Luftströmung
um die Rakete 20 hinaus und kann daher als Fenster der
Kuppelart bezeichnet werden.
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Das Fenster 24 ist Teil
optischen Systems 26, welches in 2 schematisch angegeben ist. Das optische
System 26 enthält
das Fenster 24, das an dem Rumpf 22 befestigt
ist. Eine Innenfläche 28 des
Fensters 24 stellt die konkave Oberfläche des Fensters 24 dar,
welche der Innenseite des Rumpfes 22 zugewandt ist. Eine
Außenfläche 30 des
Fensters 24 ist die konvexe Oberfläche des Fensters 24,
die nach außen
weist und in den Luftstrom vorsteht, wenn die Rakete 20 im
Fluge ist. Das optische System 26 enthält weiter einen Sensor 32 innerhalb
des Rumpfes 22 und daher näher an der Innenfläche 28 als
an der Außenfläche 30 des
Fensters 24 gelegen. Der Sensor 32 ist von irgendeiner
geeigneten Art, welche bei einer vorgegebenen Wellenlänge oder
in einem vorgegebenen Wellenlängenbereich
der einfallenden Energie arbeitet. Der Ausgang des Sensors 32 ist
ein elektrisches Signal, das an die Elektronik 34 geliefert
wird, die sich innerhalb des Rumpfes 22 oder entfernt davon
befinden kann. Eine Optik 36, welche schematisch durch
eine einzige Linse angegeben ist, befindet sich zwischen der Innenfläche 28 des
Fensters 24 und dem Sensor 32. Die Optik 36 kann
reflektierende Elemente, brechende Elemente oder andere optische
Verarbeitungselemente, beispielsweise Bildkompensatoren, enthalten.
Der Sensor 32, die Elektronik 34 und die Optik 36 können von irgendeiner
zweckmäßigen Art
einschließlich
solcher Bauformen sein, die in der Technik bekannt sind.
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3 zeigt
ein Segment des Fensters 24 in größerer Einzelheit. Die Innenfläche 28 des
Fensters 24 ist kegelschnittartig, wobei die Gestalt mathematisch
durch eine erste Kegelschnittfunktion definiert ist. Die erste Kegelschnittfunktion
kann vorzugsweise in folgender mathematischer Form ausgedrückt werden: z = cp2/(1 + (1 – (1 + k)c2p2)1/2.
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Hierin ist z der Abstand längs einer
Symmetrieachse 38 der inneren Oberfläche 28 (gemessen von
dem Punkt aus, an welchem die Innenoberfläche 28 die Symmetrieachse 38 schneidet).
p ist der Abstand, senkrecht zur Symmetrieachse 38 gemessen, von
der Symmetrieachse 38 zu der Innenfläche 28, und k und
c sind Konstanten. In einem besonders bevorzugten Fall gilt c =
1,54 cm–1 (0,60626
Zoll–1)
und k = –0,77011.
Eine zweckmäßige Eigenschaft
der Kegelschnittgestalt besteht darin, das sie zwei Brennpunkte
hat, wobei diese Eigenschaft mit Vorteil beim Prüfen und Ausrichten des hergestellten
Fensters eingesetzt wird.
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Die Außenfläche 30 des Fensters 24 hat
eine nominelle Außenflächengestalt,
deren Profil nicht kegelschnittförmig
ist und welche für
viele Fälle
als eine zweite Kegelschnittbeziehung, modifiziert durch mindestens
einen asphärischen
Term, bezeichnet werden kann. Die zweite Kegelschnittbeziehung,
modifiziert durch mindestens einen asphärischen Ausdruck, kann vorzugsweise
durch folgende mathematische Formel ausgedrückt werden: z' = c'p'2/(1 + (1 – (1 + k')c'2p'2)1/2 +
Ap'4 +
Bp'6 +
Cp'8 + Dp'10.
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Hierin ist z' der Abstand längs der Symmetrieachse 38 der
Außenfläche 30 (gemessen
von dem Punkt aus, an welchem die Außenfläche 30 die Symmetrieachse 38 schneidet;
das bedeutet z und z' werden
von verschiedenen Orten aus gemessen), p' ist der Abstand, gemessen senkrecht
zur Symmetrieachse 38, von der Symmetrieachse 38 zu
der Außenfläche 30,
und k', c', A, B, C und D sind
Konstanten. Viele andere mathematische Formen können verwendet werden, um eine
Kegelschnittbeziehung, modifiziert durch mindestens einen asphärischen
Ausdruck, zu beschreiben, wobei diese Formeln für die vorliegenden Zwecke als äquivalent
anzusehen sind. In einem besonders bevorzugten Falle sind c' = 1,45cm–1 (0,57145
Zoll–1),
k' = –0,76747,
B = 9,2152 × 10–7 und
A, C und D sind Null.
