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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein das Gebiet mulitfunktioneller
Zielvorrichtungen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung
eine kompakte, voll integrierte multifunktionelle, multispektrale
Zielvorrichtung, welche ein enges und ein weites Blickfeld in jedem
seiner Untersysteme bietet.
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KURZE BESCHREIBUNG
DES STANDES DER TECHNIK
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Herkömmliche
Zielvorrichtungen oder Zielsichtgeräte entweder für den persönlichen
Gebrauch oder zur Befestigung an einem Fahrzeug bestehen nur aus
einem Untersystem oder höchstens
zwei Untersystemen und sind auf höchstens zwei Funktionen und
Wellenlängen
beschränkt.
Beispielsweise hat eine traditionelle Zielvorrichtung für Gewehre
eine Direktansicht-Tageslicht-Zielvorrichtung mit einem einzigen
Blickfeld; einige Zielvorrichtungen haben nur Infrarotfähigkeit
mit zwei Blickfeldern; wieder andere haben eine Direktansicht-Tageslicht-Zielvorrichtung und
einen Laser-Entfernungssucher mit einem einzigen Blickfeld, jedoch
eine Infrarotfähigkeit;
wieder andere haben mehrfache Blickfelder im Infrarotbereich und
einen Laserentfernungssucher, jedoch kein TV oder keine Direktansicht-Tageslicht-Zielvorrichtung.
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Die
Benutzer herkömmlicher
Geräte
müssen daher
verschiedene gesonderte Zielvorrichtungen mit sich führen, von
denen jede ihre eigenen optischen Systeme hat, was viele Unannehmlichkeiten, zusätzliches
Gewicht und Kosten verursacht. Außerdem muß der Benutzer irgendwie die
Informationen kombinieren, die von jeder der Einheiten bereitgestellt
werden, da keine der Einheiten dem Benutzer volle multispektrale,
multifunktionelle Möglichkeiten bietet.
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Das
US-Patent 5,035,472 erteilt an Hansen, offenbart eine multispektrale
Zielvorrichtung oder ein multispektrales Sichtgerät, das auf
einem von einer Person getragenen Gewehr integriert ist oder auf
einer alleinstehenden Waffeneinrichtung montiert ist. Die Zielvorrichtung
ist in einem einheitlichen Gehäuse
untergebracht, das an der von der Person getragenen Waffe befestigt
oder als Teil derselben integriert hergestellt ist, und ist aus
gemeinsamen Objektivoptiken und Okularoptiken zusammengesetzt. Zwischen
den Objektivoptiken und den Okularoptiken sind optische Einrichtungen
zum Sammeln und zum Trennen von Eingangsstrahlungsenergie in eine Mehrzahl
von gesonderten Wellenlängen-Spektrumskanälen, ferner
elektronische Verarbeitungsmittel zum Verarbeiten eines sichtbaren
Spektrumteiles und zum Verarbeiten und Umformen eines nahen Infrarotspektrums
und eines weiten Infrarotspektrums in jedem von drei Spektrumskanälen in sichtbares Spektrum,
und schließlich
optische Einrichtungen zum Führen
der Ausgänge
von den gesonderten Kanälen
zu den gemeinsamen Okularoptiken zur Betrachtung einer Szenerie
bei allen Lichtpegeln, angeordnet.
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Das
US-Patent 5,363,235, erteilt an Kiunke u. a. offenbart ein optisches
System, das drei Spiegel, ein Astigmatteleskop und Abbildungsoptiken
enthält.
Die Abbildungsoptiken liefern ein enges und ein weites Blickfeld
in Richtung auf die betrachtete Szenerie. Das optische System sieht
einen Detektor vor, welcher einen Ausgangs-Laserstrahlgenerator
enthält.
Das Teleskop teilen sich das Infrarotsystem und der Laser zur Schaffung
einer Geschützvorrichtung für das Anvisieren
von Flugzeugen und für
Kennzeichnungszwecke.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung schafft eine kompakte, voll integrierte, multifunktionelle,
multispektrale Zielvorrichtung, wie sie im vorliegenden Anspruch 1
definiert ist.
