DD250784A1 - Optische anordnung mit radialer und axialer temperaturkompensation - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation und kann in den Faellen, wo optische Systeme hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, eingesetzt werden. Die Aufgabe, keine relative axiale und radiale Abweichung der optischen Bauelemente bei veraenderten Temperatureinfluessen zuzulassen und gleichzeitig fotoelektrische Empfaenger geringer Schaerfentiefe spannungsarm lagezufixieren, wird geloest, indem die optischen Bauelemente in eine Hohlzylinderkombination an einer Strebenkonstruktion eingefuegt sind, deren Materialkonstanten so gewaehlt sind, dass auftretende Laengenausdehnungen gegensinnig kompensiert werden.

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung kann bei optischen Systemen eingesetzt werden, die hohen Temperaturbelastungen im Anwendungsfall oder beim Transport ausgesetzt sind. Anwendungsfälle sind bei der Fernerkundung der Erde, Satellitenbilderfassungssystemen, Geodäsie oder Laserwegmeßsystemen gegeben.

Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt sind optische Systeme, die mittels Abbildungsspiegeln eine Abbildung von einem bevorzugt telezentrischen Strahlengang in eine konjugierte Bildebene derart realisieren, daß ein visueller oder elektronischer Empfänger die Bildinformation auswerten kann bzw. eine weitere optische Signalabbildung ankoppelbar ist.

In US-PS 4226501 ist eine Lösung beschrieben, bei der ein telezentrischer Strahlengang durch eine konzentrische, mittige Bohrung eines Sekundärspiegels auf einen konvex gewölbten Primärspiegel fällt, von diesem auf den Sekundärspiegel reflektiert und dann in eine Zwischenebene abgebildet wird.

Des weiteren sind Anordnungen bekannt, bei denen die Abbildung auf einen konkav gewölbten Primärspiegel ohne Mittenbohrung realisiert wird, von einem Sekundärspiegel abgebildet und nochmals auf den Primärspiegel reflektiert wird, der den Strahl in eine zur Objektebene konjugierte Bildebene abbildet, wie in DE-PS 2230002 und DE-OS 2410924 beschrieben.

Bekannt sind.auch Anordnungen, die zusätzliche Bauelemente im Strahlengang aufweisen, um die optische Abbildung zu beeinflussen, z. b. asphärische Linsen in DE-OS 3439297 oder sphärische Linsen in EP 0080566, wobei die optische Abbildung durch einen optisch transparenten Primärspiegel erfolgt.

Es sind auch Spiegelabbildungen bekannt, die'in einem optischen Bauelement integriert sind, derart, daß Primärspiegelflächen auf der konvexen Rückseite durch ringförmige Spiegelflächen gebildet und Sekundärspiegel durch zentrische, mittige Konkavflächen gebildet werden, wie z.B. in DE-PS 2927515 beschrieben bzw. in ähnlicher Weise bei einem optischen Körper für ein Lidar-System realisiert und z.B. in DE-OS 3110981 beschrieben.

Ebenso sind Spiegelobjektive mit unterschiedlich einstellbaren Brennweiten bekannt, bei denen der Sekundärspiegel mindestens zwei voneinander getrennte Spi'egelbolzen aufweist und axial verstellbar ist, wie in DE-OS 3016175 dargestellt.

DE-PS 3328518 beschreibt ein Spiegelsystem mit sphärischen Primär- und planen Sekundärspiegeln.

Spiegelobjektive mit partiell transparenten Sekundärspiegeln sind aus GB-PS 8024210 bekannt, ebenso solche mit gekoppelten Spiegeln, wobei diese transparente und reflektierende Flächen aufweisen, aus US-PS 41 88091 und US-PS 41 96967.

Bekannt sind auch Fokussieranordnungen für Spiegelteleskope aus DD-WP GO 2 B/2419 662, bei denen der Primärspiegel relativ zum Sekundärspiegel bzw. zu einem Empfänger justierbar gestaltet ist.

