DE102005021506B4

DE102005021506B4 - Optisches Einzelelement und seine Verwendung

Info

Publication number: DE102005021506B4
Application number: DE102005021506A
Authority: DE
Inventors: Dr. Baumgart Jörg
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2005-05-10
Filing date: 2005-05-10
Publication date: 2012-02-16
Anticipated expiration: 2025-05-11
Also published as: GB0608584D0; IL175236A0; DE102005021506A1; GB2426077A; GB2426077B; FR2885703B1; FR2885703A1; IL175236A

Abstract

Optisches Einzelelement (12) mit einer Hauptdurchgangsrichtung (14) von einer Eintrittsseite (16) in Richtung auf eine Austrittsseite (18), welches aus einem Stück hergestellt ist und a. als Schmidt-Korrekturplatte, b. als bildfeldebnende Linse und c. als reflektierender Spiegel ausgestaltet ist, wobei die Eintrittsseite (16) eben ist und in einem zentralen Innenbereich (22) eine Verspiegelung aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches Einzelelement und seine Verwendung.
Klassische Schmidt–Systeme umfassen einen sphärischen Primärspiegel, in dessen Krümmungsmittelpunkt eine so genannte Schmidt-Korrekturplatte angeordnet ist. Die Bildebene befindet sich dabei zwischen dem Primärspiegel und der Schmidt-Korrekturplatte. Bei Schmidt-Systemen mit einem asphärischen Primärspiegel kann die Schmidt-Korrekturplatte vorgezogen werden. Diese Schmidt Korrekturplatte dient zur Beseitigung des Öffnungsfehlers (sphärische Aberration) des Primärspiegels. Die sphärische Aberration manifestiert sich bei Lichtstrahlen, die nahe am Rand des Primärspiegels einfallen. Diese Lichtstrahlen werden in einer anderen Entfernung fokussiert als mittig einfallende Lichtstrahlen. Die negative Folge davon ist ein leicht verschwommenes Bild, dessen Abbildungsqualität für zahlreiche Anwendungen – wie beispielsweise für die Detektion von Zielen mittels eines Suchkopfs eines Lenkflugkörpers – oftmals nicht ausreichend ist. Daher ist die Einbringung der zuvor erwähnten Schmidt-Korrekturplatte in solchen Fällen zwingend erforderlich.
Darüber hinaus weisen Schmidt-Systeme prinzipbedingt (aufgrund ihres Primärspiegels) eine große Bildfeldwölbung auf. Bei diesem Abbildungsfehler liegen die Brennpunkte für alle Objekte nicht auf einer Ebene, sondern auf einer nach innen gekrümmten Kugelfläche. Die Folge ist eine zum Bildrand hin ansteigende Unschärfe. Diese Beeinträchtigung der Abbildungsqualität ist wiederum für viele Anwendungen nicht tolerierbar. Mittels Einbringen einer Linse in die Nähe der Bildebene kann der Abbildungsfehler der Bildfeldwölbung verringert werden.
Ein weiterer Nachteil eines Schmidt-Systems besteht darin, dass es eine sehr große Baulänge und eine – aufgrund ihrer Lage zwischen Schmidt-Korrekturplatte und Primärspiegel – schwer zugängliche Bildebene besitzt. Für Suchköpfe für Lenkflugkörper, in denen nur ein begrenzter Bauraum zur Verfügung steht, ist beispielsweise ein Schmidt-System daher nicht verwendbar. Durch Umgestaltung des Schmidt-Systems in ein Schmidt-Cassegrain-System durch Einbringen eines Sekundärspiegels, der den vom Primärspiegel reflektierten Strahlengang über eine zentrale Öffnung im Primärspiegel aus diesem herausführt, ist eine kleinbauende Optik mit einfach zugänglicher Bildfeldebene realisierbar. Hierfür muss jedoch ein strahlfaltendes Element, der Sekundärspiegel, zusätzlich vorgesehen werden.
Um also eine Abbildungsoptik, so wie ein Schmidt-System oder ein Schmidt-Cassegrain-System, mit qualitativ hochwertigen Abbildungseigenschaften zu erhalten, sind mehrere optische Elemente, wie eine Schmidt-Korrekturplatte, eine bildfeldebnende Linse oder ein Sekundärspiegel erforderlich. Diese Elemente müssen zur Gewährleistung guter Abbildungseigenschaften sowohl zueinander als auch zum Primärspiegel möglichst exakt justiert werden. Speziell bei den Halterungen der Elemente muss darauf geachtet werden, dass diese keine Probleme in Bezug auf Streulicht und Punktbildfunktion verursachen.
Nachteiligerweise können die optischen Elemente und ihre Halterungen zumeist nicht aus dem gleichen Material hergestellt werden. Dies macht oftmals eine aktive Temperaturkompensation dieser optischen Elemente erforderlich, um auch bei auf die Abbildungsoptiken eventuell einwirkenden Temperaturschwankungen eine gleich bleibende Abbildungsqualität aufrechtzuerhalten.
