DE2623399A1

DE2623399A1 - Spektralwandler als vorsatzgeraet

Info

Publication number: DE2623399A1
Application number: DE19762623399
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Reichert leonhard dipl-Ing
Current assignee: Reichert leonhard dipl-Ing
Priority date: 1976-05-25
Filing date: 1976-05-25
Publication date: 1977-12-08
Also published as: DE2623399C2; NL189623B; SE436664B; NL189623C; NL7705783A; GB1584556A; FR2366591A1; FR2366591B1; SE7705977L; IT1115481B; CH612768A5

Description

Dipl.-Ing. leonhari Reichert, Nussloch

Spektralwandler als Vorsatz-Gerät

Die Erfindung betrifft einen afokalen Spektralwandler als Vorsatzgerät für bestehende Ziel- und .Richtgeräte zur Umwandlung beispielsweise eines »färmeoildes in ein sichtbares Bild. Das Vorsatzgerät soll hierbei so beschaffen sein, daß es ohne Justierung vor dem Hauptgerät angebracht werden kann ohne dabei die Zielrichtung des Ziel- oder Sichtgeräts zu verändern.

Aus der geometriscien Optik sir?d afokale Vorsätze bekannt, deren Aufgabe es ist, eine Vergrößerungs-Umschaltun/ζ durchzuführen. Alle diese Vorsätze bewirken eine Veränderung dar Zielrichtung, wenn nicht die optische Achse des Zielfernrohrs mit der optischen Achse des afokalen Vorsatzes zusammenfällst. Hur bei der Vergrößerung 1:1 und bei Parallelität der Eintritts- zu den Austritts-3trahlen vträr.de-rt ein derartiger Vorsatz die Zielrichtung auch aann nicht, wenn die optische Achse des Vorsatzes nicht mit der optischen Achse des Zielfernrohrs übereinstimmt. In der Sichtoptik sind indessen Vorsätze mit der Vergrößerung 1:1 uninteressant, da sie keine optische Wirkung bringen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen afokalen Spektralwandler als Vorsatzgerät einfacher, leichter Konstruktion zu schaffen, bei dem die ankommenden IR-Strahlen in sichtbare Strahlen umgewandelt werden, welche durch das Hauptgerät beobachtet werden können. Hierbei soll die Sicht durch das Hauptgerät nicht beeinträchtigt werden.

Erfindungsgemäß wird ein afokaler Spektralwandler als Vorsatzgerät für bestehende Richtgeräte so ausgebildet,

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eine Infrarot-Bildaufnahme-Einheit mit einer Bildwiedergabe-Einheit in der V/eise kombiniert wird, daß das Gesamtsystem
die Vergrößerung 1:1 hat, daß ferner die Verbindung des Vorsatzgeräts mit dem Hauptgerät so beschaffen ist, daß die optische Achse der Bildaufnahme-Einheit Parallel zur optischen Achse des Hauptgeräts läuft, und daß das parallele Strahlen-Dündel der Bildwiedergabe-Einheit so in das Hauptgerät eingespiegelt wird, daß keine Beeinflussung des Kauptgeräts erfolgt.

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(direkt anschlieiid an Seite 2) ,--, ~ ~ ο η Ω

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Bei der erfindungsgemäßen .Bauart erfolgt die Umwandlung von thermischer in sichtbare Strahlung mit nohem Wirkungsgrad nach dom Prinzip eines Frequenz-Konverters. Durch die Vergrößerung 1:1 wird erreicht, daß im parallelen Strahlengang das vYärmebild in seinen Konturen genau dem sichtbaren Bild entspricht und daner decicuxigsgxexoii mit diesem eingespiegelt werden kann. Die Parallelität der optischen Achse der Bildaufnahme-Einheit mit der optischen Achse des Hauptgeräts ermöglicht es, das parallele Strahlenbündel der Bildwiedergabe-Einheit so in das Hauptgerät einzuspiegeln, daß keine Beeinflussung des Hauptgeräts erfolgt.

Das der Erfindung zugrunde liegende Prinzip erlaubt einen normalen Betrieb bei Tag, wobei zum sichtbaren im gleichen Maßstab und konturendeckend das thermische Bild eingespiegelt wird. Ea entsteht so ein Mischbild, bei welchem die Spektrallinien Rot und Grün mit ihrem thermischen Bidinhalt in den sichtbaren Spektralbereich eingeblendet-sind. Dabei ist das thermische Bild in der Intensität regelbar. Das Mischbild verbindet die Vorteile des Tagsehens mit denen des thermischen Sehens. Beispielsweise sind optisch getarnte Ziele im thermischen Bereich leicht auszumachen.

