DE102015110004B4

DE102015110004B4 - Thermally compensated IR lens and IR camera with such an IR lens

Info

Publication number: DE102015110004B4
Application number: DE102015110004.5A
Authority: DE
Inventors: Dennis Ochse; Michael Degel; Thomas Dressler
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2015-06-22
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-06-23
Also published as: WO2016206677A1; CN209092730U; DE102015110004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein IR-Objektiv, gebildet durch einen monolithischen Körper (1) aus einem Material mit einer Brechzahl zwischen 2,4 und 4,2 mit einer Eintrittsfläche (2), einer Austrittsfläche (3), wenigstens einer erste reflektierende Fläche (4.1) und einer hinter der Austrittsfläche (3) liegenden reellen Gesamtbrennebene (1.2), in der eine Sensorfläche (7.1) angeordnet werden kann. Wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen stellt eine optische Freiformfläche dar, die wenigstens die Wirkung mehrerer sphärischen und/oder asphärischen Flächen erzeugt. Die Erfindung betrifft auch eine IR-Kamera mit einem solchen Objektiv.The invention relates to an IR lens formed by a monolithic body (1) made of a material having a refractive index between 2.4 and 4.2 with an entrance surface (2), an exit surface (3), at least a first reflective surface (4.1 ) and one behind the exit surface (3) lying real Gesamtbrnenbene (1.2), in which a sensor surface (7.1) can be arranged. At least one of the optically effective surfaces constitutes an optical freeform surface which produces at least the effect of a plurality of spherical and / or aspherical surfaces. The invention also relates to an IR camera with such a lens.

Description

In Objektiven für den infraroten Spektralbereich, umfassend die Wellenlängenbereiche von ca. 3 µm bis ca. 5,5 µm (kurzwelliger IR-Bereich) und ca. 7µm bis ca. 14µm (langwelliger IR-Bereich) werden spezielle optische Materialen eingesetzt, die den Nachteil besitzen, dass deren optische Parameter stark von der Temperatur abhängen. In objectives for the infrared spectral range, comprising the wavelength ranges of about 3 microns to about 5.5 microns (short-wave IR range) and about 7 microns to about 14 microns (long-wave IR range) special optical materials are used, the Have a disadvantage that their optical parameters depend strongly on the temperature.

Einerseits ist die Brechzahl dieser Materialien mit einem Betrag zwischen 2,4 und 4,2 weitaus stärker von der Temperatur abhängig als die von Materialien für den visuell sichtbaren Wellenlängenbereich und andererseits ändert sich die Geometrie der Linsen des Objektivs in Abhängigkeit von der Größe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Linsen und ihrer Dimensionierung. Beide Einflüsse führen zu einer Brennweitenänderung der einzelnen Linsen und folglich zu einer Änderung der Abbildungsqualität. On the one hand, the refractive index of these materials, at an amount between 2.4 and 4.2, is much more dependent on temperature than materials for the visually-visible wavelength range and, on the other hand, the lens lens geometry changes depending on the size of the coefficient of thermal expansion the material of the lenses and their dimensions. Both influences lead to a change in focal length of the individual lenses and consequently to a change in the imaging quality.

