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Weitwinkeloptik für einen Lichtempfänger Die Erfindung betrifft eine
diskontinuierliche Weitwinkeloptik für einen Lichtempfänger in einem vorgegebenen
Haut, der u.a. begrenzt ist durch eines oder mehrere Fenster od.dgl.
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zum Lichtdurohtritt in den Raum aus einer oder aus mehreren Einfallsrichtungen
relativ zu einem bestimmten Punkt auf einer dem Kaum zugeordneten Mittellinie, die
unter gleichen Winkeln zu dieser Mittellinie stehen. Unter Licht wird in dem vorliegenden
Fall optische Strahlung aller Wellenlängen verstanden, für die die erfindungsgemäße
Optik transparent ist.
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Die vorliegende Erfindung ist insbesondere zur verwendung in optischen
irnwendungsgebieten geeignet, in denen eine
jedoch nicht notwendigerweise
kontinuierliche Weitwinkelsicht und gute optische Filterung mit Interferenzfiltern
bevorzugt ist. Um diese Anforderungen zu erfüllen, ist es u.a. notwendig, d.aß die
Strahlungsdivergenz an irgendeiner Stelle in der Optik einen bestimmten Wert nicht
übersteigt, und ein Interferenzfilter wird dann an dieser Stelle angeordnet.
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Beispiele für derartige Anwendungen mit diesen Anforderungen sind
optische Ännäherungszünder. Der Annäherungszünder tastet beispielsweise einen konischen
Bereich der Umgebung ab und erzeugt ein Signal, falls ein fremder Gegenstand innerhalb
dieses abgetasteten Bereiches ist; damit der Annäherungszünder Gegenstände aller
Größen feststellen kann, ist es notwendig, daß er ein kontinuierliches Gesichtsfeld
um seine Längsachse aufweist. In geeigneter Treise ist dann das Gesichtsfeld innerhalb
der Hüllflächen zweier Kegel angeordnet, wobei der innere einen kleinerenKegelwinkel
als der äußere aufweist (siehe Fig. 1). Es ist daher in besonderem Maße wünschenswert,
daß die Grenzen (die IBllflächen) des abgetasteten Bereiches scharf sind, so daß
der Bereich, innerhalb dessen der Annäherunggz nd fremde Gegenstande anzeigt, mit
großer Genauigkeit bestimmt werden kann Um die Genauigkeit der gewünschten, festen
Grenzen zu ermöglichen, wird eine Abbildungsoptik verwendet, bei der eine Blende,
die das Gesichtsfeld begrenzt, in die Bildebene
eingesetzt ist.
Es hat sich nun herausgestellt, daß eine optik zum Brzeugen eines Gesichtsfeldes,
das, wie oben beschrieben, den gesamten Bereich innerhalb der fiüllflache der zwei
Kegel abdeckt, vergleichsweise sehr geringe Lichtintensität aufweist, selbst dann,
wenn in großem Naße paralleles Licht durch einen verwendeten optischen Filter verringert
wird.
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Da die Gegenstände, die durch den Ännäherungszünder festgestellt
werden sollen, gewöhnlich ziemlich große Abmessungen relativ zu der Größe des zünders
aufweisen, kann ohne weiteres angenommen werden, daß ein Gegenstand ermittelt erden
soll, selbst wenn der Bereich nicht um die Längsachse des Annaherungszünders kontinuierlich
ist, sondern aus einzelnen Strahlungskeulen (s. Fig. 2) besteht, die sich gleichförmig
innerhalb des oben beschriebenen Bereiches innerhalb der zwei konischen Hüllflächen
erstrecken. Dadurch kann in vorteilhafter Weise jede Strahlungskeule als eine Einheit
behandelt werden, so daß in unkomplizierter und wirkungsvoller Weise eine Filterung
und Begrenzung des Gesichtsfeldes vorgenommen werden kann.
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Außerdem sollte für jede Strahlungskeule an der Außenfläche des Annäherungszünders
eine Linse und innerhalb eine Blende für das Gesichtsfeld, eine weitere Linse und
ein Filter angeordnet sein, hinter dem die aus dem Filter erhaltenen Lichtstrahlen
auf einer Facettenfläche, die auf einem
Facettenreflektor angeordnet
ist, zu einer signalübertragenden Einrichtung in Form eines Detektors (s. Eig. 5
und 6) reflektiert werden. Bei einer anderen Anordnung ist vorgeschlagen worden,
das in Erage stehende Licht in der Strahlungskeule direkt auf die Facettenfläche
zu führen, die in dem Facettenreflektor angeordnet ist, von wo es zu einer Linse
reflektiert wird, hinter der in der erwähnten Weise eine Blende für das Gesichtsfeld,
eine weitere Linse und ein Filter angeordnet ist, von dem aus das Licht auf einen
Detektor fallen kann (s. wig. 7). Bei den bekannten Anordnungen ist der Empfangsbereich
für jede Strahlungskeule durch die Größe der an der Außenfläche des Annäherungszünders
verwendeten Linse begrenzt, d.h., daß der Durchmesser des hnnäherungszünders ein
Begrenzungsfaktor für den Empfangsbereich ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, den wirksamen Empfangsbereich
in jeder Strahlungskeule zumindest zu verdoppeln, ohne die Anzahl der Strahlungskeulen
bei einem Annäherungszünder mit einem vorgegebenen Durchmesser reduzieren zu müssen.
