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Die
Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Harmonisierung zwischen
einem Laser-Emissionskanal und einem passiven Beobachtungskanal,
wobei die optischen Kanäle
getrennte oder zusammenfallende Achsen haben können. Die Harmonisierung besteht
darin, die optischen Achsen dieser Kanäle parallel auszurichten, damit
sie eine gemeinsame Kollimationslinie haben. Die Erfindung bezieht
sich insbesondere auf die Zielbezeichnungssysteme mit einem Laserkanal
und einem passiven Beobachtungskanal von der Art Bildgenerator oder
Abstandsmessgerät.
Sie bezieht sich auch auf die Systeme der aktiven/passiven Abbildung,
die einen Laser-Emissionskanal mit Abtastung und einen passiven
Abbildungskanal aufweisen. Allgemeiner betrifft sie jedes System,
bei dem es notwendig ist, den Laser-Emissionskanal und den passiven Beobachtungskanal
zu harmonisieren.
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Unter
erschwerten Umgebungsbedingungen, insbesondere hinsichtlich Temperatur
und Vibrationen, wird die Zielbezeichnung über Laser vorteilhafterweise
mit Hilfe eines "Pod" (dieser Begriff
bezeichnet im angelsächsischen
Sprachgebrauch eine Gondel) durchgeführt, der sich außen am Flugkörper befindet.
Er kann einen Abbildungskanal mit Infraroterfassung im Band II oder
III, der es ermöglicht,
das Ziel zu lokalisieren, und einen Laserkanal aufweisen, dessen
optische Achse von derjenigen des Abbildungskanals getrennt sein
oder mit ihr zusammenfallen kann und der zum Beispiel im nahem Infrarotbereich
sendet und auf dem Abbildungskanal "verriegelt" ist. Diese Verriegelung setzt die perfekte "Ausrichtung" zwischen den beiden
Kanälen,
d. h. die perfekte Parallelität
ihrer optischen Achsen (die zusammenfallen oder nicht) voraus, wodurch
dann eine gemeinsame Kollimationslinie definiert wird. Diese Harmonisierung
muss während
der Mission gesteuert werden können.
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Wenn
die Emissionswellenlänge
des Lasers nicht im Spektralband des Sensors des Abbildungskanals
liegt oder wenn der Laser Impulse mit einer so kurzen Dauer emittiert,
dass sie vom Sensor nicht mehr erfasst werden können, ist es nicht möglich, die Kanäle dadurch
zu harmonisieren, dass ein Teil des Laserstrahls entnommen und zum
Sensor reflektiert wird, um den Abstand zwischen dem vom Laser auf dem
Sensor gebildeten Fleck und der Mitte des Sensors zu bestimmen.
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Die
französische
Patentanmeldung 2 669 427 beschreibt eine Vorrichtung zur Kontrolle
der fluchtenden Ausrichtung eines Laser-Kollimationskanals und eines
Infrarot-Abbildungskanals, zum Beispiel in einem Laserbezeichnungs-Pod.
Sie besteht aus einem Gehäuse,
das eine Kassette aufweist, die einen Polyimidfilm und Mittel für den Vorschub
dieses Films enthält.
Während
des Harmonisierungsverfahrens wird der Laserstrahl auf den Film
fokussiert, der sich erwärmt,
wodurch ein heißer
Punkt erzeugt wird, der auf dem Infrarotsensor angezeigt wird, was
es ermöglicht,
die Abweichung zwischen den beiden Kanälen zu messen. Um im Band II
oder III sichtbar zu sein, muss die Erwärmung stark sein und führt zur
lokalen Zerstörung
des Films, was das Vorhandensein der eingesetzten Vorschubmittel
für den
Film erklärt. Das
Gehäuse
ist platzraubend, und die beschriebene Lösung ermöglicht keine Harmonisierung
während der
Bezeichnungsvorgänge
und keine Harmonisierung der Kollimationslinien, insbesondere wenn
das System eine mögliche
Schwankung der Kollimationslinie vorsieht.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
beseitigt diese Nachteile, indem sie Umwandlungsmittel einsetzt,
die es ermöglichen,
zum Beispiel ausgehend von einem Teil des einfallenden Laserstrahls
einen vom Sensor des passiven Kanals erfassbaren Strahl zu erhalten.
Diese Mittel beruhen auf den Fotolumineszenzeigenschaften bestimmter
Materialien.
