DE2948831C1 - Vorrichtung mit einer Infrarot-Abbildungseinrichtung zur Verarbeitung von Strahlen mit Wellenlängen im Bereich von 7,5-14 Mikrometer - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung mit einer Infrarot-Abbildungs­ einrichtung zur Verarbeitung von Strahlen mit Wellenlängen im Bereich von 7,5 bis 14 Mikrometer von darzustellenden Gegenständen, einer Laser­ sende- und/oder Empfangsanlage, deren Laserstrahl eine Wellenlänge auf­ weist, die verschieden von den Wellenlängen der zugeordneten Infrarot- Abbildungseinrichtung ist, sowie mit einem gemeinsamen optischen System.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der vorgenannten Art derart zu gestalten, daß eine zuverlässige Verarbeitung der unter­ schiedlichen obengenannten Wellenlängen ermöglicht ist.

Gemäß der Erfindung wird dies erreicht durch ein lichtbrechendes astrono­ misches Fernrohr, durch welches sowohl der Laserstrahl als auch die Strahlung von den Objekten, die deren Darstellung bewirkt, durchlaufen, daß das Teleskop ein Feldelement aufweist, das wenigstens zwei Linsen umfaßt, die längs ihrer gemeinsamen Achse im Abstand angeordnet sind, daß der Laserstrahl zwischen diesen beiden Linsen fokussiert wird, daß ferner die beiden Linsen zusammen mindestens zum Teil eine hermetisch ab­ geschlossene Einheit innerhalb des Fernrohres bilden, und daß das Innere der Einheit eine Atmosphäre enthält, die nicht zu einer Dämpfung der ein­ fallenden Strahlung führt, wenn sie darin einem fokussierten Laserstrahl ausgesetzt ist.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die schematisch im Schnitt eine Vorrichtung mit einer Infrarot-Abbildungseinrichtung zeigt.

Die dargestellte Vorrichtung umfaßt ein optisches System mit einem astronomischen Fernrohr mit einem Objektiv 10, einem Okular 11 und einem Feldelement 12. Die Achse des Fernrohres ist mit 14 bezeichnet und es sind Spiegel 16 und 17 zwischen dem Objektiv 10 und dem Feld­ element 12 angeordnet, um die optische Achse 14 des Fernrohres umzu­ lenken.

Das optische System kann in Verbindung mit einem Laser-Sende- und/oder Empfangssystem verwendet werden, und es ist erforderlich, daß die Brechungselemente des optischen Systems Strahlung mit einer Wellen­ länge im Bereich von 0,5 bis 14 Mikrometer und zweck­ mäßigerweise weniger als 7,5 Mikrometer einschließlich eines Laserstrahles durchlassen. Da ferner das optische System in Verbindung mit einem Infrarot-Abbildungssystem arbeiten soll, ist es erforderlich, daß die Brechungselemente des optischen Systems eine Infrarot-Strahlung im Wellenlängenbereich von 7,5 bis 14 Mikrometer übertragen bzw. durchlassen, einschließ­ lich der Strahlung, die von Gegenständen in einem Gelände emittiert wird, die dargestellt werden sollen. Die Brechungs­ elemente können daher jeweils wenigstens eine Linse aus Zink­ sulfid oder aus Zinkselenid aufweisen. Beide Materialien über­ tragen Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 0,5 bis 14 Mikrometern.

Infrarot-Strahlung, die von Objekten innerhalb des Sichtwinkels des optischen Systems von dem Objektiv 10 aufgenommen wird, läuft durch das Fernrohr zu einem Infrarot-Abbildungsgerät 20 konventioneller Bauweise. Die Infrarot-Strahlung für die Ab­ bildung ist mit 21 bezeichnet. Aus Gründen der Einfachheit sind nur annähernd die Bahnen der Strahlen dieser Strahlung dargestellt, die das astronomische Fernrohr durchlaufen und diese Strahlen sind die achsparallelen Strahlen, die den Rand des axialen Strahles bilden. Da mittels dieser Infrarotstrahlung die Objekte, von denen die Strahlung emittiert wird, dargestellt werden sollen, muß das Fernrohr im wesentlichen korrigiert sein gegen chromatische Aberration für Strahlung im Wellenlängenbe­ reich von 7,5 bis 14 Mikrometer. Insbesondere müssen das Objektiv 10 und das Okular 11 im wesentlichen gegen chromatische Aberration korrigiert sein, und sie bestehen daher aus einer geeigneten Kombination von wenigstens zwei Linsen. In der dargestellten Ausführungsform ist eine Linse jedes Brechungselementes 10 und 11 aus Zinksulfid, während die andere Linse aus Zinkselenid besteht.

