DE102011106585A1

DE102011106585A1 - Adaptionsobjektiv

Info

Publication number: DE102011106585A1
Application number: DE102011106585A
Authority: DE
Inventors: Bertram Achtner
Original assignee: Carl Zeiss Optronics GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 2011-06-16
Filing date: 2011-06-16
Publication date: 2012-12-20
Anticipated expiration: 2031-06-17
Also published as: DE102011106585B4; GB2491976A; GB2491976B; GB201210629D0

Abstract

Es wird ein Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) zur ergänzenden Abbildung eines zweiten Spektralbereiches in einem einen ersten Spektralbereich abbildenden Abbildungsobjektiv (1) mit einem Strahlteilerelement (A02, B02) zu einer Auftrennung des ersten Spektralbereiches entlang einer ersten optischen Achse und des zweiten Spektralbereiches entlang einer zweiten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, sowie mit einer entlang der zweiten optischen Achse angeordneten Adaptionsoptik (13), die den zweiten Spektralbereich auf einen Detektor (A06, B06) abbildet, angegeben, wobei die Adaptionsoptik (13) zusätzlich zu einer Korrektur der chromatischen Aberration der Komponenten (A01, B01) der Abbildungsoptik (13) vor dem Strahlteilerelement (A02, B02) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Adaptionsobjektiv zur ergänzenden Abbildung eines zweiten Spektralbereiches in einem einen ersten Spektralbereich abbildenden Abbildungsobjektiv. Mit dem Adaptionsobjektiv soll der detektierbare Spektralbereich des vorhandenen Abbildungsobjektivs erweitert werden.
Zu multispektralen Objektiven gibt es bekannte technische Realisierungen. Beispielsweise sind multispektrale Objektive mit fester Brennweite aus der EP 0 935 772 B1 für den sichtbaren und den IR(Infrarot)-Bereich, aus der US 5,781,336 für einen Wellenlängenbereich von 0,55 μm bis 5,35 μm und aus der US 6,950,243 B2 für einen Wellenlängenbereich von 0,7 μm bis 5,0 μm bekannt. Durch eine geeignete Materialauswahl gelingt es insbesondere, die chromatischen Abbildungsfehler für den abzubildenden Spektralbereich möglichst gering zu halten.
Aus der US 5,847,879 ist ein multispektrales reflexives Objektiv mit einer festen Brennweite bekannt. Dort wird ein Weitwinkel-Objektiv für den sichtbaren und für den IR-Bereich angegeben. Dabei trennt ein Strahlteilerelement den sichtbaren Bereich vom IR-Bereich ab. Beide Spektralbereiche werden auf einen kompakten Detektor reflektiert.
Multispektrale Objektive sind in der Regel vergleichsweise aufwändig und teuer. Zudem sind sie für den konkreten Anwendungsfall im Ganzen jeweils spezifisch auszulegen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges multispektrales Objektiv mit möglichst geringem Aufwand zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Adaptionsobjektiv zur ergänzenden Abbildung eines zweiten Spektralbereiches in einem einen ersten Spektralbereich abbildenden Abbildungsobjektiv, wozu ein Strahlteilerelement zu einer Auftrennung des ersten Spektralbereiches entlang einer ersten optischen Achse und des zweiten Spektralbereiches entlang einer zweiten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, sowie ein entlang der zweiten optischen Achse angeordnete Adaptionsoptik, die den zweiten Spektralbereich auf einen Detektor abbildet, umfasst sind. Dabei ist vorgesehen, die Adaptionsoptik zusätzlich zu einer Korrektur der chromatischen Aberration der Komponenten der Abbildungsoptik vor dem Strahlteilerelement auszugestalten.
Die Erfindung geht dabei in einem ersten Schritt von bekannten Objektiven aus, die in einem Abbildungsstrahlengang ein Element zur Strahlumlenkung oder zur Strahlauskopplung aufweisen. Derartige Objektive sind beispielsweise aus der US 6,856,468 , der US 6,333,823 oder der US 4,749,268 bekannt. Generell sind solche Objektive dahingehend optimiert, dass die Abbildungsfehler für den abzubildenden Spektralbereich, insbesondere die chromatische Aberration, möglichst gering gehalten sind.
