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Die Erfindung bezieht sich auf eine optische
Vorrichtung zur Korrektur von Fehlern, die von sphärischen Fenstern
eines Optroniksystems erzeugt wurden, bei dem die Sichtachse
nicht durch das Symmetriezentrum des Fensters verläuft.
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Ein an Bord eines Fahrzeugs montiertes Optroniksystem
enthält ein Fenster, durch das man aus dem Fahrzeug hinaus
blicken kann. Wenn das Sichtfeld sehr breit sein soll,
verwendet man bekanntlich ein polygonales Fenster, bestehend aus
zahlreichen ebenen Facetten, oder ein sphärisches Fenster, das
einem zwei koaxiale Diopter bildenden transparenten Element
zugeordnet ist, wie dies in dem Patent US 4 705 343
beschrieben ist. In diesem letzteren Fall muß die Visierachse des
Optroniksystems durch das Symmetriezentrum des Fensters
verlaufen, unabhängig von der gegebenen Ausrichtung der
Visierachse. Würde diese Bedingung nicht erfüllt, dann ergäbe sich
eine weniger gute Bildauflösung aufgrund dieser Lichtstrahlen
als ohne das Fenster, und die Visierachse wäre erheblich quer
zum Fenster versetzt.
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Die Forderung, die Visierachse durch das
Symmetriezentrum des Fensters zu führen, führt dazu, das Fenster in einer
sehr weit aus dem Fahrzeug vorstehenden Position anbringen zu
müssen. Handelt es sich beim Fahrzeug um ein Flugzeug, dann
hat ein sphärisches, sehr weit vorstehendes Fenster störende
aerodynamische Wirkungen. Wenn zudem das sphärische Fenster an
der Spitze des Flugzeugs zwischen der Nase und der
Cockpitverglasung liegt, dann führt dies zu einer Verringerung des
Sichtfelds für den Piloten.
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Ziel der Erfindung ist es, eine Vorrichtung
vorzuschlagen, die ein sphärisches Fenster zu verwenden erlaubt,
ohne daß dieses sehr weit aus dem Trägerfahrzeug vorstehen
müßte.
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Ziel der Erfindung ist eine optische Vorrichtung zur
Korrektur der Fehler aufgrund der Tatsache, daß die
Visierachse
nicht durch das Zentrum des Fensters verläuft, wenn das
Zentrum des Fensters ins Innere des Fahrzeugs verschoben ist.
Dieses Fenster springt dann weniger weit aus dem Fahrzeug
hervor, wodurch die oben erwähnten Nachteile vermieden werden.
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Erfindungsgemäß ist eine optische Vorrichtung für ein
Optronik-Beobachtungssystem mit einem sphärischen Fenster und
einem Stück transparenten Materials, das zwei
gegenüberliegende Oberflächen besitzt, welche Oberflächenabschnitte mit einer
gemeinsamen Symmetrieachse sind und zwei Diopter bilden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrieachse der beiden
Diopter durch das Symmetriezentrum des Fensters verläuft und daß
die beiden Diopter so angeordnet und gestaltet sind, daß sie
zusammen mit dem Fenster ein afokales optisches System für ein
Bündel von zur Symmetrieachse parallelen, aber nicht durch
das Symmetriezentrum des Fensters verlaufenden Lichtstrahlen
bilden, so daß die durch das Fenster hervorgerufenen Fehler
korrigiert werden.
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Die Korrektur ist auch noch gut für Strahlen, deren
Richtung in der Nähe der Visierachse verläuft.
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Die Erfindung und weitere Einzelheiten gehen aus der
nachfolgenden Beschreibung anhand der beiliegenden Figuren
besser hervor.
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Figur 1 zeigt ein sphärisches Fenster, wie es im Stand
der Technik verwendet wird, und das stark bezüglich des
Trägerfahrzeugs vorspringt.