Jedes der Brechungselemente besteht aus einer geeigneten Kombination von Linsen, die durch geeignete Wahl der Stärken dieser Linsen erhalten wird. Im dargestellten astronomischen Fernrohr umfaßt das Objektiv 10 zwei Linsen 30 und 31, die aus einem Block gebildet werden, der aus einem Niederschlag von Zinksulfid oder Zinkselenid auf einer Brechungsoberfläche einer der Linsen 30 oder 31 und aus dem anderen dieser beiden Materialien gebildet wird. Die beiden Linsen 30 und 31 werden dann durch Schleifen und Polieren der Außenflächen des nieder­ geschlagenen Materials und ggf. auch des Materials der Linse, auf dem das andere Material niedergeschlagen worden ist, fertigbearbeitet. Die dargestellte Linse 30 besteht aus Zink­ sulfid und die Linse 31 aus Zinkselenid. Das Okular 11 hat zwei Linsen 36 und 37, die axial in einem vorgegebenen Ab­ stand voneinander angeordnet sind. Die Linse 36 besteht aus Zinksulfid und die Linse 37 aus Zinkselenid.

Wenn es nicht erforderlich ist, daß das Feldelement 12 im wesentlichen gegen chromatische Aberration korrigiert ist, weil die das Fernrohr durchquerende Strahlung an bzw. in dem Feldelement fokussiert wird, wobei nur eine Pupillenaberration entsteht.

Eine nicht-gezeigte Hochleistungs-Laserquelle liefert den er­ forderlichen Laserstrahl, der nur teilweise bei 40 gezeigt wird und der auf einen Spiegel 41 auftrifft und dann in das Okular 11 des astronomischen Fernrohres über eine reflektierende Fläche 42 eintritt. Der Laserstrahl wird von der Vorrichtung über das Objektiv 10 übertragen und ein reflektierter Teil des emittierten Laserstrahles wird vom Objektiv rückempfangen, wo­ bei dieser empfangene Laserstrahl ebenfalls als Laserstrahl be­ trachtet wird, der durch das gemeinsame optische System durch­ läuft. Sowohl der von der Laserquelle emittierte Laserstrahl als auch der reflektierte Laserstrahl durchqueren das astronomische Fernrohr längs derselben Bahn, aber in unterschiedlichen Rich­ tungen. Ein Detektor 50 für den reflektierten Laserstrahl ist ebenfalls in der Anordnung vorgesehen, der den Teil des re­ flektierten Strahles aufnimmt, der um den Rand des Spiegels 41 verläuft bzw. außerhalb dieses Randes übertragen und auf den Detektor 50 mittels einer Linse 51 fokussiert wird. Die Linse 51 besteht aus einem solchen Material, daß sie die Laserstrahlung überträgt bzw. durchläßt, sie läßt jedoch keine Infrarotstrahlung für die erforderliche Abbildung durch. Ein solches Material kann eine geeignete Glaszusammensetzung sein. Der Teil des reflektierten Strahles, der nicht um den Spiegel 41 verläuft, wird längs des gemeinsamen Sende/Empfangs­ weges durch den Spiegel 41 zu einem nicht-gezeigten Laser- Empfänger reflektiert und von einem Detektor erfaßt. Es ist nicht erforderlich, daß das Fernrohr im wesentlichen frei von chromatischer Aberration für Strahlung, die den Laserstrahl umfaßt, ist, da der Laserstrahl monochromatisch ist.

Die Vorrichtung umfaßt ein Entfernungs­ meßgerät und ein Such- bzw. Zielverfolgungsgerät, welch letzteres einen Detektor aufweist, der eine Richtungsinformation liefert und eine strahlungsempfindliche Fläche aufweisen kann, die in Quadranten unterteilt ist. Der dargestellte Detektor 50 kann den Detektor des Suchgerätes enthalten und die Entfernungs­ information kann von dem nicht-dargestellten Detektor erhalten werden.

Da die Vorrichtung ein Such- bzw. Verfolgungsgerät aufweist, ist es er­ forderlich, daß sie zusammen mit dem Infrarot-Ab­ bildungssystem einen breiten Sichtwinkel oder Beobachtungs­ winkel besitzt. Ein astronomisches Fernrohr mit einem Feldelement, wie beschrieben, ist daher sehr geeignet und kompakt. Ein solches Fernrohr liefert einen breiten Sichtwinkel, während die Größen der Brechungselemente, die auf das Fernrohr folgen, kleiner ge­ halten werden können, als dies sonst der Fall wäre.