Derartige konventionelle optische Systeme, wie sie oben beschrieben sind, sind aus US 3,064,526 A , US 2002/0171896 A1 , US 5,471,346 A , US 5,768,039 A , US 6,547,406 B1 oder FR 2 761 215 A1 bekannt.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegendes Erfindung, ein optisches Einzelelement anzugeben, welches eine aufwendige Justage optischer Elemente zur Korrektur von Abbildungsfehlern in einer Abbildungsoptik und eine aktive Temperaturkompensation dieser optischen Elemente weitgehend überflüssig macht.
Weiter liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine technische Verwendung eines solchen optischen Einzelelements anzugeben.
Die erstgenannte Aufgabe wird durch ein optisches Einzelelement gemäß den nebengeordneten Ansprüchen 1 oder 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen 2 bis 7 sowie 9 bis 14 wiedergegeben.
In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass ein optisches Einzelelement, das drei verschiedene optische Elemente in sich vereint, zumindest zwei optische Elemente zur Abbildungsfehlerkorrektur oder zur Strahlfaltung überflüssig macht. Durch diese Einsparung von optischen Elementen und Reduktion auf ein optisches Einzelelement ist keine Justage der optischen Elemente zueinander mehr erforderlich. Durch ein solches optisches Einzelelement können somit Beeinträchtigungen der optischen Abbildungsqualität von Abbildungsoptiken, die auf einer Fehljustage optischer Elemente zueinander beruhen, ausgeschlossen werden. Der Justageaufwand ist hier reduziert auf die Ausrichtung des optischen Einzelelements zu seiner zugehörigen Abbildungsoptik.
In einem nächsten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei Abbildungsoptiken, die einsatzbedingt größeren Temperaturschwankungen ausgesetzt sind, üblicherweise eine aktive Temperaturkompensation erforderlich ist. Da die optischen Elemente zur Strahlfaltung bzw. zur Korrektur von Abbildungsfehlern zumeist aus unterschiedlichen Materialien bestehen, ist ihr temperaturabhängiger Brechungsindex und damit ihr Abbildungsverhalten unterschiedlich stark von solchen Temperaturschwankungen abhängig. Auch die Halterungen der optischen Elemente, die meistens aus einem anderen Material als die optischen Elemente selbst bestehen, können den negativen Effekt von Temperaturschwankungen auf den Brechungsindex bzw. das Abbildungsverhalten nachhaltig beeinflussen. Eine Reduktion erforderlicher optischer Elemente auf ein Minimum in Form eines optischen Einzelelements, durch das mehrere optische Elemente ersetzt werden können, entschärft die Problematik eines beeinträchtigten Abbildungsverhaltens aufgrund der temperaturabhängigen unterschiedlichen Brechungsindexänderungen von aus unterschiedlichen Materialien bestehenden optischen Elementen und ihren zugehörigen Halterungen.
Die Herstellung eines komplexen optischen Einzelelements, das als Schmidt-Korrekturplatte, als bildfeldebnende Linse und als Spiegel ausgestaltet ist, ist aufgrund von modernen Fertigungstechniken wie Diamantdrehen heute möglich.
Durch ein optisches Einzelelement werden negative Einflüsse von Fehlerquellen, die das Abbildungsverhalten beeinträchtigen, wie z. B. die Dejustage verschiedener optischer Elemente zueinander oder die aufgrund von Temperaturschwankungen hervorgerufenen unterschiedlich starken Brechungsindexänderungen der aus unterschiedlichen Materialien angefertigten optischen Elemente, reduziert. Eine solche Reduktion gewährleistet ein besseres Abbildungsverhalten, wie es für manche Anwendungen – wie beispielsweise in Abbildungsoptiken für zielverfolgende Flugkörper– von existenzieller Bedeutung ist.
Des Weiteren können bei der Verwendung eines optischen Einzelelementes, das mehrere optische Elemente in sich vereint, gegenüber der Verwendung mehrerer optischer Elemente, die jeweils nur einer Funktion dienen, Kosten, Gewicht und Bauraum eingespart werden.
Ein auf ein optisches Einzelelement mit einer Hauptdurchgangsrichtung von einer Eintrittsseite in Richtung auf eine Austrittsseite fallender Strahlengang erfährt die Wirkungsweise einer Schmidt-Korrekturplatte, das heißt, dass der Strahlengang bereits so beeinflusst wird, dass sich kein Unterschied im Abbildungsverhalten ergibt, wenn der Strahlengang anschließend auf den Rand oder den Mittelbereich eines Primärspiegels fällt und von diesem reflektiert wird. Trifft ein derart reflektierter Strahlengang dann wieder auf das optische Einzelelement, so sorgt dieses nun dafür, indem es auch als bildfeldebnende Linse und als reflektierender Spiegel ausgelegt ist, dass der Brennpunkt für alle Objekte, von denen ein Strahlengang ausgeht, auf einer Ebene und nicht wie ansonsten auf einer nach innen gekrümmten Fläche liegt bzw. mit anderen Worten, dass die zum Bildrand hin ansteigende Unschärfe reduziert wird und dass der Strahlengang erneut in Hauptdurchgangsrichtung in Richtung des Primärspiegels zurückreflektiert wird.
