DE2753781C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Gerät mit einer Meßeinrichtung zum Erfassen der Lageabweichung einer Strahlungsquelle von einem angewählten Zielpunkt, mit einer gemeinsam fokussierenden Objektivoptik für die Strahlung der Strahlungsquelle und das vom Zielpunkt kommende sichtbare Licht, einem in einer Bildebene der Objektivoptik angeordneten Strichträger zur Fest­ legung der Visierlinie, und einem Strahlteiler zum Leiten des sichtbaren Lichtes in eine Okularoptik und der Strahlung zu einem Detektor.

Ein derartiges optisches Gerät ist insbesondere für Waffensysteme zum Führen eines sich bewegenden Objektes, z. B. eines Geschosses, zu einem Ziel geeignet. Dabei wird das optische Gerät auf einem Punkt auf dem Ziel gerich­ tet, und die Bedienungsperson richtet die Visierlinie permanent auf das Ziel. Wenn nun das sich bewegende Objekt mit Mitteln zum Abgeben von Strahlung versehen ist, kann die Abweichung der Strahlungsmittel von der Visierlinie mittels der Meßeinrichtung bestimmt werden, die auf die emittierte Strahlung anspricht. Die Strahlung kann durch eine Strahlungsquelle erzeugt werden, die innerhalb des Gehäuses des sich bewegenden Objektes an­ gebracht ist, oder sie kann durch die Antriebseinrichtung des sich bewegenden Objektes erzeugt werden, die dann als infrarote Strahlung vorliegt. Die Strahlung kann je­ doch auch von Reflektoren ausgehen, die auf dem sich bewegenden Objekt angeordnet sind. In diesem Fall wird die Strahlung durch eine Strahlungsquelle erzeugt, die z. B. am Ort des optischen Gerätes angeordnet ist. Die Strahlung wird dann zum sich bewegenden Objekt übertra­ gen und dann über Reflektoren zum optischen Gerät zurück­ geführt.

Ein optisches Gerät der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 39 89 947 bekannt. Bei dieser bekannten Vor­ richtung wird die eintreffende Strahlung durch eine ge­ meinsame Objektivoptik fokussiert und einem dichroitischen Spiegel zugeführt, der für sichtbares Licht transparent ist und Infrarotstrahlung reflektiert. Das sichtbare Licht gelangt dann über einen weiteren Spiegel und eine Visierhilfe, d. h. einem Fadenkreuz, zur Okularoptik. Die Infrarotstrahlung wird zusätzlich durch den dichroiti­ schen Spiegel, der zur optischen Achse geneigt und dreh­ bar angeordnet ist, moduliert und einem Detektor zugeführt.

Einerseits bringt dieses System zwar den Vorteil, daß das einfallende Licht durch eine gemeinsame Optik fokussiert wird, andererseits sind aber die Meßeinrich­ tungen, d. h. das Fadenkreuz und der geneigte rotierende Spiegel in Verbindung mit dem Detektor, voneinander ge­ trennt angeordnet, so daß die relativen Stellungen der Einrichtungen durch mechanische Verformungen, Temperatur­ wechsel, Erschütterung und dgl. beeinflußt wird. Um eine ausreichende Meßgenauigkeit zu erhalten, ist es deshalb erforderlich, Einrichtungen zum Kontrollieren und Ein­ justieren der Visierlinie und der optischen Achse des Meßsystems vorzusehen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungs­ gemäßes optisches System zu schaffen, das bezüglich der Meßgenauigkeit weitgehend unempfindlich gegen äußere Ein­ flüsse wie mechanische Verformungen, Temperaturwechsel, Erschütterungen oder dgl. ist und bei dem auf aufwendige Einstellarbeiten verzichtet werden kann.

Die Lösung der Aufgabe erfolgt durch die im Patentan­ spruch 1 angegebenen Merkmale. Die Unteransprüche be­ treffen vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung.

Bei dem erfindungsgemäßen optischen Gerät werden die Bildebenen für das sichtbare Licht und die Infrarot­ strahlung voneinander getrennt, so daß die Visierhilfe und die Meßmaske für die infrarote Strahlung sich nicht gegenseitig beeinflussen, ohne daß zwischen den beiden Einrichtungen zusätzliche Strahlteiler oder dgl. ange­ ordnet werden müssen, die zusätzliche Fehlerquellen mit sich bringen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist die Visierhilfe zusammen mit einer dichroitischen Meß­ maske auf einer gemeinsamen Glasplatte angeordnet, so daß keine Relativverschiebungen auftreten. Durch die drehbare Meßmaske wird die vom Objekt ausgehende Strah­ lung durch ein dichroisches Muster moduliert und dann zur weiteren Verarbeitung einem Photodetektor zugeführt. Die Meßgenauigkeit kann dadurch verbessert werden, daß die Kanten des dichroischen Musters mit einer schmalen Schicht zum Verbessern der Schärfe der Kanten versehen sind.