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Genauer
gesagt, betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Harmonisierung
zwischen einem Emissionskanal, der einen einen Laserstrahl emittierenden
Laser aufweist, und einem einen Sensor aufweisenden passiven Beobachtungskanal,
wobei die Vorrichtung Mittel zur Umwandlung eines einfallenden Lichtstrahls
in einen sich rückwärts ausbreitenden
Strahl aufweist. Die Vorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, dass
sie optische Mittel enthält,
die es ermöglichen,
gleichzeitig fast den gesamten Laserstrahl zum Emissionskanal und
einen Anregungsstrahl zu den Umwandlungsmitteln zu schicken, der den
einfallenden Strahl bildet und dessen Ausbreitungsrichtung und Divergenz
mit denjenigen des Emissions-Laserstrahls zu den Umwandlungsmitteln verknüpft sind,
dass die Umwandlungsmittel ein fotolumineszierendes Material, das,
wenn es auf der Wellenlänge
des Anregungsstrahls angeregt wird, eine Strahlung emittiert, deren
Wellenlänge
im Spektralband des Sensors des Beobachtungskanals liegt, sowie
eine optische Einheit enthalten, die es ermöglicht, den Anregungsstrahl
im fotolumineszierenden Material zu fokussieren und mindestens einen
Teil der emittierten Strahlung zu sammeln, um den sich rückwärts ausbreitenden
Strahl zu bilden, und dass sie außerdem Mittel aufweist, um
den sich rückwärts ausbreitenden
Strahl zum Sensor zu schicken, wodurch die Harmonisierungsfehler
in Echtzeit erfasst werden können.
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Vorteilhafterweise
ist der Anregungsstrahl einfach ein Teil des Laserstrahls des Emissionskanals,
der ausreicht, um die Umwandlung durchzuführen. Die Umwandlungsmittel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
haben einen verringerten Raumbedarf, wodurch ein flexiblerer Einsatz
der Harmonisierungsverfahren ermöglicht
wird. Andererseits ermöglichen die
sehr große
Breite des Emissions-Spektralbands der fotolumineszierenden Materialien
und die Emissions-Lebensdauer
eine Anpassung der Umwandlungsmittel an die Eigenschaften des Sensors
des passiven Beobachtungskanals.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung gehen klarer aus der nachfolgenden
Beschreibung unter Bezugnahme auf die beiliegenden Figuren hervor,
die zeigen:
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1 ein Schaltbild eines Zielbezeichnungssystems
durch Laserführung
mit einer Harmonisierungsvorrichtung gemäß dem Stand der Technik;
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2 ein Schaltbild des gleichen
Systems mit einer Vorrichtung zur Harmonisierung der beiden Kanäle gemäß der Erfindung;
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3 eine Variante eines die
erfindungsgemäße Vorrichtung
anwendenden Systems;
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4 ein Schaltbild, das ein
Ausführungsbeispiel
der Umwandlungsmittel darstellt, die in der erfindungsgemäßen Vorrichtung
enthalten sind;
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5 ein Emissionsspektrum
der Fotolumineszenz des InAs-Halbleiters;
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6 ein Schaltbild, das ein
anderes Ausführungsbeispiel
der Umwandlungsmittel darstellt;
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7 ein Teilschaltbild einer
Variante einer erfindungsgemäßen Vorrichtung.
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1 zeigt schematisch eine
Harmonisierungsvorrichtung gemäß dem oben
erwähnten Patent
in einem lasergeführten
Zielbezeichnungssystem vom Typ "Pod". Das hier betrachtete
System weist einen Emissionskanal mit einem Laser LAS auf, der einen
Laserstrahl FL entlang einer optischen Achse emittiert, die in 1 strichpunktiert dargestellt
ist. Der Laser LAS ist zum Beispiel ein Impulslaser vom Typ Nd:YAG,
der Impulse von einigen zehn Nanosekunden bei einer Wellenlänge von
1,06 μm für Bezeichnungs-
und/oder Entfernungsmessfunktionen emittiert. Der Laserstrahl FL
ist in diesem Beispiel im wesentlichen kollimiert. Das System weist auch
einen passiven Beobachtungskanal auf, dessen optische Achse in 1 gestrichelt dargestellt
ist und der ein Objektiv OBJ und einen Sensor DET enthält, der
zum Beispiel im Infrarotbereich zwischen 3 und 5 μm oder 8
und 12 μm
empfindlich ist. Der Sensor kann ein Bildgenerator vom Typ Wärmekamera, oder,
zum Beispiel im Fall der Bezeichnung eines von einem Neben-Lichtstrahl
beleuchteten Ziels, ein Abstandsmessgerät sein. Im gewählten Beispiel
des Bezeichnungssystems werden die optischen Achsen der beiden Kanäle mittels
eines Mischers MEL übereinander
gelegt, zum Beispiel eines dichroitischen Kubus, der nahezu den
gesamten Laser-Emissionsfluss
reflektiert und nahezu den ganzen einfallenden Infrarotfluss überträgt. Die
beiden Kanäle
könnten aber
auch entlang von parallelen optischen Achsen getrennt verlaufen.
