WO2005114987A1 - Vorrichtung zur erfassung einer objektszene - Google Patents

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Hans Dieter Tholl
Rainer Baumann
Joachim Barenz
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Definitions

  • the invention is based on a device for detecting an object scene with an imaging optical system and at least three detectors connected to the optical system.
  • Such devices are known for example from US 3,333,053 or from US 3,610,818.
  • the known devices are structurally large. To observe large solid angles, the devices as a whole have to be pivoted disadvantageously, since the individual components are arranged rigidly to one another.
  • the object of the invention is to provide a device of the type mentioned at the outset which is structurally small and with which unproblematicly large solid angles can be observed.
  • an optical branch is provided with a compact prism arrangement which has a number of prisms, a first, a second and a third outer beam passage surface and a partially reflecting layer which optically connects the first beam passage area to the second and third beam passage area, the prism arrangement having a second comprises partially reflective layer, which is oriented at an angle to the first partially reflective layer, that b) the optical system comprises a first structurally fixed part and a movable part which is pivotable relative to the first part about at least one axis, and that c) the optical branching in the structurally fixed Part of the optical system is arranged.
  • Optical branching as such is known in particular in the form of a beam splitter cube, which consists of two prisms in the form of a cube half each, which are connected to one another along a cube diagonal surface.
  • a partially reflecting layer in the form of a dichroic interference filter can be attached to one of the facing cube diagonal surfaces.
  • several beam splitter cubes are optically connected in series.
  • a second partially reflective layer is included, which is oriented at an angle to the first partially reflective layer. Radiation passing through a beam passage area can be led out of the prism arrangement in three different directions, as a result of which there is no need to cascade optical branches.
  • the optical system comprises a first structurally fixed part and a movable part which can be pivoted about at least one axis relative to the first part.
  • a particularly small and mechanically stable device is achieved in that the optical branch is arranged in the structurally fixed part of the optical system.
  • a large angle of the object scene can be captured.
  • the detectors can remain focused on the object scene during a movement of the structurally fixed part relative to the object scene by a compensating movement of the movable part.
  • the optical branching and detectors provided for detection need not be moved.
  • the device is particularly suitable for a missile for detecting targets.
  • the structurally fixed part is particularly direct or indirect firmly connected to an outer shell of the missile.
  • the movable part is expediently arranged within a window dome of the missile.
  • the partially reflecting layer is advantageously tilted by approximately 45 ° ⁇ 5 ° to the optical axis of the system and expediently arranged in the parallel beam path in order to avoid asymmetrical, uncorrectable astigmatism.
  • a large solid angle can be detected by the device, the pivotable part of which is oriented at least two perpendicular to one another
  • Axes is pivotable.
  • the movable part comprises a first part which is arranged in a holding device pivotable about the first axis and a second part which is arranged in a holding device pivotable about the second axis.
  • the holding device is, for example, a frame.
  • the prism arrangement is compact and thus free of a gas-filled cavity at least in the beam path. It comprises outer beam passage surfaces, which can optionally be coated and can limit the prism arrangement to the outside. To minimize the reflection losses at the
  • Beam passage areas are expediently coated with an antireflection coating.
  • the partially reflecting layers can be arranged between mutually facing surfaces of the prisms and can, for example, form a low pass or a high pass which allows radiation to pass below or above a frequency limit. It is also possible to design a partially reflecting layer as a bandpass filter, which reflects a partial spectral range of the incident radiation with high effectiveness and transmits the remaining partial spectral range with high effectiveness.
  • the prisms have a high transmission for the entire spectral range.
  • the partially reflecting layers are arranged at an angle to one another and are therefore neither parallel nor antiparallel, but at an angle of in particular over 10 ° to one another.
  • Two or more of the same kind, not in one Layer-produced partially reflective layers which are aligned in the prism arrangement and which are provided for illumination through a single beam passage area can be regarded as a single partially reflective layer.
  • An optical connection between two beam passage areas is established by guiding radiation passing through a beam passage area into the other beam passage area with the aid of a partially reflecting layer.
  • the steering preferably takes place in such a way that radiation entering perpendicularly through a beam passage area is directed through a partially reflecting layer to the other beam passage area in such a way that it strikes this beam passage area perpendicularly.
  • the invention encompasses the use of the optical branching as a beam splitter, one of the beam passage areas being configured as a beam entry area and the other two beam passage areas being configured as first and second beam exit areas, and the partially reflecting layer comprising a first part of the radiation entering the first beam exit area and a second Part of the radiation entering through the beam entry surface directs into the second beam exit surface.
  • the second partially reflecting layer directs a third part of the radiation entering through the beam entry surface into a third beam exit surface.
  • the invention comprises an optical branching, which is used as a beam connector, the first partially reflecting layer guiding radiation entering the prism arrangement through two different beam passage areas into the third beam passing area designed as a beam exit area and the second partially reflecting layer through a further one
  • Beam passage area in the prism arrangement also directs radiation into the beam exit area.
  • the partially reflecting layers are inclined, in particular tilted by 45 °, to the optical axis of the beam path.
  • the prisms are therefore advantageously firmly connected to one another, advantageously by means of a suitable adhesive, for example an optical putty.
  • the refractive index of the adhesive must be close to that of the prism material to prevent reflection losses.
  • the adhesive must have a high transmission, that is to say a vanishing absorption, for the spectral range in transmission, in particular for the entire spectral range.
  • Both the adhesive layer and the partially reflecting layers are advantageously very thin, for example 10 ⁇ m to 20 ⁇ m, so that neither the adhesive nor the interference layer system in transmission cause any significant asymmetrical aberration.
  • a small optical branching can be achieved in that the partially reflecting layers are each arranged in one plane, the planes interpenetrating one another within the prism arrangement.
  • the compact prism arrangement is expediently cube-shaped.
  • An optical branching which is particularly small in terms of installation space and has a sufficient number of beam passage areas can be achieved.
  • the partially reflecting layers are arranged perpendicular to one another.
  • An effective reflection and an orthogonal beam path can be achieved, which is particularly advantageous in a prism arrangement designed as a cube.
  • the partially reflecting layers are advantageously each designed as a dichroic filter, in particular as an interference layer system. It is possible to selectively separate and investigate frequency bands from the entire incident spectrum and, for example, each as a dielectric one
  • Interference layer system can be formed.
  • Such an interference layer system comprises up to 100 preferably between 10 and 25 evaporated dielectric layers made of alternately arranged different materials with different refractive indices.
  • At least one partially reflecting layer comprises a polarization filter.
  • Information about the polarization of the incident radiation in particular in addition to spectral information, can be evaluated.
  • Partially reflecting layer can be designed such that a part of the incident radiation which is polarized in a certain direction is reflected and the rest of the radiation is transmitted.
  • the partially reflecting layer can additionally comprise a spectral filter of a desired type. It is also possible that the polarization filter alone is the essential optical
  • the optical branching expediently comprises at least one partially reflecting layer with a polarization filter and at least one partially reflecting layer with a spectral filter. Spectral information and polarization information can be obtained simultaneously.
  • a selective filtering out of desired properties of the radiation can be achieved if one partially reflecting layer is transparent to radiation reflecting on the other partially reflecting layer.
  • the layers do not influence each other and allow the information obtained to be easily evaluated.
  • a particularly simple configuration of the optical branching which is small and inexpensive in terms of installation space, can be achieved if the prisms are four prisms assembled into a cuboid, each with a hypotenuse surface, two
  • the cuboid is especially a cube.
  • the catheter surface of the prism is coated with a first partially reflective layer and the second catheter surface of the prism is coated with a second partially reflective layer that is different from the first.
  • the radiation reflected by the partially reflecting layers only crosses an adhesive layer between the prisms, as a result of which a high intensity of the reflected radiation can be achieved.
  • a particularly cost-effective production of the prism arrangement can be achieved if one of the catheter surfaces of the prisms is coated with a partially reflective layer.
  • Radiation incident on the prism arrangement can be obtained if the prism arrangement comprises at least a third partially reflecting layer, which is angled to the first and second partially reflecting layers.
  • the third partially reflecting layer advantageously directs radiation incident in the third layer into a fourth beam passage area.
  • the third partially reflecting layer is expediently arranged in a plane which, within the prism arrangement, penetrates the planes of the first and second partially reflecting layer likewise arranged in one plane.
  • the third partially reflecting layer can convert part of the radiation incident into it into a third partially reflecting layer
  • the invention is not restricted to cuboid or cube-shaped prism arrangements, but can be implemented in any form that appears advantageous to the person skilled in the art.
  • the Platonic solids which are composed of the same polygons, represent particularly favorable shapes.
  • the prism arrangement can be designed as a pentagon dodecahedron with twelve beam passage areas each in the form of an equilateral pentagon.
