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Die Erfindung betrifft ein Abbildungssystem mit einer ersten, stationären Abbildungseinheit mit einem Detektor, einer zweiten, mit vorgegebener Geschwindigkeit um eine Rotationsachse drehenden und damit ein Sehfeld überstreichenden Abbildungseinheit sowie einem mit halber Geschwindigkeit drehenden, ein stationäres Zwischenbild auf die erste Abbildungseinheit projizierenden Scanspiegel.
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Abbildungssysteme dienen der Erfassung optischer Strahlung mittels eines Detektors und einer vorgeschalteten Optik. Um einen Ausschnitt eines Sehfelds vergrößert auf der sensitiven Fläche des Detektors abzubilden, werden beispielsweise Spiegelteleskope eingesetzt, die drei oder vier Abbildungsspiegel aufweisen, die durch entsprechende Anstellung im Strahlengang und entsprechende Ausbildung der Oberfläche eine Vergrößerung von im Sehfeld vorhandenen Objektiven bewirken. Lage der Abbildungsspiegel und Oberfläche sind dabei abhängig von der Anwendung des Abbildungssystems. Beispielsweise sind aus der
DE 43 14 499 A1 sphärische und aus der
EP 182 531 B1 asphärische Ausbildungen der Oberflächen der Abbildungsspiegel bekannt. Ein Abbildungsspiegel kann dabei – wie aus der
EP 1 764 639 B1 bekannt – an verschiedenen Stellen eine Mehrfachfunktion ausüben, um die Anzahl der Abbildungsspiegel zu begrenzen. Es ist weiterhin bekannt, durch die Form der Abbildungsspiegel Verzeichnungen und Abbildungsfehler zu korrigieren. Im Weiteren sind beispielsweise aus der
US 2010/0110539 A1 , der
EP 689 075 B1 und der
EP 19 447 B1 Abbildungssysteme mit einem auf eine Aperturblende fokussierten Zwischenbild vor der sensitiven Fläche des Detektors bekannt.
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Insbesondere für den Einsatz in Weltraumanwendungen ist aus der
DE 10 2005 044 910 B3 ein mit vorgegebener Geschwindigkeit um eine Rotationsachse rotierendes Spiegelteleskop bekannt, bei dem der Detektor feststeht und mittels eines mit halber Geschwindigkeit um die Rotationsachse drehenden Scanspiegels ein stationäres Bild auf dem Detektor abgebildet wird.
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Aufgabe der Erfindung ist insbesondere für die Anwendung im Weltraum ein Abbildungssystem mit einem rotierenden Teleskop vorzuschlagen, welches einfach aufgebaut, kompakt und hochwertig korrigiert ist und zur Erfassung von optischer Strahlung in einem weiten Frequenzbereich einsetzbar ist.
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Die Aufgabe wird durch ein Abbildungssystem mit einer ersten, stationären Abbildungseinheit mit einem Detektor, einer zweiten, mit vorgegebener Geschwindigkeit um eine Rotationsachse drehenden und damit ein Sehfeld überstreichenden Abbildungseinheit sowie einem mit halber Geschwindigkeit drehenden, ein stationäres Zwischenbild auf die erste Abbildungseinheit projizierenden Scanspiegel gelöst, wobei beide Abbildungseinheiten aus jeweils einem zwei Abbildungsspiegel enthaltenden Spiegelsystem gebildet sind. Unter Detektor ist eine lichtsensitive Einheit mit einer lichtsensitiven Fläche zu verstehen, auf die am Ende des Strahlengangs der ersten Abbildungseinheit fokussiert wird. Als Detektoren eignen sich beispielsweise punkt-, linien- und flächenauflösende Einheiten, die im vorgesehenen Frequenzbereich auftreffendes Licht in elektrische Signale wandeln, die von nachgeschalteten Auswerteeinheiten ausgewertet werden. Als Detektoren haben sich beispielsweise aktive Pixel-Sensoren (Active Pixel Sensor, APS)-, Quecksilber-Cadmium-Tellurid-Sensoren für den IR Bereich und dergleichen als vorteilhaft erwiesen. Unter Abbildungsspiegel ist ein sich an der Bildgebung aktiv beteiligender Spiegel im Gegensatz zu einem lediglich umlenkenden Spiegel zu sehen. Die Abbildungsspiegel können daher bezüglich ihrer Oberfläche sphärisch, asphärisch, in Freiform oder dergleichen ausgebildet sein.