Andererseits ist die Intensität von Objekten abgegebener Strahlung im IR-Bereich (Wärmestrahlung) in der Regel gering und wird bei einer Übertragung über größere Strecken durch die Absorption und die Streuung in der Erdatmosphäre noch gedämpft, weshalb Infrarot-Objektive (IR-Objektive) eine hohe Öffnung aufweisen. Eine hohe Öffnung steht jedoch einer guten chromatischen Korrektur über den gesamten infraroten Spektralbereich oder auch nur über einen der beiden Teilbereiche entgegen. Um für eine hochgeöffnete Optik auch über ein ausgedehntes Sichtfeld gute Abbildungseigenschaften zu erreichen, sind viele Linsen nötig, typischerweise drei oder mehr. Beispielhaft sei hier die DD 289 675 A7 genannt, die ein hochgeöffnetes langbrennweitiges Objektiv offenbart, welches für den infraroten Spektralbereich chromatisch und thermisch korrigiert ist. Das hier beschriebene Objektiv ist ein Triplettyp, bei dem zwischen zwei einzelnen Sammellinsen eine streuende Linsengruppe aus einer sammelnden und einer zerstreuenden Linse angeordnet ist. Damit stehen zur Berechnung eines korrigierten optischen Systems in Summe mit vier Linsen acht brechenden Flächen zur Verfügung. Über die Kombination der optischen Parameter, wie Brechzahl und Abbesche Zahl bestimmt durch die ausgewählten Materialien der Linsen, sowie der Brennweiten bestimmt durch die Materialen und Krümmungsradien der Linsen sowie deren Abstände zueinander, wird ein Objektiv gerechnet, welches im gewünschten Strahlungsbereich thermisch und chromatisch korrigiert ist. On the other hand, the intensity of objects emitted radiation in the IR range (heat radiation) is usually low and is attenuated in a transmission over longer distances by the absorption and scattering in the earth's atmosphere, which is why infrared lenses (IR lenses) a high Have opening. However, a high aperture opposes good chromatic correction over the entire infrared spectral range or even only over one of the two subregions. In order to achieve good imaging properties for a highly open optical system, even over a broad field of view, many lenses are required, typically three or more. Exemplary here is the DD 289 675 A7 which discloses a high open long focal length lens that is chromatically and thermally corrected for the infrared spectral range. The objective described here is a triplet type, in which a scattering lens group consisting of a collecting lens and a scattering lens is arranged between two individual collecting lenses. As a result, eight refractive surfaces are available for calculating a corrected optical system in total with four lenses. About the combination of the optical parameters, such as refractive index and Abbe number determined by the selected materials of the lenses, as well as the focal lengths determined by the materials and radii of curvature of the lenses and their distances from each other, a lens is calculated, which is thermally and chromatically corrected in the desired radiation range ,

Bekannte IR-Objektive des Standes der Technik unterscheiden sich hiervon durch andere Werte für diese optischen Parameter, die sich im Wesentlichen durch die Berechnung und Auswahl der Materialien, der Krümmungsradien, Linsendicken, Linsenabstände und Anzahl der Linsen ergeben. Mit weniger als drei Linsen ein chromatisch und thermisch korrigiertes IR-Objektiv aufzubauen, ist nicht bekannt. Known IR lenses of the prior art differ therefrom by other values for these optical parameters, which result essentially from the calculation and selection of the materials, the radii of curvature, lens thicknesses, lens spacings and number of lenses. It is not known to build a chromatically and thermally corrected IR lens with less than three lenses.

Die Anzahl der verfügbaren Materialien, die für den IR-Bereich geeignet sind, sind recht begrenzt. Trotz seines hohen Preises ist Germanium als Material, insbesondere für den langenwelligen IR-Bereich aufgrund seiner hohen Brechzahl und seiner Umwelteigenschaften, sehr beliebt. The number of available materials that are suitable for the IR range are quite limited. Despite its high price, germanium is very popular as a material, especially for the long-wave IR range due to its high refractive index and its environmental properties.

Die starke Temperaturabhängigkeit der Materialien für den IR-Bereich, so auch Germanium, machen es notwendig bei ausgedehnten Betriebstemperaturbereichen, z. B. von –25°C bis +55°C, Maßnahmen zu treffen, um den Gesamtbrennpunkt temperaturunabhängig stabil zu halten, um eine temperaturunabhängige Abbildungsqualität auf einen Matrixsensor zu gewährleisten. The strong temperature dependence of the materials for the IR range, including germanium, make it necessary at extended operating temperature ranges, eg. B. from -25 ° C to + 55 ° C, measures to be taken to keep the overall focus temperature-independent stable, to ensure a temperature-independent imaging quality on a matrix sensor.

Eine erste mögliche Maßnahme ist ein sogenanntes passives Nachfokussieren, bei dem über geeignete Materialkombinationen der verschiedenen Linsen eine gegensinnige temperaturabhängige Änderung der optischen Parameter erfolgt. Ein Beispiele hierfür ist in der vorgenannten DD 289 675 A7 offenbart. Wird das optische System ungeachtet der thermischen Beeinflussung der Objektivfassung gerechnet, müssen Maßnahmen getroffen werden, damit die Fassung in sich thermisch kompensiert ist, dass heißt die relative Position der Linsen zueinander erhalten bleibt. A first possible measure is a so-called passive refocusing, in which an opposite temperature-dependent change of the optical parameters takes place via suitable material combinations of the different lenses. An example of this is in the aforementioned DD 289 675 A7 disclosed. If the optical system is calculated regardless of the thermal influence on the lens mount, measures must be taken to ensure that the mount is thermally compensated, ie the relative position of the lenses relative to each other is maintained.

