DE102006005171A1

DE102006005171A1 - Weitwinkeloptik

Info

Publication number: DE102006005171A1
Application number: DE102006005171A
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: 2006-02-06
Filing date: 2006-02-06
Publication date: 2007-08-09
Anticipated expiration: 2026-02-07
Also published as: FR2897165B1; GB0701395D0; FR2897165A1; GB2434878A; DE102006005171B4; GB2434878B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Weitwinkeloptik (10, 60) für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor (16), und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende (22), wobei die Weitwinkeloptik (10, 60) in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite ein Linsensystem mit einer Primäroptik (12) und mit einer Sekundäroptik (14) umfasst und wobei das Linsensystem derart ausgestaltet ist, dass a. sich zwischen der Primäroptik (12) und der Sekundäroptik (14) eine Zwischenbildebene befindet, b. es eine objektseitig von der Primäroptik (12) liegende Eintrittspupille (26) aufweist, die das reelle Bild der Blende (22) ist, und c. es eine bildseitig von der Senkundäroptik (14) liegende Austrittspupille (24) aufweist, die mit der Blende (22) zusammenfällt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Weitwinkeloptik für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor, und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende.

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.

Aus der US 6,292,293 B1 ist ein Weitwinkel-Abbildungssystem für den infraroten Spektralbereich bekannt, das zur Detektion von sehr heißen oder brennenden Objekten geeignet ist. Hierzu weist das Abbildungssystem eine zwischen seinen Linsen liegende Einrittspupille auf, an deren Position sich eine physische Aperturblende befindet. Über diese Aperturblende kann die auf das Abbildungssystem einfallende Infrarot-Strahlung derart kontrolliert werden, dass eine Sättigung des Infrarot-Detektors des Abbildungssystems vermieden und eine Detektion einzelner brennender Objekte ermöglicht wird. Nachteiligerweise ist mit einem solchen Abbildungssystem eine Detektion von Objekten, die infrarote Strahlung geringer Intensität emittieren, nur schwer oder nicht möglich. In einem solchen Fall stellt nämlich die innen liegende Aperturblende selbst eine Strahlungsquelle dar, die die Strahlung der schwach emittierenden Objekte im Gesichtsfeld überstrahlt und damit deren Detektion unmöglich macht.

In der US 5,479,292 ist eine Weitwinkeloptik in Form einer Einzellinse für ein Temperaturmesssystem offenbart. Vor der Weitwinkeloptik befindet sich eine Aperturblende, bei der es sich zugleich um die Eintrittspupille dieser Weitwinkeloptik handelt. Solche Systeme, bei denen sich die Aperturblende vor der Weitwinkeloptik befindet, haben den Nachteil, dass eine Aperturblende mit einem großen Durchmesser benötigt wird, um ein großes Gesichtsfeld erfassen zu können, und damit auch bezüglich ihrer Durchmesser große und deswegen teure Linsen erforderlich sind.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weitwinkeloptik für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor, und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende anzugeben, die kompakt und kleinbauend ist und dabei trotzdem für eine gute Abbildungsqualität sorgt.

Diese Aufgabe wird durch eine Weitwinkeloptik für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor, und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende gelöst, wobei die Weitwinkeloptik erfindungsgemäß in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite ein Linsensystem mit einer Primäroptik und mit einer Sekundäroptik umfasst und wobei das Linsensystem derart ausgestaltet ist, dass

a. sich zwischen der Primäroptik und der Sekundäroptik eine Zwischenbildebene befindet,
b. es eine objektseitig von der Primäroptik liegende Eintrittspupille aufweist, die das reelle Bild der Blende ist, und
c. es eine bildseitig von der Sekundäroptik liegende Austrittspupille aufweist, die mit der Blende zusammenfällt.