In einem zweiten Schritt erkennt die Erfindung, dass sich – die spektrale Durchlässigkeit der vorhandenen optischen Komponenten vorausgesetzt – ein solches Objektiv auf die Abbildung eines weiteren Spektralbereiches erweitern lässt, wenn das Strahlteilerelement zur räumlichen Auftrennung der beiden Spektralbereiche genutzt wird. Bis zum Strahlteilerelement werden beide Spektralbereiche gemeinsam durch die optischen Komponenten der vorhandenen Abbildungsoptik geführt. Am Strahlteilerelement wird der zweite Spektralbereich abgetrennt und separat abgebildet. Strahlen des ersten Spektralbereiches werden entlang der ersten optischen Achse in der vorhandenen Abbildungsoptik fortgeführt. Hinsichtlich der Abbildungcharakteristik ändert sich für das bestehende Objektiv nichts. Strahlen des zweiten Spektralbereiches werden entlang der zweiten optischen Achse fortgeführt und auf einen separaten Detektor fokussiert.
In einem dritten Schritt erkennt die Erfindung, dass die optischen Komponenten der vorhandenen Abbildungsoptik vor dem Strahlteilerelement zu Abbildungsfehlern im zweiten Spektralbereich führen, da diese Komponenten hinsichtlich der Abbildung des ersten Spektralbereiches optimiert sind. Wird die Adaptionsoptik zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches zu einer zusätzlichen Korrektur der chromatischen Aberration der vorgeschalteten Komponenten der Abbildungsoptik ausgebildet, so sind deren Farbfehler berücksichtigt. Durch entsprechend optimierte optische Komponenten der Adaptionsoptik erfolgt die Abbildung des zweiten Spektralbereiches auf den Detektor mit der gewünschten Qualität.
Idealerweise kann das im vorhandenen Objektiv eingesetzte Strahlteilerelement für das Adaptionsobjektiv verwendet werden. Dies setzt voraus, dass das Strahlteilerelement des vorhandenen Objektivs für den zweiten Spektralbereich durchlässig ist, sofern der erste Spektralbereich ab- oder umgelenkt wird, oder alternativ für den ersten Spektralbereich durchlässig ist, und den zweiten Spektralbereich ab- oder umlenkt. In allen anderen Fällen wird das vorhandene Strahlteilerelement durch ein entsprechend konfiguriertes Strahlteilerelement ausgetauscht.
Für die Erfindung wird lediglich vorausgesetzt, dass die dem Strahlteilerelement vorgeschalteten Komponenten der vorhandenen Abbildungsoptik bzw. des vorhandenen Objektivs sowohl für den ersten als auch für den zweiten Spektralbereich durchlässig sind. Die optischen Komponenten des Adaptionsobjektivs hingegen brauchen lediglich für den zweiten Spektralbereich durchlässig zu sein.
Im vorhandenen Objektiv kann beispielsweise der sichtbare Spektralbereich von 0,4 μm bis 0,7 μm auf den Detektor abgebildet werden, während im Adaptionsobjektiv ein IR-Bereich, beispielsweise der NIR-Bereich (0,7 μm bis 1,4 μm) oder der SWIR-Bereich (1,4 μm bis 3,0 μm) abgebildet wird. Insbesondere ist es auch möglich, dass das vorhandene Objektiv sowohl den sichtbaren Spektralbereich als auch einen Teil des NIR-Bereiches abbildet, also z. B. einen Spektralbereich von 0,4 μm bis 0,9 μm, und dass das Adaptionsobjektiv einen anderen Teil des NIR-Bereiches und des SWIR-Bereiches, also z. B. einen Spektralbereich zwischen 1,0 μm und 3,0 μm, abbildet.
Die Erweiterung eines bestehenden Objektives im sichtbaren Spektralbereich zur Abbildung eines IR-Spektralbereiches ist insbesondere für Zielsuchgeräte, Sehrohre, etc. wünschenswert, da hierdurch der Informationsgewinn über die Umgebung vergrößert oder die bereits vorhandene Optik beispielsweise für Lasertracking oder dergleichen eingesetzt werden kann. Da Komponenten der bereits vorhandenen Abbildungsoptik auch zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches verwendet werden, hält sich die Bauraumbeanspruchung bei vergleichsweise niedrigem Kosteneinsatz in Grenzen.
Die Verwendung bestehender Komponenten der für den ersten Spektralbereich konzipierten Abbildungsoptik hat zugleich den weiteren Vorteil, dass auch die bestehenden optischen Eigenschaften auf das Adaptionsobjektiv übertragen werden. Ist beispielsweise die Brennweite des vorhandenen Objektivs variabel, so ist auch die Brennweite des Systems mit Adaptionsoptik variabel. Beispielsweise entsteht durch Adaption eines Zoomobjektives für einen ersten Spektralbereich ein Zoomobjektiv sowohl für den ersten als auch für den zweiten Spektralbereich.