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Figur 2 zeigt das Phänomen, das diese Fehler erzeugen
würde, wenn ein sphärisches Fenster ohne Korrekturvorrichtung
und ohne Anordnung der Eingangspupille in einer bezüglich des
zur Visierachse parallelen Durchmessers des Fensters
zentrierten Lage verwendet würde.
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Figur 3 zeigt das Funktionsprinzip der
erfindungsgemäßen Korrekturvorrichtung.
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Figur 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der
erfindungsgemäßen Vorrichtung und erläutert deren Betrieb.
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Figur 5 zeigt schematisch das Ausführungsbeispiel aus
Figur 4 und das Optroniksystem, dem es zugeordnet ist.
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Gemäß Figur 1 umschließt ein sphärisches Fenster 1 die
Visiervorrichtung eines Optroniksystems, das durch seine
Eingangspupille 3 angedeutet ist. Dieses Fenster 1 steht
bezüglich der Wand 2 des Trägerfahrzeugs so vor, daß das
Symmetriezentrum O des Fensters 1 eine bestimmten Abstand von der Wand
2 außerhalb des Fahrzeugs hat.
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Die Eingangspupille 3 ist auf den zur Visierachse LV
parallelen Durchmesser des Fensters zentriert. Wird die
Ausrichtung der Visierachse LV verändert, dann wird die Pupille 3
so verschoben, daß das Zentrum der Pupille auf dem zur
Visierachse LV parallelen Durchmesser des Fensters bleibt. Die Lage
des Symmetriezentrums O ist hinreichend weit außerhalb, um
eine Verschiebung der Visierachse bis in eine Grenzposition zu
erlauben, in der die Visierachse parallel zur Wand 2 verläuft,
ohne daß der Lichtstrahl 4, der in die Pupille 3 eintritt,
durch die Wand 2 verdeckt wird. Die Ausrichtung der
Visierachse LV, die mit der Lage der Eingangspupille 3 verknüpft
ist, wird durch eine Visiervorrichtung eingestellt, die
beispielsweise einen in der Figur nicht gezeigten beweglichen
Spiegel enthält.
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Da die Visierachse LV durch das Symmetriezentrum O des
Fensters 1 verläuft, wird sie nicht abgelenkt, und jeder
Strahl des Lichts 4 durchquert das Fenster 1, ohne die
Symmetrie des Strahls um die Visierachse LV herum zu verändern.
Das Fenster 1 bildet zwei auf das Symmetriezentrum O
zentrierte Diopter. Die Brechung an diesen Dioptern führt zu einer
Divergenz der Strahlen, die aber leicht kompensiert werden
kann, indem die Scharfstellung des Optroniksystems verändert
wird.
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Figur 2 zeigt das Phänomen, das die Auflösung der von
dem Optroniksystem beobachteten Bilder verschlechtern würde,
wenn das Fenster 1 weniger weit bezüglich der Wand 2 vorstehen
würde, indem die Visierachse LV des Optroniksystems nicht mehr
durch das Zentrum O des Fensters 1 verläuft. In diesem Fall
wird die Visierachse LV beim Durchgang durch das Fenster 1 in
Richtung auf eine Achse LV' versetzt.
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In dem dargestellten Beispiel besteht das von der
Eingangspupille 3 empfangene Licht aus parallelen
Lichtstrahlen 5 und 6, die ein Strahlenbündel um die Visierachse LV
außerhalb des Fensters 1 herum bilden. Diese Lichtstrahlen
werden ungleichmäßig durch das Fenster 1 abgelenkt und bilden
dann Strahlen 5' und 6', die nicht mehr parallel zur
versetzten Visierachse LV' und nicht mehr parallel zueinander
verlaufen.
