IT9020824A1 - Dispositivo sensore ottico - Google Patents

Description

Descrizione

L 'invenzine si riferisce ad un dispositivo sensore ottico per riconoscere e rilevare direzionalmente radiazione ottica, conformemente alla definizione del genere deila rivendicazione 1.

Dal DE-PS 33 23 828 e dal DE-OS 35 25 518 sono noti sensori , nei quali la direzione della radiaizone laser incidente viene determinata e definita con l'ausilio di una misurazione del tempo di propagandone. In particolare la radiazione laser viene guidata in fibre fotoconduttrici. Qui per mezzo di un numero assai modesto di elementi detettori e di circuiti elettronici viene rilevato un grande angolo solido con buona risoluzione angolare. Questa soluzione proposta tuttavia presuppone fotguide, che possono operare nell ’intera gamma spettrale di una possibile minaccia laser.

Nella gamma da 0,4 μm fino a 2 μm , che comprende le più frequenti sorgenti laser, come laser al rubino , diodi laser, laser ad alessandrite, laser Nd : YAG, laser ad erbio ed o mio etc., si possono impiegare fibre di vetro di ossido di silicio. Per superare la gamma fino a 4,5 μm con ad esempio laser a fluoruro di deuterio (per 4,2 μm) si sono dimostrate adatte fibre fotoconduttrìci di fluoruri - ad esempio fluoruro di zirconio - .

Tuttavia nessuna delle menzionate fibre fotoconduttrici di vetro è impiegabile nella gamma spettrale di 8 μm fino a 14 μm , così importante a livello militare, a causa della mancante trasmissione del materiale. In verità negli ultimi anni sono state sviluppate fibre fotoconduttrici, comé ad esempio fibre come guide d'onde cave di materiali plastici e metalli, fibre di sali cristallini come NaCl, KCI, fibre policristalline di Cs, Br, TI Ce oppure fibre calcogenidi di AS, Ge, Se, Te. Rispetto alle fibre fotoconduttrici per le più corte lunghezze d'onda le fibre precedentemente menzionate tuttavia presentano ancora sempre considerevoli inconvenienti, e precisamente un'elevata attenuazione e sensibilità nei confronti dell'umidità, una non sottovaiutabile velenosità ed una modesta flessibilità. Pertanto finora è impossibile costruire sensori di segnale di laser, che possono operare perfettamente nella gamma spettrale da 8 μm fino a 14 μm.

L 'invenzione si pone il compito di concepire un sensore, che opera senza fibre o al massimo con fibre di piccola lunghezza e consente una buona risoluzione angolare con modesto numero di elementi detettori , anche nell'ampia gamma dell'infrarosso , laddove inoltre garantisce anche una struttura compatta, un'elevata sensibilità ottica con contemporanea insensibilità nei confronti della luce di fondo e scintillazione del fascio laser nell'atmosfera, nonché una grande gamma dinamica.

Questo problema viene risolto mediante gli accorgimenti illustrati nella rivendicazione 1.

Nelle sottorivendicazioni sono indicati ulteriori sviluppi e esecuzioni e nella seguente descrizione sono descritti esempi di realizzazione rappresentati nelle figure del disegno.

In particolare:

la fig. 1 mostra uno schizzo schematico relativamente alla diffusione del fascio di luce centrale, incidente sul disco sensore, verso il bordo del guscio del sensore,

la fig. 2 mostra uno schema in una sezione trasversale di un sistema ottico di entrata del sensore di segnalazione del laser in un primo esempio di realizzazione,

la fig. 3 mostra uno schema in una sezione trasversale di un sitema ottico di entrata del sensore di segnalazione del laser in un ulteriore esempio di realizzazione,

la fig. 4 mostra uno schema in una sezione trasversale di un sistema ottico di entrata del sensore di segnalazione del laser in un terzo esempio di realizzazione,

la fig. 5 mostra tre schemi su forme dì realizzazione dei dispositivi per condurre il segnale misurato della radiazione marginale sul detettore,

la fig. 6 mostra un diagramma relativo all'intensità della luce di un sensore a doppio guscio secondo la invenzione,

la fig. 7 mostra un diagramma relativo al rapporto dei segnali ottici sul sensore a doppio guscio secondo la fig. 6,

la fig. 8 mostra un diagramma relativo al rapporto "V" dei segnali dell'intensità sul sensore a doppio guscio secondo la fig. 6.