Ausführungsformen der Erfindung werden im folgenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigt

Fig. 1 in schematischer Darstellung ein erfindungsgemäßes optisches Gerät;

Fig. 2 eine alternative Ausführungsform des Geräts gemäß Fig. 1;

Fig. 3 Mittel, durch die das Ausrichten des Geräts er­ leichtert wird;

Fig. 4 die Meßeinrichtung;

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung mit einem Photodetektor, dessen empfindliche Oberfläche in zwei getrennte Gebiete aufgeteilt ist;

Fig. 6 eine vergrößerte Ansicht der Meßeinrichtung;

Fig. 7 eine vergrößerte Schnittansicht des Gebietes zwi­ schen den durchlässigen und nichtdurchlässigen Bereichen der Meßeinrichtung; und

Fig. 8 eine alternative und verbesserte Ausführungsform in einer Ansicht gemäß Fig. 7.

In Fig. 1 ist schematisch das erfindungsgemäße optische Gerät dargestellt. Wie bereits erwähnt wurde, ist das opti­ sche Gerät besonders dafür geeignet, in einem optischen Visier eingebaut zu werden. Aus diesem Grund wird es im fol­ genden in Verbindung mit einem optischen Visier beschrieben werden, das die zwei hauptsächlichen Funktionen hat, daß das Ziel angeschaut und die Visierlinie auf dem Ziel gehalten werden kann und daß die Bahn eines Geschosses mit der Visier­ linie verglichen und die Abweichung zwischen dem Geschoß und der Visierlinie bestimmt werden kann. Die Art des Meßvor­ ganges und die Art, wie die Abweichung, die durch den Meßvor­ gang bestimmt ist, in ein elektrisches Signal umgewandelt wird und wie dieses Signal verarbeitet und ausgewertet wird, bildet keinen Teil der Erfindung und wird daher hier nicht ausführlicher beschrieben.

Das optische System umfaßt im wesentlichen eine einzelne optische Eingangsöffnung mit einer Objektivlinse 1, eine Glas­ platte 2 und ein Prisma 3, um das sichtbare Licht vom Ziel und von seinem Hintergrund und die durch die Strahlungsquelle des Geschosses emittierte Strahlung zu trennen. Die Strahlungs­ quelle kann z. B. aus einer Laserquelle bestehen, vorzugsweise einer Laserdiode, die am Geschoß auf solche Weise angebracht ist, daß das Laserlicht zum Visier hin ausgesandt wird. Die Objktivlinse 1 sammelt sowohl sichtbares Licht als auch La­ serlicht und ist so ausgebildet, daß die Brennweite für sicht­ bares Licht und Laserlicht verschieden ist. Hieraus folgt, daß ein Bild des Ziels und seines Hintergrunds in die Bildebene F ₁ für sichtbares Licht projiziert wird, während ein Bild der Strahlungsquelle in eine andere Bildebene F ₂ für Laserlicht projiziert wird. In Fig. 1 ist der Strahlengang des sichtba­ ren Lichtes durch gestrichelte Linien angedeutet, während das Laserlicht durch ausgezogene Linien angedeutet ist. Die Strah­ lengänge werden im Prisma 3 in an sich bekannter Weise ge­ teilt, so daß sichtbares Licht durch das Prisma hindurch und aus diesem heraus durch ein Okular 4 in die Augen einer Be­ dienungsperson fällt, während das Laserlicht durch das Prisma 3 reflektiert und aus diesem heraus durch ein Linsensystem 6 zu einem Detektor 7 gelangt.

Damit der Verfolgungsvorgang erleichtert wird, ist das optische Gerät mit einem Bezugssymbol für das Sichtvisier versehen, das aus dünnen Linien auf einer Glasoberfläche be­ steht, die in der Bildebene F ₁ angeordnet ist, so daß die Be­ dienungsperson das Ziel und seinen Hintergrund zusammen mit dem Bezugssymbol des Sichtvisiers im Okular 4 sehen kann. Das Symbol kann aus einem Kreis 8 oder Bogen 9 oder mehreren konzentrischen Kreisen oder Bögen bestehen (siehe Fig. 3), die als gemeinsamen Mittelpunkt die Visierlinie 10 haben.

