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"Ziel- und Beobachtungseinrichtung" Die Erfindung betrifft eine Ziel-
und Beobachtungseinrichtung mit zwei elektrooptischen Beobachtungsgeräten, von denen
dee eine ia zichtbaren und deu andere eine im unsichtbaren Bereich liegende Empfinlichkeit
aufweist und in der die von diesen Beobachtungsgeräten unsbhängig voneinander erzeugten
Bildsignale einer Szane zwecks Anzeige auf einer gemeinsamen Wiedergabeeinrichtung
deckungsgleich überlagert werden.
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Es ist bereits vorgeschlagen worden, auf einer gemeinsamen Wiedergabeeinrichtung
zwei von verschiedenen Beobachtugnsgeräten gelieferte Signale deckungsgleich zur
Anzeige zu bringen. Das eine Beobachtungsgerät kann in bekannter Weise aus ein-
oder mehrstufigen Bildverstätkerröhren und/oder Fernsehaufnahmeröhren bastehen.
Das reproduzierte Bild einer Szene wird entweder auf dem Lauchtschirm der letzten
Lichtverstärkerröhrs oder auf dem Bildmohirm eines Fernsehampfängers als Wiedergabeeinrichtung
angezeigt. Bei einem Einsatz derartiger Beobschtungsgeräte während der Dunkelheit
ist der Informationsgehalt der erzielbaren Bilder verhältnismäßig gering.
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Um den Informationsgehalt der Bilder zu erhöhen, kann als zweites
Beobachtungsgerät beispielsweise ein Intrarot-oder Ultraviolet-Strahlungswandler
verwendet werden. Bei der Anwendung derartiger Strahlungswandler ergeben sich von
einer beobachteten Szene Uber di. Umwandlung der elektrischen Bildsignale in sichtbare
optische Signale, sog. Wärmebilder, di. deckungsgleich mit den mit dem erstgenannten
Beobachtungsgerät erzielten Bilderen derselben Szene auf einer gemeinsamen Wiedergabesinrichtung
überlagert werden. Somit kann die Information, die der gemeinsamen Wiedergabesinrichtung
entnommen werden kann, erheblich verbossert werden.
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Außerdem ist es bakannt, ein nichtingtegriertes Beobachtungsgerät
für die unsichtbare Strahlung zu verwenden, bei dem die Szene durch ein Spiegelpaar
abgetastet und deren beobachtbares Wärmebild auf elektronenoptischen Wage hargestellt
wird. Der Vorteil dieser Anordnung ist, daß eine sinfache Spiegelbewegung auch unter
Verwendung großer oder
schneller Spiegel möglich ist. Als nachteilig
hat sich jedoch hersusgestellt, daß die Wiedergabe im allgemeinen verserrt ist,
da der Elektronenstrahl nicht der gekrpmmtzeiligen Abtastung nachgeführt werden
kann. Auch der Einsatz eines sog. Mehrfach-Detektors verursacht bei der einstrahligen
Bildherstelung einen großen elektronischen Aufwand.
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Schließlich ist bekannt, die unsichtbare Strahlung durch Einzelspiegel
abzutasten und eine lichtoptische Wärmebildheretellun anzuschließen. Hierbei ist
Ton Vorteil eine streng verzerrungsfreie Wiedergabe, wobei auch der Einsatz eines
Mehrfach-Detektors keinen zusätzlichen Aufwand hervorruft. Allerdings wird die Spieglebewegung
insofern kompliziert, als eine Kippung um zwei zueinander senkrechte Achsen erfolgen
muß und damit Coriolis-Kräfte auftreten.
