DE102011108923B3

DE102011108923B3 - Drei-Spiegel-Anastigmat mit mindestens einem nicht-rotationssymmetrischen Spiegel

Info

Publication number: DE102011108923B3
Application number: DE102011108923A
Authority: DE
Inventors: lain A. Neil
Original assignee: Media Lario SRL
Current assignee: Media Lario SRL
Priority date: 2010-08-11
Filing date: 2011-07-29
Publication date: 2012-12-06
Anticipated expiration: 2031-07-30
Also published as: JP2012042949A; US20120038812A1; JP5904632B2; US9007497B2

Abstract

Ein Drei-Spiegel-Anastigmat mit mindestens einem nichtrotationssymmetrischen Spiegel ist offenbart. Der mindestens eine nichtrotationssymmetrische Spiegel kann eine elektro- bzw. galvanogeformte Spiegelhülle bzw. -schale darstellen mit einer nicht-rotationssymmetrischen reflektiven Oberfläche, gebildet durch eine entsprechend geformte Spindel.

Description

GEBIET
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf reflektive optische Systeme und insbesondere auf Drei-Spiegel-Anastigmate mit mindestens einem nichtrotationssymmetrischen Spiegel.
HINTERGRUND-STAND DER TECHNIK
Optische Abbildungssysteme, und nach spezieller optische Objektivsysteme, liefern Information über eine Szene (eine Ansammlung dreidimensionaler Objekte, von denen ein zweidimensionales Bild ausgegeben wird), die durch Sammeln von Licht (Strahlung) von einem Objektbereich und Abgeben dieser an den Bildbereich bzw. Abbildungsbereich, in dem ein wirkliches Bild gebildet und durch einen Detektor abgetastet wird, gesehen wird. Während viele optische Objektivsysteme über einen ausgewählten Wellenlängenbereich (Wellenband) arbeiten, kann eine Bildgebung über multiple Wellenbänder beziehungsweise Vielfach-Wellenbänder zusätzliche Information über den Objektbereich liefern. Das Aufkommen von elektronischen Hochleistungsbildsensoren, die zur Abtastung multipler Lichtwellenbänder in der Lage sind, ermöglicht derartige optische Multiwellenband-Objektivsysteme. Jedoch stellt dies zusätzliche Anforderungen an das optische Objektivsystem, weil dieses über die multiples Wellenbänder gut korrigiert werden muss.
Das Design von refraktiven optischen Objektivsystemen mit Multiwellenband-Bildgebungsfähigkeit wird durch die begrenzte Verfügbarkeit von refraktiven Materialien, die dazu in der Lage sind, ausreichend Licht zu übertragen und Aberrationskorrekturen zu ermöglichen, insbesondere für chromatische Aberrationen, behindert. Andere Schwierigkeiten umfassen ein Handhabungssystem für die Wärmeempfindlichkeit, wodurch eine Bilddefokussierung und Verlust der Aberrationskorrektur bei erhöhter und niedriger Temperatur bewirkt wird.
Reflektive optische Objektivsysteme haben den Vorteil, dass Spiegel nicht von der Lichttransmission abhängig sind, keine chromatischen Aberrationen aufweisen und dazu neigen, weniger wärmeempfindlich zu sein. Ein Typ eines reflektiven optischen Objektivsystems unter Verwendung von drei Spiegeln wird als ein „Drei-Spiegel-Anastigmat” oder „TMA” (three mirror anastigmat) bezeichnet. Die Spiegel eines TMA sind so aufgebaut, dass das Licht das reflektive optische Objektivsystem in vier Richtungen durchläuft, wodurch ein klarer Blick auf die abgebildete Szene bereitgestellt wird, d. h. es gibt keine Vignettierung.
TMAs mit rotationssymmetrischen Spiegeln, die vom Mittelpunkt abweichend und geneigt im Hinblick auf einander in einer Ebene vorliegen, wurden entworfen. Jedoch weisen herkömmliche TMAs begrenzte Kompaktheit, einen relativen kleinen Wert bzw. Blendenwert und eine marginale Aberrationskorrektur auf. Zusätzlich, um andere Gestaltungsanforderungen zu erfüllen, wie keine Signaturvergrößerung beziehungsweise Bogenvergrößerung aufzuweisen und/oder geringe Verzerrung bzw. Verformung, muss die Blende erheblich geöffnet werden, um hohe Leistung zu erreichen. Weiterhin, wenn ein TMA bei kürzeren Wellenlängen (z. B. dem sichtbaren Wellenband) arbeiten muss, wird die Aberrationskorrektur viel schwieriger, um ein kompaktes Design zu erreichen. Zusätzliche Spiegel können eingesetzt werden, aber zu Lasten größerer Komplexität und möglicherweise größerer Größe und größeren Gewichts.
Aus der DE 695 15 734 T2 ist ein optisches Abbildungssystem mit Erzeugung eines Zwischenbildes mit einem anastigmatischen System aus drei Spiegeln und einem Korrektorspiegel bekannt geworden. Der Korrektorspiegel gemäß der DE 695 15 734 T2 ermöglicht es, das Sichtfeld seitlich hinreichend zu versetzen, was im wesentlichen axiale Fokalkegel bereitstellt, während immer noch die erwünschte Korrektur der Aberrationen und Verzerrungen des Bildes möglich ist.
Die US 4,804,258 A zeigt ein afokales Vierspiegelsystem, das vier nicht-sphärische Spiegel umfasst und außeraxial sowohl in der Apertur, als auch im Feldwinkel ist. Das aus der US 4,804,258 A bekannte Vierspiegelobjektiv weist vier nicht sphärische Spiegeloberflächen auf.
ZUSAMMENFASSUNG
Verbesserte TMA-Systeme werden offenbart, die Hochleistungsabbildung bei einer oder mehreren endgültigen Bildebenen für einen Betrieb bei einem einzelnen Wellenband oder multiplen Wellenbändern bereitstellen. Um die restlichen Bildaberrationen zu minimieren, ist mindestens ein Spiegel nichtrotationssymmetrisch. Die TMA-Systeme können angeordnet werden, um die Anordnung einer Kaltblende (cold stop) zu ermöglichen, um die Anordnung eines Strahlteilers zu ermöglichen, der multiple Bildsensoren bei multiplen Bildebenen ermöglicht, um die Signaturvergrößerung zu kontrollieren bzw. zu steuern und eine Verzerrungskorrektur aufweist, die an sich ausgezeichnet ist, oder der eine Form aufweisen, die durch elektronische Nachbearbeitung eines aufgenommenen Digitalbilds korrigiert werden kann.
Ein Aspekt der Offenbarung ist ein reflektives optisches Objektivsystem zum Bilden eines Bildes bei einer ersten Bildebene eines Objekts in einem Objektbereich über mindestens ein Wellenband. Das reflektive optische Objektivsystem enthält einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel und einen dritten Spiegel. Die Spiegel sind in TMA-Konfiguration angeordnet und weisen jeweils erste, zweite und dritte reflektive Oberflächen auf, die Licht vom Objekt zum Bild reflektieren in der Reihenfolge von der ersten reflektiven Oberfläche zur zweiten reflektiven Oberfläche zur dritten reflektiven Oberfläche. Es gibt mindestens eine Zwischenbildposition zwischen dem ersten und dritten Spiegel, wo mindestens ein Zwischenbild gebildet wird. Mindestens eine der ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberfläche ist nicht-rotationssymmetrisch. In einem Beispiel ist die mindestens eine nicht-rotationssymmetrische Oberfläche bereitgestellt durch entsprechend mindestens einen elektro- bzw. galvanogeformten Spiegel.
Im reflektiven optischen Objektivsystem ist mindestens einer der Spiegel bevorzugt ein elektro- bzw. galvanogeformter Spiegel. Die mindestens eine nichtrotationssymmetrische reflektive Oberfläche ist auf mindestens einem elektro- bzw. galvanogeformten Spiegel ausgebildet.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin eine Aperturblende zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel.
Im reflektiven optischen Objektivsystem ist ein Hauptstrahl eines axialen Feldstrahls bevorzugt im Wesentlichen senkrecht zur ersten Bildebene.
Im reflektiven optischen Objektivsystem sind alle drei reflektiven Oberflächen bevorzugt nicht-rotationssymmetrisch.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst weiterhin bevorzugt eine Kaltblende (cold stop), angeordnet bei der Position der Aperturblende.
Im reflektiven optischen Objektivsystem weist die mindestens eine reflektive Oberfläche bevorzugt eine Toroidform auf.
Im reflektiven optischen Objektivsystem umfasst das mindestens eine Wellenband bevorzugt eines von:
einem sichtbaren Wellenband im Bereich von 450 nm bis 600 nm;
einem Nah-Infrarot-Wellenlängenband im Bereich von 700 nm bis 1200 nm;
einem mittleren Infrarot-Wellenband im Bereich von 3 μm bis 5 μm;
einem Fern-Infrarot-Wellenband im Bereich von 8 μm bis 12 μm;
einem Ultraviolett-Wellenband im Bereich von 20 nm bis 400 nm;
einem Extrem-Ultraviolett-Wellenband, das eine Wellenlänge von 13,5 nm umfasst und
ein Röntgenstrahlen-Wellenband mit Wellenlängen von weniger als 13,5 nm.
Im reflektiven optischen Objektivsystem umfasst das mindestens eine Wellenband, bevorzugt zwei oder mehr Wellenlängenbänder, ausgewählt aus der Gruppe von Wellenlängenbändern, umfassend: sichtbar, Nah-Infrarot, mittleres Infrarot und Fern-Infrarot.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin eine Feldblende, angeordnet im Wesentlichen bei der Position des mindestens einen Zwischenbilds.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen Strahlteiler, erste und zweite Bildsensoren. Der Strahlteiler ist entweder zwischen der ersten Bildebene und der Aperturblende oder zwischen der Aperturblende und dem dritten Spiegel angeordnet. Der Strahlteiler bildet eine zweite Bildebene. Der erste und zweite Bildsensor sind jeweils bei den ersten und zweiten Bildebenen angeordnet.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen ersten Bildsensor und eine Verarbeitungselektronik. Der erste Bildsensor ist bei der ersten Bildebene angeordnet. Die Verarbeitungselektronik ist elektrisch mit dem ersten Bildsensor verbunden.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen Strahlteiler und einen zweiten Bildsensor. Der Strahlteiler ist zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel angeordnet. Der Strahlteiler ist aufgebaut, um eine zweite Bildebene zu bilden. Der zweite Bildsensor ist bei der zweiten Bildebene angeordnet. Der zweite Bildsensor ist mit der Verarbeitungselektronik elektrisch verbunden.
