DE3240360C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtbündels, das über einen vorgegebenen Entfernungsbereich einen vorbestimmten Mindestwert der Energiedichte im Strahlquerschnitt hat.

Solche Vorrichtungen finden vorzugsweise Verwendung als Schußsimulatoren. Bei diesen wird ein Lichtstrahl, beispielsweise im roten oder infraroten Spektralbereich auf das Ziel gerichtet. Dieses kann mit Empfängern ausgerüstet sein, die beim Auftreffen des Lichtes ansprechen und einen Treffer anzeigen. Es ist auch möglich, das Ziel mit Retro-Reflektoren, beispielsweise Tripelspiegeln, auszurüsten, welche das auftreffende Licht in sich zurückwerden. Dieses wird dann über einen Teilerspiegel auf einen Empfänger gelenkt, der beim Auftreffen eines reflektierten Lichtimpulses Treffer anzeigt.

Da bei Schußsimulatoren das Licht die Stelle der scharfen Munition einnimmt, ist es notwendig die Energiedichte im Strahlquerschnitt so zu wählen, daß am Ziel über die sogenannte Volltrefferzone, und nur über diese eine vorbestimmte Mindestenergiedichte erreicht wird, die zum Ansprechen der Empfänger ausreicht. Die Volltrefferzone ist im wesentlichen entfernungsunabhängig, so daß also dafür zu sorgen ist, daß das Lichtbündel über einen vorgegebenen Entfernungsbereich, den Einsatzbereich des Schußsimulators einen vorbestimmten Mindestwert der Energiedichte im Strahlquerschntt hat.

Aus der DE-OS 29 13 401 ist ein Schußsimulator bekannt, bei dem zur Lichterzeugung ein Laser mit nachgeordnetem Lichtleiter und Diffusor verwendet ist, und bei dem zur Intensitätsverteilung des aus dem Diffusor austretenden Lichtes eine Maske und ein Ojektiv vorgesehen ist, bei dem mindestens eine Baugruppe eine von Null abweichende, vorgegebene sphärische Aberration aufweist. Bei diesem Schußsimulator ist ein relativ hoher Aufwand notwendig um die erforderliche Strahlaufweitung durch einen entsprechenden Verlauf der optischen Bildfehler des Objektivs zu erreichen. Außerdem besteht eine starke Abhängigkeit der Energiedichteverteilung im Strahlquerschnitt von der Pupillenausleuchtung, da in verschiedenen Winkelbereichen nur eng begrenzte Flächenelemente des Objektivs strahlen. Es ist zudem notwendig der Maskenöffnung eine reltiv komplizierte Form oder eine variable optische Dichte zu geben, um einen gewünschten, mit Licht der geforderten Mindestenergiedichte erfüllten Strahlquerschnitt zu erreichen.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen Schußsimulator zu schaffen, bei dem eine vorbestimmte, entfernungsunabhängige Energiedichte im Strahlquerschnitt durch einfache Mittel erreicht wird, wobei diese Energiedichteverteilung im wesentlichen unabhängig ist von der Gleichmäßigkeit der Pupillenausleuchtung.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Vorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß in Lichtrichtung gesehen hinter dem Objektiv ein zur Lichtaufweitung dienendes Gitter angeordnet ist.

Das durch das Objektiv tretende Parallellichtbündel wird am Gitter gebeugt und dadurch aufgeweitet. Das Gitter stellt ein sekundäre Strahlungsquelle dar, deren Strahlstärke I vom Winkel α abhängt, den ein zum Empfänger am Rande der Volltrefferzone verlaufender Strahl mit der optischen Achse bildet. Die Strahlstärke I ist proportional zu 1/α², wenn der Empfänger mit dem Ziel verbunden ist. Durch diese Abhängigkeit ist erreicht, daß unabhängig von der Zielentfernung E die Ansprechschwelle Φ _s des Empfängers im Gebiet der Volltrefferzone und an dessen Rand stets erreicht wird.

Die Verwendung eines Gitters macht es möglich eine gezielte, dem jeweiligen Problem angepaßte Strahlaufweitung zu erreichen.