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Das Abbildungssystem zeichnet sich durch eine hochkompakte Bauform aus, die mit einer geringen Anzahl von Abbildungsspiegeln und nur einem planen Umlenkspiegel in Form des Scanspiegels, der als Faltspiegel ausgebildet sein kann, auskommt. Alternativ kann neben dem Scanspiegel ein Faltspiegel zwischen den beiden Abbildungseinheiten vorgesehen sein, um beispielsweise den Strahlengang zur Erzielung sehr kompakter Anordnungen der Abbildungseinheiten gegeneinander zu falten und die Einfallswinkel zu verkleinern. Das Abbildungssystem zeichnet sich infolge der geringen Anzahl von Spiegeln durch geringe Transmissionsverluste und geringe Depolarisation aus, wodurch dieses in einem weiten Frequenzbereich vom Infrarot- bis in den UV-Bereich eingesetzt werden kann. Hierbei können die Abbildungsspiegel der Abbildungseinheiten jeweils nahezu gleich groß ausgebildet und mit geringen Einfallswinkeln versehen werden.
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Gemäß einem vorteilhaften Ausführungsbeispiel sind die Aperturen wie Blenden des Abbildungssystems bevorzugt ausschließlich in der ersten Abbildungseinheit angeordnet. Beispielsweise können eine vor dem Detektor angeordnete Bildapertur, eine eingangsseitig das Zwischenbild begrenzende Zwischenbildapertur und eine im Strahlengang zwischen Bildapertur und Zwischenbildapertur angeordnete Systempupillenapertur vorgesehen sein. Es hat sich weiterhin als vorteilhaft erwiesen, wenn die Aperturen in einer Ebene, beispielsweise in einer die Blendeneinrichtung angeordnet sind. Diese Blendeneinrichtung kann beispielsweise aus einer Platte wie Metallplatte mit entsprechend eingearbeiteten Aperturen hergestellt sein. In besonders vorteilhafter Weise ist zumindest die Blendeneinrichtung gekühlt. Die Kühlung kann mittels typischer Kühlvorrichtungen wie Stirling-Kühlern, Peltier-Elementen, passiv mittels Radiatoren und dergleichen erfolgen, die hierzu mit der Platte wärmeleitend verbunden sind. Insbesondere bei Erfassung von infraroter Strahlung kann der Strahlengang mittels der Aperturen vorteilhaft bezüglich seines Querschnitts eingeschränkt werden, ohne an deren Kanten thermische Störquellen zu erzeugen. Insbesondere in Sichtrichtung des Detektors vor der Bildapertur kann zusätzlich ein sogenanntes Cold-Baffle, also ein gekühlter Streulichttubus vorgesehen sein. Weiterhin kann zumindest der im Strahlengang der Bildapertur nächstliegende Abbildungsspiegel eine Spiegelblende aufweisen, so dass der Erfassungsbereich des Detektors keinesfalls über einen nichtspiegelnden Bereich hinausragt. Die vorgeschlagenen Maßnahmen ermöglichen eine ausschließliche Kühlung der Blendeneinrichtung, indem der Erfassungsbereich des Detektors ausschließlich auf gekühlte Aperturen und Reflexionsflächen von Spiegeln wie Abbildungsspiegeln begrenzt wird. Dabei brauchen die Abbildungsspiegel aufgrund ihrer hohen Reflexivität und unterdrückten Emissivität nicht gekühlt zu werden, so dass insgesamt ein verringerter Kühlaufwand gegenüber Abbildungssystemen mit einer notwendigen Kühlung einer oder beider Abbildungseinheiten samt Abbildungsspiegeln erforderlich ist.
