DE102004057096A1

DE102004057096A1 - Weitwinkeloptik

Info

Publication number: DE102004057096A1
Application number: DE102004057096A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Baumgart
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2004-11-26
Filing date: 2004-11-26
Publication date: 2006-06-08
Anticipated expiration: 2024-11-27
Also published as: GB2420632A; GB0522717D0; DE102004057096B4; FR2878625B1; GB2420632B; FR2878625A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Weitwinkeloptik (10, 11) für einen Detektor (32) für den infraroten Spektralbereich, wobei die Weitwinkeloptik (10, 11) ein Linsensystem umfasst, welches in Richtung von der Objektseite zur Bildseite DOLLAR A a. ein inverses Galileo-Teleskop (20) mit einer negativen (22) und einer positiven Linse (24) und DOLLAR A b. eine Anordnung (12) von drei weiteren Linsen (14, 16, 18), wobei eine Linse (18) negativ und zwei Linsen (14, 16) positiv sind, DOLLAR A umfasst.

Description

Die Erfindung betrifft eine Weitwinkeloptik für einen Detektor für den infraroten Spektralbereich.
Optiken für den infraroten Spektralbereich werden beispielsweise in Überwachungseinrichtungen – wie Nachtsichtgeräten, Zielvorrichtungs- und Detektionseinheiten von Flugkörpern – verwendet. Bei derartigen Einrichtungen ist es oftmals erforderlich, ein großes Gesichtsfeld erfassen zu können. Dies ist durch eine entsprechende Auslegung der Optik möglich. Solche Optiken, die objektseitige Gesamtfeldwinkel von über 45° erlauben, werden als Weitwinkeloptiken bezeichnet.

Um hochwertige Aufnahmen eines Gesichtsfelds auf einem Detektor mit vorgeschalteter Weitwinkeloptik zu erhalten, ist eine homogene und starke Bildfeldausleuchtung erforderlich, d. h. die Blendenzahl muss kleiner eins sein. Ein lichtstarkes Weitwinkelobjektiv für den nahen infraroten Spektralbereich (1,5–2,5 μm) ist aus der EP 0 195 747 A2 bekannt. Mit einem dort beschriebenen Weitwinkelobjektiv lässt sich in diesem Spektralbereich bei einer Blendenzahl von 0,7 ein Gesamtfeldwinkel von bis zu 60° erreichen.

Nachteiligerweise lässt sich mit einer hochgeöffneten Weitwinkeloptik gemäß Stand der Technik ein Gesamtfeldwinkel von über 60° nicht erreichen. Dieser bisher erreichbare Gesamtfeldwinkel im nahen infraroten Spektralbereich ist aber für spezielle Anwendungen, wie beispielsweise die Detektion von Flugzielen auf der Basis ihrer Emissionen im mittleren infraroten Spektralbereich, oftmals nicht ausreichend bzw. aufgrund der spektralen Beschränktheit auf das nahe Infrarot ungeeignet. Die Flugziele und ihre Emissionen sind aufgrund ihrer hohen Geschwindigkeit häufig zu schnell für eine brauchbare Zielerfassung aus dem Gesichtsfeld eines Detektors mit einer davor befindlichen Optik verschwunden, wenn über die Optik nur ein geringer Gesamtfeldwinkel für den Detektor einsehbar ist.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weitwinkeloptik für einen Detektor für den infraroten Spektralbereich, insbesondere für den mittleren infraroten Spektralbereich, anzugeben, mit der sich ein gegenüber dem Stand der Technik größerer Gesamtfeldwinkel erzielen lässt.

Diese Aufgabe wird für eine Weitwinkeloptik für einen Detektor für den infraroten Spektralbereich erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Weitwinkeloptik ein Linsensystem umfasst, welches in Richtung von der Objektseite zur Bildseite

a. ein inverses Galileo-Teleskop mit einer negativen und einer positiven Linse und
b. eine Anordnung von drei weiteren Linsen, wobei eine Linse negativ und zwei Linsen positiv sind,

umfasst.

Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Erkenntnis aus, dass die Vergrößerung eines Galileo-Teleskops von dem Verhältnis von Objektivbrennweite zu Okularbrennweite abhängt, das heißt, vom Verhältnis der Brennweite der positiven Linse zur Brennweite der negativen Linse. Mit einem Galileo-Teleskop wird somit der Sehwinkel, das heißt, der Winkel, den die äußersten von einem betrachteten Gegenstand kommenden Strahlen miteinander bilden, vergrößert. Durch einfache Modifikation der Brennweiten der negativen und der positiven Linse des Galileo-Teleskops ist eine Variabilität im Sehfeld von 0 bis 180° möglich.