Ein Gitter hat die Eigenschaft, daß die Energieverteilung im gebeugten Licht im wesentlichen unabhängig ist von der Gleichmäßigkeit der Gitterbeleuchtung. Deshalb ist bei dem Schußsimulator nach der Erfindung die Energiedichte im Zielstrahl auch weitgehend unabhängig von der Pupillenausleuchtung.

Durch die Verwendung des Gitters wird der Schußsimulator auch bei Zielen einsetzbar, die mit Retro-Reflektoren ausgerüstet sind. Da das Licht hier die Entfernung zwischen Simulator und Ziel auf seinem Weg zum Empfänger zweimal durchläuft, muß die Mindestenergiedichte im geforderten Querschnitt relativ hoch sein, jedenfalls wesentlich höher als bei Simulatoren, die mit Ziel-Empfängern zusammenwirken. Eine solche hohe Mindestenergiedichte im geforderten Querschnitt läßt sich durch entsprechende Ausbildung des Gitters erreichen.

Es ist vorteilhaft das Gitter als Kreisgitter mit konzentrisch zur optischen Achse des Objektivs angeordneten Kreisringen auszubilden. In diesem Fall wird bei Verwendung eines Lichtleiters mit kreisförmigem Querschnitt am Ziel ein im wesentlichen runder Lichtfleck erzeugt. Ist ein rechteckförmiger Strahlquerschnitt gefordert, so wird zweckmäßig vor dem Objektiv ein Lichtleiter mit rechteckförmigem Querschnitt angeordnet und das zur Lichtaufweitung dienende Gitter wird als Linear- oder als Kreuzgitter ausgebildet; auch die Verwendung eines Kreisgitters ist möglich.

Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen des Gitters sind in den Unteransprüchen 4-10 beschrieben.

Der beschriebene Schußsimulator findet Verwendung im Nahfeld, d. h. für Ziele im Entfernungsbereich von beispielsweise 200-600 m. Für größere Entfernungen finden zweckmäßig andere Mittel zur Darstellung der Volltrefferzone Verwendung.

Will man einen, mit den erwähnten, jedoch nicht näher spezifierten Mitteln zur Darstellung der Volltrefferzone versehenen Schußsimulator für den an das Nahfeld anschließenden Entfernungsbereich (z. B. größer 600 m) auch für die Verwendung im Nahfeld ausbilden, so wird vorteilhaft im Strahlengang ein Gitter angeordnet, dessen Gitterlinien aus elektro-optisch aktivierbarem Material gebildet sind. Für die Schußsimulation im Nahfeld werden dann die Gitterlinien aktiviert.

Als elektro-optisch aktivierbares Material läßt sich z. B. eine elektrochrome Schicht verwenden, die bei Ladungszufuhr absorbierend wirkt.

Damit läßt sich ein wahlweise aktivierbares Amplitudengitter schaffen. Auch andere Substanzen sind denkbar.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Fig. 1-3 der Zeichnungen näher erläutert. Im einzelnen zeigt

Fig. 1 ein Ausführungsbeispiel eines nach der Erfindung aufgebauten Schußsimulators zur Verwendung bei Zielen welche Empfänger tragen;

Fig. 2 ein anderes Ausführungsbeispiel eines Schußsimulators zur Verwendung bei Zielen, welche mit Retro-Reflektoren ausgerüstet sind;

Fig. 3 ein Ausführungsbeispiel eines in den Schußsimulatoren der Fig. 1 und 2 verwendbaren Gitters.

In Fig. 1 ist mit 1 eine intensitätsreiche Lichtquelle bezeichnet, welche beispielsweise einen oder mehrere Laser oder LED enthält. Vor dieser Lichtquelle ist ein Lichtleiter 2 angeordnet, welcher zweckmäßig aus mehreren Lichtfasern besteht, die eine Lichtaustrittsfläche von gewünschtem Querschnitt bilden. Das aus diesem Querschnitt austretende divergente Lichtbündel wird mittels eines, schematisch dargestellten Objektivs 3 parallel gerichtet und tritt durch ein Bewegungsgitter 4. Dieses Bewegungsgitter ist im dargestellten Asuführungsbeispiel als Kreisgitter ausgebildet. Durch die Bewegung am Gitter 4 wird der Lichtstrahl aufgeweitet, und zwar so, daß er im gesamten Entfernungsbereich zwischen dem Gitter 4 und dem mit einem Ziel verbundenen Empfänger 5 einen vorbestimmten Mindestwert der Energiedichte im Strahlquerschnitt hat.