Die Erfindung ist im wesentlichen gekennzeichnet durch ein kugelförmiges Teil an
der Basis eines pyramidenförmigen Facettenreflektors, der für jede Lichteinfallsrichtung
Facettenflächen aufweist, wobei der Reflektor und der kugelförmige Teil symmetrisch
um die Mittellinie angeordnet sind und letzterer derart zur Lichteinfallsrichtung
angeordnet ist, daß seine Oberfläche als positive Linse für das
Licht
aus allen Einfallsrichtungen ausgebildet ist, so daß das Licht durch die Neigungen
der Facettenflächen in eine Bildebene fokussierbar ist, die auf einer auf dem kugelförmigen
Teil angeordneten Blende für das Gesichtsfeld ausgebildet ist.
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Im folgenden wird die Erfindung mit Bezug auf die anliegende Zeichnung
näher erläutert. Es zeigen: Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines Abtastbereiches
für einen Annäherungszünder, Fig. 2 eine perspektivische Ansicht eines Annäherungszünders
mit Strahlungskeulen, der Teile des Abtastbereiches gemäß der Fig. 1 abtastet, Fig.
3 eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen diskontinuierlichen Weitwinkeloptik,
Fig. 4 eine Aufsicht der Weitwinkeloptik gemäß Fig. 3, Fig. 5 eine schematische
Ansicht einer Anordnung zum und 6 Empfangen der Strahlungskeulen gemäß Fig. 2, Fig.
7 eine schematische Ansicht einer anderen Anordnung zum Empfangen der Strahlungskeulen
gemäß Fig. 2,
Fig. 8a eine Ausführungsform der Weitwinkeloptik gemäß
den Fig. 3 und 4 und Fig. 8a funktionelle Prinzipdarstellungen der Weitwinkelbis
9b optik gemäß Fig. 3 und der Anordnung gemäß Fig. 7 für diese Weitwinkeloptik.
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In Fig. 1 ist ein Projektil 1 mit einem Annäherungszünder 2 dargestellt.
Der Annäherungszünder tastet einen Bereich zwischen einer Innenfläche 3 und einer
Außenfläche 4 zweier Kegel mit verschiedenen Kegelwinkeln ab. Der abgetastete Bereich
ist außerdem symmetrisch um die Mittellinie 5 des Annäherungszünders angeordnet.
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Fig. 2 zeigt, wie der Annäherungszünder, wenn eine Abbildungsoptik
(depicting optic) verwendet wird, die Umgebung mit einer Anzahl Strahlungskeulen
6 abtastet, von denen angenommen werden kann, daß sie sich in die Abtastzone gemäß
Fig. 1 erstrecken. Damit der Annäherungszünder einen möglichst grossen Teil des
Bereiches gemäß Fig. 1 abtasten kann, ist es notwendigerweise wünschenswert, eine
große Anzahl Strahlungskeulen oder Lichteinfallsrichtungen zu haben. Die Lichteinfallsrichtungen
sind symmetrisch um eine Mittellinie für den Annäherungszünder oder um die Symmetrieachse
7 in Längsrichtung des Annäherungszünders angeordnet und sind daher unter einem
Winkel auf einen gemeinsamen Punkt auf der Symmetrieachse 7 gerichtet, der in dem
Raum 8 in dem Annäherungszünder
angeordnet ist, wobei dieser Raum
umgekehrt durch eines oder mehrere Fenster od.dgl. begrenzt ist, durch die Licht
in den in Frage stehenden Raum eintreten kann. In der Figur ist der Winkel der Strahlungskeule
mit g gekennzeichnet.
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Fig. 3 zeigt das mit 9 und 10 gekennzeichnete Licht, das in den Raum
aus einer der Einfallsrichtungen einfällt. Die diskontinuierliche Weitwinkeloptik
weist einen sphärischen Teil 11 auf, der in die Einfallsrichtungen gerichtet und
auf einer Basisfläche eines pyramidenförmigen Facettenreflektors 12 2 angeordnet
ist, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel zehn Facettenflächen 13 aufweist und
an seinem schmalen Ende abgestumpft ist, um u.a. eine Einrichtung 14 für eine Befestigungsvorrichtung
anzupassen, so daß die Optik in einfacher Weise in dem Raum befestigt werden kann.