In einem zweiten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass durch eine Anordnung von drei Linsen, wobei zwei Linsen positiv und eine Linse negativ ist, Abbildungen guter Qualität realisierbar sind, da mittels der negativen Linse speziell auf chromatische Aberration beruhende Abbildungsfehler der beiden positiven Linsen korrigierbar sind.

In einem nächsten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass durch entsprechende Wahl der Brennweiten und der Durchmesser der drei weiteren Linsen der Anordnung eine hochgeöffnete Optik, das heißt mit anderen Worten, eine Optik mit einer Blendenzahl kleiner als 1,1 realisierbar ist.

In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass durch die Vorschaltung eines inversen Galileo-Teleskops vor eine zuvor beschriebene Anordnung von drei weiteren Linsen bei entsprechender Wahl der Durchmesser und Brennweiten der Linsen des Galileo-Teleskops zu einer hochgeöffneten Weitwinkeloptik führt, deren Gesamtfeldwinkel über die Brennweiten der negativen und positiven Linse des inversen Galileo-Teleskops bis hin zu 180° ausdehnbar ist bei einer zugleich geringen Blendenzahl. Tritt nämlich ein Strahl unter einem steilen Winkel in das inverse Galileo-Teleskop ein, so verlässt er dieses unter einem flachen Winkel.

Durch die Erfindung wird also eine lichtstarke Weitwinkeloptik geschaffen, deren Gesamtfeldwinkel anwendungsspezifisch durch einfache Modifikation der Brennweiten der positiven und negativen Linse des inversen Galileo-Teleskops im Bereich zwischen 0 und 180° einstellbar ist. Durch adäquate Wahl der Linsendurchmesser und deren Brennweite ist darüber hinaus die Blendenzahl beeinflussbar.

Durch geschickte Wahl der Ausgestaltung der positiven und negativen Linse des inversen Galileo-Teleskops und der Ausgestaltung der Anordnung der drei weiteren Linsen kann eine gegenseitige Kompensation der Abbildungsfehler erzielt werden, ohne dass dafür weitere Linsen mit eventuell fertigungstechnisch schwer herstellbaren asphärischen Außenflächen notwendig sind. Dies spart Kosten ein und garantiert eine hohe, fehlerfreie Abbildungsqualität der Weitwinkeloptik.

Zweckmäßigerweise weist die Weitwinkeloptik eine Blendenzahl von kleiner als 1,1 auf. Die Blendenzahl legt fest, wie lichtstark bzw. wie schnell eine Optik ist. Je kleiner eine Blendenzahl ist, desto lichtstärker ist eine Optik. Da bei einer lichtstarken Optik zur Erzielung hochwertiger Aufnahmen mittels eines Detektors kürzere Belichtungszeiten gewählt werden können, wird in diesem Zusammenhang von einer schnellen Optik gesprochen. Besonders für die Anwendung von Weitwinkeloptiken für einen Detektor im infraroten Spektralbereich in Flugkörpern zur Detektion von sich rasch bewegenden Zielen sind Weitwinkeloptiken mit kleiner Blendenzahl erforderlich, um diese mittels des Detektors rasch erfassen zu können. Da für eine qualitativ hochwertige Aufnahme eines Gesichtsfelds mittels des Detektors somit nur kurze Belichtungszeiten erforderlich sind, kann die Weitwinkeloptik zusammen mit dem Detektor beispielsweise besonders zügig auf ein neues Gesichtsfeld ausgerichtet werden.

Vorteilhafterweise weisen die Linsen der Weitwinkeloptik sphärisch geformte Außenflächen auf. Durch den Verzicht auf asphärische Linsen können zum einen Kosten eingespart werden, da die Herstellung asphärischer Linsen im Vergleich zu sphärischen Linsen wesentlich aufwendiger und damit teurer ist. Zum anderen kann dadurch das Streulichtniveau weiter gesenkt werden, da sphärische Linsen mit wesentlich höherer Genauigkeit und speziell mit geringerer Rauhigkeit als asphärische Linsen fertigbar sind.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der negativen und der positiven Linse des inversen Galileo-Teleskops eine Anzahl von Faltelementen angeordnet. Da die Distanz zwischen der negativen und der positiven Linse des inversen Galileo-Teleskops aufgrund der Brennweiten der beiden Linsen variabel gestaltet werden kann, können in diesem Zwischenraum Faltelemente eingebracht werden. Bei den Faltelementen kann es sich beispielsweise um Umlenkspiegel, Gitter, Prismen oder dergleichen handeln. Durch die Faltelemente kann je nach gewünschtem Anwendungszweck eine Änderung der Richtung des Strahlengangs als auch, falls erforderlich bzw. gewünscht, das Ausblenden eines bestimmten Spektralbereichs ermöglicht werden.