In beiden Fällen
gehört
die Kollimationslinie zu beiden Kanälen; sie kann, wie im in 1 dargestellten Beispiel
gezeigt, eine Abweichung aufweisen, die es ermöglicht, aufgrund von zwei mit
ROT A und ROT B bezeichneten Drehungen um zwei senkrechte Drehachsen
ein großes
Feld zu erforschen. Um die fluchtende Ausrichtung zwischen den beiden
Kanälen
unabhängig
von der Position der Kollimationslinie aufrechtzuerhalten, wird
ein Satz von zwei Spiegeln ML1 und ML2 zur Ausrichtung des Laserstrahls
(FL) verwendet, welche die beiden Achsen definieren, um die die
Drehungen erfolgen. Das System weist auch eine afokale Vorrichtung
AFO auf, die im in 1 dargestellten
Beispiel für
beide Kanäle
gemeinsam wirkt und es ermöglicht,
den Laserstrahl (FL) des Emissionskanals auszuweiten und den von
einer zu beobachtenden Szene ausgesandten Lichtfluss zu sammeln.
Die insbesondere die afokale Vorrichtung, den Mischer MEL, das Objektiv OBJ
und den Sensor DET des passiven Beobachtungskanals enthaltende Einheit
bildet den optischen Kollimationskopf VIS, der um Drehachsen ROT
A und ROT B beweglich ist, wobei die verschiedenen Elemente des
Kollimationskopfes mechanisch fest miteinander verbunden sind.
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Bei
einem solchen System ist es notwendig, eine perfekte Harmonisierung
zwischen dem Laser-Emissionskanal
und dem passiven Beobachtungskanal zu haben, d. h. eine perfekt
fluchtende Ausrichtung ihrer optischen Achsen. Aufgrund der schwierigen
Umgebungsbedingungen (Temperatur, Vibrationen, usw.) können Harmonisierungsfehler auftreten,
die zum Beispiel durch das Auftreten von mechanischen Ungenauigkeiten
bei den Drehungen des Kollimationskopfes verursacht werden. Es ist also
notwendig, dass die Harmonisierung im Laufe der Mission überprüft werden
kann. Es ist anzumerken, dass dieser Zwang zur Harmonisierung der
beiden Kanäle
viele andere optronische Systeme betrifft: zum Beispiel eine Raketenstörvorrichtung,
die einen "Stör"-Laser und ein Abstandsmessgerät aufweist,
um den von der Rakete gebildeten heißen Punkt zu erfassen, oder
eine aktiv/passive Abbildungsvorrichtung, bei der die Mitte des
von einem die Szene abtastenden Laser erhaltenen, "aktiven" Bilds mit der Mitte
des zum Beispiel mittels einer Wärmekamera
erhaltenen "passiven" Bilds harmonisiert werden
muss. 1 stellt ein Beispiel
des Einsatzes einer Harmonisierungsvorrichtung gemäß dem Stand der
Technik dar, das ein System betrifft, bei dem der Sensor DET des
Beobachtungskanals im Infrarotbereich empfindlich ist. Es wird angenommen,
dass der Emissionslaser im sichtbaren oder nahen Infrarotbereich
emittiert, und dass er nicht vom Sensor DET erfasst werden kann.
Die bekannte Vorrichtung weist ein Gehäuse 10 auf, in dem
sich ein Polyimidfilm 12 und Mittel für den Vorschub dieses Films
befinden, die nicht dargestellt sind. Eine optische Einheit 11 ermöglicht die
Fokussierung des einfallenden Laserstrahls FL auf den Film, der
den einfallenden Fluss absorbiert und sich erwärmt, und die Kollimation des vom
Film emittierten Wärmeflusses,
um einen Strahl FC parallel zum einfallenden Strahl FL zu bilden.
Die Wärmeemission
erfolgt im Infrarotbereich und kann daher vom Sensor des Beobachtungskanals
sichtbar gemacht werden, wodurch es möglich wird, die Harmonisierungsfehler
zu erfassen. Diese Fehler werden dann korrigiert, zum Beispiel durch
Verstellen eines Einstellspiegels MIR des Infrarot-Abbildungskanals,
oder durch Bearbeitung der erfassten Bilder, wobei der Bezugspunkt
im Bild verändert
wird. Die Vorrichtung gemäß dem Stand
der Technik, die eine komplexe Mechanik zum Abrollen des Films erfordert,
ist jedoch platzraubend und erfordert nahezu die ganze Leistung
des Lasers des Emissionskanals. Sie ist im allgemeinen an der Struktur
des "Pod" derart befestigt,
dass zur Durchführung
des Harmonisierungsverfahrens der optische Kollimationskopf VIS umgedreht
wird, um sich gegenüber
der Harmonisierungsvorrichtung zu befinden, wie dies in 1 gezeigt ist. Das Harmonisierungsverfahren
erfordert also eine Unterbrechung der Bildaufnahme; es kann nur
gemäß einer
Kollimationslinie durchgeführt
werden, die außerdem
nicht betriebsbereit ist.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung
und ihr Betrieb sind schematisch in 2 dargestellt.