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Wie in 3 gezeigt
hat also das Fenster 24 keine konstante Dicke.
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Die Innenfläche 28 wird nominell
durch die erste Kegelschnittbeziehung beschrieben und die Außenfläche 30 wird
nominell durch die zweite Kegelschnittbeziehung, modifiziert durch
die Hinzuführung
mindestens eines asphärischen
Ausdruckes, beschrieben. Das Ergebnis ist, daß der Abstand zwischen der
Innenfläche 28 und
der Außenfläche 30 als eine
Funktion der Position über
die Oberfläche
des Fensters 24 hin variiert. In 3 sind die relativen Abstände zwischen
der Innenfläche 28 und
der Außenfläche 30 in
Abhängigkeit
von der Position über die
Oberfläche
des Fensters 24 hin zu Verdeutlichungszwecken übertrieben
gezeichnet.
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Das Fenster 24 ist aus einem
transparenten Werkstoff hergestellt, welcher unter Berücksichtigung der
Betriebswellenlänge
des Sensors 32 gewählt wird,
der durch das Fenster 24 geschützt werden soll. Der Sensor 32 kann
beispielsweise den gesamten Bereich oder einen Teil des Bereiches
des ultravioletten, sichtbaren und infraroten Lichtes erfassen und das
Fenster 24 muß mit
Bezug auf den Bereich von Interesse, in welchem der Sensor 32 arbeitet,
durchlässig
sein. Transparente Materialien für
den Bau von Fenstern 24 in bestimmten Wellenlängen-Transparenzbereichen
sind in der Technik bekannt.
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Das Fenster 24 ist vorzugsweise
in folgender Weise konstruiert und hergestellt. Das bedeutet, es wird
die folgende Prozedur zur Auswahl der Konstanten in den mathematischen
Beziehungen verwendet, welche die nominellen Fensteroberflächen definieren,
und dann wird das Fenster hergestellt und geprüft. Die grundsätzliche
Gestalt des Fensters wird so gewählt,
daß sie
zu der Struktur des Rumpfes 22 paßt und sich ihr anpaßt und so,
daß die
notwendigen baulichen Eigenschaften und mechanischen Eigenschaften
erzielt werden. Die Außenfläche wird danach
fein behandelt, um annehmbare optische Eigenschaften zu erzielen,
mit der Beschränkung,
daß die
Innenfläche 28 eine
Kegelschnittgestalt erhalten muß.
Ist einmal die Konstruktion erfolgt, so wird das Fenster danach
hergestelt und geprüft.
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4 zeigt
diesen Prozeß in
größerer Einzelheit.
Die Gestalt des Rumpfes 22, die Form und Größe der darin
vorgesehenen Öffnung
für das
Fenster 24 und die Natur der Aufgabe (Geschwindigkeit, Höhe und andere
Flugparameter) werden vorgegeben (siehe Bezugszahl 102)
und die Art des Sensors vorgegeben (siehe Bezugszahl 102).
Dies sind Systemforderungen, welche vor der Auswahl des Fensters
und gemäß der Konstruktion
und der Aufgabe der Rakete vorgegeben werden. Aus der Information von
Blocksymbol 100 werden die körperliche Größe und die
Einschränkungen
an dem Fenster 24 bestimmt, sowie auch die aerodynamische
und aerothermische Beanspruchung am Fenster (Bezugszahl 104).
Diese Information bestimmt man aus geometrischen Überlegungen
und herkömmlicher
Aerodynamik und aerothermischer Analyse. Aus der Art des Sensors
(Bezugszahl 102) ergibt sich die Auswahl des Materials
des Fensters 24 aus verfügbaren Materialien, welche
bei der Betriebswellenlänge
oder den Betriebswellenlängen
des Sensors gegenüber der
Energie ausreichend transparent sind und annehmbare mechanische
Eigenschaften haben (Bezugszahl 106). Solche Materialien
und ihre Eigenschaften mit Bezug auf die interesierende Sensorwellenlänge oder
die interessierenden Sensorwellenlängen sind in der Technik bekannt.