A causa del crescente impiego di radiazione laser per misurazione, marcaggio e guida per sistemi di direzione di fuoco nel campo tattico etc., cresce continuamente il fabbisogno di sensori di segnalazione di laser, per identiciare una radiazione laser dallo sfondo naturale e per poter definire la posizione della sorgente di raggi a terra oppure in aria. Poiché già oggigiorno vengono impiegate sorgenti laser dalla luce visibile fino nella gamma media dell'infrarosso della radiazione termica per tali impieghi, dovranno essere necessariamente impiegabili anche sensori di segnalazione pertali gamme spettrali.

Or bene all'inizio è già stato illustrato il fatto che finora non si possono impiegare nè fibre fotoconduttrici di vetro di ossido disilicio e nemmeno quelle di fluoruro di zirconio nella gamma spettrale da 8 μm fino a 14 μm, particolarmente importanti dal punto di vista militare . In questa gamma però rientra con λ = 10,6 μm la lunghezza d'onda dei laserai CO2, che viene ad avere sempre più importanza come misuratore di distanza, marcatore di bersagli e sorgente di raggi di guida. Qui interviene l'invenzione con un concetto sorprendentemente semplice per unatesta di sensore ottico, che si basa sul prncipio del raffronto delie ampiezze dei segnali ottici.

Orbene al riguardo si parte dal fatto che quando una radiazione orientata cade su una lastra trasparente di un dielettrico - ad esempio vetro - , allora una parte della radiazione passante in seguito alla differenza dell'indice di rifrazione dell'aria e del dielettrico, viene riflessa a ritroso in corrispondenza delia seconda superficie nel dielettrico, ossia la radiazione S inparte attraversa la prima superficie , ma d'altro canto essa viene riflessa a ritroso nei dielettrico, dove il processo si ripete più volte. La percentuale processuale della potenza di radiazione luminosa riflessa a ritroso su tali superfici, in caso di incidenza verticale sulla lastra risulta in base alla forma di Fresnel:

in particolare ne rappresenta il rappòrto dell'indice di rifrazione del dielettrico e dell'aria. In caso di normale vetro di finestra n = 1,5 questa percentuale è di circa il 4%, su vetri di elevato indice di rifrazione nella gamma dell'infrarosso, come germanio con N = 4, questa percentuale è di circa il 36%. In caso di incidenza nonverticale di un fascio di luce su una lastra piana la percentuale riflessa cresce con l'angolo di incidenza e la luce, che è racchiusa nella per effetto di riflessione multipla migra verso il bordo della lastra. Questo effetto - come mostrano i seguenti esempi di realizzazione - viene ora utilizzato per definire la direzione di incidenza della radiazione, quando al posto di una lastra piana costituita di un dielettrico si impiega una parte di guscio sferico. A tale scopo vengono proposte tre diverse forme di realizzazione.

Laprima forma di realizzazione - schematizzata in fig. 2 -viene formata da una parte 11 di guscio sferico di materiale dielettrico. Radiazione incidente S incontra una parte 11 di guscio sferico di materiale dielettrico, la cui superficie esterna 11' ed interna 11" presentano i raggi r1e r2. Le parti di guscio sferico - con Riferimento al centro M della sfera - hanno un angolo di apertura di 5/2.

La superficie interna viene di preferenza altamente specularizzata 13, cosicché viene completamente riflessa la radiazione incidente S. La parte della radiazione, attraversante la superficie esterna, viene riflessa ad andirivieni più volte fra le due superfici 11' e 11" e in particolare si allontana dal punto, di incidenza, qualora il raggio incontri obliquamente la superficie In caso di considerazione bidimensionale - come è desumibile dàlia fig. 1 - la parte del fascio di raggi S, che a destra del raggio passa per il centro M della parte sferica, si muove verso destra, mentre la parte di detto fascio che arriva a sinistra di questa, si muove verso sinistra. In dipendenza dell'angolo di incidenza y dell'intero fascio di raggi pertanto arrivano differenti segnali in corrispondenza dell'estremità destra edell'estremità sinistra della parte di guscio sferico, che o vengono forniti direttamente su un detettore 16 oppure entrano le fotoguide 15 collegate con il detettore 16, vengono addotte ad esso e vengono utilizzate per una determinazione dell'angolo di incidenza.