Die zehn Facettenflächen 13 erlauben daher zehn Einfallsrichtungen für das einfallende
Licht. Der sphärische Teil 11 und der Facettenreflektor 12 sind symmetrisch um eine
Symmetrieachse 15 angeordnet, die, wenn die Optik in dem Annäherungszünder angeordnet
ist, mit der Symmetrielinie 7 des Annäherungszünders gemäß Fig. 2 zusammenfällt.
Die Oberfläche des sphärischen Teils wirkt als eine positive Linse für das einfallende
Licht. Dieses wird nach Reflexion in einer Facettenfläche 13 entsprechend der Einfallsrichtung
9,10 auf den Punkt F über eine Blende 16 für das Gesichtsfeld fokussiert. Die Blende
16 für das Gesichtsfeld ist an der oberen Fläche des sphärischen Teils 11 angeordnet,
die mit einem lichtabsorbierenden Material beschichtet
ist, das
sich von der Blende für das Gesichtsfeld nach außen zu den Rändern der oberen Flache
erstreckt. Die Abmessungen des Glasteils müssen dann so berechnet werden, daß Gegenstände
in dem Abstand, in dem die maximale Positionsdiskriminierung vorgesehen ist, in
der Bildebene 16 scharf abgebildet werden.
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Auf der Blende 16 für das Gesichtsfeld ist ein Lichtleiter 17 angeordnet,
der pyramidensteunmBförmig ausgebildet und mit seinem schmlen Teil auf der oberen
Fläche 16 und auf dem Teil dieser Fläche angeordnet ist, der nicht mit lichtabsorbierendem
Material beschichtet ist. Der Lichtleiter bildet daher mit seinem schmalen Teil
eine Begrenzung des Gesichtsfeldes. Außerdem ist der Lichtleiter mit Facettenflächen
versehen, die jeder der Flächen des Facettenreflektors entsprechen, und in dem dargestellten
Beispiel entspricht die Facettenfläche 18 des Lichtleiters 17 der Facettenfläche
13 des Reflektors 12. Durch geeignete Wahl der Neigung der reflektierenden Flächen
des Reflektors und des Lichtleiters zueinander wird Totalreflexion in der Facettenfläche
des Lichtleiters erhalten, und das Licht in der in Frage stehenden Einfallsrichtung
fällt dann unter dem geringstmöglichen Winkel auf einen Interferenzfilter 19, der
in geeigneter Weise in optischem Kontakt mit dem breiten Teil des Lichtleiters verbunden
ist. Hinter dem Filter ist außerdem ein nicht gezeigter Detektor angeordnet, der
ein Signal abgibt, falls ein
Gegenstand in der in Frage stehenden
Einfallsrichtung erscheint. Im Falle sogenannter aktiver Annäherungszünder kann
der Gegenstand dann mit einer lichtemittierenden Vorrichtung beleuchtet werden,
die in der Lichtquelle des Annäherungszünders vorgesehen ist; im Falle sogenannter
passiver Annäherungszünder ermittelt der Empfänger des Annäherungszünders beispielsweise
IR-Strahlung von dem Gegenstand. Um den technischen Fortschritt näher zu erläutern,
werden im folgenden bekannte Vorrichtungen für Annäherungszünder mit erfindungsgemäßen
verglic hen.
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Die Fig. 5 und 6 zeigen ein Ausführungsbeipiel einer derartigen bekannten
Vorrichtung. Die Bezugszahl 20 kennzeichnet die äußere Fläche des Annäherungszünders,
und die optischen Einheiten, die Licht aus zwei Einfallsrichtungen 21 und 22 aufnehmen,
sind ebenfalls dargestellt. Da die beiden Einheiten, die Licht aus jeweils einer
Einfallsrichtung empfangen, identisch sind, wird hier nur die Einheit beschrieben,
die Licht aus der Einfallsrichtung 21 empfängt. An der äußeren Fläche 20 des Annäherungszünders
ist eine positive Linse 23 angeordnet, die das Licht in eine Blende 24 für das Gesichtsfeld
fokussiert. Hinter dieser Blende ist eine weitere Linse 25 angeordnet, um paralleles
Licht durch einen Filter 26 zu erzeugen, worauf das Licht auf einer Fläche eines
reflektierenden Facettenteils in Richtung auf einen Detektor reflektiert wird, der
einen möglichen Gegenstand in der in Frage stehenden Einfallsrichtung 21 feststellt.
Ein in Richtung 21
erhaltener Empfangsbereich ist mit 28 gekennzeichnet.