Das mit dem Objektiv 3 zusammenwirkende Gitter 4 stellt eine sekundäre Lichtquelle dar, deren Strahlstärke mit I bezeichnet werden soll. Die Zielentfernung zwischen Gitter 4 und Empfänger 5 ist mit E bezeichnet. Der vom Empfänger 5 aufgenommene Strahlungsfluß Φ ist nach den bekannten Gesetzmäßigkeiten proportional zu I/E².

Bezeichnet man die Ansprechschwelle des Empfängers 5 mit Φ _s , so gilt

I = Φ _s · E² (1)

Für kleine Winkel α zwischen einem Strahl zum Empfänger 5 und der optischen Achse ist

wobei Z den Radius der Volltrefferzone bezeichnet. Soll Φ _s innerhalb des Einsatzbereiches des Schußsimulators, d. h. etwa zwischen 200 m und 600 m innerhalb der Volltrefferzone Z unabhängig von E erreicht werden, so folgt aus (1) und (2)

I ∼ 1/α² (3)

Diese Beziehung sagt aus, daß bei größerem Winkel α bei konstanten Werten von Φ _s und Z, infolge der kleineren Entfernung E die Intensität I im Zielstrahl kleiner sein muß als bei kleineren Winkeln.

Die Beziehung (3) läßt sich mittels des Gitters 4 darstellen.

Damit ist gewährleistet, daß im interessierenden Entfernungsbereich ein Treffer angezeigt wird, wenn ein mit dem Ziel verbundener Empfänger in der Volltrefferzone oder an deren Rand liegt.

Fig. 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines Schußsimulators, bei dem das Ziel nicht mit einem Empfänger, sondern mit einem Retro-Reflektor 6, beispielsweise einem Tripelspiegel, ausgestattet ist. In diesem Fall ist zwischen dem Lichtleiter 2 und dem Objektiv 3 ein Teilerwürfel 7 angeordnet, welcher das vom Reflektor 6 zurückreflektierte Licht über einen Lichtleiter 8 einem Empfänger 9 zuführt. Zwischem dem Kreisgitter 4 und dem Retro-Reflektor 6 durchläuft das Licht, wie der Doppelpfeil 10 andeutet, die Entfernung zweimal.

Auch hier ist durch eine entsprechende Ausbildung des Kreisgitters 4 dafür gesorgt, daß das Zielstrahlbündel über die Entfernung E einen vorbestimmten Mindestwert der Energiedichte in einem Strahlquerschnitt hat, welcher der Volltrefferzone vom Radius Z entspricht. Da das Licht die Entfernung E zweimal durchläuft, ist zwischen der Strahlstärke I und dem Strahlwinkel α die Beziehung I ∼ 1/α darzustellen. Bei dieser Ausbildung des Gitters 4 wird im gesamten Entferungsbereich E ein Treffersignal ausgelöst, wenn ein mit dem Ziel verbundener Retro-Reflektor 6 innerhalb oder am Rand der Volltrefferzone liegt.

Das in Fig. 4 in Draufsicht dargestellte Kreisgitter 4 besteht aus Gitterlinien 11, die konzentrisch zur optischen Achse des Schußsimulators angeordnet sind. Wird das Gitter 4 als Phasengitter ausgebildet, so bestehen die Gitterlinien 11 aus einem dielektrischen Material, das auf ein Glassubstrat aufgebracht ist und dessen Dicke so gewählt ist, daß eine vorbestimmte Phasenverschiebung des durchgelassenen Lichtes verursacht wird. Diese Phasenverschiebung wird λ/2 für die benutzte Wellenlänge λ (z. B. 904 nm) gewählt. Das dielektrische Material hat einen Brechzahlenwert, der etwa dem des Glassubstrats entspricht; Verwendung kann beispielsweise SiO₂ finden.