Die Erfindung geht in einem ersten Schritt von der Erkenntnis aus, dass es Anwendungen für Weitwinkeloptiken für den infraroten Spektralbereich gibt, die einen Betrieb unter extremen Umweltbedingungen erfordern. Solche extremen Umweltbedingungen liegen beispielsweise bei einem Einsatz der Weitwinkeloptik in der Luftfahrt vor. Wird die Weitwinkeloptik z. B. in einem Flugzeug oder in einem Flugkörper eingesetzt, so muss sie vor äußeren Einflüssen, wie Temperaturschwankungen und mechanischen Beschädigungen durch Steinschlag oder Erosion, geschützt werden, um eine hohe Abbildungsqualität zu gewährleisten. Aus diesem Grund werden Weitwinkeloptiken üblicherweise innerhalb des Flugzeugs oder des Flugkörpers angeordnet und „schauen" durch ein in der Außenhülle des Flugzeugs oder Flugkörpers befindliches Fenster hinaus.

Weiterhin geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass Fenster mit großen geometrischen Abmessungen die aerodynamische Struktur eines Flugzeugs oder eines Flugkörpers beeinträchtigen können. Um eine Beeinträchtigung der aerodynamischen Struktur möglichst gering halten zu können, ist es empfehlenswert, solche Fenster von ihren geometrischen Abmessungen her möglichst klein auszugestalten.

In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass bei einer gegebenen Strahlungsstärke einer Weitwinkeloptik das Fenster, durch welches die Weitwinkeloptik „schauen" soll, dann eine minimale Größe bzgl. seines Durchmessers erreichen kann, wenn die Position des Fensters mit der Eintrittspupille der Weitwinkeloptik zusammenfällt. Auf diese Weise wirkt sich nämlich ein solches Fenster mit einem Durchmesser ähnlich der Eintrittspupille nicht vignettierend auf eine durch das Fenster hindurch tretende, infrarote Strahlung aus.

In einem nächsten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass zur Detektion von infraroter Strahlung Auswerteeinheiten, insbesondere Detektoren, verwendet werden, vor denen eine Blende angeordnet ist. Die Detektoren sind dabei zumeist in einem wärmeisolierenden Gehäuse, einem so genannten Dewar-Gefäß, angeordnet. Die vor dem Detektor bzw. der Auswerteeinheit befindliche Blende wird zumeist – wie der Detektor selbst – gekühlt, um möglichst effektiv thermisch verursachte Streulichtanteile, die zu einer Verfälschung von Abbildungen auf dem Detektor bzw. der Auswerteeinheit führen können, zu verhindern.

Zudem geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass es aus radiometrischen Gesichtspunkten wünschenswert ist, wenn eine solche, zuvor erwähnte gekühlte Blende, im Folgenden auch Kaltblende genannt, mit der Austrittspupille einer Weitwinkeloptik zusammenfällt. Damit ist es nämlich 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 die Auswerteeinheit bzw. den Detektor sorgt.

In einem letzten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass sich eine Weitwinkeloptik mit einer auf der Objektseite liegenden Eintrittspupille und mit einer auf der Bildseite liegenden Austrittspupille, die mit einer vor der Auswerteeinheit, insbesondere dem Detektor, angeordneten Blende zusammenfällt, nur über eine Weitwinkeloptik mit einer Primäroptik und mit einer Sekundäroptik, zwischen welchen sich eine Zwischenbildebene befindet, realisieren lässt. Denn nur dadurch ist es möglich, die Eintrittspupille als reelles Bild der Blende vor der Weitwinkeloptik zu realisieren. Die Blende wird nämlich dann von Richtung der Auswerteeinheit aus gesehen über die Sekundäroptik als virtuelles Bild in die Zwischenbildebene abgebildet und über die Primäroptik als reelles Bild auf der Objektseite abgebildet.

Durch die Erfindung wird also eine Weitwinkeloptik für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor, und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende geschaffen, die hinter einem bezogen auf seinen Durchmesser kleinen Fenster angeordnet werden kann und dabei trotzdem in der Lage ist, ein großes Gesichtsfeld in hoher Abbildungsqualität zu erfassen. Dadurch lassen sich speziell Kosten und Störungen von aerodynamischen Strukturen, wie beispielsweise einem Flugkörper, innerhalb derer sich eine solche Weitwinkeloptik befinden soll, die mit einem großen Fensterdurchmesser verbunden wären, sparen.