Das Zielbezeichnungssystem, das gewählt wurde, um die Harmonisierungsvorrichtung
darzustellen, ist das gleiche wie in 1.
Insbesondere ist der Laserstrahl des Emissionskanals im wesentlichen
kollimiert, und die optischen Achsen der beiden Kanäle liegen
aufgrund des Mischers MEL, zum Beispiel eines dichroitischen Kubus, übereinander.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
weist Umwandlungsmittel MC auf, die ein fotolumineszierendes Material
enthalten, das, wenn es mit der Wellenlänge eines Anregungsstrahls
angeregt wird, dessen Ausbreitungsrichtung und Divergenz mit denjenigen
des Laser-Emissionsstrahls verknüpft
sind, eine Strahlung emittiert, deren Wellenlänge im Spektralband des Sensors
des Beobachtungskanals liegt. Die Fotolumineszenz entsteht aus der
Wechselwirkung zwischen einem Material und einer externen Lichtquelle.
Im fotolumineszierenden Material werden die Atome nach Absorption
eines Fotons auf einen höheren
Energiepegel gebracht und fallen spontan auf einen niedrigeren Energiepegel
zurück,
indem sie im Lauf des Prozesses ein Foton emittieren. Die Wellenlänge des
emittierten Fotons ist größer als die
des absorbierten Fotons. Wenn die Übergänge erlaubt sind, d. h., wenn
sie mit einer großen
Wahrscheinlichkeit des Auftretens erfolgen (Übergänge 'Singulet-Singulet' oder 'Triplet-Triplet'), spricht man von Fluoreszenz. Man
spricht von Phosphoreszenz, wenn es sich um verbotene Übergänge handelt,
d. h., die mit einer sehr geringen Wahrscheinlichkeit auftreten
und daher lange Emissionszeiten aufweisen (zum Beispiel 'Triplet-Singulet'-Übergänge). Im weiteren Verlauf der
Beschreibung werden Beispiele für fotolumineszierende
Materialien angegeben.
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Im
Beispiel der 2 ist der
Anregungsstrahl FE einfach ein Teil des Laserstrahls (FL) des Emissionskanals,
der aus dem Restfluss des Emissionslaserstrahls besteht, der nicht
vom Kubus MEL reflektiert wurde. Dieser Teilstrahl ist sehr schwach
(zum Beispiel einige Prozent), da der größte Teil des Laserflusses zum
Ziel reflektiert wird, aber er ist ausreichend, da der verwendete
physikalische Mechanismus sehr wirksam ist. Die Umwandlungsmittel
MC sind zum Beispiel auf eine Achse parallel zu derjenigen des in
den Kubus MEL einfallenden Emissionslaserstrahls FL zentriert und
so positioniert, dass der ganze Teilstrahl des Emissionslaserflusses
gesammelt wird, der vom Kubus MEL übertragen wurde und den Anregungsstrahl
FE bildet.
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Die
Umwandlungsmittel weisen auch eine optische Einheit auf, die es
ermöglicht,
den Anregungsstrahl im fotolumineszierenden Material zu fokussieren
und mindestens einen Teil der emittierten Strahlung zu sammeln,
um einen sich rückwärts ausbreitenden
Strahl FC zu bilden, d. h. einen Strahl, der sich auf demselben
Weg wie der Anregungsstrahl, aber in dazu umgekehrter Richtung ausbreitet
und die gleiche Divergenz aufweist. Die optische Einheit kann zum
Beispiel aus einem konkaven, im Spektralband des Sensors des Beobachtungskanals
achromatischen Spiegel 21 bestehen, wobei das fotolumineszierende
Material, mit 22 bezeichnet, so positioniert ist, dass
der Anregungsstrahl sich innerhalb des Materials fokussiert. Am
Brennpunkt emittiert das Material auf isotrope Weise eine Lichtwelle
in das Spektralband des Sensors. Ein Teil dieses Flusses wird vom
Spiegel gesammelt und reflektiert, indem er den Strahl FC bildet.
