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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
der
DE 33 42 002 A1 ist
ein mehrlinsiges Objektiv für
den infraroten Spektralbereich von 3–13 μm zur Verwendung in der Wärmebildtechnik
bekannt, mit welchem die Vergrößerung variabel
einstellbar ist. Hierzu umfasst das Objektiv ein Zoom-System, dem
ein kollektives System nachgeordnet ist. Das Zoom-System besteht dabei
aus vier Komponenten, wobei – vom
kollektiven System aus gesehen – die
erste und die dritte Komponente des Zoom-Systems auf einem gemeinsamen,
verschiebbaren Träger
angeordnet sind.
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Aus
den beiden
US-Patenten
Nr. 4,989,928 A und
5,024,493
A 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 | |
| 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