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Da das Strahlenbündel vor dem Durchgang durch das
Fenster 1 aus parallelen Strahlen besteht, bildet es eine
ebene Welle 7. Nach dem Durchgang durch das Fenster 1 besteht
das Bündel aus einer Welle 8 mit einer gekrümmten Form, die
stark einem bezüglich der von dem Fenster abgelenkten
Visierachse LV' unsymmetrischen Kugelabschnitt gleicht. Diese
Verformung der Wellenoberfläche beruht auf der Tatsache, daß die
Länge der optische Pfade durch das Fenster hindurch nicht
gleich sind. Der Strahl 5 hat einen großen Einfallswinkel
bezüglich der Senkrechten auf der Oberfläche des Fensters 1
und besitzt damit einen längeren Pfad innerhalb des Materials
des Fensters 1 als der Strahl 6, der einen kleinen
Einfallswinkel besitzt.
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Ganz allgemein ist ein Bündel von vor dem Durchgang
durch das Fenster zur Visierachse LV parallelen Strahlen nach
Durchgang das Fenster nicht mehr ein Bündel paralleler
Strahlen bezüglich der Visierachse LV'. Dementsprechend ist eine
zur Visierachse LV senkrechte und ebene Wellenoberfläche keine
ebene Wellenoberfläche mehr senkrecht zur Visierachse LV' nach
Durchgang durch das Fenster. Die erfindungsgemäße Vorrichtung
hat die Aufgabe, die Wellenoberfläche wieder eben zu machen,
indem der von den in die Eingangspupille eintretenden
Lichtstrahlen durchlaufene optische Pfad ungleichmäßig verlängert
wird, um den von dem Fenster 1 hervorgerufenen Unterschied in
der Länge der optischen Pfade zu kompensieren. Die Vorrichtung
verlängert den optischen Pfad der Strahlen, die durch das
Fenster 1 hindurch den kürzeren optischen Pfad besitzen.
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Sind die Strahlen 5 und 6 parallel zur Visierachse LV,
dann muß die Korrektur wieder zur Visierachse LV' parallele
Strahlen 5' und 6' ergeben. Die wiederhergestellte Wellenfront
muß eine ebene, zur Achse LV' senkrechte Form haben.
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Figur 3 zeigt schematisch das Grundprinzip der
Erfindung, wobei die Korrekturvorrichtung gemäß der Erfindung durch
eine dünne Sammellinse dargestellt ist. Ihr Brennabstand und
ihre Lage werden so gewählt, daß sie mit dem Fenster in erster
Näherung ein afokales System bildet.
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Da das Fenster 1 aus zwei konzentrischen Dioptern
besteht, kann es als eine Streulinse LD mit einem Brennpunkt F
und einer durch das Zentrum O parallel zur Visierachse LV
verlaufenden optischen Achse AS betrachtet werden. Nun wird
ein Bündel von zur Visierachse LV parallelen Strahlen
betrachtet, das an der Streulinse LD ankommt. Die Visierachse LV
trifft auf einen Punkt D der Linse LD, der nicht in der
optischen Achse AS liegt. Zwei zu LV parallele Strahlen 10 und 11
werden abgelenkt und ergeben Strahlen 10' und 11', deren
Verlängerungen durch den Brennpunkt F der Linse LD verlaufen. Die
Strahlen 10' und 11' verlaufen nicht parallel zu der durch die
Linse LD abgelenkten Visierachse LV' und auch nicht parallel
zueinander.
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Die parallele Lage der Strahlen des Bündels kann mit
Hilfe einer dünnen Sammellinse LC wiederhergestellt werden,
deren Brennpunkt mit dem Brennpunkt F der Linse LD
zusammenfällt und die dieselbe optische Achse AS wie diese besitzt.
Die Strahlen 10' und 11' werden durch LC abgelenkt und ergeben
Strahlen 10" und 11", die zueinander parallel und auch zu der
Visierachse LVC parallel verlaufen, die nach Ablenkung in den
beiden Linsen entsteht. Die Visierachse LVC verläuft parallel
zur Visierachse LV.