Von Vorteil ist es, wenn es sich bei dem Faltelement zwischen der negativen und der positiven Linse des inversen Galileo-Teleskops um einen Umlenkspiegel handelt. Das Einbringen eines Umlenkspiegels erlaubt es, den Aufbau der Weitwinkeloptik kompakter zu gestalten. In Flugkörpern, wo beispielsweise nur ein begrenzter Raum für eine Weitwinkeloptik zur Verfügung steht, kann die Weitwinkeloptik durch das Einbringen eines Umlenkspiegels zwischen der negativen und der positiven Linse des inversen Galileo-Teleskops hinsichtlich ihrer Längsausdehnung reduziert werden, indem der Umlenkspiegel für eine Umlenkung des Strahlengangs um beispielsweise 90° sorgt. So kann ein für die Weitwinkeloptik zur Verfügung stehender Raum optimal hinsichtlich seiner Länge und Breite ausgenutzt werden, ohne wertvollen Bauraum für andere Komponenten zu vergeuden.

Es ist denkbar, die objektseitige negative Linse des inversen Galileo-Teleskops und den Umlenkspiegel rotierbar auszulegen. Dadurch wird die Möglichkeit geschaffen, mittels der Weitwinkeloptik den gesamten Horizont zu überwachen bzw. bei einem Gesamtfeldwinkel der Weitwinkeloptik von 180° die gesamte Sphäre.

In einer anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der letzten, der Bildseite zugewandten Linse des inversen Galileo-Teleskops und der Anordnung von den drei weiteren Linsen eine Anzahl von Faltelementen angeordnet. Dadurch ist es – wie bereits zuvor erwähnt – möglich, die Längs- und Querausdehnung der Weitwinkeloptik an die verfügbaren Raumverhältnisse anzupassen. Des Weiteren kann dadurch die spektrale Durchlässigkeit hinsichtlich des interessierenden Spektralbereichs beeinflusst werden.

Praktischerweise handelt es sich bei einem der Faltelemente zwischen der letzten, der Bildseite zugewandten Linse des inversen Galileo-Teleskops und der Anordnung von den weiteren Linsen, um einen Umlenkspiegel oder ein Prisma. Ein Umlenkspiegel eröffnet die Möglichkeit, die Anordnung von den drei weiteren Linsen so bezüglich der optischen Achse des inversen Galileo-Teleskops auszurichten, wie es die aktuellen Raumverhältnisse erlauben. Wenn es sich bei dem Umlenkspiegel um einen Spiegel handelt, der einen Teil des Strahlengangs unter einem gewissen Winkel ablenkt und den anderen Teil des Strahlengangs ungehindert passieren lässt, so können nach dem inversen Galileo-Teleskop zwei hinsichtlich ihrer Brennweite unterschiedlich ausgelegte Anordnungen von drei weiteren Linsen vorgesehen sein. Dadurch können dann zwei unterschiedliche Gesichtsfelder erfasst werden, beispielsweise eines, das ein großes Gebiet bei geringerer Auflösung abdeckt, und ein anderes, das ein kleineres Gebiet daraus abdeckt, jedoch bei einer höheren Auflösung. Anstelle des Umlenkspiegels kann auch ein Prisma eingesetzt werden. Die Verwendung eines Umlenkspiegels mit entsprechender Beschichtung oder eines Prismas bietet darüber hinaus die Möglichkeit, in zwei Strahlengänge mit unterschiedlichen spektralen Bereichen aufzusplitten. Auch hier können nun wieder unterschiedliche Anordnungen von drei weiteren Linsen – je nach gewünschter Information, die über einen nachfolgenden Detektor ermittelt werden soll – angeordnet sein.

Zweckmäßigerweise weist die Weitwinkeloptik eine hinter ihrer letzten, der Bildseite zugewandten Linse der Weitwinkeloptik befindliche Austrittspupille auf. Eine frei zugängliche Austrittspupille erlaubt es, diese mit einer konkreten Blende zusammenfallen zu lassen und dadurch definierte radiometrische Verhältnisse zu schaffen. Dadurch kann ein wesentlich verbessertes Streulichtverhalten erzielt werden, das für qualitativ hochwertigere Abbildungen auf einen dahinter befindlichen Detektor sorgt.

