DE2158462C3

DE2158462C3 - Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren und im infraroten Bereich

Info

Publication number: DE2158462C3
Application number: DE2158462A
Authority: DE
Inventors: Pieter Eindhoven Roos
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1970-12-03
Filing date: 1971-11-25
Publication date: 1981-10-22
Also published as: NL7017658A; FR2116515B1; DE2158462A1; JPS539096B1; GB1377633A; CH545977A; FR2116515A1; US3745347A; DE2158462B2

Description

Fahrzeug, erscheint, wird ein Lichtfleck im Blickfeld des Beobachters projiziert. Der Beobachter weiß dann, daß sein Fernrohr auf einen Gegenstand gerichtet ist, obgleich er die Abbildung dieses Gegens*andes in erster Linie nicht mit dem System für sichtbare Strahlung beobachten kann.

Das Fernrohr läßt sich also «ils Richtfernrohr verwenden. Wegen der koaxialen Bauart der Systeme für Infrarotstrahlung und für sichtbare Strahlung weist das Fernrohr geringe Abmessungen auf, so daß es »eicht auf Feuerwaffen montiert werden kann. Das Fernrohr bietet aber auch zur ordentlichen Beobachtung von Gegenständen mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur Vorteile. Die Möglichkeit, daß man einen Gegenstand beobachten kann, ist ja größer, wenn man weiß, daß es in der Tat einen Gegenstand gibt, als wenn man der Anwesenheit eines Gegenstandes nicht gewiß ist Ein Fernrohr nach der Erfindung mit geeigneten an das Tageslicht angepaßten Filtern kann auch dazu verwendet werden, tagsüber getarnte warme Gegenstände aufzuspüren.

Nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung können die flachen Spiegel des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung und des Anzeigesystems synchron über einen kleinen Winkel um eine zu der optischen Achse des Objektivs senkrechte Achse schwingen. Dadurch kann das Gesichtsfeld über einen kleinen Winkel in einer zu der optischen Achse senkrechten Richtung abgetastet werden.

Nach einer anderen vorteilhaften Ausbildung der Erfindung können die zur Verarbeitung der sichtbaren Strahlung benötigten optischen Oberflächen alle auf einem einzigen Körper aus einem die sichtbare Strahlung größtenteils durchlassenden Material angebracht sein.

Ferner kann das Detektionssystem für Infrarotstrahlung außer einer ersten Detektorzelle auch noch eine oder mehrere Referenzdetektorzellen enthalten. Mit Hilfe dieser Referenzzellen kann der Einfluß der Infrarot-Hintergrundstrahlung in bezug auf die Strahlung des zu erkennenden Gegenstandes in einer geeigneten elektronischen Schaltung eliminiert werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt

F i g. 1 eine Ausführungsform eines Fernrohres nach der Erfindung, in der das Abbildungssystem für sichtbare Strahlung und das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung voneinander getrennt sind, und

F i g. 2 und 3 Ausführungsformen, in üenen diese Systeme vereinigt sind.

In diesen Figuren sind die gleichen Elemente mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet.

In dem Fernrohr nach F i g. 1 ist eine gesonderte Linse 6 für Infrarotstrahlung angebracht. Das Abbildungssystem für die sichtbare Strahlung wird durch einen sphärischen Hohlspiegel 1 und einen flachen Spiegel 2 (Fangspiegel) gebildet. Die asphärische Korrekturplatte 3 bewirkt eine Korrektur für die sphärische Aberration der Spiegel 1 und 2. Die beispielsweise dargestellten Strahlen 20, 21 und 22 werden vom Spiegel 1 zu dem Spiegel 2 reflektiert. Der Spiegel 2 reflektiert seinerseits diese Strahlen zu der Photokathode der Helligkeitsverstärkerröhre 4 und erzeugt dort ein Bild 12 der detektierten sichtbaren Strahlung. Das verstärkte Bild 13 wird von dem Okular 5 beobachtet.

In einer öffnung der Korrekturplatte 3 rings um die optische Achse 00' ist ein Infrarotobjektiv 6 angebracht.

Dieses Objektiv ist aus einem Material mit einer befriedigenden Durchlässigkeit in dem Wellenlängenbereich von 1 — 15 μπι, wie Zinksulfid, hergestellt. Die durch das Objektiv 6 hindurchtretenden Infrarotstrahlen werden von dem Element V, dessen dem Objektiv zugewandte Oberfläche mit Aluminium überzogen sein kann, zu dem Infrarotdetektor 8 reflektiert Das Ausgangssignal dieses Detektors wird in einer nicht dargestellten Verstärkerschaltung verstärkt und das verstärkte Signal steuert die Lichtquelle 9, die z. B. eine GaAs-Photodiode ist und sichtbare Strahlung emittiert

Die von der Photodiode 9 emittierten Strahlen werden von einem Spiegel 7 bzw. Ta für sichtbares Licht zu der Photokathode der Helligkeitsverstärkerröhre 4 reflektiert Dieser Spiegel kann durch die von dem Objektiv 6 abgekehrte und mit einer reflektierenden Schicht versehene Oberfläche des Elements 7 gebildet werden. Die Linsen 10 und 11 sichern eine scharfe Abbildung auf der Photokathode.