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Die körperliche Größe (d. h.
der Durchmesser) und die Randneigung des Fensters, derart, daß es sich
sanft in die Gestalt des Rumpfes einfügt, werden geometrisch zusammen
mit der Dicke und der Feinheitsgrad (Länge zu Durchmesser) des Fensters bestimmt
(Bezugszahl 108). Das Feinheitsverhältnis oder der Feinheitsgrad
ist das Verhältnis
der Länge zum
Durchmesser des Fensters (worin der Durchmesser der Querschnittsabstand
längs der
Ebene ist, an welcher sich der Fensterabschnitt mit der Kegelbasisfläche schneidet).
Die aerodynamische Qualität eines
Nasenkuppelfensters (wie in 1B gezeigt), welches
symmetrisch in einen Luftstrom vorsteht, als Funktion der Geschwindigkeit
der Rakete in Mach und des Feinheitsverhältnisses oder des Feinheitsgrades
ist in 5 gezeigt. Die
Wahl des Feinheitsgrades geschieht, um einen annehmbar niedrigen Koeffizienten
des Luftwiderstandes bei der ordnungsgemäßen Geschwindigkeit der Rakete
zu erreichen. Das Fenster muß auch
eine ausreichende bauliche Festigkeit haben, muß in die geometrische Form
der Oberfläche
des Rumpfes passen, welcher vorgegeben ist und muß ausreichend
groß sein,
um die Folge optischer Elemente oder die Optik und den Sensor aufzunehmen.
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Eine annähernd kegelschnittartige Gestalt für die äußere Fläche 30 wird
festgelegt, um die Forderungen bezüglich Durchmesser, Randneigung
und Feinheitsgrad oder Feinheitsverhältnis zu erfüllen (Bezugszahl 110).
In diesem Schritt werden angehäherte
Kegelschnittkoeffizienten für
die Außenfläche 30 bestimmt,
um die angenäherte
kegelschnittförmige
Gestalt an die geforderte Geometrie des Fensters anzupassen. Bei
dieser ersten Konstruktionsiteration sind die Koeffizienten nur
Näherungswerte,
da die präzise
Gestalt der Außenfläche 30 später durch
asphärische
Ausdrücke
modifiziert wird.
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Die detaillierte optische Konstruktion
der Innenfläche 28 und
der Außenfläche 30 des
Fensters wird dann durchgeführt
(Bezugszahl 112). Bei der optischen Konstruktion werden
herkömmliche
Konstruktionsformen gewählt,
um die Konstanten für
die oben beschriebenen Gleichungen für die Gestalt auszuwählen, wobei
berücksichtigt
wird, daß die
Gestalt der Innenfläche 28 dahingehend
beschränkt
ist, daß es
sich um eine kegelschnittförmige
Gestalt handelt. Diese Beschränkung
wird eingeführt,
um die nachfolgende Prüfung
zu erleichtern, wie beschrieben werden wird. Die Gestalt der Außenfläche 30 läßt man von
der angenäherten
kegelschnittförmigen
Gestalt, wie sie im Schritt 110 erreicht worden ist, abweichen,
um die notwendige Form für
die optische Verhaltensweise zu schaffen. Das Ergebnis ist eine Änderung
in der Gestalt der Außenfläche 30 und
in dem Feinheitsgrad oder dem Feinheitsverhältnis des Fensters 24.
Wie jedoch aus 5 zu
ersehen ist, ist der Luftwiderstandskoeffizient eine sich verhältnismäßig langsam ändernde
Funktion des Feinheitsverhältnisses
und der Machzahl. Der verhältnismäßig kleine
Unterschied in der Gestalt, der von der Einbeziehung der asphärischen
Ausdrücke
der Außenflächengestalt
resultiert, beeinflußt
nicht wesentlich die aerodynamische Qualität des Fensters.
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Die optischen Eigenschaften des Fensters sind
jedoch eine sich sehr stark ändernde
Funktion der Gesamtgestalt des Fensters und der relativen Formen
der Innenfläche
und der Außenfläche. Die nominelle
Gestalt der Außenfläche (Bezugszahl 114) und
der Innenfläche
(Bezugszahl 116) werden daher durch Verwendung optischer
Konstruktionsregeln festgelegt, um die Strahlenwege für Energie zu
errechnen, die durch Sektoren des Fensters tritt, um die Aberration
eines Bildes zu minimieren, welches durch das Fenster betrachtet
wird. Die Konstruktion optischer Elemente, beispielsweise von Linsen
und Fenstern unter Verwendung solcher Konstruktionsregeln ist in
der Technik gut bekannt. Siehe beispielsweise Donald P. Feder, "Automatic Lens Design
Methods", J. Optical
Society of America, Band 47, Nr. 10 (1957), Seiten 902–912, und
G. W. Forbes, "Optical system
assessment for design: numeral ray tracing in the Gaussian pupil", J. Optical Society
of America A, Band 5, Nr. 11 (1988), Seiten 1943–1956. Beispiele von im Handel
erhältlichen
optischen Konstruktionskodes umfassen "Code V" von Optical Research Associates, "OSLO" von Sinclair Optics,
und "ZEEMAX" von Focus Software.
