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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Teleoptik für den infraroten
Spektralbereich (insbesondere 3–5 μm).
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Solche
Teleoptiken können zum Beispiel zur Überwachung
und Zielerkennung verwendet werden. Zu diesem Zweck müssen
die Teleoptiken zahlreiche Anforderungen erfüllen, wie
beispielsweise eine sehr große Brennweite, eine hohe Auflösung,
ein großes Gesichtsfeld und eine sehr hohe Lichtstärke.
Außerdem ist es von Vorteil, wenn die Teleoptiken in ein
möglichst kleines Kugelvolumen gefaltet werden können.
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Aus
den beiden
US-Patenten Nr. 4,989,928 und
5,024,493 ist jeweils eine
Teleoptik für den Infrarotbereich von 3–5 μm
bekannt, das über mindestens drei Spiegel in ein kleines
Kugelvolumen mit einem Durchmesser von etwa 150 mm gefaltet ist.
Die Brennweite beträgt bei diesen bekannten Teleoptiken
etwa 240 mm.
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Weitere
bekannte Teleoptiken besitzen eine Mittenausblendung mit entsprechenden
Aperturflächenverlusten und Streulichteffekten und sind
daher für die obigen Anwendungen weniger geeignet.
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Es
ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Teleoptik
für den infraroten Spektralbereich mit verbesserten optischen
Eigenschaften und gleichzeitig einer geringen Baugröße
vorzusehen.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Teleoptik mit den Merkmalen des Anspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Die
erfindungsgemäße Teleoptik für den infraroten
Spektralbereich umfasst in Richtung von der Objektseite zur Bildseite
eine erste Optik und eine zweite Optik, wobei die erste Optik in
Richtung von der Objektseite zur Bildseite eine erste Linsengruppe
und eine zweite Linsengruppe aufweist; die zweite Optik in Richtung von
der Objektseite zur Bildseite eine dritte Linsengruppe und eine
vierte Linsengruppe aufweist; die erste Linsengruppe der ersten
Optik wenigstens zwei Linsen aufweist, die wenigstens eine Sammellinse
und wenigstens eine Zerstreulinse enthalten; die zweite Linsengruppe
der ersten Optik wenigstens eine Sammellinse aufweist; die dritte
Linsengruppe der zweiten Optik wenigstens drei Linsen aufweist,
die wenigstens zwei Sammellinsen und wenigstens eine Zerstreulinse
enthalten und die wenigstens eine asphärische Fläche
enthalten; und die vierte Linsengruppe der zweiten Optik wenigstens
zwei Linsen aufweist, die wenigstens eine Zerstreulinse und wenigstens
eine Sammellinse enthalten.
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Mit
einer derart aufgebauten Teleoptik lassen sich die folgenden vorteilhaften
Eigenschaften verwirklichen: eine sehr große Brennweite
(etwa 200 bis 1.000 mm) mit einer extrem hohen Auflösung,
ein hinreichend großes Gesichtsfeld zwischen 2° und
3° Durchmesser, eine sehr hohe Lichtstärke, d.
h. Öffnungszahl von etwa 1,75, nahezu beugungsbegrenzte
und homogene Punktbilder über die gesamte Bildebene, d.
h. vernachlässigbare Strahlaberrationen, keine Mittenausblendung,
vernachlässigbare Streulichteffekte, 100% Kaltblendeneffektivität,
minimale Verzeichnung, und eine kompakte Anordnung in ein kleines
Kugelvolumen.
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In
einer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der ersten Optik
und der zweiten Optik, vorzugsweise in Richtung von der Objektseite
zur Bildseite vor einem Zwischenbild der ersten Optik, ein erstes
Faltelement (z. B. ein Umlenkspiegel) angeordnet und zwischen der
dritten und der vierten Linsengruppe der zweiten Optik ist ein zweites
Faltelement (z. B. ein Umlenkspiegel) angeordnet.
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Durch
die Anordnung des ersten und des zweiten Faltelements lässt
sich eine etwa U-förmige Faltung der Teleoptik in ein kleines
Kugelvolumen erzielen, um ein kompaktes, leichtgewichtiges und robustes
System zu schaffen.
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In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die vierte Linsengruppe
der zweiten Optik entlang der optischen Achse verschiebbar ausgebildet.
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Durch
die (motorisch) verschiebbare Ausbildung der vierten Linsengruppe
der zweiten Optik kann die Teleoptik fokussiert bzw. defokussiert
werden. Außerdem kann hierdurch eine Temperaturkompensation
der Teleoptik in einem sehr großen Intervall (z. B. –50°C
bis +90°C) erreicht werden, sodass die Teleoptik auch für die
Arbeitstemperaturen in Flugzeugen oder im Weltraum geeignet ist.