Zweckmäßigerweise weist die Primäroptik der Weitwinkeloptik eine Blendenzahl von kleiner als eins auf. Die Blendenzahl legt fest, wie lichtstark bzw. wie „schnell" eine Optik ist. 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 bzw. eine Auswerteeinheit im infraroten Spektralbereich in Flugkörpern zur Detektion von sich rasch bewegenden Zielen sind Weitwinkeloptiken bzw. Primäroptiken 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 kurze Belichtungszeiten erforderlich sind, kann die Weitwinkeloptik mit der „schnellen" Primäroptik zusammen mit dem Detektor bzw. der Auswerteeinheit beispielsweise besonders zügig auf ein neues Gesichtsfeld ausgerichtet werden.

Von Vorteil ist es, wenn es sich bei der Primäroptik in Richtung von Objektseite zu Bildseite um ein Doublet aus einer positiven Linse und einer negativen Linse handelt. Unter einer negativen Linse wird dabei eine Zerstreuungslinse und unter einer positiven Linse eine Sammellinse verstanden. Dadurch, dass es sich bei der Primäroptik um ein Doublet aus zwei Linsen handelt, kann bei geschickter Wahl der Ausgestaltung hinsichtlich Geometrie und Material der negativen und positiven Linse zueinander eine gegenseitige Kompensation ihrer Abbildungsfehler (insbesondere des Farbfehlers) realisiert werden, ohne dass dafür weitere Linsen erforderlich sind. Dies ermöglicht eine Einsparung von Kosten und eine kompakte Bauweise der Primäroptik wegen reduzierten Raumbedarfs.

Geschickterweise handelt es sich bei der negativen Linse und der positiven Linse der Primäroptik um Meniskuslinsen. Bei Meniskuslinsen ist eine der beiden Außenflächen einer Linse konvex, wohingegen die andere konkav ist. Eine Meniskuslinse weist somit eine Sichelform auf. Durch entsprechende geometrische Ausgestaltung der positiven Meniskuslinse und der nachfolgenden negativen Meniskuslinse ist es möglich, diese in geringem Abstand zueinander anzuordnen. Falls die sich gegenüber liegenden Außenflächen der negativen Meniskuslinse und der positiven Meniskuslinse den gleichen Krümmungsradius aufweisen, ist es sogar möglich, die beiden Linsen direkt aneinander anliegend anzuordnen. Dadurch kann die Primäroptik und somit auch die diese umfassende Weitwinkeloptik besonders kompakt gehalten werden und auch dort eingesetzt werden, wo nur wenig Raum für eine solche zur Verfügung steht.

Praktischerweise weist zumindest eine Außenfläche der positiven Linse der Primäroptik eine asphärische Formgebung und weisen die übrigen Außenflächen der Primäroptik eine sphärische Formgebung auf. Bereits durch die Kombination einer negativen Linse mit einer positiven Linse in der Primäroptik ist es möglich, den Öffnungsfehler oder die so genannte sphärische Aberration der Linsen teilweise zu korrigieren, da diese jeweils Aberrationen mit entgegen gesetzten Vorzeichen erzeugen, die sich somit zumindest teilweise kompensieren. Dadurch, dass die negative Linse der Primäroptik Außenflächen mit einer asphärischen Formgebung aufweist, ist es möglich, den durch die Außenflächen mit sphärischer Formgebung der positiven Linse hervorgerufenen Öffnungsfehler zu kompensieren. Auf diese Weise lässt sich mit der Primäroptik der Weitwinkeloptik eine gute Abbildungsqualität erzielen. Zudem können aufgrund der Verwendung zumindest einer Linse mit Außenflächen mit sphärischer Formgebung Kosten gespart werden, da solche Außenflächen im Gegensatz zu Außenflächen mit asphärischer Formgebung preisgünstiger in der Herstellung sind.