Wird das optische System beispielsweise zur Abbildung von Laserstrahlung genutzt, beispielsweise als Trackingsystem bei der Laserkommunikation, kann es notwendig werden, lediglich einen Ausschnitt des zweiten Spektralbereiches, beispielsweise einen Teilbereich des SWIR-Spektrums zwischen 1,53 μm und 1,57 μm auf den Detektor abzubilden. Dies kann bevorzugt dadurch erreicht werden, dass entweder vor, nach oder in der Adaptionsoptik ein Filter eingeschwenkt wird, der den engeren Spektralbereich selektiert.
Allgemein werden vorliegend die Begriffe Abbildungsobjektiv und Adaptionsobjektiv im Sinne der gesamten Abbildungskomponenten verwendet, während mit den Begriffen Abbildungsoptik und Adaptionsoptik jeweils Bezug auf einen Teil der Komponenten des Objektivs genommen wird.
Bevorzugt lenkt das Strahlteilerelement den ersten Spektralbereich um, und transmittert den zweiten Spektralbereich. In diesem Fall werden die transmissiven Eigenschaften des Strahlteilerelements zur Abbildung des zweiten Spektralbereiches genutzt und stören insofern, falls das Strahlteilerelement gegen das ursprünglich vorhandene ausgetauscht ist, nicht die Abbildungseigenschaften des vorhandenen Objektivs. Nutzt das vorhandene Objektiv den ab- oder umgelenkten Strahl zur Abbildung aus, so sind die Bauraumverhältnisse zum Hinzufügen des Adaptionsobjektivs günstiger.
Bevorzugt wird das Strahlteilerelement auch zur Korrektur von Abbildungsfehlern für den zweiten Spektralbereich genutzt. Insbesondere ist es dazu vorgesehen, eine Eintritts- und eine Austrittsfläche des Strahlteilerelements gegeneinander unter einem Winkel zu neigen, so dass eine Keilform gebildet ist. Durch eine solche Keilform lässt sich die Astigmatismus-Korrektion der Abbildung verbessern, sofern das Strahlteilerelement nicht in einem parallelen Strahlengang steht. In letzterem Fall ist eine planparalle Ausgestaltung des Strahlteilerelements zweckmäßig.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Adaptionsobjektivs ist das Strahlteilerelement eine teildurchlässige Reflektorplatte oder ein Teilerprisma. Die Reflektorplatte ist beispielsweise zur Reflektion des ersten Spektralbereiches beschichtet, wobei sie transmissiv für den zweiten Spektralbereich ausgebildet ist. Das Teilerprisma ist beispielweise als ein Strahlteilerwürfel ausgebildet, wobei die Auftrennung der beiden Spektralbereiche durch Grenzflächeneffekte erfolgt.
Ist das Adaptionsobjektiv zur Abbildung eines IR-Spektralbereiches, insbesondere eines SWIR-Spektralbereiches ausgelegt, so können für die Adaptionsoptik alle optischen Gläser sowie Si (Silizium), ZnS (Zinksulfid), CaFl (Kalziumfluorid), ZnSe (Zinkselenid) oder BaFl (Bariumfluorid) verwendet werden.
Vorteilhafterweise umfasst die Adaptionsoptik zur Korrektur der chromatischen Abbildungsfehler zumindest eine entlang der zweiten optischen Achse angeordnete Korrekturlinse mit einer diffraktiven Fläche. Eine derartige diffraktive Fläche, beispielsweise eine Gitterstruktur, gebildet durch Variation der Schichtdicke, der Brechungsindizes oder der Transmissivität, führt insbesondere durch die Bedingung konstruktiver Interferenz zu verschiedenen Brennweiten für Strahlen unterschiedlicher Wellenlängen und kann somit zur Korrektur von chromatischen Abbildungsfehlern herangezogen werden.
Insbesondere ist die diffraktive Fläche der Korrekturlinse mit einem Kinoformprofil ausgebildet, wobei die diffraktive Fläche mit der Phasenprofilfunktion φ beschrieben wird:
wobei λ₀ die Referenzwellenlänge und C_n die Koeffizienten des Phasenpolynoms bezeichnet. Dabei berechnet sich der Radius des m-ten Ringes aus mλ₀ = ΣC_nr²ⁿ m = 1, 2, 3, ...
Es gibt maximal N Ringe
wobei r_max den halben Linsendurchmesser bezeichnet. Die Furchentiefe d an jedem Ring beträgt
wobei n₀ den Brechungsindex des Materials für λ₀ angibt.