  • One or more beam passage areas can be used as the beam entry area and one or more beam passage areas as the beam exit area.
  • Complex beam paths and information distributions can be realized in the most compact form.
  • a beam splitter cube whose entrance surface is perpendicular to the optical axis has the advantage that it only produces a rotationally symmetrical aberration, in particular a color error, which can be easily corrected by preceding or following lenses.
  • the beam splitter cube can therefore be used in the parallel, convergent or divergent beam path.
  • Beam splitter cubes also have the advantage over other beam splitting means that they take up little space in the device, since all beam incidence angles in the optical material of the beam splitter cube are reduced by the refractive index factor 1 / n.
  • the beam splitting means is preferably a dichroic beam splitter cube. Such a beam splitter cube has spectrally generating ones compared to others
  • Beam splitter means the advantage of simple manufacture and great mechanical resilience.
  • FIG. 1 shows an optical branch configured as a cube with four prisms and two partially reflecting layers
  • FIG. 2 shows an optical branch with another arrangement of two partially reflecting layers
  • FIG. 3 shows an optical branch with a further arrangement of two partially reflecting layers
  • FIG. 4 an optical branching with five prisms
  • FIG. 5 an arrangement as in FIG. 1 with a polarizing and a spectral partially reflecting layer
  • FIG. 6 an optical branching designed as a cube with four partially reflecting layers angled to one another
  • FIG. 7 a device for detecting an object scene with a cube-shaped beam splitter.
  • FIG. 1 shows an optical branch 2 with a compact prism arrangement comprising four prisms 4, 6, 8, 10.
  • the prisms 4, 6, 8, 10 are made of
  • the optical junction 2 as a beam splitter
  • the hypotenuse surface 18 serves as a beam entry surface
  • the hypotenuse surfaces 12, 14, 16 each serve as a beam exit surface.
  • the hypotenuse surfaces 12, 14, 16, 18 are each provided with an anti-reflection coating, not shown, in order to keep reflection losses as low as possible when radiation enters and exits the hypotenuse surface 18 or from the hypotenuse surfaces 12, 14, 16.
  • first partially reflecting layer 24 which is designed as a dichroic layer from a 15 ⁇ m thick interference layer system.
  • This first partially reflecting layer 24 continues on a catheter surface of the prism 8, so that the first partially reflecting layer 24 is arranged essentially completely on a cube diagonal of the optical branch 2.
  • a second partially reflecting layer 26, which is also a dichroic interference layer system, is applied to the second catheter surface 22 of the prism 10.
  • the second partially reflecting layer 26 is also continued on a catheter surface of the prism 4, so that the second partially reflecting layer 26 is also essentially completely on one
  • Cube diagonal surface of the optical branch 2 is arranged.
  • the partially reflecting layers 24, 26 are arranged between mutually facing catheter surfaces of the prisms 4, 6, 8, 10.
  • the two partially reflecting layers 24, 26 are oriented at an angle of 90 ° to one another, so that part of the radiation incident perpendicularly into the hypotenuse surface 18 is directed through the two partially reflecting layers 24, 26 in each case perpendicular to the hypotenuse surfaces 12 and 16, respectively.
  • the rest Radiation radiates essentially freely into the hypotenuse surface 14 of the prism 6.
  • the four prisms 4, 6, 8, 10 are each connected to the cube-shaped compact prism arrangement by a thin adhesive layer 28, the adhesive of the adhesive layer 28 being transmissive for infrared radiation. To prevent reflection losses, the refractive index of the adhesive is close to the refractive index of the material of the prisms 4, 6, 8, 10.
  • the partially reflecting layers 24, 26 and the adhesive layer 28 are shown much thicker for clarity than between them
  • Prisms 4, 6, 8, 10 are applied.
  • the adhesive layer 28 and the partially reflecting layers 24, 26 are tilted by 45 ° to the optical axis of the incident radiation from all hypotenuse surfaces 12, 14, 16, 18.
  • the first partially reflecting layer 24 thus optically connects the hypotenuse surface 18 to the hypotenuse surfaces 14, 16, and the second partially reflecting layer
  • the first partially reflecting layer 24 is manufactured in such a way that it reflects radiation in a frequency band between 1 ⁇ m and 1.5 ⁇ m and transmits infrared radiation in another frequency range essentially unimpeded.
  • the second partially reflecting layer 26 reflects a frequency band between 3.5 ⁇ m and 4 ⁇ m essentially completely and transmits other infrared radiation.
  • the remaining infrared radiation in the wave range ⁇ which is not within the two frequency bands ⁇ i and ⁇ 2 , becomes transmitted by both partially reflecting layers 24, 26 and leaves the optical branch 2 through the hypotenuse surface 14 of the prism 6. This residual spectral range is designated ⁇ R.
  • FIG. 2 shows a further optical branch 32 with four prisms 34, 36, 38, 40, which together form a compact cube-shaped prism arrangement.
  • the prisms 34, 36, 38, 40 are connected to one another with an adhesive layer 42 and provided with a partially reflecting layer 44, 46 from a dichroic interference system on only one of their cathetus surfaces. In this way, inexpensive production of the partially reflecting layers 44, 46 can be achieved.
  • the optical branch 32 corresponds to the optical branch 2.
  • FIG. 48, 50 in an optical branch 52 designed as a beam splitter cube is shown in FIG.
  • two prisms 54, 56 are uncoated on their catheter surfaces and two prisms 58, 60 each have a part of the partially reflecting layers 48, 50 on both catheter surfaces.
  • the optical branching 62 is designed as a trichroic beam splitter cube, which in this case, however, comprises four rectangular prisms 64, 66, 68, 70 and a rectangular prism 72.
  • the prisms 64, 66, 68, 70 are glued to their hypotenuse surface with a thin adhesive layer 74.
  • the beam passage areas of the optical branch 62 are each formed by cathetic areas of the prisms 64, 66, 68, 70.
  • a thin dichroic interference layer system is applied to the hypotenuse surfaces of the prisms 64, 66, 68, 70, the dichroic layer applied to the prisms 64, 68 forming a first partially reflecting layer 76 and the dichroic layer applied to the prisms 66, 70 forms a second partially reflective layer 78.
  • Both partially reflecting layers 76, 78 thus consist of two partial layers, each parallel to one another are aligned and are illuminated by radiation which passes through a beam passage area of the optical branch 62.
  • FIG. 5 shows an optical branching 82 designed as a beam splitter cube, which in FIG. 5.
  • the difference between the optical branch 82 and the optical branch 2 is that the first partially reflecting layer 84 is a polarization layer which reflects radiation oscillating perpendicular to the plane of the paper and radiation oscillating parallel to the plane of the paper transmitted.
  • a second partially reflecting layer 86 of the optical branching 2 is designed as a low-pass filter, which allows radiation between 5 ⁇ m and 10 ⁇ m to pass through and reflects radiation with a wavelength between 1 ⁇ m and 5 ⁇ m.
  • This radiation component passes through the optical branch 82 essentially unhindered and exits the optical branch 82 through the beam passage area 90.
  • the portion of radiation in the second frequency band ⁇ 2 which vibrates perpendicular to the paper plane is reflected by the first partially reflecting layer 84 and leaves the optical branching 82 through the beam passage area 92.
  • a portion which is oscillating in the paper plane in a first frequency band ⁇ ⁇ 1 ⁇ m - 5 ⁇ m becomes only reflects and leaves the optical branching 82 through the second partially reflecting layer 86 by emerging vertically through a beam passage area 94.
  • the portion of radiation in the first frequency band ⁇ i which vibrates perpendicularly to the plane of the paper is reflected by both partially reflecting layers 84, 86 and leaves the optical branch 82 through the same beam passage area 88 in which it is radiated into the optical branch 82.
  • the prisms have four partially reflective layers
  • the first partially reflecting layer 98 and the second partially reflecting layer 100 are designed analogously to the partially reflecting layers 24, 26 of the optical branching 2 from FIG. 1.
  • the third and fourth partially reflecting layers 102, 104 are each parallel to two further cube diagonals arranged so that all four partially reflecting layers 98,
  • 100, 102, 104 are arranged at an angle of 45 ° to a beam entry surface 106 of the optical branch 96.
  • Four frequency bands ⁇ i, ⁇ 2 , ⁇ 3 , ⁇ are cut out from radiation of the spectral range ⁇ , which enters the optical branching 96 through the beam entry surface 106, through the partially reflecting layers 98, 100, 102, 104, and a residual spectral range ⁇ leaves the optical one Branch 96 is essentially unimpeded on the beam exit surface of the optical branch 96 opposite the beam entry surface 106. It is also possible to provide only three partially reflecting layers or only two partially reflecting layers which are not perpendicular to one another
  • Cube diagonals are arranged.