Ein weiterer Aspekt der Offenbarung ist ein reflektives optisches Objektivsystem, das erste, zweite und dritte Spiegel mit jeweils ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberflächen umfasst. Die Spiegel sind in einer TMA-Konfiguration angeordnet, wobei mindestens zwei vom ersten, zweiten und dritten Spiegel eine Toroidfläche beziehungsweise toroidale Oberfläche aufweisen. In einem Beispiel weisen alle drei Spiegel Toroidflächen auf. Elektro- bzw. galvanogeformte Spiegel können verwendet werden, um die zwei oder mehr Toroidflächen zu halten bzw. zu stützen bzw. zu tragen.
Im reflektiven optischen Objektivsystem werden die mindestens zwei Toroidflächen bevorzugt durch jeweils elektro- bzw. galvanogeformte Hüllen bzw. Schalen getragen bzw. gestützt bzw. gehalten.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen Strahlteiler, der so angeordnet ist, dass das reflektive optische Objektivsystem eine erste und zweite Bildebene aufweist, die mit verschiedenen Wellenbändern zusammenhängen.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin einen ersten Bildsensor, einen zweiten Bildsensor und Verarbeitungselektronik. Der erste Bildsensor ist bei der ersten Bildebene angeordnet. Der zweite Bildsensor ist bei der zweiten Bildebene angeordnet. Die Verarbeitungselektronik ist mit dem ersten und zweiten Bildsensor elektrisch verbunden.
Das reflektive optische Objektivsystem umfasst bevorzugt weiterhin mindestens eine Feldblende und eine Kaltblende (cold stop). Die Feldblende ist im Wesentlichen bei der Zwischenbildposition angeordnet. Die Kaltblende ist bei einer Position einer Aperturblende stromabwärts des dritten Spiegels angeordnet.
Das reflektive optische Objektivsystem ist bevorzugt aufgebaut, um mindestens eine von: einem sichtbaren und mindestens einem Infrarot-Wellenband abzubilden oder mindestens zwei verschiedene Infrarot-Wellenbänder.
Im reflektiven optischen Objektivsystem sind alle drei Spiegel bevorzugt elektro- bzw. galvanogeformte Spiegel.
Zusätzliche Merkmale und Vorteile der Offenbarung sind in der nachfolgenden detaillierten Beschreibung dargestellt und werden teilweise dem Fachmann im Stand der Technik aus der Beschreibung ohne Weiteres offensichtlich oder durch Umsetzen der Offenbarung, wie hier beschrieben, in die Praxis, einschließlich der detaillierten Beschreibung, die folgt, der Ansprüche, genauso wie der beigefügten Zeichnungen, erkannt.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1A und 1B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer ersten Beispielausführungsform beziehungsweise eines Ausführungsbeispieles eines TMA-Systems und arbeiten bei einer Gesamtblende von ungefähr f/1,3;
1C und 1D sind graphische Darstellungen der Modulationstransferfunktion (MTF), die die Modulation (d. h. Kontrast in %) über das Sichtfeld (FOV) (field of view) gegen die Auflösung (d. h. Raumfrequenz in Zyklen/mm) für das sichtbare Wellenband für das TMA-System der 1A und 1B aufträgt;
1E und 1F sind graphische Darstellungen der MTF über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 1A und 1B;
1G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System der 1A und 1B auf;
1H ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des TMA-Systems der 1A und 1B und zeigt eine Kaltblende, angeordnet bei der Aperturblende;
1I ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des TMA-Systems der 1A und 1B und zeigt einen Strahlteiler, angeordnet stromabwärts der Aperturblende, der erste und zweite Bildebenen mit ersten und zweiten Bildsensoren, jeweils hier angeordnet, bildet;
1J ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des TMA-Systems der 1A und 1B und zeigt einen Strahlteiler, angeordnet zwischen der Aperturblende und dem angrenzenden Spiegel, wobei das TMA-System mit einer Blende von f/3,4 arbeitet;
2A und 2B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme des beispielhaften TMA-Systems von 1A und 1B, aber arbeiten mit einer Gesamtblende von ungefähr f/2;
2C und 2D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband für das TMA-System der 2A und 2B;
2E und 2F sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 2A und 2B;
3A und 3B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer zweiten beispielhaften Ausführungsform eines TMA-Systems, das mit einer Gesamtblende von ungefähr f/2 und ohne Signaturvergrößerung arbeitet;
3C und 3D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband für das TMA-System der 3A und 3B;
3E und 3F sind schematische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 3A und 3B;
3G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System der 3A und 3B auf;
3H ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des TMA-Systems der 3A und 3B und zeigt Licht, das vom Bildsensor reflektiert wird und nicht durch die Aperturblende tritt;
4A und 4B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer dritten beispielhaften Ausführungsform eines TMA-Systems, das bei einer Gesamtblende von ungefähr f/2,5 und ohne Signaturvergrößerung und mit gut korrigierter Verzerrung arbeitet;
4C und 4D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband für das TMA-System der 4A und 4B;
4E und 4F sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 4A und 4B;
4G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System der 4A und 4B auf;
4H ist eine vergrößerte Ansicht eines Teils des TMA-Systems der 4A und 4B und zeigt Licht, das vom Bildsensor reflektiert und nicht durch die Aperturblende tritt;
5A und 5B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer vierten beispielhaften Ausführungsform eines TMA-Systems, das bei einer Gesamtblende von ungefähr f/1,8 arbeitet und optimiert ist, um kompakt zu sein und über die mittleren und fernen Infrarot-Wellenbänder funktioniert;
5C und 5D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das mittlere Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 5A und 5B;
5E und 5F sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System der 5A und 5B und
5G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System der 5A und 5B auf.
Die verschiedenen in der Zeichnung dargestellten Elemente sind nur repräsentativ und nicht notwendigerweise im Maßstab gezeichnet. Bestimmte Abschnitte hiervon können übertrieben sein, während andere minimiert sein können. Die Zeichnung soll eine beispielhafte Ausführungsform der Offenbarung veranschaulichen, die vom Durchschnittsfachmann im Stand der Technik verstanden und geeigneterweise ausgeführt werden kann. In den Figuren werden gleiche Komponenten und Elemente mit gleichen Bezugszeichen und Symbolen bezeichnet.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
Die vorliegende Offenbarung bezieht sich auf reflektive optische Objektivsysteme, und insbesondere auf TMAs mit mindestens einem nichtrotationssymmetrischen Spiegel.
In einem Beispiel ist der mindestens eine nicht-rotationssymmetrische Spiegel ein elektro- bzw. galvanogeformter Spiegel, d. h. die reflektive Oberfläche wird durch eine elektro- bzw. galvanogeformte monolithische Struktur in Form einer starren Hülle bzw. Schale ausgestaltet, mit der ausgewählten nichtrotationssymmetrischen Oberflächenform gestützt bzw. getragen bzw. gehalten. Die elektro- bzw. galvanogeformte Spiegelflächenform wird durch eine entsprechend geformte Spindel gebildet und kann so kostengünstig erneut hergestellt werden, sobald die geeignete Spindel einmal hergestellt ist. Beispielhafte elektro- bzw. galvanogeformte Hüllen bzw. Schalen werden aus Nickel oder Nickellegierung hergestellt, obwohl jedes elektro- bzw. galvanoformbare Material verwendet werden kann, um den (die) elektro- bzw. galvanogeformten Spiegel zu bilden. Die rotationssymmetrischen Spiegel können elektro- bzw. galvanogeformte Spiegel sein oder können herkömmliche Glasspiegel sein.
In einem weiteren Beispiel kann der mindestens eine nichtrotationssymmetrische Spiegel auch durch herkömmliche Mittel gebildet werden, wie durch Diamantdrehen. Die Verfügbarkeit und Kosten geeigneter Diamantdrehvorrichtungen (z. B. einer fünfachsigen beziehungsweise fünf Achsen-Maschine) können ein begrenzender Faktor bei der Auswahl sein, um einen nichtrotationssymmetrischen Spiegel durch Diamantdrehen zu bilden. Weiterhin sind Gewichts- und Kompaktheitsanforderungen nicht einfach unter Verwendung herkömmlicher Glasspiegel zu erreichen, selbst wenn die geeigneten Oberflächenformen hergestellt werden können.
Darüber hinaus beruht das herkömmliche Diamantdrehverfahren nicht auf einer „Vorlage” beziehungsweise einem „Master”, um die Spiegelfläche herzustellen, so dass jede gedrehte Spiegelfläche im kleinen Maßstab einzigartig ist und wesentliche Nachbearbeitung erfordert, um die Oberflächenanforderungen zu erfüllen. Somit wird angenommen, dass das Bilden des mindestens einen nichtrotationssymmetrischen Spiegels unter Verwendung von Elektro- bzw. Galvanoformungstechniken in den meisten Fällen ein kosteneffektiverer und effizienterer Ansatz sein wird.