Praktischerweise ist die positive Linse der Primäroptik aus Germanium oder Silizium und die negative Linse der Primäroptik aus Kalziumfluorid oder Magnesiumfluorid gefertigt. Durch die Kombination einer Linse aus Germanium, also aus einem hoch brechenden Material mit geringer Dispersion, mit einer Linse aus Kalziumfluorid, also aus einem nieder brechenden Material mit hoher relativer Dispersion, ist es möglich, den Farblängsfehler der Primäroptik effektiv zu kompensieren. Der Farblängsfehler, auch chromatische Aberration genannt, tritt nämlich auf, weil die effektive Brennweite einer Einzellinse für Strahlung unterschiedlicher Wellenlängen (=Farbe) differiert. Eine schlechte Korrektur desselbigen führt in Bildern zu Farbsäumen, die eine Detektion oder Identifikation von Objekten erschweren oder gar unmöglich machen. Durch die Kombination einer Linse aus Germanium mit einer Linse aus Kalziumfluorid ist es möglich, diesen Farblängsfehler zu korrigieren, weil es mit diesen Materialien möglich ist, unterschiedliche Spektralteile infraroter Strahlung zusammenfallen zu lassen. Eine Kompensation des Farblängsfehlers lässt sich ebenfalls erreichen, wenn die negative Linse aus Silizium oder einem anderen hoch brechenden Material mit geringer Dispersion, das für den infraroten Spektralbereich transparent ist, gefertigt ist. Der Farblängsfehler kann ebenfalls korrigiert werden, wenn die positive Linse aus Magnesiumfluorid oder einem anderen nieder brechenden Material mit hoher relativer Dispersion, welches für den infraroten Spektralbereich transparent ist, gefertigt ist.

In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung umfasst die Primäroptik eine positive Meniskuslinse, die aus Germanium gefertigt ist, deren erste Außenfläche eine asphärische Formgebung aufweist und die außerdem eine diffraktive Oberfläche aufweist. Dadurch, dass die Primäroptik hier nur eine einzige Linse umfasst, kann die Weitwinkeloptik insgesamt sehr kleinbauend realisiert und damit für Anwendungen eingesetzt werden, wo nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht. Eine positive Meniskuslinse, die aus Germanium gefertigt ist, hat den Vorteil, dass ihre aufgrund von Materialdispersion verursachte Änderung der Abbildungseigenschaften so gering ist, dass eine solche Primäroptik sowohl in einem Spektralbereich von 3–5 μm (mittleres IR), als auch in einem Spektralbereich von 8–12 μm (langwelliges IR) verwendet werden kann. Die Ausgestaltung der positiven Meniskuslinse mit einer Außenfläche, die eine asphärische Formgebung aufweist, hat den Vorteil, dass kein auf sphärischer Aberration beruhender Abbildungsfehler über die Primäroptik in die Weitwinkeloptik eingebracht wird, der zu einer Degradation der Weitwinkeloptik führen würde. Ein Farblängsfehler bei einer solchen Primäroptik kann dabei vermieden werden, indem die objektseitige Außenfläche der positiven Meniskuslinse eine diffraktive Oberfläche aufweist. Durch entsprechende Ausgestaltung der diffraktiven Oberfläche kann die durch das Material, aus dem die positive Meniskuslinse der Primäroptik gefertigt ist, hervorgerufene Materialdispersion kompensiert werden. Es ist möglich, die diffraktive Oberfläche in einem Arbeitsgang zusammen mit der Realisierung der objektseitigen Außenfläche mit asphärischer Formgebung herzustellen.

Zweckmäßigerweise umfasst die Sekundäroptik in Richtung von Objektseite zu Bildseite eine negative Linse, eine erste positive Linse und eine zweite positive Linse. Durch entsprechende Ausgestaltung der insgesamt drei Linsen umfassenden Sekundäroptik kann eine gegenseitige Kompensation der Abbildungsfehler der drei Linsen erzielt werden, ohne dass dafür weitere Linsen benötigt werden, die zu einem höheren Raumbedarf und Kosten für die Weitwinkeloptik führen würden.

Vorzugsweise sind die negative Linse, die erste positive Linse und die zweite positive Linse der Sekundäroptik als Meniskuslinsen ausgeführt. Dies ermöglicht es, die Abstände zwischen den Linsen zu minimieren und dadurch eine möglichst kompakte Anordnung zu realisieren. Besonders geschickt ist es hierbei, wenn die negative Linse bildseitig konvex und die erste positive Linse objektseitig konkav ausgestaltet ist. Dies ermöglicht bei entsprechender Wahl der Krümmungsradien der sich gegenüber liegenden Außenflächen der negativen Linse und der ersten positiven Linse, die Linsen relativ nahe hintereinander anzuordnen.

