DE2533214A1

DE2533214A1 - Vorrichtung zur erfassung der einfallsrichtung elektromagnetischer strahlung

Info

Publication number: DE2533214A1
Application number: DE19752533214
Authority: DE
Inventors: Viktor Ing Grad Baumgartner
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1975-07-25
Filing date: 1975-07-25
Publication date: 1977-01-27
Also published as: FR2319137B1; FR2319137A1; DE2533214C3; DE2533214B2; GB1556822A; US4043672A

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT München, 25.JIiL 1975

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

VPA 75P 6 612 BRD

Vorrichtung zur Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung mittels zweier mit getrennten Detektoren arbeitender Empfangsoptiken, von denen die äußere feststehend und die innere drehbar ausgebildet ist.

Aus der DT-AS 1 548 421 ist eine Vorrichtung zur Entdeckung elektromagnetischer Strahlung und zur Feststellung ihrer Einfallsrichtung bekannt. Mittels eines rotierenden Spiegels und einer zugehörigen ersten Empfangsoptik wird eine Rundumabtastung vorgenommen, welche der Erfassung von Strahlung im sichtbaren und/oder Infrarotbereich dient. Eine weitere Empfangsoptik, welche aus ringförmig angeordneten Laserdetektoren besteht,dient der Erfassung von Strahlung im Laserfrequenzbereich. Die Laserdetektoren umgeben dabei etwa ringförmig die Optik, welche der Erfassung des sichtbaren und/oder infraroten Strahlungsbereiches dient.

Da die modernen elektrooptischen Ortungs- Nachführ- und Suchverfahren meist mit Einzelimpulsen arbeiten oder mit Impulsserien yon jeweils sehr kurzer Dauer, bieten Sucheinrichtungen, welche den Azimut einer schwenkbaren Spiegelanordnung gleichmäßig abtasten keine ausreichende Sicherheit dafür, daß Ziele auch tatsächlich erfaßt werden. An eine Rundsichtpeilordnung muß demnach die Anforderung gestellt werden, daß sie immer empfangsbereit is t, wenn, eine sichere Zielerfassung gewährleistet sein soll. Andererseits ergibt eine derartige ständig rundum suchende Empfangseinrichtung keine ausreichend genaue Zielauflösung oder anders ausgedrückt keine aus-

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reichend genaue Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen V/eg aufzuzeigen, der es ermöglicht, beiden Anforderungen mit einem einzigen Gerät ausreichend gerecht zu werden. Gemäß der Erfindung, welche sich auf eine Vorrichtung der eingangs genannten Art bezieht, wird dies dadurch erreicht, daß die beiden Empfangsoptiken koaxial zueinander angeordnet sind, daß die äußere Empfangsoptik als Panoramaoptik mittels mehrerer Detektoren eine erste Erfassung des Einfallswinkels der elektromagnetischen Strahlung durchführt, daß aufgrund des so ermittelten Einfallswinkels die innere Empfangsoptik grob auf die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet wird und daß mit der mit kleiner Empfangsöffnung versehenen inneren Empfangsoptik eine Feinnachführung mittels eines oder mehrerer weiterer Detektoren auf die genaue Einfallrichtung vorgenommen wird.

Dadurch daß die äußere Empfangsoptik eine ständige Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung durchführt,ist gewährleistet, daß der zu erfassende Azimutwinkelbereich ständig überwacht wird. Dadurch können auch sehr kurzzeitige Impulse elektromagnetischer Strahlung erfaßt werden. Andererseits ist durch den Übergang auf die innere Empfangsoptik mit ihrer kleineren Empfangsöffnung eine sichere und genaue Nachführung dieser Erapfangsoptik auf die exakte Einfallsrichtung möglich.

Die Erfindung sowie Weiterbildungen der Erfindung werden nachfolgend von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Erfas sungs einrichtung gemäß der Erfindung mit

einer Toruslinse
Fig. 2 eine Erfassungseinrichtung nach der Erfindung mit

einer Fresnelloptik.