Das optische System kann auch als gefasstes System gerechnet werden, dass heißt insbesondere die Längenänderungen der Fassung entlang der optischen Achse des optischen Systems innerhalb werden in die Berechnung des optischen Systems eingeschlossen, sodass der Korrekturzustand für die Abbildung temperaturunabhängig erhalten bleibt. The optical system can also be counted as a gripped system, that is, in particular, the changes in length of the socket along the optical axis of the optical system within are included in the calculation of the optical system, so that the correction state for the image remains temperature-independent.

Eine zweite mögliche Variante, insbesondere für optische Systemen mit Materialien, bei denen die temperaturabhängige Änderung der Brechzahl einen weitaus größeren Einfluss auf die Stabilität der Abbildungsqualität hat als der Ausdehnungskoeffizient, ist es auch bekannt, einzelne Linsen des Systems zur Fokuslagenkorrektur zu verschieben. Nachteilig sind der höhere Montage- und Justageaufwand, ein höherer Bauteileaufwand, in der Regel ein größeres Gewicht und eine größere Baugröße. A second possible variant, in particular for optical systems with materials in which the temperature-dependent change in the refractive index has a far greater influence on the stability of the imaging quality than the coefficient of expansion, it is also known to move individual lenses of the system for focus position correction. Disadvantages are the higher installation and adjustment effort, a higher component cost, usually a larger weight and a larger size.

Ein chromatisch und thermisch korrigiertes IR-Objektiv mit Linsen aus nur einem Material, insbesondere aus Germanium, aufzubauen, erscheint praktisch nicht möglich. Die Probleme können reduziert werden, wenn einzelne optische Flächen durch Spiegelflächen ersetzt werden. Das Objektiv wird dadurch jedoch eher größer und aufwendiger. To construct a chromatically and thermally corrected IR lens with lenses of only one material, in particular germanium, seems practically impossible. The problems can be reduced if individual optical surfaces are replaced by mirror surfaces. The lens, however, is rather larger and more expensive.

Prinzipiell bekannt sind jedoch monolithische Objektive, bei denen ein Teil von refraktiv wirksamen Flächen durch reflektiv wirksame Flächen ersetzt wird. Ein aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 040 030 A1 bekanntes monolithisches Objektiv wird aus optischen Gläsern zum Blankpressen oder aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt und ist für eine Verwendung bis in den NIR-Bereich geeignet. Zum Ausgleich optischer Abbildungsfehler sind bestimmte Spiegelflächen als konische Asphären oder bikonische Oberfläche ausgebildet. Auf die Verwendung von Asphären höherer Ordnung oder Freiformflächen wird aus Kostengründen verzichtet. Monolithische Objektive haben einen geringen Justage- und Montageaufwand und sind sehr robust und kompakt. Die hier beschriebene Herstellung und die verwendeten Materialien der monolithischen Optik sind für die Anwendung im IR-Bereich jedoch nicht geeignet. In principle, however, monolithic lenses are known in which a part of refractive surfaces is replaced by reflective surfaces. One from the published patent application DE 10 2010 040 030 A1 Known monolithic lens is made of optical glasses for molding or plastic injection molded and is suitable for use in the NIR range. To compensate for optical aberrations certain mirror surfaces are formed as conical aspheres or biconical surface. The use of aspheres of higher order or free-form surfaces is omitted for cost reasons. Monolithic lenses have a low adjustment and assembly costs and are very robust and compact. However, the preparation described here and the monolithic optics used are not suitable for use in the IR range.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein kompaktes IR-Objektiv aus nur einem Material, bevorzugt Germanium, zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einem IR-Objektiv gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind aus den hierauf rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen. The invention has for its object to provide a compact IR lens made of only one material, preferably germanium. This object is achieved with an IR lens according to claim 1. Advantageous embodiments can be found in the dependent claims.

Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, eine IR-Kamera mit einem solche IR-Objektiv zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer IR-Objektiv gemäß Anspruch 5 gelöst. It is also the object of the invention to provide an IR camera with such an IR lens. This object is achieved with an IR lens according to claim 5.

Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Hierbei zeigen The invention will be described below with reference to exemplary embodiments. Show here

1a ein vereinfachtes Optikschema einer IR-Objektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, 1a a simplified optical scheme of an IR lens according to a first embodiment,

1b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 1a, 1b a perspective view of an IR lens according to 1a .

2a ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektiv gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, 2a a simplified optical scheme of an IR lens according to a second embodiment,

2b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 2a, 2 B a perspective view of an IR lens according to 2a .

3a ein vereinfachtes Optikschema IR-Objektiv gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, 3a a simplified optical scheme IR lens according to a third embodiment,

3b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 3a, 3b a perspective view of an IR lens according to 3a .

4a eine Prinzipdarstellung für eine IR-Kamera in Draufsicht, mit einem IR-Objektiv gemäß 2, einem Detektor und einer Fassung und 4a a schematic diagram of an IR camera in plan view, with an IR lens according to 2 , a detector and a socket and

4b eine Prinzipdarstellung für eine Kamera gemäß 4a in perspektivischer Ansicht. 4b a schematic diagram for a camera according to 4a in perspective view.

Anstelle mit üblicherweise mehreren entlang einer Achse angeordneten Linsen wird ein erfindungsgemäßes IR-Objektiv, wie in allen Figuren gezeigt, durch einen monolithischen Körper 1 gebildet, der wenigstens drei optisch wirksame Flächen aufweist, nämlich eine Eintrittsfläche 2, eine Austrittsfläche 3 und wenigstens eine erste reflektierende Fläche 4.1, eine außerhalb des monolithischen Körper 1 liegende reelle Gesamtbrennebene 1.2, in die eine Sensorfläche 7.1 angeordnet werden kann, und eine am monolithischen Körper 1 angeordnete Aperturblende 5. Instead of usually having a plurality of lenses arranged along an axis, an IR objective according to the invention, as shown in all figures, is replaced by a monolithic body 1 formed, which has at least three optically active surfaces, namely an entrance surface 2 , an exit surface 3 and at least a first reflective surface 4.1 , one outside the monolithic body 1 horizontal real focal plane 1.2 into which a sensor surface 7.1 can be arranged, and one on the monolithic body 1 arranged aperture diaphragm 5 ,

Indem wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen als eine optische Freiformfläche ausgeführt ist, die so ausgelegt ist, dass sie die Wirkung mehrerer sphärischen und/oder asphärischen Flächen erzeugt, kann das IR-Objektiv mit einer vergleichsweise geringeren Anzahl einer für eine Abbildung hoher Abbildungsqualität konventionell erforderlichen Anzahl von optisch abbildenden Flächen auskommen. Dies ergibt sich aus der Möglichkeit, eine optische Freiformfläche mit mehr Freiheitsgraden zu berechnen, als sie für rotationssymmetrischen Flächen gegeben sind. By having at least one of the optically active surfaces configured as a free-form optical surface adapted to produce the effect of multiple spherical and / or aspherical surfaces, the IR objective can be conventionally required with a comparatively smaller number of images required for high image quality imaging Number of optically imaging surfaces. This results from the possibility to calculate an optical freeform surface with more degrees of freedom than they are given for rotationally symmetric surfaces.

Indem nur wenige optisch abbildende Flächen benötigt werden kann der monolithische Körper klein gehalten werden und ist somit auch leichter. Bei der Herstellung einer IR-Kamera erweist sich der Vorteil eines Monolithen in dem wesentlich geringerem Beschichtungsaufwand und der verringerten Montage- und Justagezeit, da nur ein Körper justiert und in das Gesamtsystem montiert werden muss. By requiring only a few optically imaging surfaces, the monolithic body can be kept small and thus lighter. In the production of an IR camera, the advantage of a monolith proves to be the significantly lower coating expenditure and the reduced assembly and adjustment time, since only one body has to be adjusted and mounted in the overall system.