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In einer alternativen Ausführungsform kann zusätzlich oder alternativ die gesamte erste Abbildungseinheit mit deren Abbildungsspiegeln gekühlt werden. Eine Kühlung der Blendeneinrichtung beziehungsweise der ersten Abbildungseinheit gegenüber der zweiten Abbildungseinheit oder der Umgebung kann in Weltraumanwendungen beispielsweise auf 50 K erfolgen, wobei auf alle Fälle eine Abkühlung der Blendeneinrichtung gegenüber der zweiten Abbildungseinheit von Vorteil ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform weist die zweite Abbildungseinheit Abbildungsspiegel mit einer Oberfläche in Form einer Freiform auf, wobei das entstehende Spiegelsystem ein Spiegelteleskop in Form eines 2-Linsen-Schiefspieglers ausbildet. Bei einer entsprechenden Anstellung der Abbildungsspiegel, deren Abstand voneinander sowie der Krümmung der Oberflächen der Abbildungsspiegel und dem Querschnitt der Systempupillenapertur können entsprechende Brennweiten und Sehfeldwinkel eingestellt werden. Beispielsweise kann für ein Multispektral-Radiometer für Weltraumanwendungen eine Brennweite von 800 mm bei einer Öffnungsweite von 135 mm der Systempupillenapertur und ein Sehfeldwinkel von ±1° vorgesehen werden. Die Freiform berücksichtigt dabei bevorzugt zumindest eine teilweise Korrektur von Abbildungsfehlern, beispielsweise Verzeichnungen.
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Beispielsweise kann vorgesehen sein, die Sehfeldmitte entlang der Mittelachse des Strahlengangs bereits durch entsprechende Ausbildung der Freiformen der Oberflächen der Abbildungsspiegel zu korrigieren, so dass das entstehende Zwischenbild mittig bezüglich Verzeichnungen mittels der ersten Korrekturstufe der zweiten Abbildungseinheit bereits korrigiert ist.
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Die erste Abbildungseinheit kann eine zusätzliche Vergrößerung des Zwischenbilds und/oder eine weitere Korrektur als zweite Korrekturstufe des Abbildungssystems vorsehen. In bevorzugter Weise wird die erste Abbildungseinheit ohne Verstärkung als sogenannter 1:1-Re-Imager ausgebildet. Insgesamt bildet das Abbildungssystem mit seinen beiden die Spiegelsysteme enthaltenden und durch den Scanspiegel miteinander optisch unter Ausbildung eines Zwischenbilds optisch verbundenen Abbildungseinheiten einen sogenannten 2 + 2-Imager. Die Abbildungsspiegel der ersten Abbildungseinheit bilden dabei bevorzugt eine zweite, dem Zwischenbild nachgeschaltete Korrekturstufe. Zur Erfüllung ihrer Aufgaben sind die Oberflächen der Abbildungsspiegel der ersten Abbildungseinheit in Freiform ausgebildet.
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Je nach Ausbildung der sensitiven Fläche des Detektors oder des auf dieser abzubildenden Bilds kann die Systempupillenapertur rund oder asymmetrisch, beispielsweise quadratisch, rechteckig oder in anderer Form ausgebildet werden.
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Um den Strahlengang des Abbildungssystems zwischen den beiden Abbildungseinheiten zu falten und damit eine sehr kompakte Anordnung mit bevorzugt mittig zwischen den Abbildungsspiegeln der zweiten Abbildungseinheit und damit möglichst nahe an deren Rotationsachse anordnen zu können, kann zwischen zweiter Abbildungseinheit und Scanspiegel ein Faltspiegel angeordnet sein, der den aus dem benachbarten Abbildungsspiegel austretenden Strahlengang auf den Scanspiegel umlenkt. In einem weiteren Ausführungsbeispiel kann der Scanspiegel direkt als Faltspiegel ausgebildet sein.
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Die Erfindung wird anhand der in den 1 bis 3 dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Dabei zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines Abbildungssystems mit einer feststehenden und an diese optisch mittels eines Scanspiegels angekoppelten rotierenden Abbildungseinheit,
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2 ein gegenüber dem Abbildungssystem der 1 abgeändertes Abbildungssystem mit einem zwischen den beiden Abbildungseinheiten gefalteten Strahlengang in systematischer Darstellung und
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3 eine systematisch dargestellte erste Abbildungseinheit mit gekühlter Blendeneinrichtung.
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1 zeigt das Abbildungssystem 1 mit den beiden Abbildungseinheiten 2, 3 in schematischer Darstellung. Jede der Abbildungseinheiten 2, 3 enthält ein Spiegelsystem 4, 5, welches jeweils aus den Abbildungsspiegeln 6, 7 beziehungsweise den Abbildungsspiegeln 8, 9 gebildet ist. Die Abbildungsspiegel 6, 7, 8, 9 weisen jeweils Oberflächen als Asphären sowie teilweise Freiform auf.