Die Halterung der Spiegel in diesem System basiert auf Mitteln, mit denen die Spiegel durch radial und tangential auf deren Rand wirkende Kräfte positioniert werden. Eine solche Lösung ist auch in DE-OS 2903804 beschrieben.

Bekannt sind weiter Kompensationsanordnungen zur Lagefixierung der Spiegel aus JP 56-209310, FR-PS 2428852, DD-WP GO2 B/257524, DD-WP 221 505, DD-WP GO2 B/2503747, US-PS 41 47413, bei denen bei Temperaturänderung eine Kompensation der auftretenden Zug- und Druckkräfte auf die optischen Bauelemente erreicht und eine quasi-konstante Zentrierung bewirkt wird. Axial wirkende temperaturkompensierte Anordnungen sind beispielsweise in US-PS 41 65918, US-PS 41 90325 und teilweise in CH-PS 3853/81 sowie DE-PS 2714449 beschrieben, wobei komplizierte

Ausgleichsmechanismen eine Wärmeausdehnung kompensieren. Es werden größtenteils unsymmetrische Kugelführungen verwendet, auf denen Kompensationselemente relative Lageänderungen erfahren können. Abstandsstäbe zwischen Spiegelbauelementen, die als Los- bzw. Festlager dienen, finden ebenfalls Verwendung.

Nachteilig bei allen zitierten Lösungen ist der Umstand, daß, bedingt durch die konzeptionelle Notwendigkeit der Spiegelanordnungen, entweder ein bestimmtes axiales Gebiet ausgeblendet wird und damit Bildinformationen bzw. Apertur verloren gehen oder daß ein Lichtstrahl, der axial auf das Cassegrain-System auftrifft, vom Sekundärspiegel ausgeblendet und nicht in die Zwischenbildebene abgebildet wird.

In bestimmten Fällen ist nur eine geringe Apertur abbildbar bzw. übertragbar.

Abbildungssysteme mit transparenten bzw. teiltransparenten optischen Bauelementen sind problematisch hinsichtlich der Extinktion. Eine gleichzeitige radiale und axiale Kompensation ist ungenügend verwirklicht und Kompensationsmaßnahmen in axialer Richtung bestehen nur darin, daß die Abweichung von einer definierten Zwischenbildebene bei Temperaturveränderung klein gehalten wird.

Nicht kompensiert wird die Abweichung zwischen den Bauelementen. Erreicht wird nur eine Bildebenenkompensation, die jedoch mit einer nicht kompensierten Bildgüteschrift verbunden ist.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Darlegung des Wesens der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung anzugeben, deren optische Bauelemente bei Temperaturänderung keine relative axiale und radiale Abweichung ausführen und gleichzeitig ein fotoelektrischer Empfänger geringer Schärfentiefe spannungsarm lagefixiert ist.

Diese Aufgabe löst eine optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation erfindungsgemäß dadurch, daß,.

ein modifiziertes Cassegrain-System eine hohlzylindrische Halterung aufweist, an der der Primärspiegel fast spannungslos lagefixiert ist, und eine weitere koaxiale hohlzylindrische Halterung stirnseitig stoffschlüssig mit der ersten Halterung verbunden und I eicht spiel end auf dieser aufgebracht ist, wobei die Abmessungen und Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß bei Temperaturänderung die Längenausdehnung des ersten Hohlzylinders durch die Längenausdehnung des zweiten Hohlzylinders kompensiert wird, so daß an einer bestimmten Stelle keine relative axiale Abstandsänderung zwischen den optischen Bauelementen auftritt und an dieser Stelle an mindestens einer in radialer Richtung angebrachten Strebe, die durch den ersten Hohlzylinder durch eine Bohrung hindurch ragt, eine weitere Strebe stoffschlüssig so angebracht ist, daß bei Temperaturänderung die Ausdehnung der Strebe durch die Ausdehnung in Gegenrichtung von der zweiten Strebe, an der der Sekundärspiegel befestigt ist, kompensiert wird. Die Anordnung ist erfindungsgemäß charakterisiert, daß ein Fotoempfänger mit der Hohlzylinderkombination derart verbunden ist, daß mehrere hintereinander angeordnete sensible Empfängerschichten in axialer Richtung vorhanden sind, die diskret auswertbar sind.