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Unter Verwendung des Konstruktionskodes werden
die RMS-Punktgröße, die
Wellenfrontverzerrung oder andere Qualitätskriterien des Bildes abgeschätzt und
optimiert. Die nominelle Gestalt der Außenfläche 30 wird als diejenige
Gestalt bestimmt, welche die Punktgröße entsprechend dem quadratischen
Mittelwert (RMS) oder die Wellenfrontverzerrung minimiert. In einer
zweckmäßigen mathematischen
Verwirklichung, welche vorzugsweise von den Erfindern verwendet
wurde, ist die Gestalt der Außenfläche 30 der
zweite konische Kegelschnitt, modifiziert durch asphärische Ausdrücke, wie
zuvor diskutiert wurde. Es können
jedoch auch andere asphärische
mathematische Formeln für
die Beschreibung der Fenstergestalt verwendet werden, und diese
anderen mathematischen Formeln sind für diese Zwecke äquivalent
zu der vorliegenden Lösung.
Unter Verwendung des Konstruktionskodes wird die nominelle Gestalt
der Innenfläche 28 zweckmäßig als
die erste Kegelschnittbeziehung bestimmt.
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Nachdem die nominellen inneren und äußeren Formen
definiert sind, wird das Fenster hergestellt (Bezugszahl 118).
Techniken zur Herstellung von Fenstern aus verschiedenen Materialien
sind in der Technik bekannt. Bei einer Lösung werden Formen der Innenfläche und
der Außenfläche hergestellt und
das Fenstermaterial wird in den Formhohlraum zwischen diesen Formen
gegossen. Bei einer anderen Lösung wird
das Material des Fensters durch maschinelle Bearbeitung in die gewünschte Form
gebracht.
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Nach der Herstellung wird das Fenster
geprüft
(Bezugszahl 120), vorzugsweise unter Verwendung der nachfolgend
beschriebenen Prozeduren. Die vorausgehende Diskussion befaßte sich
mit den Verfahren zur Bestimmung der nominellen Gestalten der Innenfläche und
der Außenfläche. Wenn
ein Fenster aus transparentem Material hergestellt ist, ergeben
sich unvermeidbare Abweichungen von den gewünschten nominellen Werten und
Formen. Wenn diese Abweichungen zu groß sind, dann wird die Verhaltensweise
des Fensters nicht mehr akzeptabel und das Fenster kann nicht mehr
verwendet werden oder muß neuerlich
bearbeitet werden, um die Abweichungen in annehmbare Grenzen zu
bringen. Die zulässigen
Toleranzen können
mathematisch aus den optischen Konstruktionskodes errechnet werden.
Eine der kostspieligen Prozeduren bei der Herstellung von optischen
Systemen dieser Art sieht eine Bestimmung vor, ob die tatsächlichen
Formen der Oberflächen
des tatsächlich
gefertigten Fensters die zulässigen
Dimensionstoleranzen für
eine akzeptable optische Verhaltensweise überschreiten. Wenn sie die
zulässigen
Toleranzen überschreiten,
kann das Fenster in dieser Form nicht verwendet werden.