Weiter bevorzugt umfasst die Adaptionsoptik eine Linsengruppe mit einer ersten Linse positiver und einer zweiten Linse negativer Brechkraft und eine Feldlinsengruppe negativer Brechkraft.
Weiter bevorzugt ist die erste und die zweite Linse konvex-konkav ausgebildet, d. h. sie weist in Ausbreitungsrichtung eine konvexe Eintritts- und eine konkave Austrittsfläche auf.
Vorteilhafterweise sind die konkaven Austrittsflächen der ersten und der zweiten Linse jeweils asphärisch ausgebildet, um eine weitere Korrektur der Abbildungsfehler vorzunehmen.
Bevorzugt ist in der ersten Linsengruppe die erste Linse positiver Brechkraft als die vorgenannte Korrekturlinse ausgebildet. Insbesondere zur Abbildung eines zweiten Spektralbereiches im Infraroten aus einem vorhandenen Objektiv zur Abbildung des sichtbaren und/oder des NIR-Bereiches besteht bevorzugt die erste Linse aus ZnS und die zweite Linse aus Si.
In einer ersten Ausführungsvariante umfasst die Feldlinsengruppe eine dritte Linse mit negativer Brechkraft und eine vierte Linse mit positiver Brechkraft. Dabei ist gemäß einer weiteren Ausgestaltungsvariante vorgesehen, die dritte Linse konkav-konvex und die vierte Linse konvex-konkav auszubilden.
Zweckmäßigerweise ist zur Korrektur Von Abbildungsfehlern die konvexe Eintrittsfläche der vierten Linse asphärisch ausgebildet.
Um mittels des Adaptionsobjektivs einen SWIR-Bereich gegenüber einem sichtbaren Spektralbereich des vorhandenen Objektivs abzubilden, sind weiter vorteilhaft die dritte Linse aus CaFl und die vierte Linse aus Si gefertigt.
In einer anderen Ausgestaltungsvariante ist die Feldlinsengruppe zweckmäßigerweise aus einem Kittglied negativer Brechkraft, umfassend eine dritte Linse mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse mit negativer Brechkraft, und aus einer fünften Linse mit positiver Brechkraft gebildet.
Dabei ist bevorzugt die dritte Linse konvex-konvex die vierte Linse konkav-konkav und die fünfte Linse konvex-konkav ausgebildet.
Besonders bevorzugt ist die konvexe Eintrittsfläche der fünften Linse asphärisch ausgebildet.
Zur Optimierung der Abbildung eines SWIR-Bereiches bestehen die dritte und die vierte Linse aus optischem Glas unterschiedlicher Dispersion. Die fünfte Linse ist aus Si gefertigt.
Insgesamt werden durch den Wechsel der Linsenmaterialen innerhalb der Adaptionsoptik die unterschiedlichen Dispersionen zur weiteren Korrektur der Farbfehler genutzt.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind anhand einer Zeichnung näher erläutert.
Dabei zeigen:
1 Ein optisches System umfassend ein vorhandenes Abbildungsobjektiv und ein Adaptionsobjektiv gemäß einer ersten Ausführungsvariante,
2 ein optisches System umfassend ein vorhandenes Abbildungsobjektiv und ein Adaptionsobjektiv gemäß einer zweiten Ausführungsvariante,
3 ein bekanntes Abbildungsobjektiv gemäß Stand der Technik,
4 die Integration eines Adaptionsobjektivs gemäß einer dritten Ausführungsvariante,
5 vergrößert das Adaptionsobjektiv gemäß 4,
6 die Integration eines Adaptionsobjektivs gemäß einer vierten Variante und
7 vergrößert das Adaptionsobjektiv gemäß 6.
Gemäß 1 umfasst ein bestehendes Abbildungsobjektiv 1 zur Abbildung eines ersten Spektralbereiches die einzelnen Komponenten B01, B02, B03 und B04. Das vorhandene Abbildungsobjektiv 1 kann ein Objektiv mit einer festen Brennweite sein oder ein Objektiv mit variabler Brennweite. Das Abbildungsobjektiv 1 bildet mittels der optischen Komponenten B01 und B03 den ersten Spektralbereich auf den Detektor B04 ab. Die Komponente B02 ist zur Strahlumlenkung des ersten Spektralbereiches ausgebildet.