Zweckmäßigerweise weist das optische Einzelelement eine ebene Eintrittsseite auf. Dadurch ist die optische Wirkung des optischen Einzelelements in Bezug auf seine Ausgestaltung als Schmidt-Korrekturplatte unabhängig von seiner Dicke. Dies ermöglicht bei der Fertigung des optischen Einzelelements – wie beispielsweise durch Diamantdrehen auf einer CNC-Maschine – relativ grolle Toleranzen. Wenn überdies das optische Einzelelement den Abschluss eines optischen Systems gegenüber der Umwelt bilden soll, kann seine Dicke den mechanischen oder thermischen Anforderungen des jeweiligen Einsatzszenarios, unter denen das optische System eingesetzt werden soll, angepasst werden.
Vorteilhafterweise ist die Austrittsseite des optischen Einzelelements asphärisch geformt. Asphärisch bedeutet hierbei, dass die Oberfläche der Austrittsseite auch verschiedene asphärische Bereiche aufweisen kann. Mit einer solchen asphärischen Oberfläche können sorgfältig kontrollierte Aberrationen in ein Abbildungssystem eingeführt werden, die beispielsweise die Aberration anderer optischer Elemente gezielt eliminieren können. Dadurch kann die optische Leistung einer Abbildungsoptik verbessert werden.
Geschickterweise ist das optische Einzelelement zylinderförmig, weist also eine kreisförmige Randgestaltung auf. Die zylindrische Formgebung erleichtert die Integration des optischen Einzelelements in eine Abbildungsoptik, da die meisten optischen Elements, wie beispielsweise Linsen, eine kreisförmige Querschnittsfläche aufweisen. Durch die geeignete Wahl von Abbildungsmaßstab und Anordnung der optischen Elemente in Bezug auf das optische Einzelelement kann dadurch dafür gesorgt werden, dass ein Strahlengang, der in eine Abbildungsoptik eintritt, die Abbildungsoptik auch wieder verlässt und nicht ungeplant verloren geht, weil die geometrischen Abmessungen der optischen Elemente ungünstig gewählt sind. Dadurch wird sichergestellt, dass keine zu erwartende relevante optische Bildinformation eines Strahlengangs beim Passieren einer Abbildungsoptik verfälscht wird oder überhaupt nicht ankommt.
In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung weist die Eintrittsseite des optischen Einzelelements in einem zentralen Innenbereich eine Verspiegelung auf. Ein Strahlengang, der entgegen der Hauptdurchgangsrichtung auf die Austrittsseite des optischen Einzelelements trifft, geht nun entweder durch dieses hindurch oder wird von diesem – wenn es auf den verspiegelten zentralen Innenbereich der Eintrittsseite trifft, zurückreflektiert und verläuft damit wieder in Hauptdurchgangsrichtung. Durch diese Ausgestaltung wirkt das optische Einzelelement als reflektierender Spiegel, also als strahlfaltendes Element. Wird also das optische Einzelelement in einer Abbildungsoptik eingesetzt, die in Hauptdurchgangsrichtung hinter dem optischen Einzelelement einen Primärspiegel aufweist, so kann ein Strahlengang, der in Hauptdurchgangsrichtung verläuft und außerhalb des zentralen Innenbereichs auf die Eintrittsseite des optischen Einzelelements fällt, dieses ungehindert passieren. Trifft der Strahlengang dann anschließend auf den Primärspiegel, so wird er Von diesem entgegen der Hauptdurchgangsrichtung wieder auf das optische Einzelelement zurückreflektiert. Durchdringt er dabei das optische Einzelelement und trifft dabei auf den verspiegelten zentralen Innenbereich der Eintrittsseite, so wird der Strahlengang wieder in Hauptdurchgangsrichtung zurückgeführt. Das optische Einzelelement dient dadurch also als Sekundärspiegel in einer solchen Abbildungsoptik. Da dieser Sekundärspiegel einen integralen Bestandteil des optischen Einzelelements darstellt, ist keine zusätzliche Spiegelhalterung notwendig. Durch solche Halterungen üblicherweise verursachte Probleme – beispielsweise hinsichtlich Streulichterzeugung und Punktbildverwaschung – sind damit verringert. Durch ein solches optisches Einzelelement wird also die Abbildungsqualität einer Abbildungsoptik positiv beeinflusst.
Besonders geschickt ist es, wenn der zentrale Innenbereich mit einem Teil der Eintrittsseite und einem Teil der Austrittsseite als Mangin-Spiegel zusammenwirkt. Dies bedeutet mit anderen Worten, dass dieser zentrale Innenbereich mit seinen zugehörigen Außenflächen, d. h. dem verspiegelten Teil der Eintrittsseite und dem gegenüberliegenden Teil der Austrittsseite, eine rückseitig verspiegelte Linse darstellt. Dadurch dient der zentrale Innenbereich des optischen Einzelelements nicht nur als Sekundärspiegel, sondern erfüllt gleichzeitig bei entsprechender Ausgestaltung die Funktion einer bildfeldebnenden Linse. Sinnvollerweise ist diese rückseitige Linse dabei geometrisch so ausgelegt, dass sie eine Bildfeldwölbung eines speziellen Primärspiegels einer Abbildungsoptik, in dem das optische Einzelelement in Hauptdurchgangsrichtung vor demselbigen liegt, korrigiert. Weiter kann es dabei vorgesehen sein, dass die nicht verspiegelte Oberfläche der Linse die Aberration ihrer reflektierenden Oberfläche, d. h. des verspiegelten Teils der Eintrittsseite, korrigiert. Der Einsatz eines solchen Einzelelements in einer Abbildungsoptik korrigiert dadurch dessen Abbildungsfehler und erhöht damit die Qualität der Abbildungsoptik.