Da der Fluss genau am Brennpunkt emittiert wird, weist der sich
rückwärts ausbreitende
Strahl FC die gleichen optischen Merkmale der Richtung und der Divergenz
wie der einfallende Anregungsstrahl und somit wie der Emissionslaserstrahl
auf, was die im Rahmen eines Harmonisierungssystems gewünschte Eigenschaft
ist. Im allgemeinen, und wie es im zur Darstellung in den 1 und 2 gewählten
Beispiel und der nachfolgenden Beschreibung zu sehen ist, wird der
Emissionslaserstrahl im wesentlichen kollimiert, und der Anregungsstrahl
ist ein zum Emissionslaserstrahl paralleler Strahl; der aus der
Umwandlung entstehende Strahl wird also parallel zum Anregungsstrahl kollimiert
und breitet sich in Gegenrichtung aus. Die Umwandlungsmittel verhalten
sich dann wie eine Kubusecke, die es in Verbindung mit dem Kubus
MEL ermöglicht,
einen aus der Umwandlung stammenden Teil des Strahls FC zum Sensor
DET des Beobachtungskanals zurückzuschicken.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung funktioniert
auch, wenn die Trennung des passiven Beobachtungskanals und des
Laser-Emissionskanals nicht in kollimierten Strahlen, sondern in
konvergierenden Strahlen erfolgt. In diesem Fall kommt der Anregungsstrahl
von einem Punkt mit endlicher Entfernung. Es genügt, einfach die gute optische
Konjunktion zwischen dem Punkt, von dem der Anregungsstrahl gekommen
ist, und dem fotolumineszierenden Material zu haben, damit der von
der Umwandlung stammende Strahl (FC) ein sich in Gegenrichtung zum
Anregungsstrahl ausbreitender Strahl ist. Die optische Einheit der
Umwandlungsmittel kann auch dioptrische Elemente (zum Beispiel eine
Fokussierlinse, die einem Fluss-Sammelspiegel zugeordnet ist oder
nicht) enthalten. In jedem Fall ist eine einfache optische Einheit
ausreichend; insbesondere ist es nicht notwendig, eine platzraubende
Feinmechanik einzusetzen.
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Der
Teil des Strahls FC, der von der zum Sensor DET reflektierten Umwandlung
stammt, ist klein, da der Mischerkubus MEL so gestaltet ist, dass er
die von der Szene emittierte und vom Beobachtungskanal erfasste
Strahlung durchlässt.
Die Fotolumineszenz-Mechanismen sind aber wirksam genug, damit der
Teilstrahl des auf den Sensor fokussierten Strahls FC erfasst werden
kann.
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Gemäß einer
möglichen
Anwendungsvariante sind die Mittel MC in den optischen Kollimatorkopf VIS
integriert, d. h. fest mit den ihn bildenden Elementen verbunden,
wie dies in 2 dargestellt
ist. So ist für
jede Stellung des Kollimatorkopfes, die durch die Drehungen ROT
A und ROT B definiert ist, ein Harmonisierungsverfahren möglich. Es
ermöglicht
es zu überprüfen, ob
der von der Fotolumineszenz auf dem Sensor DET des passiven Kanals
erzeugte Fleck, der für
die optische Achse des Laser-Emissionskanals charakteristisch ist,
wirklich auf das erfasste Bild zentriert ist. Es ist anzumerken, dass
dieser Fleck sehr klein sein kann, da es in den Fotolumineszenz-Mechanismen im Gegensatz
zu den thermischen Mitteln keine Diffusionswirkungen gibt. So hat
der von der Fotolumineszenz hervorgerufene Fleck im wesentlichen
den gleichen Durchmesser wie der Fokussierfleck des Anregungsstrahls
im Material. Wenn notwendig, kann man die eigentliche Harmonisierung
zum Beispiel dadurch durchführen, dass
man das Bild mit Hilfe einer Feineinstellung der Drehungen ROT A
und ROT B auf den Fotolumineszenzfleck zentriert. Dieses Harmonisierungsverfahren
kann in Echtzeit durchgeführt
werden, oder indem vor der Durchführung der Bilderfassung die
Stellungen des der optischen Achse des Lasers entsprechenden Flecks
in Abhängigkeit
von den verschiedenen Stellungen der Kollimationslinie vorgespeichert werden.
Wenn einer der Spiegel ML1 oder ML2 einstellbar ist, kann man auch
ein Steuergesetz dieses Spiegels so bestimmen, dass die optische
Achse des Lasers im Bild ortsfest ist, und zwar für alle Positionen
der Kollimationslinie. Man kann auch die Harmonisierungsfehler ermitteln,
um sie erst später
bei der Verarbeitung der erfassten Bilder zu berücksichtigen, aber ohne sie
unbedingt mechanisch zu korrigieren.