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Aus disem Grunde sind nur kleine oder langsame Spiegel verwendbar
Aufgabe der Erfindung ist es daher, in einem integrierten Beobachtungssystem mit
einer gemeinsamen Wiedergabeeinrichtung die Deckungsgleichheit des Wärmebildes und
des Lichtbildes zu gewährleisten sowie Wärmeziele, die außerhalb, aber in der Nachbarschaft
des Jeweiligen Beobachtungsraumes sich befinden, zumindest ihrer azimutalen Lage
nach anzuzeigen.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das im unsichtbaren
Bereich arbeitende Beobachtungsgerät eine kleine Bildfolgefrequenz aufweist und
aus einen optischen
Abbildungssystem und einer objektseitigen Umlenkvorrichtung
besteht, die zwei um senkrecht zusinander stehende Achsen oszillstorische Bewegungen
ausführende Planspiegel aufweist, und daß die von einen Strahlungsdetektor in ihrer
Intensität gesteuerte Lichtstrahlung über dieselbe Umlenk-Vorrichtung parallel zur
einfallenden unsichtbaren Strahlung, jedoch seitlich versetzt, verläuft und über
ein weiteres Spiegelsystem in die Eingangsöffnung der Lichtoptik der Fernschaufnahme-
bzw. Bildverstärkerröhre einfällt, Die Umlenkung der parallelen, seitlich versetzten,
in ihrer Intensität gesteuerten Lichtstrahlung kann dabei mit Hilfe eines Tripel-Spiegels
vorgenommen werden. Bei Verwendung eines Mehrfach-Detektors ist diesen eine Mehrfach-Lichtquelle
so augeordnet, daß jede Einzellichtquelle von dem lagsentaprechenden Detektor-Element
gesteuert wird. Von besonderem Vorteil kann es sein, die Lichtquelle ringförmig
auszubilden, um das auf der gemeinsamen Wiedergabesinrichtung sichtbare Wärmeziel
deutlich gegenüber dem Gesamtinhalt absuhelen.
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Von der aus zwei Spiegeln bestehenden Umlenkvorrichtung führt der
eine harmonische Schwingungen aus und steuert während des Hin- und Rückschwingens
die Signallichtquelle ftir die Aufzeichnung des Wärmebildes, wobei der andere Spiegel
während der Umlenkintervale des erstgenannten derart bezüglich seiner Anstellung
schrittweise verändert wird, daß eine Abtastung mit Zeilensprüngen erfolgt. Weiterhin
wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, das Licht einer gesonderten, von allen Detektoren
gemeinsam angesteuerten Lichtquelle nur über einen der Spiegel der Umlenkvorrichtung
leufen zu lassen, um Wärmeinformationen aus den dem betrachteten
Gesichtsfeld
benachbarten Bereichen nur ihrer azimutalen Lage nach zur Anzeige zu bringen.
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Um zu vermeiden, daß eine Strahlung aus dem Wärmehintergrund des beobachteten
Gesichtsfeldes die wiedergegebene Information stört, kann das Beobachtungsgerät
für die unsichtbare Strahlung eine einstellbare Empfindlichkeitsschwelle aufweisen.
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Schließlich ist aus Gründen der Wärmsempfindlichkeit die Bildfolgefrequenz
so zu wählen, daß sich eine der beiden auf der gemeinsamen Wiedergabeeinrichtung
dagebotenen Informationene deutlich gegenüber der anderen abhebt. Dabei ist su beachten,
das die Integrationszeit fUr den Strahlunge-Detektor möglichst groß ist. Hiermit
ist sichergestellt, daß der Beobachter ein Wärmeziel bei der Wiedergabe einerseits
durch sein Blinken vom Lichtbild, andererseite auch von einem einmaligen Störsignal
unterscheiden kann.