Um mit dem Wärmedetektionssystem einen bestimmten Teil eines Gebietes schnell absuchen zu können, kann das Element 7 schwingbar um eine zu der Zeichnungsebene senkrechte Achse angebracht sein, wie mit dem Pfeil 14 angedeutet ist Das Element 7 schwingt z. B. über einen Winkel von 1°, so daß vertikal ein Gebiet von 2° abgetastet wird. Der Durchmesser des Gesichtsfeldes des Systems für sichtbare Strahlung umfaßt einen Winkel von 10°.

Durch Kombination des schwingenden flachen Spiegels 7 des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung mit dem Spiegel 7a des Anzeigesystems sind diese Systeme direkt miteinander gekoppelt, so daß die Form der Schwingungsbewegung nicht wesentlich ist. Das Element 7 kann auf einfache Weise in Schwingung versetzt werden; ein Magnet mit einer Spule und einem Schwingkreis reicht dazu aus.

Das Gesamtbild eines Fernrohres besteht also aus dem Normalbild eines Fernrohres für sichtbare Strahlung, dem bei drehbarem Element 7 eire helie Linie oder bei stillstehendem Element 7 ein Lichtpunkt überlagert ist. Für das oben beschriebene Fernrohr ist der minimal zu detektierende Temperaturunterschied bei einem geometrischen Auflösungsvermögen von 5mradetwaO,5°C.

In dem Fernrohr nach F i g. 1 ist das Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung getrennt. In den Ausführungsformen nach den F i g. 2 und 3 bilden eines oder mehrere Elemente des Systems für sichtbare Strahlung zugleich einen Teil des Aufnahmesystems für Infrarotstrahlung.

So ist in dem Fernrohr nach F i g. 2 das Korrekturele ment 3 mit einer bichromatischen Spiegelschicht 17 versehen. Die Strahlen 23 und 24 mit Wellenlängen im sichtbaren Bereich durchlaufen den gleichen Weg im Fernrohr wie in F i g. 1, weil die Schicht 17 die sichtbare Strahlung nahezu völlig durchläßt. Die Infrarotstrahlen 25 und 26 werden aber von der Schicht 17 nahezu völlig zu der Detektorzelle 15 der Detektionseinrichtung 8 reflektiert. Im Zusammenhang mit der Fokussierung auf die Detektorzelle ist die Oberfläche des Korrekturelements, auf der die Schient 17 angebracht ist, parabolisch gestaltet.

Das Gesichtsfeld des Fernrohres für sichtbare Sfahlung ist etwa lOmal größer als das Gesichtsfeld des Wärmedetektors. Dadurch wird erreicht, daß in der Mitte des Helligkeitsverstärkerbildes ein kleines Gebiet mit thermischer Information geliefert wird.

Zu dem Zeitpunkt, zu dem die empfangene Wärme-

strahlung eine bestimmte Intensität überschreitet, wird eine Vorrichtung 18 eingeschaltet. In dieser Vorrichtung wird sichtbare Strahlung erzeugt und mittels eines geeigneten optischen Systems als ein Lichtfleck auf dem Schirm 13 der Helligkeitsverstärkerröhre 4 abgebildet. Dadurch, daß neben der eigentlichen Signaldetektionszelle 15 eone oder mehrere Referenzzellen, wie die Zelle 16, verwendet und Ausgangssignale der Zellen auf elektronischem Wege miteinander verglichen werden, kann der Einfluß von Hintergrundstrahlung eliminiert werden.

Auch können, wie in Fig.3 dargestellt ist, die zur Abbildung einer Szene auf der Photokathode der Helligkeitsverstärkerröhre benötigten optischen Oberflächen auf einem einzigen Körper 19 angebracht werden. Dieser Körper 19 kann aus Polymethylmethacrylat bestehen, das eine geringe Absorption für sichtbare Strahlung aufweist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten Spiegel und einem Fangspiegel und mindestens einem Korrekturelement für die sphärische Aberration an den Spiegeln zusammengesetzt ist, und mit einem Abbildungs- und Detektionssystem für Infrarotstrahlung, dessen optische Achse mit der des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung nach Lage und Richtung übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionssystem für Infrarotstrahlung in der toten Zone nacheinander ein für Infrarotstrahlung durchlässiges, in einer mittigen öffnung des Korrekturelementes (3) für sichtbare Strahlung angebrachtes Infrarot-Objektiv (6) und einen ebenen Spiegel (7) enthält, daß dem ebenen Spiegel (7) das für die Infrarotstrahlung empfindliche Detektionssystem (8) und ein hiervon gesteuertes Anzeigesystem (9) zugeordnet ist, und daß das Detektions- bzw. Anzeigesystem den gleichen oder einen anderen ebenen Spiegel (7a) enthält, der die von einer Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung zu der Mitte des von dem Abbildungssystem (1, 2) für sichtbare Strahlung erzeugten Bildes (12) reflektiert, derart, daß ein Lichtfleck im mittleren Teil des vom Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes (13) entsteht

2. Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten Spiegel und einem Fangspiegel und mindestens einem Korrekturelement für die sphärische Aberration an den Spiegeln zusammengesetzt ist, und mit einem Abbildungs- und Detektionssystem für Infrarotstrahlung, dessen optische Achse mit der des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung nach Lage und Richtung übereinstimmt, dadurch gekennzeichnet, dab das Detektions- bzw. Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung eine auf dem Korrekturelement (3) angebrachte bichromatische Spiegelschicht (17) enthält, die die Infrarotstrahlung größtenteils zu dem auf der optischen Achse vor dem Korrekturelement (3) liegenden Detektionssystem (8) reflektiert und die sichtbare Strahlung größtenteils durchläßt.

3. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die flachen Spiegel (7, 7a) des Aufnahmesystems (6—8) für Infrarotstrahlung und des Anzeigesystems (9—12) synchron über einen kleinen Winkel um eine zu der optischen Achse (0—0') des Objektivs (6) senkrechte Achse schwingen können.

4. Fernrohr nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verarbeitung der sichtbaren Strahlung benötigten optischen Oberflächen alle auf einem einzigen Körper (19) aus einem die sichtbare Strahlung größtenteils durchlassenden Material angebracht "ind.

5. Fernrohr nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Detektionssystem (8) für Infrarotstrahlung außer einer Signaldetektorzelle (15) mindestens eine Referenzdetektorzelle (16) enthält.

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren Bereich, welches System aus einem ersten Spiegel und einem Fangspiegel und mindestens einem Korrekturelement für die sphärische Aberration an den Spiegeln zusammengesetzt ist, und mit einem Abbildungs- und Detektionssystem für Infrarotstrahlung, dessen optische Achse mit der des Abbildungssystems für sichtbare Strahlung nach Lage und Richtung übereinstimmt

Ein derartiges Fernrohr ist bereits aus der DE-AS 12 40 298 bekannt Es dient dazu, neben einem sichtbaren Bild einer Szene ein vollständiges Wärmebild eines sich in der Szene befindenden Gegenstandes zu erzeugen bzw. dessen Koordinaten zu bestimmen.

Fernrohre dieser Art besitzen einen relativ komplizierten optischen Aufbau und sind daher entsprechend teuer.

Dazu gehören auch die aus der DE-OS 17 72 312 bzw. DE-PS 20 38 941 bekannten Fernrohre, bei denen ebenfalls vollständige Wärmebilder bzw. Zielmarkenbilder in das Szenenbild eingeblendet werden. Das zuletzt genannte Fernrohr besitzt aber kein Infrarotsystem.

Aus der DE-AS 19 57 104 sind weiterhin ein Fernrohr bekannt, bei dem Wärmebilder bzw. sichtbare Bilder mittels zweier getrenner Objektive, die zudem in entgegengesetzte Richtungen zeigen, aufgenommen werden. Ein solches Fernrohr muß zusätzlich gedreht werden und besitzt daher einen noch komplizierteren Aufbau.

Aufgabe der Erfindung ist es dagegen, ein Fernrohr dieser Art als Richtfernrohr auszubilden, das nur das Vorhandensein eines Körpers mit gegenüber der Umgebungstemperatur erhöhter Temperatur anzeigt und kein vollständiges Wärmebild eines Körpers zu erzeugen braucht, so daß es im Aufbau gegenüber den bekannten Fernrohren wesentlich einfacher und daher billiger herstellbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Detektionssystem für Infrarotstrahlung in der toten Zone nacheinander ein für Infrarotstrahlung durchlässiges, in einer mittigen öffnung des Korrekturelementes für sichtbare Strahlung angebrachtes Infrarot-Objektiv und einen ebenen Spiegel enthält, daß dem ebenen Spiegel das für die Infrarotstrahlung empfindliehe Detektionssystem und ein hiervon gesteuertes Anzeigesystem zugeordnet ist, und daß das Detektions- bzw. Anzeigesystem den gleichen oder einen anderen ebenen Spiegel enthält, der die von einer Lichtquelle emittierte sichtbare Strahlung zu der Mitte des von dem Abbildungssystem für sichtbare Strahlung erzeugten Bildes reflektiert, derart, daß ein Lichtfleck im mittleren Teil des vom Fernrohr erzeugten sichtbaren Bildes entsteht.

Die Aufgabe der Erfindung kann aber auch dadurch gelöst werden, daß das Detektions- bzw. Aufnahmesystem für Infrarotstrahlung eine auf dem Korrekturelement angebrachte bichromatische Spiegelschicht enthält, die die Infrarotstrahlung größtenteils zu dem auf der optischen Achse vor dem Korrekturelement liegenden Detektionssystem reflektiert und die sichtbare Strahlung größtenteils durchläßt.

Unter »Infrarotstrahlung« ist hier Strahlung zu verstehen, deren Wellenlänge in dem Bereich von 1 — 15μηι liegt. Mit diesem Fernrohr kann nachts auf übliche Weise ein Gebiet abgetastet werden. Sobald in der Mitte des Gesichtsfeldes des Fernrohrs ein Gegenstand mit einer von der Umgebungstemperatur verschiedenen Temperatur, wie ein Lebewesen oder ein