NL1005604C2

NL1005604C2 - Optisch stelsel.

Info

Publication number: NL1005604C2
Application number: NL1005604A
Authority: NL
Inventors: Herbert Morrison Runciman
Original assignee: Barr & Stroud Ltd
Priority date: 1996-03-22
Filing date: 1997-03-21
Publication date: 1999-01-19
Also published as: NL1005604A1; US5719671A; FR2746514B1; CA2198166A1; GB9606091D0; GB2311382A; GB2311382B; CA2198166C; GB9703051D0; FR2746514A1

Description

Titel: Optisch stelsel.

De uitvinding heeft betrekking op optische stelsels en in het bijzonder op optische stelsels die een lichtbundel richten of laten wijzen naar een objectruimte, objecten in de objectruimte afbeelden op een detectie-5 oppervlak, en die zijn voorzien van een diameter- waarnemingsinrichting, dat wil zeggen een inrichting die voorziet in een merkteken op het detectie-oppervlak, dat de aanwijsrichting van het stelsel aangeeft.

Een gewoonlijk gebruikte diameterwaarnemings-10 inrichting maakt gebruik van een hoekkubus om een deel van de uitgaande bundel terug te kaatsen door de afbeeldings-lens van het stelsel in een richting die nauwkeurig tegengesteld is aan de uitgaande bundel en op deze wijze een puntvormige referentievlek op het detectie-oppervlak 15 vormt. Wanneer de vlek wordt gecentreerd op het objectbeeld dat wordt gevormd op het detectie-oppervlak, wordt de uitgaande bundel nauwkeurig gecentreerd of de middellijn daarvan wordt waargenomen op het object. Deze techniek werkt bevredigend in veel gevallen maar indien het 20 objectbeeld klein is en een kleinere helderheid heeft dan de referentievlek of groot is en een veel hogere helderheid heeft dan de referentievlek, is het voor een menselijke waarnemer moeilijk om de middellijnwaarnemings-nauwkeurigheid vast te stellen. Indien de waarneming 25 elektro-optisch geschiedt, zoals bij een CCD-camera, is het zeer moeilijk om de middellijnwaarnemingsnauwkeurigheid beter vast te stellen dan de pixelgrootte van de sensor.

Het is een doel van de onderhavige uitvinding om te voorzien in een optisch stelsel dat is voorzien van nieuwe 30 en verbeterde middellijnwaarnemingsinrichting.

Volgens de onderhavige uitvinding is voorzien in een optisch stelsel met een lichtbron, organen voor het richten van een lichtbundel vanaf de lichtbron naar een objectruimte, een detectie-oppervlak, een afbeeldingslens voor 1005604 2 het afbeelden van objecten in de objectruimte op het detectie -oppervlak, en een middellijnwaarnemingsinrichting voor het verschaffen van een merkteken op het detectie-oppervlak, dat de aanwijsrichting aangeeft van het stelsel, 5 met het kenmerk, dat de middellijnwaarnemingsinrichting twee elkaar snijdende paren parallelle rechte lijnen vormt, die een merkteken bepalen met een doosvormig patroon, dat nauwkeurig is gecentreerd op de aanwijsrichting.

Door de onderhavige uitvinding verduistert het merk-10 teken dat wordt gevormd door de middellijnwaarnemings- inrichting niet dat gedeelte van het objectbeeld dat samenvalt met de aanwijsrichting zodat voor een menselijke waarnemer de middellijnwaarnemingsnauwkeurigheid betrekkelijk gemakkelijk kan worden vastgesteld ongeacht de relatieve 15 helderheid en grootte van het beeld en wanneer waarneming geschiedt door elektro-optische organen kan een middellijnwaarneming van minder dan één sensor-pixelgrootte worden bereikt wanneer het doosvormige patroon schuin afloopt ten opzichte van de oriëntatie van de pixelrij en kolom.

20 De lichtbron kan in elk deel van het spectrum wer ken, zoals het zichtbare of infraroodspectrum of kan bijvoorbeeld een laserbron of een wolfraamlamp zijn. Verder kunnen er verscheidene lichtbronnen zijn die elk werken bij verschillende golflengten en gelijktijdig of achtereen-25 volgens lichtbundels richten naar de objectruimte en de middellijnwaarnemingsinrichting vormt een corresponderend aantal doosvormige patroonmerktekens. De grootte van de doosvormige patroonmerktekens kan voor iedere golflengte verschillend zijn.