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Das Ziel- und Beobschtungsgerät nach der Erfindung bringt einige wesentliche
Vorteile gegenüber dem bisher Bekannten mit sich. Die Abtastung den Objektfeldes
mit hilfe eines Paares beweglicher Planspiegel vor dem Objektiv im parallelen Strahlengang
hat zur Folge, daß die Spiegelstellung die Abbildungsüte nicht beeinflußt und das
Objektiv nur auf der Achse. die der Detektor-Ausdehnung entspricht, korrigiert zu
sein braucht. Das Parallellichtbündel, das von der durch das Detektorsignal gesteuerten
Lichtquelle ausgeht, wird über die Umlenkvorrichtung exakt in Richtung der einfallenden
Wärmestrahlung gelenkt. Das hat den weiteren Vorteil, daß Licht- und Wärmestrahlung
unsbhängig von der
Spiegelbewgung immer parallel laufen. Die im
allgemeinen nicht geradlinge Abtastung des Objektfeldes stört dabei nicht die lagegetreue
Herstellung des Wärmebildes. Der verwendete Mehrfach-Detektor, der eine entsprechende
Mehrfach-Lichtquelle steuert, führt zu einer Steigerung der Empfindlichkeit und/oder
Redusierung der optischen Öffnung. Weiterhin kann das Wärmeziel mehrfach zur Anzeige
gebracht werden, z.B. dadurch, daß es einmal innerhalb des Fernsehbildes lagerichtig
in Asimut und Höhe liegt und sum anderen außerhalb das Fernsehbildes zur Azimutelanzeige
dient.
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Schließlich bringt die optische Kopplung zwichen dem Wärnebildgerät
und der Fernsehsufnahmeanordnung Uber einen zogO Tripel-Streifen den Vorteil, daß
die Deckungsgleichheit von Fernseh- und Wärmebild völlig unsbhängig von den bewegte
optischen Elementen ist.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele nach der Erfindung dargestellt.
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Die Fig. 1 Asigt einen Grundtyp einer Wärmekamera, die Fig. 2, 3a
und 3b einen anderen Grundtyp, und Fig. 4a, Fig. 4b und Fig. 4c eine grafische Darstellung
der Bewegung der Spiegel der Umlenkvorrichtung sowie den Bildaufbau und Fig. 5 eine
Möglichkeit zur Gewinnung einer Azimutalanzeige.
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Im folgenden wird eine Vorrichtung, als Wärmekamera bezeichnet, beschrieben,
die die kongruente Überlagerung einer Wärmebild- und Fernsehinformation gewährleistet
und durch Ausnutzung der vorhandenen Fernsehelektronik den Aufwand auf ein Mindestmaß
begrenzt. Die Wärmebildkamera arbeitet in dem hier behandelten Beobachtungssystem
als zusätzlicher Melder
von Wärmezielen, die sich im oder neben
dem, Gesichtsfeld der Fernsehkamera befinden. Wärmeziele innerhalb dieses Gesichtsfeldes,
deren Strahlung einen gewählten Schwellwert überschreiten, erscheinen durch einen
Blinkeffekt unterscheidbar, lagerichtig im Fernsehbild, während die neben dem Gesichtefeld
liegenden Wärmeziele nur bezüglich ihrer azimutalen Lage angeseigt werden. Durch
die zusätzliche Wärmeinformation soll die Aufmerksamkeit des Beobachters auf ihn
interessierende Ziele glenkt werden.
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Die Sichtbarmachung der Wärmeinformation auf einem Fernsehmonitor,
der hier als Wiedergsbeeinrichtung dient, setzt eine Informationsspeicherung im
Target der Bildaufnahmeröhre als notwendig voraus. Die Wärmekamera kann jedoch ebenzo
gut mit einem Bildverstärkersystem zusammenabeiten.
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Gemäß Fig. 1 erzeugt die aus dem beobachteten Gesichtsfeld einfallende
Lichtstrahlung über das Objektiv 1 auf der lichtempfindlichen Schicht 2 einer speichernden
Fernsehaufnahmeröhre 3, die in Verbindung mit einem Fernseh-Monitor als gemeinsame
Wiedergsbeeinrichtung dient, eine entsprechende Information. Gleichseitig wird die
aus dem Gesichtsfeld ausgesandte Wärmestrahlung von einer mit 4 bezeichneten Wärmebildkamera
empfangen. Der der Eingengsöffnung der Wärmebildkamera nächste Plenspiegel 5 der
Umlenkvorrichtung 6 schwingt beispielsweise um eine senkrecht zur Bildebene stehende
Achse 7 harmonisch mit etwa 3 Hz und einer bestimmten Winkelamplitude und bewirkt
dadurch die Abtastung des Gesichtafeldes in der Horizontalen. Der zweite Planspiegel
8 der Umlenkvorrichtung 6 schwingt durch eine in der Bildebene liegende Achse 9.
