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Die Erfindung betrifft ein katadioptrisches Cassegrain-Objektiv zum Abbilden eines Gegenstands in eine Bildebene mit einem konkaven Primarspiegel, einem konvexen Sekundärspiegel und einer Anzahl von Korrekturlinsen zur Korrektur eines Abbildungsfehlers der beiden Spiegel.
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Spiegelteleskope verwenden einen in der Regel parabolischen Primärspiegel und hyperbolischen Sekundärspiegel zum Abbilden eines Gegenstands in eine Bildebene. Mit einem solchen Zwei-Spiegel-Design können der Öffnungsfehler und das Koma korrigiert werden, nicht aber die außeraxialen Aberrationen des Astigmatismus und der Bildfeldwölbung. Daher ist ein Cassegrain-Objektiv nur zur Verwendung bei sehr kleinen Gesichtsfeldern von üblicherweise 1° Durchmesser geeignet. Für größere Gesichtsfelder müssen Korrekturlinsen eingebaut werden. Ein solches System wird als katadioptrisches Cassegrain-Objektiv bezeichnet. Durch die Korrekturlinsen kann das Gesichtsfeld bei akzeptablen Abbildungsfehlern auf einen Durchmesser von 3° aufgeweitet werden. Die Korrekturlinsen bedingen jedoch ein größeres Bauvolumen des Objektivs.
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Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Spiegelteleskope bekannt. Die
US 4 342 503 A zeigt ein Spiegelteleskop, bei welchem nur zwei optische Elemente mit Verspiegelungsschichten zur Bildung von Primär- und Sekundärspiegel verwendet werden. Die
DE 1 274 812 A offenbart ein viergliedriges Cassegrain-System unter Verwendung eines Linsenglieds zur Abbildungsfehlerkorrektur.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes katadioptrisches Cassegrain-Objektiv anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch ein katadioptrisches Cassegrain-Objektiv gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch die Anordnung der einen Korrekturlinse in einer Passage des Strahlengangs zwischen den beiden Spiegeln kann eine sehr kompakte Bauweise des Objektivs erreicht werden. Diese Anordnung erlaubt es außerdem, dass das Objektiv in besonders vorteilhaften Ausführungsformen der Korrekturlinsen für größere Gesichtsfelder, insbesondere bis zu einem Durchmesser von 6°, geeignet ist bei akzeptablen Abbildungsfehlern.
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Unter einem katadioptrisches Cassegrain-Objektiv kann im Folgenden ein Objektiv mit einer Anordnung aus einem konkaven Primärspiegel und einem konvexen Sekundärspiegel mit einer Anzahl von Korrekturlinsen verstanden werden. Der Primärspiegel kann parabolisch und der Sekundärspiegel hyperbolisch sein, dies ist jedoch nicht zwingend erforderlich.
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Die Korrekturlinsen dienen zur Korrektur zumindest eines Abbildungsfehlers der beiden Spiegel und sie können zusammen mit den beiden Spiegeln ein vollständiges Objektiv bilden. Zwischen der Bildebene, in der zweckmäßigerweise ein Detektor angeordnet ist, und dem Teil des Strahlengangs, der außerhalb des Objektivs geradlinig auf den Gegenstand gerichtet ist, sind zweckmäßigerweise keine weiteren Linsen bzw. Strahl formende optische Elemente des Objektivs vorhanden, abgesehen von beispielsweise einem Deckglas oder Schutzglas, einem Filter oder anderen optischen Elementen, die nicht zur Korrektur des optischen Fehlers der beiden Spiegel beitragen.