An der Stelle der Strahlumlenkung der Komponente B02 ist ein Adaptionsobjektiv 10 mit den Komponenten B05 und B06 adaptiert. Die Komponente B02 zur Strahlumlenkung wird durch die Adaption ein Element zur Strahlumlenkung und zur Strahltransmission. Der erste Spektralbereich wird umgelenkt. Ein vom ersten Spektralbereich verschiedener zweiter Spektralbereich wird transmittiert. Den zweiten Spektralbereich bildet die Komponente B05 auf den Detektor B06 ab. Die Brennweite der Komponente B05 ist, abhängig von der Größe des Detektors B06, kleiner, gleich oder größer der Brennweite der Komponente B03.
Die Komponenten B01, B03 und B05 bestehen jeweils mindestens aus einer Linse oder aus einer Anordnung von mehreren Linsen.
Bevorzugt ist die Brennweite der Komponente B05 abhängig von der Größe des Detektors B06 kleiner, gleich oder größer der Brennweite der Komponente B03. Bei Detektoren für unterschiedliche Spektralbereiche sind die Formate, also z. B. die Höhe und Breite des Detektors, verschieden. Durch Anpassung der Brennweite kann erreicht werden, dass das abgebildete horizontale oder vertikale Feld in beiden Spektralbereichen gleich ist. Wenn beide Detektoren das gleiche Höhe zu Seite Verhältnis haben, kann erreicht werden, dass das abgebildete horizontale und vertikale Feld in beiden Spektralbereichen gleich ist.
Die Komponenten B01 und B03 sind für den ersten Spektralbereich chromatisch korrigiert, jedoch nicht für den zweiten Spektralbereich. In der Komponente B05, mit anderen Worten in der Adaptionsoptik 11 des Adaptionsobjektivs 10, wird zusätzlich die chromatische Aberration der Komponente B01 für den zweiten Spektralbereich korrigiert.
Im vorhandenen Abbildungsobjektiv 1 kann z. B. der sichtbare Spektralbereich zwischen 0,4 μm und 0,7 μm auf den Detektor B04 abgebildet werden. Im Adaptionsobjektiv 10 wird beispielsweise der NIR-Bereich zwischen 0,7 μm und 1,4 μm oder der SWIR-Bereich zwischen 1,4 μm und 3,0 μm auf den Detektor B06 abgebildet. Ebenfalls ist es möglich, dass im vorhandenen Abbildungsobjektiv 1 auf den Detektor B04 der sichtbare Spektralbereich und ein Teil des NIR-Bereiches abgebildet werden, z. B. ein Bereich zwischen 0,4 μm und 0,9 μm im vorhandenen Abbildungsobjektiv 1 und im Adaptionsobjektiv 10 ein Bereich von 1,0 μm bis 3,0 μm.
Ist die Brennweite des vorhandenen Abbildungsobjektivs 1 variabel, so ist auch die Brennweite des in 1 dargestellten Systems mit dem Adaptionsobjektiv 10 variabel. Es entsteht beispielsweise ein Zoomobjektiv für beide Spektralbereiche.
In 2 ist ein weiteres optisches System mit einem vorhandenen Abbildungsobjektiv 2 und einem Adaptionsobjektiv 12 dargestellt. Das vorhandene Abbildungsobjektiv 2 umfasst die Komponenten A01, A02, A03 und A04. Das Adaptionsobjektiv 12 ist an Stelle der Komponente A02 eingefügt und umfasst zusätzlich die Komponenten A05 und A06.
Sinngemäß können die Ausführungen zu 1 bezüglich der Komponenten B01, B03, B04, B05 und B06 auf die Komponenten A01, A03, A04, A05 und A06 der Ausführungsvariante gemäß 2 übertragen werden. Das Element A02 gemäß 2 ist im Unterschied zum Element B02 gemäß 1 als Element zur Strahlauskopplung ausgebildet. Es umfasst hierbei die Funktionen einer Strahlauskopplung für den ersten Spektralbereich und einer Transmission für den zweiten Spektralbereich.
In 3 ist beispielhaft ein bekanntes Abbildungsobjektiv 1 gemäß Stand der Technik dargestellt. Dieses Objektiv 1 bildet einen Teil des sichtbaren Spektralbereiches und einen Teil des NIR-Bereiches, nämlich einen Bereich zwischen 0,45 μm und 0,75 μm, auf den Detektor B04 ab. Es umfasst hierbei die Komponenten B01, B02 und B03, die in ihrer Funktion und Ihren Eigenschaften den mit gleichen Bezugszeichen versehenen Komponenten der Ausführungsvariante gemäß 1 entsprechen.
Das dargestellte vorhandene Abbildungsobjektiv 1 ist ein Zoomobjektiv mit einer Umlenkgruppe B02. Entsprechend sind die Zoomgruppen Z01 und Z02 vorgesehen. In 3 ist eine Zoomstellung dargestellt.