Beispielhafte Ausführungsformen der vorliegenden Offenbarung werden anhand verschiedener Gestaltungsbeispiele beschrieben, die in den Tabellen 1, 2, 3 und 4 dargestellt sind, und die Linsendesignbeschreibungsdaten, die darin und auch nachfolgend enthalten sind, wurden aus Daten gewonnen, erzeugt durch die CODE V^® Optische Designsoftware, kommerziell erhältlich von Optical Research Associates, Inc., Pasadena, California, USA. Die beispielhaften Ausführungsformen, die nachfolgend in den Tabellen dargestellt sind, haben alle drei nichtrotationssymmetrische Spiegel.
Sämtliche nachfolgend dargestellten Daten sind bei einer Temperatur von 25°C (77°F) und Standardatmosphärendruck (760 mm Hg) angegeben.
Die beispielhaften Ausführungsformen, die hier dargestellt werden, liefern einen hohen Kontrast bei den gewünschten Raumfrequenzen bei hoher Lichtstärke bzw. großer Blende zur Verwendung mit kurzwelligen Wellenbändern und über einzelne oder multiple Wellenbänder, die einen wesentlichen Wellenlängenbereich abdecken.
Die verschiedenen Wellenbänder, auf die hier Bezug genommen wird, können die nachfolgenden ungefähren Wellenlängenbereiche aufweisen:
Das Röntgenstrahlen-Wellenband umfasst Wellenlängen von weniger als 13,5 nm. Das EUV-Wellenband umfasst 13,5 nm. Das UV-Wellenband reicht von etwa 20 nm bis etwa 400 nm. Das sichtbare Wellenband reicht von etwa 450 nm bis etwa 650 nm; das Nah-Infrarot-Wellenband reicht von etwa 700 nm bis 1200 nm; das Mittelinfrarot-Wellenband reicht von etwa 3000 nm bis etwa 5000 nm und das Fern-Infrarot-Wellenband reicht von etwa 8000 nm bis etwa 12000 nm. In einem Beispiel beträgt das Verhältnis der längsten zur kürzesten Wellenlänge über das gesamte Wellenband etwa 27 zu 1 (z. B. 26,7:1).
Um den diffraktionsabhängigen Verlust des Kontrasts bei den gewünschten Raumfrequenzen und bei den längeren Wellenlängen des Wellenbands oder der Wellenbänder zu reduzieren, wie für das mittlere Infrarot- oder Fern-Infrarot-Wellenband, ist eine hohe Lichtstärke bzw. eine große Blende erforderlich, beispielsweise mit einer f/Zahl beziehungsweise einem f/Wert von weniger als etwa 4. Die reflektiven optischen Objektivsysteme, die hier offenbart sind, erreichen dies in einem kompakten System unter Verwendung mindestens eines nichtrotationssymmetrischen Spiegels, der abweichend von der Achse angeordnet sein kann, beispielsweise abweichend von der Mitte oder geneigt im Hinblick auf die anderen Spiegel.
Die hier beschriebenen reflektiven optischen Objektivsysteme können als Verbesserung gegenüber herkömmlichen TMA-Systemen angesehen werden, wie in US 4,265,510 A , US 4,834,517 A und US 6,016,220 A beschrieben, wobei die Patente hier durch Bezugnahme einbezogen werden.
Die hier offenbarten TMA-Systeme können kompakt ausgeführt werden und mit einer großen Blende, während ebenfalls ein hoher Kontrast bei den gewünschten Raumfrequenzen über die einzelnen und multiplen Wellenbänder bereitgestellt wird, während auch andere nützliche Merkmale geboten werden, wie reduziertes Gewicht. Dies trifft insbesondere im Falle zu, wo ein oder mehrere elektro- bzw. galvanogeformte Spiegel verwendet werden.
Beispielhafte Ausführungsformen der hier beschriebenen TMAs sind so aufgebaut, dass ein Hauptstrahl CR (chief ray) des axialen Feldstrahls AFB (axial field beam) entweder senkrecht oder nicht senkrecht auf die Bildebene IP (image plane) auftrifft (und somit auf einen Bildsensor IS (image sensor) der hier angeordnet ist), so dass die Oberfläche des Bildsensors IS entweder nicht geneigt ist oder geneigt ist, bezogen auf die optische Achse des ankommenden Lichts (siehe 1I, nachfolgend erläutert).
In der nachfolgenden Beschreibung beziehen sich die Begriffe „stromabwärts” und „stromaufwärts” auf die Richtung des ankommenden Lichts LR, d. h. das ankommende Licht LR „fließt” von stromaufwärts nach stromabwärts. Wo daher ein zweites optisches Element stromabwärts eines ersten optischen Elements vorliegt, nimmt das erste optische Element das Licht LR vor dem zweiten optischen Element auf. Somit ist der Objektbereich stromaufwärts des Bildbereichs.
Ausführungsform 1
1A und 1B sind schematische VZ- und XZ-Diagramme einer ersten beispielhaften Ausführungsform eines TMA-Systems 10, das bei einer Gesamtblende beziehungsweise vollständigen Apertur (full aperture) von ungefähr f/1,3 arbeitet. Das TMA-System 10 umfasst einen ersten (primären) Spiegel M1 mit einer reflektiven Oberfläche MS1, einen zweiten (sekundären) Spiegel M2 mit einer reflektiven Oberfläche MS2 und einen dritten (tertiären) Spiegel M3 mit einer reflektiven Oberfläche MS3. Die Spiegel M1, M2 und M3 sind in einer TMA-Konfiguration angeordnet, die außerhalb der Achse liegt und dezentriert von der YZ-Ebene.
Die Lichtstrahlen LR sind gezeigt, wie sie anfänglich von einem Objektbereich beziehungsweies Objektraum OBSP (object space) von links nach rechts verlaufen, und zuerst auf den primären Spiegel M1 treffen. Der primäre Spiegel M1 reflektiert die Lichtstrahlen LR zum sekundären Spiegel M2, der seinerseits die Lichtstrahlen LR zum tertiären Spiegel M3 reflektiert. Der tertiäre Spiegel M3 richtet die Lichtstrahlen LR auf eine Bildebene IP (image plane) im Bildraum IMSP (image space), um ein Bild IM bei der Bildebene IP zu bilden. Eine Aperturblende AS ist zwischen dem tertiären Spiegel M3 und der Bildebene IP angeordnet.
Eine Eintrittspupille ist bei der Eintrittspupillenposition EPL (entrance pupil location) angeordnet, wo die axialen Strahlen den Objektbereich OBSP stromaufwärts des primären Spiegels M1, wie gezeigt, kreuzen. Dies stellt jedoch eine Paraxialposition dar und Pupillenaberrationen (hauptsächlich Verzerrungen) bewirken, dass die Eintrittspupille nicht in einer perfekten Ebene angeordnet bei der Eintrittspupillenposition EPL liegt. Nichtsdestoweniger haben die Eintrittspupillenaberrationen keinen wesentlichen Einfluss auf die Bildleistungsfähigkeit des TMA-Systems 10.
Ein Zwischenbild IIM wird zwischen dem Spiegel M1 und M2 (siehe 1A) gebildet. Ein Zwischenbild IIM zu haben ist vorteilhaft, weil dieses verwendet werden kann, um ungewünschtes Licht zu blockieren, das von einer Quelle (nicht gezeigt) im Objektbereich OBSP ausgehen kann oder nicht und das einem störenden Pfad zur Bildebene IP und somit zu einem Bildsensor IS, der hier angeordnet ist, folgt. Dieses störende Licht kann durch die Einführung einer Blende oder eines Ablenk- bzw. Sperrblechs (Baffle) zwischen oder um die Spiegel M1 bis M3 blockiert oder teilweise blockiert werden, oder durch Vorsehen einer Feldblende am Zwischenbild IIM. Die Effektivität des Lichtablenk- bzw. -sperrblechs hängt von der Zugänglichkeit des Zwischenbilds IIM ab. In einigen Fällen (z. B. Ausführungsform 1 und 4) würde ein Ablenk- bzw. Sperrblech, das sich bis zum unteren Abschnitt des Zwischenbilds IIM erstreckt, den optischen Pfad verdunkeln bzw. verschleiern bzw. verdecken und könnte so nur auf den oberen Abschnitt des Zwischenbilds IIM wirken und wäre nur teilweise effektiv. Andererseits würde in einigen Fällen (z. B. Ausführungsform 2 und 3) keine derartige Verdunklung bzw. Verschleierung auftreten, so dass das gesamte Ablenk- bzw. Sperrblech verwendet werden könnte.
In einem Beispiel wird ein Bildsensor IS bei der Bildebene IP angeordnet, um das Bild IM zu erkennen, wie nachfolgend in näheren Einzelheiten erläutert (siehe z. B. 1H). Zum Abbilden über ein oder mehreren Wellenbänder mit relativ langen Wellenlängen, beispielsweise des mittleren oder fernen Infrarot-Wellenbandes, ist ein Vorteil der hier beschriebenen TMA-Systeme 10, dass sie aufgebaut werden können, um keine Verdunklungen bzw. Verschleierungen oder Vignettierungen des Lichts aufzuweisen, wenn dieses durch das TMA-System eintritt und zu dem (den) Bildsensor(en) IS hindurchläuft. Dies ist bei längeren Wellenlängen nützlich, um die Wärmeempfindlichkeit zu erhöhen und daher die thermische Auflösung des TMA-Systems 10 zu verbessern.
Um die Empfindlichkeit eines Bildsensors IS zu erhöhen, der Licht bei längeren Wellenlängen (z. B. im mittleren Infrarot-Wellenband von 3 μm bis 5 μm oder im fernen Infrarot-Wellenband von 8 μm bis 12 μm oder beiden Wellenbändern) detektiert, kann die Pixelgröße des Bildsensors IS relativ groß sein, z. B. etwa 25 μm. Für einen Bildsensor IS, der Licht bei kürzeren Wellenlängen (z. B. im sichtbaren Wellenband von 450 nm bis 650 nm oder im nahen Infrarot-Wellenband von 700 nm bis 1200 nm oder in beiden Wellenbändern) detektiert, kann die Pixelgröße des Bildsensors IS kleiner sein, z. B. etwa 10 μm, ohne die Detektionsempfindlichkeit signifikant zu beeinträchtigen.
Somit können in einem Beispiel für ein Bild IM mit einer Größe von etwa 15,2 mm horizontal zu 10,1 mm vertikal jeweils etwa 600 Pixel und 1500 Pixel über die längeren und kürzeren Wellenband-Bildsensoren IS vorliegen. Eine Pixelgröße von 10 μm erfordert relativ hohen Kontrast (Modulation) bei einer Raumfrequenz von etwa 25 Zyklen/mm und eine Pixelgröße von 25 μm erfordert relativ hohen Kontrast bei schwächeren 10 Zyklen/mm.
In einem TMA-System 10 ist mindestens einer von: Dem primären Spiegel M1, dem sekundären Spiegel M2 und dem tertiären Spiegel M3 nichtrotationssymmetrisch. In einer beispielhaften Ausführungsform wird der mindestens eine nicht-rotationssymmetrische Spiegel durch ein Elektro- bzw. Galvanoformungsverfahren gebildet, wie beschrieben in US 2009/0314646 A , die hier durch Bezugnahme einbezogen wird.
In den hier nachfolgend dargestellten Tabellen ist SRF eine Abkürzung für „Oberfläche” (surface) und AS ist die Abkürzung für „Aperturblende”. Die Bezeichnung „E-n”, die nachfolgend verwendet wird, ist die Abkürzung für „10^–n”