  • the optical branching 96 comprises two pyramid-shaped prisms, the square base surface of which forms the beam entry surface 106 or the invisible beam exit surface for radiation of the residual spectral range ⁇ R. Furthermore, the optical branch 96 comprises eight four-surface prisms and four six-surface prisms, so that the optical branch 96 consists of 14 prisms which are joined together by an adhesive layer 108 to form a compact prism arrangement.
  • FIG. 7 shows a device 112 for detecting an object scene, which comprises three optical detectors 114, 116, 118 and an optical system 120 which consists of two parts 122, 124.
  • the device 112 is arranged in a shell 126 of a missile.
  • the nose of the missile is from a hemispherical Cathedral or window 128 formed.
  • the device 112 has a rolling frame 130 which is rotatably mounted about a rolling axis 132.
  • the roll axis 132 coincides with the longitudinal axis of the missile.
  • a pitch frame 134 is pivotally mounted in the rolling frame 132 about a pitch axis 136.
  • the rolling frame 130 allows the pitch frame 134 to pivot about the pitch axis
  • a telescopic lens 138 is attached to the pitch frame 134 and can be pivoted into a hemisphere-sized solid angle.
  • a first deflecting prism 140 for deflecting the optical axis is also attached to the pitch frame 134
  • the hypotenuse surface of the deflection prism 140 forms an angle of 45 ° with the optical axis 142.
  • the entry catheter surface of the deflection prism 140 can be convex and the exit catheter surface of the deflection prism 140 can be concave, so that the deflection prism 140 is one
  • the optical system 120 are passively temperature compensated.
  • Two deflection prisms 146, 148 are held in the rolling frame 130, which deflect the optical axis 142 first parallel to the rolling axis 132, then parallel to the pitch axis 136 and then into the rolling axis 132.
  • the second deflection prism 144 sits on the
  • Pitch axis 136 Its hypotenuse surface is inclined by 45 ° to the pitch axis 136 and to the optical axis 142, once deflected.
  • the catheter surfaces of the deflection prism 144 can be configured analogously to the catheter surfaces of the deflection prism 140, so that an intermediate image is arranged between the second deflection prism 144 and the third deflection prism 146 and in an analogous manner between the third deflection prism 146 and the fourth deflection prism 148.
  • the hypotenuse surfaces of the deflection prisms 146, 148 are in turn inclined by 45 ° to the optical axis 142, so that the Imaging beam path from the telescope optics 138 is directed into an optical branch 150.
  • the radiation of the imaging beam path is divided into two frequency bands and a residual spectral range, as described for FIG. 1.
  • the radiation in a frequency band which is between 0.4 ⁇ m and 0.8 ⁇ m in visible light is fed to the detector 114, which is sensitive in this frequency band.
  • Radiation from the second frequency band, which is in the near infrared between 0.8 ⁇ m and 1.5 ⁇ m, is fed to the detector 118.
  • the detector 118 is sensitive in the near infrared between 1.5 ⁇ m and 1.6 ⁇ m, this second spectral path serving to receive active LADAR radiation, which in particular also provides the exact object distances.
  • the main path in transmission through the optical branching 150 is provided for the infrared spectral range between 2 and 5 ⁇ m, which also enables a passive detection of an object scene
  • the optical branch 150 is arranged in front of lenses of a detector objective 152 of the spectral path in transmission.
  • the two other spectral paths in reflection have their own detector objective 154, 156. It is also possible to arrange the optical branch 150 between or after detector objectives 152, 154, 156, whereby the number of lenses can be reduced, but a chromatic one for a wide overall spectrum Aberration is not easy to correct.
  • optical branching 150 configured as a beam splitter cube
  • other of the optical branching 32, 52, 62, 82, 96 described above can also be used in the device 112.
  • Other optical branches such as beam splitter plates or beam splitter membranes, are also possible.
  • the beam splitter plates should be tilted 45 ° to the optical axis 142 of the optical system 120.
  • the invention related to the device relates to any optical branching that splits a beam path in two or more directions or combines two or more incident beam paths into one outgoing beam path.
  • a beam splitter cube as an optical branch 150 has the advantage that it only produces a rotationally symmetrical aberration, in particular a color error, which can be easily corrected by modifying the preceding or following lenses.
  • a beam splitter cube can therefore be used in the parallel, convergent or divergent beam path.
  • a beam splitter cube also has the advantage over the beam splitter plate or a beam splitter membrane that it takes up much less space in the device 112, since all the beam incidence angles in the optical material are around the
  • Refractive index factor 1 / n can be reduced.
  • the optical branching 150 forms, together with the detector objectives 152, 154, 156, the structurally fixed part 124 of the optical system 120.
  • the structurally fixed part 124 is fixedly held in the shell 126 of the missile.
  • the part 122 of the optical system 120 is movably mounted relative to this structurally fixed part 124, a first part being fixedly connected to the rolling frame 130 and thus being one-dimensionally movable about the rolling axis 132 and a second part being fastened to the pitch frame 134 and being two-dimensionally movable , namely about the roll axis 132 and about the pitch axis 136.
  • the arrangement of the optical branching 150 in the structurally fixed optical part 124 has the advantage that a beam splitting takes place only in a structurally fixed manner, whereby space, material and thus costs can be saved.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (112) zur Erfassung einer Objektszene mit einem abbildenden optischen System (120) und mindestens drei mit dem optischen System (120) optisch verbundenen Detektoren (114, 116, 118), die sich auszeichnet durch eine optische Verzweigung (2, 32, 52, 62, 82, 96, 150) mit einer kompakten Prismenanordnung, die eine Anzahl von Prismen (4, 6, 8, 10, 34, 36, 38, 40, 54, 56, 58, 60, 64, 66, 68, 70, 72), eine erste, eine zweite und eine dritte äußere Strahldurchtrittsfläche (88, 90, 92, 94) und eine teilreflektierende Schicht (24, 44, 48, 76, 84, 98) aufweist, die die erste Strahldurchtrittsfläche (88) mit der zweiten und dritten Strahldurchtrittsfläche (90, 92, 94) optisch verbindet, wobei die Prismenanordnung eine zweite teilreflektierende Schicht (26, 46, 50, 78, 86, 100, 102, 104) umfasst, die angewinkelt zur ersten teilreflektierenden Schicht (24, 44, 48, 76, 84, 98) ausgerichtet ist, wobei das optische System (120) einen ersten strukturfesten Teil (124) und einen beweglichen Teil (122) umfasst, der relativ zum ersten Teil (124) um mindestens eine Achse (132, 136) schwenkbar ist, und wobei die optische Verzweigung (2, 32, 52, 62, 82, 96, 150) im strukturfesten Teil (124) des optischen Systems (120) angeordnet ist. Die Erfindung ermöglicht baulich klein die Erfassung eines großen Raumwinkels.

Description

Vorrichtung zur Erfassung einer Objektszene
Die Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Erfassung einer Objektszene mit einem abbildenden optischen System und mindestens drei mit dem optischen System verbundenen Detektoren.
Mit einer derartigen Vorrichtung können mindestens drei unabhängige Informationen der Objektszene ausgewertet werden. Solche Vorrichtungen sind beispielsweise aus der US 3,333,053 oder aus der US 3,610,818 bekannt. Die bekannten Vorrichtungen sind baulich groß. Zur Beobachtung großer Raumwinkel müssen nachteiligerweise die Vorrichtungen in ihrer Gesamtheit verschwenkt werden, da die Einzelkomponenten starr zueinander angeordnet sind.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art anzugeben, die baulich klein ist und mit der unproblematisch große Raumwinkel beobachtet werden können.
Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung der eingangs genannten Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass a) eine optische Verzweigung vorgesehen ist mit einer kompakten Prismenanordnung, die eine Anzahl von Prismen, eine erste, eine zweite und eine dritte äußere Strahldurchtrittsfläche und eine teilreflektierende Schicht aufweist, die die erste Strahldurchtrittsfläche mit der zweiten und dritten Strahldurchtrittsfläche optisch verbindet, wobei die Prismenanordnung eine zweite teilreflektierende Schicht umfasst, die angewinkelt zur ersten teilreflektierenden Schicht ausgerichtet ist, dass b) das optische System einen ersten strukturfesten Teil und einen beweglichen Teil umfasst, der relativ zum ersten Teil um mindestens eine Achse schwenkbar ist, und dass c) die optische Verzweigung im strukturfesten Teil des optischen Systems angeordnet ist.
