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Vorrichtung zur Beobachtung von Objekten bei Nacht ohne Hilfsbeleuchtung
Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Beobachtung von Objekten bei
Nacht ohne Anstrahlung bzw. Hilfsbeleuchtung mit einem optischen System hoher Lichtstärke,
das ein Bild des Objekts bzw. der Szene auf die Photokathode eines Helligkeitsverstärkers
wirft, und mit einem vergrößernden optischen System zur Beobachtung des Endbildes
des Helligkeitsverstärkers.
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Nachtfernrohre mit einer Voroptik und einem elektronischen Ultrarot-Bildwandler
sind bekannt und haben ausgedehnte Verwendung zur Beobachtung von Gegenständen bei
nebligem Wetter und während der Nacht gefunden. Bei diesen Geräten werden die zu
beobachtenden Objekte durch eine besondere Quelle für ultrarote Strahlen angestrahlt.
In der Regel wird das Bild, das auf dem Leuchtschirm des Bildwandlers erscheint,
durch ein Okular (Lupe oder Mikroskop) von solcher Konstruktion betrachtet, daß
die Winkelvergrößerung des vollständigen Fernrohrs im wesentlichen gleich Eins ist.
Unter diesen Umständen sieht man einen Gegenstand durch das Fernrohr unter dem gleichen
Sehwinkel wie mit dem unbewaffneten Auge, was bei gewissen Verwendungszwecken erwünscht
sein kann, z. B. im Falle eines Fernrohres, das von einem Kraftfahrer benutzt werden
soll.
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Der unerwünschte Umstand, daß bei militärischer Verwendung die erforderliche
Ultrarotanstrahlung eine Möglichkeit der Entdeckung durch den Gegner gewährt, hat
zu Versuchen geführt, Systeme mit einer ähnlichen Anordnung einer Voroptik und einer
Bildröhre zu konstruieren, bei welchen jedoch die Bildröhre mit einer Photokathodenschicht
versehen ist, die, wenn sie auch für die vorhandenen unsichtbaren Strahlen empfindlich
sein mag, doch eine ganz besondere Empfindlichkeit für die Strahlung des sichtbaren
Spektrums aufweist. Derartige Systeme arbeiten ohne Anstrahlung durch besondere
Strahlungsquellen wie Ultrarotscheinwerfer. Sie nutzen vielmehr die natürliche Strahlung
der zu beobachtenden Objekte aus, wobei die Bildröhre in erster Linie nicht als
Bildwandler, sondern als Helligkeitsverstärker dient.
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Bei Entwicklungsarbeiten an Systemen dieser Art wurde festgestellt,
daß ein Helligkeitsverstärker in Kombination mit einer Voroptik und einer vergrößernden
Beobachtungsoptik zum Zwecke verbesserter Wahrnehmung von Einzelheiten bei schlechtem
Licht und bzw. oder geringem Kontrast besonders gute Resultate ergibt, wenn für
einige der für das System maßgeblichen Größen bestimmte und im Zusammenhang miteinander
stehende Werte gewählt werden, insbesondere wenn darauf verzichtet wird, daß das
System eine Gesamtvergrößerung gleich Eins haben muß.
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Die Vorrichtung nach der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
das optische System einen Durchmesser der Lichtstrahleneintrittsöffnung von mindestens
300 mm hat, wobei das Öffnungsverhältnis größer ist als etwa 1:0,8, der Helligkeitsverstärker
eine lineare Verkleinerung der Bildgröße um mindestens das 4fache herbeiführt, das
Verhältnis zwischen der Brennweite des optischen Systems und der erwähnten linearen
Verkleinerung mindestens gleich dem 5fachen wirksamen Durchmesser des Endbildes
des Helligkeitsverstärkers ist und das optische System zur Betrachtung eine Brennweite
hat, die kleiner ist als das 1,5fache des wirksamen Durchmessers des Endbildes.