Die nachfolgende Tabelle 1 stellt eine beispielhafte Linsendesignbeschreibung für das TMA-System 10 gemäß dieser ersten Ausführungsform dar.

Tabelle 1 – Linsendesignbeschreibung beziehungsweise Berechnung des optischen Systems der ersten Ausführungsform
ITEM	RY	RX	XP	YP	ZP	XR	YR	ZR
OBJ SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	unendlich	0,0000	0,0000	0,0000
REF SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
M1	–201,6884	–222,0775	0,0000	–5,0000	120,0000	–10,2729	0,0000	0,0000
M2	–146,1064	–126,2781	0,0000	–4,5873	0,1809	–7,1325	0,0000	0,0000
M3	–140,5417	–136,3313	0,0000	–5,2435	116,8992	–6,7674	0,0000	0,0000
AS	flach	flach	0,0000	–11,4264	–1,8208	–7,0527	0,0000	0,0000
IM SRF	flach	flach	0,0000	–7,6962	–31,9899	–3,0944	0,0000	0,0000

Die Oberflächenprofile für die nicht-rotationssymmetrischen Spiegel M1, M2 und M3 werden durch die nachfolgende herkömmliche Gleichung bestimmt: Z = α/β + γ + δ, worin α = (CX)X² + (CY)Y² β = 1 + (1 – (1 + KX)(CX)²X² – (1 + KY)(CY)²Y²)^1/2 γ = AR((1 – AP)X² + (1 + AP)Y²)² + BR((1 – BP)X² + (1 + BP)Y²)³ δ = CR((1 – CP)X² + (1 + CP)Y²)⁴ + DR((1 – DP)X² + (1 + DP)Y²)⁵ wobei RX und RY die Krümmungsradien der gegebenen Oberfläche um die X- bzw. Y-Achse darstellen und wobei CX = 1/RX, CY = 1/RY und KX, KY, AR, AP, BR, BP, CR, CP, DR und DP die polynominalen Koeffizienten darstellen. Auch ist Z die Position des Oberflächenprofils für einen vorgegebenen X- und Y-Wert, gemessen entlang der optischen Achse vom Pol (d. h. der axialen Vertex beziehungsweise dem axialen Scheitel) der Oberfläche. Die Oberflächenposition ist angegeben im Hinblick auf eine Referenzfläche, wo XP, YP und ZP jeweils Positionsabstände in X-, Y- und Z-Richtung darstellen und XR, YR und ZR sind jeweils Rotationswinkel um die X-, Y- bzw. Z-Achse.