Bildet man das Gerät so aus, daß die optische Achse dar wiedergabe Einheit parallel zur optischen Achse der Bildaufnahme-Einheit verläuft, so kann man ein zur Aufnahme des v/ärmebildes dienendes Polygonal-Prisma mit dem das sichtbare Bild schreibenden Polygonalprisma auf eine gemeinsame Welle setzen und hierdurch in beiden Pällen genau synchrone Abtstungen ermöglichen, .uie Umwandlung der von einem uetektor aufgenommenen Wärme-Signale in ein optisches Bild kann hierbei in an sich bekannter Weise über eine oder mehrere Lumineszenz-Dioden/durchgeführt werden.

Aus der geometrischen Optik sind afokale Vorsätze zur Vergrößerungs-Umschaltung bekannt. Alle diese Vorsätze bewirken eine Veränderung der Zielrichtung, wenn nicht die optische Achse des Zielfernrohres mit der optischen Achse des afokalen Vorsatzes zusammenfällt.

Wur bei der Vergrößerung 1:1 und bei Parallelität der Eintrittsund Austritts-Strahlen verändert ein derartiger Vorsatz die Ziel-

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NACHGEREICHT

es Vorsatze

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Richtung auch dann nicht, wenn die optische Achse des Vorsatzes nicht mit der optischen Achse des Hauptgeräts übereinstimmt.

ijje;;e Grundidee auf ein wärmebild angewandt bedeutet, daß die ■ Bildaufnahmeeinheit und die Bildwiedergabe-Einheit eines tfärmebildgeräts zu einander so ausgelegt sind, daß das Gesamt-System die Vergrößerung 1ß1 hat und die optische Achse der Bildaufnahme-Einheit parallel zu der der ßildwiedergabe-Einheit verläuft.

Somit erfolgt auf gleicher optischer Achse eine Umkehr des unter dem Winkel.\ eintretenden IR-3trahlenbündels in die Ebene eines IR-Detektors. ilach Umwandlung der IR-Strahlung in für das Auge sichtbare Strahlung über Lumineszenz-Dioden, verlassen die Strahlen unter dem gleichen winkeli< das Vorsatzgerät (Konverter) und können auf geeignete Weise in die Eingangspupille eines optischen dicht- oder Ziel-Gerätes eintreten. Damit ist die Bedingung für den EaIl durch Eintritt in ein parallaxfreies System erfüllt, nämlich, daß die Achse des Vorsatzes für den Strahlein- und -austritt parallel verläuft und damit von der Justierung zum Ilauptgerät unabhängig wird.

Daher ist es auch ein wesentliches Merkmal des erfindungsgemäßen Geräts, daß es lediglich einen Versatz des Gesichtsfeldes im </ärmebild bei Beobachtung durch das Visier des Hauptgeräts zeigt ohne Beeinträchtigung der Zielgenauigkeit, wenn die Visierlinie des liauptgeräts nicht exakt mit der des Vorsatzes übereinstimmt.

Natürlich kann eine Adaption des WärmeDild-Konverters prinzipiell auch in getrennten i'upillen erfolgen. Dann müßte gewährleistet ' s sein, daß der innere Gerätewinkel des Hauptgeräts mit dem •rvinkel des Vorsatzgerätes für Ein- und Austritt der Strahlen identisch ist.

Bei normalen Polygonal-Prismen muß der Zeilenversatz mit Hilfe eines zusätzlichen Elements, z.B. eines Kippspiegels, bewirkt werden. Einfacher und leichter läßt sich der Zeilenversatz durch Verwendung eines Polygons mit geschränkten Mantelflächen durchführen. Jede Mantelfläche eines solchen Polygonal-Prismas tastet eine andere Zeile des Gesamtbildes ab, Su uaß bei einer Umdrehung das Gesamtbild von links nach rechts und von oben nach unten abgetastet wird. Durch entsprechende v'/ahl der Einstellwinkel des Seiten zur Achse des Prismas kann man auch eine Darstellung über

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eine Grob- Fein- Rasterung erzeugen. Dies bedeutet, daß die Ziele, die normaler vVeise eine höhere Temperatur als der !.Untergrund aufweisen, grob erscheinen,während der Hintergrund grün ist.

Um im Bedarfsfall die parallele Lage der Aufnahme-Einheit und der Wiedergabe-Einheit des Geräts nachjustieren zu können, ist es zweckmäßig, daß in einem der beiden optischen Kanäle ein Element für die Parallel-Justierung angeordnet ist.