L'esempio di realizzazione secndo la figura 3 prevede che fra la superficie 13, altamente specularizzata, di raggio r2 ed il dielettrico (la parte trasparente 11 a guscio sferico) si trova un'intercapedine d'aria o di vuoto 12 di spessore r1-r2.

Solo sulla superficie di raggi si raccorda il dielettrico 11 di spessore il dielettrico viene preferibilmente completamente despecularizzato verso l'esterno, cosicché i raggi in arrivo dall'esterno praticamente possono entrare in questo senza perdite per riflessione. Per la deviazione trasversale della radiazone incidente in questa versione non si utilizza il dielettrico ma l'intercapedine d'aria o di vuoto 12.

Qui un raggio in arrivo, entrando nel dielettrico 11 viene verso rifratto /la perpendicolare alla superficie e , abbandonando il dielettrico, viene rifratto all'ontanandosi dalla normale alla superficie. Se lo spessore dello dielettrico 11 - come é mostrato in figura 3 è piccolo, allora le direzioni delle normali alla superficie nel punto di entrata e nel punto di uscita si differenziano solo poco. La risultante variazione direzionale del S è pertanto trascurabile, cosicché si può supporre che questa attraversa il dielettrico praticamente con soltanto uno sfalsamento parallelo.

Nel terzo caso viene proposta una forma di realizzazione con una spessa parte dielettrica trasparente 11 a guscio sferico, che viene schematizzata injfig. 4. Qui dopo il passagio del raggio S attraverso la parte 11 a guscio sferico si verifica una decisa variazione direzionale con una maggiore inclinazione rispetto alla perpendifcolare alla superficie. Pertanto dopo un numero di riflessioni decisamente minore sulia superficie speculare 13 totalmente riflettente, il raggio arriva al bordo dell'intercapedine d'aria o di vuoto 12.

Dovrebbe risultareevidente che il caso tridimensionale, non rappresentato nelle figure 2 fino a 4, viene ottenuto mediante rotazione della parte a guscio sferico 11 , attorno all 'asse dei raggi rispetto ai centro del guscio sferico, ossia i raggi - guardando dall'alto sul guscio - si estendono radialmente dal punto di attraversamento M sulla superficie del guscio verso i bordi come è schematizzato in fig. 1.

Per comprendere un intervallo angolare di 90° è necessaria una sezione della parte dì guscio sferico 11 di 90°. Con l'ulteriore trasmissione della radiazione ottica verso i detettori 8 elettronici è necessario tener conto della distribuzione superficiale e angolare della radiazione. I raggi si distribuisono in modo ampiamente omogeneo sulla superficie marginale. Gli angoli di uscita sul bordo R sono però limitati ad un intervallo angolare fisso attorno alla perpendicolare alla parte 11 di guscio sferico, o verso l'esterno oppure verso l'Interno, indipendentemente dal fatto che l'ultima riflessione avvenga sul guscio interno 11" oppure su quello esterno 11 '.

Nell 'esempio di realizzazione menzionato per primo (fig. 2) l 'angolo limite è per un rilevamento di 90° , ossia con angoli di incidenza di

in tal caso "n" è l 'indice di rifrazione del materiale del guscio sferico, ad esempio per

n = 1 ,45 (vetro al quarzo) si ottiene = 29,2°

e per n = 4 (germanio) si ottiene

Affinchè i raggi sul bordo R, che sono diietti verso l'esterno, arrivino sui detettore 16, è previsto un anello 14, riflettente internamente, su questo bordo R, che devia questi raggi in direzione verso il detettore 16.

Nei secondo esempio di realizzazione secondo la fig. 3 l'angolo limite è di circa e nel terzo esempio di realizzazione secondo la fig. 4 esso è superiore a 45°. in questi due casi è vantaggiosa una deviazione del raggio anche per il fatto che al detettore 16 infatti viene offerta possibiimnete molta della luce utile. Poiché tutta la luce uscente dalla zona marginale R dopo la deviazione, è distribuita In un intervallo angolare relativamente stretto - guardando nel piano bidimensionale della sezione trasversale - è vantaggioso il fatto di concentrare il fasco di raggi Si con una lenta 17' oppure con un altro tipo di concentratori luminosi 17 - ad esempio specchi conici etc. - sul detettore.