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Zur Korrektur des Astigmatismus sind zumindest zwei asphärische Flächen der Korrekturlinsen notwendig. Vorteilhafterweise ist zumindest eine der optischen Flächen der Korrekturlinse im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln asphärisch, insbesondere die Außenfläche, also die Fläche, die im Strahlengang in Richtung zum abgebildeten Gegenstand, bzw. zum Primärspiegel gewandt ist. Vorteilhafterweise ist die eine Korrekturlinse, also die Korrekturlinse, die im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln liegt, mit einer Durchbiegung versehen, also mit einer konvexen und einer konkaven optischen Fläche. Zweckmäßigerweise ist die zum Primärspiegel hin gerichtete optische Fläche konvex ausgeführt.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Strahlengang zweifach durch die eine Korrekturlinse hindurchgeführt. Der Strahlengang ist also in einer Hinrichtung und einer Rückrichtung durch die eine Korrekturlinse geführt. Auch hierdurch kann die Bauform des Objektivs besonders kompakt ausgeführt werden. In einer zweckmäßigen Weiterbildung ist der Strahlengang, insbesondere auf seiner Rückrichtung durch die Korrekturlinse, durch eine zentrale Öffnung der einen Korrekturlinse hindurchgeführt. Hierdurch kann zentraler Bauraum, der nicht von der einen Korrekturlinse benötigt wird, als Bauraum für weitere optische Elemente zur Verfügung gestellt werden. Die Kompaktheit der Anordnung kann weiter gesteigert werden, wenn die übrigen Korrekturlinsen zumindest teilweise im räumlichen Bereich der Öffnung angeordnet sind. Der räumliche Bereich kann hierbei definiert werden als der Bereich, den der Festkörper der Korrekturlinse ausfüllen würde, wenn die Öffnung nicht vorhanden wäre. Hierbei kann der Festkörper zwei gedachte plangeschliffene Flächen im Bereich der Öffnung oder gedachte Flächen aufweisen, die die gekrümmte Geometrie der Innen- und Außenfläche der einen Korrekturlinse fortsetzen.
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Gemäß der Erfindung ist vorgesehen, dass die eine Korrekturlinse, also diejenige Linse, die im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist, eine Trägerlinse ist, die den Sekundärspiegel trägt. Durch die Doppelfunktionen der Linse, nämlich die optische Funktion und die mechanische Funktion, kann auf ein weiteres tragendes Element verzichtet werden, wodurch die Kompaktheit des Objektivs weiter gesteigert werden kann. Die Trägerlinse kann die den Sekundärspiegel tragende Struktur bilden, ohne die die Sekundärlinse im Objektiv lose wäre. Hierzu ist sie zweckmäßigerweise an ihrer radial äußeren Peripherie mit dem Sekundärspiegel mechanisch fest verbunden. Zwischen der Korrekturlinse und dem Sekundärspiegel ist ein Luftraum, der vom Strahlengang zum Sekundärspiegel hin und von diesem weg durchlaufen wird.
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Außerdem wird die eine Korrekturlinse erfindungsgemäß von einem Streulichttubus getragen. Durch die Doppelfunktion des Streulichttubus, nämlich die optische Abschirmfunktion und die mechanische Haltefunktion, kann auf ein weiteres tragendes Element verzichtet und das Objektiv kompakt gehalten werden. Das Tragen kann hierbei so verstanden werden, dass das getragene Element, in diesem Fall die Korrekturlinse, ohne das Tragen lose im Objektiv wäre. Der Streulichttubus schirmt einen räumlich zentralen Bereich des Objektivs radial nach außen gegen Streulicht von außen ab. Er ist zweckmäßigerweise starr mit dem Primärspiegel verbunden und kann unmittelbar am Primärspiegel befestigt sein.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn der Streulichttubus über die eine Korrekturlinse den Sekundärspiegel trägt, sodass dieser vom Streulichttubus mittelbar über die Korrekturlinse an seiner Position im Objektiv gehalten ist.
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Einem kompakten Design ebenfalls förderlich ist es, wenn die Bildebene in einem räumlichen Bereich zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist. Hierbei ist zweckmäßigerweise auch ein Detektor zur Aufnahme eines Bilds des Gegenstands räumlich zwischen den Spiegeln angeordnet.
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Weiter ist es vorteilhaft, wenn sämtliche Korrekturlinsen des Objektivs zwischen einem räumlich äußersten Element des Objektivs und der Bildebene in einem räumlichen Bereich zwischen den beiden Spiegeln angeordnet sind. Das räumlich äußerste Element ist hierbei das Element des Objektivs, das im Strahlengang am nächsten zum Gegenstand angeordnet ist. Hierbei sind vorteilhafterweise sämtliche Korrekturlinsen näher am Sekundärspiegel angeordnet als am Primärspiegel. Hierdurch kann weiteren Elementen vom Strahlengang gesehen jenseits der Bildebene Raum zwischen den beiden Spiegeln und damit innerhalb des Objektivs gegeben werden.
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Die Anzahl der Korrekturlinsen ist vorteilhafterweise mindestens drei und insbesondere maximal drei. Sie sind zweckmäßigerweise die einzigen Linsen des Objektivs, also zwischen dem abzubildenden Gegenstand und der Bildebene. Die Korrekturlinsen bestehen vorteilhafterweise aus zwei Sammellinsen und einer Zerstreuungslinse. Die Korrekturlinsen umfassen zumindest zwei asphärische Flächen, von denen zumindest eine auf einer Sammellinse und zumindest eine auf einer Zerstreuungslinse ausgebildet sind.