Die von Plenspiegel 8 reflektierte Wärmestrahlung
gelangt dann
auf ein optisches Abbildungssystem 10, das durch einen sphärischen Spiegel dargestellt
ist.
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Vom Spiegel 10 wird ein Strahlungsdetektor 11 beaufschlagt, der die
unsichtbare Strahlung in ein elektrisches Signal umwandelt und über einen nicht
dargestellten Verstärker eine Einfach- oder Mehrfach-Lichtquelle 12 ateuert. Die
Lichtquelle 12 wird durch eine vorgeordnete Linsenoptik 13 nach unendlich abgebildet,
und das Parallellichtbündel 14 räumlich getrennt neben dem Wärmestrahlungsbündel
über die Plenspiegel 5 und 8 einem Tripel-Spiegel 15 zugeführt. Er hat die Aufgabe,
das aus der Wärmebildkamera austretende Parallellichtbündel um 1800 au drehen und
seitlich versetzt in die Eingangsoptik 1 des benachbarten Fernsehgerätes zu lenken.
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Auf dem Gesichtsfeld des Wärmebildgerätes 4 wird nur ein zentraler
Ausschnitt flächenhaft und lagegetrau mit dem Fernsehbild gleicher Große auf der
Fotokathode bzwO dem Target der Bildröhre überlagert. Das gesamte Gezichtsfeld der
Wärmebildkamera wird mit einem Einfach- oder Mehrfach-Detektor, beispielsweise einem
Zehn-Element-Reihen-Detektor in z.B. sehe horizontalen Zeilen abgetastet. Es hat
sich herausgestellt, daß eine Bildfolgefrequenz von 1 Hz sweckmäßig ist.
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Der Umlenkspiegel 5 schwingt, wie bereite erwähnt wurde, hermonisch
mit etwa 3 Hz und einer bestimmten Winkelamplitude und bewirkt dadurch die Abtastung
in der Horizontalen. Der Hin- und Rücklauf des Spiegels werden zur Abtastung ausgenutzt.
Während des Überachwingens und Umkehrens wird der zweite Umlenkspiegel 8 in seinem
Anstellwinkel gegenüber der
Vertikalen verändert. Während der Scan-Intervalle
bleibt der Höhenspiegel 8 in Ruhe.
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Das optische IR-System besteht nur aus einem einzigen sphäriechen
Spiegel 10, dessen Brennweite durch die gegebenen Abmessungen der kleinsten Detektor-Elemente
und die optische Auflösung festliegt.
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Jeder Detektor 11 bei Verwendung eines Mehrfach-Detektors erbeitet
auf einen eigenen Verstärker und steuert das ihm zugeordnete Element der Signal-Lichtquelle
12 hell, sobald eine für alle Detektor-Verstärker gemeinsam einstellbare Ansprechschwelle
durch die einfallende IR-Strahlung überschritten ist. Die Bildeinzeichnung in die
lichtempfindliohe Schicht der Bildröhre geschieht durch verschiedene Lichtelemente,
gegebenenfalls auch gleichzeitig, während die Abtastung in der Fernzehaufnahmeröhre
in jedem Fall nacheinander und nicht synchron mit dem Einschreiben erfolgt und deshalb
eine Speicherwirkung in der Aufnahmeröhre vorausgesetzt wird.
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Während in Fia 1 eine geradaichtige, bezogen auf die Längsausdehnung
des Gerätes, Wärmekamera dargestellt ist, zeigt Fig. 2 eine 90° -sichtige Ausführungsform
der Kamera. Dieser Typ der Wärmekamera gestattet eine kompakters Bauweise des Geräten.
Es sind wieder diesalben Bezugszeichen verwendet worden wie in Fig. 1.