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Zur
Erzielung der 100% Kaltblendeneffektivität der Teleoptik
fällt vorzugsweise eine Austrittspupille hinter der vierten
Linsengruppe der zweiten Optik mit einer Kaltblende vor einem Detektor
zusammen.
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Ein
weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die Sammellinsen der Teleoptik
jeweils aus Silizium für den Spektralbereich von 3 bis
5 μm gefertigt, und die Zerstreulinsen der Teleoptik sind
jeweils aus Germanium für den Spektralbereich von 3 bis
5 μm gefertigt.
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Obige
sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der
nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten, nicht-einschränkenden
Ausführungsbeispiels unter Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen
besser verständlich. Darin zeigt die einzige Figur eine
schematische Darstellung des Aufbaus einer Teleoptik eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels.
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Die
in der Figur dargestellte Teleoptik für den infraroten
Spektralbereich von 3 bis 5 μm dient zum Beispiel der Überwachung
und Zielerkennung mit einer extrem großen Reichweite (Brennweite
zwischen 200 und 1.000 mm), wobei auch noch sehr schwache und kontrastarme
Infrarotpunktziele in großer Entfernung erkannt werden
können.
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Die
erfindungsgemäße Teleoptik ist eine zweistufige
Linsenoptik ohne Mittenausblendung, die in Richtung von einer Objektseite
zur Bildseite aus einer ersten Optik (Primärobjektiv) 10 und
einer zweiten Optik (Sekundärobjektiv) 12 besteht
und die Eintrittspupille nahe der vordersten Linse der ersten Optik 10 in
die Kaltblendenöffnung eines Detektors als Austrittspupille
abbildet.
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Die
erste Optik 10 umfasst eine erste Linsengruppe 14 und
eine zweite Linsengruppe 20 mit insgesamt wenigstens drei
sphärischen Linsen. Dabei enthält die erste Linsengruppe 14 wenigstens
eine Sammellinse 16 aus einem Material mit niedriger Dispersion
(z. B. Silizium für den Spektralbereich von 3–5 μm)
und eine Zerstreulinse 18 aus einem Material mit hoher
Dispersion (z. B. Germanium für den Spektralbereich von
3–5 μm). Auf diese Weise erhält man eine
sehr gute chromatische Korrektur der Optik.
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Die
zweite Linsengruppe 20 ist in einem großen Abstand
hinter der ersten Linsengruppe 14 bzw. nahe dem Zwischenbild 42 der
ersten Optik 10 angeordnet und weist wenigstens eine Sammellinse 21 positiver Brechkraft
aus einem Material mit niedriger Dispersion (z. B. Silizium für
den Spektralbereich von 3–5 μm) auf. Durch diese
zweite Linsengruppe 20 wird die Petzval-Summe der ersten
Optik 10 optimiert.
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Insgesamt
erhält man mit den obigen Merkmalen eine erste Optik 10 von
vergleichsweise geringer Baulänge und mit guten Punktbildern
im Zwischenbild 42.
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Die
zweite Optik 12 enthält insgesamt wenigstens fünf
Linsen in zwei Gruppen.
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Die
dritte Linsengruppe 22 ist kurz hinter dem Zwischenbild 42 der
ersten Optik 10 angeordnet und besteht aus wenigstens drei
Linsen, einer Sammellinse 24, einer Zerstreulinse 26 und
einer Sammellinse 28, welche wieder aus einem Material
niedriger bzw. hoher Dispersion (z. B. Silizium bzw. Germanium für
den Spektralbereich von 3–5 μm) bestehen. Wenigstens
eine Fläche dieser dritten Linsengruppe 22 muss
asphärisch sein, während alle übrigen
Flächen sphärisch sein können.
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Die
vierte Linsengruppe 30 in der zweiten Optik 12 weist
wenigstens zwei Linsen auf, die eine Zerstreulinse 32 und
eine Sammellinse 34 (z. B. aus Germanium bzw. Silizium
für den Spektralbereich von 3–5 μm) enthalten,
sodass ein achromatisches Dublett gebildet ist.
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Die
kreisförmige Eintrittspupille dicht vor der Teleoptik,
d. h. vor der ersten Linsengruppe 14 der ersten Optik 10,
wird in eine kreisförmige Austrittspupille dicht hinter
der Teleoptik, d. h. hinter der vierten Linsengruppe 30 der
zweiten Optik 12, am Ort der Kaltblende 36 abgebildet.
Mit anderen Worten fällt die Austrittspupille der Teleoptik
mit der Kaltblende vor einer Bildebene 38, die von einem
Detektor (nicht dargestellt) erfasst wird, zusammen, sodass die
Kaltblendeneffektivität 100% beträgt. Daher erfassen
die Infrarot-Detektorelemente keine warmen Fassungsteile der Teleoptik,
was ein Rauschen verursachen würde.