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Das gemäß der vorliegenden Erfindung bemessene System hat gezeigt,
daß es den Sehwinkel, unter welchem Einzelheiten, die einen bestimmten Kontrast
gegenüber einem Hintergrund bestimmter Leuchtdicke aufweisen, bemerkt werden können,
in erheblichem und überraschendem Grade vermindert, wohingegen das Gesichtsfeld
der Vorrichtung für praktische Zwecke genügend weit, und zwar in der gleichen Größenordnung
wie der Feldwinkel normaler optischer Feldgläser gehalten werden kann. So war es
möglich, bei einer Hintergrundleuchtdichte von 3,5 - 10-9 Stilb, was praktisch ein
Tausendstel der Horizonthelligkeit bei Vollmond entspricht, die Winkelauflösung
für Gegenstände von annäherungsweise 100°/o Kontrast auf 0,0005 Radiant herabzusetzen.
Unter diesen Verhältnissen würde das unbewaffnete Auge einen Winkel
von
0,012 Radiant auflösen, wohingegen bekanntlich ein geübter Beobachter bei normalem
Tageslicht Gegenstände mit annäherungsweise 100'% Kontrast noch unter einem Sehwinkel
in der Größenordnung von 1 Bogenminute, d. h. rund 0,0003 Radiant, erkennen kann.
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Die vorgeschlagene Bemessung der Vorrichtung ist von einer Reihe von
maßgebenden, einander teilweise widersprechenden, physikalischen und technischen
Faktoren bedingt, die nachstehend kurz erläutert werden sollen und die in ihrem
Zusammenhang von der Erfindung zweckmäßig verwertet werden.
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Die Frage, ob ein gewisses Detail mit gegebenem Kontrast aus dem Hintergrund
auflösbar ist, wird grundsätzlich dadurch entschieden, ob der Unterschied der pro
Zeiteinheit von Detail und Hintergrund herrührenden, einfallenden Anzahlen von Photonen
die als Photonenrauschen bekannten, statistischen Schwankungen dieser Anzahlen wesentlich
übersteigt oder nicht. Da das Photonenrauschen bekanntlich der Ouadratwurzel der
Photonenzahl umgekehrt proportional ist, ist es zur Steigerung der Detailerkennbarkeit
mittels eines optischen oder elektronenoptischen Fernrohres wesentlich, daß das
System eine große Eintrittsöffnung aufweist, damit die Zahl der einfallenden Photonen
groß ist. Ferner ist auch ein großes Öffnungsverhältnis der Voroptik erwünscht,
weil dieses Verhältnis die Beleuchtungsstärke in der Bildfläche bestimmt und eine
große Beleuchtungsstärke der Photokathode der Bildverstärkerröhre zu einem günstigen
Verhältnis zwischen dem Signalstrom und dem Dunkelstrom der Röhre führt. Unter öffnungsverhältnis
ist hier üblicherweise das Verhältnis zu verstehen zwischen dem Durchmesser des
achsenparallel einfallenden Lichtbündels und der Brennweite der Voroptik.
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Andererseits bedeutet aber das große öffnungsverhältnis der Voroptik
bei einem gegebenen Durchmesser dieser Voroptik, daß der Abbildungsmaßstab auf der
Photokathode klein ist. Bekanntlich wird das Auflösungsvermögen von Bildröhren besonders
durch gewisse elektronenoptische Vorgänge (chromatische Aberrationen) in der unmittelbaren
Nähe der Photokathode beeinträchtigt, und eine große Kathodenfläche trägt wesentlich
zur Herabsetzung des Einflusses dieser Faktoren bei.
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Der wirksame Durchmesser des Leuchtschirmes der Röhre, also der Durchmesser
des Endbildes des Bildverstärkers, soll einmal mit Rücksicht auf das Auflösungsvermögen
der zur Verfügung stehenden Leuchtschichten mindestens eine solche Größe haben,
daß dieser Schirm die erreichbare Gesamtauflösung nicht wesentlich einschränkt,
andererseits kommt eine Verkleinerung des Schirmbildes im Vergleich zu dem Photokathodenbild
der Helligkeit des Anodenbildes quadratisch zugute, ist doch die Lichtverstärkung
der Röhre dem Ouadrat der linearen Verkleinerung proportional.