Die Einspiegelung des sichtbar gemachten VYärmebildes in das Hauptgerät erfolgt über einen Spektralteiler, welcher bei aufgesetztem Vorsatzgerät vor der Eintrittspupille des Hauptgeräts angeordnet ist. Dieser Spektralteiler ist so ausgebildet, daß er Strahlen des sichtbaren Bereichs durchläßt und die von den Lumineszenz-Dioden ausgehenden Strahlen reflektiert. Dadurch wird die Tagsicht durch das Hauptgerät nicht behindert, die vom Vorsatzgerät kommenden Strahlen aber werden reflektiert und in den Strahlengang des Hauptgeräts eingespiegelt. Das sichtbar gemachte Wärmebild überlagert sich so dem durch das Hauptgerät wahrgenommenen, natürlichen Bild.

Zusammen mit dem Hauptgerät bildet das Vorsatzgerät eine GesamtivomDination.· die sowohl als Tagsicht-Gerät als auch als Elachtoichtgorät benutzt v/erden kann. Dabei kann auch bei normalem Betrieb bei Tag zum sichtbaren irn gleichen Maßstab das thermische Bild eingespiegelt werden. Bei anbrechender Dämmerung oder diesigem Wetter wird die Zielverfolgung mit dem reinen Tagsichtgerät manchmal plötzlich gestört, sodaß der vVunsch auftritt, das Nachtsichtgerät einzuschalten. Für diese Fälle ist es zweckmäßig, wenn das Vorsatzgerät mit wenigen Handgriffen auf das Hauptgerät aufgesetzt und an ihm befestigt werden kann. Es wird deshalb weiter vorgeschlagen, das Gerät mit einem leicht lösbaren Befestigungs-Element zur Verbindung mit dem Hauptgerät auszustatten.

Die Abbildungen zeigen :

Fig.1 in schematischer Form die Arbeitsweise des Geräts im Zusammenbau mit dem Hauptgerät;

Fig.2 den' optischen Aufbau des Vorsatzgeräts schematisch;

Fig.3 den Anbau des Geräts an ein übliches Beobachtungsund Zielgerät.

Pag Versat?gerä^-fcestehfr-Äus-Äwei -iiiaheü«»,—d&^-Aufnahme·

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I NACHQEREICHT J

Das Vorsatzgerät besteht aus zwei Einheiten, der Aufnahme-Einheit 1 , in v/elcher die vom Objekt emittierten IR-Strahlen abgetastet und dem Detektor zugeleitet werden, und der v/ieder-Einheit 2, in der die von den Lumineszenz-Dioden abgegebenen strahlen zu einem Bild vereinigt und weitergeleitet werden, üie Trennlinie 6 vertritt hier die gesamte Elektronik, in der die umwandlung der aufgenommenen IR-Strahlen über ein Videosignal und Lumineszenz-Dioden in sichtbare Strahlen erfolgt. Die ankommenden IR-Strahlen 17 werden zunächst durch den Spiegel 15 umgelenkt, dann durch die Linsengruppe 11/21 fokussiert und gelangen so zu dem Detektor. Die von den Lumineszenz-Dioden korn-' menden sichtbaren Strahlen werden im Kollimator Ίη parallele Strahlen umgewandelt und gelangen so zu einem Spektralteiler 3» welcher sie durch die Austrittsöffnung 32 unrf die Eintrittspupille 41 in den strahlengang des Hauptgeräts einspiegelt. Die Optik des Grundgeräts ist mit 46 bezeichnet. Der Strahlteiler 3 ist so ausgebildet, daß er die natürlichen sichtbaren Strahlen durchläßt und die von den Lumineszenz-Dioden kommenden Strahl isnreflektiert. Gegenüber der Austrittsöffnung 32 ist eine Eintrittspupille 31 angeordnet, durch, die die sichtbaren Strahlen in das Vorsatzgerät eintreten können. Auf diese Weise wird dem durch das (J-rundgerät erkennbaren, natürlichen Bild ein Wärmebild·überlagert, das die am beobachteten Objekt auftretenden, unterschiedlichen Temperaturen in verschiedenen Farben anzeigt. Durch die Vergrößerung 1:1 wird dabei erreicht, daß beide Bilder deckungsgleich sind.