Von Vorteil ist es, wenn die negative Linse der Sekundäroptik aus Kalziumfluorid, die erste positive Linse der Sekundäroptik aus Silizium und die zweite positive Linse der Sekundäroptik aus Germanium gefertigt sind. Durch die negative Linse aus Kalziumfluorid und die zweite positive Linse aus Germanium ist es möglich, den Farblängsfehler der Sekundäroptik zu korrigieren und damit die Abbildungsqualität der Weitwinkeloptik insgesamt zu optimieren. Dadurch, dass die erste positive Linse der Sekundäroptik aus Silizium gefertigt ist, können Kosten eingespart werden, da Siliziumlinsen wesentlich preiswerter als beispielsweise Germaniumlinsen sind.

Geschickterweise weist eine der Außenflächen der zweiten positiven Linse der Sekundäroptik eine asphärische Formgebung auf. Durch die asphärische Ausgestaltung der einen Außenfläche der zweiten positiven Linse kann der durch sphärisch ausgestaltete Außenflächen der negativen Linse und der ersten positiven Linse bedingte Öffnungsfehler kompensiert werden.

Bei entsprechender Ausgestaltung der Linsen der Primäroptik und der Sekundäroptik entsprechend den zuvor gemachten Ausführungen lässt sich eine Weitwinkeloptik mit einer beugungsbegrenzten Abbildungsqualität bis hin zu einer Öffnungszahl von eins bei einem Gesichtsfeld von ca. 50° Grad erreichen.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt:
1 eine Weitwinkeloptik mit einer zwei Linsen umfassenden Primäroptik und mit einer drei Linsen umfassenden Sekundäroptik und
2 eine Weitwinkeloptik mit einer eine einzige Linse umfassenden Primäroptik und mit einer Sekundäroptik entsprechend 1.
Funktionsgleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Tabelle 1 zeigt die Design-Daten der Weitwinkeloptik gemäß 2.
In 1 ist eine Weitwinkeloptik 10 dargestellt, die eine Primäroptik 12 und eine Sekundäroptik 14 umfasst. Auf der Bildseite der Sekundäroptik 14 befindet sich ein Detektor 16 auf Cadmiumtelluridbasis. Der Detektor ist in einem nicht gezeigten Dewar-Gefäß angeordnet. Das Dewar-Gefäß verfügt über ein Fenster 18, welches aus Silizium besteht und somit für den infraroten Spektralbereich transparent ist. Im Inneren des Dewar-Gefäßes ist vor dem Detektor 16 ein Kaltfilter 20 angeordnet. Auch der Kaltfilter 20 ist aus Silizium gefertigt und erfüllt damit die Anforderungen hinsichtlich Durchlässigkeit im infraroten Spektralbereich. Bei dem aus Silizium gefertigten Kaltfilter 20 handelt es sich um einen optischen Filter, der dazu verwendet wird, Hintergrundstrahlung außerhalb des gewünschten Wellenlängenbereichs abzublocken, um somit das Rauschen zu verringern. Zwischen dem Fenster 18 und dem Kaltfilter 20 befindet sich eine Blende 22, die zur mechanischen Begrenzung der Strahlenbündel der optischen Abbildung und zum Abblocken thermischer Strahlung dient. Das Fenster 18, der Kaltfilter 20 und die Position der Blende 22 haben eine optische Wirkung und sind daher Bestandteil des Designs der Weitwinkeloptik 10.
Das Dewar-Gefäß mit seinem Fenster 18 und den in seinem Inneren befindlichen Elementen, wie Blende 22, Kaltfilter 20 und Detektor 16, ist in Bezug auf die Primäroptik 12 und die Sekundäroptik 14 derart angeordnet, dass die Lage der Blende 22 mit der Lage der Austrittspupille 24 der Weitwinkeloptik zusammenfällt. Die Blende 22 bzw. die Austrittspupille 24 sind in der 1 strichliert dargestellt. Über die Sekundäroptik 14 wird die Blende 22 als virtuelles Bild in die Zwischenbildebene zwischen der Sekundäroptik 14 und der Primäroptik 12 abgebildet. Die Primäroptik 12 ihrerseits bildet nun wiederum das virtuelle Bild der Blende 22 als reelles Bild der Blende 22 ab. Dieses reelle Bild der Blende 22 stellt die Eintrittspupille 26 der Weitwinkeloptik 10 dar.