Mit dem Ziel den monolithischen Körper 1 mit einer möglichst geringen Anzahl von optisch wirksamen Flächen zu schaffen, werden grundsätzlich alle optisch wirksamen Flächen als abbildende Flächen ausgebildet und somit zur Strahlformung genutzt. Zur Strahlformung trägt jede optisch wirksame Fläche bei, die eine Krümmung aufweist bzw. keine reine Planfläche und damit nur reflektierend ist. Konventionelle optisch abbildende Flächen sind sphärische und asphärische Flächen. Eine der optisch wirksamen Flächen nicht als optisch abbildende Flächen zu nutzen, vergrößert den monolithischen Körper 1 unnötig. Aiming at the monolithic body 1 With the least possible number of optically effective surfaces, basically all optically active surfaces are formed as imaging surfaces and thus used for beam shaping. For beam shaping contributes each optically effective surface, which has a curvature or no pure plane surface and thus only reflective. Conventional optically imaging surfaces are spherical and aspherical surfaces. Not using one of the optically effective surfaces as optically imaging surfaces enlarges the monolithic body 1 unnecessary.

Durch die vorteilhafte Verwendung von wenigstens zwei reflektierenden Flächen 4.1, 4.2 kann die Baugröße des monolithischen Körpers 1, vergleichsweise gegenüber einem solchen mit nur einer reflektierenden Fläche, reduziert werden, indem der Strahlengang gefaltet wird und somit das Strahlenbündel 8 dessen Volumen mehrfach durchläuft. Die durch das Falten entstehenden Aberrationen können ebenfalls direkt durch die optische Freiformfläche kompensiert werden. Die optische Freiformfläche erfüllt somit zwei Funktionen. Zum einen wird eine bessere Abbildungsqualität durch mehr Freiheitsgrade in einer Fläche erreicht, anstatt mit mehr Flächen mit wenigen Freiheitsgraden. Zum anderen können die Abbildungsfehler, die durch das Falten des Strahlengangs mit optisch abbildenden Flächen entstehen kompensiert werden. By the advantageous use of at least two reflective surfaces 4.1 . 4.2 can be the size of the monolithic body 1 , Compared to such with only one reflective surface, can be reduced by the beam path is folded and thus the beam 8th whose volume passes through several times. The aberrations caused by wrinkles can also be compensated directly by the optical freeform surface. The optical freeform surface thus fulfills two functions. On the one hand, a better image quality is achieved by more degrees of freedom in one surface, rather than with more surfaces with few degrees of freedom. On the other hand, the aberrations that are caused by the folding of the beam path with optically imaging surfaces can be compensated.

Auf diese Weise kann ein IR-Objektiv 7 von drei oder mehr rotationssymmetrischen Linsen durch einen monolithischen Körper 1 ersetzt werden. Zwar kann ein passives Nachfokussieren jetzt nur noch über eine Fassung erfolgen, da ein monolithischer Körper 1 keine Materialkomposition zulässt, jedoch ist der dazu erforderliche Korrekturweg, bestimmt durch die Differenz der Gesamtbrennweite bei den beiden den Betriebstemperaturbereich begrenzenden Temperaturen, wesentlich geringer, als bei einem Mehrlinsensystem, bei dem alle Linsen aus einem gleichen Material, insbesondere Germanium, gefertigt sind. That way, an IR lens can 7 of three or more rotationally symmetric lenses through a monolithic body 1 be replaced. Although a passive refocusing can now be done only on a version, as a monolithic body 1 does not allow material composition, however, the required correction path, determined by the difference of the total focal length at the two temperatures limiting the operating temperature, much lower than in a multi-lens system, in which all lenses are made of a same material, especially germanium.

Die Gesamtbrechkraft eines optischen Systems ist näherungsweise die Summe der Brechkräfte der einzelnen Flächen des Systems. Dabei hängt die Brechkraft einer brechenden Fläche von der thermischen Änderung der Brechzahl und vom Längenausdehnungskoeffizienten ab. Die Brechkraft einer reflektierenden Fläche hängt hingegen nur vom Längenausdehnungskoeffizienten ab. The total refractive power of an optical system is approximately the sum of the refractive powers of the individual surfaces of the system. The refractive power of a refractive surface depends on the thermal change of the refractive index and the coefficient of linear expansion. The refractive power of a reflective surface, however, depends only on the coefficient of linear expansion.