Die letztgenannte Ausführungsform wird gegenüber konven­ tionellen gekreuzten Haaren vorgezogen, wenn die Meßeinrich­ tung, wie weiter unten beschrieben, um die Visierlinie als Drehachse rotiert. Die Linien des Bezugssymbols des Sicht­ visiers müssen so dünn sein, daß sie nicht die Arbeitsweise der Meßeinrichtung dadurch behindern, daß die Lichtstrahlen unterbrochen werden.

Um die Abweichung des Geschosses von der Visierlinie zu bestimmen, ist das optische Gerät mit einer Meßeinrichtung versehen, die die Form einer Meßmaske 11 (siehe Fig. 4) hat und in der Bildebene F ₂ angeordnet ist. Die Meßmaske kann aus einer Glasplatte mit einem darauf angeordneten dichroischen geometrischen Muster bestehen, das für sichtbares Licht durch­ lässig, aber für das von der Strahlungsquelle emittierte Laser­ licht undurchlässig ist. Da dieses Muster für sichtbares Licht durchlässig ist, stört es das optische Bild und das Bezugs­ symbol des Sichtvisiers sogar dann nicht, wenn die Maske be­ wegt wird.

Die Entfernung zwischen den beiden Bildebenen F ₁ und F ₂ ist so groß, daß die Abdeckungseffekte, die durch die Linien des Bezugssymbols des Sichtvisiers verursacht werden, klein sind, während gleichzeitig die Meßmaske und das Bezugssymbol des Sichtvisiers auf demselben optischen Element angeordnet sind, z. B. auf jeder Seite der Glasplatte 2, deren Seitenflächen mit den Ebenen F ₁ und F ₂ zusammenfallen. Da die Glasplatte gemein­ sames Element für die Funktionen sowohl des Zieles als auch des Ortsmessens ist, führt jede Änderung im optischen System zu den gleichen Änderungen in beiden Einrichtungen, während die relative Einstellung dieser beiden Einrichtungen unver­ ändert bleibt. Irgendwelche Mittel zum Kontrollieren und Ein­ stellen der Visierlinie und der Achsen der Meßeinrichtung sind nicht notwendig.

Anstelle von einer gemeinsamen Glasplatte können zwei Glas­ platten 13, 14 benutzt werden (siehe Fig. 2). In diesem Falle fällt die Bildebene F ₁′ für das sichtbare Licht vorzugsweise mit der Oberfläche der Glasplatte 13 zusammen, die zur Be­ dienungsperson hingerichtet ist. Die Bildebene F ₂′ für das Laserlicht sollte analog mit der Oberfläche der Glasplatte 14 zusammenfallen, die zum Detektor 7 gerichtet ist. Auch andere Ausführungsformen mit zwei Glasplatten sind möglich; die ein­ zige Bedingung, die beachtet werden muß, ist jedoch die, daß die Glasoberflächen, auf denen das Bezugssymbol für das Sichtvisier und die Meßmaske angebracht sind, mit der entspre­ chenden Bildebene zusammenfallen und daß beide Glasplatten so verbunden sind, daß sie relativ zueinander nicht bewegt werden können. Für das Arbeiten des Visiers ist es notwendig, daß die Glasplatte 14 rotiert. Die Glasplatte 13 kann mit der Glasplatte 14 starr verbunden sein und mit derselben Drehge­ schwindigkeit rotieren. Sie kann jedoch auch feststehen; in diesem Falle kann das Bezugssymbol aus gekreuzten Haaren be­ stehen.

Fig. 3 zeigt eine Ansicht der Glasoberfläche, die in der Bildebene F ₁ angeordnet ist, mit dem Bezugssymbol des Sicht­ visiers, das konzentrische Kreise 8 und Bögen 9 um einen Mit­ telpunkt umfaßt, der auf der Visierlinie 10 liegt. Der Mittel­ punkt ist vorzugsweise durch einen kleinen Punkt 15 angedeu­ tet. Der unscharfe Fleck 16 hängt mit dem Bild der Strahlungs­ quelle zusammen, das in der Bildebene F ₁ unscharf ist, aber in der Bildebene F ₂ scharfe Begrenzungen aufweist. In diesem Falle ist angenommen, daß die Wellenlänge der durch die Strah­ lungsquelle emittierten Strahlung im sichtbaren Bereich des Spektrums liegt. Es kann jedoch auch vorteilhaft sein, die Wellenlänge der ausgesandten Strahlung außerhalb des sichtba­ ren Bereichs des Spektrums zu wählen, wobei dann kein un­ scharfes Bild in der Bildebene F ₁ erscheint.