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Die
vierte Linsengruppe 30 der zweiten Optik 12 ist
motorisch längs der optischen Achse verschiebbar, d. h.
vor und zurück bewegbar. Hierdurch kann die Teleoptik fokussiert
bzw. defokussiert werden. Diese Baugruppe 30 kann außerdem
zur Temperaturkompensation der Teleoptik in einem großen
Intervall (z. B. von –50°C bis +90°C)
benutzt werden. Zu diesem Zweck muss beispielsweise die vierte Linsengruppe
bei einer Temperaturänderung von ±1°C
um zum Beispiel ±0,020 mm verschoben werden. Die Temperatur
kann durch Sensoren an der Teleoptik gemessen werden, und die notwendige
Verschiebung kann entsprechend der erfassten Temperaturänderungen
automatisch berechnet und gesteuert werden.
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Wie
in der Figur dargestellt weist die Teleoptik ferner ein erstes Faltelement 40 und
ein zweites Faltelement 44 jeweils in Form eines Umlenkspiegels
(alternativ sind z. B. auch Prismen denkbar) auf. Das erste Faltelement 40 in
Richtung von der Objektseite zur Bildseite hinter der zweiten Linsengruppe 20 der
ersten Optik 10 und vor dem Zwischenbild 42 angeordnet,
während das zweite Faltelement 44 zwischen der
dritten und der vierten Linsengruppe 22, 30 der
zweiten Optik 12 angeordnet ist. Durch die beiden Faltelemente 40, 44 ist
eine Faltung der Teleoptik in ein kleines Kugelvolumen möglich,
sodass ein kompaktes, leichtgewichtiges und robustes optisches System
geschaffen wird.
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Der
als erstes Faltelement 40 benutzte Umlenkspiegel ist zum
Beispiel um etwa 45° zur optischen Achse geneigt, und der
als zweites Faltelement 44 benutzte Umlenkspiegel ist zum
Beispiel um etwa 52° zur optischen Achse geneigt.
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Die
gewünschte Minimierung von Streulicht, das durch einen
starken IR-Störstrahler wie beispielsweise die Sonne verursacht
werden kann, falls dieser im oder nahe am Gesichtsfeld der Teleoptik
steht, wird bei der Teleoptik durch die folgenden Maßnahmen
erreicht:
- – keine Mittenausblendung;
- – Zwischenbild 42 mit Gesichtsfeldblende;
- – zwei Spiegelfaltungen der optischen Achse um jeweils
etwa 90°;
- – hohe Oberflächengüte der Linsen 16, 18 der
ersten Linsengruppe 14 der ersten Optik 10; und
- – Stufung und Schwärzung der Innenwände
der Teleoptik.
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Die
Designdaten gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
einer Teleoptik mit der oben beschriebenen Konstruktion sind in
den folgenden Tabellen dargestellt. Tabelle 1: Designdaten der Teleoptik gemäß Figur
Objektebene | Radius
(mm) | Dicke
bzw. Abstand (mm) | Apertur-Radius (mm) | Material | Kommentar |
| --- | ∞ | ∞ | Luft | Objekt |
1 | 312,004694 | 19,000000 | 100,000000 | Si | Linse 16 |
2 | 1,6009·103 | 9,000000 | 100,000000 | Luft | |
3 | 2,8288·103 | 8,000000 | 94,000000 | Ge | Linse 18 |
4 | 618,882929 | 195,000000 | 93,000000 | Luft | |
5 | 100,729910 | 9,000000 | 36,000000 | Si | Linse 21 |
6 | 101,046707 | 43,000000 | 33,000000 | Luft | |
7 | --- | –34,300000 | 50,000000 | Spiegel | Faltelement 40 |
8 | --- | –10,700000 | 7,200000 | Luft | Zwischenbild 42 |
9 | 16,829374 | –7,000000 | 11,500000 | Si | Linse 24 |
10 | 20,591382 | –0,500000 | 15,000000 | Luft | |
11 | 48,047370 | –7,000000 | 16,000000 | Ge | Linse 26 |
12 | 84,931467 | –0,500000 | 18,000000 | Luft | |
13 | 157,308584 | –7,000000 | 19,000000 | Si | Linse 28 |
14 | 55,000000 | –27,000000 | 20,000000 | Luft | |
Objektebene | Radius
(mm) | Dicke
bzw. Abstand (mm) | Apertur-Radius (mm) | Material | Kommentar |
15 | --- | 30,000000 | 39,000000 | Spiegel | Faltelement 44 |
16 | 51,867516 | 5,000000 | 21,000000 | Ge | Linse 32 |
17 | 45,979246 | 2,000000 | 20,000000 | Luft | |