Im vorhandenen Abbildungsobjektiv 1 ist die chromatische Korrektion der Komponenten B01 auf einen ersten Spektralbereich zwischen 0,45 μm und 0,75 μm ausgelegt, nicht jedoch auf den zweiten Spektralbereich zwischen 1,4 μm und 1,7 μm. In der Komponente B01 sind die chromatischen Aberrationen für den zweiten Spektralbereich deutlich größer als für den ersten Spektralbereich. Das dargestellte Objektiv lässt sich beispielsweise der US 6,856,468 entnehmen.
In 4 ist die Integration eines Adaptionsobjektivs 10 in das bestehende Objektiv 1 gemäß 3 dargestellt. Vom Abbildungsobjektiv sind die Komponenten der Abbildungsoptik 13 vor der Komponente B02 zur Strahlumlenkung gezeigt. Die Komponente zur Strahlumlenkung B02 ist ausgetauscht durch eine Komponente zur Strahlumlenkung, welche zusätzlich transmissiv für einen zweiten Spektralbereich zwischen 1,4 μm und 1,7 μm ausgeführt ist. In der Adaptionsoptik 10 werden die chromatischen Aberrationen der Komponenten B01 bzw. der Abbilungsoptik 13 des Objektivs 1 vor der Strahlteilung korrigiert.
Aus 5 wird der genaue Aufbau des Adaptionsobjektivs 10 gemäß 4 ersichtlich. Das Adaptionsobjektiv 10 zur Ankopplung an das vorhandene Objektiv 1 gemäß 3 umfasst die Komponente zur Strahlumlenkung und zur Transmission B02, eine erste Linsengruppe L aus einer konvex-konkaven ersten Linse L01 und einer konvex-konkaven zweiten Linsen L02 und eine Feldlinsengruppe F, bestehend aus einer konkav-konvexen dritten Linse L03 und einer konvex-konkaven vierten Linse L04. Die Linsen L01 bis L04 bilden die Komponente B05 entsprechend 1. Der Detektor B06 ist eingezeichnet.
Das Adaptionsobjektiv 10 ist zu einer Korrektur der chromatischen Aberration hinsichtlich des zweiten Spektralbereiches zwischen 1,4 μm und 1,7 μm durch die optischen Komponenten B01 des vorhandenen Abbildungsobjektivs 1 zusätzlich korrigiert, und bildet diesen Spektralbereich mittels der ersten Linsengruppe L und der Feldlinsengruppe F auf den Detektor B06 ab.
Das Adaptionsobjektiv 10 gemäß 5 umfasst insgesamt vier Linsen, nämlich eine erste Linse L01 mit positiver Brechkraft aus ZnS, eine zweite Linse L02 mit negativer Brechkraft aus Si und die Feldlinsengruppe F mit insgesamt negativer Brechkraft. Die Feldlinsengruppe F besteht aus der dritten Linse L03 mit negativer Brechkraft aus CaFl und der vierten Linse L04 mit positiver Brechkraft aus Si. Das Element B02 ist als Teilerplatte konzipiert. Die Eintrittsfläche und die Austrittsfläche dieser Teilerplatte B02 sind unter einem Keilwinkel zueinander geneigt, um die Astigmatismus-Korrektion zu verbessern. Die Linse L01 ist als eine Korrekturlinse KL mit einer asphärisch, diffraktiven Austrittfläche mit Kinoformprofil ausgebildet.
Die Ausgestaltung der einzelnen optischen Komponenten entsprechend 5 wird aus nachfolgender Tabelle 1 ersichtlich, wobei eine asphärische Fläche mit dem Kürzel ASP und eine diffraktive Fläche mit dem Kürzel DOE gekennzeichnet ist. Eine asphärische Fläche wird mit der sogenannten Pfeilhöhenformel beschrieben:
wobei z die Pfeilhöhe, K die Exzentrizität, p die Scheitelkrümmung, h die Höhe und A, B, C, D die Koeffizienten für Terme höherer Ordnung bezeichnet. Dabei beschreiben die Flächen 22 ... 23 die keilförmige Teilerplatte B02, die Flächen 24 ... 25 die erste Linse L01, die Flächen 26 ... 27 die zweite Linse L02, die Flächen 28 ... 29 die dritte Linse L03 und die Flächen 30 ... 31 die vierte Linse L04.