Besonders praktisch ist es, wenn ein Randbereich, der den Innenbereich des optischen Einzelelements umläuft, als Schmidt-Korrekturplatte ausgestaltet ist. Dadurch, dass der Randbereich als Schmidt-Korrekturplatte ausgestaltet ist, gelangt alle Strahlung, die zur Erzielung einer sinnvollen Abbildung erforderlich ist, durch das optische Einzelelement in Hauptdurchgangsrichtung hindurch. Lediglich Strahlung, die auf den zentralen Innenbereich mit der Verspiegelung auftrifft, geht verloren. Sinnvollerweise ist jedoch der zentrale Innenbereich flächenmäßig wesentlich kleiner als der umlaufende Randbereich ausgelegt. Dadurch ist ein mit dem Strahlungsdurchgang durch das optische Einzelelement verbundener Informationsverlust aufgrund von Energie- bzw. Intensitätsverlusten vernachlässigbar. Indem Innenbereich und umlaufender Randbereich unterschiedliche optische Funktionen erfüllen, wird in Form des optischen Einzelelements ein geometrisch kleinbauendes und damit auch leichtes optisches Multifunktionselement geschaffen.
Geschickterweise ist die Austrittsseite des optischen Einzelelements derart ausgestaltet, dass sie in ihrem Randbereich eine optisch zerstreuende und in ihrem zentralen Innenbereich eine optisch sammelnde Wirkung hat. Ist das optische Einzelelement nun einer Temperaturänderung unterworfen, so findet eine Selbstkompensation der damit verbundenen Brechungsindexänderung des optischen Einzelelements statt. Das gleiche gilt für Brechkraftveränderungen, die durch Radiusänderungen des optischen Einzelelements oder durch Durchbiegungen desselbigen durch äußere Lasten hervorgerufen werden. Dadurch, dass das optische Einzelelement aus einem Stück hergestellt ist, ist bereits dadurch die von äußeren Einflüssen abhängige Brechungsindexproblematik entschärft. Beispielsweise könnte eine Temperaturerhöhung in dem Material des optischen Einzelelements zu einer Erhöhung des Brechungsindex führen. In einem solchen Fall würde ein Strahlengang, der in Hauptdurchgangsrichtung durch das optische Einzelelement hindurch geht, durch den optisch zerstreuend wirkenden Randbereich der Austrittsseite nun weniger stark gestreut als vor der Temperaturerhöhung. Der gleiche Strahlengang wird dann von einem Primärspiegel auf das optische Element entgegen der Hauptdurchgangsrichtung zurückreflektiert und trifft auf den sammelnd wirkenden Innenbereich der Austrittsseite. Durch den erhöhten Brechungsindex erfährt er nun eine weniger sammelnde Wirkung als vor der Temperaturerhöhung. Besteht das optische Einzelelement also aus einem Material, so ist eine nahezu vollständige Selbstkompensation möglich. Egal, wie in einem solchen Fall also die Umgebungstemperatur ist, so ist doch der Einfluss auf den Strahlengang stets der gleiche. Dadurch wird eine ungewollte Strahlaufweitung oder -verringerung vermieden.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn das optische Einzelelement aus einem Material besteht, das im infraroten Spektralbereich strahlungsdurchlässig ist. Dadurch ist das optische Einzelelement in Abbildungsoptiken für die Thermografie einsetzbar. Im militärischen Sektor dient die Thermografie mittels einer Abbildungsoptik, die im infraroten Spektralbereich transparent ist, beispielsweise zur Geländeerkundung und – aufklärung. Als infrarot-optische Materialien sind z. B. Zinksulfid, Zinkselenid oder Germanium denkbar.
Ganz besonders geschickt ist es, wenn das optische Einzelelement zumindest teilweise aus Germanium hergestellt ist. Bei Germanium ist nämlich die durch die Materialdispersion verursachte Änderung der Abbildungseigenschaften so gering, dass das gleiche optische Einzelelement sowohl in einem Spektralbereich von 3 bis 5 μm als auch in einem Spektralbereich von 8 bis 12 μm verwendet werden kann. Dadurch ist bei einer Verwendung mit Detektoren, die auf den entsprechenden Spektralbereich abgestimmt sind, eine simultane Nutzung beider Wellenlängenbereiche mit dem gleichen optischen Einzelelement möglich.