18 | 76,925059 | 7,000000 | 20,000000 | Si | Linse 34 |
19 | –9,3116·103 | 13,000000 | 19,000000 | Luft | |
20 | --- | 35,000000 | 11,500000 | Luft | Kaltblende 36 |
21 | --- | --- | 9,200000 | Luft | |
| --- | --- | 9,200000 | | Bildebene |
Tabelle 2: Asphärische Daten
(konisch und polyniomial)
Objektebene | cc | ad | ae | af | ag |
13 | --- | 1,6445·10–6 | --- | --- | --- |
19 | –8,3769·105 | 3,5147·10–7 | --- | --- | --- |
Tabelle 3: Verkippungen der Umlenkspiegel
Objektebene | Neigungswinkel
zur optischen Achse (Grad) |
7 | –45,000000 |
15 | –52,000000 |
Tabelle 4: Paraxiale Konstanten
effektive
Brennweite: | –350,000093 |
numerische
Apertur: | 0,285714 |
Öffnungszahl: | 1,750000 |
Helmholtz-Lagrange-Invariante: | –2,618593 |
Lateralvergrößerung: | 1,6647·10–18 |
Gaußsche
Bildhöhe: | –9,165075 |
Petzval-Radius: | –450,399760 |
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Abschließend
werden nochmals die Eigenschaften und Vorteile der Teleoptik mit
dem oben unter Bezug auf die Figur beschriebenen Aufbau zusammengefasst:
- – sehr große Brennweite (200
bis 1.000 mm)
- – extrem hohe Auflösung
- – großes Gesichtsfeld (2° bis 3° Durchmesser)
- – sehr hohe Lichtstärke (Öffnungszahl
von etwa 1,75)
- – nahezu ideale, d. h. nur beugungsbegrenzte und homogene
Punktbilder über die gesamte Bildebene 38, d.
h. vernachlässigbare Strahlaberration
- – keine Mittenausblendung
- – vernachlässigbare Streulichteffekte
- – 100% Kaltblendeneffektivität am Infrarot-Detektor
- – minimale Verzeichnung
- – Anordnung in einem kleinen Kugelvolumen
- – mögliche Temperaturkompensation in einem
großen Intervall (–50°C bis +90°C)
- – kompaktes, leichtgewichtiges und robustes System
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Aufgrund
dieser Eigenschaften und Vorteile ist die oben erläuterte
Teleoptik in vorteilhafter Weise zur Überwachung (z. B.
Nachtsichtgeräte) und Zielerkennung (z. B. Detektionseinheiten
von Flugkörpern) mit sehr großer Reichweite im
infraroten Spektralbereich (3 bis 5 μm) einsetzbar.
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Während
die vorliegende Erfindung oben anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
Bezug nehmend auf die Figur im Detail erläutert worden
ist, ist es selbstverständlich, dass die Erfindung nicht
nur auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt
sein soll, sondern dass der Fachmann weitere Änderungen
und Modifikationen vornehmen kann, ohne den durch die anhängenden
Patentansprüche definierten Schutzumfang der Erfindung
zu verlassen.
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Beispielsweise
zeigt die Figur jeweils die Mindestanzahl von Linsen für
jede Linsengruppe der ersten und der zweiten Optik. Der Teleoptik
können aber auch noch weitere optische Elemente (insbesondere
Linsen und Blenden) hinzugefügt werden. Außerdem
kann die Reihenfolge der einzelnen Linsen innerhalb einer Linsengruppe
bei Bedarf geändert werden. Entscheidend für die
Funktionsfähigkeit der erfindungsgemäßen
Teleoptik ist nur die Mindestanzahl von Linsen mit den jeweiligen,
oben genannten optischen Eigenschaften) in einer Linsengruppe sowie
die Anordnung der Linsengruppen in der ersten und zweiten Optik.
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- 10
- erste
Optik
- 12
- zweite
Optik
- 14
- erste
Linsengruppe
- 16
- Sammellinse
- 18
- Zerstreulinse
- 20
- zweite
Linsengruppe
- 21
- Sammellinse
- 22
- dritte
Linsengruppe
- 24
- Sammellinse
- 26
- Zerstreulinse
- 28
- Sammellinse
- 30
- vierte
Linsengruppe
- 32
- Zerstreulinse
- 34
- Sammellinse
- 36
- Kaltblende
- 38
- Bildebene
- 40
- erstes
Faltelement
- 42
- Zwischenbild
- 44
- zweites
Faltelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 4989928 [0003]
- - US 5024493 [0003]