Fig. 4 zeigt eine Ansicht der Glasoberfläche, die in der Bildebene F ₂ angeordnet ist, mit der Meßmaske 11, die aus einer Glasplatte besteht, die ein dichroisches geometrisches Muster trägt. Die gesamte Oberfläche der Glasplatte ist für sichtbares Licht durchlässig. Das darauf angeordnete Muster ist jedoch für Strahlung, die durch die Strahlungsquelle emittiert wird, undurchlässig. Die Grenzlinie 17 des undurch­ lässigen Musters kann eine solche Form aufweisen, daß Infor­ mation bezüglich der Stellung der Strahlungsquelle aus der Beziehung zwischen den auftretenden Fluktuationen der Strah­ lungsintensität und der Winkelstellung der Maske gewonnen werden kann. Dies ist in der gleichzeitig eingereichten Pa­ tentanmeldung P 27 53 782.8, die der schwedischen Patentanmeldung 76 13 514-4 entspricht, deutlicher beschrieben.

Um ein niedriges Rauschniveau und eine entsprechend hohe Empfindlichkeit des Detektors 7′ zu erhalten, ist der Detek­ tor in einer Bildebene F ₃ (siehe Fig. 5) auf solche Weise an­ geordnet, daß die Bildebene F ₂ mit der Ortsmeßeinrichtung mit der größtmöglichen Größenverkleinerung auf die Detektorober­ fläche abgebildet wird. Die gesamte Strahlung, die durch die Meßmaske hindurchgeht, wird in diesem Falle den Detektor 7′ erreichen. Die empfindliche Oberfläche des Detektors ist in zwei oder mehr getrennte Gebiete aufgeteilt, wobei jedes die­ ser getrennten Gebiete einem gewissen Bereich von Winkeln ent­ spricht, in dem der Ort der Strahlungsquelle bestimmt werden kann. Vorzugsweise besteht die Oberfläche des Detektors aus einer innigen mittigen Oberfläche und einer äußeren ring­ förmigen Oberfläche, da ein derartiger Detektor insbesondere für eine Messung in verschiedenen Entfernungsmeßbereichen ge­ eignet ist.

Es ist wichtig, um eine genaue Messung des Ortes des Ge­ schosses zu erhalten, daß die Grenzlinie 17, d. h. der Über­ gang zwischen dem durchlässigen Teil 12 und dem opaken Teil 18 der Maske klar begrenzt ist. In der Praxis ist dies jedoch schwierig zu erreichen, da das dichroische Muster aus mehreren dünnen dielektrischen Schichten besteht, die aufeinander ange­ ordnet sind. Daraus ergibt sich eine Übergangszone zwischen den durchlässigen und opaken Gebieten der Maske, in der sich die Durchlässigkeit allmählich von einem hohen Wert zu einem niedrigen Wert ändert.

Aus Fig. 7, die eine vergrößerte Querschnittsansicht des Gebietes zwischen den transparenten und opaken Gebieten der Maske zeigt, ist ersichtlich, daß das dichroische Muster 12 aus einer Anzahl von Schichten 23 besteht, die normalerweise aus dielektrischem Material bestehen, die auf der Glasplatte angeordnet sind und zusammen eine die fragliche Strahlung un­ terbrechende Schicht bilden. Aufgrund der großen Zahl von Schichten, die im Muster enthalten sind, tritt eine Übergangs­ zone d auf. Wie bereits erwähnt wurde, ist eine solche Über­ gangszone dann nicht zufriedenstellend, wenn der Ort des Ob­ jektes genau bestimmt werden soll. Als Beispiel der Größe der Genauigkeit, die benötigt wird, kann erwähnt werden, daß für eine Änderung der durchgelassenen Strahlungsintensität von 90% eine Ortsveränderung des Geschosses von maximal 0,05 mrad erlaubt ist.