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Wenn
zum Beispiel die räumlichen
Verhältnisse
es erlauben, können
gemäß einer
weiteren Variante die Umwandlungsmittel MC ortsfest, also nicht fest
mit dem Kollimatorkopf verbunden, und in gleicher Weise wie vorher
auf den in den Mischer einfallenden Emissionslaserstrahl zentriert
sein. In diesem Fall kann man zum Beispiel Harmonisierungsfehler aufgrund
von sich während
der Mission auf die afokale Vorrichtung ergebenden Abweichungen
korrigieren, die für
den Emissionskanal und den Beobachtungskanal nicht die gleichen
wären.
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
kann auch in einem optronischen System verwendet werden, zum Beispiel
einem System der Bezeichnung durch Laserführung vom Typ "Pod", bei dem die optischen
Achsen des Emissionskanals und des passiven Kanals unterschiedlich
sind. Ein Beispiel für
ein solches System ist schematisch in 3 dargestellt. In
diesem Beispiel weist jeder Kanal eine afokale Vorrichtung auf,
die mit 31 für
den Laserkanal bzw. mit 32 für den Abbildungskanal bezeichnet
sind. Der optische Kollimatorkopf VIS, der die Elemente des Laserkanals
und des Abbildungskanals enthält,
ist zum Beispiel gemäß den Drehungen
ROT A und ROT B beweglich, wie sie oben beschrieben wurden. Ein
Teil des Laserstrahls des Emissionskanals wird mit Hilfe eines dichroitischen
Plättchens 33 vom
Laserkanal abgezweigt, bildet den Anregungsstrahl FE und wird dann
zu den Umwandlungsmitteln MC gelenkt. Der von der Umwandlung stammende
und dem Strahl FE entgegengerichtete Strahl FC wird teilweise von
dem Plättchen 33 reflektiert
und dann mittels eines Satzes von Plättchen 34, 35 zum
Sensor DET des passiven Beobachtungskanals geschickt. Die Umwandlungsmittel
sind zum Beispiel auf dem Pod befestigt; in diesem Fall erfolgt
die Harmonisierung gemäß einer
einzigen Kollimationslinie. Die Umwandlungsmittel können derart
beweglich sein, dass sie den Bewegungen des Kollimationskopfes gemäß von den
Bewegungen der Kollimationslinie unabhängigen Drehungen folgen können.
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Die
sehr große
Vielfalt der fotolumineszierenden Materialien hinsichtlich des Emissions-Spektralbands
und der Lumineszenz-Lebensdauer ermöglicht es, die Umwandlungsmittel
an die Eigenschaften des Sensors des passiven Beobachtungskanals
anzupassen.
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Gemäß einem
ersten Beispiel im Fall der Harmonisierung eines Laserkanals, der
Impulse von einigen zehn Nanosekunden einer Wellenlänge von 1,06 μm emittiert,
und eines passiven Beobachtungskanals, der im Band II (etwa 3 bis
5 μm) empfindlich ist,
kann man als fotolumineszierendes Material einen mit Fotolumineszenz-Ionen
dotierten Feststoff verwenden, zum Beispiel eine seltene Erde wie
Erbium. Die Erbiumionen führen
nämlich
zu einer Emission bei 2,8 μm
(vom Sensor im Band II erfassbar), wenn sie auf der Wellenlänge von
1,06 μm
angeregt werden. 4 stellt
eine solche mögliche
Anwendung dar. Der kollimierte Anregungsstrahl FE durchquert das
fotolumineszierende Material 22, das in Form eines Plättchens
einer Stärke
in der Größenordnung
eines Millimeters vorliegt, und wird vom Spiegel 21 in
das Material 22 gemäß einem
Fokussierfleck fokussiert, dessen Durchmesser in der Größenordnung
von etwa zehn Mikron liegt, wodurch eine starke Leistungsdichte
erzeugt wird. Am Brennpunkt emittiert das Plättchen auf isotrope Weise eine Lichtwelle,
deren Wellenlänge
nahe bei 2,8 μm
liegt. Ein Teil des Flusses wird vom Spiegel aufgefangen und kollimiert,
wodurch der parallele Strahl FC gebildet wird, der vom Sensor DET
des Abbildungskanals erfasst wird. Es ist anzumerken, dass der vom
Spiegel nicht aufgefangene Fluss nicht störend ist, da er auf dem Sensor
des Abbildungskanals stark defokussiert ist und somit nicht erfasst
wird. Die oben beschriebene Konfiguration weist viele Vorteile auf:
Insbesondere ist die Präzision
der Positionseinstellung des fotolumineszierenden Materials in Bezug
auf den Spiegel einfach zu erhalten, da es genügt, wenn der Brennpunkt sich
innerhalb der Plättchen
befindet. Andererseits ist die erfindungsgemäße Vorrichtung somit unempfindlich
für die
thermischen Wirkungen, da eine Veränderung der Temperatur zu einer
Längsverschiebung
des Brennpunkts führt,
die keinerlei störenden
Einfluss hat, da der Brennpunkt innerhalb des Materials bleibt.