Tabelle 1
Die Dispersion im Spektrum zwischen 1,4 μm und 1,7 μm mit der mittleren Wellenlänge HWL von 1,55 μm berechnet sich aus
n_1,55 die Brechzahl des Materials bei einer Wellenlänge von 1,55 μm, n_1,4 die Brechzahl des Materials bei einer Wellenlänge von 1,4 μm und n_1,7 die Brechzahl des Materials bei einer Wellenlänge von 1,7 μm angibt. Das Material Silizium hat beispielsweise eine Dispersion von v_1,55 = 97,9. Das Material CaFl hat eine Dispersion v_1,55 = 302,8.
Wesentlich für die Farbkorrektion ist die positive Brechkraft der ersten Linse L01 aus einem Material mit geringer Dispersion v_1,55 > 150, die negative Brechkraft der zweiten Linse L02 aus einem Material mit hoher Dispersion v_1,55 < 150, die negative Brechkraft der dritten Linse L03 aus einem Material mit geringer Dispersion v_1,55 > 150 und die positive Brechkraft der vierten Linse L04 aus einem Material mit hoher Dispersion v_1,55 < 150.
In 6 ist die Integration eines weiteren Adaptionsobjektivs 10' in das Abbildungsobjektiv 1 gemäß 3 dargestellt. Der genaue Aufbau des Adaptionsobjektivs 10' wird aus 7 ersichtlich.
Die Komponenten B02 und B06 entsprechen den in 5 dargestellten.
Abweichend vom Adaptionsobjektiv 10 gemäß 5 umfasst die Feldlinsengruppe F nunmehr ein Kittglied K bestehend aus einer dritten Linse L03 und einer vierten Linse L04. Dem Kittglied K folgt eine fünfte Linse L05. Das Adaptionsobjektiv 10' bildet ebenfalls den zweiten Spektralbereich zwischen 1,4 μm und 1,7 μm auf den Detektor B06 ab und weist hierzu eine entsprechende Korrektur der chromatischen Aberration durch die Komponenten B01 bzw. der Abbildungsoptik 13 des vorhandenen Abbildungsobjektivs 1 vor der Strahlteilung auf.
Das Adaptionsobjektiv 10' besteht aus fünf Linsen, nämlich einer ersten Linse L01 mit positiver Brechkraft aus ZnS, einer zweiten Linsen L02 mit negativer Brechkraft aus Si und einer Feldlinsengruppe F mit insgesamt negativer Brechkraft, die ein Kittglied, umfassend eine dritte Linse L03 mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse L04 mit negativer Brechkraft, jeweils aus optischem Glas, und eine fünfte Linse L05 mit positiver Brechkraft aus Si enthält.
Eine Voraussetzung für die Farbkorrektion ist die positive Brechkraft der ersten Linse L01 aus einem Material mit geringer Dispersion V_1,55 > 150, die negative Brechkraft der zweiten Linse L02 aus einem Material mit hoher Dispersion v_1,55 < 150, die positive Brechkraft der dritten Linse L03 aus einem Material mit hoher Dispersion v_1,55 < 150, die negative Brechkraft der vierten Linse L04 aus einem Material mit geringer Dispersion v_1,55 > 150 und die positive Brechkraft der fünften Linse L05 aus einem Material mit hoher Dispersion v_1,55 < 150.
Die genaue Ausgestaltung wird aus nachfolgender Tabelle 2 ersichtlich. Dabei beschreiben die Flächen 22 ... 23 die keilförmige Teilerplatte B02 die Flächen 24 ... 25 die erste Linse L01, die Flächen 26 ... 27 die zweite Linse L02, die Flächen 28 ... 29 die dritte Linse L03, die Flächen 29 ... 30 die vierte Linse L04 und die Flächen 30 ... 31 die fünfte Linse L05. Wiederum ist die erste Linse L01 als Korrekturlinse KL mit einer asphärisch, diffraktiven Austrittsfläche mit Kinoformprofil gebildet.