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Bei der Erfassungseinrichtung nach Fig. 1 "besteht die innere Empfangsoptik aus einem Spiegel SP1, einer im Schnitt dargestellten Linse L1 und einem oder mehreren, z.B. matrixartig angeordneten Empfangsdetektoren DE1. Die äußere Empfangsoptik weist einen Spiegel SP2 sowie eine geschnitten dargestellte Toruslinse L2 auf und ringförmig angeordnete (nach unten abgeklappt dargestellte) Detektoren DE21 bis DE2n auf. Der Spiegel SP2 hat die Form eines Kegelstumpfes, dessen äußere Schrägfläche verspiegelt ist. In der Mitte ist eine entsprechend große Öffnung vorgesehen, durch welche die Strahlung der inneren Empfangsoptik vom Spiegel SP1 zur Linse L1 hindurchtreten kann. Die beiden Empfangsoptiken sind somit koaxial zueinander angeordnet. Die einfallende Strahlung welche aus einer beliebigen Azimutwinkelrichtung kommen kann, wird über den Spiegel SP2 und die Toruslinse L2 zu der ringförmigen Detektoranordnung DE21 bis DE2n geleitet. Jeder dieser Detektoren erfaßt einen bestimmten Winkelbereich; diese Bereiche sind mit ¹J³I bis (η η bezeichnet. Durch entsprechend feine Quantisierung der Winkelbereiche kann eine ausreichend genaue erste Erfassung der Einfallsrichtung einer Strahlung vorgenommen werden. Die Ausgänge der einzelnen Detektoren DE21 bis DE2n sind mit einer Winkelauswertung WA2 verbunden. Diese Winkelauswertung liefert eine Stellgröße, die dem Stellmotor MO zugeführt wird. Dieser Stellmotor bewegt den Spiegel SP1 in diejenige Azimutwinkelrichtung, aus der die Strahlung eingefallen ist.

Nach der Durchführung dieser Grobeinstellung afgrund der Winkelinfrmation von der zweiten Empfangsoptik geht die weitere Feineinstellung der ersten, inneren Empfangsoptik mittels einer Winkelauswertung WA1 vor sich, die ihre Information von dem oder den Detektoren DE1 erhält. Dadurch wird die genaue Ausrichtung des Spiegels SP1 in die gewünschte Azimutrichtung vorgenommen. Diese Ausrichtung kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß eine Schwenkbewegung in einem vorgegebenen Azimutwinkelbereich, z.B. von ±2 Grad durchgeführt wird. Bei dieser Überstreichung ergeben sich Ausgangsspannungen am Detektor DE1 die zunächst ansteigen dann einen

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Maximumwert erreichen und schließlich wieder abfallen. Derjenige Winkelwert, an dem die maximale Ausgangsspannung erreicht worden ist, wird in der Winkelauswertung WA 1 festgehalten und als Stellgröße für die genaue Ausrichtung des Spiegels SP1 benutzt. Es ist aber auch möglich, z.B. bei einer matrixartigen Anordnung mehrerer Detektoren DE1 bis DEm durch Auswertung der jeweils verschieden großen Ausgangsspannungen die Einfallsrichtung genau zu bestimmen.

Ergänzend zu der Drehbewegung um die Achse des Motors MO kann noch eine Kippbewegung des Spiegels SP1 vorgesehen sein. Diese Kippbewegung ermöglicht es, Ziele in einer bestimmten Höhe besser zu erfassen.

Eine genauere Zielmittenbestimmung kann im übrigen auch bereits bei den Detektoren DE21 bis DE2n der äußeren Empfangsoptik vorgenommen werden. Hierzu können die Ausgangsspannungen benachbarter Detektiven miteinander verglichen werden, wobei derjenige Detektorbereich als Einfallswinkel herangezogen wird, der die'Tiöchste Ausgangsspannung liefert.

Zur Beseitigung sphärischer Aberrationen bei der Toruslinse L2 ist zv/eckmäßig ein asphärische Fläche, insbesondere eine Parabel verwendet. Diese kann durch entsprechende Formgebung einer Fläche der Toruslinse L2 und/oder durch entsprechende Formgebung des Spiegels L2 realisiert werden.

Die innere Empfangsoptik bestehend aus dem Spiegel SP1 und der Linse L1 weist eine extrem kleine Empfangsöffnung auf. Demgegenüber hat die äußere Empfangsoptik, bestehend aus dem Spiegel SP2 und der Linse L2 eine sehr große Empfangsöffnung.