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Die Anzahl der Korrekturlinsen ist zweckmäßigerweise in zwei Gruppen mit unterschiedlichen optischen Eigenschaften aufgeteilt. So kann die erste Gruppe ausschließlich eine oder mehrere Sammellinsen und die zweite Gruppe ausschließlich eine oder mehrere Zerstreuungslinsen aufweisen. Vorteilhafterweise sind sämtliche Linsen der ersten Gruppe aus dem gleichem Material gebildet und sämtliche Linsen der zweiten Gruppe aus einem anderen Material gebildet. Es ist auch zweckmäßig, wenn die Linsen der ersten Gruppe einen geringeren Farbfehler haben als die gegebenenfalls mehreren Linsen der zweiten Gruppe. Hierbei ist der Farbfehler der ersten Gruppe zweckmäßigerweise umgekehrt bzw. negativ zum Farbfehler der zweiten Gruppe. Vorteilhafterweise gleichen die Linsen der ersten Gruppe den Farbfehler der gegebenenfalls mehreren Linsen der zweiten Gruppe aus.
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In einer vorteilhaften weiteren Ausführungsform der Erfindung bestehen die Korrekturlinsen aus zumindest zwei Gruppen mit jeweils zumindest einer Korrekturlinse, wobei die Korrekturlinse der ersten Gruppe bei Temperaturänderungen optische Veränderungen aufweist, die die optischen Veränderungen der Korrekturlinse der anderen Gruppe zumindest teilweise ausgleichen. Die optischen Veränderungen können Änderungen der Brennweiten sein. Hierdurch kann eine zumindest teilweise passive Temperaturkompensation des Objektivs erreicht werden, sodass der Gegenstand auch bei wechselnden Temperaturen stets scharf in der Bildebene abgebildet ist.
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Einer Temperaturkompensation ist es förderlich, wenn das Trägermaterial der Spiegelfläche des Primärspiegels einen größeren Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweist, als das Trägermaterial der Spiegelfläche des Sekundärspiegels. Ein um zumindest den Faktor 2, insbesondere den Faktor 5 größerer Temperaturausdehnungskoeffizient ist vorteilhaft. Das Gleiche gilt auch für das Trägermaterial der Spiegelfläche des Primärspiegels im Verhältnis zum Distanzmaterial zwischen den beiden Spiegeln, z. B. einem Streulichttubus und ggf. einer Trägerlinse.
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Vorteilhafterweise ist das Trägermaterial des Sekundärspiegels identisch zum Material der einen Korrekturlinse, die im Strahlengang zwischen den beiden Spiegeln angeordnet ist. Weiter ist es vorteilhaft, wenn das Trägermaterial des Sekundärspiegels identisch mit dem Material des Streulichttubus ist. Es ist auch vorteilhaft, wenn das Material der einen Korrekturlinse identisch mit dem Material des Streulichttubus ist. Auf die eine oder andere Weise kann eine mechanische Stabilität des Objektivs bei großen Temperaturschwankungen gewährleistet werden.
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Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Korrekturlinse eine Brennweite aufweist, die um zumindest den Faktor 2 kleiner ist, als die Brennweite des Primärspiegels, insbesondere um zumindest den Faktor 3.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung und die Beschreibung enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
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In der einzigen Figur der Zeichnung ist ein Suchkopf 12 in einem Flugkörper 14 angedeutet, dessen vorderes Ende von einem transparenten Dom 16 begrenzt ist. Die Transparenz bezieht sich auf elektromagnetische Strahlung in einem Wellenlängenbereich, in dem ein Detektor 18, beispielsweise ein Matrixdetektor, empfindlich ist. Im Suchkopf 12 ist ein Objektiv in Form eines katadioptrischen Cassegrain-Objektivs 20 angeordnet, das durch eine nicht dargestellte Mechanik um einen Rotationspunkt 22 zweidimensional verschwenkbar ist. Das Objektiv 10 umfasst einen asphärischen Primärspiegel 24 mit einer konkaven Spiegelfläche 1, einen asphärischen Sekundärspiegel 26 mit einer konvexen Spiegelfläche 4 und drei Korrekturlinsen 28, 30, 32 zur Korrektur des Astigmatismus der beiden Spiegel 24, 26.