Praktisch ist es, wenn das optische Einzelelement aus einem Material gefertigt ist, das sich für die Bearbeitung mittels Diamantdrehen eignet. Dadurch sind asphärische Formen des optischen Einzelelements einfach und preiswert herstellbar. Weiterhin können Bereiche des optischen Einzelelements wie z. B. sein Rand- und Innenbereich, die eine unterschiedliche optische Wirkung haben sollen und daher eine unterschiedliche geometrische Ausgestaltung benötigen, auf der gleichen Maschine und in der gleichen Aufspannung hergestellt werden. Dadurch ist sichergestellt, dass sich keine Dezentrierung oder Verkippung der Bereiche zueinander einstellt. Damit ist ein optimales Abbildungsverhalten erzielbar. Bei entsprechender Dimensionierung der Mittendicke von Rand- und Innenbereich können diese sogar übergangslos aneinander anschließen.
Die zweitgenannte Aufgabe hinsichtlich technischer Verwendungen wird erfindungsgemäß gelöst durch die Verwendung des optischen Einzelelements in einem Schmidt-System.
Wird das optische Einzelelement in einem Schmidt-System verwendet, so wird das optische Einzelelement in Bezug auf seine Hauptdurchgangsrichtung vor einem Primärspiegel angeordnet. Zwischen dem Primärspiegel und dem optischen Einzelelement befindet sich die Bildebene des Schmidt-Systems, in der ein Detektor zur Detektion der darauf einfallenden Strahlung angeordnet ist. Dadurch kann eine Objektszene über das so aufgebaute Schmidt-System auf den Detektor abgebildet werden. Ein Strahlengang, der das optische Einzelelement in Hauptdurchgangsrichtung passiert, erfährt dabei die Wirkung des optischen Einzelelements als Schmidt-Korrekturplatte. Der so aufbereitete Strahlengang trifft dann auf den Primärspiegel und wird von diesem entgegen der Hauptdurchgangsrichtung auf das optische Einzelelement zurückreflektiert. Der Strahlengang wird dann aufgrund der Ausgestaltung des optischen Einzelelements als reflektierender Spiegel durch eine Verspiegelung auf der Eintrittsseite wieder in die Hauptdurchgangsrichtung reflektiert. Zugleich wird der Strahlengang aufgrund der Ausgestaltung des optischen Einzelelements als bildfeldebnende Linse dessen bildfeldebnender Funktion unterzogen. Der so korrigierte und aufbereitete Strahlengang fällt dann auf den Detektor.
Vorteilhaft ist es weiter, wenn das optische Einzelelement in einem Schmidt-Cassegrain-System verwendet wird. Dabei befindet sich das optische Einzelelement in Bezug auf seine Hauptdurchgangsrichtung vor einem Primärspiegel, der in seinem zentralen Bereich eine Öffnung aufweist. Hinter dem Primärspiegel befindet sich ein Detektor. Ein Strahlengang, der nun in Hauptdurchgangsrichtung das optische Einzelelement passiert, erfährt nun aufgrund der Ausgestaltung desselbigen dessen Funktion als Schmidt-Korrekturplatte. Der so aufbereitete Strahlengang trifft dann – genau wie zuvor beim Schmidt-System beschrieben – auf den Primärspiegel und wird von diesem entgegen der Hauptdurchgangsrichtung auf das optische Einzelelement zurückreflektiert. Dabei wird der Strahlengang von diesem wieder in Hauptdurchgangsrichtung zurückreflektiert und erfährt die Wirkung des optischen Einzelelements als bildfeldebnende Linse und als reflektierender Spiegel. Der so modifizierte Strahlengang wird dann durch die zentrale Öffnung im Primärspiegel in Hauptdurchgangsrichtung hinausgeführt und trifft auf den in der Bildebene des Schmidt-Cassegrain-Systems angeordneten Detektor.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung wird das optische Einzelelement in einem Schmidt-Cassegrain-System verwendet, welches eine Anzahl von Streulichtblenden enthält. Durch diese Streulichtblenden kann das Abbildungsverhalten des Schmidt-Cassegrain-Systems positiv beeinflusst werden, weil dadurch das System gegen Streu- und Falschlicht geschützt ist. Sinnvollerweise umschließen diese Streulichtblenden den Detektor und den zentralen Innenbereich des optischen Einzelelements, der als bildfeldebnende Linse wirkt.
Ganz besonders geschickt ist es, wenn das optische Einzelelement in einem der zuvor beschriebenen Schmidt-Cassegrain-Systeme verwendet wird, die eine Relais-Optik umfassen. Wird also die zuvor beschriebene Optik des Schmidt-Cassegrain-Systems um eine Relais-Optik ergänzt, so entsteht in diesem Fall eine Optik mit Zwischenabbildung. Eine solche Optik besitzt eine frei zugängliche Austrittspupille. Dadurch kann bei Verwendung eines gekühlten Detektors dessen Kaltblende an die Stelle der Austrittspupille gelegt werden. Dadurch kann eine sehr hohe Kaltblendeneffizienz nahe 1 erreicht werden, da der Falschlichtanteil besonders gut unterdrückt wird. Fremdstrahlungsanteile innerhalb eines Gehäuses des Detektors, verursacht durch z. B. Laser- und Sonneneinstrahlung, werden weitgehend vermieden, Darüber hinaus erlaubt die durch die Relais-Optik entstandene Zwischenbildebene das Anbringen einer Feldblende in derselbigen. Über die Feldblende wird die Größe des abbildbaren Feldes festgelegt. Der Rand des Feldes ist dadurch scharf begrenzt und kann dadurch auf die Größenverhältnisse des Detektors abgestimmt werden. Durch die Kombination einer solchen Feldblende mit einer Kaltblende, die nach Art einer Lyot-Blende ausgelegt sein kann, können ausgezeichnete Streulichteigenschaften erreicht werden.