Bei der Erfassungseinrichtung nach Fig. 2 sind die beiden Spiegel SP1 und SP2 sowie die Linse L1 nach Fig. 1 ebenfalls vorhanden. Der Aufbau der inneren Empfangsoptik ist somit unverändert. Dage-

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gen sind bei der äußeren Empfangsoptik anstelle der Toruslinse nach Fig. 1 mehrere konzentrische, ringförmige Linsensysteme L21, L22, L23 vorgesehen. Diese Linsensysteme bilden eine sogenannte Fresneloptik. Diese Fresnellinsen gestatten einen einfacheren und kompakteren Aufbau und eine weitgehende Korrektur der sphärischen Aberrationen. Außerdem ist eine besonders gute Anpassung an die Detektoren DE21 bis DE2n möglich weil die sphärischen Aberrationen in Teilbereiche aufgetrennt korrigierbar sind. Diese Detektoren können dabei wesentlich weiter nach innen gezogen werden als bei der Anordnung nach Fig. 1. Dadurch ist es möglich, den oder die Detektoren DE1 und die ringförmigen Detektoren DE21 bis DE2n auf einem einzigen Substrat anzuordnen und das Volumen zu verringern.

Die Auswertung der Empfangssignale der äußeren Empfangsoptik und die Nachsteuerung des Spiegels SP1 erfolgen in analoger V/eise wie bei Fig. 1 beschrieben und dargestellt. Zur Vereinfachung der Zeichnung sind die einzelnen Steuerleitungen hier weggelassen.

Bei der Einrichtung nach Fig. 3 ist der Spiegel SP1 und die Linse L1 in analoger Weise aufgebaut wie bei den vorhergehenden Beispielen. Eine Abänderung besteht lediglich insoweit, als die Linse L1 vor der Linse L2 liegt. Die Anordnung bleibt aber weiterhin koaxial. Dadurch sind die Bildebenen beider Linsen auseinandergezogen. Der Detektor DE1 liegt näher beim Linsensystem L2. Mittels eines teildurchlässigen Spiegels SP3 kann ein Teil der einfallenden Strahlung des inneren Optiksystems auf einen weiteren Detektor oder weitere Detektoren DE1' abgelenkt werden. Dann kann der Detektor DE1 entfallen und somit wird der Weg für den Strahlengang in der Achse des Systems frei.

Die Linse mit einer Öffnung versehene Linse L2 ist als Ringbild^- linse ausgebildet. Sie enthält eine verspiegelte Fläche F2 an ihrer Innenseite, die durch ein Rotationhyperboloid gebildet ist. Die beiden weiteren Flächen F1 und F3 des Linsensystems L2 sind

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nicht verspiegelt. Diese Flächen sind Kugelflächen wobei die Radien Brennweite und Öffnung festlegen. Hinter dem Linsensystem L2 ist im Strahlengang ein teildurchlässiger Spiegel SP2¹ angeordnet. Dieser leitet einen Teil der einfallenden Strahlung zu einer Detektoranordnung DE2¹' die außerhalb des Strahlengangs längs der Achse des Systems liegt. Andernfalls gelangt die Strahlung zu einem weiteren Detektor DE2¹. Wenn der Detektor DE2¹ weggelassen wird, ist auch hier der Weg für die Strahlung in der Achse frei. Im Strahlengang ist eine Linse L3 und eine weitere ringförmige Detektoranordnung DE2 vorgesehen.

Wenn die Detektoren DE2, DE2' und DE1 weggelassen sind und dafür die Strahlung durch die teildurchlässigen Spiegel SP2¹ und SP3 seitlich herangespiegelt wird kann die Anordnung, wie durch das Auge AG angedeutet, gleichzeitig als Rundsichtfernrohr (Periskop) benutzt werden. Die Linse L3 ist in diesem Fall das Okular des Fernrohres, die Linse L4 stellt eine'Zwischenoptik und die Linse L1 das Objektiv dar wobei die Linse L4 das Bild aufrichtet und die geometrisch richtige Zwischenabbildung herstellt.

Neben der richtungsselektiven Detektierung bei der Detektoranordnung DE2 biete sich auch noch die Möglichkeit, eine integrale Detektierung des gesamten Ringbildes im Detektor DE2¹¹ durchzuführen. Hierzu dient ebenfalls die Ablenkung durch den Spiegel SP2¹. Diese Anordnung bringt somit eine erhöhte Sicherheit in der Zielentdeckung und Zielerfassung.

Auch die Anordnungen nach Fig. 1 und Fig. 2 können durch entsprechende Umlenkspiegel (analog Fig. 3) als Periskope ausgestaltet werden. Die Spiegel SP2¹ und SP3 können zweckmäßig eine frequenzselektive Verspiegelung erhalten. Dadurch wird beim einfallenden Licht der zu messende Bereich von sichtbaren Spektralbereich getrennt. So entsteht zusätzlich ein Schutz für das Auge, weil nur der sichtbare Teil zum Auge AG gelangt.