Um die Schärfe der Kante des dichroischen Musters zu ver­ bessern und um damit diese Übergangszone zu verkleinern, ist die Kante des Musters, die an den durchlässigen Teil der Maske angrenzt, mit einer Schicht 24 versehen, die für die fragliche Strahlung undurchlässig ist (siehe Fig. 6). Diese Kanten­ schicht erstreckt sich entlang der Grenzlinie des Musters und ist so eng, daß, wenn die Maske rotiert, die Einrichtung wei­ terhin durchsichtig ist. Die Kantenschicht besteht vorzugswei­ se aus einem Metall, das sehr genau ausgeformt werden kann, z. B. Aluminium. Aus Fig. 8 ist ersichtlich, daß die Metall­ schicht oben auf den dielektrischen Schichten angeordnet ist. Es ist jedoch auch möglich, die Kantenschicht unter den di­ elektrischen Schichten entlang ihren Grenzlinien anzuordnen.

Claims (10)

1. Optisches Gerät mit einer Meßeinrichtung zum Er­ fassen der Lageabweichung einer Strahlungsquelle von einem angewählten Zielpunkt, mit einer gemeinsam fokussieren­ den Objektivoptik für die Strahlung der Strahlungsquelle und das vom Zielpunkt kommende sichtbare Licht, einem in einer Bildebene der Objektivoptik angeordneten Strich­ träger zur Festlegung der Visierlinie, und einem Strahl­ teiler zum Leiten des sichtbaren Lichtes in eine Okular­ optik und der Strahlung zu einem Detektor, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Objektivoptik (1) unterschied­ liche Fokussierungsweiten für das sichtbare Licht und die Strahlung der Strahlungsquelle aufweist und die Strahlung in einer von der Bildebene (F ₁, F ₁′) sichtbaren Lichtes unterschied­ lichen Bildebene (F ₂, F ₂′) fokussiert und daß in der Bildebene der Strahlung eine einen Teil der Meßeinrichtung für die Lage­ abweichung der Strahlungsquelle bildende Maske (11) angeordnet ist.

2. Optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Entfernung zwischen der ersten (F ₁, F ₁′) und der zweiten (F ₂, F ₂′) Bildebene so groß ist, daß der Einfluß der Maske (11) auf das Sichtvisier klein ist.

3. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Strichmarken­ träger eine Glasplatte (2) ist, die das Bezugssymbol (8, 9, 15) des Sichtvisiers und die Maske auf je einer der beiden gegen­ überliegenden Seitenflächen trägt, die in den beiden Bild­ ebenen (F ₁ bzw. F ₂) angeordnet sind.

4. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Strichmarken­ träger (2) zwei parallele Glasplatten (13, 14) einschließt, von denen eine Glasplatte (13) eine Seitenfläche hat, die in der ersten Bildebene (F ₁′) angeordnet ist, in der sich das Bezugssymbol (8, 9, 15) des Sichtvisiers befindet, und von denen die andere Glasplatte (14) eine Seitenfläche hat, die in der anderen Bildebene (F ₂′) angeordnet ist, in der sich die Maske (11) befindet.

5. Optisches Gerät nach Anspruch 4, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Bezugssymbol (8, 9, 15) des Sicht­ visiers und die Maske (11) auf zwei Seitenflächen angeordnet sind, die aufeinander zu gerichtet sind.

6. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 5, ge­ kennzeichnet durch einen Fotodetektor (7′), der in oder nahe bei einer Bildebene (F ₃) des optischen Gerätes angeordnet und mit einer Oberfläche versehen ist, die empfindlich auf die von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung ist.

7. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßeinrich­ tung aus einer sich drehenden Meßmaske (11) besteht, die eine Oberfläche aufweist, auf der ein dichroisches Muster angebracht und so angeordnet ist, daß die gesamte Ober­ fläche der Maske für sichtbares Licht durchlässig und teil­ weise undurchlässig für die Strahlung ist, die durch die Strahlungsquelle emittiert wird.

8. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das dichroische Muster (12) an seiner Grenzlinie (17), die an den Teil der Maskenoberfläche angrenzt, der für von der Strahlungsquelle emittierte Strahlung durchlässig ist, mit einer schmalen Schicht (18) zum Verbessern der Schärfe der Kante der dichroischen Schicht (12) versehen ist.

9. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Bezugssymbol für das Sichtvisier aus einem Kreis oder mehreren Kreisen (8) oder Bögen (9) besteht, die die Rotationsachse der Meßmaske (11) als Mittelpunkt haben.

10. Optisches Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 9, da­ durch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle Laserlicht emittiert.