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Wenn
man das oben beschriebene Anwendungsbeispiel wieder aufnimmt, können folglich
mit einem Anregungsstrahl, dessen Spitzenleistung 100 W beträgt, Fotolumineszenz-Leistungen
von 1,2·10–6 W
emittiert werden, die ausreichen, um erfasst zu werden. Die Leistungen
der Laser der Emissionskanäle
in einem solchen Zielbezeichnungssystem liegen aber in der Größenordnung
von 100 MW für
Impulsbreiten von 20 ns. Anders gesagt, ist die zur Gewährleistung
der Harmonisierungsfunktion entnommene Laserleistung nahezu vernachlässigbar
und verursacht keinerlei Verschlechterung der Leistungen des aktiven
Teils der Anlage. Außerdem
ist die Fotolumineszenz-Lebensdauer der Erbiumionen hoch (größer als
1 msec), und somit viel größer als die
Dauer des Laserimpulses selbst, was einen guten Wellenlängenwandler,
aber auch einen guten Impulsdauerwandler ergibt. Dies ist besonders
wichtig, wenn der Sensor des Abbildungskanals die kurzen Impulse
nicht erfasst. Das hier beschriebene Ausführungsbeispiel kann auf andere
Ionen (Holmium, usw.) und auf andere Laserwellenlängen erstreckt
werden, um die Umwandlungsmittel an die Umwandlungserfordernis anzupassen.
Da die Fotolumineszenzstärken
groß sind,
kann man auch die Typen von fotolumineszierendem Material in Kaskade
anordnen, um das gesuchte Emissionsband zu erhalten, wenn ein einziges
fotolumineszierendes Material nicht allen Kriterien entspricht (siehe
nachfolgend angegebenes Beispiel).
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Eine
Variante der oben beschriebenen Umwandlungsmittel besteht darin,
ein nichtlineares Material mit Frequenzumwandlung und eine fotolumineszierende
Substanz zu verwenden, wobei die Wechselwirkung zwischen dem Anregungsstrahl (FE)
und dem nichtlinearen Material eine Welle mit einer Wellenlänge erzeugt,
die kürzer
ist als diejenige des Anregungsstrahls, wobei diese Welle die Fotolumineszenz-Emission
der lumineszierenden Substanz auslösen kann. Zum Beispiel kann
man ein mit Fotolumineszenz-Ionen dotiertes, nichtlineares Material verwenden.
Ein typisches Beispiel bildet ein Lithiumniobatkristall (LiNbO3), der mit Erbiumionen dotiert ist. Man
weiß nämlich, dass
diese seltene Erde eine Fotolumineszenz-Emission in der Nähe von 28,8 μm aufweist.
Dagegen ist der Absorptionskoeffizient bei 1,06 μm geringer als bei 0,5 μm. Da das
LiNbO3 eine optische Nichtlinearität der Ordnung
zwei aufweist, ist es möglich,
die zweite Harmonische von 1,06 μm, d.
h. 0,532 μm
zu erzeugen. In diesem Fall ist es hauptsächlich die Welle bei 0,532 μm, die die
Fotolumineszenz des Ions der seltenen Erde angeregt. Um die Wechselwirkung
zu optimieren, kann man den Kristall in Bezug auf den einfallenden
Anregungsstrahl FE ausrichten, um die Bedingung der Phasenübereinstimmung
zu überprüfen. Eine
Variante besteht darin, zwei getrennte Materialien zu verwenden,
eines, um die Frequenzumwandlung durchzuführen, und das andere, um die
Fotolumineszenz im gewünschten
Band zu erzeugen; so kann man die beiden Wechselwirkungen getrennt
optimieren.
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In
den Konfigurationen, bei denen der Sensor des Beobachtungskanals
optische Signale kurzer Dauer erfassen kann, ist es vorteilhaft,
als fotolumineszierendes Material ein Halbleitermaterial zu verwenden,
wie zum Beispiel Indiumarsenid (InAs), oder eine komplexere Legierung,
um die Emissionswellenlänge
an den Sensor anzupassen. 5 zeigt
die Fotolumineszenz-Emission (in willkürlichen Einheiten U. A.) in
Abhängigkeit
von der Wellenlänge.