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Das Spiegelsystem 5 der Abbildungseinheit 3 ist als Spiegelteleskop in Form eines Schiefspieglers mit den beiden Abbildungsspiegeln 8, 9 ausgelegt, welches von einem nicht dargestellten Drehantrieb wie Elektromotor um die Rotationsachse d verdreht wird. Der über den durch die Drehung der Abbildungseinheit 3 erfasste Beobachtungsstreifen des Sehfelds 10 aufgenommene Strahlengang 11 wird über die in vorgegebenem Winkel und gegenüber der Rotationsachse gleichem Abstand zueinander positionierten Abbildungsspiegel 8, 9 auf den planen Scanspiegel 12 gelenkt, der mit der halben Geschwindigkeit wie Winkelgeschwindigkeit der Abbildungsspiegel 8, 9 rotiert und damit ein stationäres Zwischenbild 13 auf die drehfest angeordnete Abbildungseinheit 2 projiziert. Je nach der geometrischen Anordnung der Abbildungseinheiten 2, 3 zueinander kann der Scanspiegel 12 als Faltspiegel ausgebildet sein.
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Das Spiegelsystem 4 der Abbildungseinheit 2 ist als Re-Imager nicht vergrößernd, also auf einen Abbildungsmaßstab 1:1 ausgelegt. Das Zwischenbild 13 wird über die Zwischenbildapertur 14 auf den Abbildungsspiegel 7 und von diesem über die Systempupillenapertur 15 auf den Abbildungsspiegel 6 und von dort über die Bildapertur 16 auf die sensitive Fläche des Detektors 17 gelenkt. Je nach dem geometrischen Querschnitt der sensitiven Fläche des Detektors 17 können die Aperturen, insbesondere die Systempupillenapertur 15 rund oder unsymmetrisch, beispielsweise rechteckig oder quadratisch ausgebildet sein. Die Aperturen in Form der Zwischenbildapertur 14, der Systempupillenapertur 15 und der Bildapertur 16 sind auf einer Ebene angeordnet und gemeinsam in der Blendeneinrichtung 18 aufgenommen.
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Die Blendeneinrichtung 18 ist mittels einer nicht dargestellten Kühleinrichtung auf beispielsweise 50 K gekühlt, so dass eine von den Aperturen ausgehende Wärmestrahlung vernachlässigbar ist. Durch die den Strahlengang begrenzenden Aperturen wird eine Erfassung von Wärmestrahlung von umgebenden Teilen durch den Detektor 17 vermieden. Vielmehr sieht der Detektor 17 neben den Aperturen nur die Spiegelflächen der Spiegel wie Abbildungsspiegel 6, 7, 8, 9 und Scanspiegel 12, die wegen ihrer hohen Reflexivität keiner Kühlung bedürfen und bei Umgebungstemperatur betrieben werden können. Durch die Anordnung der Aperturen in einer Ebene kann mittels der ausschließlichen Kühlung der Blendeneinrichtung 18 eine besonders kostengünstige Anordnung vorgeschlagen und eine effektive Eliminierung von Störstrahlung erzielt werden.
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Die Ausbildung der in Freiform ausgebildeten Oberflächen der Abbildungsspiegel 6, 7, 8, 9 erfolgt bevorzugt in der Weise, dass eine Korrektur von Verzeichnungen und die Feldmitte des Strahlengangs 11 bereits in der Abbildungseinheit 3 erfolgt und damit das Zwischenbild 13 entsprechend korrigiert ist. Eine nachfolgende Feinkorrektur des gesamten Feldes des Strahlengangs 11 erfolgt durch entsprechende Ausbildung der Freiformen der Oberflächen der Abbildungsspiegel 6, 7 der Abbildungseinheit 2.