Die Koeffizienten für den primären Spiegel M1 sind:

CY = –0,00495814	KY = –0,674485	CX = –0,00450293	KX = –0,636631
AR = –5,45874E–11	BR = –7,94786E–17	CR = –5,84955E–23	DR = 1,25914E–21
AP = 8,27399E–02	BP = –4,71383E+00	CP = –7,91052E+00	DP = –1,11559E+00

Die Koeffizienten für den sekundären Spiegel M2 sind:

CY = –0,00684433	KY = 0,000000	CX = –0,00791903	KX = 0,000000
AR = 9,49190E–08	BR = –3,92032E–10	CR = 9,25871E–13	DR = 1,90290E–16
AP = 0,00000E+00	BP = –2,88837E–01	CP = –1,20843E+00	DP = –4,69767E–01

Die Koeffizienten für den tertiären Spiegel M3 sind:

CY = –0,00711533	KY = –0,014222	CX = –0,00733507	KX = –0,035238
AR = 2,25156E–13	BR = –7,16155E–14	CR = 7,62816E–28	DR = 0,00000E+00
AP = 1,10431E+01	BP = 2,28262E–01	CP = 2,44883E+02	OP = 0,00000E+00

Die beispielhafte nicht-rotationssymmetrische Oberflächenform der Spiegel M1 bis M3 kann als eine „Toroid- bzw. toroidale-Asphäre” oder eine „anamorphische Asphäre” bezeichnet werden. In beispielhaften Ausführungsformen wird die mindestens eine nicht-rotationssymmetrische Oberfläche beschrieben durch ein allgemeines Polynom mit ein oder mehreren Kreuz-Termen, die die nichtrotationssyminetrische Art der Oberfläche ausmachen.
Die Sichtfelder (FOVs) bei der Objektfläche im Objektbereich OBSP sind 7,6° horizontal in der X-Achse und 4,8° vertikal in der Y-Achse. Die Gesamtblende beträgt beziehungsweise vollständige Apertur ungefähr f/1,3 und die effektive Brennweite beträgt ungefähr 98 mm.
1C und 1D sind graphische Darstellungen der Modulationstransferfunktion (MTF), die die Modulation (d. h. den Kontrast in %) über die FOV gegen die Auflösung (d. h. die Raumfrequenz in Zyklen/mm) für das sichtbare Wellenband für das TMA-System 10 der 1A und 1B aufträgt. 1E und 1F sind graphische Darstellungen der MTF über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband des TMA-Systems 10 der 1A und 1B.
Wie oben angemerkt, erfordert eine Bildsensorpixelgröße von 10 μm einen relativ hohen Kontrast (Modulation) bei einer Raumfrequenz von etwa 25 Zyklen/mm und eine Bildsensorpixelgröße von 25 μm erfordert einen relativ hohen Kontrast bei 10 Zyklen/mm. Es ist festzuhalten, dass die graphischen MTF-Darstellungen der 1C und 1D ausgezeichnete Modulation (~ 50% oder größer) bei Raumfrequenzen bis zu 25 Zyklen/mm und die 1E und 1F ausgezeichnete Modulation (~ 70% oder größer) bis zu 10 Zyklen/mm zeigen.
Das TMA-System 10 kann aufgebaut sein, um die optische Verzerrung zu reduzieren oder zumindest um eine Verzerrung aufzuweisen, die eine Form (Signatur) aufweist, die einer Korrektur durch eine elektronische Nachverarbeitung zugänglich ist. Selbst wenn eine optische Verzerrung elektronisch korrigiert werden kann durch Veränderung des Ausgabesignals des Bildsensors IS nach Detektion des Lichts durch den Bildsensor IS, kann die Reduktion der optischen Verzerrung nach wie vor einen Nutzen für die Vereinfachung der Komplexität des gesamten TMA-Systems 10, einschließlich der Reduktion des Gewichts, mit sich bringen.
1G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System der 1A und 1B auf und veranschaulicht mittelgradig gute Verzerrungskorrektur über beide FOVs mit einfachen Formcharakteristika, die es ermöglichen, dass die Verzerrung durch elektronische Nachbearbeitung ohne Weiteres korrigiert wird.
Ein weiterer Vorteil der TMA-Systeme 10, die hier beschrieben sind, ist, dass eine Kaltblende CS (cold stop) ohne Weiteres bei der Position der Aperturblende AS ohne Vignettierung eingeführt werden kann. Eine Kaltblende CS reduziert störendes Licht, das den Bildsensor IS erreicht. Dies kann dazu dienen, die Wärmeempfindlichkeit des TMA-Systems 10 und demzufolge die thermische Auflösung bei längeren Wellenlängen, wie im mittleren und fernen Infrarot-Wellenband, zu verbessern.
1H ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des TMA-Systems 10 der 1A und 1B und zeigt eine Kaltblende CS, angeordnet bei der Aperturblende AS. Auch in 1H gezeigt ist ein Bildsensor IS, angeordnet bei der Bildebene IP. In einem Beispiel ist der Bildsensor IS ein elektronischer Multiband-Bildsensor, der Strahlung (Licht) über multiple Wellenbänder detektieren kann. In einer beispielhaften Ausführungsform umfasst das TMA-System 10 Verarbeitungselektronik PE, die mit dem Bildsensor IS elektrisch verbunden ist und aufgebaut ist, um Information vom Bildsensor IS zu verarbeiten, wie durch das elektronische Signal SI, das vom Bildsensor IS in Reaktion auf die Detektion von Licht bei der Bildebene IP übermittelt wird, dargestellt.
In einer beispielhaften Ausführungsform ist die Verarbeitungselektronik PE (processing electronics) aufgebaut, um die Bildverarbeitung des aufgenommenen Bildes IM durchzuführen. Beispielsweise kann die Verarbeitungselektronik PE aufgebaut sein, um Bildverzerrungen zu korrigieren. Somit muss in einer beispielhaften Ausführungsform die Größe der Verzerrung bis zu einem hohen Grad (z. B. innerhalb etwa 10%) nicht korrigiert werden, so lange die Form der Verzerrung ausreichend einfach ist, um eine elektronische Verzerrungskorrektur zu ermöglichen.
Wo multiple Bildsensoren beziehungsweise Vielfach-Bildsensoren IS im TMA-System 10 eingesetzt werden, können die multiplen Bildsensoren IS mit ein oder mehreren Verarbeitungselektronikvorrichtungen PE elektrisch verbunden sein. Eine einzelne Verarbeitungselektronik PE und ein einzelner Bildsensor IS sind in 1H anhand einer Veranschaulichung gezeigt.
Das TMA-System 10 kann einen Strahlteiler BS (beamsplitter) enthalten, der ein Trennen des Bildbildungslichts ermöglicht und das Licht zu zumindest zwei verschiedene Bildsensoren IS lenkt bzw. leitet. Da ein gegebener Bildsensor 15 dazu in der Lage ist, gleichzeitig nur ein oder zwei Wellenbänder zu detektieren, ermöglicht ein Strahlteiler BS, dass zwei Bildsensoren IS eingesetzt werden können, die Licht in verschiedenen Wellenbändern detektieren. Beispielsweise zum Detektieren von Licht von den sichtbaren bis Fern-Infrarot-Wellenbändern können mittleres und Fern-Infrarotlicht durch einen ersten Bildsensor IS1 detektiert werden und das sichtbare und Nah-Infrarot-Wellenband kann durch einen zweiten Bildsensor IS2 (siehe 1I, nachfolgend erläutert) detektiert werden.
Zusätzlich zur Erhöhung der Detektionsfähigkeit ermöglicht ein Strahlteiler BS, angeordnet zwischen der Aperturblende AS und dem angrenzenden Spiegel, dass eine Kaltblende CS im langen Wellenbandkanal angeordnet wird und ein Diaphragma beziehungsweise Blende oder eine Iris beziehungsweise Irisblende im kürzeren Wellenbandkanal angeordnet wird (siehe 1J). Das Diaphragma beziehungsweise die Blende oder die Iris beziehungsweise Irisblende können eine variabele Blende aufweisen, um die f/Zahl beziehungsweise den f/Wert zu kontrollieren und daher die Intensität beim Bildsensor IS und somit die Bildqualität zu optimieren.
1I ist eine vergrößerte Ansicht des TMA-Systems 10 der 1A, aufgebaut mit dem Strahlteiler BS, der in der Bildung von zwei Bildebenen IP1 und IP2 resultiert, bei denen jeweils die Bilder IM1 und IM2 gebildet werden und bei denen die jeweiligen Bildsensoren IS1 und IS2 angeordnet sind. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Strahlteiler BS wellenlängenselektiv, so dass verschiedene Wellenlängen (Wellenbänder) jeweils übermittelt und zu den Bildsensoren IS1 und IS2 reflektiert werden. In diesem Beispiel können die Bildsensoren IS1 und IS2 aufgebaut sein, um gegenüber dem speziellen Wellenband, das hierauf auftrifft, empfindlich zu sein. Ein oder mehrere wellenlangenselektive Filter (nicht gezeigt) können ebenfalls im optischen Pfad angeordnet sein, die verwendet werden, um die Wellenlängenselektivität zu verbessern. Auch in 1I gezeigt, ist ein axialer Feldstrahl AFB mit einem Hauptstrahl CR.
1J ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des TMA-Systems 10 der 1A und 1B und zeigt einen Strahlteiler BS, angeordnet zwischen der Aperturblende AS und dem tertiären Spiegel M3, wobei das TMA-System 10 bei einer Blende von f/3,4 arbeitet. Dieser Aufbau führt zur Bildung von zwei optischen Pfaden OP1 und OP2 mit entsprechenden Bildebenen IP1 und IP2 und Aperturblenden AS1 und AS2. Zwei Bildsensoren IS1 und IS2 sind bei den jeweiligen Bildebenen IP1 und IP2 angeordnet gezeigt, um die jeweiligen Bilder IM1 und IM2 elektronisch einzufangen. In einer beispielhaften Ausführungsform ist der Strahlteiler BS wellenlangenselektiv_' so dass verschiedene Wellenlängen (Wellenbänder) jeweils übermittelt und zu den Bildsensoren IS1 und IS2 reflektiert werden. Ein Blendenbegrenzungselement beziehungsweise Aperturbegrenzungselement ALE (aperture-limiting element), wie eine Iris beziehungsweise Irisblende oder ein Diaphragma beziehungsweise Blende, ist bei der Aperturblende AS2 gezeigt angeordnet.
Die 2A und 2B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme des beispielhaften TMA-Systems 10 von 1A und 1B, aber zeigen einen Betrieb bei einer Gesamtblende von ungefähr f/2.
Die 2C und 2D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband des TMA-Systems 10 der 2A und 2B, während die 2E und 2F graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System 10 der 2A und 2B darstellen. Die schematischen MTF-Darstellungen der 2C und 2D zeigen einen Kontrast von größer als 70% bis zu 25 Zyklen/mm, während die graphischen MTF-Darstellungen der 2E und 2F einen Kontrast von größer als 60% bis zu 10 Zyklen/mm zeigen.
Ausführungsform 2
Die 3A und 3B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer zweiten beispielhaften Ausführungsform des TMA-Systems 10, ähnlich zu denjenigen der 1A und 1B, das bei einer Gesamtblende beziehungsweise vollständigen Apertur von ungefähr f/2 und ohne Signaturvergrößerung arbeitet.