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Zur Verringerung von Beschleunigungsmomenten kann der Spiegel SP1 zweckmäßig als Polynomspiegel ausgebildet werden. Es ist auch möglich, diesen Spiegel erst im bereits fokussierten Strahlungsgang, d.h. nach der Linse L1 anzuordnung.Dies hat den Vorteil, daß dann nur ein sehr kleiner Spiegel notwendig wird.

18 Patentansprüche
3 Figuren

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Claims

Patentansprüche

Vorrichtung zur Erfassung der Einfallsrichtung elektromagnetischer Strahlung mittels zweier mit getrennten Detektoren arbeitender Empfangsoptiken, von denen die äußere feststehend und die innere drehbar ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden Empfangsoptiken (L1, SP1; L2, SP2) koaxial zueinander angeordnet sind, daß die äußere Empfangsoptik (L2, SP2) als Panoramaoptik mittels mehrerer Detektoren (DE 21 bis DE2n) eine erste Erfassung der des Einfallswinkels (Y ) dar elektromagnetischen Strahlung durchgeführt, daß aufgrund des so ermittelten Einfallswinkels (f ) die innere Empfangsöptik (L2, SP2) grob auf die Einfallsrichtung der elektromagnetischen Strahlung ausgerichtet wird und daß mit der mit kleiner EmpfangsÖffnung versehenen inneren Empfangsoptik (L1, SP1) eine Feinnachführung mittels eines oder mehrerer weiterer Detektoren (DE1) auf die genaue Einfallsrichtung vorgenommen wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Aus gangs spannungen der der inneren * und/oder der äußeren Empfangsoptik (L1, SP1; L2, SP2) zugeordneten Detektoren (DE1, DE21 bis DE2n) miteinander verglichen werden und daraus die Einfallsrichtung aufgrund des stärksten einfallenden Signals bestimmt ist.
3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik einen Spiegel (SP2) in Form eines Kegelspiegels aufweist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlengang für die innere Empfangsoptik (L1, SP1) über eine zentrale Öffnung des in Form

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eines Kegelstumpfes aufgebauten Kegelspiegels (SP1) verläuft.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Empfangsoptik (L2, SP2) eine Toruslinse (L2) aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß zur Beseitigung sphärischer Aberrationen mindestens eine asphärische Fläche, insbesondere eine Parabel, vorgesehen ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Empfangsoptik eine Fresneloptik (L21, L22, L23) aufweist. (Fig. 2)
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß die Fresneloptik eine zentrale Öffnung aufweist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektoren (DE1, DE21 bis DE2n) beider Empfangsoptiken (L1, SP1; L2, SP2) auf einem einzigen Substrat angeordnet sind.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die äußere Empfangsoptik eine Ringbildlinse mit einer verspiegelten Innenfläche aufweist (Fig. 3).
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die verspiegelte Innenfläche der Ringbildlinse ein Rotationshyperboloid darstellt, während die nicht verspiegelten Flächen Kugelflächen bilden.

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12. Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet , daß die Ringbildlinse eine zentrale Öffnung für den Strahlengang der inneren Empfangsoptik (L1, SP1) aufweist.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a durch gekennzeichnet, daß der Strahlengang nach der äußeren Empfangsoptik (L2) mittels zweier getrennter Detektoranordnungen (DE2¹', DE2) sowohl integral als auch richtungsselektiv einzeln detektiert wird.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13» dadurch gekennzeichnet , daß die Trennung der beiden Strahlengänge für die rechtungsselektive und integrale Detektierung mittels eines teildurchlässigen Spiegels (SP2¹) vorgenommen wird.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß durch Zwischenschaltung einer Optik (LA) und eines Okulars (L3) die gesamte Anordnung als Periskop zur visuellen Betrachtung dient, und daß im Strahlengang der äußeren Optik teildurchlässige Umlenkspiegel (SP3. SP2^!) vorgesehen sind, die einen Teil der Strahlung zu den außenliegenden Detektoren (DS1', DE2¹') ablenken.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet , daß die Umlenkspiegel (SP3, SP2¹) frequenzselektive ausgebildet sind.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (SP1) für die innere Empfangsoptik als PolynoBispiegel ausgebildet ist.

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18. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiegel (SP1) für die innere Empfangsoptik als sehr kleiner Spiegel im bereits fokussierten Strahlengang angeordnet ist.

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