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Ein
anderer Aspekt der vorliegenden Erfindung besteht in einem Verfahren
zur Packung der kompakten, voll integrierten, multifunktionellen,
multispektralen Sichtvorrichtung mit den folgenden Schritten: Montieren
der einzigen reflektierenden afokalen Voroptik; Montieren des einzigen
Okulars; Montieren des einzigen Eintrittsfensters, Montieren der
Schaltstruktur für
das Umgehen der reflektierenden afokalen Voroptik; und Montieren
der mindestens zwei Untersysteme in steuerbarer optischer Verbindung
mit der reflektierenden optischen Schaltstruktur.
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Das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung vereinfacht die Konstruktion
einer Zielvorrichtung und vermeidet die Notwendigkeit gesonderter Teleskope,
Okulare, Fenster, anderer optischer Elemente und Kühlsysteme,
so daß eine
Zielvorrichtung mit einer exzellenten Effizienz entsteht.
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Die
vorstehenden und weiteren Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben
sich noch deutlicher aus der nachfolgenden detaillierten Beschreibung
und den begleitenden Zeichnungsfiguren. In den Figuren und in der
Beschreibung bezeichnen Bezugszeichen die verschiedenen Merkmale
der Erfindung, wobei gleiche Bezugszeichen sich auf gleiche Merkmale
in sämtlichen
Zeichnungsfiguren und in der Beschreibung beziehen.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist ein schematisches
Blockdiagramm, welches eine Zielvorrichtung nach der vorliegenden Erfindung
zeigt.
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2 ist eine Seitenansicht
der Planungskonstruktion der Zielvorrichtung nach 1
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3 ist eine Aufsicht auf
die Planungskonstruktion der Zielvorrichtung nach 1.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Konstruktion und den Zusammenbau
der optischen Elemente zur Erzeugung einer kompakten, voll integrierten,
multifunktionellen, multispektralen Zielvorrichtung, welche für viele
kommerzielle und militärische Anwendungen
geeignet ist. Die Komponenten der Zielvorrichtung sind in der Technik
bestens bekannt und bedürfen
hier keiner Beschreibung oder detaillierten Darstellung.
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Im
einzelnen ist eine besondere Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung eine kompakte, voll integrierte Zielvorrichtung, die unter
Verwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens
gebaut ist. 1 ist ein
Blockdiagramm, welches die Zielvorrichtung 10 nach der
Erfindung zeigt. Die Zielvorrichtung 10 enthält eine
reflektierende afokale Voroptik 12, eigen Bildbewegungs-Kompensationsspiegel 14,
der die Ziellinie gegenüber
mechanischen Eingangsstörungen
stabilisiert, zwei dichroische Strahlaufspalter 16 und 18,
ein Laser-Sende-/Empfangsmodul 34, eine Infrarotoptik-
und Fokalebenengruppe 20, ein Direktbetrachtungsobjektiv 22 und
ein Direktbetrachtungsokular 24. Zusätzlich sind zwei Modusumschaltspiegel 26 und 28,
die mit einer TV-Fokalebenengruppe 30 verbunden sind, und
eine Wiedergabequelle 32 vorgesehen. Die Modusumschaltspiegel 26 und 28 sind
um eine Vertikalachse drehbar, um den Modus der Zielvorrichtung
zwischen dem Direktbetrachtungs-Tageslichtbetrieb und dem Wiedergabemodus
umzuschalten, bei dem ein Fernsehbild oder ein Infrarotbild erzeugt
wird. Die Zielvorrichtung 10 kann mit einem engen Blickfeld
(NFOV) für
die Identifizierung und für
den Verfolgungsbetrieb, oder mit einem weiten Blickfeld (WFOV) für den Suchbetrieb
und Erfassungsbetrieb verwendet werden. Mit dem weiten Blickfeld
wird ein Blickfeldumschaltspiegel oder werden mehrere Blickfeldumschaltspiegel 36 verwendet,
um zu verhindern, daß der
optische Weg durch die reflektierende Voroptik 12 verläuft.