30 De middellijnwaarnemingsinrichting omvat bij voor keur twee optische sub-stelsels, waarvan elk delen van de uitgaande bundel terugreflecteert als twee bundels die gelijke en tegengestelde deviatiehoeken maken met de uitgaande bundel, waarbij elk sub-stelsel voorzien is van een ana-35 morfotische component om de twee terugkeerbundels twee op afstand geplaatste parallelle rechte lijnen te laten vormen 1005604 3 een anamorfotische component om de twee terugkeerbundels twee op afstand geplaatste parallelle rechte lijnen te laten vormen (in plaats van twee cirkelvormige vlekken) op het detectie-oppervlak. Er wordt de voorkeur aan gegeven 5 dat de twee sub-stelsels orthogonaal zijn opgesteld, zodat het doosvormige patroonmerkteken rechtlijnig is. Er wordt voorts de voorkeur aan gegeven dat elk sub-stelsel dezelfde deviatiehoek vormt zodat een vierkant doosvormig patroonmerkteken het gevolg is. De deviatiehoeik is op typerende 10 wijze minder dan 1’ en is bij voorkeur van de orde van 0,5’, hetgeen in combinatie met de brandpuntsafstand van de lens het doosvormige patroon nauw laat centreren op de aanwijsrichting. Hoe groter de deviatiehoek, des te groter is de grootte van het doosvormige patroon; hoe verder dit 15 weg is van de aanwijsrichting, des te groter is de moeilijkheid om het centrum ervan vast te stellen en derhalve de middellijnwaarnemingsnauwkeurigheid vast te stellen.

Uitvoeringsvormen van de onderhavige uitvinding 20 zullen nu worden beschreven bij wijze van voorbeeld onder verwijzing naar de begeleidende tekeningen, waarin: fig. 1 een optisch stelsel weergeeft volgens de onderhavige uitvinding met een middellijnwaarnemings-inrichting, gevormd door spiegels; 25 fig. 2 het detectie-oppervlak van een stelsel van fig. 1 toont; fig. 3 een modificatie toont van een stelsel van fig. 1 waarbij gebruik wordt gemaakt van vijfhoekige prisma's in plaats van spiegels; 30 fig. 4 schematisch een alternatieve uitvoering voor een stelsel van fig. 1 weergeeft; fig. 5 een stelsel weergeeft dat gebruik maakt van een gecollimeerde lichtbron; fig. 6 een stelsel weergeeft dat gebruik maakt van 35 twee lichtbronnen; en 1005604 4 fig. 7 het detectie-oppervlak van het stelsel van fig. 6 toont.

Zoals getoond is in fig. 1, omvat een optisch stelsel 10 een bundelsplitser 11 voor het richten van een 5 lichtbundel vanaf een puntlichtbron 12 naar een object- ruimte 13, en een afbeeldingslens 14 voor het afbeelden van objecten in de objectruimte 13 op een detectie-oppervlak 15 dat gevormd is in het brandvlak van de lens 14. Het stelsel 10 omvat ook een middellijnwaarnemingsinrichting voor het 10 verschaffen van een merkteken op het detectie-oppervlak 15, dat de aanwijsrichting van het stelsel 10 aangeeft. De aanwijsrichting valt samen met het centrum van de uitgaande lichtbundel uit de bron 12.

In het stelsel van fig. 1 wordt de middellijn-15 waarnemingsinrichting gevormd door een eerste optisch sub-stelsel 16 in het vlak van het papier en een tweede optisch sub-stelsel (gedeeltelijk getoond bij 161) onder een rechte hoek op het vlak van het papier. Het sub-stelsel 16 omvat een paar op afstand geplaatste spiegels 16A,16B en een 20 anamorfotische component in de vorm van een cilindrische lens 16C die is geplaatst in de objectruimte 13 aan de omtrek van de lens 14, waar licht uit de puntbron 12 wordt gecollimeerd. De as van de cilindrische lens 16C ligt in het vlak van het papier. Derhalve wordt een eerste 25 gecollimeerde bundel gereflecteerd door de spiegel 16A naar de spiegel 16B, waar deze wordt gereflecteerd door de lens 14 en wordt gefocusseerd als één enkele rechte lijn 17A op het detectie-oppervlak 15. Het detectie-oppervlak 15 is weergegeven in fig. 2. Bij afwezigheid van de cilindrische 30 lens 16C zou de lijn een cirkelvormige vlek zijn. Bovendien wordt een tweede gecollimeerde bundel gereflecteerd door de spiegel 16B naar de spiegel 16A en vandaaruit wordt deze gereflecteerd door de lens 14 en wordt gefocusseerd als een tweede enkele rechte lijn 17B op het detectie-oppervlak 15. 35 De spiegel 16A,16B zijn vlakke spiegels, die bijna maar niet exact onder rechte hoeken op elkaar staan en de 1005604 5

Het tweede sub-stelsel is identiek aan het stelsel 16 behalve dat dit fysisch onder rechte hoeken daarop staat en een cilindrische lens 16^3 omvat, die zijn as loodrecht heeft op het papier en derhalve resulteert in lijnen 5 19A,19B onder rechte hoeken op de lijnen 17A,17B zodat een merkteken in de vorm van een doosvormig patroon wordt gevormd op het detectie-oppervlak 15. De lijnparen 17,19 snijden elkaar en worden gecentreerd op de aanwijsrichting 18, die in deze uitvoeringsvorm wordt bepaald door de ori-10 entatie van de bundelsplitser 11. Indien deze niet 45' op de optische as van de lens 14 staat, is de aanwijsrichting niet in het centrum van het detectie-oppervlak 15.