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Fig. 3a zeigt eine mögliche Ausführungsform einer raumpsarenden Anordnung
nach Fig. 2. Die Wärmestrahlung die von links in die Kamera einfällt, trifft auf
den periodisch schwingenden Horizontalspiegel 5, geht von disem auf den Vertikalspiegel
8 über und wird von diesem über einen festen
Umlenkspiegel 16 sowie
einen sphärischen Spiegel 17 und wieder Ubir den Umlenkspiegel 16 dem Detektor 11
sugeführt.
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Der Detektor steuert über einen nicht dargestellten Verstärker die
Signallichtquelle 12. Die von dieser Lichtquelle ausgehende Strahlung wird über
eine Kollimatorlines 13, den Vertikalspiegel 8, den Horizontalspiegel 5 dem senkrecht
zur Zeichenebens stehenden Tripel-Spiegel-Streifen 15 zugeführt. Ferner sind in
dieser Anordnung zwei Lichtquellen 18 und 19 mit nicht dargestellten Kollimatorlinsen
für die Azimutalanzeige vorgesehen, deren Lichtstrehlung ebenfalls über den Horisontaispisgel
5 den Tripel-Spiegel-Streifen 13 zugeführt wird. Durch ein Fenster 20 fällt die
Wärmestrahlung in die Kamera ein, das zugleich die optischen Bauelemente schützt.
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Der weitere Verlauf der Lichtetrahlung geht aus Fig. 3b hervor, die
in Schnittdarstellung nach der Linie X der Fig. 3a darstellt. Im oberen Teil dieser
Fig. 3b sind das Abdeckfenster 20, der Vertikalspiegel 8 und der Horizontalspiegel
3 sowie die Lichtquellen 18 und 19 für die Azimutalanzeige und der Tripel-Spiegel
15 zu sehen. Aus dem unteren Ende des senkrecht stehenden Tripel-Spiegel-Streifens
15 trifft die Strahlung auf einen Planspiegel 21, wird von diesem zu einem sphärischen
Spiegel 22 umgelenkt und von diesem der lichtempfindlichen Schicht 2 der Röhre 3
zugeführt. Das Licht der Lichtquellen 18 und 19, deren Strahlen mit 23 und 24 bzeichnet
sind, fällt in die sei lenförmigen Öffnungen 25 und 26 einer Bildfeldblende 27 vor
dem Target der Röhre 3. Die Strahlung aus dem zichtbaren Bereich tritt durch ein
Schutzfenater 28 in die Fernsehkamera ein und wird ebenfalls der lichtempfindlichen
Schicht
der Aufnahmeröhre 3 zugeführt. Der Einfachheit halber ist die Zuführung der Lichstrahlung
zur Aufnahmeröhre nicht dargestellt Es ist in diesem Zusammenhang zu erwähnen, daß
die Signallichtquelle 12 zur Herstellung des flächenhaften Wärmebildes der Geometrie
des Reihen-Detektors 11 angepaßt sein muß. Eine Lichtquelle etwa von der Ausdehnung
des Reihen-Detektors kann aus Lichtleitern und Miniaturglimmlampen zusammengefügt
sein. Außerd.'m steuern die den einzelnen B1ementen der Signallichtquelle zugeführten
Steuerimpulse zugleich gemeinsam auch die Azimutalanzeige.
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Die Abmessungen des Tripel-Spiegel-Streifens 15 wachsen proportional
mit der geforderten Versetzung des reflektierten Strahles und den zu verarbeitenden
Winkelablenkungen. Daher ist der Tripel-Spiegel-Streifen möglichst nahe vor dem
Horizontalspiegel anzuordnen. In dem Falle, daß der Horizontalspiegel gleichzeitig
als Elevationsspiegel eingesetzt wird, und damit sehr große Ablenkwinkel aufgefaßt
werden müssen, wird zur Vermeidung von Vignettierungen eventuell eien Mitführung
des Triples-Spiegels zur Richtung der einfallenden IR-Strahlung erforderlich.