Die Kurve 51 stellt so ein Emissionsspektrum der Fotolumineszenz
von InAs dar, wenn es von einem Impulslaser Nd:YAG (Impulsbreite
etwa 10 ns) angeregt wird. Der Halbleiter kann in massiver Form
oder als dünne Schicht
verwendet werden. Wie dies in 6 dargestellt
ist, kann er vorteilhafterweise in Form einer Pastille 61 in
der Mitte eines für
den nahen Infrarotbereich und den Infrarotbereich durchlässigen Fensters 62 verwendet werden.
Da dieses Material bei 1,06 m stark absorbierend wirkt, ist es tatsächlich vorzuziehen,
dass der Anregungsstrahl die Pastille nicht durchquert, ehe er zum
Beispiel im Spiegel 21 fokussiert wird.
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Man
kann auch die Typen von fotolumineszierenden Materialien in Kaskade
anordnen, um das gesuchte Emissionsband zu erhalten, wenn ein einziges
fotolumineszierendes Material nicht allen diesen Kriterien entspricht.
Zum Beispiel kann man mit der Fotolumineszenz einer ersten Substanz,
die die Hauptfunktion des Impulsdauer-Transformators gewährleistet,
die Fotolumineszenz einer zweiten Substanz anregen. Zum Beispiel
kann die erste Substanz wie oben beschrieben ein mit Erbium dotiertes
Material sein, das, wenn es von einem Impulslaser auf 1,06 μm angeregt
wird, um 2,8 μm
herum emittiert, mit einer Lebensdauer nahe einer Millisekunde,
und als zweite Substanz kann man ein Halbleitermaterial in dünner Schicht
oder massiv verwenden, das bei der Wellenlänge 2,8 μm absorbiert und dessen Zusammensetzung
passt, um genau im gewünschten Band
zu emittieren. Die erste Substanz dient als Impulsdauer-Transformator
und die zweite dient als Wellenlängen-Transformator.
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Eine
Variante der Vorrichtung gemäß der Erfindung
ist teilweise in 7 dargestellt.
Es geht darum, eine Nebenquelle 70 des Lasers LAS des Emissionskanals
zu verwenden, die einen Strahl FA (in durchgezogenen Linien in 7) emittiert, der mit Hilfe
einer Ausrichtvorrichtung 71 mit dem Laserstrahl FL (strichpunktiert
in 7) in Flucht gebracht wird.
Der Strahl FA formt dann den einfallenden Anregungsstrahl FE auf
die Wandlermittel gemäß Mitteln,
die den oben beschriebenen gleichen. Da die Nebenquelle vom Emissionslaser
unabhängig
ist, kann sie gemäß günstigeren
Merkmalen für
die Optimierung der Fotolumineszenz arbeiten. Zum Beispiel kann
sie in langen oder durchgehenden Impulsen arbeiten, wobei die Emissionswellenlänge der
Nebenquelle nahe derjenigen des Emissionslasers ist, damit es keine
zu großen
Schwierigkeiten für
die Fluchtungsoptik der beiden Quellen gibt. So kann eine aus einem
Halbleiterlaser oder einem von Dioden gepumpten festen Minilaser
bestehende Nebenquelle, die um 1 μm
herum emittiert, den Anregungsstrahl eines fotolumineszierenden
Materials erzeugen, das zum Beispiel aus einem Halbleiter vom Typ
InAS besteht, wie weiter oben beschrieben wurde. Die Forderung für die Emissionswellenlänge der
Nebenquelle besteht darin, dass sie kürzer sein muss als diejenige,
die dem verbotenen Band des verwendeten Halbleitermaterials entspricht,
wenn ein solches Material verwendet wird.
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In
diesem Fall ist es von größter Bedeutung, eine
perfekte Fluchtung zwischen dem Emissionslaserstrahl LAS und der
Nebenquelle 70 zu haben. Wie dies in 7 dargestellt ist, weist die Fluchtungsvorrichtung
zum Beispiel einen Separatorkubus 72 auf, dessen Trennfläche in einer
45°-Ausrichtung
zum Emissionslaserstrahl und zum von der Nebenquelle kommenden Strahl
angeordnet ist, wobei ein Winkelabstandsdetektor 73 die
beiden Strahlen empfängt,
was es zu jeder Zeit erlaubt, einen möglichen Winkelabstand zwischen
den beiden zu kontrollieren. Außerdem
kann sie auch eine Ablenkeinheit 74 aufweisen, die zum
Beispiel mittels einer motorisch angetriebenen Einheit von zwei
Drehkeilen hergestellt wird, die in der Lage ist, die beiden Strahlen
unter allen Betriebsbedingungen neu zu fluchten.