Der Empfänger liegt dabei vorteilhaft zentrisch zur Systemachse an einer mechanischen Anlagefläche an und ist an der Gegenseite mit einem quasi-elastischen, die Kontur des Empfängers begrenzenden Halterungselement lagegesichert und in radialer Richtung ebenfalls durch ein elastisches Halterungselement lagefixiert.

Dieses Halterungselement in radialer Richtung ist ebenfalls der Kontur des Empfängers angepaßt.

Der Sekundärspiegel ist an einer konzentrischen, optisch transparenten Planplatte befestigt, und die Planplatte wird an der Strebenkombination gehaltert. Der Sekundärspiegel weist auf einer Seite eine Spiegelschicht auf, auf der Gegenseite ist an mindestens zwei Streben ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet, der einen vorzugsweise kleinen Laserstrahl- bzw. Lichtstrahldurchmesser quasi-axial erfaßt, wobei der Empfänger nur auf die Zustände „Signal vorhanden" bzw. „Signal nicht vorhanden anspricht".

Der fotoelektrische Empfänger wird an den Streben in einem definierten Abstand vor dem Sekundärspiegel gehaltert, die Streben zeigen in axialer Richtung, und der Empfänger ist vorzugsweise eine hochempfindliche Fotodiode.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist so ausgelegt, daß breitbandiger Betrieb, inclusive UV- und IR-Bereich, möglich

Ausführungsbeispiel

Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.

Die Figur zeigt die optische Anordnung im Schnitt. In einer mechanischen Basis 1 ist ein spezielles optisches System mit einer Objektivhalterung 2 eingeschraubt. Das Befestigungsgewinde 3 sichert den Kraftschluß, während ein Zentrierkegel 4 die Lagefixierung bewirkt. Im Innendurchmesser 5 der Objektivhalterung 2 befindet sich ein Hohlzylinder 6 zur Kompensation, der gleitend eingepaßt und an der vorderen Stirnfläche stoffschlüssig mit einem weiteren Hohlzylinder 7 verbunden ist.

Die Fügestelle 8 kann zum Beispiel durch Diffusionsschweißen realisiert werden.

Der Hohlzylinder 7 ist an der anderen Stirnfläche 9 stoffschlüssig gefügt und mit einem Kompensationsring 10 verbunden. Die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien für die Objektivhalterung 2, die Hohlzylinder 6; 7 und den Kompensationsring 10 sind im Zusammenhang mit den Abständen zwischen den Fügestellen, Anlagestellen und Klemmstellen so gewählt, daß bei temperaturänderung der Abstand zwischen der Halterung 11 und der Position des Primärspiegels 12 konstant bleibt.

Der Hohlzylinder 6 ist kraft- und formschlüssig über den Kompensationsring 10 und Federring 13 in der Objekthalterung 2 mit dem Klemmring 14 befestigt. Der Klemmring 14 besitzt eine plan parallele Frontglasplatte 15, die mit dsm Klebstoff ring 16 lagefixiert ist. Ein Kleber 17 sichert den Montagezustand. Der Federring 13 besitzt Aussparungen 18, die einen Federeffekt beim Anziehen des Klemmringes 14 bewirken und eine permanente Vorspannung sichern. Der Primärspiegel 12 ist mit dem Klebstoff ring 19 im Hohlzylinder 7 befestigt. Er enthält eine Bohrung 20, durch die eine Abbildung möglich ist. An seiner Rückseite

ist ein Zentrierring 21 gelagert, der über vier Verbindungsstößel 22 und Justiereiemente 23 verfügt, die an der Basis 1 gelagert sind, und eine Justierung des Primärspiegels 12 ermöglicht. Die Aushärtezeit des Klebstoff ringes 19 muß den gesamten Justierzeitraum andauern, und erst im montierten Zustand darf der Klebestoffring 19 aushärten. Dann kann der Zentrierring 21 entweder im Primärspiegel 12 verbleiben oder weggeschwenkt werden. Der Sekundärspiegel 24 besitzt eine Reflexionsschicht 25 und ist optisch transparent.