Praktischerweise fällt dabei die frei zugängliche Austrittspupille mit einer vor dem Detektor befindlichen Kaltblende zusammen. Solche Kaltblenden werden – wie es der Name schon impliziert – auf einer niedrigen Temperatur gehalten, um thermisch verursachte Streulichtanteile, die zu einer Verfälschung der Abbildungen auf einem dahinter befindlichen Detektor führen, – zu verhindern. Damit ist es möglich, eine geometrische Kaltblendeneffizienz von eins zu realisieren, die zu definierten radiometrischen Verhältnissen und somit zu einem deutlich verbesserten Streulichtverhalten und damit qualitativ hochwertigen Abbildungen auf den Detektor sorgt.

Geschickterweise sind die negative Linse und die positive Linse des inversen Galileo-Teleskops und die beiden positiven Linsen der Anordnung von den drei weiteren Linsen aus Silizium und die negative Linse der Anordnung von den drei weiteren Linsen aus Germanium gefertigt. Die Anordnung ermöglicht es – bis auf die zur Farbkorrektur notwendige Linse aus Germanium – alle weiteren Linsen aus Silizium zu fertigen. Durch den weitgehenden Verzicht auf teure Germaniumlinsen und Verwendung von deutlich preiswerteren Siliziumlinsen an deren Stelle können die Kosten für die Weitwinkeloptik reduziert werden. Besonders geschickt ist es, die zur Farbkorrektur notwendige negative Linse aus Germanium hinsichtlich ihrer geometrischen Ausgestaltung so zu gestalten, dass ihr Volumen möglichst klein ist, um weitere Kosten einzusparen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1 eine Weitwinkeloptik mit einer Anordnung von drei Linsen vor einem Detektor und einem vorgeschalteten inversen Galileo-Teleskop,
2 eine Weitwinkeloptik gemäß 1, jedoch mit einem Umlenkspiegel zwischen zwei Linsen des inversen Galileo-Teleskops.
Funktionsgleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Tabelle 1 zeigt die Designwerte der Weitwinkeloptik gemäß 1.
Tabelle 2 zeigt die Designwerte der Weitwinkeloptik gemäß 2.
In 1 ist eine Weitwinkeloptik 10 dargestellt, die eine Anordnung 12 von drei Linsen 14, 16 und 18 und vorgeschaltet ein inverses Galileo-Teleskop 20, das zwei Linsen 22 und 24 umfasst, umfasst. Alle fünf Linsen 14, 16, 18, 22, 24 weisen sphärische Außenflächen auf. Die beiden positiven Linsen 14 und 18 der Anordnung 12 sind konvex in Bezug auf ihre objektseitige Außenfläche und konkav in Bezug auf ihre bildseitige Außenfläche ausgestaltet und sind aus Silizium gefertigt. Die zwischen den Linsen 14 und 18 angeordnete negative Linse 16 ist aus Germanium gefertigt und ist bikonkav. Die Linse 16 dient zur Korrektur der Farbfehler der positiven Linsen 14 und 18. Die Linsen 22, 24 des inversen Galileo-Teleskops 20 sind aus Silizium gefertigt. Bei der Linse 22 handelt es sich um eine negative Linse mit einer konkaven objektseitigen Außenfläche und einer konvexen bildseitigen Außenfläche. Die Linse 24 hingegen ist eine positive Linse mit einer konkaven objektseitigen Außenfläche und einer konvexen bildseitigen Außenfläche. Die Radien der Außenflächen der Linsen 14, 16, 18, 22 und 24, ihre Dicke, ihr Abstand zueinander, ihr Apertur-Radius und das Material, aus dem sie gefertigt sind, können im Detail Tabelle 1 entnommen werden. Hinter der letzten Linse 18 der Anordnung 12 befindet sich ein hinter einem Fenster 26, einem Kaltfilter 28 und einer Kaltblende 30 im infraroten Spektralbereich empfindlicher Detektor 32. Das Fenster 26 stellt hierbei das Fenster in einem Dewar-Gefäß, in dem sich der Detektor 32 befindet, dar. Das Fenster 26 und die Kaltblende 30 sind beide aus Germanium gefertigt. Der Kaltfilter 28 ist aus Silizium gefertigt. Somit erfüllen auch diese Komponenten – genau wie die Linsen 14, 16, 18, 22, 24 – die Anforderungen hinsichtlich Durchlässigkeit im infraroten Spektralbereich. Bei dem Detektor 32 kann es sich um einen Detektor auf Cadmium-Telluridbasis handeln. Die geometrischen Abmessungen von Fenster 26, Kaltfilter 28, Kaltblende 30 und Detektor 32 und ihre Abstände zueinander können wiederum Tabelle 1 entnommen werden. Das Design der Weitwinkeloptik 10 ist dabei so gewählt, dass ihre Austrittspupille mit der Lage der Kaltblende 30 zusammenfällt.
Die gezeigte Weitwinkeloptik 10 besitzt eine Brennweite f von 21,63 mm und eine numerische Apertur NA von 0,5682. Die hochgeöffnete und lichtstarke Weitwinkeloptik 10 gemäß vorliegendem Design weist eine Blendenzahl von 0,86 und einen Gesamtfeldwinkel von 60° auf. Durch Abänderung der Brennweiten der Linsen 22 und 24 des inversen Galileo-Teleskops 20 ist es einem Fachmann möglich, den Gesamtfeldwinkel zu verkleinern oder zu vergrößern.
2 zeigt eine Weitwinkeloptik 11, die die funktionsgleichen Elemente wie die Weitwinkeloptik 10 der 1 aufweist, bei der jedoch zwischen der negativen Linse 22 und der positiven Linse 24 des inversen Galileo-Teleskops 20 in dem dort vorhandenen Zwischenraum ein Umlenkspiegel 34 angeordnet ist. Der Umlenkspiegel 34 lenkt den objektseitig einfallenden Strahlengang nach der Linse 22 über den Umlenkspiegel 34 um 90° auf die nachfolgende Linse 24 und die Anordnung 12 von den drei weiteren Linsen 14, 16, und 18 um. Die hochgeöffnete und lichtstarke Weitwinkeloptik 11 gemäß dem Tabelle 2 entnehmbaren Design weist einen Gesamtfeldwinkel von 90° und eine Blendenzahl von 1 auf. Die Brennweite f der Weitwinkeloptik 11 beträgt 9,2 mm. Der Detektor 32 ist dabei in einem Dewar-Gefäß 36 angeordnet. Nicht zu sehen ist in der 2, dass die Linse 22 und der Umlenkspiegel 34 um eine gemeinsame Achse rotierbar ausgelegt sind. Dadurch ist beispielsweise in einem Überwachungsgerät eine Überwachung des gesamten Horizonts mit einem Gesamtfeldwinkel von 90° möglich.