Da ein Hochleistungslaserstrahl durch das astronomische Fern­ rohr mit einem Feldelement 12 läuft, wird der Laserstrahl an bzw. in dem Feldelement des Fernrohres fokussiert. Jedoch beim Fokussieren des Hochleistungslaserstrahles würde das da­ durch erzeugte starke elektrische Feld jegliches Glas oder anderes festes Material im Brennpunkt stark beschädigen oder zu einem Durchbruch des Luftdielektrikums führen, wenn der Brennpunkt in der freien Luft auftritt, wobei beide Effekte zu einer starken Dämpfung der Laserstrahlung führen. Das dar­ gestellte Feldelement 12 umfaßt daher zwei Linsen 60 und 61, die einen vorgegebenen axialen Abstand längs ihrer gemeinsamen Achse haben, wobei dieser Abstand derart ist, daß das Linsen­ material der Energiedichte an ihren Positionen in dem Laser­ strahl widerstehen kann. Zusammen dienen die Linsen 60 und 61 teilweise zur Bildung einer hermetisch abgeschlossenen Ein­ heit.

Der Laserstrahl wird in einer Ebene 62 innerhalb der Einheit fokussiert. Die Linsen 60 und 61 sind geeignet in einem Rohr 63 montiert, das die hermetisch ab­ gedichtete bzw. abgeschlossene Einheit vervollständigt. Das Innere der Einheit enhält eine Atmosphäre, die nicht zu einer Dämpfung der einfallenden Strahlung führt, wenn sie einem fokussierten Laserstrahl darin ausgesetzt ist, beispielsweise kann die Atmosphäre Luft mit einem Druck von weniger als 15 Newton je Quadratmeter sein, oder Stickstoff, der ggf. einen Druck unter dem Atmosphärendruck hat. Da es nicht erforderlich ist, daß das Feldelement 12 chromatisch korrigiert ist, können beide Linsen 60 und 61 aus demselben Material sein, z. B. entweder aus Zink­ selenid oder Zinksulfid.

Wenn, wie dargestellt, sowohl ein empfangener Laserstrahl als auch die Strahlung für die Darstellung durch das Teleskop in derselben Richtung laufen, ist ein Detektor für den empfange­ nen Laserstrahl in dem System vorgesehen, und es ist erforder­ lich, daß eine Einrichtung zur Strahlaufspaltung zwischen dem Fernrohr und den Detektoren sowie dem Infrarot-Abbildungsgerät angeordnet ist, um den empfangenen Laserstrahl von der Strahlung für die Darstellung zu trennen. Die dargestellte Einrichtung zur Aufspaltung des Strahles ist ein Reflektor für den Laser­ strahl und sie läßt die Infrarot-Strahlung für die Darstellung hindurch.

Alternativ kann die Einrichtung zur Strahlaufspaltung ein Reflektor für die Infrarot-Strahlung, die für die Darstellung dient, sein und den Laserstrahl durchlassen. Die dargestellte Strahlspalteinrichtung ist eine Platte 70 aus Zinkselenid oder aus Zinksulfid oder aus Germanium und ihre reflektierende Ober­ fläche 42 ist mit einem Material überzogen, das sich zum re­ flektieren der gewünschten Wellenlänge eignet.

Das Objektiv 10 und der Spiegel 16 können für eine Rotation um zwei Achsen montiert sein, wobei eine Achse 80 gezeigt ist und den Teil der optischen Achse 14 zwischen den Spiegeln 16 und 17 bildet. Die andere Achse liegt normal zur Ebene der Darstellung, d. h. der Zeichnung. Eine Drehung des Objektivs und des Spiegels 16 um diese beiden Achsen ermöglicht eine Stabilisierung und Steuerung der Sichtlinie und eine solche Bewegung des Objektivs ist vorzu­ sehen, um den Doppelwinkeleffekt der Reflexion zu ermöglichen.

Andere Modifikationen der beschriebenen Anordnung sind möglich. Wenn der Sichtwinkel der Anordnung nicht so groß wie möglich sein muß, kann ein Galileiisches Fernrohr verwendet werden. Dann ist es nicht erforderlich, eine hermetisch abgeschlossene Einheit in dem Fernrohr vorzusehen, weil der Laserstrahl nicht fokussiert werden braucht.

Wenn kein Hochleistungs-Laserstrahl durch das Fernrohr läuft, beispielsweise wenn die Anordnung nur einen Laserstrahl empfängt und die von den darzustellenden Objekten emittierte Strahlung und ein Laserstrahl nicht von der Anordnung emittiert wird, ist es nicht notwendig, eine hermetisch abgedichtete Einheit in dem Fernrohr vorzusehen und das Feldelement, wenn es verwendet wird, kann nur eine einzige Linse umfassen.

Wenn ein empfangener Laserstrahl nicht durch das Fernrohr in derselben Richtung wie die Strahlung zum Zwecke der Dar­ stellung verläuft, kann die Strahlteilungseinrichtung wegge­ lassen werden.

Wenn der Laserstrahl eine Strahlung im Wellenlängenbereich von 2 bis 14 Mikrometer hat, kann eine Germaniumlinse in jedem der Brechungselemente des gemeinsamen optischen Systems ver­ wendet werden.