Insbesondere ein erfindungsgemäßer monolithischer Körper 1 aus Germanium, mit einer sehr großen Brechzahl und sehr kleinem Längenausdehnungskoeffizienten, erfährt daher vergleichsweise geringere thermisch bedingte Änderungen, da er nur zwei brechende Flächen aufweist, nämlich die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3. In particular, a monolithic body according to the invention 1 Germanium, with a very large refractive index and very small coefficient of linear expansion, therefore experiences comparatively lower thermally induced changes, since it has only two refractive surfaces, namely the entrance surface 2 and the exit surface 3 ,

Ein erfindungsgemäßes IR-Objektiv weist eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit der Gesamtbrennweite auf, als ein reines Linsensystem. Diese geringere Abhängigkeit kann, sofern sie nicht bereits komplett korrigiert ist, über eine Fassung 6, die für die Fixierung eines IR-Detektors 7 gegenüber dem monolithischen Körper 1 ohnehin vorhanden ist, passiv nachfokussiert werden. An inventive IR lens has a significantly lower temperature dependence of the total focal length, as a pure lens system. This lesser dependency can, unless it has already been completely corrected, have a version 6 necessary for fixation of an IR detector 7 opposite the monolithic body 1 is present anyway, passively refocused.

Neben der geringeren Temperaturabhängigkeit eines erfindungsgemäßen IR-Objektives, besteht ein Vorteil in seiner vergleichsweise geringen Baugröße und in seiner Flexibilität der Anordnung der Austrittsfläche 3 und damit der Sensorfläche 7.1 des dieser nachgeordnetem IR-Detektors 7, relativ zur Eintrittsfläche 2. In addition to the lower temperature dependence of an IR objective according to the invention, there is an advantage in its comparatively small size and in its flexibility of the arrangement of the exit surface 3 and thus the sensor surface 7.1 of this subordinate IR detector 7 , relative to the entrance area 2 ,

Während bei einem mehrlinsigen IR-Objektiv, die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3 zueinander parallel angeordnet sind, können sie hier theoretisch jede beliebige Raumlage zueinander einnehmen, wodurch die Möglichkeit besteht, die IR-Kamera kompakter aufzubauen und neben Gewicht auch Bauraum zu sparen. While with a multi-lens IR lens, the entrance surface 2 and the exit surface 3 are arranged parallel to each other, they can here theoretically take any spatial position to each other, which makes it possible to build the IR camera compact and not only save weight but also space.

Drei konkrete Ausführungsbeispiele für IR-Objektive werden nachfolgend erläutert. Bei den Draufsichten wurden die optisch wirksamen Flächen als Volllinien und die optisch nicht wirksamen Flächen als Strichlinien dargestellt. Die optisch wirksamen Flächen sind der Einfachheit halber als Geraden und in den perspektivischen Ansichten als Planflächen gezeichnet, unabhängig davon, wie sie gekrümmt sind, nämlich als Sphären, Asphären oder optische Freiformflächen. Die Pfeile deuten die Lage der Aperturblende 5 an. Three specific embodiments of IR lenses will be explained below. In the plan views, the optically effective areas were shown as solid lines and the optically inactive areas as dashed lines. The optically effective surfaces are drawn for the sake of simplicity as a straight line and in the perspective views as flat surfaces, regardless of how they are curved, namely as spheres, aspheres or optical freeform surfaces. The arrows indicate the position of the aperture diaphragm 5 at.