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Die
Zielvorrichtung 10 ist ein multispektrales System, welches
mit Wellenlängen
von 0,45 μm
bis 12 μm
arbeitet. Der Modus im sichtbaren Bereich kann entweder im Direktbetrachtungsmodus
oder unter Verwendung von Farbfernsehspektrumskanälen mit
Wellenlängen
zwischen 0,45 μm
und 0,7 μm
oder in monochromen Fernsehkanälen
mit Wellenlängen zwischen
0,6 μm und
0,9 μm verwirklicht
werden, wobei sichtbares TV auf der Basis ladungsgekoppelter Geräte (CCD-basierend)
eingesetzt wird. Der Entfernungssuchmodus wird mit einem Laser-Entfernungssucher,
vorzugsweise einem Ng:YAG-Laser in Kanälen mit Wellenlängen zwischen
1,06 μm
und 1,54 μm verwirklicht,
wobei es sich vorzugsweise um einen augenverträglichen Laserentfernungssucher
handelt, der mit einer Wellenlänge
von 1,54 μm
arbeitet. Der Infrarotmodus (IR-Modus) kann innerhalb zweier atmosphärischer Übertragungsbänder verwirklicht werden,
in welchen Infrarotwellen gut übertragbar sind,
nämlich
in einem mittleren Infrarotmodus (MWIR) mit einer Wellenlänge zwischen
3 μm und
5 μm und
einem langwelligen Infrarotmodus (LWIR) mit einer Wellenlänge zwischen
8 μm und
12 μm.
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Die
vorliegende Erfindung erleichtert eine hochintegrierte Lösung durch
Kombination des Betriebs in vier Moden, nämlich dem Infrarotmodus, zwei
Arten des Modus im sichtbaren Bereich (eine Direktbetrachtung und
ein TV-Modus im sichtbaren Bereich (basierend auf ladungsgekoppelten
Geräten), und
einem Laser-Entfernungssuchermodus,
wobei alle Systeme in einer kleinen Packung untergebracht sind.
Wie in 1 dargestellt
ist, vereinigt die Zielvorrichtung 10 die Funktionen von
sonst gesondert vorgesehenen Systemen. Dies wird mit vier Detektor-Untersystemen
erreicht: ein Direktbetrachtungs-Tageslicht-Untersystem, ein TV-Betrachtungs-Untersystem auf CCD-Basis,
ein Infrarot-Nachtsicht-Untersystem und ein augenverträgliches
Laser-Entfernungssuch-Untersystem. Sämtliche vier Untersysteme arbeiten
sowohl mit engem Blickfeld (NFOV), als auch mit weitem Blickfeld (WFOV),
und der Benutzer kann zwischen diesen Blickfeldern hin und her schalten.
Das Untersystem für
direkte Betrachtung erfordert nur, daß der Benutzer durch das Okular 24 blickt,
welches ein vergrößertes und
virtuelles Bild der Szenerie erzeugt, das durch die Objektivlinse 22 erzeugt
wird. Licht von der Szenerie wird somit unmittelbar durch den Benutzer aufgenommen.
Das TV-Untersystem hat eine Kameralinse und eine Fokalebenedetektorgruppe
auf CCD-Basis, welche das Bild einfängt. Nach der darauffolgenden
elektronischen Verarbeitung kann der Benutzer die Szenerie durch
das Okular 24 betrachten, welches ein vergrößertes und
ein virtuelles Bild der Wiedergabequelle erzeugt. Die Bildszene
kann in dem IR-Kanal gesehen werden, welcher eine auf die IR-Strahlung ausgerichete
Fokalebenengruppe verwendet, die nach folgender elektronischer Verarbeitung
durch den Benutzer durch das Okular 24 in einer Art und
Weise betrachtet werden kann, welche der Betrachtung der TV-Kanäle auf CCD-Basis
entspricht.
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Die
reflektierende afokale Voroptik 12 führt eine winkelmäßige Vergrößerung eines
Objektes durch, das über
das Fenster 38, welches in 2 gezeigt
ist, betrachtet wird. Die reflektierende Voroptik 12 ist
ein drei Spiegel aufweisendes astigmatisches Teleskop (TMA) mit
einer achsenversetzten dreifachen fokalen Vergrößerung und hat ein enges Blickfeld,
das bis zu 6° Grad
in Elevationsrichtung, mal 8° Grad
in Azimutrichtung groß sein
kann, mit einem beweglichen Blickfeldumschaltspiegel oder beweglichen
Blickfeldumschaltspiegeln 36. Die reflektierende afokale
Voroptik 12 teilen sich alle Untersysteme, wenn sie mit
dem engen Blickfeld NFOV arbeiten, so daß keine differenziellen Ziellinienverschiebungen
im Betrieb mit engen Blickfeld in den optischen Weg eingeführt werden.