Eine optische Verzweigung als solche ist insbesondere in Form eines Strahlteiler- würfeis bekannt, der aus zwei Prismen in Form jeweils einer Würfelhälfte besteht, die entlang einer Würfeldiagonalfläche miteinander verbunden sind. An einer der einander zugewandten Würfeldiagonalflächen kann eine teilreflektierende Schicht in Form eines dichroitischen Interferenzfilters angebracht sein. Zur Trennung von mehreren Spektralbereichen werden mehrere Strahlteilerwürfel optisch hinter- einander geschaltet. Zusätzlich ist eine zweite teilreflektierende Schicht umfasst, die angewinkelt zur ersten teilreflektierenden Schicht ausgerichtet ist. Durch eine Strahldurchtrittsfläche tretende Strahlung kann in drei unterschiedliche Richtungen aus der Prismenanordnung herausgeführt werden, wodurch auf eine Hintereinanderschaltung von optischen Verzweigungen verzichtet werden kann.
Das optische System umfasst einen ersten strukturfesten Teil und einen beweglichen Teil, der relativ zum ersten Teil um mindestens eine Achse schwenkbar ist. Eine besonders kleine und mechanisch stabile Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass die optische Verzweigung im strukturfesten Teil des optischen Systems angeordnet ist. Es kann ein großer Winkel der Objektszene erfasst werden. Zusätzlich können die Detektoren bei einer Bewegung des strukturfesten Teils relativ zur Objektszene durch eine ausgleichende Bewegung des beweglichen Teils auf die Objektszene fokussiert bleiben. Die optische Verzweigung und zur Erfassung vorgesehene Detektoren brauchen nicht bewegt werden.
Die Vorrichtung eignet sich insbesondere für einen Flugkörper zur Erfassung von Zielen. Der strukturfeste Teil ist hierzu insbesondere unmittelbar oder mittelbar mit einer Außenhülle des Flugkörpers fest verbunden. Der bewegliche Teil ist zweckmäßigerweise innerhalb einer Fensterkuppel des Flugkörpers angeordnet.
Die teilreflektierende Schicht ist vorteilhafterweise um ca. 45° ± 5° zur optischen Achse des Systems verkippt und zweckmäßigerweise im parallelen Strahlengang angeordnet, um einen asymmetrischen, nicht korrigierbaren Astigmatismus zu vermeiden.
Ein großer Raumwinkel kann durch die Vorrichtung erfasst werden, deren schwenkbarer Teil um mindestens zwei senkrecht zueinander ausgerichtete
Achsen schwenkbar ist. Insbesondere umfasst der bewegliche Teil einen ersten Teil, der in einer um die erste Achse schwenkbaren Haltevorrichtung angeordnet ist, und einen zweiten Teil, der in einer um die zweite Achse schwenkbaren Haltevorrichtung angeordnet ist. Die Haltevorrichtung ist beispielsweise ein Rahmen.
Die Prismenanordnung ist kompakt und somit zumindest im Strahlengang frei von einem gasgefüllten Hohlraum. Sie umfasst äußere Strahldurchtrittsflächen, die gegebenenfalls beschichtet sein können und die Prismenanordnung nach außen begrenzen können. Zur Minimierung der Reflexionsverluste an den
Strahldurchtrittsflächen sind diese zweckmäßigerweise mit einer Antireflexionsbeschichtung vergütet. Die teilreflektierenden Schichten können zwischen einander zugewandten Flächen der Prismen angeordnet sein und beispielsweise einen Tiefpass oder einen Hochpass bilden, der Strahlung unterhalb bzw. oberhalb einer Frequenzgrenze passieren lässt. Es ist auch möglich, eine teilreflektierende Schicht als Bandpassfilter auszugestalten, der einen Teilspektralbereich der einfallenden Strahlung mit hoher Effektivität reflektiert und den restlichen Teilspektralbereich mit hoher Effektivität transmittiert. Die Prismen haben für den gesamten Spektralbereich eine hohe Transmission.
Die teilreflektierenden Schichten sind zueinander angewinkelt angeordnet und stehen somit weder parallel noch antiparallel, sondern von einem Winkel von insbesondere über 10° zueinander. Zwei oder mehrere gleichartige, nicht in einer Schicht gefertigte und in der Prismenanordnung parallel ausgerichtete teilreflektierende Schichten, die zur Beleuchtung durch eine einzige Strahldurchtrittsfläche vorgesehen sind, können als eine einzige teilreflektierende Schicht betrachtet werden. Eine optische Verbindung zwischen zwei Strahldurchtrittsflächen kommt zustande, indem durch eine Strahldurchtrittsfläche tretende Strahlung mit Hilfe einer teilreflektierenden Schicht in die andere Strahldurchtrittsfläche gelenkt wird. Die Lenkung geschieht vorzugsweise so, dass senkrecht durch eine Strahldurchtrittsfläche eintretende Strahlung durch eine teilreflektierende Schicht so zur anderen Strahldurchtrittsfläche gelenkt wird, dass sie senkrecht auf diese Strahldurchtrittsfläche auf trifft.
Die Erfindung, umfasst die Verwendung der optischen Verzweigung als Strahlteiler, wobei eine der Strahldurchtrittsflächen als Strahleintrittsfläche und die beiden anderen Strahldurchtrittsflächen als erste und zweite Strahlaustrittsfläche ausgestaltet sind und die teilreflektierende Schicht einen ersten Teil der durch die Strahleintrittsfläche eintretenden Strahlung in die erste Strahlaustrittsfläche und einen zweiten Teil der durch die Strahleintrittsfläche eintretenden Strahlung in die zweite Strahlaustrittsfläche lenkt. Die zweite teilreflektierende Schicht lenkt einen dritten Teil der durch die Strahleintrittsfläche eintretenden Strahlung in eine dritte Strahlaustrittsfläche. Mit gleichem Vorteil umfasst die Erfindung eine optische Verzweigung, die als Strahl verbinder verwendet wird, wobei die erste teilreflektierende Schicht durch zwei verschiedene Strahldurchtrittsflächen in die Prismenanordnung eintretende Strahlung in die dritte als Strahlaustrittsfläche ausgestaltete Strahldurchtrittsfläche lenkt und die zweite teilreflektierende Schicht durch eine weitere
Strahldurchtrittsfläche in die Prismenanordnung eintretende Strahlung ebenfalls in die Strahlaustrittsfläche lenkt.
Bei einem größeren Winkel der teilreflektierenden Schichten zueinander, insbesondere bei einem rechten Winkel, stehen die teilreflektierenden Schichten schräg, insbesondere um 45° verkippt, zur optischen Achse des Strahlengangs. . Bei einem Luftspalt würden hier gemäß der Fresnef sehen Formeln hohe Reflexionsverluste auftreten. Daher sind die Prismen vorteilhafterweise fest miteinander verbunden, zweckmäßigerweise durch einen geeigneten Klebstoff, zum Beispiel einen optischen Kitt. Die Brechzahl des Klebstoffs muss zur Verhinderung von Reflexionsverlusten nahe bei der des Prismenmaterials liegen. Ferner muss der Klebstoff eine hohe Transmission, also eine verschwindende Absorption, für den Spektralbereich in Transmission, insbesondere für den gesamten Spektralbereich haben. Sowohl die Klebstoffschicht als auch die teilreflektierenden Schichten sind vorteilhafterweise sehr dünn, z.B. 10 μm bis 20 μm, so dass weder der Klebstoff noch das Interferenzschichtsystem in Transmission eine nennenswerte asymmetrische Aberration verursachen.
Eine klein bauende optische Verzweigung kann erreicht werden, indem die teilreflektierenden Schichten jeweils in einer Ebene angeordnet sind, wobei sich die Ebenen innerhalb der Prismenanordnung gegenseitig durchdringen. Die kompakte Prismenanordnung ist zweckmäßigerweise würfelförmig. Es kann eine vom Bauraum besonders kleine optische Verzweigung mit einer genügenden Anzahl von Strahldurchtrittsflächen erreicht werden.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind die teilreflektierenden Schichten senkrecht zueinander angeordnet. Es können eine effektive Reflexion und ein orthogonaler Strahlengang erreicht werden, der insbesondere in einer als Würfel ausgestalteten Prismenanordnung von Vorteil ist.