Ein IR-Objektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 1a und 1b, ist aus Germanium, weist eine Eintrittsfläche 2 und eine Austrittsfläche 3 auf die beide optische Freiformflächen darstellen, sowie eine erste reflektierende Fläche 4.1, die als Asphäre ausgebildet ist, eine zweite reflektierende Fläche 4.2; die teilweise der Eintrittsfläche 2 überlagert ist. Der Einfachheit halber soll unter dem Begriff Fläche, der Bereich auf der jeweils betreffenden Oberfläche des monolithischen Körpers 1 gleich dem durch die Aperturblende 5 begrenzten Querschnitt des Strahlenbündels 8 auf dieser Oberfläche verstanden werden. Im gegebenen Fall der teilweise Überlagerung einer brechenden Fläche, wie der Eintrittsfläche 2 mit einer reflektierenden Fläche, wie hier der zweiten reflektierenden Fläche 4.2, muss die Oberfläche mit einer Antireflex-Schicht versehen sein. Die erste reflektierende Fläche 4.1 ist gegenüber der Eintrittsfläche 2 so geneigt, dass ein in Richtung der optischen Achse 1.1 des IR-Objektives einfallendes Strahlenbündel 8 eine Totalreflexion erfährt, sodass für die betreffende Oberflächenseite keine Beschichtung erfolgt, zumal auf dieser Oberflächenseite auch die Austrittsfläche 3 liegt. Die Aperturblende 5 liegt auf der Oberflächenseite der Eintrittsfläche 2 und begrenzt diese körperlich. An IR lens according to a first embodiment shown in FIGS 1a and 1b , is germanium, has an entrance area 2 and an exit surface 3 on which both optical freeform surfaces represent, as well as a first reflective surface 4.1 formed as an aspheric, a second reflecting surface 4.2 ; the partially the entrance area 2 is superimposed. For the sake of simplicity, the term area, the area on the relevant surface of the monolithic body 1 like that through the aperture stop 5 limited cross-section of the beam 8th be understood on this surface. In the given case, the partial superposition of a refractive surface, such as the entrance surface 2 with a reflective surface, as here the second reflective surface 4.2 , the surface must be provided with an antireflection coating. The first reflective surface 4.1 is opposite the entrance area 2 so inclined that one in the direction of the optical axis 1.1 of the IR lens incident beam 8th undergoes a total reflection, so that no coating takes place for the relevant surface side, especially on this surface side and the exit surface 3 lies. The aperture stop 5 lies on the surface side of the entrance surface 2 and limits these physically.

Ein IR-Objektiv gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 2a und 2b, unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die optisch wirksamen Flächen auf unterschiedlichen Oberflächenseiten des monolithischen Körpers 1 angeordnet sind und die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3 senkrecht zueinander angeordnet sind. Gleich dem ersten Ausführungsbeispiel verläuft die optische Achse 1.1 in einer Ebene (Zeichenebene). Die Eintrittfläche 2, die Austrittsfläche 3 und die zweite reflektierende Fläche 4.2 sind Asphären, während die erste reflektierende Fläche 4.1 eine optische Freiformfläche ist. Die Aperturblende 5 liegt hier auf der Oberflächenseite der Austrittsfläche 3 und begrenzt diese körperlich. An IR lens according to a second embodiment shown in FIGS 2a and 2 B , differs from the first embodiment in particular in that the optically active surfaces on different surface sides of the monolithic body 1 are arranged and the entrance surface 2 and the exit surface 3 are arranged perpendicular to each other. Like the first embodiment, the optical axis runs 1.1 in one plane (drawing plane). The entrance area 2 , the exit surface 3 and the second reflective surface 4.2 are aspheres, while the first reflective surface 4.1 is an optical freeform surface. The aperture stop 5 lies here on the surface side of the exit surface 3 and limits these physically.

Ein IR-Objektiv gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 3a und 3b ist aus Chalkogenidglas. Die Eintrittsfläche 2 ist eine Asphäre und die Austrittsfläche 3, sowie die erste reflektierende Fläche 4.1, welche in diesem Fall die einzige ist, sind optische Freiformflächen. Die optische Achse 1.1 liegt hier im Strahlengang vor der ersten reflektierenden Fläche 4.1 in einer anderen Ebene als im Strahlengang hinter dieser. Abberationen, welche durch diese Verkippung entstehen, sind über die optischen Freiformflächen korrigiert. Die Aperturblende 5 liegt hier auf der Oberflächenseite der ersten reflektierenden Fläche 4.1 und begrenzt diese körperlich. An IR lens according to a third embodiment shown in FIGS 3a and 3b is made of chalcogenide glass. The entrance area 2 is an asphere and the exit surface 3 , as well as the first reflective surface 4.1 , which in this case is the only one, are free-form optical surfaces. The optical axis 1.1 lies here in the beam path in front of the first reflecting surface 4.1 in a different plane than in the beam path behind this. Aberrations caused by this tilting are corrected by the optical free-form surfaces. The aperture stop 5 is here on the surface side of the first reflective surface 4.1 and limits these physically.