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Fig. 7 zeigt eine vorbekannte Vorrichtung, die sich von der Ausführungsform
gemäß den Fig. 5 und 6 unterscheidet. Das Licht in den zwei Einfallsrichtungen ist
mit den Bezugszeichen 29 und 30 gekennzeichnet, und das Licht aus jeder der Einfallsrichtungen
fällt auf eine Facettenfläche auf einem reflektierenden Facettenteil 33, die der
Einfallsrichtung, beispielsweise 31, für 29 und 32 und 30, entspricht.
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In diesen Facettenflächen wird das Licht auf eine Linse 34 reflektiert,
die dieses auf eine Blende 35 für das Gesichtsfeld fokussiert, worauf, wie oben
beschrieben, das Licht durch eine weitere Linse 36 zum Erzeugen parallelen Lichts
und einen Filter 37 zuseinem Detektor 38 geführt wird.
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In dem vorliegenden Fall ist ein Empfangsbereich, der an der äußeren
Fläche 39 des Annäherungszünders erhalten wird, mit 40 gekennzeichnet.
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Falls nun die erfindungsgemäße Vorrichtung gemäß Fig. 3 beispielsweise
mit der Vorrichtung gemäß Fig. 7 verglichen wird, kann festgestellt werden, daß
die Leuchtdichte auf der reflektierenden Fläche 13 nicht weniger als viermal so
groß ist wie die auf der Fläche 31. Gleichzeitig bleibt jedoch die Tatsache bestehen,
daß nur etwa die Hälfte der Fläche 13 im Vergleich zu der Fläche 31 aktiv ist, und
daher ist der erhaltene
Effekt verringert, doch trotzdem bedeutet
er zumindest eine Verdoppelung (Faktor 2).
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Die Vorteile der erfindungsgemäßen Optik im Vergleich beispielsweise
mit dem Reflektor 33 gemäß Fig. 7 können schematisch mit Hilfe der Fig. 8a, 8b,
9a und 9b dargestellt werden.
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In der Bildebene der Fig. 8a soll der in die Optik einfallende Lichtstrahl
eine Ausdehnung a' aufweisen. Die Ausdehnung des Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht
zu der Bildebene der Fig. 8a soll eine mittlere Ausdehnung b' aufweisen, wie in
Fig. 8b dargestellt, wobei die mittlere Ausdehnung durch die Breite der Facettenfläche
begrenzt ist. Für einen Facettenreflektor gemäß Fig. 9a ist der dem Wert a' entsprechende
Wert mit a gekennzeichnet, wobei die Werte a' und at' etwa gleich sind für zwei
Vorrichtungen vergleichbarer Größe-.
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Die mittlere Ausdehnung des Lichtstrahls in einer Ebene senkrecht
zu der Ebene gemäß Fig. 9a ist in Fig. 9b mit b gekennzeichnet, wobei dieser Wert
etwas weniger als halb so groß ist wie die mittlere Ausdehnung b', was aus der Geometrie
gemäß Fig. 8b entnommen werden kann. F' ist der virtuelle Fokus der sphärischen
Fläche.
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Aus den Fig. 8a, 8b, 9a und 9b und aus der obigen Beschreibung ergibt
sich, daß der Empfangsbereich der erfindungsgemäßen Optik pr-mal größer ist als
der entsprechende
Empfangsbereich der vorbekannten Vorrichtung.
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Lin beispiel einz Prismas, das in der praxis zufriedenstellende Ergebnisse
erzielt, ist ebenfalls in Fig. 8a dargestellt. Für die in der Figur dargestellte
Einfallarichtung relativ zu der Symmetrieachse 41 hat es sich herausgestellt, daß
ein ikadiua von 22,5 mm für den sphärischen Teil gewählt werden kann, während die
Höhe des Reflektors 15 mm und die Gesamthöhe des Reflektors mit dem sphärischen
Teil 34,5 mm beträgt. Der Winkel ß beträgt 60° und der Winkel # 450. Das verwendete
Material ist Acrylglas. Iiaterialien mit anderem Brechungsindex können natürlich
ebenfalls verwendet werden, und die Abmessungen, Winkel, die Anzahl der Facettenflächen
und die Form des Lichtleiters können verändert werden. Außerdem kann die s.rt des
Aufbaus des diskontinuierlichen Weitwinkelobjektivs auch durch den Lichteinfallswinkel
bestimmt werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung zeichnet sich dadurch
aus, daß sie mit einer Lichttransmissionseinheit anstelle mit einer Empfangseinheit
in Form eines Detektors zusammenwirken kann. Die Lichtstrahlen haben dann im wesentlichen
entgegengesetzte Richtung in dem Objektiv im Vergleich zu dem oben beschriebenen
Ausführungsbeispiel, so daß das Licht in eine oder in mehrere Auslaufrichtungen
übertragen werden kann, die den Einf&llsrichtungen entsprechen.