Vorteilhafterweise sind die teilreflektierenden Schichten jeweils als dichroitischer Filter ausgestaltet, insbesondere als ein Interferenzschichtsystem. Es können gezielt Frequenzbänder aus dem gesamten einstrahlenden Spektrum ausgesondert und untersucht werden und beispielsweise jeweils als ein dielektrisches
Interferenzschichtsystem ausgebildet sein. Ein solches Interferenzschichtsystem umfasst bis zu 100 vorzugsweise zwischen 10 und 25 aufgedampfte dielektrische Schichten aus abwechselnd angeordneten unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen Brechungsindizes.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung umfasst zumindest eine teilreflektierende Schicht einen Polarisationsfilter. Es kann Information zur Polarisation der einfallenden Strahlung, insbesondere zusätzlich zu spektralen Informationen, ausgewertet werden. Eine den Polarisationsfilter umfassende teilreflektierende Schicht kann so ausgestaltet sein, dass ein in eine bestimmte Richtung polarisierter Teil der einfallenden Strahlung reflektiert und die übrige Strahlung transmittiert wird. Die teilreflektierende Schicht kann neben dem Polarisationsfilter zusätzlich einen Spektralfilter einer gewünschten Art umfassen. Es ist auch möglich, dass der Polarisationsfilter allein die wesentliche optische
Eigenschaft der teilreflektierenden Schicht ausmacht. Die optische Verzweigung umfasst zweckmäßigerweise zumindest eine teilreflektierende Schicht mit einem Polarisationsfilter und zumindest eine teilreflektierende Schicht mit einem Spektralfilter. Spektrale Informationen und Polarisationsinformationen können gleichzeitig gewonnen werden.
Eine selektive Herausfilterung von gewünschten Eigenschaften der Strahlung kann erreicht werden, wenn eine teilreflektierende Schicht für an der anderen teilreflektierenden Schicht reflektierende Strahlung transparent ist. Die Schichten beeinflussen sich nicht gegenseitig und ermöglichen eine einfache Auswertung der erhaltenen Informationen.
Eine besonders einfache, vom Bauraum kleine und preiswerte Ausgestaltung der optischen Verzweigung kann erreicht werden, wenn die Prismen vier zu einem Quader zusammengesetzte Prismen mit jeweils einer Hypotenusenfläche, zwei
Kathetenflächen und zwei zueinander parallelen Seitenflächen sind. Der Quader ist insbesondere ein Würfel.
Ein weiterer Vorteil der Erfindung wird erreicht, wenn eines der Prismen mit seiner Hypotenusenfläche eine Strahldurchtrittsfläche bildet und die erste
Kathetenfläche des Prismas mit einer ersten teilreflektierenden Schicht und die zweite Kathetenfläche des Prismas mit einer von der ersten unterschiedlichen zweiten teilreflektierenden Schicht beschichtet ist. Die von den teilreflektierenden Schichten reflektierte Strahlung durchquert nur eine Klebeschicht zwischen den Prismen, wodurch eine hohe Intensität der reflektierten Strahlung erreicht werden kann. Eine besonders kostengünstige Herstellung der Prismenanordnung kann erreicht werden, wenn jeweils eine der Kathetenflächen der Prismen mit einer teilreflektierenden Schicht beschichtet ist.
Weitere spektrale Informationen oder Informationen zur Polarisation der in die
Prismenanordnung einfallenden Strahlung können gewonnen werden, wenn die Prismenanordnung zumindest eine dritte teilreflektierende Schicht umfasst, die angewinkelt zu der ersten und zweiten teilreflektierenden Schicht ausgerichtet ist. Die dritte teilreflektierende Schicht lenkt vorteilhafterweise in die dritte Schicht einfallende Strahlung in eine vierte Strahldurchtrittsfläche. Zweckmäßigerweise ist die dritte teilreflektierende Schicht in einer Ebene angeordnet, die innerhalb der Prismenanordnung die Ebenen der ebenfalls in jeweils einer Ebene angeordneten ersten und zweiten teilreflektierenden Schicht durchdringt. Bei Verwendung der optischen Verzweigung als Strahlteiler kann die dritte teilreflektierende Schicht einen Teil der in sie einfallenden Strahlung in eine dritte
Strahlaustrittsfläche lenken.
Vier Informationen, insbesondere fünf Informationen zur einfallenden Strahlung können separat ausgewertet werden, wenn die Prismenanordnung eine Würfelform aufweist, wobei eine Außenfläche des Würfels als
Strahleintrittsfläche dient und mindestens vier der übrigen fünf Außenflächen jeweils als eine Strahlaustrittsfläche dienen.
Die Erfindung ist nicht auf quader- oder würfelförmige Prismenanordnungen beschränkt, sondern kann in jeder dem Fachmann vorteilhaft erscheinenden Form ausgeführt sein. Besonders günstige Formen stellen die platonischen Körper dar, die aus gleichen Polygonen zusammengesetzt sind. So kann die Prismenanordnung als ein Pentagondodekaeder ausgestaltet sein mit zwölf Strahldurchtrittsflächen jeweils in Form eines gleichseitigen Fünfecks. Eine oder mehrere Strahldurchtrittsflächen können hierbei als Strahleintrittsfläche und eine oder mehrere Strahldurchtrittsflächen als Strahlaustrittsfläche verwendet werden. Komplexe Strahlengänge und Informationsaufteilungen können in kompaktester Form realisiert werden. Ein Strahlteilerwürfel, dessen Eintrittsfläche senkrecht zur optischen Achse steht, hat den Vorteil, dass er nur eine rotationssymmetrische Aberration, insbesondere einen Farbfehler, erzeugt, welcher durch vorausgehende oder nachfolgende Linsen einfach korrigiert werden kann. Der Strahlteilerwürfel kann daher im parallelen, konvergenten oder divergenten Strahlengang eingesetzt werden. Der
Strahlteilerwürfel hat ferner gegenüber anderen Strahlteilmitteln den Vorteil eines kleinen Platzbedarfs in der Vorrichtung, da sämtliche Strahleinfallwinkel im optischen Material des Strahlteilerwürfels um den Brechzahlfaktor 1/n reduziert werden. Vorzugsweise ist das Strahlteilmittel ein dichroitischer Strahlteilerwürfel. Ein solcher Strahlteilerwürfel hat gegenüber anderen spektral erzeugenden
Strahlteilermitteln den Vorteil der einfachen Herstellung und großen mechanischen Belastbarkeit.
Zeichnung
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Es zeigen:
Fig. 1 eine als Würfel ausgestaltete optische Verzweigung mit vier Prismen und zwei teilreflektierenden Schichten, Fig. 2 eine optische Verzweigung mit einer anderen Anordnung von zwei teilreflektierenden Schichten, Fig. 3 eine optische Verzweigung mit einer weiteren Anordnung von zwei teilreflektierenden Schichten, Fig. 4 eine optische Verzweigung mit fünf Prismen, Fig. 5 eine Anordnung wie in Figur 1 mit einer polarisierenden und einer spektralen teilreflektierenden Schicht, Fig. 6 eine als Würfel ausgestaltete optische Verzweigung mit vier zueinander angewinkelten teilreflektierenden Schichten und Fig. 7 eine Vorrichtung zur Erfassung einer Objektszene mit einem würfelförmigen Strahlteiler.
In den Figuren 1 bis 6 sind Ausführungsformen der optischen Verzweigung gezeigt, wie sie sich zum Einsatz in eine Vorrichtung der eingangs genannten Art eignen.
Figur 1 zeigt eine optische Verzweigung 2 mit einer kompakten Prismenanordnung aus vier Prismen 4, 6, 8, 10. Die Prismen 4, 6, 8, 10 sind aus
Kalziumfluorid gefertigt, das in einem Spektralbereich von λ = 0,2 μm - 9,0 μm transmittierend ist. Sie weisen einen dreiecksförmigen Querschnitt auf und umfassen jeweils eine Hypotenusenfläche 12, 14, 16, 18, die jeweils als Strahldurchtrittsfläche dient. Im in Figur 1 gezeigten Beispiel einer Verwendung der optischen Verzweigung 2 als Strahlteiler dient die Hypotenusenfläche 18 als Strahleintrittsfläche, und die Hypotenusenflächen 12, 14, 16 dienen jeweils als Strahlaustrittsfläche. Ohne Änderung der Anordnung ist es auch möglich, in die Hypotenusenflächen 12, 14, 16 einzustrahlen und die Hypotenusenfläche 18 als Strahlaustrittsfläche zu verwenden, also die optische Verzweigung 2 als
Strahlverbinder zu verwenden. Die Hypotenusenflächen 12, 14, 16, 18 sind jeweils mit einer nicht gezeigten Antireflexionsbeschichtung versehen, um Reflexionsverluste beim Eintritt und Austritt von Strahlung in die Hypotenusenfläche 18 bzw. aus den Hypotenusenflächen 12, 14, 16 so gering wie möglich zu halten.