Innerhalb der reflektierenden afokalen Voroptik 12 könnte auch
ein nicht dargestellter, umschaltbarer Blickfeld-Schaltperiskopmechanismus
vorgesehen sein, der aus zwei planaren Blickfeldumschaltspiegeln 36 in
einer Periskopanordnung zusammengesetzt ist. Für den Betrieb mit weitem Blickfeld
WFOV wird der Blickfeldumschaltspiegel oder werden die Blickfeldumschaltspiegel 36 in
den optischen Weg gedreht, um die reflektierende afokale Voroptik
durch sämtliche
Untersysteme zu umgehen, und der Benutzer betrachtet die Außenwelt
mit einem weiten Blickfeld, welches eine Abmessung von 10° Grad mal
24° Grad
hat.
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Das
weite Blickfeld WFOV wird zum Suchen eines Objektes benutzt, wenn
der Benutzer keinen hohen Grad der Empfindlichkeit oder Auflösung benötigt. Ist
das Objekt aufgefunden, dann schaltet der Benutzer auf das enge
Blickfeld NFOV um, das eine höhere
Vergrößerung und
Empfindlichkeit bietet, welche durch die reflektierende afokale
Voroptik 12 erzeugt wird.
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Das
Laser-Sende/Empfangs-Modul 34 des augenverträglichen
Laser-Entfernungssuch-Untersystems und die IR-Optik und Fokalebenengruppe 20 des
Infrarot-Nachtsicht-Untersystems werden vom optischen Weg an einem
ersten dichroischen Strahauf spalter 16 und einem zweiten
dichroischen Strahlaufspalter 18 abgespalten, welche in
dem kollimierten Bereich arbeiten, der auf die reflektierende afokale
Voroptik 12 folgt. Der erste und der zweite dichroische
Strahlaufspalter 16 bzw. 18 sind vorzugsweise
auf einen Winkel von 45° Grad
eingestellt und sie können
durch flache Spiegel ersetzt werden. Das Laserlicht von dem augenverträglichen
Laser-Entfernungssuch-Untersystem 34, welches in 3 gezeigt ist, tritt aus
und tritt danach in das kleine Laser-Sende-/Empfangs-Modul 34 ein,
wo eine Vorexpansion und eine Sende-/Empfangs-Aufspaltung stattfindet. Die Infrarotstrahlung
tritt in ein Dreilinsen-Infrarot-Abbildungssystem ein und wird auf
eine Betrachtungsgruppe fokusiert, wobei sämtliche Teile der Infrarotoptik
und der Fokalebenengruppe 20 bei Raumtemperatur arbeitet.
Die Infrarot-Bilderzeugungseinrichtung arbeitet mit dem weiten Blickfeld (WFOV),
wenn sie selbst benutzt wird, arbeitet sie doch in dem engen Blickfeld
(NFOV), wenn sie mit der reflektierende afokalen Voroptik 12 verwendet wird.
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Die
beiden Module für
den Betrieb im sichtbaren Bereich, nämlich die CCD-Anordnung und
die Anordnung für
die unmittelbare Betrachtung, sind in einer Pupillen-Relaisstation mit
einfacher Vergrößerung enthalten,
welche aus zwei identischen, telezentrischen Okularen 24 zusammengesetzt
ist, die Bild zu Bild angeordnet sind. Im Betriebsmodus der unmittelbaren
Betrachtung sieht der Benutzer durch die Pupillen-Relaisstation mit
einfacher Vergrößerung und
die reflektierende afokale Voroptik 12 für das enge
Blickfeld, und verwendet nur die Pupillen-Relais-Station mit einfacher
Vergrößerung und umgeht
die reflektierende afokale Voroptik 12 für das weite
Blickfeld (WFOV) über
das Blickfeldumschaltperiskop oder über einen einfachen Spiegelmechanismus,
beispielsweise dem Blickfeldumschaltspiegel oder die Blickfeldumschaltspiegel 36.