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Diese Mitführung unterliegt keinen optischen Genauigkeitsanforderungen,
da die 1800 - Reflektion am Tripel-Spiegel unabhängig von seiner Ausrichtung stets
exakt erfolgte Fig. 4 zeigt im oberen Teil die Bewegung der Ablenkspiegel und im
unteren Teil den Bildaufbau.
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In Fig. 4a ist die Winkelauslenkung α : α max des objektnahen
Spiegels, in den Ausführungsbeispielen also dex Horizontalspiegels,
über
der Zeitschae t aufgetragen.
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In Fig. 4b ist die Winkelauslenkung ß : ß max des objektfernen Spiegels,
also des Vertikalspiegels, über der Zeitachse t aufgetragen. Der Horizontalspiegel
5 der Umlenkt vorrichtung 6 fahrt harmonische Schwingungen 29 aus. Während des Hin-
und Rückschwingens 30 und 31 steuert er für die Aufzeichnung des Wärmebildes die
Signallichtquelle.
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In den Umkehrintervallen des Horizontalspiegels wird der Vertikalspiegel
in seinem Anstelwinkel gegenüber der Vertikalen verändert. Die Abtaztung erfolgt
daher mit seilen sprüngen, die in Fig. 4b mit 32 bis 37 bezeichnet sind, Während
der Scan-Intervalle bleibt der Vertikalspiegel in Ruhe.
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In Pig. 4c ist die lichtempfindliche Schicht der Bildröhre wieder
mit 2 bezeichnet, Durch eine Bildfeldblende 27 wird aus dem Gesichtsfeld des Wärmebildgerätes
nur ein zentreler Auschnitt flächenhsft mit dem Fernsehbild gleicher Größe überlegert
und die Information zur Azimutalanzeige von einigen Graden rechts und links dieser
Blende abgeschnitten. 38 stellt das Bild der Signallichtquelle dar.
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Das gesamte Gesichtsfeld kann mit einem Einfach- oder Mehrfach-Detektor
in z.B. sechs horizontalen Zeilen, die mit 39 bis 44 bezeichnet sind, in der eingezeichneten
Pfeilrichtung abgetastet werden. Die Bildfolgefrequenz beträgt etwa 1 Hz. Die Bildfolgefrequenz
ist möglichst klein im Hinblick auf die Empfindlichkeit zu wählen. Jedoch darf sie
nicht so klein werden daß bewegte Objekte falsch zur Anzeige kommen und das Wärmesignal
nicht mehr als Blinksignal erscheint. Damit würde die Unterscheidbarkeit gegen über
einem Störsignal verlorengehen.
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1)ie Azimutelanzeige gemäß Fig 5 eines links bzw. rechts neben dem
dargestellten Wärmebild liegenden Wärmezieles erfolgt ober- bzw. unterhalb des Wärmebildes
in je einer Zeile 45 und 46 durch jeweils eine separat. Lichtquelle mit zugehöriger
Kollimatorlinae, wie sie in Fig. 3b mit 18 und 19 bezeichnet wurde Von der Signallichtquelle
wird der Bereich 47 überstrichen. Die Lichtquellen 18 und 19 leuchten dagegen für
die Azimutalsnzeige die Bereiche 48 und 49 aus. Diese Lichtquellen sind so angeordnet,
daß ihr Licht, ausschließlich Uber den Horizontalspiegel gelenkt, nur bei Soan des
Jeweiligen Seitenfeldes in diezeilenförmigen Öffnungen 45 bzw. 46 der Bildfeldblende
27 fällt.
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Die zeitliche Folge von "Azimutalanzeige linkts", "zentrales Wärmebild",
"Azimutalanzeige rechts", "zentrales Wärmebild", Azimutalanzeige links" und sofort
erfolgt allein durch die periodische Spiegelbewegung. Eine Umschaltung zwischen
den Azimutal-Lichtquellen und den Elementen der Signallichtquelle ist nicht erforderlich.
Alle Lichtquellen arbeiten ständig. Ihr Licht fällt allerding nur zeitweilig in
die Bildblendenöffnung der Aufnahmeröhre.
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13 Seiten Beschreibung 14 Patentansprüche 6 Blatt Zeichnungen