10: Weitwinkeloptik
11: Weitwinkeloptik
12: Anordnung
14: positive Linse
16: negative Linse
18: positive Linse
20: inverses Galileo-Teleskop
22: negative Linse
24: positive Linse
26: Fenster
28: Kaltfilter
30: Kaltblende
32: Detektor
34: Umlenkspiegel
36: Dewar-Gefäß

Claims

Weitwinkeloptik (10, 11) für einen Detektor (32) für den infraroten Spektralbereich, wobei die Weitwinkeloptik (10, 11) ein Linsensystem umfasst, welches in Richtung von der Objektseite zur Bildseite a. ein inverses Galileo-Teleskop (20) mit einer negativen (22) und einer positven Linse (24) und b. eine Anordnung (12) von drei weiteren Linsen (14, 16, 18), wobei eine Linse (16) negativ und zwei Linsen (14, 18) positiv sind, umfasst.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach Anspruch 1 mit einer Blendenzahl kleiner als 1,1.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Linsen (14, 16, 18, 22, 24) sphärisch geformte Außenflächen aufweisen.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen der negativen (22) und der positiven Linse (24) des inversen Galileo-Teleskops (20) eine Anzahl von Faltelementen angeordnet ist.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach Anspruch 4, wobei ein Faltelement ein Umlenkspiegel (34) ist.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei zwischen der letzten, der Bildseite zugewandten Linse (24) des inversen Galileo-Teleskops (20) und der Anordnung (12) von den drei weiteren Linsen (14, 16, 18) eine Anzahl von Faltelementen angeordnet ist.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach Anspruch 6, wobei ein Faltelement ein Umlenkspiegel oder ein Prisma ist.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach einem der vorangegangen Ansprüche mit einer hinter der letzten, der Bildseite zugewandten Linse (18) der Weitwinkeloptik (10, 11) befindlichen Austrittspupille.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach Anspruch 8, wobei die Austrittspupille mit einer vor dem Detektor (32) befindlichen Kaltblende (30) zusammenfällt.
Weitwinkeloptik (10, 11) nach einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die negative Linse (22) und die positive Linse (24) des inversen Galileo-Teleskops (20) und die beiden positiven Linsen (14, 18) der Anordnung (12) von den drei weiteren Linsen (14, 16, 18) aus Silizium gefertigt sind und die negative Linse (16) der Anordnung (12) von den drei weiteren Linsen (14, 16, 18) aus Germanium gefertigt ist.