Die Primäroptik 12 umfasst zwei Linsen 28 und 30. Sowohl bei der objektseitigen Linse 28 als auch bei der bildseitigen Linse 30 handelt es sich um Meniskuslinsen. Die aus Germanium gefertigte Linse 28 ist konvexkonkav und hat eine sammelnde, also positive Wirkung. Die aus Kalziumfluorid gefertigte Linse 30 ist ebenfalls konvexkonkav und hat eine zerstreuende, also negative Wirkung. Die Linse 28 weist eine erste Außenfläche 32 mit asphärischer Formgebung und eine zweite Außenfläche 34 mit sphärischer Formgebung auf. Die Linse 30 hingegen weist zwei Außenflächen 36, 40 mit sphärischer Formgebung auf. Die Krümmungsradien der sich gegenüberliegenden Außenflächen 34 und 36 der Linsen 28 und 30 stimmen miteinander überein, was eine direkt aneinander anliegende Anordnung der beiden Linsen 28 und 30 ermöglicht. Die in 1 dargestellte Primäroptik weist eine Blendenzahl kleiner als eins auf. Durch das Doublet aus Linse 28 und Linse 30 wird der Farblängsfehler der Primäroptik 12 kompensiert.
Die Sekundäroptik 14 führt zu einer Erhöhung der Abbildungsqualität der Weitwinkeloptik 10. Die Sekundäroptik 14 umfasst drei Linsen 42, 44 und 46. Die Linsen 42, 44 und 46 sind als Meniskuslinsen ausgeführt, ihr Abstand ist minimiert, um eine möglichst kompakte Anordnung zu realisieren. Bei der Linse 42 handelt es sich um eine konkavkonvexe negative Linse aus Kalziumfluorid. Diese dient in der Sekundäroptik 14 auch zur Kompensation des Farblängsfehlers. Die auf die Linse 42 folgende Linse 44 ist konkavkonvex sammelnd und aus Silizium gefertigt. Bei der Linse 46 handelt es sich um eine konvexkonkave positive Linse, die aus Germanium gefertigt ist. Die Linsen 42 und 44 weisen Außenflächen 48 und 50 bzw. 52 und 54 mit sphärischer Formgebung auf. Die erste Außenfläche 56 der Linse 46 hingegen weist eine asphärische Formgebung auf, um den Öffnungsfehler der Sekundäroptik 14 zu korrigieren. Die zweite Außenfläche 58 der Linse 46 weist wiederum eine sphärische Formgebung auf.
Die in 2 gezeigte Weitwinkeloptik 60 stellt eine Variante zu der in 1 gezeigten Weitwinkeloptik 10 dar. Die Primäroptik 61 umfasst hier nur eine einzelne Linse 62. Die Linse 62 ist aus Germanium gefertigt. Ihre erste Außenfläche 64 weist eine asphärische Formgebung auf, ihre zweite Außenfläche 66 eine sphärische. Die Linse 62 ist eine konvexkonkave Linse und hat eine positive Wirkung. Bei ihrer objektseitigen Außenfläche 64 handelt es sich um eine diffraktive Oberfläche 68, die zur Kompensation des Farblängsfehlers der Primäroptik 61 dient. Die Sekundäroptik 14 der Weitwinkeloptik 60 ist funktionsgleich zu der in 1 gezeigten Sekundäroptik 14 der Weitwinkeloptik 10 aufgebaut.
Die exakten Design-Daten der Weitwinkeloptik 60 können im Detail der Tabelle 1 entnommen werden. Die Daten der Linsen-Außenflächen mit asphärischer Formgebung sind dabei entsprechend der folgenden Formel für asphärische Oberflächen definiert:
r bezeichnet dabei den Radius, cv die Krümmung und cc die konische Konstante. Bei ad, ae, af, ag handelt es sich um die Asphärenkoeffizienten. Nicht angegebene Asphärenkoeffizienten betragen in dem vorliegenden Beispiel Null.
Ähnlich wie bei der Formel für die aspärische Oberfläche wird auch bei der diffraktiven Oberfläche die sog. Phase Φ(r) durch eine Gleichung der Form
beschrieben.
Tabelle 1: Design-Daten der Weitwinkeloptik gemäß Figur 2