Es ist auch möglich das Gitter 4 als Amplitudengitter auszubilden. Die Gitterlinien 11 bestehen dann aus licht-absorbierendem Material.

Wird auf ein Substrat ein elektrochromes Material aufgebracht und werden Elektroden aus durchsichtigem Material verwendet, welche die Gestalt der Gitterlinien 11 haben, so läßt sich durch Anlegen einer Spannung erreichen, daß das Material Licht absorbiert, d. h. daß ein Amplitudengitter entsteht. Dieses Gitter kann also körperlich im Strahlengang verbleiben und kann wahlweise zur Wirkung gebracht oder außer Wirkung gesetzt werden.

Das Gitter 4 kann auch als kombiniertes Phasen-Amplitudengitter ausgebildet werden, indem für einen Teil der Gitterlinien 11 ein licht-absorbierendes und für den anderen Teil der Gitterlinien dielektrisches Material verwendet wird. Ein solches Gitter ermöglicht es das Licht in bestimmte Versorgungsrichtungen zu beugen.

Im einfachsten Fall sind die Linien 11 des Gitters 4 äquidistant angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es zur Erzielung eines Zielstrahles mit den geforderten Eigenschaften die Abstände der Gitterlinien 11 proportional zu den Nullstellen der Bessel'schen Funktion Nullter-Ordnung zu wählen. Dabei ist es zur Vereinfachung möglich, die Nullstellung der Bessel'schen Funktion durch den Ausdruck r = k (n-0,25) mit n = 1,2,3 . . . und einer Proportionalitätskonstanten K anzunähern. Bei einem derart ausgebildeten Gitter tritt im Zielstrahl im wesentlichen nur das aus der nullten- und ersten-Beugungsordnung stammende Licht auf.

Bei dem in Fig. 3 dargestellten Kreisgitter 4 sind jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl von Gitterlinien 11 jeweils zwei Ringpaare durch ein Ringpaar doppelter Breite ersetzt. Dadurch wird erreicht, daß die Lichtintensität im Übergangsbereich von der nullten zur ersten Beugungsordnung angehoben wird, was besonders in der Vorrichtung nach Fig. 2 wichtig ist.

Claims (13)

1. Vorrichtung zur Erzeugung eines Lichtbündels das über einen vorgegebenen Entfernungsbereich einen vorbestimmten Mindestwert der Energiedichte im Strahlquerschnitt hat, bestehend aus einer Laser-Lichtquelle (1), einem vor diesem angeordneten Lichtleiter (2) und einem Objektiv (3), dadurch gekennzeichnet, daß in unmittelbarer Nähe des Objektivs (3) ein zur Lichtaufweitung dienendes Gitter (4) angeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter als Kreisgitter (4) mit konzentrisch zur optischen Achse des Objektivs (3) angeordneten Kreisringen (11) ausgebildet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter als Lineargitter ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter als Kreuzgitter ausgebildet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien (11) aus dielektrischem Material bestehen und eine Dicke haben, die eine vorbestimmte Phasenverschiebung des durchtretenden Lichtes verursachen.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenverschiebung λ/2 gewählt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien (11) aus licht-absorbierendem Material gebildet sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil der Gitterlinien (11) aus licht-absorbierendem Material und der andere Teil der Gitterlinien (11) aus dielektrischem Material besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien (11) äquidistant angeordnet sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Gitterlinien (11) proportional zu den Nullstellen der Bessel'schen Funktion Nullter-Ordnung gewählt sind.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Nullstellen der Bessel'schen Funktion durch r = k (n-0,25) mit n = 1,2,3 . . . angenähert sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils nach einer vorbestimmten Anzahl von Gitterlinien (11) mindestens zwei Linienpaare durch ein Linienpaar entsprechender Breite ersetzt sind.

13. Vorrichtung nach Anspruch 1 und einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die Gitterlinien (11) aus elektro-optisch aktivierbarem Material gebildet sind und daß eine wahlweise einschaltbare Anordnung zur Aktivierung der Linien (11) vorgesehen ist.