In Abbildung Z ist der innere Aufbau des Vorsatzgeräts schematisch dargestellt. Das Eintritts-Objektiv ist mit 11 bezeichnet. 12 ist ein Polygonal-Prisma, das mit einem zweiten Polygonal-Prisma 22 auf einer v/elle sitzt und durch einen gemeinsamen Motor Ir⁵T angetrieben wird. Hierdurch wird eine exakt synchrone Dr.eftoewegung eier beiden i'o±_<y&«jnal-Prismen erreicht. Hinter dem Polygonal-i'risma 12 ist eine Transformat ions optik 13 ange ordnet, von welcher die ankommenden IR-Strahlen einem Detektor 14 zugeleitet werden. Die umwandlung der vom Detektor aufgenommenen IR-Strahlen in sichtbore Strahlen erfolgt in an sich bekannter Weise über ein Video-Signal und Lumineszenz-Dioden' 24. Die von den Lumineszenz-Dioden ausgehenden sichtbaren strahlen gelangen in das Polygonal-

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Prisma 22, welches das sichtbare tfärmebild schreibt, und dann über einen Kollimator 23 zu einem Umlenlspiegel 25. Der Umlenkspiegel 25 reflektiert die Strahlen und leitet sie dem ripektralteiler 3 zu, von dem sie in der beschriebenen weise in den strahlengang des Grundgeräts eingespiegelt werden. Im Gehäuse, das den Spektralteiler 3 umgibt, ist zu diesem Zweck eine Austritts-Öffnung 32 vorgesehen. Gegenüber der Austritts-Öffnung 32 befindet sich eine Eintritts-Öffnung 31 für die sichtbaren Strahlen, welche nach Durchtritt durch den Spektralteiler 3 gleichfalls in die Eintrittspupille des Grundgeräts gelangen. Im Strahlteiler befindet sich ein Loch 33 für Prüfzwecke.

Aus Abbildung 3 ist der Anbau des Vorsatzgeräts 5 an das Grundgerät 4 ersichtlich. Für die bereits besprochenen Teile gelten dieselben Bezeichnungen wie bei den vorhergehenden Abbildungen. Hinter der Eintrittspupille 41 des Grundgeräts ist hier ein Umlenkprisma 42 angeordnet, welches die Strahlen umlenkt und einem zweiten Umlenkprisma 43 zuleitet. Nach nochmaliger Umlenkung durch Prisma 43 gelangen die Strahlen in das Okular 44.

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Claims

Patentansprüche

1./Afokaler Spektralwandler als Vorsatzgerät für bestehende ■— Ziel- und Richt-Geräte zur Umwandlung beispielsweise eines Wärmebilds in ein sichtbares Bild, gekennzeichnet durch die Kombination einer Infrarot-Bildaufnahme-Einheit mit einer Bildwiedergabe-Einheit derart, daß das Gesamtsystem die Vergrößerung 111 hat, ferner dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des Vorsatzgeräts mit dem Hauptgerät so beschaffen ist, daß die optische Achse der Bildaufnahme-Einheit parallel zur optischen Achse des Hauptgeräts läuft, und daß das parallele Strahlenbündel der Bildwiedergabe-Einheit so in das Hauptgerät eingespiegelt wird, daß keine Beeinflussung des Hauptgeräts erfolgt.

2. Spektralwandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Achse der Bildwiedergabe-Einheii parallel zur optischen Achse der Bildaufnahme-Einheit verläuft.

3» Spektralwandler nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch die Kombination eines rotierenden Polygonal-Prismas zur kartesischen Abtastung des Wärmebildes im Strahlengang der Aufnahme-Einheit mit einem Polygonal-Prisma zur Umwandlung der von der Aufnahme-Einheit abgegebenen elektrischen Signale in ein sichtbares Bild im Strahlengang der Wiedergabe-Einheit dergestalt, daß beide auf einer Welle sitzen, die von einem gemeinsamen Antriebsmotor angetrieben wird.

4. Spektralwandler nach den Ansprüchen 1 bis 3_f dadurch gekennzeichnet, daß beide Polygonal-Prismen als geschränkte Polygonal-Prismen ausgebildet sind*

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5. Spektralwandler nach Anspruch 3«dadurch gekennzeichnet, daß die aus den Polygonal-Prismen und ihrem Antriebsmotor bestehende Gruppe um eine die Achse der Antriebswelle achneidende,senkrecht zu ihr stehende Achse kippbar gelagert und mit einem elektrischen Antrieb zur Erzeugung der Kipp-Bewegung ausgestattet ist.

6. Spektralwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß in einem der beiden optischen Kanäle ein Element für eine Parallel-Justierung angeordnet ist.

7. Spektralwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daßim parallelen Strahlengang der Bildwiedergabe-Einheit ein Strahlteiler und/oder ein Spektralteiler angeordnet ist.

8. Spektralwandler nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7_t dadurch gekennzeichnet, daß das Gerät mit einem leicht lösbaren Befestigungs-Element für die Verbindung mit dem Hauptgerät ausgestattet ist.

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