DE3116247C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung geht aus einem Empfänger für Infrarotstrah
lung mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merk
malen. Ein solcher Empfänger ist aus der DE-OS 25 41 818 be
kannt.
Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobachtungssystemen,
welche unter der Abkürzung "FLIR" (forward looking infrared
systems) bekannt sind, und von afokalen Hochleistungsfernrohren,
welche zur Verwendung in FLIR-Systemen geeignet sind, ist die
Forderung entstanden, Wege zu finden, um ein am Ort des reellen
Bildes innerhalb des optischen Gesamtsystems eingefügtes optisches
Raster zu beleuchten. Typische Anwendungen von FLIR-Systemen,
die eine solche Rasterbeleuchtung benötigen, sind z. B. Sichtge
räte in Panzern, auf welchen dem Bild der Szene eine Zielmarke
für das Geschütz, typischerweise in Gestalt eines offenen oder
geschlossenen Strichkreuzes, oder ein System von Vergleichsmarken
für die Ausrichtung des Geschützrohres, z. B. in Gestalt einer
Strichteilung am Umfang des Gesichtsfeldes, überlagert werden.
Für die Verwirklichung der Rasterbeleuchtung gibt es bereits eine
Anzahl von Vorschlägen, die jedoch für den hier angesprochenen Ein
satzzweck nicht befriedigen. Das in der DE-OS 25 41 818 offenbarte
Raster wird durch eine teilweise strahlungsdurchlässige, die ein
fallende Infrarotstrahlung modulierende Scheibe gebildet; Mittel
zur Rasterbeleuchtung sind nicht vorgesehen. Aus der CH-PS 5 92 891
ist eine optische Meßeinrichtung mit einer im Strahlengang angeord
neten, reflektierenden Meßmarke bekannt, welche durch eine seitlich
vom Strahlengang angeordnete Lichtquelle beleuchtet wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine passive Rasterbe
leuchtung zu verwirklichen, welche ohne elektrisch beheizte Drähte
und ohne mechanisch bewegliche Komponenten auskommt.
Die Erfindung löst diese Aufgabe durch einen Empfänger für Infra
rotstrahlung mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der
Unteransprüche.
Weil die erfindungsgemäße Rasterbeleuchtung passiver Natur ist
und lediglich erfordert, in der Bildfläche des reellen Bildes
ein geeignetes Substrat anzuordnen, auf welchem reflektierende Rastermarkierungen
angebracht sind, ist sie vom optischen und mechanischen Aufbau her
sehr einfach; weil die vom Empfänger ausgehende Strahlung im Ver
gleich zu der typischerweise von der Szene ausgesandten Strahlung
verhältnismäßig kalt ist, wird praktisch immer ein hinreichender
Kontrast zwischen den einander überlagerten Bildern der Szene und der
Rastermarkierungen bestehen; und weil es einfach ist, die nötige
Strahlungsmessung vorzunehmen für die von irgendeiner Stelle des
Gesichtsfeldes am Ort des reellen Bildes von einer Rastermarkierung
reflektierte Strahlung, können ohne weiteres auch nahezu beliebige
Anzahlen von Rastermarkierungen vorgesehen werden.
Das Substrat, welches die Rastermarkierungen trägt, kann positive,
negative oder gar keine optische Brechkraft besitzen; es kann auch
ein chemisch bearbeitetes, z. B. geätztes Element sein; vorzugsweise
befindet sich das Raster auf einer ebenen Oberfläche des Substrats.
Die Rastermarkierungen, welche auf dem Substrat angebracht
oder ein Bestandteil des Substrats sein können, sollten aus einem
Material mit hinreichendem Reflexionsvermögen für den infrage
kommenden Wellenlängenbereich bestehen. Im Idealfall wird ange
strebt, daß die Oberfläche, auf welcher sich die Rastermarkierungen
befinden und welche zugleich die Bildfläche für das reelle
Bild ist, so gewählt ist, daß in ihr die Abbildungsgüte an
nähernd nur durch Beugungserscheinungen begrenzt ist. Man kann je
doch - abhängig von der Form und Größe der Rastermarkierungen - auch
eine gewisse Verminderung der Abbildungsgüte in Kauf nehmen.
Unter gewissen thermischen Gegebenheiten in der zu beobachtenden
Szene kann eine Verminderung des Kontrastes zwischen den Bildern
der Szene und des Rasters eintreten. Um dem zu begegnen, kann man
die Rastermarkierungen aus zwei oder mehreren verschiedenen Materia
lien mit jeweils unterschiedlichem Reflexionsvermögen herstellen.
Um den nachteiligen Einfluß von Brennpunktverschiebungen infolge
von Schwankungen der Umgebungstemperatur auf ein Minimum zu be
grenzen, ist das Raster mit Vorteil in der Bildfläche eines reellen
Bildes angeordnet, welche gegen mäßige Schwankungen der Umgebungs
temperatur unempfindlich ist.