An der plauen Rückseite 26 ist an vier Streben 27 ein Detektor 28 befestigt, das über eine Abbildungsoptik 29 lichtoptisch angetastet werden kann.

Ein quasi-achsnaher Strahl 30 wird von der Reflexionsschicht 25 reflektiert und gelangt über eine Abbildungsoptik 29 auf den Detektor 28.

Der Sekundärspiegel 24 besitzt radial wirkende Temperaturkompensationsmittel, die aus einer ringförmigen Spiegelaufnahme 31 die mit vier in der Zeichnung nicht abgestellten Stege 3 mit einem Ring 32 verbunden sind, bestehen sowie vier daran stoffschlüssig gefügten Halterungen 11.

Die Abmessungen der Halterungen 11, der Spiegelaufnahme 31, der Stege sowie des Ringes 32 sind so gewählt, daß bei Temperaturänderung keine radialen Zug- oder Druckspannungen auf den Sekundärspiegel 24 ausgeübt werden.

Die Halterungen 11 sind im Hohlzylinder 6 justierbar mittels Justierschrauben 33 befestigt.

Die Objektstrahlen 34 werden vom Primärspiegel 12 und der Reflexionsschicht 25 auf den Detektor 35 abgebildet. Dieser ist radial in einer Ausnehmung 36 durch den elastischen Ring 37 lagefixiert und wird axial mit einem Federelement 38 gehaltert.

Die axiale Position der Fläche des Empfängers 39 wird so gewählt, daß die Zwischenbildebene bei Temperaturänderungen auswertbar bleibt bzw. die Befestigung wird analog der des Primärspiegels an Kompensationselementen vorgenommen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die elektronische Auswerteeinheit der Detektorsignale über nicht dargestellte Steuerungssysteme mit den Justierschrauben 33 zu koppeln und eine entsprechende Justierung des Primärspiegels 12 zu bewirken, das gilt ebenso für den Sekundärspiegel 24.

Claims (2)

1. Optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation, die ein modifiziertes Cassegrain-System enthält und mit Mitteln zur Kompensation von Längenveränderungen bei Temperaturänderungen versehen ist und an sich bekannte Mittel für die Signalgewinnung und -verarbeitung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Anordnung in einer ersten hohlzylindrischen Halterung untergebracht ist, daß die erste Halterung leicht spielend gelagert ist und beide Halterungen stirnseitig stoffschlüssig verbunden sind, daß an einem definierten Ort die relative axiale Abstandsänderung zwischen optischen Bauelementen kompensiert ist und an diesem Ort an mindestens einer in radialer Richtung angebrachten Strebe, die durch die erste Halterung hindurchragt, eine weitere Strebe stoffschlüssig angebracht ist, daß an der weiteren Strebe ein Sekundärspiegel angebracht ist, daß ein Fotoempfänger mit mehreren axial hintereinander angeordneten, sensiblen Empfängerschichten vorhanden ist, daß der Fotoempfänger mit der hohlzylindrischen Halterungskombination verbunden ist, zentrisch zur Systemachse an einer Anlagefläche anliegt und mit einem quasi-elastischen Halterungselement axial und radial gesichert, daß der Sekundärspiegel an einer konzentrischen, optisch transparenten Planplatte und diese an der Strebenkombination befestigt ist, daß der Sekundärspiegel auf der der Spiegelschicht abgewandten Seite einen an mindestens zwei Streben befestigten fotoelektrischen Empfänger aufweist, der quasi-axial Strahlenbündel erfaßt und auf die Zustände „Signal vorhanden" bzw. „Signal nicht vorhanden" anspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der am Sekundärspiegel verwendete fotoelektrische Empfänger eine Fotodiode ist und die Anordnung breitbandigen Betrieb zuläßt.