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Die Linsen LD und LC bilden ein afokales System, das
außerhalb der optischen Achse verwendet wird. Dieses afokale
System kann einen Vergrößerungsfaktor von 1 oder ungleich 1
besitzen. In beiden Fällen ergibt sich aus einer zur
Visierachse LV ebenen Welle wieder eine zur Visierachse LVC
senkrechte ebene Welle. Ist das Vergrößerungsverhältnis größer als
1, dann ergibt eine ebene Welle, die senkrecht zu einer einen
Winkel α mit der Achse LV einschließenden Achse auf das
Fenster auftrifft, am Ausgang der Korrekturvorrichtung eine ebene
Welle, die senkrecht zu einer Achse verläuft, die einen Winkel
α multipliziert mit dem Vergrößerungsfaktor mit der Achse LVC
einschließt.
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Figur 3 zeigt, daß die Korrekturvorrichtung aus einer
Sammellinse besteht, von der ein Teil nicht verwendet wird.
Dieser Teil, der mit unterbrochenen Linien dargestellt ist,
kann abgeschnitten werden, um den Raumaufwand der Vorrichtung
zu verringern.
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Im Rahmen von Ausführungsbeispielen können je nach dem
Winkelbereich des Optroniksystems und der gewünschten
Präzision der Korrektur vorgesehen sein: ein sphärischer Diopter
und ein asphärischer Diopter oder zwei asphärische Diopter.
Mit ihnen ergibt sich eine genauere Korrektur, insbesondere
für ein weites Sichtfeld.
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Figur 4 zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel mit
einem sphärischen Diopter und einem asphärischen Diopter. Die
äußere Oberfläche des Fensters 1 hat einen Krümmungsradius R1
von 129 mm, während die innere Oberfläche einen
Krümmungsradius R2 von 121 mm besitzt. Die Korrekturvorrichtung besteht aus
einem Stück 20 aus transparentem Material, das dem Material
des Fensters 1 gleicht und einen Brechungsindex von 2,25
besitzt. Die Korrekturvorrichtung besitzt einen ersten
sphärischen Diopter 18, der auf das Symmetriezentrum O des Fensters
1 zentriert ist und einen Krümmungsradius R3 von 117 mm
besitzt, sowie einen zweiten, asphärischen Diopter 19, der durch
eine Bezugskugel mit einem Radius von 115,348 mm und eine
Überdicke E definiert ist, die abhängig von einem Parameter U
= Y² + Z² durch die in Millimetern ausgedrückte nachfolgende
Formel definiert wird:
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E=4,238.10&supmin;²-8,595.10&supmin;&sup7;.U-9,744.10&supmin;&sup9;.U²
+-2,631.10&supmin;¹².U³-3,101.10&supmin;¹&sup6;.U&sup4;+1,589.10&supmin;²&sup0;.U&sup5;.
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Ein Koordinatensystem OX, OY, OZ ist im
Symmetriezentrum O definiert, wobei die Achse OX parallel zur Visierachse
LV verläuft. Die Bezugskugel ist auf einen Punkt O' mit den
Koordinaten x = 6,343 mm, Y = Z = 0 zentriert. Das
Bezugssystem dreht um den Punkt O zusammen mit der
Korrekturvorrichtung 20, wenn die Visierachse LV verschoben wird. Die beiden
Diopter der Korrekturvorrichtung sind Oberflächenbereiche mit
einer Rotationssymmetrieachse AS, die mit OX zusammenfällt.
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Die Visierachse LV ergibt eine korrigierte Visierachse
LVC, die parallel zur Visierachse LV verläuft. Ein Bündel von
parallel zur Visierachse LV ankommenden Strahlen 16, 17 ergibt
ein Bündel von Strahlen 16' und 17', die parallel zur
korrigierten Visierachse LV verlaufen. Die Korrektur ist
ausreichend genau für ein Strahlenbündel, das ein Feld von einigen
Winkelgraden überdeckt, d.h. daß parallele Strahlenbündel, die
um einige Grad bezüglich der Achse LV geneigt auf das Fenster
auftreffen, als parallele Strahlen aus der
Korrekturvorrichtung austreten.