Tabelle 2 – Linsendesignbeschreibung beziehungsweies Berechnung des optischen Systems der zweiten Ausführungsform
ITEM	RY	RX	XP	YP	ZP	XR	YR	ZR
OBJ SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	unendlich	0,0000	0,0000	0,0000
REF SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
M1	–205,1044	–222,8025	0,0000	–5,0000	120,0000	–8,5765	0,0000	0,0000
M2	–113,0176	–130,1415	0,0000	–8,4166	0,8700	–5,1996	0,0000	0,0000
M3	–140,2746	–136,5995	0,0000	–6,0545	117,3128	–5,0226	0,0000	0,0000
AS	flach	flach	0,0000	–20,2894	–1,8286	–18,1778	0,0000	0,0000
IM SRF	flach	flach	0,0000	–10,6175	–31,3167	4,7385	0,0000	0,0000

Die Koeffizienten für den primären Spiegel M1 sind:

CY = –0,00487556	KY = –0,686247	CX = –0,00448828	KX = –0,654082
AR = –1,90716E–10	BR = –6,75685E–18	CR = 1,08161E–23	DR = 1,16122E–20
AP = 4,30883E–01	BP = –2,90298E+00	OP = –9,15213E+00	DP = –1,02112E+00

Die Koeffizienten für den sekundären Spiegel M2 sind:

CY = –0,00884818	KY = 0,000000	CX = –0,00768631	KX = 0,000000
AR = 4,43614E–07	BR = –5,31215E–10	CR = 6,67267E–14	DR = 4,02670E–16
AP = 0,00000E+00	BP = –2,17908E–01	CP = –1,43119E+00	DP = –4,47257E–01

Die Koeffizienten für den tertiären Spiegel M3 sind:

CY = –0,00712887	KY = 0,009322	CX = –0,00732067	KX = –0,027355
AR = 1,33879E–09	BR = –4,52802E–14	CR = 2,40938E–28	DR = 0,00000E+00
AP = 1,61201E–01	BP = 1,84636E–01	CP = 2,45172E+02	DP = 0,00000E+00

Die FOVs bei der Objektoberfläche im Objektbereich beziehungsweise Objektraum OBSP sind 7,6° horizontal in der X-Achse und 4,8° vertikal in der Y-Achse. Die Gesamtblende beträgt ungefähr f/2 und die effektive Brennweite beträgt ungefähr 93 mm.
3C und 3D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband des TMA-Systems 10 der 3A und 3B, während 3E und 3F graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband des TMA-Systems 10 der 3A und 3B darstellen. Die graphischen MTF-Darstellungen der 3C und 3D zeigen einen Kontrast größer als etwa 70% bis zu 25 Zyklen/mm (cycles/mm), während die graphischen MTF-Darstellungen der 3E und 3F einen Kontrast größer als 60% bis zu 10 Zyklen/mm (cycles/mm) zeigen.
Die 3G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System 10 der 3A und 3B auf und veranschaulicht mittelgradig gute Verzerrungskorrektur über beide FOVs mit einfachen Formcharakteristika, die ermöglichen, dass die Verzerrung ohne Weiteres durch elektronische Nachbearbeitung korrigiert wird.
Ein Vorteil der TMA-Systeme 10, die hier offenbart sind, ist, dass sie aufgebaut werden können, um zu verhindern, dass Licht LR von einer Quelle (nicht gezeigt) im Objektbereich beziehungsweise Objektraum OBSP vom Bildsensor IS reflektiert und zum Objektbereich beziehungsweise Objektraum OBSP zurückgelangt, wobei das reflektierte Licht auf die Quelle auftreffen kann. Dieser Effekt wird als „Signaturvergrößerung” bezeichnet. Eine Verringerung oder Eliminierung der Signaturvergrößerung stellt größere Anforderungen an das TMA-System 10, um sämtliche der Anforderungen gleichzeitig, insbesondere Größe und f/Zahl beziehungsweise f/Wert, zu erfüllen. Die TMA-Systeme 10, die hier offenbart sind, können derartig strikte Anforderungen aufgrund der nicht-rotationssymmetrischen Spiegelflächenform von mindestens einem der Spiegel M1 bis M3 erfüllen.
3H ist eine vergrößerte Ansicht des TMA-Systems 10 der 3A und 3B und zeigt Licht RIS, das vom Bildsensor IS reflektiert wird und nicht durch die Aperturblende AS geht, wodurch die Signaturvergrößerung abgeschwächt wird.
Ausführungsform 3

4A und 4B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer dritten beispielhaften Ausführungsform des TMA-Systems 10, ähnlich zu denjenigen der 1A und 1B, die bei einer Gesamtblende von etwa f/2,5 und ohne Signaturvergrößerung und mit sehr gut korrigierter Verzerrung arbeitet.

Tabelle 3 – Linsendesignbeschreibung der dritten Ausführungsform beziehungsweise Berechnung des optischen Systems
ITEM	RY	RX	XP	YP	ZP	XR	YR	ZR
OBJ SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	unendlich	0,0000	0,0000	0,0000
REF SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
M1	–253,6653	–276,1366	0,0000	–11,0984	131,5668	–11,1381	0,0000	0,0000
M2	–393,8576	–114,4149	0,0000	–22,6815	–15,6488	–2,7683	0,0000	0,0000
M3	–192,5621	–185,3762	0,0000	–14,9896	146,9573	–8,1134	0,0000	0,0000
AS	flach	flach	0,0000	–28,6287	3,7728	–4,6891	0,0000	0,0000
IM SRF	flach	flach	0,0000	–11,4359	–46,5678	–1,2254	0,0000	0,0000

Die Koeffizienten für den primären Spiegel M1 sind:

CY = –0,00394220	KY = –0,607722	CX = –0,00362140	KX = –0,718760
AR = –1,28028E-09	BR = –6,59389E–17	CR = –9,84461E–23	DR = –6,95582E–26
AP = 1,19682E-02	BP = –6,71175E+00	CP = –9,25230E+00	DP = –3,07606E+00

Die Koeffizienten für den sekundären Spiegel M2 sind:

CY = –0,00253899	KY = 0,000000	CX = –0,00874012	KX = 0,000000
AR = 2,65913E–08	BR = –2,41052E–10	CR = 4,59117E–17	DR = –5,37080E–18
AP = 0,00000E+00	BP = –8,24633E–01	CP = –3,08135E+00	DP = –3,83555E–01

Die Koeffizienten für den tertiären Spiegel M3 sind:

CY = –0,00519313	KY = –0,013938	CX = –0,00539444	KX = –0,005189
AR = 2,39618E–17	BR = 6,22804P–23	CR = –3,86554E–34	DR = 0,00000E+00
AP = –1,88804E+0	BP = 6,29043E+02	CP = 7,57298E+03	OP = 0,00000E+00