Die vier Prismen 4, 6, 8, 10, die zusammengesetzt eine kompakte, würfelförmige Prismenanordnung ergeben, weisen jeweils zwei Kathetenflächen 20, 22 auf, von denen der Übersichtlichkeit halber nur die beiden Kathetenflächen 20, 22 des Prismas 10 mit Bezugszeichen versehen sind. Die Kathetenfläche 20 des Prismas
10 ist mit einer ersten teilreflektierenden Schicht 24 beschichtet, die als eine di- chroitische Schicht aus einem 15 μm dicken Interferenzschichtsystem ausgestaltet ist. Diese erste teilreflektierende Schicht 24 setzt sich auf einer Kathetenfläche des Prismas 8 fort, so dass die erste teilreflektierende Schicht 24 im Wesentlichen vollständig auf einer Würfeldiagonalen der optischen Verzweigung 2 angeordnet ist. Auf der zweiten Kathetenfläche 22 des Prismas 10 ist eine zweite teilreflektierende Schicht 26 aufgebracht, die ebenfalls ein dichroitisches Interferenzschichtsystem ist. Auch die zweite teilreflektierende Schicht 26 findet ihre Fortsetzung auf einer Kathetenfläche des Prismas 4, so dass die zweite teilreflektierende Schicht 26 ebenfalls im Wesentlichen vollständig auf einer
Würfeldiagonalfläche der optischen Verzweigung 2 angeordnet ist. Die teilreflektierenden Schichten 24, 26 sind zwischen einander zugewandten Kathetenflächen der Prismen 4, 6, 8, 10 angeordnet.
Die beiden teilreflektierenden Schichten 24, 26 sind um 90° angewinkelt zueinander ausgerichtet, so dass ein Teil der senkrecht in die Hypotenusenfläche 18 einfallenden Strahlung durch die beiden teilreflektierenden Schichten 24, 26 jeweils senkrecht zu den Hypotenusenflächen 12 bzw. 16 gelenkt wird. Die übrige Strahlung strahlt im Wesentlichen ungehindert senkrecht in die Hypotenusenfläche 14 des Prismas 6.
Die vier Prismen 4, 6, 8, 10 sind durch jeweils eine dünne Klebstoffschicht 28 miteinander zu der würfelförmigen kompakten Prismenanordnung verbunden, wobei der Klebstoff der Klebstoffschicht 28 für infrarote Strahlung transmittierend ist. Zur Verhinderung von Reflexionsverlusten liegt die Brechzahl des Klebstoffs nahe der Brechzahl des Materials der Prismen 4, 6, 8, 10. Die teilreflektierenden Schichten 24, 26 und die Klebstoffschicht 28 sind der Übersichtlichkeit halber wesentlich dicker dargestellt, als sie zwischen den
Prismen 4, 6, 8, 10 aufgebracht sind. Die Klebstoffschicht 28 sowie die teilreflektierenden Schichten 24, 26 sind um 45° zur optischen Achse der einfallenden Strahlung aus allen Hypotenusenflächen 12, 14, 16, 18 verkippt. Die erste teilreflektierende Schicht 24 verbindet somit optisch die Hypotenusenfläche 18 mit den Hypotenusenflächen 14, 16, und die zweite teilreflektierende Schicht
26 verbindet die Hypotenusenfläche 18 mit den Hypotenusenflächen 12, 14.
Die erste teilreflektierende Schicht 24 ist so gefertigt, dass sie Strahlung in einem Frequenzband zwischen 1 μm und 1,5 μm reflektiert und infrarote Strahlung in einem anderen Frequenzbereich im Wesentlichen ungehindert transmittiert. Die zweite teilreflektierende Schicht 26 reflektiert ein Frequenzband zwischen 3,5 μm und 4 μm im Wesentlichen vollständig und transmittiert übrige infrarote Strahlung.
Bei einer Einstrahlung von infrarotem Licht in einem Wellenlängenbereich, der in
Figur 1 mit λ bezeichnet ist, durch die Hypotenusenfläche 18 wird infrarotes Licht im Spektralbereich λi = 1 μm bis 1,5 μm von der ersten teilreflektierenden Schicht 24 reflektiert und zur Hypotenusenfläche 16 gelenkt, die als Strahlaustrittsfläche der optischen Verzweigung 2 dient. Die zweite teilreflektierende Schicht 26 reflektiert infrarote Strahlung mit λ2 = 3,5 μm bis 4 μm und lenkt sie zur Hypotenusenfläche 12 des Prismas 4. Die übrige infrarote Strahlung im Wellenbereich λ, die nicht innerhalb der beiden Frequenzbänder λi und λ2 liegt, wird von beiden teilreflektierenden Schichten 24, 26 transmittiert und verlässt die optische Verzweigung 2 durch die Hypotenusenfläche 14 des Prismas 6. Dieser Restspektralbereich ist mit λR bezeichnet.
In Figur 2 ist eine weitere optische Verzweigung 32 mit vier Prismen 34, 36, 38, 40 gezeigt, die zusammen eine kompakte würfelförmige Prismenanordnung bilden. Analog zur in Figur 1 gezeigten optischen Verzweigung 2 sind die Prismen 34, 36, 38, 40 mit einer Klebstoffschicht 42 miteinander verbunden und auf jeweils nur einer ihrer Kathetenflächen mit einer teilreflektierende Schicht 44, 46 aus einem dichroitischen Interferenzsystem versehen. Hierdurch kann eine preisgünstige Herstellung der teilreflektierenden Schichten 44, 46 erreicht werden.
Bis auf die unterschiedlichen Anordnungen der teilreflektierenden Schichten 44, 46 an den Prismen 34, 36, 38, 40 entspricht die optische Verzweigung 32 der optischen Verzweigung 2.
Eine weitere Möglichkeit der Beschichtung von zwei teilreflektierenden Schichten
48, 50 in einer als Strahlteilerwürfel ausgestalteten optischen Verzweigung 52 ist in Figur 3 gezeigt. Hierbei sind jeweils zwei Prismen 54, 56 auf ihren Kathetenflächen unbeschichtet und zwei Prismen 58, 60 weisen auf beiden Kathetenflächen jeweils einen Teil der teilreflektierenden Schichten 48, 50 auf.
Eine etwas andere Anordnung einer optischen Verzweigung 62 ist in Figur 4 gezeigt. Die optische Verzweigung 62 ist wie in den vorangegangenen Figuren als trichroitischer Strahlteilerwürfel ausgestaltet, der jedoch in diesem Fall vier dreiecksquaderförmige Prismen 64, 66, 68, 70 und ein quaderförmiges Prisma 72 umfasst. Um das quaderförmige Prisma 72 sind die Prismen 64, 66, 68, 70 an jeweils ihrer Hypotenusenfläche mit einer dünnen Klebstoffschicht 74 angeklebt. Die Strahldurchtrittsflächen der optischen Verzweigung 62 werden jeweils durch Kathetenflächen der Prismen 64, 66, 68, 70 gebildet. Auf die Hypotenusenflächen der Prismen 64, 66, 68, 70 ist jeweils ein dünnes dichroitiscb.es Interferenzschichtsystem aufgebracht, wobei die auf die Prismen 64, 68 aufgebrachte dichroitische Schicht eine erste teilreflektierende Schicht 76 bildet und die auf die Prismen 66, 70 aufgebrachte dichroitische Schicht eine zweite teilreflektierende Schicht 78 bildet. Beide teilreflektierende Schichten 76, 78 bestehen somit aus zwei Teilschichten, die jeweils parallel zueinander ausgerichtet sind und von Strahlung, die durch eine Strahldurchtrittsfläche der optischen Verzweigung 62 hindurchtritt, beschienen werden.
Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Figur 5 gezeigt. Figur 5 zeigt eine als Strahlteilerwürfel ausgestaltete optische Verzweigung 82, die im
Wesentlichen identisch ist mit der optischen Verzweigung 2 aus Figur 1. Der Unterschied der optischen Verzweigung 82 im Vergleich zur optischen Verzweigung 2 besteht darin, dass die erste teilreflektierende Schicht 84 eine Polarisationsschicht ist, die senkrecht zur Papierebene schwingende Strahlung reflektiert und parallel zur Papierebene schwingende Strahlung transmittiert. Eine zweite teilreflektierende Schicht 86 der optischen Verzweigung 2 ist als Tiefpassfilter ausgestaltet, der Strahlung zwischen 5 μm und 10 μm passieren lässt und Strahlung mit einer Wellenlänge zwischen 1 μm und 5 μm reflektiert.