10: Weitwinkeloptik
12: Primäroptik
14: Sekundäroptik
16: Detektor
18: Fenster
20: Kaltfilter
22: Blende
24: Austrittspupille
26: Eintrittspupille
28: Linse
30: Linse
32: Außenfläche
34: Außenfläche
36: Außenfläche
40: Außenfläche
42: Linse
44: Linse
46: Linse
48: Außenfläche
50: Außenfläche
52: Außenfläche
54: Außenfläche
56: Außenfläche
58: Außenfläche
60: Weitwinkeloptik
61: Primäroptik
62: Linse
64: Außenfläche
66: Außenfläche
68: diffraktive Oberläche

Claims

Weitwinkeloptik (10, 60) für den infraroten Spektralbereich mit einer Auswerteeinheit, insbesondere einem Detektor (16), und mit einer vor der Auswerteeinheit angeordneten Blende (22), wobei die Weitwinkeloptik (10, 60) in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite ein Linsensystem mit einer Primäroptik (12, 61) und mit einer Sekundäroptik (14) umfasst und wobei das Linsensystem derart ausgestaltet ist, dass a. sich zwischen der Primäroptik (12, 61) und der Sekundäroptik (14) eine Zwischenbildebene befindet, b. es eine objektseitig von der Primäroptik (12, 61) liegende Eintritttspupille (26) aufweist, die das reelle Bild der Blende (22) ist, und c. es eine bildseitig von der Sekundäroptik (14) liegende Austrittspupille (24) aufweist, die mit der Blende (22) zusammenfällt.
Weitwinkeloptik (10, 60) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäroptik (12, 61) eine Blendenzahl von kleiner als eins aufweist.
Weitwinkeloptik (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Primäroptik (12) in Richtung von Objektseite zu Bildseite um ein Doublet aus einer positiven Linse (28) und einer negativen Linse (30) handelt.
Weitwinkeloptik (10) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der positiven Linse (28) und der negativen Linse (30) der Primäroptik (12) um Meniskuslinsen handelt.
Weitwinkeloptik (10) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenfläche (32) der positiven Linse (28) der Primäroptik (12) eine asphärische Formgebung und die zweite Außenfläche (34) der positiven Linse (28) der Primäroptik sowie die Außenflächen (36, 40) der negativen Linse (30) der Primäroptik (12) eine sphärische Formgebung aufweisen.
Weitwinkeloptik (10) nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die positive Linse (28) der Primäroptik (12) aus Germanium oder Silizium und die negative Linse (30) der Primäroptik (12) aus Calciumfluorid oder Magnesiumfluorid gefertigt ist.
Weitwinkeloptik (60) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Primäroptik (61) eine positive Linse (62) umfasst, die a. als Meniskuslinse ausgeführt ist, b. aus Germanium gefertigt ist und c. deren erste (objektseitige) Außenfläche (64) eine asphärische Formgebung und eine diffraktive Oberfläche aufweist.
Weitwinkeloptik (10, 60) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundäroptik (14) in Richtung von Objektseite zu Bildseite eine negative Linse (42), eine erste positive Linse (44) und eine zweite positive Linse (46) umfasst, wobei die Linsen (42, 44, 46) vorzugsweise als Meniskuslinsen ausgeführt sind.
Weitwinkeloptik (10, 60) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass a. die negative Linse (42) der Sekundäroptik (14) aus Calciumfluorid, b. die erste positive Linse (44) der Sekundäroptik (14) aus Silizium und c. die zweite positive Linse (46) der Sekundäroptik (14) aus Germanium gefertigt ist.
Weitwinkeloptik (10, 60) nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenfläche (56) der zweiten positiven Linse (46) der Sekundäroptik (14) eine asphärische Formgebung aufweist.