Die FOVs bei der Objektoberfläche im Objektbereich OBSP sind 7,6° horizontal in der X-Achse und 4,8° vertikal in der Y-Achse. Die Gesamtblende beziehungsweise vollständige Apertur beträgt ungefähr f/2,5 und die effektive Brennweite beträgt ungefähr 112 mm.
4C und 4D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das sichtbare Wellenband für das TMA-System 10 der 4A und 4B, während 4E und 4F graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System 10 der 4A und 4B sind. Die graphischen MTF-Darstellungen der 4C und 4D zeigt einen Kontrast größer als etwa 60% bis zu 25 Zyklen/mm (cycles/mm), während die graphischen MTF-Darstellungen der 3E und 3F einen Kontrast größer als 50% bis zu 10 Zyklen/mm (cycles/mm) zeigen.
Die 4G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System 10 der 4A und 4B auf. Die Verzerrung ist sehr gut korrigiert und die geringe Verzerrung, die vorliegt, weist eine Signatur auf, die es ermöglicht, dass die Verzerrung durch elektronische Nachverarbeitung ohne Weiteres korrigiert wird.
4H ist eine vergrößerte Ansicht eines Abschnitts des TMA-Systems 10 der 4A und 4B und zeigt Licht RIS, das vom Bildsensor IS reflektiert wird und nicht durch die Aperturblende AS geht, wodurch die Signaturvergrößerung abgeschwächt wird.
Ausführungsform 4

5A und 5B sind schematische YZ- und XZ-Diagramme einer vierten beispielhaften Ausführungsform des TMA-Systems 10, ähnlich zu denjenigen der 1A und 1B, die bei einer Gesamtblende beziehungsweise vollständigen Apertur von ungefähr f/1,8 arbeitet und optimiert ist, um kompakt zu sein, und die im mittleren und fernen Infrarot-Wellenband arbeitet.

Tabelle 4 – Linsendesignbeschreibung der vierten Ausführungsform beziehungsweise Berechnung des optischen Systems
ITEM	RY	RX	XP	YP	ZP	XR	YR	ZR
OBJ SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	unendlich	0,0000	0,0000	0,0000
REF SRF	flach	flach	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000	0,0000
M1	–171,3912	–196,0096	0,0000	–5,0008	120,0000	–10,6433	0,0000	0,0000
M2	–114,4991	–133,8939	0,0000	–7,7837	19,2460	–7,8905	0,0000	0,0000
M3	–123,5664	–118,4367	0,0000	–4,9897	122,5445	–7,6468	0,0000	0,0000
AS	flach	flach	0,0000	–8,4589	21,4926	–11,7632	0,0000	0,0000
IM SRF	flach	flach	0,0000	–2,2778	–8,2278	–0,7611	0,0000	0,0000

Die Koeffizienten für den primären Spiegel M1 sind:

CY = –0,00583461	KY = –0,640524	CX = –0,00510179	KX = –0,582811
AR = –2,79227E–10	BR = –2,59858E–16	CR = –1,39980E–22	DR = 7,51245E–23
AP = 7,36788E–01	BP = –6,36398E+00	CP = –1,12932E+01	DP = –2,15721E–01

Die Koeffizienten für den sekundären Spiegel M2 sind:

CY = –0,00873369	KY = 0,000000	CX = –0,00746860	KX = 0,000000
AR = 5,91443E–08	BR = 4,46178E–10	CR = –9,72805E–14	DR = 9,84442E–17
AP = 0,00000E+00	BP = –8,76109E–01	CP = –1,52681E–01	DP = –2,06224E–01

Die Koeffizienten für den tertiären Spiegel M3 sind:

CY = –0,00809282	KY = –0,032330	CX = –0,00844333	KX = –0,070714
AR = –2,83017E–14	BR = –3,27997E–13	CR = 3,61307E–30	DR = 0,00000E+00
AP = –7,60177E+01	BP = 1,24651E–01	CP = 1,37617E+03	DP = 0,00000E+00

Die FOVs bei der Objektfläche im Objektbereich OBSP sind 7,6° horizontal in der X-Achse und 4,8° vertikal in der Y-Achse. Die Gesamtblende beträgt ungefähr f/1,8 und die effektive Brennweite beträgt ungefähr 86 mm.
5C und 5D sind graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das mittlere Infrarot-Wellenband für das TMA-System 10 der 5A und 5B, während die 5E und 5F graphische MTF-Darstellungen über das Sichtfeld für das Fern-Infrarot-Wellenband für das TMA-System 10 der 5A und 5B darstellen. Die graphischen MTF-Darstellungen der 5C und 5D zeigen einen Kontrast größer als etwa 80% bis zu 10 Zyklen/mm, während die graphischen MTF-Darstellungen der 5E und 5F einen Kontrast größer als 60% bis zu 10 Zyklen/mm zeigen.
Die 5G trägt die Verzerrung über die horizontalen und vertikalen FOVs für das TMA-System 10 der 5A und 5B auf und veranschaulicht mittelgradig gute Verzerrungskorrektur über beide FOVs mit einfachen Formcharakteristika, die es ermöglichen, dass die Verzerrung durch elektronische Nachbearbeitung ohne Weiteres korrigiert wird.
Die oben beschriebenen Ausführungsformen umfassen vier beispielhafte optische Designs. Es versteht sich, dass die TMA-Systeme 10 andere Gesamtblenden beziehungsweise vollständige Aperturen, andere Sichtfelder, andere Brennweiten, verschiedene Anzahlen an nicht-rotationssymmetrischen Spiegeln, andere Bildsensorgrößen mit verschiedenen Pixelgrößen und anderen einzelnen oder mehrfachen Wellenbändern, die in den Umfang der vorliegenden Erfindung fallen, erreichen können durch Verwendung der hier beschriebenen Designprinzipien und den Einsatz herkömmlicher optischer Designoptimierungen, um ein Design zu erhalten, das die Leistungskriterien erfüllt. In dieser Art und Weise kann ein breiter Bereich an TMA-Systemen 10 mit sämtlichen der oben beschriebenen Vorteile in Verbindung mit den spezifischen beispielhaften Ausführungsformen verwirklicht werden.
Somit ist es für den Fachmann im Stand der Technik offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen zur vorliegenden Offenbarung durchgeführt werden können, ohne vom Erfindungsgedanken und Umfang der Offenbarung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Offenbarung die Modifikationen und Variationen dieser Offenbarung umfasst, vorausgesetzt, sie liegen im Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
Die Erfindung umfasst Aspekte, die in den nachfolgenden Sätzen offenbart sind, die Teil der Beschreibung darstellen, aber keine Ansprüche sind:

1. Reflektives optisches Objektivsystem zum Bilden eines Bildes eines Objekts in einem Objektbereich bei einer ersten Bildebene über mindestens ein Wellenband, umfassend: einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel und einen dritten Spiegel, angeordnet in Drei-Spiegel-Anastigmatkonfiguration und mit jeweils ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberflächen, die Licht vom Objekt zum Bild reflektieren in der Reihenfolge von der ersten reflektiven Oberfäche zur zweiten reflektiven Oberfläche zur dritten reflektiven Oberfläche; mindestens eine Zwischenbildposition zwischen dem ersten und dritten Spiegel, bei der mindestens ein Zwischenbild gebildet wird; und wobei mindestens eine von: der ersten, zweiten oder dritten reflektive Oberfläche nicht-rotationssymmetrisch ist.
2. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei mindestens einer der Spiegel ein elektro- bzw. galvanogeformter Spiegel ist und wobei mindestens eine nicht-rotationssymmetrische reflektive Oberfläche auf dem mindestens einen elektro- bzw. galvanogeformten Spiegel ausgebildet ist.
3. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, weiterhin umfassend eine Aperturblende zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel.
4. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei ein Hauptstrahl eines axialen Feldstrahls im Wesentlichen senkrecht zur ersten Bildebene verläuft.
5. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei sämtliche drei reflektiven Oberflächen nicht-rotationssymmetrisch sind.
6. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, weiterhin umfassen eine Kaltblende, angeordnet bei der Position der Aperturblende.
7. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei die mindestens eine reflektive Oberfläche eine Toroidform bzw. toroidale Form aufweist.
8. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei das mindestens eine Wellenband mindestens eines umfasst von: ein sichtbares Wellenband im Bereich von 450 nm bis 650 nm; ein Nah-Infrarot-Wellenband im Bereich von 700 nm bis 1200 nm; ein mittleres Infrarot-Wellenband im Bereich von 3 μm bis 5 μm; ein Fern-Infrarot-Wellenband im Bereich von 8 μm bis 12 μm; ein Ultraviolett-Wellenband im Bereich von 20 nm bis 400 nm; ein Extremultraviolett-Wellenband, das eine Wellenlänge von 13,5 nm umfasst; und ein Röntgenstrahlen-Wellenband mit Wellenlängen unter 13,5 nm.
9. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, wobei das mindestens eine Wellenband zwei oder mehr Wellenlängenbänder umfasst, ausgewählt aus der Gruppe von Wellenlängenbändern, umfassend: sichtbares, nahes Infrarot, mittleres Infrarot und fernes Infrarot.
10. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, weiterhin umfassend eine Feldblende, angeordnet im Wesentlichen bei der Position des mindestens einen Zwischenbilds.
11. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 3, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler, angeordnet entweder zwischen der ersten Bildebene und der Aperturblende oder zwischen der Aperturblende und dem dritten Spiegel, wobei der Strahlteiler eine zweite Bildebene bildet; und erste und zweite Bildsensoren, jeweils angeordnet bei der ersten und zweiten Bildebene.
12. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 1, weiterhin umfassend: einen ersten Bildsensor, angeordnet bei der ersten Bildebene; und Verarbeitungselektronik, die mit dem ersten Bildsensor elektrisch verbunden ist.
13. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 12, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler, angeordnet zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel und aufgebaut, um eine zweite Bildebene zu bilden; und ein zweiter Bildsensor, angeordnet bei der zweiten Bildebene und elektrisch verbunden mit der Verarbeitungselektronik.
14. Reflektives optisches Objektivsystem, umfassend: erste, zweite und dritte Spiegel mit jeweils ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberflächen, wobei die Spiegel in einer Drei-Spiegel-Anastigmat-Konfiguration angeordnet sind; und wobei mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Spiegel Toroidflächen bzw. toroidale Flächen aufweisen.
15. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 14, wobei die mindestens zwei Toroidflächen beziehungsweise toroidale Flächen durch jeweils elektro- bzw. galvanogeformte Hüllen bzw. Schalen gehalten bzw. getragen werden.
16. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 15, weiterhin umfassend einen Strahlteiler, angeordnet, so dass das reflektive optische Objektivsystem erste und zweite Bildebenen in Verbindung mit verschiedenen Wellenbändern umfasst.
17. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 16, weiterhin umfassend: einen ersten Bildsensor, angeordnet bei der ersten Bildebene; einen zweiten Bildsensor, angeordnet bei der zweiten Bildebene; und Verarbeitungselektronik, die mit dem ersten und zweiten Bildsensor elektrisch verbunden ist.
18. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 14, weiterhin umfassend mindestens eines von: eine Feldblende, angeordnet im Wesentlichen bei der Zwischenbildposition; und eine Kaltblende, angeordnet bei der Position einer Aperturblende, stromabwärts des dritten Spiegels.
19. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 14, aufgebaut, um mindestens eines abzubilden von: ein sichtbares und mindestens ein Infrarot-Wellenband; oder mindestens zwei verschiedene Infrarot-Wellenbänder.
20. Reflektives optisches Objektivsystem nach Satz 14, wobei sämtliche drei Spiegel elektro- bzw. galvanogeformte Spiegel sind.

Claims

Reflektives optisches Objektivsystem zum Bilden eines Bildes eines Objekts in einem Objektbereich bei einer ersten Bildebene über mindestens ein Wellenband, umfassend: einen ersten Spiegel, einen zweiten Spiegel und einen dritten Spiegel, angeordnet in Drei-Spiegel-Anastigmatkonfiguration und mit jeweils ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberflächen, die Licht vom Objekt zum Bild reflektieren in der Reihenfolge von der ersten reflektiven Oberfäche zur zweiten reflektiven Oberfläche zur dritten reflektiven Oberfläche; mindestens eine Zwischenbildposition zwischen dem ersten und dritten Spiegel, bei der mindestens ein Zwischenbild gebildet wird; und wobei mindestens eine von: der ersten, zweiten oder dritten reflektive Oberfläche nicht-rotationssymmetrisch ist.
Reflektives optisches Objektivsystem nach Anspruch 1, wobei mindestens einer der Spiegel ein elektro-geformter Spiegel ist und wobei mindestens eine nicht-rotationssymmetrische reflektive Oberfläche auf dem mindestens einen elektro geformten Spiegel ausgebildet ist.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 2, weiterhin umfassend eine Aperturblende zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Hauptstrahl eines axialen Feldstrahls senkrecht zur ersten Bildebene verläuft.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei sämtliche drei reflektiven Oberflächen nichtrotationssymmetrisch sind.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 5, weiterhin umfassen eine Kaltblende, angeordnet bei der Position der Aperturblende.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die mindestens eine reflektive Oberfläche eine Toroidform aufweist.
Reflektives optisches Objektivsystem nach nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei das mindestens eine Wellenband mindestens eines umfasst von: ein sichtbares Wellenband im Bereich von 450 nm bis 650 nm; ein Nah-Infrarot-Wellenband im Bereich von 700 nm bis 1200 nm; ein mittleres Infrarot-Wellenband im Bereich von 3 μm bis 5 μm; ein Fern-Infrarot-Wellenband im Bereich von 8 μm bis 12 μm; ein Ultraviolett-Wellenband im Bereich von 20 nm bis 400 nm; ein Extremultraviolett-Wellenband, das eine Wellenlänge von 13,5 nm umfasst; und ein Röntgenstrahlen-Wellenband mit Wellenlängen unter 13,5 nm.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das mindestens eine Wellenband zwei oder mehr Wellenlängenbänder umfasst, ausgewählt aus der Gruppe von Wellenlängenbändern, umfassend: sichtbares, nahes Infrarot, mittleres Infrarot und fernes Infrarot.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 9, weiterhin umfassend eine Feldblende, angeordnet bei der Position des mindestens einen Zwischenbilds.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 3 bis 10, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler, angeordnet entweder zwischen der ersten Bildebene und der Aperturblende oder zwischen der Aperturblende und dem dritten Spiegel, wobei der Strahlteiler eine zweite Bildebene bildet; und erste und zweite Bildsensoren, jeweils angeordnet bei der ersten und zweiten Bildebene.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 11, weiterhin umfassend: einen ersten Bildsensor, angeordnet bei der ersten Bildebene; und Verarbeitungselektronik, die mit dem ersten Bildsensor elektrisch verbunden ist.
Reflektives optisches Objektivsystem nach Anspruch 12, weiterhin umfassend: einen Strahlteiler, angeordnet zwischen der ersten Bildebene und dem dritten Spiegel und aufgebaut, um eine zweite Bildebene zu bilden; und ein zweiter Bildsensor, angeordnet bei der zweiten Bildebene und elektrisch verbunden mit der Verarbeitungselektronik.
Reflektives optisches Objektivsystem, umfassend: erste, zweite und dritte Spiegel mit jeweils ersten, zweiten und dritten reflektiven Oberflächen, wobei die Spiegel in einer Drei-Spiegel-Anastigmat-Konfiguration angeordnet sind; und wobei mindestens zwei der ersten, zweiten und dritten Spiegel Toroidflächen aufweisen.
Reflektives optisches Objektivsystem nach Anspruch 14, wobei die mindestens zwei Toroidflächen durch jeweils elektrogeformte Schalen gehalten werden.
Reflektives optisches Objektivsystem nach Anspruch 15, weiterhin umfassend einen Strahlteiler, angeordnet, so dass das reflektive optische Objektivsystem erste und zweite Bildebenen in Verbindung mit verschiedenen Wellenbändern umfasst.
Reflektives optisches Objektivsystem nach Anspruch 16, weiterhin umfassend: einen ersten Bildsensor, angeordnet bei der ersten Bildebene; einen zweiten Bildsensor, angeordnet bei der zweiten Bildebene; und Verarbeitungselektronik, die mit dem ersten und zweiten Bildsensor elektrisch verbunden ist.
Reflektives optisches Objektivsystem nach nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 17, weiterhin umfassend mindestens eines von: eine Feldblende, angeordnet bei der Zwischenbildposition; und eine Kaltblende, angeordnet bei der Position einer Aperturblende, stromabwärts des dritten Spiegels.
Reflektives optisches Objektivsystem nach irgendeinem der vorangehenden Ansprüche 14 bis 18, aufgebaut, um mindestens eines abzubilden von: ein sichtbares und mindestens ein Infrarot-Wellenband; und mindestens zwei verschiedene Infrarot-Wellenbänder.
Reflektives optisches Objektivsystem nach wenigstens einem der Ansprüche 14 bis 19, wobei sämtliche drei Spiegel elektrogeformte Spiegel darstellen.