Bei Einstrahlung von infraroter Strahlung im Spektralbereich λ durch die
Strahldurchtrittsfläche 88 wird der parallel zur Papierebene schwingende Anteil von Strahlung in einem zweiten Frequenzband λ = 5μm - 10 μm weder vom Polarisationsfilter der ersten teilreflektierenden Schicht 84 noch vom Spektralfilter der zweiten teilreflektierenden Schicht 86 reflektiert. Dieser Strahlungsanteil passiert die optische Verzweigung 82 im Wesentlichen ungehindert und tritt durch die Strahldurchtrittsfläche 90 aus der optischen Verzweigung 82 wieder aus. Der senkrecht zur Papierebene schwingende Anteil von Strahlung im zweiten Frequenzband λ2 wird von der ersten teilreflektierenden Schicht 84 reflektiert und verlässt die optische Verzweigung 82 durch die Strahldurchtrittsfläche 92. Ein in Papierebene schwingender Anteil in einem ersten Frequenzband λ\ = 1 μm - 5 μm wird lediglich durch die zweite teilreflektierende Schicht 86 reflektiert und verlässt die optische Verzweigung 82, indem er senkrecht durch eine Strahldurchtrittsfläche 94 austritt. Der senkrecht zur Papierebene schwingende Anteil von Strahlung im ersten Frequenzband λi wird von beiden teilreflektierenden Schichten 84, 86 reflektiert und verlässt die optische Verzweigung 82 durch die gleiche Strahldurchtrittsfläche 88, in der diese in die optische Verzweigung 82 eingestrahlt ist. Figur 6 zeigt eine als pentachroitischen Strahlteilerwürfel ausgestaltete optische Verzweigung 96 mit 14 Prismen aus z.B. Zinksulfid-Cleartran, die eine hohe Durchlässigkeit für Strahlung im Spektralbereich λ = 0,4 μm - 14 μm aufweisen. (Cleartran ist ein eingetragenes Warenzeichen der Rohm & Haas Company, Wobum, MA 01801, USA.) Die Prismen tragen vier teilreflektierenden Schichten
98, 100, 102, 104. Die erste teilreflektierende Schicht 98 und die zweite teilreflektierende Schicht 100 sind analog ausgeführt wie die teilreflektierenden Schichten 24, 26 der optischen Verzweigung 2 aus Figur 1. Die dritte und vierte teilreflektierende Schicht 102, 104 sind jeweils parallel zu zwei weiteren Würfeldiagonalen angeordnet, so dass alle vier teilreflektierenden Schichten 98,
100, 102, 104 mit einem Winkel von 45° zu einer Strahleintrittsfläche 106 der optischen Verzweigung 96 angeordnet sind. Aus Strahlung des Spektralbereichs λ, die durch die Strahleintrittsfläche 106 in die optische Verzweigung 96 eintritt, werden durch die teilreflektierenden Schichten 98, 100, 102, 104 vier Frequenzbänder λi, λ2, λ3, λ herausgeschnitten, und ein Restspektralbereich λ verlässt die optische Verzweigung 96 im Wesentlichen ungehindert auf der der Strahleintrittsfläche 106 gegenüberliegenden Strahlaustrittsfläche der optischen Verzweigung 96. Es ist auch möglich, nur drei teilreflektierende Schichten vorzusehen oder auch nur zwei teilreflektierende Schichten, die auf nicht senkrecht aufeinander stehenden
Würfeldiagonalen angeordnet sind.
Die optische Verzweigung 96 umfasst zwei pyramidenförmige Prismen, deren quadratische Basisfläche die Strahleintrittsfläche 106 bzw. die nicht sichtbare Strahlaustrittsfläche für Strahlung des Restspektralbereichs λR bildet. Ferner umfasst die optische Verzweigung 96 acht vierflächige Prismen und vier sechsflächige Prismen, so dass die optische Verzweigung 96 aus 14 Prismen besteht, die durch eine Klebstoffschicht 108 zu einer kompakten Prismenanordnung zusammengefügt sind.
Figur 7 zeigt eine Vorrichtung 112 zur Erfassung einer Objektszene, die drei optische Detektoren 114, 116, 118 und ein optisches System 120 umfasst, das aus zwei Teilen 122, 124 besteht. Die Vorrichtung 112 ist in einer Hülle 126 eines Flugkörpers angeordnet. Die Nase des Flugkörpers wird von einem halbkugeligen Dom oder Fenster 128 gebildet. Die Vorrichtung 112 weist einen Rollrahmen 130 auf, der um eine Rollachse 132 drehbar gelagert ist. Die Rollachse 132 fällt mit der Längsachse des Flugkörpers zusammen. In dem Rollrahmen 132 ist ein Nickrahmen 134 um eine Nickachse 136 schwenkbar gelagert. Der Rollrahmen 130 gestattet eine Schwenkbewegung des Nickrahmens 134 um die Nickachse
136 um einen Winkel von etwa 180°.
Am Nickrahmen 134 befestigt ist eine Teleskopoptik 138, die in einen halbkugelgroßen Raumwinkel schwenkbar ist. Ebenfalls am Nickrahmen 134 befestigt ist ein erstes Umlenkprisma 140 zur Umlenkung der optischen Achse
142, die im Bereich der Teleskopoptik 138 mit der Rollachse 132 zusammenfällt, in die Nickachse 136. Die Hypotenusenfläche des Umlenkprismas 140 bildet mit der optischen Achse 142 einen Winkel von 45°. Die Eintrittskathetenfläche des Umlenkprismas 140 kann hierbei konvex und die Austrittskathetenfläche des Umlenkprismas 140 konkav gekmrnmt sein, so dass das Umlenkprisma 140 eine
Linsenwirkung aufweist. Hierdurch kann zwischen dem Umlenkprisma 140 und einem zweiten Umlenkprisma 144 ein Zwischenbild der Objektszene erreicht werden. Die Ausnutzung des Umlenkprismas 140 als Linse vermindert die Zahl der reflektierenden Flächen und damit Lichtverluste durch Streulicht. Ferner kann durch geschickte Wahl der Materialien und Brechzahl der Umlenkprismen 140,
144, 146, 148 das optische System 120 passiv temperaturkompensiert werden.
Im Rollrahmen 130 sind zwei Umlenkprismen 146, 148 gehaltert, die die optische Achse 142 zuerst parallel zur Rollachse 132, dann parallel zur Nickachse 136 und dann in die Rollachse 132 umlenken. Das zweite Umlenkprisma 144 sitzt auf der
Nickachse 136. Seine Hypotenusenfläche ist um 45° zur Nickachse 136 und zu der einmal umgelenkten optischen Achse 142 geneigt. Die Kathetenflächen des Umlenkprismas 144 können analog zu den Kathetenflächen des Umlenkprismas 140 ausgestaltet sein, so dass ein Zwischenbild zwischen dem zweiten Umlenkprisma 144 und dem dritten Umlenkprisma 146 und in analoger Weise zwischen dem dritten Umlenkprisma 146 und dem vierten Umlenkprisma 148 angeordnet ist. Die Hypotenusenflächen der Umlenkprismen 146, 148 sind wiederum um 45° geneigt zur optischen Achse 142, so dass der Abbildungsstrahlengang von der Teleskopoptik 138 in eine optische Verzweigung 150 gelenkt wird.
In der optischen Verzweigung 150 wird die Strahlung des Abbildungsstrahlengangs wie zu Figur 1 beschrieben in zwei Frequenzbänder und einen Restspektralbereich aufgeteilt. Die Strahlung in einem Frequenzband, das im sichtbaren Licht zwischen 0,4 μm und 0,8 μm liegt, wird dem Detektor 114 zugeleitet, der in diesem Frequenzband empfindlich ist. Strahlung aus dem zweiten Frequenzband, das im nahen Infrarot zwischen 0,8 μm und 1,5 μm liegt, wird dem Detektor 118 zugeleitet. Der Detektor 118 ist im nahen Infrarot zwischen 1,5 μm und 1,6 μm empfindlich, wobei dieser zweite Spektralpfad den Empfang einer aktiven LADAR-Strahlung dient, welche insbesondere auch die genauen Objektabstände liefert. Der Hauptpfad in Transmission durch die optische Verzweigung 150 wird für den infraroten Spektralbereich zwischen 2 und 5 μm vorgesehen, welcher eine passive Erfassung einer Objektszene auch bei
Nacht und schlechtem Wetter ermöglicht.
In Figur 7 ist die optische Verzweigung 150 vor Linsen eines Detektorobjektivs 152 des Spektralpfads in Transmission angeordnet. Hierbei besitzen die beiden anderen Spektralpfade in Reflexion ein eigenes Detektorobjektiv 154, 156. Es ist auch möglich, die optische Verzweigung 150 zwischen oder nach Detektorobjektiven 152, 154, 156 anzuordnen, wodurch zwar die Linsenanzahl reduziert werden kann, jedoch bei einem breiten Gesamtspektrum eine chromatische Aberration nicht einfach korrigierbar ist.