Tabelle 2
Bezugszeichenliste

1: Abbildungsobjektiv
2: Abbildungsobjektiv
10: Adaptionsobjektiv
10': Adaptionsobjektiv
11: Adaptionsoptik
12: Adaptionsobjektiv
13: Abbildungsoptik
A01: Abbildungskomponente
A02: Strahlauskopplung
A03: Abbildungskomponente
A04: Detektor
A05: Adaptionsoptik
A06: Detektor
B01: Abbildungskomponente
B02: Strahlumlenkung
B03: Abbildungskomponente
B04: Detektor
B05: Adaptionsoptik
B06: Detektor
Z01: Zoomgruppe
Z02: Zoomgruppe
L01: erste Linse
L02: zweite Linse
L03: dritte Linse
L04: vierte Linse
L05: fünfte Linse
L: Linsengruppe
F: Feldlinsengruppe
K: Kittglied
KL: Korrekturlinse
Z01: Zoomgruppe
Z02: Zoomgruppe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 0935772 B1 [0002]
US 5781336 [0002]
US 6950243 B2 [0002]
US 5847879 [0003]
US 6856468 [0007, 0056]
US 6333823 [0007]
US 4749268 [0007]

Claims

Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) zur ergänzenden Abbildung eines zweiten Spektralbereiches in einem einen ersten Spektralbereich abbildenden Abbildungsobjektiv (1), mit einem Strahlteilerelement (A02, B02) zu einer Auftrennung des ersten Spektralbereiches entlang einer ersten optischen Achse und des zweiten Spektralbereiches entlang einer zweiten optischen Achse, die gegenüber der ersten optischen Achse geneigt ist, sowie mit einer entlang der zweiten optischen Achse angeordneten Adaptionsoptik (11), die den zweiten Spektralbereich auf einen Detektor (A06, B06) abbildet, wobei die Adaptionsoptik (11) zusätzlich zu einer Korrektur der chromatischen Aberration der Komponenten (A01, B01) der Abbildungsoptik (13) vor dem Strahlteilerelement (A02, B02) ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 1, wobei das Strahlteilerelement (A02, B02) den ersten Spektralbereich umlenkt und den zweiten Spektralbereich transmittiert.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 2, wobei die Begrenzungsflächen des Strahlteilerelements (B02) in Richtung der zweiten optischen Achse eine Keilform bilden.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilerelement (A02, B02) einen ersten, sichtbaren Spektralbereich von einem zweiten, infraroten Spektralbereich trennt, und wobei die Adaptionsoptik (11) zur Korrektur der chromatischen Aberrationen der vorgeschalteten Komponenten (A01, B01) der Abbildungsoptik (13) im infraroten Spektralbreich ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 4, wobei das Strahlteilerelement (A02, B02) als zweiten Spektralbereich einen Bereich von 0,7 μm bis 1,4 μm (NIR) oder einen Bereich von 1.4 μm bis 3.0 μm (SWIR) abtrennt.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Strahlteilerelement (A02, B02) eine teildurchlässige Reflektorplatte oder ein Teilerprisma ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adaptionsoptik (11) zur Korrektur der chromatischen Abbildungsfehler zumindest eine entlang der zweiten optischen Achse angeordnete Korrekturlinse (KL) mit einer diffraktiven Fläche umfasst.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 7, wobei die diffraktive Fläche der Korrekturlinse (KL) mit einem Kinoformprofil ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Adaptionsoptik (11) eine Linsengruppe (L) mit einer ersten Linse (L01) positiver und einer zweiten Linse (L02) negativer Brechkraft und eine Feldlinsengruppe (F) negativer Brechkraft umfasst.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 9, wobei die erste und die zweite Linse (L01 bzw. L02) konvex-konkav ausgebildet sind.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 10, wobei die konkaven Austrittsflächen jeweils asphärisch ausgebildet sind.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 9 bis 11, wobei die erste Linse (L01) positiver Brechkraft als Korrekturlinse (KL) ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die erste Linse (L01) aus ZnS und die zweite Linse (L02) aus Si besteht.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 9 bis 13, wobei die Feldlinsengruppe (F) eine dritte Linse (L03) mit negativer Brechkraft und eine vierte Linse (L04) mit positiver Brechkraft umfasst.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 14, wobei die dritte Linse (L03) konkav-konvex und die vierte Linse (L04) konvex-konkav ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 14, wobei die konvexe Eintrittsfläche der vierten Linse (L04) asphärisch ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 14 bis 16, wobei die dritte Linse (L03) aus CaFl und die vierte Linse (L04) aus Si besteht.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, wobei die Feldlinsengruppe (F) aus einem Kittglied (K) negativer Brechkraft, umfassend eine dritte Linse (L03) mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse (L04) mit negativer Brechkraft, und aus einer fünften Linse (L05) mit positiver Brechkraft besteht.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 18, wobei die dritte Linse (L03) konvex-konvex, die vierte Linse (L04) konkav-konkav und die fünfte Linse (L05) konvex-konkav ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach Anspruch 19, wobei die konvexe Eintrittsfläche der fünften Linse (L05) asphärisch ausgebildet ist.
Adaptionsobjektiv (10, 10', 12) nach einem der Ansprüche 18 bis 20, wobei die dritte und die vierte Linse (L03 bzw. L04) aus optischem Glas unterschiedlicher Dispersion bestehen und die fünfte Linse (L05) aus Si gefertigt ist.