DE2158462C3 - Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren und im infraroten Bereich - Google Patents
Fernrohr mit einem Abbildungssystem für Strahlung im sichtbaren und im infraroten BereichInfo
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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 (5)
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
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