Der Modusumschaltspiegel 26 dient zum Ablenken des Zwischenbildes
in der Pupillen-Relaisstation mit einfacher Vergrößerung zu
der TV-Fokalebenegruppe 30 auf
CCD-Basis, während
der andere Modusumschaltspiegel 28 zum Ablenken des Bildes
von dem Okular 24 zu der Wiedergabequelle 32 dient,
die, wie der Fachmann erkennt, eine Kathodenstrahröhre, eine
Flüssigkristallmatrix-Wiedergabeinrichtung (LCMD)
oder eine ferroelektrische Wiedergabeeinrichtung je nach anwendungsspezifischen
Konstruktionsdetail sein kann, wobei diese Einrichtungen zur Betrachtung
entweder der TV-Bilder auf CCD-Basis oder der IR-Kanalbilder verwendet
werden.
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Sowohl
der TV-Kanal als auch der IR-Kanal kann eine Bildaufnahmetechnologie
bei Raumtemperatur verwenden, wodurch die Kompliziertheit die Größe und das
Gewicht der Zielvorrichtung 10 vermindert werden, da das
zusätzliche
Abtastsystem und Kryogensysteme nicht erforderlich sind.
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Außerdem ist
die Zielvorrichtung 10 aufgrund der Tatsache kompakt, daß die meisten
optischen Module mehr als nur einer einzigen Funktion dienen. Beispielsweise
dient das Tageslicht-Okular 24 auch zur Betrachtung der
Wiedergabe für
die TV-Bilder auf CCD-Basis und der Infrarotbilder, und die reflektierende
afokale Voroptik 12 dient dem Gebrauch in allen Untersystemen.
Die Tageslicht-Objektivlinse 22 ist auch die Kameralinse
für die
Fokalebenengruppe 30 auf CCD-Basis.
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Viele
herkömmliche
Infrarotdetektorsysteme arbeiteten bisher bei tiefen Temperaturen
und müßten durch
Tieftemperaturkühler
gekühlt
werden. Wenn sie irgendwelche Streuwärme aufnahmen, so erzeugten
sie innere Störungen.
In jüngster
Zeit entwickelte, auf eines Szenerie gerichtete pyroelektrische
Array-Detektoren können
jedoch bei Raumtemperatur verwendet werden. Zwar sind sie weniger empfindlich,
doch ergibt sich eine außerordentliche Einsparung
bezüglich
Größe, Gewicht
und der Anzahl bewegter Teile. Außerdem können herkömmliche Zielsysteme nicht leicht
auf einen Betrieb in den benötigten
breiten spektralen Bandbereichen abgestimmt werden, da sie brechende
Linsen verwenden, die für
ein bestimmtes Wellenlängenband
optimiert sind.
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Das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung gestattet die Miniaturisierung
der Elemente der Zielvorrichtung 10 zur Erzeugung einer
hochwirksamen, voll integrierten, multispektralen, multifunkionellen
Zielvorrichtung 10, welche Abmessungen von weniger als
4'' × 6'' × 12'' (10 cm × 10 cm × 30 cm) hat. Das Verfahren
zum Kombinieren sämtlicher
gesonderter Untersysteme zu einer einzigen Zielvorrichtung 10 vermindert
die Anzahl der Teile und führt zur
Verwirklichung einer leichtgewichtigen Zielvorrich tung 10 geringen
Volumens, welche besonders wünschenswert
in in der Hand gehaltenen Systemen, von Personen tragbaren Systemen
oder auf Fahrzeugen montierten Systemen ist. Zusätzlich ist denkbar, daß zusätzliche
Elemente an der Zielvorrichtung 10 angebracht werden.
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Das
Verfahren nach der vorliegenden Erfindung, welches zur Miniaturisierung
der Zielvorrichtung 10 eingesetzt wird, kann auf vielerlei
Systeme im kommerziellen und militärischen Bereich, als freistehende,
in der Hand gehaltene Einheit, auf von Personen getragenen Waffen,
beispielsweise Gewehre, montiert und auf Fahrzeuge montiert, angewendet
werden Zusätzlich
kann das Verfahren nach der vorliegenden Erfindung verwendet werden,
um eine neue Familie miniaturisierter, hoch integrierter, hoch wirksamer,
multispektraler, multifunktioneller Detektoranordnungen zu schaffen,
welche in der Lage sind, innerhalb eines sehr kleinen körperlichen Raumes
sämtliche
Detektoraufgaben zu erfüllen.
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Während die
Erfindung hier unter Bezugnahme auf gegenwärtig als bevorzugt betrachtete
Ausführungsformen
beschrieben ist, ist ihr Umfang nur durch die folgenden Ansprüche begrenzt
anzusehen.