Bei der Lyot-Blende handelt es sich praktischerweise um eine kreisringförmige Blende. Durch die kreisringfömige Struktur der Lyot-Blende kann störende Lichteinstrahlung aus dem Zentrum eines Gesichtsfelds, wie beispielsweise Sonnen- oder Laserstrahlung, das die Detektion von Objekten, die sich in der Nähe der hochintensiven Strahlungsquelle befinden, verhindern würden, ausgeblendet werden.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt
1 ein Schmidt-System mit einem optischen Einzelelement und
2 ein Schmidt-Cassegrain-System mit einem optischen Einzelelement.
Funktionsgleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet.
In Tabelle 1 sind die Designwerte des Schmidt-Systems nach 1 aufgelistet.
In Tabelle 2 sind die Designwerte des Schmidt-Cassegrain-Systems nach 2 aufgelistet.
Die 1 zeigt ein Schmidt-System 10 mit einem optischen Einzelelement 12. Die Hauptdurchgangsrichtung durch das optische Einzelelement 12 ist durch einen Pfeil 14 gekennzeichnet. Das optische Element 12 besitzt eine Eintrittsseite 16 und eine Austrittsseite 18. Das optische Einzelelement 12 ist zylinderförmig. Sein äußerer Randbereich 20 umläuft dabei kreisförmig seinen zentralen Innenbereich 22. Die Eintrittsseite 16 des optischen Elements 12 ist im Bereich des zentralen Innenbereichs 22 mit einer Verspiegelungsschicht 24 versehen. Der zentrale Innenbereich 22 ist als Mangin-Spiegel ausgestaltet. Seine Außenflächen werden von der Verspiegelungsschicht 24 und der Fläche 26, die auf der Austrittsseite 18 und der Verspiegelungschicht 24 gegenüber liegt, gebildet. Der zentrale Innenbereich 22 ist somit als rückseitig verspiegelte Linse ausgelegt. Die Eintrittsseite 16 des optischen Einzelelements 12 ist eben, während hingegen die Austrittsseite 18 asphärisch geformt ist. Während die Eintrittsseite 16 sowohl in ihrem Randbereich 20 und in ihrem zentralen Innenbereich 22 eben ist, ist die Austrittsseite 18 im Randbereich anders asphärisch ausgelegt als der zentrale Innenbereich 22. Der Randbereich 20 ist aufgrund seiner Formgebung als Schmidt-Korrekturplatte ausgestaltet. Der zentrale Innenbereich 22, der eine rückseitig verspiegelte Linse darstellt, ist durch seine Formgebung und die Verspiegelung 24 als bildfeldebnende Linse und als reflektierender Spiegel ausgestattet.
In dem gezeigten Schmidt-System 10 passiert ein Strahlengang in Hauptdurchgangsrichtung 14 das optische Einzelelement 12 in seinem Randbereich 20. Dabei erfährt der Strahlengang die korrigierende Wirkung einer Schmidt-Korrekturplatte. Es ist aus 1 ersichtlich, dass der Randbereich 20 eine leicht zerstreuende Wirkung auf einen hindurch tretenden Strahlengang hat. Der nun so modifizierte Strahlengang trifft danach auf einen asphärisch geformten Primärspiegel 28. Von diesem wird der Strahlengang entgegen der Hauptdurchgangsrichtung 14 auf das optische Einzelelement 12 zurückreflektiert. Der Strahlengang durchdringt dabei das optische Einzelelement 12 in Richtung von seiner Austrittsseite 18 auf die Eintrittsseite 16. Genauer gesagt durchdringt der Strahlengang dabei das optische Einzelelement 12 in seinem zentralen Innenbereich 22 und trifft dort auf die Verspiegelungsschicht 24. Von dieser Verspiegelungsschicht 24 wird der Strahl wieder in Hauptdurchgangsrichtung 14 reflektiert und durchquert dabei erneut das optische Einzelelement 12. Die Verspiegelungsschicht 24 stellt hierbei einen reflektierenden Sekundärspiegel dar. Der Strahlengang erfährt dabei eine bildfeldebnende Wirkung, da der zentrale Innenbereich 22 als bildfeldebnende Linse ausgestaltet ist. Anschließend trifft der Strahlengang auf einen Detektor 30. Es ist aus 1 entnehmbar, dass der zentrale Innenbereich 22 auf den Strahlengang eine sammelnde Wirkung hat.
Die exakten Designdaten des Schmidt-Systems 10 nach 1 lassen sich der Tabelle 1 entnehmen. In der Tabelle 1 sind auch die asphärischen Daten des optischen Einzelelements 12 und des Primärspiegels 28 sowie die verwendeten Materialien aufgeführt. Die Form der asphärischen Oberflächen ist entsprechend der folgenden Formel definiert:
In der vorliegenden Formel bezeichnet r den Radius, cv die Krümmung, cc die konische Konstante und ad, ae, af, ag die Asphärenkoeffizenten.