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Die erste Korrekturlinse 28 ist eine Sammellinse mit einer hohen positiven Brechkraft und positiver Durchbiegung. Die zweite Korrekturlinse 30 ist eine Zerstreuungslinse und hat eine starke negative Brechkraft und ebenfalls eine positive Durchbiegung. Die letzte Korrekturlinse 32 hat eine geringere positive Brechkraft als die erste Korrekturlinse 28 und eine negative Durchbiegung.
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Durch das Objektiv 20, also die beiden Spiegel 24, 26 und die drei Korrekturlinsen 28, 30, 32 wird ein weit entfernter und außerhalb des Suchkopfs 12 liegender Gegenstand 34 auf den Detektor 18 abgebildet, der in der Bildebene 11 des Objektivs 20 liegt. Der Detektor 18 ist im mittleren Infrarotbereich zwischen 3 μm und 5 μm empfindlich und ist durch einen Kühler 36 gekühlt und signaltechnisch mit einem Prozessmittel 38 verbunden. Das Prozessmittel 38 ist zur Bildverarbeitung und Auswertung von Bildern des Gegenstands 34 vorbereitet.
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Durch die besondere Bauform des Objektivs 20 werden zwei Vorteile erreicht: Erstens ist das Objektiv 20 sehr kompakt, und zweitens ist es in der Lage, ein Blickfeld von +/–3°, also einem Durchmesser von 6°, mit einem sehr kleinen Astigmatismus in die Bildebene 9 abzubilden. Außerdem ist es sehr kompakt gebaut und temperaturstabilisiert, so dass es auch bei Temperaturschwankungen zwischen –50°C und +70°C den Gegenstand 34 scharf in der Bildebene 11 abbildet. Diese Vorteile werden insbesondere durch die Art und Anordnung der drei Korrekturlinsen 28, 30, 32 erreicht, von denen die erste Korrekturlinse 28 im Strahlengang 40 zwischen den beiden Spiegeln 24, 26 angeordnet ist, also nach der Reflexion der vom Gegenstand 34 einfallenden Lichtstrahlen an der Spiegelfläche 3 und vor deren Reflexion an der Spiegelfläche 6.
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Diese im Strahlengang erste Korrekturlinse 28 ist schalenförmig ausgebildet, wobei ihr peripherer Rand kreisförmig mit dem Sekundärspiegel 26 unmittelbar fest verbunden ist. Auf diese Weise bildet die Korrekturlinse 28 eine Trägerlinse, die den Sekundärspiegel 26 trägt. In ihrem Zentrum weist die Korrekturlinse 28 eine Öffnung 42 auf, durch die der Strahlengang 40 vom Sekundärspiegel 26 auf den Detektor 18 geführt wird. Im Raumbereich der Öffnung 42 sind die beiden anderen Korrekturlinsen 30, 32 angeordnet.
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Unmittelbar im Bereich der Öffnung 42 ist die Korrekturlinse 28 an einem Streulichttubus 44 befestigt, der hierdurch sowohl die erste Korrekturlinse 28 als auch den Sekundärspiegel 26 trägt. An seiner der Korrekturlinse 28 gegenüberliegenden Seite ist der Streulichttubus 44 mit dem Primärspiegel 24 verbunden, sodass eine starre Verbindung zwischen dem Primärspiegel 24 und dem Sekundärspiegel 26 hergestellt ist.
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Die beiden Korrekturlinsen 28, 32 des Linsentriplets sind Sammellinsen aus Silizium, das im Bereich zwischen 3 μm und 5 μm einen sehr kleinen Farbfehler aufweist. Die mittlere Korrekturlinse 30 ist eine Zerstreuungslinse aus Germanium. Germanium weist einen relativ zu Silizium größeren und entgegen gesetzten Farbfehler auf, sodass der Farbfehler der beiden äußeren Korrekturlinsen 28, 32 durch den Farbfehler der mittleren Korrekturlinse 30 ausgeglichen wird. Das Linsentriplet ist mit zwei Asphären ausgeführt, nämlich an der äußeren Fläche 4 der Korrekturlinse 28 und der äußeren Fläche 5 der Korrekturlinse 30.