Anstelle der als Strahlteilerwürfel ausgestalteten optischen Verzweigung 150 können auch andere der oben beschriebenen optischen Verzweigungen 32, 52, 62, 82, 96 in der Vorrichtung 112 Verwendung finden. Ebenso gut möglich sind auch andere optische Verzweigungen, wie beispielsweise Strahlteilerplatten oder Strahlteilermembranen. Die Strahlteilerplatten sollten hierbei um 45° zur optischen Achse 142 des optischen Systems 120 verkippt sein. Die auf die Vorrichtung bezogene Erfindung bezieht sich auf jedwede optische Verzweigung, die einen Strahlengang in zwei oder mehr Richtungen aufspaltet bzw. zwei oder mehr einfallende Strahlengänge in einen ausfallenden Strahlengang vereinigt. Ein Strahlteilerwürfel als optische Verzweigung 150, dessen Strahleintrittsfläche senkrecht zur optischen Achse 142 steht, hat den Vorteil, dass er nur eine rotationssymmetrische Aberration, insbesondere einen Farbfehler, erzeugt, welcher durch eine Modifikation der vorausgehenden oder nachfolgenden Linsen einfach korrigiert werden kann. Ein Strahlteilerwürfel kann daher im parallelen, konvergenten oder divergenten Strahlengang eingesetzt werden. Ein Strahlteilerwürfel hat ferner gegenüber einer Strahlteilerplatte oder einer Strahlteilermembran den Vorteil eines wesentlich kleineren Platzbedarfs in der Vorrichtung 112, da sämtliche Strahleinfallwinkel im optischen Material um den
Brechzahlfaktor 1/n reduziert werden.
Die optische Verzweigung 150 bildet zusammen mit den Detektorobjektiven 152, 154, 156 den strukturfesten Teil 124 des optischen Systems 120. Der strukturfeste Teil 124 ist fest in der Hülle 126 des Flugkörpers gehaltert. Relativ zu diesem strukturfesten Teil 124 ist der Teil 122 des optischen Systems 120 beweglich gelagert, wobei ein erster Teil mit dem Rollrahmen 130 fest verbunden ist und somit eindimensional um die Rollachse 132 beweglich ist und ein zweiter Teil am Nickrahmen 134 befestigt ist und zweidimensional beweglich ist, nämlich um die Rollachse 132 und um die Nickachse 136 schwenkbar ist.
Die Anordnung der optischen Verzweigung 150 im strukturfesten optischen Teil 124 hat den Vorteil, dass eine Strahlaufspaltung erst strukturfest erfolgt, wodurch Platz, Material und somit Kosten gespart werden können.
Bezugszeichen
2 Verzweigung 60 Prisma
4 Prisma 62 optische Verzweigung
6 Prisma 64 Prisma
8 Prisma 66 Prisma
10 Prisma 68 Prisma
12 . Hypotenusenfläche 70 Prisma
14 Hypotenusenfläche 72 Prisma
16 Hypotenusenfläche 74 Klebstoffschicht
18 Hypotenusenfläche 76 Schicht
20 Kathetenfläche 78 Schicht
22 Kathetenfläche 82 Verzweigung
24 Schicht 84 Schicht
26 Schicht 86 Schicht
28 Klebstoffschicht 88 Strahldurchtrittsfläche
32 optische Verzweigung 90 Strahldurchtrittsfläche
34 Prisma 92 S trahldurchtrittsfläche
36 Prisma 94 Strahldurchtrittsfläche
38 Prisma 96 Verzweigung
40 Prisma 98 Schicht
42 Klebstoffschicht 100 Schicht
44 Schicht 102 Schicht
46 Schicht 104 Schicht
48 Schicht 106 Strahleintrittsfläche
50 Schicht 108 Klebstoffschicht
52 optische Verzweigung 112 Vorrichtung
54 Prisma 114 Detektor
56 Prisma 116 Detektor
58 Prisma 118 Detektor 120 System 146 Umlenkprisma
122 Teil 148 Umlenkprisma
124 Teil 150 Verzweigung
126 Hülle 152 Detektorobj ektiv
128 Fenster 154 Detektorobjektiv
130 Rollrahmen 156 Detektorobj ektiv
132 Rollachse λ Spektralbereich
134 Nickrahmen λi Frequenzband
136 Nickachse λ2 Frequenzband
138 Teleskopoptik λ3 Frequenzband
140 Umlenkprisma λ Frequenzband
142 optische Achse λR Restspektralbereich
144 Umlenkprisma

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (112) zur Erfassung einer Objektszene mit einem abbildenden optischen System (120) und mindestens drei mit dem optischen System (120) optisch verbundenen Detektoren (114, 116, 118), g e k e n n z e i c h n e t d u r c h a) eine optische Verzweigung (2, 32, 52, 62, 82, 96, 150) mit einer kompakten Prismenanordnung, die eine Anzahl von Prismen (4, 6, 8, 10, 34, 36, 38, 40, 54, 56, 58, 60, 64, 66, 68, 70, 72), eine erste, eine zweite und eine dritte äußere Strahldurchtrittsfläche (88, 90, 92, 94) und eine teilreflektierende Schicht (24, 44, 48, 76, 84, 98) aufweist, die die erste Strahldurchtrittsfläche (88) mit der zweiten und dritten Strahldurchtrittsfläche (90, 92, 94) optisch verbindet, wobei die Prismenanordnung eine zweite teilreflektierende Schicht (26, 46, 50, 78, 86, 100, 102, 104) umfasst, die angewinkelt zur ersten teilreflektierenden Schicht (24, 44, 48, 76, 84, 98) ausgerichtet ist, wobei b) das optische System (120) einen ersten strukturfesten Teil (124) und einen beweglichen Teil (122) umfasst, der relativ zum ersten Teil (124) um mindestens eine Achse (132, 136) schwenkbar ist, und wobei c) die optische Verzweigung (2, 32, 52, 62, 82, 96, 150) im strukturfesten Teil (124) des optischen Systems (120) angeordnet ist.
Vorrichtung (112) nach Ansprüche 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der schwenkbare Teil (122) um mindestens zwei senkrecht zueinander ausgerichteten Achsen (132, 136) schwenkbar ist.
3. Vorrichtung (112) nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die teilreflektierenden Schichten (24, 26, 44, 46, 48, 50, 76, 78, 84, 86, 98, 100, 102, 104) jeweils in einer Ebene angeordnet sind, wobei sich die Ebenen innerhalb der Prismenanordnung gegenseitig durchdringen.
4. Vorrichtung (112) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die teilreflektierenden Schichten (24, 26, 44, 46, 48, 50, 76, 78, 84, 86, 98, 100, 102, 104) senkrecht zueinander angeordnet sind.
5. Vorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die teilreflektierenden Schichten (24, 26, 44, 46, 48, 50, 76, 78, 84, 86, 98, 100, 102, 104) jeweils als dichroitischer Filter, insbesondere als ein Interferenzschichtsystem, ausgestaltet sind.
6. Vorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zumindest eine teilreflektierende Schicht (84) einen Polarisationsfilter umfasst.
7. Vorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die eine teilreflektierende Schicht (24, 26, 44, 46, 48, 50, 76, 78, 98, 100, 102, 104) für an der anderen teilreflektierenden Schicht (24, 26, 44, 46, 48, 50, 76, 78, 98, 100, 102, 104) reflektierte Strahlung transparent ist.
8. Vorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Prismen (4, 6, 8, 10, 34, 36, 38, 40, 54, 56, 58, 60) vier zu einem Quader zusammengesetzte Prismen (4, 6, 8, 10, 34, 36, 38, 40, 54, 56, 58, 60) mit jeweils einer Hypotenusenfläche (12, 14, 16, 18), zwei Katletenflächen (20, 22) und zwei zueinander parallelen Seitenflächen sind.
9. Vorrichtung (112) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eines der Prismen (10, 58) mit seiner Hypotenusenfläche (12) eine Strahldurchtrittsfläche bildet und die erste Kathetenfläche (20) des Prismas (10, 58) mit einer ersten teilreflektierenden Schicht (24, 48, 84, 98, 102) und die zweite Kathetenfläche (22) des Prismas (10, 58) mit einer von der ersten unterschiedlichen zweiten teilreflektierenden Schicht (26, 50, 86, 100, 104) beschichtet ist.
10. Vorrichtung (112) nach Anspruch 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s jeweils eine der Kathetenflächen der Prismen (34, 36, 38, 40) mit einer teilreflektierenden Schicht (44, 46) beschichtet ist.
11. Vorrichtung (112) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Prismenanordnung zumindest eine dritte teilreflektierende Schicht (102, 104) umfasst, die angewinkelt zu der ersten und zweiten teilreflektierenden Schicht (98, 100) ausgerichtet ist.
2. Vorrichtung (112) nach Anspruch 11 , d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Prismenanordnung eine Würfelform aufweist, wobei eine Außenfläche des Würfels als Strahleintrittsfläche (106) dient und mindestens vier der übrigen fünf Außenflächen jeweils als eine Strahlaustrittsfläche dienen.
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