Das Okular kann eine ähnliche Konstruktion wie das dargestellte Objektiv haben, oder das Objektiv kann eine ähnliche Konstruktion wie das dargestellte Okular haben. Der Aufbau des dargestellten Objektivs liegt optisch unter dem Aufbau bzw. der Konstruktion des dargestellten Okulars, hat jedoch den Vorteil, daß es mehr kompakt und robust ist.

Mehr als zwei Linsen können in dem Objektiv und/oder dem Feld­ element und/oder dem Okular vorgesehen werden, wobei alle Linsen aus einem für die erforderlichen Wellenlängen durchlässigen Material bestehen.

Die Elemente des gemeinsamen optischen Systems sind im wesent­ lichen frei von chromatischer Aberration für Strahlung in Wellen­ längenbereichen von 7,5 bis 14 Mikrometer und sie sind in der Lage eine Strahlung mit Wellenlängenbereichen von 0,5 bis 14 Mikrometer zu übertragen durch Verwendung geeigneter Materialien, auch anderen als Zinksulfid und/oder Zinkselenid und/oder Germanium.

Claims (12)

1. Vorrichtung mit einer Infrarot-Abbildungseinrichtung zur Ver­ arbeitung von Strahlen mit Wellenlängen im Bereich von 7,5 bis 14 Mikrometer von darzustellenden Gegenständen, einer Laser­ sende- und/oder Empfangsanlage, deren Laserstrahl eine Wellen­ länge aufweist, die verschieden von den Wellenlängen der zuge­ ordneten Infrarot-Abbildungseinrichtung ist, sowie mit einem gemeinsamen optischen System, gekennzeichnet durch ein licht­ brechendes astronomisches Fernrohr, durch welches sowohl der Laserstrahl als auch die Strahlung von den Objekten, die deren Darstellung bewirkt, durchlaufen, daß das Teleskop ein Feld­ element aufweist, das wenigstens zwei Linsen umfaßt, die längs ihrer gemeinsamen Achse im Abstand angeordnet sind, daß der Laserstrahl zwischen diesen beiden Linsen fokussiert wird, daß ferner die beiden Linsen zusammen mindestens zum Teil eine hermetisch abgeschlossene Einheit innerhalb des Fernrohres bilden, und daß das Innere der Einheit eine Atmosphäre enthält, die nicht zu einer Dämpfung der einfallenden Strahlung führt, wenn sie darin einem fokussierten Laserstrahl ausgesetzt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die wenigstens zwei Linsen des Feldelementes aus demselben Material bestehen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre innerhalb der hermetisch abgedichteten Ein­ heit Luft ist, die einen Druck von weniger als 15 Newton je Quadratmeter hat.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Atmosphäre in der hermetisch abgedichteten Einheit Stickstoff ist, dessen Druck vorzugsweise unter dem Atmosphären­ druck liegt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl, der das Fernrohr durch­ läuft, von der Vorrichtung ausgesendet wird.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl das Fernrohr in beiden Richtungen durchläuft und aus einem Strahl besteht, der von der Vorrichtung ausge­ sendet wird und einem Strahl, der von der Vorrichtung empfangen wird.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der das Fernrohr durchlaufende Strahl eine Wellenlänge im Bereich von 0,5 bis 7,5 Mikrometer hat.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenn der das Fernrohr durchlaufende Laserstrahl ein empfangener Laserstrahl ist und wenn die von den darzustellenden Objekten kommende Strahlung das Fernrohr in derselben Richtung durchläuft wie der empfangene Laserstrahl, das gemeinsame optische System einen Strahl­ teiler aufweist, der nachfolgend zum Fernrohr angeordnet ist, um den empfangenen Laserstrahl von den darzustellenden Objekten kommenden Strahlung zu trennen.

9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fernrohr praktisch frei von chromatischer Aberration für die Strahlung mit Wellenlängen im Bereich von 7,5 bis 14 Mikrometer ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Okular oder das lichtbrechende Objektiv des Fernrohres eine Kombination aufweist aus wenigstens einer Linse aus Zink-Selenid sowie einer Linse aus Zinksulfid, die in einem vorgegebenen axialen Abstand angeordnet sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Objektiv oder das Okular des Fernrohres wenigstens eine Kombination aus zwei Linsen aufweist, die aus einem zusammen­ gesetzten Block gebildet sind, der durch Niederschlag von einem der Materialien Zink-Selenid oder Zinksulfid auf einer licht­ brechenden Oberfläche einer Linse, die aus dem anderen der beiden Materialien besteht, gebildet worden ist.

12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens das Objektiv des Fernrohres des gemeinsamen optischen Systems drehbar montiert ist.