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Für die der Röhre nachgeschaltete Betrachtungsoptik gilt, daß ihre
Brennweite zusammen mit der als Quotient der Brennweite der Voroptik und dem Verkleinerungsfaktor
des Bildverstärkers definierten Äquivalenzbrennweite des ganzen ihr vorgeschalteten
Systems von Voroptik und Bildverstärker die Gesamtvergrößerung der Vorrichtung bestimmt,
in ähnlicher Weise wie die Objektiv- und Okularbrennweiten die Vergrößerung beim
optischen Fernrohr bestimmen. Diese Gesamtvergrößerung soll erfindungsgemäß einen
gewissen Wert nicht unterschreiten. Die Erfindung macht sich also zu einem gewissen
Grade, zusätzlich zu der vom Bildverstärker herrührenden Helligkeitssteigerung,
auch den vom optischen Nachtfernrohr bekannten Effekt zu Nutze, der darin besteht,
daß die Einschnürung des von der großen Objektivlinse eingefangenen Lichtstroms
in die kleinere Augenpupille die Detailerkennbarkeit steigert, sei es auch unter
Aufopferung des Blickwinkels.
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Es sei hier erwähnt, daß durch die von der Betrachtungsoptik gelieferte
Vergrößerung der Vorteil der Erhöhung der Beleuchtungsdichte infolge der Bildverkleinerung
im Bildverstärker nicht wieder verlorengeht, da die scheinbare Helligkeit, mit der
eine Fläche durch eine vergrößernde Optik betrachtet wird, unabhängig von der Vergrößerung
ist.
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Bekanntlich kann man die durch eine Bildröhre herbeigeführte Helligkeitsverstärkung
in zwei Faktoren zerlegen, nämlich die Verstärkung infolge der Verkleinerung der
Bildgröße (geometrische Verstärkung) und diejenige, welche durch die aus dem elektrostatischen
Feld durch die von der Photokathode zu dem Leuchtschirm wandernden Elektronen aufgenommene
Energie verursacht wird (Lumenverstärkung). Da erfindungsgemäß der Bildverstärker
eine Verkleinerung aufweisen soll, die mindestens gleich Vier ist, wird man verstehen,
daß die geometrische Verstärkung etwa gleich dem 15fachen oder höher ist. Da ferner
die gegenwärtig zur Verfügung stehenden Bildröhren Lichtstromverstärkungsfaktoren
von etwa 10 bis zu 20 aufweisen, kann man daraus schließen, daß bei der Vorrichtung
gemäß der Erfindung beide Verstärkungsfaktoren von der gleichen Größenordnung sind.
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Falls die Helligkeit des von der Bildröhre erzeugten Bildes geringer
als erwünscht ist, kann man die Bildhelligkeit dadurch weiter erhöhen, daß man dem
System eine zweite Bildröhre oder gegebenenfalls eine Kaskade aus zwei oder mehreren
solcher Bildröhren hinzufügt. Ein optisches System wirft dann ein Bild des Leuchtschirmes
der primären Bildröhre auf die Photokathode der zusätzlichen Bildröhre. Oder aber
es sind im Fall einer Kaskade aus zwei oder mehreren solcher Bildröhren zwischen
der Primärbildröhre und der ersten Bildröhre der Kaskade sowie zwischen jedem Paar
aufeinanderfolgender Bildröhren in der Kaskade optische Systeme hoher Lichtstärke
angeordnet, um das Bild des Leuchtschirms der vorhergehenden Röhre auf die Photokathode
der nächsten Röhre in der Kette zu werfen. Auf jeden Fall muß die Gesamtverkleinerung
der Bildgröße zwischen dem Photokathodenbild der ersten Röhre und dem Leuchtschirmbild
der letzten Röhre in der Kaskade gemäß der vorliegenden Erfindung mindestens-den
Wert von Vier haben. Insbesondere ist es möglich, eine Kaskade optisch miteinander
gekoppelter Bildröhren vorzusehen, deren Gesamtvergrößerung gleich Eins ist, kombiniert
mit einer Primärbildröhre, deren Verkleinerungsfaktor den erwähnten Wert von mindestens
Vier hat.