La grandezza della superficie utile sul bordo speculare dopo tale riproduzione, con adattamento ottimale alla superficie ed angolo di accettanza del detettore 16 è :

In tal caso e la superficie del detettore, l'angolo di accettanza spaziale dei detettore e è l'angolo di irradiazione della zona marginale R. La fig. 5 mostra tre esempi di realizzazione per la/produzione del fascio di raggi su un detettore 16, rispettivamente le superfici di entrata di un fascio di fotoguide 15 collegato con un detettore 16 piazzato ad un terza distanza dalla parte a guscio sferico 11.

Per impiegare le parti dielettriche 10 a guscio sferico come sistema ottico di entrata di un sensore, con una sensibilità sufficientemente alta alle radiazioni e con una buona risoluzione angolare, sono necessari i seguenti presupposti: in primo luogo è necessaria una sufficiente intensità di irradiazione sul bordo R del guscio per rivelare la radiazione laser incidente S. Inoltre il rapporto fra le radiazioni sui detettori dovrà essere tale che sussiste una definizione uniivoca dell'angolo di incidenza, inoltre dovrà essere necessariamente garantita l'insensibilità della detezione nei confronti di scintillazione del raggio laser in seguito a turbolenze atmosferiche e rispetto ad eventuale polarizzazione della radiazione laser.

Un calcolo dettagliato della distribuzione dell'intensità sul bordo delie parti a guscio sferico per diversi raggi, diverse densità del guscio, diversi indici di rifrazioni e diverse forme di realizzazione dei gusci, indica che con raggi della sfera nell'intervallo da 2 fino a 3 cm, per un albero di incidenza di

si ottiene un'intensità (intensità di irradiazione) dello numero di grandezza dell'intensità della luce incidente sui gusci sferici.

In caso di minore o maggiore aumenta il segnale su un lato del bordo R, mentre dimuisce sull'altro lato del bordo R. Ciò significa che con gusci relativamente piccoli oppure con un diametro di 2 - 3 cm sono prevedibili rapporti di intensità sul detettore in funzione della conversione della radiazione nel guscio, come quelli che si hanno nel caso di un irraggiamento di -retto del detettore senza sistema ottico preliminare.

Il vantaggio del guscio sta ora nel fatto che il rapporto delle intensità a sinistra e a destra in corrispondenza del bordo rappresenta una funzione, crescente in maniera monotona, dell'angolo di incidenza, e inoltre dal fatto che in seguito alla limitata distribuzione angolare della radiazione sul bordo del guscio il se gnale viene aggiuntivamente rinforzato considerevolmene mediante ingrandimento del raggio del guscio.

Un esempio per i parametri, di una tipica realizzazione di un sensore a guscio sferico per luce infrarossa ad onda lunga, con germanio come materiale del guscio, sferico, è mostrato dalia! fig. 6. Qui sono riportati: l'intensità della- radiazione laser in cor rispondenza del bordo normalizzata con l'intensità della luce incidente in/funzione dell'angolo di incidenza da 0° fino a 90 - come è indicato nelle figure 3 e 4 - per realizzazione di un guscio doppio con un'intercapedine di vuoto.

Come mostrano le caatteristiche i segnali per le due direzioni di polarizzazione fra di loro ortogonali, in questo caso si distinguono in maniera rilevante, e così entrambi raggiungono un massimo che è circa 1.2. Il rapporto fra entrambi i segnali sul bordo sinistro e destro Q cresce in maniera monotona con angolo di incidenza da 0° fino a 80° in ragione di ji fattore 0 fino a 4 . Affinchè venga eliminata la fastidiosa crescita asintomatrica del segnale per 90°, è opportuno prendere come valore-misurato il rapporto

La fig. 7 mostra V in funzione dell'angolo di incidenza . Oltre al fatto positivo che l'andamento funzionale si estende quasi simmetricamente attorno a 45° , non è più possibile distinguere la differenza dei rapporti dei segnali delle due direzioni di polarizzazione attorno al piano di incidenza della radiai zione sul guscio. Si comprende che il rapporto V non ha un andamento lineare con l'angolo. Poiché l'ndamento di funzionamento tuttavia viene definito soltanto dai parametri geometrici ed ottici del guscio, si può prendere in considerazione questo andamento, determinato calcolatoriamente oppure con misurazione, nel corso dell'elaborazione dei segnali e è possibile determinare direttamente l'angolo di incidenza da ogni rapporto dei segnali V.