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Die obige Gleichung definiert die asphärische
Oberfläche der Korrekturvorrichtung 20. Diese Gleichung wird nach
der Berechnung der Koordinaten X, Y, Z einer großen Zahl von
Punkten dieser Oberfläche bestimmt. Die Koordinaten jedes
Punkts werden so berechnet, daß ein Lichtstrahl, der durch
diesen Punkt verläuft, einen optischen Pfad der gleichen Länge
wie der optische Pfad eines Bezugslichtstrahls besitzt, wobei
diese beiden Lichtstrahlen als parallel zu einer gegebenen
Visierachse LV auf dem Fenster 1 auftreffend angenommen
werden.
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Dieses Ausführungsbeispiel erlaubt es, ein Bild eines
ausgedehnten, im Unendlichen in Richtung der Achse OX
liegenden Gegenstands zu erzeugen, der einen Winkelbereich von 3º
ergibt, und zwar durch eine Eingangspupille 3, die einen
Durchmesser von 40 mm besitzt und auf einen Punkt mit den
Koordinaten X = 40 mm; Y = 0; Z = 78 mm zentriert ist.
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Die Korrekturvorrichtung 20 könnte
rotationssymmetrisch zur Achse OX sein. In Wirklichkeit ist aber nur der
Bereich der Vorrichtung von Nutzen, der vor der
Eingangspupille 3 liegt und von den durch die Pupille verlaufenden Strahlen
durchquert wird. Ein Verfahren zur Herstellung kann darin
bestehen, eine Linse herzustellen, die zwei Diopter mit einer
Drehsymmetrie besitzt, und dann einen Teil dieser Linse
abzuschneiden, um nur den Nutzbereich beizubehalten. Ein anderes
Verfahren besteht darin, ein Prisma herzustellen und dann eine
sphärische und eine asphärische Seite auf diesem Prisma
auszubilden. Diese beiden Herstellungsverfahren sind dem Fachmann
vertraut.
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Figur 5 zeigt schematisch im Schnitt die Zuordnung
dieses zweiten Ausführungsbeispiels zu einem Visierkopf, der
eine Visiervorrichtung mit einer Sammellinse 21, eine
Streulinse 22 und einen Umlenkspiegel 24 enthält. Ein Gestell 23
trägt sowohl die Korrekturvorrichtung 18 bis 20 als auch die
Linsen 21 und 22 sowie den Spiegel 24. Dieses Gestell ist
außerdem zum Teil mit einem System von Umlenkspiegeln 26
verbunden, durch das die Strahlen zum Bildaufnehmer 25 unabhängig
von der Visierachse geführt werden. Das Gestell 23 ist um zwei
zueinander senkrechte Achsen drehbar, die sich im
Symmetriezentrum 0 des Fensters 1 schneiden. Es wird von zwei üblichen,
nicht dargestellten Servomechanismen bewegt. Die Figur zeigt
den Pfad der Lichtstrahlen, die ein Bild eines ausgedehnten
und im Unendlichen liegenden Gegenstands auf einem
Bildaufnehmer 25 erzeugen, der ortsfest ist. Auf diese Weise folgt
die Korrekturvorrichtung 18 bis 20 den Verschiebungen der
Visierachse LV.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann einer beliebigen
Zielvorrichtung für eine Visierachse mit einer um das
Symmetriezentrum des sphärischen Fensters beweglichen
Eingangspupille
zugeordnet werden.
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Die Korrekturvorrichtung und das Fenster können aus
demselben Material bestehen, wenn die Abweichung des
Brechungsindex im Wellenlängenbereich des Optroniksystems
ausreichend gering ist. Ansonsten kann das Korrektursystem aus
einem Block 20 eines anderen Materials als das des Fensters 1
bestehen, derart, daß seine chromatische Dispersion nach der
bekannten Paartechnik diejenige des Fensters kompensiert.
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In anderen Ausführungsbeispielen kann die
Korrekturvorrichtung aus zwei Blöcken unterschiedlichen transparenten
Materials bestehen, derart, daß die chromatische Dispersion
des Fensters und der Korrekturvorrichtung im ganzen
Wellenlängenbereich des Optroniksystems minimiert wird.