De cilindrische lens 16C kan worden vervangen door een cilindrisch oppervlak op één van de spiegels en omdat 15 de bundels die beide lijnen 17A,17B vormen door beide spiegels 16A,16B gaan zal het duidelijk zijn dat slechts één anamorfotische component vereist is per sub-stelsel 16. De lengte van elke lijn 17A,17B wordt bepaald door de lens 16C en de dikte van de lijnen 17A,17B wordt door diffractie be-20 paald. De afstand tussen de lijnen 17A,17B wordt bepaald door 4.δ.F, waarbij δ de deviatiehoek is vanaf de onderlinge orthogonaliteit van de spiegels 16A,16B en F de brandpuntsafstand van de lens 14 is. Voor een maximaal rendement moet de straal van de lens 16C zodanig zijn dat de 25 hoekverstrooiing loodrecht op het vlak van het papier vergelijkbaar is met de hoekseparatie tussen de bundels.

Zoals getoond in fig. 2 zijn de lijnen 17,19 parallel aan de randen van het rechthoekige detectie-oppervlak 15. Dit vloeit voort uit de oriëntatie van de sub-stelsels 30 16. Door het roteren van beide sub-stelsels ten opzichte van de optische as van de lens 14 over bijvoorbeeld 30' loopt het doosvormige merktekenpatroon dat wordt verschaft door de lijnen 17,19 schuin af bij een hoek van 30' op de randen van het detectie-oppervlak. Dit is van bijzondere 35 waarde wanneer het detectie-oppervlak 15 een matrix van elektro-optische sensoren is parallel aan de rand van het 1005604 6 oppervlak 15 omdat de exacte lokatie van de aanwijsrichting 18 kan worden vastgesteld op sub-pixel-nauwkeurigheid door interpolatie die wordt uitgevoerd door de data-verwerkingseenheid (niet getekend) die is verbonden met het 5 oppervlak 15.

Fig. 3 geeft een modificatie weer van het stelsel van fig. 1 waarbij de spiegel 16A,16B enz. zijn vervangen door prisma's 20A,20B enz. met constante deviatie. Dergelijke vijfhoekige prisma's hebben een hoge mate van fysi-10 sche temperatuurstabiliteit en de grootte en de vorm van het doosvormige merkteken is onafhankelijk van de onderlinge hoekuitrichting van de prisma-paren 20A,20B die slechts wordt bepaald door de hoek tussen de oppervlakken van elk prisma die natuurlijk tot stand komt in het vervaardigings-15 stadium. De vereiste anamorfotische component kan een cilindrische lens zijn zoals in het voorafgaande beschreven of een cilindrisch oppervlak op ten minste één prisma-oppervlak.

Fig. 4 toont een alternatieve uitvoering van het 20 stelsel 10 waarbij de lichtbron 12 een gecollimeerde bundel verschaft die naar een object 21 op afstand wordt gericht en door een bundelsplitsingsinrichting 22 gaat. Een deel van het uitgaande bundelvermogen wordt afgebogen door de inrichting 22 naar de gemonteerde vier spiegels 16A,16B 25 enz. die hun vier terugkeerbundels via de inrichting 22 richten naar de lens 14 en zo naar het detectie-oppervlak 15. De rest van het uitgaande bundelvermogen verlicht het object 21, waarvan een beeld wordt gevormd door de lens 14 op het detectie-oppervlak 15. Deze uitvoering vermijdt een 30 verduistering van een deel van de uitgaande bundel door het samenstel van spiegels 16A,16B enz. en de spiegels kunnen derhalve dicht gepakt zijn in plaats van te worden gescheiden door de diameter van de lens 14. Fig. 4 geeft ook het doosvormige patroonmerkteken weer, dat schuin afloopt naar 35 de randen van het detectie-oppervlak 15 met een hoek van ongeveer 45°.

1005604 7

Fig. 5 toont een andere uitvoering van het stelsel 10 van fig. 3, waarbij de uitgaande bundel van een gecolli-meerde lichtbron 12 wordt gestuurd door een bundelsplitser 25 die geplaatst is achter een telescoop 26.