Die Schmidt-Optik 10 erreicht dabei sowohl im Spektralbereich von 3 bis 5 μm als auch im Spektralbereich von 8 bis 12 μm eine beugungsbegrenzte Abbildungsqualität bei einer F-Zahl (Öffnungszahl) von 1,5, einem Gesichtsfeldwinkel von 3° und einer Brennweite von 100 mm. Je nach entsprechendem Einsatzgebiet können die abbildungsrelevanten Größen, wie beispielsweise Brennweite, Öffnungszahl oder Abstand zwischen optischem Einzelelement 12 und Primärspiegel 28 an die jeweiligen Erfordernisse angepasst werden. Tabelle 1 Designwerte des Schmidt-Systems 10

	Radius (mm)	Dicke (mm) oder Abstand (mm)	Apertur-Radius (mm)	Material	Kommentar
Objektebene				Luft
Apertur-Blende		3,571427	42,860366	Germanium	Randbereich 20 (Schmidt-Korrekturplatte)
2		71,428571	42,880505	Luft	Abstand zum Primärspiegel 28
3	–200	–71,428571	49,999496		Rückreflektion
4		–3,571427	16	Germanium	Innenbereich 22 (Spiegel und bildfeldebnende Linse)
5		3,571427	16		erneute Reflektion
6		26,787243	16	Luft	Abstand zum Detektor 30
Bildebene			2,618593		Detektor 30
Asphärische Daten (konisch und polynomial)
	CC	AD	AE	AF	AG
2		1,9617E-08	1,1585E-11	–3,2942E-15	5,0379E-19
3	4,00573	4,8932E-08	–1,2765E-11	5,5926E-15	–6,4164E-19
4		–1,1924E-07	1,7072E-09	–5,9412E-12	7,8545E-19
6		–1,1924E-07	1,7072E-09	–5,9412E-12	7,8545E-19

2 zeigt ein Schmidt-Cassegrain-System 32 mit einem optischen Einzelelement 12. Das dargestellte Schmidt-Cassegrain-System 32 zeigt in einem Spektralbereich von 3 bis 5 μm und über einen Temperaturbereich von –25°C bis +25°C gleich bleibend gute, beugungsbegrenzte Abbildungseigenschaften. Die exakten Designwerte des Schmidt-Cassegrain-Systems 32 und die verwendeten Materialien können der zugehörigen Tabelle 2 entnommen werden. Die Beschreibung der Form der asphärischen Oberflächen erfolgt nach der bereits zuvor eingeführten Formel.

Die Funktionsweise des optischen Einzelelements 12 verhält sich dabei so wie in der Schmidt-Optik 10, die zuvor im Zusammenhang mit 1 beschrieben worden ist. Im Gegensatz zur Schmidt-Optik 10 weist das Schmidt-Cassegrain-System 32 jedoch einen anders ausgestalteten Primärspiegel 34 auf. Der asphärisch geformte Primärspiegel 34 besitzt eine zentrale Öffnung 35 hinter der sich in Bezug auf die Hauptdurchgangsrichtung 14 ein Detektor 30 befindet. Nachdem ein Strahlengang das optische Einzelelement 12 passiert hat und von dem Primärspiegel 34 auf das optische Einzelelement 12 zurückreflektiert wurde, dabei das optische Einzelelement wieder durchdrungen hat, von diesem über die Verspiegelungsschicht 24 in Hauptdurchgangsrichtung 14 zurückreflektiert wurde, erst dann passiert der Strahlengang eine Relais-Optik 36 und gelangt danach auf den Detektor 30. Die Relais-Optik 36 bildet ein in der Zwischenbildebene entstehendes Bild auf den Detektor ab. Die hier verwendete Relais-Optik 36 besteht aus vier Linsen 38, 40, 42 und 44. Tabelle 2 Designdaten des Schmidt-Cassegrain-Systems 32

	Radius (mm)	Dicke (mm) oder Abstand (mm)	Apertur-Radius (mm)	Material	Kommentar
Objektebene				Luft
Apertur-Blende	68.965474	72.408869	68.620646		nicht gezeigte Aperturblende
		–65.486276	40.333100	Luft	Abstand zum optischen Einzelelement 12
		5.171686	38.615258	Germanium	Randbereich 20 (SchmidtKorrekturplatte)
		40.177364	38.615258	Luft	Abstand zum Primärspiegel 34 bzw. Abstand zur zentralen Öffnung 35
	–110.762344	–40.177364	41.359753		Rückreflektion
		–5.171738	18.00000	Zinksulfid	Innenbereich 22 (Spiegel und bildfeldebnende Linse)
		5.171738	18.00000		erneute Reflektion
		11.037425	18.00000	Luft	Abstand zur Linse 38
		5.859034	2.133360	Luft	Abstand zur Linse 38
	–16.109223	3.214711	6.170810	Germanium	Linse 38
	–36.338459	0.100000	7.646857	Luft	Abstand zur Linse 40
	Radius (mm)	Dicke (mm) oder Abstand (mm)	Apertur-Radius (mm)	Material	Kommentar
	–33.897571	2.758492	7.767933	Silizium	Linse 40
	–14.096099	3.564918	9.190755	Luft	Abstand zur Linse 42
	61.197257	2.758492	9.041283	Silizium	Linse 42
	–411990932	6.082749	8.448544	Luft	Abstand zur Linse 44
	9.935008	2.290054	8.096642	Germanium	Linse 44