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Die geometrischen Daten der Spiegelflächen
3,
6 der beiden Spiegel
24,
26, der optischen Flächen
4,
5 der Korrekturlinse
28, der optischen Flächen
7,
8 der Korrekturlinse
30 und der optischen Flächen
9,
10 der Korrekturlinse
32 sind durch folgende Tabelle wiedergegeben:
| Fläche | Radius | Dicke | Aperturradius | Material | Element |
| | | | | | |
| 1 | 34.290 | 1.35 | 31.0 | Germanat | Dom |
| 2 | 32.940 | 36.00 | 30.0 | Luft | |
| | | | | | |
| 3 | –80.875 | –15.00 | 27.7 | Spiegel | Spiegel |
| | | | | | |
| 4 | –16.489 | –2.98 | 15.2 | Si | Linse 1 |
| 5 | –16.021 | –7.56 | 14.3 | Luft | |
| | | | | | |
| 6 | –44.991 | 5.50 | 14.2 | Spiegel | Spiegel 2 |
| | | | | | |
| 7 | 11.424 | 1.00 | 5.0 | Ge | Linse 2 |
| 8 | 7.9148 | 2.50 | 4.2 | Luft | |
| | | | | | |
| 9 | –45.643 | 2.50 | 4.6 | Si | Linse 3 |
| 10 | –19.317 | 2.13 | 4.8 | Lift | |
| 11 | - | - | 2.56 | - | Bildebene |
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Die konischen und polynomischen Asphärendaten sind in der folgenden Tabelle wiedergegeben:
| Fläche | cc | ad | ae | af | ag |
| 3 | –3.6858 e+00 | 8.8410 e–09 | –1.0382 e–10 | 1.9362 e–13 | –1.6508e–16 |
| 4 | 1.3713 e–01 | 3.5795 e–08 | - | - | - |
| 6 | –5.7065 e+01 | - | - | - | - |
| 8 | 2.0345 e+00 | - | - | - | - |
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Die Asphärendaten sind entsprechend der folgenden Formal für asphärische Oberflächen definiert:
wobei r die Radialkoordinate bezeichnet, cv die Krümmung und cc die konische Konstante. Bei ad, ae, af und ag handelt es sich um Asphärenkoeffizienten.
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Durch die Materialwahl der Korrekturlinsen 28, 30, 32 sind diese in ihren optischen Eigenschaften als Linsentriplet bereits etwas passiv temperaturkompensiert, da Silizium als Sammellinse eine geringe Temperaturabhängigkeit und Germanium eine höhere Temperaturabhängigkeit der Brechzahl jedoch in die entgegengesetzte Richtung als Zerstreuungslinse beziehungsweise mit negativem Vorzeichen relativ zum Silizium aufweist. Beim erfindungsgemäßen Objektivdesign kann jedoch neuartig eine zumindest weitgehend vollständige passive Temperaturkompensation im großen Intervall von –50°C bis +70°C erreicht werden durch die Auswahl der Spiegel- und Distanzmaterialien. Hierzu ist es vorteilhaft, wenn der Primärspiegel 24, oder zumindest der Träger der Spiegelfläche des Primärspiegels 24, aus einem Material mit einer ersten Temperaturausdehnung besteht, die zweckmäßigerweise oberhalb von 20 × 10–6 K–1 (bei Raumtemperatur) liegt, wie z. B. Aluminium. Der Sekundärspiegel 26, oder zumindest der Träger der Spiegelfläche des Sekundarspiegels 26, und das Distanzmaterial zum Primärspiegel 24, im gezeigten Ausführungsbeispiel bestehend aus Streulichttubus 44 und Trägerlinse 28, wobei auch andere Anordnungen denkbar und vorteilhaft sind, sollte hingegen aus einem Material mit geringerer Temperaturausdehnung bestehen, die vorteilhafterweise unterhalb von 10 × 10–6 K–1 liegt, wie z. B. Titan, unterhalb besser noch unterhalb von 2,5 × 10–6 K–1, wie Silizium.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Fläche
- 2
- Fläche
- 3
- Spiegelfläche
- 4
- Fläche
- 5
- Fläche
- 6
- Spiegelfläche
- 7
- Fläche
- 8
- Fläche
- 9
- Fläche
- 10
- Fläche
- 11
- Bildebene
- 12
- Suchkopf
- 14
- Flugkörper
- 16
- Dom
- 18
- Detektor
- 20
- Objektiv
- 22
- Rotationspunkt
- 24
- Primärspiegel
- 26
- Sekundärspiegel
- 28
- Korrekturlinse
- 30
- Korrekturlinse
- 32
- Korrekturlinse
- 34
- Gegenstand
- 36
- Kühler
- 38
- Prozessmittel
- 40
- Strahlengang
- 42
- Öffnung
- 44
- Streulichttubus