5 De voorgaande uitvoeringsvormen hebben betrekking op de aanwezigheid van een enkele lichtbron 12. Indien er een naburige tweede lichtbron is zal er een tweede doosvormig merkteken worden gevormd op het detectie-oppervlak 15 en het zal niet gemakkelijk zijn om deze twee van elkaar te 10 onderscheiden hetzij met het oog hetzij met elektro-optica, tenzij gebruik kan worden gemaakt van dubbele breking om de grootte van het merktekenpatroon polarisatie-afhankelijk te maken. Indien echter de twee lichtbronnen verschillende golflengten hebben en de sub-stelsels 16 spectraal afhanke-15 lijk zijn wat betreft deviatiehoek, worden de afmetingen van de twee doosvormige merktekens verschillend en kunnen op deze wijze separaat worden onderscheiden. De spectrale afhankelijkheid van de deviatiehoek wordt gemakkelijk bereikt door het aanbrengen van een diffractierooster of door 20 het vervangen van een vijfhoekig prisma door een dispersie-prisma met constante deviatie en dit wordt weergegeven in fig. 6. Het detectie-oppervlak 15 voor het stelsel van fig. 6 is getoond in fig. 7 en toont de twee schattingen van de aanwijsrichting 18 en 181 die respectievelijk voortkomen 25 uit de lichtbronnen 12 en 121. Een soortgelijk resultaat kan worden bereikt met het stelsel van fig. 1 door één van de spiegels 16A,16B te vervangen door een reflectie-diffractierooster.

1005604

Claims

1. Optisch stelsel omvattende een lichtbron, organen voor het richten van een lichtbundel vanaf een lichtbron naar een objectruimte, een detectie-oppervlak, een afbeeldings-lens voor het afbeelden van objecten in de objectruimte op 5 het detectie-oppervlak, en een middellijnwaarnemings- inrichting voor het verschaffen van een merkteken op het detectie-oppervlak, dat de aanwijsrichting van het stelsel aanduidt, met het kenmerk, dat de middellijnwaarnemings-inrichting twee elkaar snijdende paren parallelle rechte 10 lijnen vormt, die een merkteken bepalen met een doosvormig patroon, dat nauwkeurig gecentreerd is op de aanwijs-richting.

2. Optisch stelsel volgens 1, met het kenmerk, dat de middellijnwaarnemingsinrichting omvat twee optische sub- 15 stelsels, waarvan elk delen van de uitgaande bundel terugreflecteert als twee bundels, die gelijke en tegengestelde deviatiehoeken maken met de uitgaande bundel, waarbij elk sub-stelsel is voorzien van een anamorfotische component om de twee terugkeerbundels twee op afstand geplaatste 20 parallelle rechte lijnen (in plaats van twee cirkelvormige vlekken) te laten vormen op het detectie-oppervlak.

3. Optisch stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat de twee sub-stelsels orthogonaal zijn aangebracht zodat het doosvormige patroonmerkteken rechtlijnig is.

4. Optisch stelsel volgens conclusie 3, met het kenmerk, dat elk sub-stelsel dezelfde deviatiehoek vormt zodat een vierkant doosvormig patroonmerkteken het gevolg is.

5. Optisch stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elk sub-stelsel een paar spiegels en een cilindrische 30 lens omvat.

6. Optisch stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elk sub-stelsel een paar spiegels omvat waarvan ten minste één een cilindrische kromming heeft. 1005604

7. Optisch stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, dat elk sub-stelsel een paar prisma's met constante deviatie (vijfhoekig) omvat en een cilindrische lens.

8. Optisch stelsel volgens conclusie 2, met het kenmerk, 5 dat elk sub-stelsel een paar prisma's met constante deviatie (vijfhoekig) omvat waarvan ten minste één een cilindrische kromming heeft op één van zijn reflectie-vlakken.

9. Optisch stelsel volgens één der voorgaande conclusies, 10 met het kenmerk, dat de lichtbron een puntbron is en dat de middellijnwaarnemingsinrichting in de objectruimte is * geplaatst op de omtrek van de afbeeldingslens.

10. Optisch stelsel volgens één van de conclusies 1-8, met het kenmerk, dat de lichtbron een gecollimeerde bron is en 15 dat de middellijnwaarnemingjinrichting is gescheiden van de objectruimte door een bundelsplitsingsinrichting.

11. Optisch stelsel volgens één der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat de lichtbron behoort tot een aantal lichtbronnen die werken bij verschillende golflengten en 20 dat de middellijnwaarnemingsinrichting spectraal afhankelijk is en een corresponderend aantal merktekens vormt, elk met een doosvormig patroon en bestaande uit twee elkaar snijdende paren parallelle rechte lijnen. 1005604