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2 zeigt das Abbildungssystem 1a mit den Abbildungseinheiten 2a, 3a in schematischer Darstellung. Um die beiden Abbildungseinheiten 2a, 3a ineinander zu falten, indem beispielsweise zumindest einer der Abbildungsspiegel 6a, 7a, 8a, 9a innerhalb der räumlichen Ausdehnung eines Spiegelpaars einer Abbildungseinheit 2a, 3a angeordnet ist und der Scanspiegel 12a dennoch möglichst nahe der Rotationsachse d angeordnet werden kann, ist der Faltspiegel 19 vorgesehen, der den Strahlengang 11a von dem Abbildungsspiegel 8a kommend auf den Scanspiegel 12a umlenkt. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel kann dadurch der Abbildungsspiegel 6a der Abbildungseinheit 2a innerhalb des Bauraums der Abbildungsspiegel 8a, 9a der Abbildungseinheit 3a um die Rotationsachse d und der Abbildungsspiegel 9a innerhalb der Ausdehnung der Abbildungsspiegel 6a, 7a der Abbildungseinheit 2a angeordnet werden. Bezüglich der übrigen Bauteile, nämlich der Blendeneinrichtung 18a mit in einer Ebene angeordneten Zwischenbildapertur 14a, Systempupillenapertur 15a und Bildapertur 16a, dem Detektor 17a sowie nicht dargestellten Gehäuse und Befestigungseinrichtungen entspricht das Abbildungssystem 1a im Wesentlichen dem Abbildungssystem 1 der 1.
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3 zeigt einen Ausschnitt des gegenüber den Abbildungssystemen 1, 1a der 1 und 2 bezüglich deren Abbildungseinheiten 2, 2a abgeänderten Abbildungseinheit 2b geänderten Abbildungssystems 1b in schematischer Darstellung. Im Gegensatz zu diesen weist die Abbildungseinheit 2b zusätzliche Einrichtungen zur Verbesserung einer Erfassung von Störstrahlungen durch den Detektor 17b auf. Diese umfassen die an dem Abbildungsspiegel 6b angeordnete Spiegelblende 20, die den Erfassungsbereich des Detektors auf die Spiegelflächen der Abbildungsspiegel beschränkt und eine Sicht über den Abbildungsspiegel 6b hinaus vermindert. Durch die reflektierenden Eigenschaften der Spiegelblende 20 kann auf eine Kühlung der Spiegelblende 20 verzichtet werden, ohne dass Narziss-Effekte an dieser auftreten. Zur Vermeidung einer seitlichen Lichteinstrahlung wie Wärmeeinstrahlung ist an der dem Detektor 17b entgegen gesetzten Seite der Blendeneinrichtung 18b mit der Zwischenbildapertur 14b, der Systempupillenapertur 15b und der Bildapertur 16b im Bereich der Zwischenbildapertur 14b die Streulichtblende 21 vorgesehen. Durch deren Verbindung mit der gekühlten Blendeneinrichtung 18b ist die Streulichtblende 21 ebenfalls gekühlt und bildet damit eine sogenannte Cold-Baffle mit verringerter Wärmestrahlung.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Abbildungssystem
- 1a
- Abbildungssystem
- 1b
- Abbildungssystem
- 2
- Abbildungseinheit
- 2a
- Abbildungseinheit
- 2b
- Abbildungseinheit
- 3
- Abbildungseinheit
- 3a
- Abbildungseinheit
- 4
- Spiegelsystem
- 5
- Spiegelsystem
- 6
- Abbildungsspiegel
- 6a
- Abbildungsspiegel
- 6b
- Abbildungsspiegel
- 7
- Abbildungsspiegel
- 7a
- Abbildungsspiegel
- 8
- Abbildungsspiegel
- 8a
- Abbildungsspiegel
- 9
- Abbildungsspiegel
- 9a
- Abbildungsspiegel
- 10
- Sehfeld
- 11
- Strahlengang
- 11a
- Strahlengang
- 12
- Scanspiegel
- 12a
- Scanspiegel
- 13
- Zwischenbild
- 14
- Zwischenbildapertur
- 14a
- Zwischenbildapertur
- 14b
- Zwischenbildapertur
- 15
- Systempupillenapertur
- 15a
- Systempupillenapertur
- 15b
- Systempupillenapertur
- 16
- Bildapertur
- 16a
- Bildapertur
- 16b
- Bildapertur
- 17
- Detektor
- 17a
- Detektor
- 17b
- Detektor
- 18
- Blendeneinrichtung
- 18a
- Blendeneinrichtung
- 18b
- Blendeneinrichtung
- 19
- Faltspiegel
- 20
- Spiegelblende
- 21
- Streulichtblende
- d
- Rotationsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4314499 A1 [0002]
- EP 182531 B1 [0002]
- EP 1764639 B1 [0002]
- US 2010/0110539 A1 [0002]
- EP 689075 B1 [0002]
- EP 19447 B1 [0002]
- DE 102005044910 B3 [0003]