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Die Zeichnung zeigt schematisch im Längsschnitt gemäß der vorliegenden
Erfindung konstruierte Vorrichtungen.
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Fig. 1 zeigt ein Fernrohr mit einer Bildröhre; Fig. 2 zeigt ein Fernrohr
mit einer anderen Voroptik und einem Satz von zwei Bildröhren. Angesichts des erforderlichen
großen Öffnungsdurchmessers der in die Vorrichtung einzubauenden Voroptik und um
das Gewicht des Geräts so niedrig als möglich zu halten, wird bei jeder der beiden
dargestellten Ausführungsformen ein Spiegelobjektiv verwendet. Das in Fig. 1 dargestellte
Objektiv besteht
aus einem sphärischen Hohlspiegel 2, der in dem
Gehäuse 1 angebracht ist, einer meniskusförmigen Linse 3, welche einen Teil der
sphärischen Aberration des Spiegels 2 korrigiert, einer Schmidtschen Korrektionsplatte
5, welche die verbleibende sphärische Aberration beseitigen soll, sowie einem ebenen
Fangspiegel n, welcher dem Hohlspiegel 2 gegenübersteht. Das Gehäuse 1 nimmt ferner
die anderen Bestandteile der Vorrichtung auf, wie eine Bildverstärkerröhre 6, das
binokulare Mikroskop 8, eine Quelle für elektrische Hochspannungsenergie 9 sowie
ein Trockenmittel 10. Die Bildröhre ist in einer zentralen Öffnung des Hohlspiegels
2 untergebracht, wobei der ebene Spiegel 4 ein Bild des Objekts auf die Photokathode
7 der Bildröhre 6 wirft. Das Bild wird auf dem Leuchtschirm der Röhre in kleinerer
Größe, jedoch mit erhöhter Helligkeit reproduziert. Der Leuchtschirm wird beobachtet
durch ein binokulares Mikroskop 8, dessen äquivalente Brennweite den Durchmesser
des Leuchtschirmbildes des Helligkeitsverstärkers nicht um einen Faktor von mehr
als 1,5 überschreitet. Unter der äquivalenten Brennweite der Beobachtungsoptik ist,
im Fall, daß diese von einem ein Objektiv und ein Okular aufweisenden Mikroskop
gebildet wird, die Brennweite einer Lupe zu verstehen, die die gleiche Vergrößerung
wie das Mikroskop besitzt.
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In Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung sind die geometrischen
Daten des dargestellten Systems folgende:
| Durchmesser des wirksamen achsen- |
| parallelen Bündels der Voroptik 450 mm |
| Brennweite der Voroptik . . . . . . . . 350 mm |
| WirksamerDurchmesser derPhoto- |
| kathode ....................... 50 mm |
| Wirksamer Durchmesser desLeucht- |
| schirmes ..................... 12,5 mm |
| Äquivalente Brennweite des Mikro- |
| skops ......................... 12,5 mm |
| Die Gesamtvergrößerung des Fern- |
| rohrs beträgt.................. 7 x. |
In Fig. 2 ist ein erfindungsgemäßes Fernrohr dargestellt, bei dem zwei optisch miteinander
gekoppelte Bildröhren vorgesehen sind, um den gewünschten Grad der Bildhelligkeitsverstärkung
zu erhalten. Bei dieser Ausführungsform sind die verschiedenen Teile so konstruiert
und angeordnet, daß die Gesamtabmessungen des Geräts auf ein Mindestmaß beschränkt
werden. Zu diesem Zweck wurde eine besondere Bauart eines Spiegelobjektivs als Voroptik
gewählt, wobei die optische Achse der Bildverstärkeranordnung durch ein Prisma geknickt
wird, um den Raum hinter der V oroptik so weit als möglich auszunutzen.