La misurazione dell'ampiezza dei segnali sui detettori sul bordo del sensore a guscio può esser attuata con diversi noti metodi di misurazione elettronici, a d esempio mediante "Amplitude Peak Detection" oppure "Sample and Hold Detection". Un'ulteriore elaborazione dei segnali avviene - come oggigiorno generalmente usuale - con tecnica a microprocessori.

Claims (1)

1. Rivendicazioni 1.-Dispositivo sensore ottico per riconoscere e rilevare direzionalmente radiazioni ottiche con l'ausilio di una misurazione del tempo di propagazione e della determinazione dei segnali mediante raffronto delle ampiezze, caratterizzato dal fatto che il sistema ottico di entrata del dispositivo sensore (10) è eseguito come parte trasparente dielettrica (11) a guscio sferico, le cui superfici a guscio (11', 11") - con corrispondente spessore della sezione trasversale,- e/oppure la cui combinazione di sezione trasversale è costituita di sottili superfici a guscio (11'), spazio d'aria o intercapedine di vuoto (12) e superficie a specchio (13) totalmente riflettente, ed adduce la radiaizone' incidente (S), mediante riflessione rispetto al bordo (R) della parte a guscio sferico (11) e ivi, direttamente tramite un anello a specchio (14) oppure con l'ausilio di una linea delle radiazioni, tramite fotoguide (15), a più detettori elettroottici (16), e dal rapporto fra i segnali di questi detettori (16) viene determinata la direzione di incidenza nello spazio. 2.-Dispositivo sensore secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che sono integrati dispositivi che dall'andamento della radiazione dei detettori (16) determinano grandezze caratteristiche delia radiazione (S), come lunghezza d'onda, durata della radiazione e frequenza di ripetizione. 3.-Dispositivo sensore secondo le rivendicazioni 1 o 2, caratterizzato dal fatto che la superficie inerna (11") a guscio è eseguita come specchio metallico (13), nonché dal fatto che direttamente sul bordo (R) della parte (11) a guscio sferico il segnale ottico (Si) che viene riflesso fra le due superfici a guscio (11‘, 11"), viene fornito al detettore (16). sensore 4. -Dispositivo/ secondo la rivendicazione 1 oppure 2, caratterizzato dal fatto che la parte dielettrica trasparente (11) a guscio sferico presenta uno spessore tale che la radiazione (S) attraversa la prima superficie (11 ') a guscio e la seconda superficie (11") a guscio con uno sfalsamento prestabilito dei raggi, e dopo l 'attraversamento di un'intercapedine d'aria o di vuoto (12) viene riflèssa a ritroso da una superficie speculare metallica steriforme (13), sulla seconda superficie a guscio (11") , e la parte della radiazione incidente (S), riflessa ad andirivieni fra queste due superfici, viene addotta ai detettori (16). 5. -Dispositivo sensore secondo le rivendicazion da 1 fino a 4, caratterizzato dal fatto che la sueprficie convessa della parte a guscio sferico (11) oppure la superficie interna concava della parte a guscio sferico (11 ) viene impiegata come superficie di entrata del sensore (16). 6. -Dispositivo sensore secondo le rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzato dal fatto che il segnale ottico (Si) della radiazione (S) in corrispondenza del bordo (R) fra le due superfici limite riflettenti , viene addotto direttamente al detettore elettroottico (16). 7. -Dispositivo sensore secondo le rivendicazioni da 1 fino a 5, caratterizzato dal fatto che il segnale ottico (Si) della radiazione (S) , in corrispondenza del bordo (R) fra le due superfici limite riflettenti, viene fornito ad una o più fotoguide (15) collegate con il detettore (16). 8. -Dispositivo sensore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzato dal fatto che il segnale ottico (Si) della radiazione (S) in corrispondenza del bordo (R) dell’intercapedine d'aria o di vuoto (12) fra le superfici riflettenti (13, 11") viene addotto per migliorarne la concentrazione a dispositivi ausillari (17, 17') - come deviatore di raggi, lenti di concentrazione) della luce -. 9. -Dispositivo sensore secondo una o più delle rivendicazioni da 1 fino a 7, caratterizzato dai fatto che la parte dielettrica trasparente (11 ) a guscio sferico viene messa in rotazione attorno all’asse dei raggi rispetto al centro dei guscio sferico per mezzo di un dispositivo di azionamento.