	9.445879	2.666137	6.545476	Luft	Abstand zum Detektor 30
		12.990473	4.984396	Luft	Abstand zum Detektor 30
Bildebene			3.321618		Detektor 30
Asphärische Daten (konisch und polynomial)
	CC	AD	AE	AF	AG
4	-	6.4403E-08	1.0250E-12	1.0766E-15	–1.6944E-19
5	0.392071	-	-	-	-
6	-	7.4839E-06	–3.2806E-08	7.2880E-11	–6.7013E-14
8	-	7.4839E-06	3.2806E-08	7.2880E-11	–6.7013E-14

Bezugszeichenliste

10: Schmidt-System
12: optisches Einzelelement
14: Hauptdurchgangsrichtung
16: Eintritisseite
18: Austrittsseite
20: Randbereich
22: zentraler Innenbereich
24: Verspiegelungsschicht
26: Fläche
28: Primärspiegel
30: Detektor
32: Schmidt-Cassegrain-System
34: Primärspiegel
35: zentrale Öffnung
36: Relais-Optik
38: Linse
40: Linse
42: Linse
44: Linse

Claims

Optisches Einzelelement (12) mit einer Hauptdurchgangsrichtung (14) von einer Eintrittsseite (16) in Richtung auf eine Austrittsseite (18), welches aus einem Stück hergestellt ist und a. als Schmidt-Korrekturplatte, b. als bildfeldebnende Linse und c. als reflektierender Spiegel ausgestaltet ist, wobei die Eintrittsseite (16) eben ist und in einem zentralen Innenbereich (22) eine Verspiegelung aufweist.
Optisches Einzelelement (12) nach Anspruch 1, wobei seine Austrittsseite (18) asphärisch geformt ist.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es zylinderförmig ist.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der zentrale Innenbereich (22) mit einem Teil der Eintrittsseite (16) und einem Teil der Austrittsseite (18) als Mangin-Spiegel zusammenwirkt.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein Randbereich (20), der den Innenbereich (22) umläuft, als Schmidt-Korrekturplatte ausgestaltet ist.
Optisches Einzelelement (12) nach Anspruch 5, wobei die Austrittseite (18) derart ausgestaltet ist, dass sie in ihrem Randbereich (20) eine optisch zerstreuende und in ihrem zentralen Innenbereich (22) eine optisch sammelnde Wirkung hat.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei es aus einem Material besteht, das im infraroten Spektralbereich strahlungsdurchlässig ist.
Optisches Einzelelement (12) mit einer Hauptdurchgangsrichtung (14) von einer Eintrittsseite (16) in Richtung auf eine Austrittsseite (18), welches a. als Schmidt-Korrekturplatte, b. als bildfeldebnende Linse und c. als reflektierender Spiegel ausgestaltet ist, wobei ein Randbereich (20), der einen zentralen Innenbereich (22) des optischen Einzelelements (12) umläuft, als Schmidt-Korrekturplatte ausgestaltet ist, und die Austrittseite (18) derart ausgestaltet ist, dass sie in ihrem Randbereich (20) eine optisch zerstreuende und in ihrem zentralen Innenbereich (22) eine optisch sammelnde Wirkung hat.
Optisches Einzelelement (12) nach Anspruch 8, wobei seine Eintrittsseite (16) eben ist.
Optisches Einzelelement (12) nach Anspruch 8 oder 9, wobei seine Austrittsseite (18) asphärisch geformt ist.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 10, wobei es zylinderförmig ist.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 11, wobei seine Eintrittsseite (16) in einem zentralen Innenbereich (22) eine Verspiegelung aufweist.
Optisches Einzelelement (12) nach Anspruch 12, wobei der zentrale Innenbereich (22) mit einem Teil der Eintrittsseite (16) und einem Teil der Austrittsseite (18) als Mangin-Spiegel zusammenwirkt.
Optisches Einzelelement (12) nach einem der Ansprüche 8 bis 13, wobei es aus einem Material besteht, das im infraroten Spektralbereich strahlungsdurchlässig ist.
Verwendung eines optischen Einzelelements (12) nach einem der vorangehenden Ansprüche in einem Schmidt-System (10).
Verwendung eines optischen Einzelelements (12) nach Anspruch 15 in einem Schmidt-Cassegrain-System (32).
Verwendung des optischen Einzelelements (12) nach Anspruch 16 in einem Schmidt-Cassegrain-System (32), welches eine Anzahl von Streulichtblenden enthält.
Verwendung des optischen Einzelelements (12) nach einem der Ansprüche 16 oder 17 in einem Schmidt-Cassegrain-System (32), welches eine Relais-Optik (36) umfasst.