Abhängig vom gewählten Aufbau des optischen Systems kann es mehrere
Bildflächen von reellen Bildern geben, in welchen erfindungsgemäß
Raster angeordnet werden können. Wenn demgemäß das optische System
ein Fernrohr sowie eine Abtasteinrichtung (Scanner) umfaßt und auf
zwei Bildlfächen reelle Bilder entstehen läßt, dann kann man mit
Vorteil in jeder dieser Bildflächen ein Raster anordnen, deren Ab
bilder dem Bild der Szene überlagert werden; mit Hilfe zweier solcher
Raster kann man eine etwaige fehlerhafte Justierung zwischen dem
Fernrohr und der Abtasteinrichtung entdecken und korrigieren.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist schematisch
in der Zeichnung dargestellt.
Das in dieser Zeichnung
dargestellte optische System 10 besteht aus einem Fernrohr 12 und
aus einem FLIR-System 11. Das FLIR-System 11 besteht seinerseits aus
einem Detektor 13 A für infrarote Strahlung, welcher Bestandteil einer
mit flüssiger Luft auf eine Temperatur von ungefähr 77 Kelvin herab
gekühlten IR-Empfangseinrichtung 13 ist, aus einer Aperturblende 14,
welche auch als kalter Schild (cold shield) bezeichnet wird und
auf eine von der Temperatur der Empfangseinrichtung 13 nur wenig
verschiedene Temperatur (z. B. auf 80°K) herabgekühlt ist, und aus
einer Abtasteinrichtung 15 (Scanner), welche aus einem vorgegebenen
Gesichtsfeld die durch eine Pupille Φ begrenzte Strahlung empfängt
und zur Erzeugung eines zweidimensionalen Bildes abtastet und die
Strahlung aus den abgetasteten Bildelementen an den Detektor 13 A
übermittelt.
Das Fernrohr 12 ist ein afokales Linsenfernrohr und erzeugt in
seinem Innern zwischen dem Okular 16 und dem Objektiv 17 am Ort
der Bildfläche 19 ein reelles Bild I und bildet eine Austritts
pupille Φ für die aus dem Gegenstandsraum O stammende Strahlung.
Die Bildfläche 19 ist zugleich die brechende Oberfläche einer
planparallelen Platte 18. In der Bildfläche 19 ist eine Raster
markierung 20 angeordnet, welche durch einen Chromniederschlag
auf der Oberfläche 19 der Platte 18 gebildet wird. Das optische
System 10 ist zur Verwendung im Wellenlängenbereich von 8 µm bis
13 µm ausgelegt. Weil nur die chrombeschichtete Rastermarkierung
20 wesentlich die von der Empfangseinrichtung 13 ausgesandte
Strahlung reflektiert und weil diese reflektierte Strahlung auf dem
Detektor 13 A ein reelles Bild formt, erhält man von den ge
kühlten Komponenten der Empfangseinrichtung 13 (einschließlich
des Detektors 13 A, des umgebenden Trägers und der Aperturblende
14) ein Bild, welches auch als "Narzißmus"-Bild bezeichnet wird,
dessen Gestalt von der Gestalt der Rastermarkierung 20 bestimmt
wird. Da die aus dem Gegenstandsraum O kommende Strahlung durch
die nicht mit Chrom beschichteten Bereiche des reellen Bildes I
hindurchtritt, "sieht" der Detektor 13 A ein Bild der im Gegen
standsraum O gelegenen Szene, welchem das Bild der Rastermarkierung
20 überlagert ist.
Der thermische Kontrast zwischen den beiden einander überlagerten
Bildern wird durch die Temperaturdifferenz zwischen dem Rasterbild
und dem Bild der Szene auf dem Detektor 13 A bewirkt; das Rasterbild
entsteht aus Strahlung, welche von der Empfangseinrichtung 13 ausgeht
und im Vergleich zu der aus dem Gegenstandsraum O stammenden
Strahlung, aus welcher das Bild der ein Gegenstandsraum gelegenen
Szene entsteht, relativ kalt ist.
In diesem Beispiel ist die Empfangseinrichtung 13 gekühlt und besitzt
eine Temperatur von ungefähr 77°K, während im Gegenstandsraum Objekte
liegen, die typisch eine Temperatur zwischen 230°K und 340°K auf
weisen und eine entsprechend warme Strahlung aussenden. Die plan
parallele Platte 18 besteht aus einem Zinkselenid-Werkstoff,
welcher nur geringe Inhomogenitäten aufweist und die optische
Leistungsfähigkeit des optischen Systems 10 nicht beeinträchtigt.