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Das die Voroptik bildende Spiegelsystem nimmt den oberen linken Teil
des Gehäuses 10 ein und besteht aus einem sphärischen Hohlspiegel 11, einem
ebenen Spiegel 12, der unter einem Winkel von 45° zur Achse des Hohlspiegels
11 geneigt ist, sowie einer Schmidtschen Korrektionsplatte 13,, die praktisch im
rechten Winkel zu dem Hohlspiegel angeordnet ist. Der ebene Spiegel 12 besitzt eine
zentrale Öffnung, in welcher eine Primärbildröhre 14 angebracht ist, deren Achse
mit der optischen Achse des Hohlspiegels 11 zusammenfällt. Aus der Zeichnung ist
klar ersichtlich, daß die in das System durch die Korrektionsplatte 13 eintretenden
Lichtstrahlen durch den ebenen Spiegel 12 in Richtung auf den Hohlspiegel 11 zurückgeworfen
und dann von dem letzteren auf die Photokathode der Primärbildröhre 14 fokussiert
werden. Es wäre noch zu bemerken, daß die Korrektionsplatte 13 in dem durch den
ebenen Spiegel 12 reflektierten Krümmungsmittelpunkt des Hohlspiegels 11 angeordnet
ist.
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Die Bildverstärkeranordnung hinter dem ebenen Spiegel 12 umfaßt außer
der Primärröhre 14 sowie der sekundären Bildröhre 18 auch die optischen Systeme
15 und 17 und das rechtwinklige Prisma 16. In der dargestellten Ausführungsform
sind die optischen Systeme 15 und 17 von ähnlicher oder gleicher Konstruktion. Der
Bildschirm der Röhre 14 befindet sich in der Brennebene des Objektivs 15, so daß
die Lichtstrahlen in dem das Objektiv verlassenden Strahlenbündel parällel sind.
Das Objektiv 17 fokussiert diese Strahlen nach der Reflexion durch die schräge Oberfläche
des Prismas 16 auf die Photokathode der zweiten Bildröhre 18. Da die Objektive 15
und 17 die gleiche Brennweite haben, ist die' Größe des Photokathodenbildes der
Röhre 18 identisch mit derjenigen des Schirmbildes der Röhre 14. Da die Bildröhre
18 einen Vergrößerungsfaktor von Eins hat, ist es klar, daß die Gesamtverkleinerung
der Bildgröße in der zweistufigen Bildverstärkeranordnung 14 bis 18 mit dem Verkleinerungsfaktor
der Röhre 14 identisch ist. Gemäß der vorliegenden Erfindung muß diese Verkleinerung
mindestens den Wert Vier haben.
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Zur Beobachtung des Schirmbildes der Röhre 18 ist eine Lupe oder ein
Mikroskop 19 beliebigen Typs vorgesehen. Es ist klar, daß das Gehäuse 10 des in
Fig. 2 dargestellten Fernrohres außen im wesentlichen die Form eines stehenden Zylinders
oder prismatischen Körpers haben kann, wobei dessen Durchmesser sich in der Hauptsache
nach dem Durchmesser des Hohlspiegels 11 richtet. Der Helligkeitsverstärker befindet
sich völlig im Raum des Gehäuses hinter dem ebenen Spiegel 12 und auch andere Teile,
z. B. eine Quelle 20 für hochgespannte elektrische Energie, können dort untergebracht
sein. Man erhält auf diese Weise ein sehr gedrungenes und leicht zu handhabendes
Gerät.
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Die für das System nach Fig. 1 gemachten Zahlenangaben können auch
für das System nach Fig. 2 angenommen werden.