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Die vorliegende Lösung erleichtert die Bestimmung
der tatsächlichen
Gestalten der inneren Fläche
und der äußeren Fläche des
hergestellten Fensters und damit die Bestimmung, ob das Fenster sich
innerhalb der zulässigen
Toleranzen befindet. 6 zeigt
eine bevorzugte Einrichtung 50 zur Durchführung dieser
Bestimmungen. Die erste mathematische Kegelschnittformel der nominellen
Gestalt der Innenfläche 28 hat
zwei Brennpunkte, einen nahen Brennpunkt 52, der nahe an
dem Fenster 24 gelegen ist, und einen entfernten Brennpunkt 54,
der von dem Fenster 24 entfernt ist. Wenn die Innenfläche des
tatsächlich
gefertigten Fensters eine perfekte nominelle mathematische Form
der ersten Kegelschnittbeziehung hat, dann wird Licht, welches von dem
entfernten Brennpunkt 54 emittiert wird, von sämtlichen
Punkten auf der Innenfläche 28 zu
dem naheliegenden Brennpunkt 52 reflektiert. Das Licht kann
von einer Kugel an dem naheliegenden Brennpunkt 52 zurück längs desselben
Strahlungsweges auf die Innenfläche 28 und
zu dem entfernten Brennpunkt 54 reflektiert und dort gemessen
werden. Wenn aber eine Abweichung bei der tatsächlichen inneren Oberfläche in der
hergestellten Form von der nominellen Kegelschnittgestalt vorliegt,
dann werden die Strahlungswege von Strahlen, die von den verschiedenen
Punkten auf der tatsächlichen
Innenfläche 28 reflektiert
werden, nicht präzise
in der Phase zurück
zu dem entfernten Brennpunkt 54 fokussiert. Der Grad der
Abweichung der Gestalt der Innenfläche wird durch Fokussieren
der Strahlen auf einen Kugelkörper 60 an
dem nahen Brennpunkt 52 unter Verwendung einer Linse 56 und
in ein Interferometer 58 hinein bestimmt. Wenn der Grad
der Abweichung der Innenfläche 28 geringer
als die zulässige
Dimensionstoleranz für
sämtliche
Punkte ist, was durch Auszählung
der Interferenzstreifen eines Bezugsstrahls und des reflektierten
Strahls an dem Interferometer 58 bestimmt wird, dann ist
die tatsächliche
Gestalt der Innenfläche
akzeptabel. Wenn die Toleranzen überschritten
werden, dann kann die Innenfläche 28 des
Fensters 24 überarbeitet
werden oder in bestimmten Fällen
muß das
Fenster ausgeschieden werden.
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Nachdem die Gestalt der Innenfläche 28 festgelegt
ist, wird die Gestalt der Außenfläche 30 durch
Messen der Dicke des Fensters 24 zwischen der Innenfläche 28 und
der Außenfläche 30 bestimmt.
Aus dieser Information werden die tatsächlichen Werte der Konstanten
in der zweiten Kegelschnittform, modifiziert durch den mindestens
einen asphärischen
Ausdruck, bestimmt. Wenn diese Konstanten sich innerhalb der zulässigen Dimensionstoleranzen
befinden, ist das Fenster für
den Gebrauch akzeptabel. Andere Testverfahren, beispielsweise die
Interferometrie, die Subapertur-Interferometrie und die Profilometrie,
können
gegebenenfalls auch verwendet werden.
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7 zeigt
die Schritte auf, welche bei der oben beschriebenen Lösung nach
der Erfindung für die
Prüfung
und die Installation des Fensters 24 im Rumpf 22 folgen.
Das Fenster wird unter Verwendung der oben beschriebenen Konstruktionslösung vorbereitet
und dann gefertigt, um die vorbestimmte Gestalt zu erhalten, wobei
irgendein gangbarer Weg (Bezugszahl 70) beschritten wird,
doch vorzugsweise derjenige, der oben in Verbindung mit 4 diskutiert wurde. Die
Prüfeinrichtung 50 wird
bereitgestellt (Bezugszahl 72). Die Genauigkeit der tatsächlichen Innenflächengestalt
wird bestimmt (Bezugszahl 74). Wenn sie innerhalb der zulässigen Toleranzen
liegt, dann wird die Genauigkeit der tatsächlichen Außenflächengestalt bestimmt (Bezugszahl 76).
Wenn beide tatsächlichen
Oberflächen
sich innerhalb der Genauigkeitstoleranz befinden, dann wird das
Fenster 24 als annehmbar beurteilt und wird in dem Rumpf 22 montiert
uns ausgerichtet (Bezugszahl 78). Um den Einbau des optischen
Systems 26 mit der ordnungsgemäßen Ausrichtung zu erreichen
wird eine Einrichtung wie diejenige von 6 in dem optischen System von 2 anstelle der Optik 36 und
des Sensors 32 eingesetzt. Ist einmal die Ausrichtung erreicht, dann
werden die Elemente 56, 58 und 66 entfernt und
die Elemente 36 und 32 werden innerhalb des Körpers der
Rakete 20 installiert. Das optische System 26 ist
hierdruch präzise
ausgerichtet.
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Zwar wurde zur Erläuterung
eine bestimmte Ausführungsform
der Erfindung hier im Detail beschrieben, doch ergeben sich vielerlei
Modifikationen und Verbesserungen, ohne daß hierdurch der Umfang der
Erfindung verlassen wird. Demgemäß ist die Erfindung
nur durch die anliegenden Ansprüche
als beschränkt
zu betrachten.