Die Bildfläche 19 ist im gezeichneten Beispiel plan, doch sie
muß nicht unbedingt plan sein; bei anders gewähltem Aufbau des
Fernrohrs 12 könnte die Bildfläche 19 auch gekrümmt sein und mit
einer brechenden Oberfläche einer Okularlinse zusammenfallen,
und in beiden Fällen könnte die Rastermarkierung 20 von einem
Substrat getragen werden, welches eine gewisse optische Brech
kraft besitzt. Das Substrat muß nicht aus optisch durchlässigem
Material bestehen, vielmehr kann die Rastermarkierung 20 z. B.
auf einem gewebeartigen, auf chemischem Wege erzeugten Träger
liegen. Das Substrat bzw. der Träger können das gesamte Gesichtsfeld
am Ort des reellen Bildes I überdecken oder auch nicht, und natür
lich muß die Rastermarkierung 20 nicht axial angeordnet sein,
sondern könnte z. B. das Gesichtsfeld kreisringförmig einrahmen.
Die Rastermarkierung 20 kann auf, unter oder zwischen reflexmindern
den Beschichtungen des Trägers, im gezeichneten Beispiel der Platte
18, liegen.
Zur Überprüfung, ob das Fernrohr 12 und die Abtasteinrichtung 15
exakt aufeinander ausgerichtet sind, könnte man in der Abtastein
richtung 15 an einer Stelle, wo ein weiteres reelles Bild ent
steht, ein weiteres Raster vorsehen; aus der Lage der überlagerten
Bilder der beiden Raster relativ zueinander kann man ggfs. vor
handene Justierfehler ermitteln.
Natürlich kann ein jedes Raster selbst auch aus mehreren einander
überlagerten Markierungen gebildet werden, welche sämtlich in der
selben Bildfläche 19 liegen.
Claims (6)
1. Empfänger für Infrarotstrahlung
mit einem Infrarot-Detektor (13 A) als Bestandteil einer Empfangseinrichtung (13), welche als weiteren Bestandteil einen kalten Schild (14) besitzt,
mit einem optischen System (17) zum Abbilden der aus einem Ge sichtsfeld kommenden Infrarotstrahlung auf eine Bildfläche (19), welche von dem Detektor (13 A) einen Abstand aufweist und auf welcher ein reelles Bild entsteht, welches weiter auf den Detektor (13 A) übertragen wird, und
mit einem auf der Bildfläche (19) angeordneten Raster (20) mit Markierungen, welche auf den Detektor (13 A) abgebildet und dabei jenem Bild überlagert werden, welches aus der aus dem Gegenstandsraum (O) stammenden Infrarotstrahlung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen des Rasters (20) die von der Empfangseinrichtung (13) ausgesandte Infrarot strahlung reflektieren.
mit einem Infrarot-Detektor (13 A) als Bestandteil einer Empfangseinrichtung (13), welche als weiteren Bestandteil einen kalten Schild (14) besitzt,
mit einem optischen System (17) zum Abbilden der aus einem Ge sichtsfeld kommenden Infrarotstrahlung auf eine Bildfläche (19), welche von dem Detektor (13 A) einen Abstand aufweist und auf welcher ein reelles Bild entsteht, welches weiter auf den Detektor (13 A) übertragen wird, und
mit einem auf der Bildfläche (19) angeordneten Raster (20) mit Markierungen, welche auf den Detektor (13 A) abgebildet und dabei jenem Bild überlagert werden, welches aus der aus dem Gegenstandsraum (O) stammenden Infrarotstrahlung entsteht, dadurch gekennzeichnet, daß die Markierungen des Rasters (20) die von der Empfangseinrichtung (13) ausgesandte Infrarot strahlung reflektieren.
2. Empfänger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (20) von einem
Substrat (18) getragen wird, welches selbst ein optisches Ele
ment des optischen Systems (10) ist.
3. Empfänger nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, daß das Substrat (18) eine plane
Oberfläche (19) besitzt und daß auf dieser Oberfläche (19)
das Raster (20) angeordnet ist.
4. Empfänger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (20) auf chemischem
Wege auf einem Substrat (18) erzeugt wird.
5. Empfänger nach einem der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zur Erhöhung des Kontrastes
zwischen dem Bild des Rasters und dem überlagerten Bild der
im Gegenstandsraum (O) gelegenen Szene über einen weiten Tempe
raturbereich der im Gegenstandsraum (O) liegenden Gegenstän
de das Raster aus mehreren Materialien mit unterschiedlichem
Reflexionsvermögen zusammengesetzt ist.
6. Empfänger nach Anspruch 1, bei dem die aus dem Gegen
standsraum kommende Strahlung durch das optische System
auf eine zweite Bildfläche, auf welcher ein reelles Bild ent
steht abgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet, daß am Ort der zweiten Bildfläche ein
zweites Raster angeordnet ist, welches Markierungen besitzt,
welche von der Empfangseinrichtung (13) ausgehende Infrarot
strahlung reflektierten und dadurch auf den Detektor (13 A)
abgebildet werden.
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