Entsprechend einer üblichen Anwendung eines IR-Objektives, welches auf Grund der großen Entfernung von IR-Strahlung abgebenden Objekten hochgeöffnet ist und die abzubildenden Objekte sich quasi im Unendlichen befinden, muss die Sensorfläche 7.1 des IR-Detektors 7, auf welcher die Strahlung (Strahlenbündel 8) abgebildet werden soll in der Gesamtbrennebene 1.2 des IR-Objektives angeordnet sein und in dieser über den Betriebstemperaturbereich gehalten werden. According to a customary application of an IR objective, which is opened up due to the large distance of IR radiation emitting objects and the objects to be imaged are virtually at infinity, the sensor surface 7.1 of the IR detector 7 on which the radiation (bundle of rays 8th ) is to be imaged in the overall focal plane 1.2 be arranged of the IR lens and held in this over the operating temperature range.

Aufgrund der Tatsache, dass das IR-Objektiv durch einen einzigen monolithischen Körper 1 gebildet wird, kann die Toleranzkette zwischen dem IR-Objektiv und einer Referenzfläche 6.2.1 zur mittelbaren Befestigung des IR-Detektors 7 am monolithischen Körper 1 sehr kurz gehalten werden. Due to the fact that the IR lens by a single monolithic body 1 is formed, the tolerance chain between the IR lens and a reference surface 6.2.1 for indirect attachment of the IR detector 7 on the monolithic body 1 be kept very short.

Bei allen vorangenannten Ausführungsbeispielen wurde ein praktisch vorhandenes, der Sensorfläche 7.1 vorgeordnetes Schutzglas des IR-Detektors 7 außer acht gelassen, da es nicht für die Erfindung wesentlich ist. Ihm kommt keine optisch abbildende Funktion zu, sodass es gegebenenfalls nur in Abhängigkeit von seiner Dicke zu einer Brennweitenverlängerung kommt. In all the aforementioned embodiments, a practically existing, the sensor surface 7.1 upstream protective glass of the IR detector 7 disregarded, since it is not essential to the invention. It does not have an optically imaging function, so that it may only come to a focal length extension depending on its thickness.

In den 4a und 4b sind in einer Prinzipskizze die erfindungswesentlichen Merkmale einer IR-Kamera, nämlich ein monolithischer Körper 1, wie im zweiten Ausführungsbeispiel anhand der 2a und 2b beschrieben, eine Fassung 6 und ein IR-Detektor 7 dargestellt. Die Fassung 6 besteht aus einem ersten Dehnungskörper 6.1 aus einem ersten Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten größer dem Längenausdehnungskoeffizienten des monolithischen Körpers 1, z. B. Aluminium, und einer Länge l1 in Richtung der optischen Achse 1.1. Dieser erste Dehnungskörper 6.1 ist mit einem Ende fest mit dem monolithischen Körper 1 und mit dem anderen Ende mit einem zweiten Dehnungskörper 6.2 verbunden. Der zweite Dehnungskörper 6.2 ist aus einem Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten größer dem Längenausdehnungskoeffizienten des monolithischen Körpers 1 und kleiner dem des ersten Dehnungskörpers 6.1, z. B. Stahl, und weist eine Länge l2 in Richtung der optischen Achse 1.1 auf. An seinem freien Ende ist eine Referenzfläche 6.2.1 ausgebildet zu welcher der IR-Detektors 7 mit einer definierten Entfernung justiert fixiert ist. In the 4a and 4b are in a schematic diagram of the invention essential features of an IR camera, namely a monolithic body 1 as in the second embodiment based on the 2a and 2 B described, a version 6 and an IR detector 7 shown. The version 6 consists of a first expansion body 6.1 of a first material having a coefficient of linear expansion greater than the coefficient of linear expansion of the monolithic body 1 , z. As aluminum, and a length l1 in the direction of the optical axis 1.1 , This first expansion body 6.1 is at one end stuck to the monolithic body 1 and with the other end with a second expansion body 6.2 connected. The second expansion body 6.2 is made of a material having a coefficient of linear expansion greater than the coefficient of linear expansion of the monolithic body 1 and less than that of the first stretch body 6.1 , z. As steel, and has a length L2 in the direction of the optical axis 1.1 on. At its free end is a reference surface 6.2.1 formed to which of the IR detector 7 fixed with a defined distance is fixed.

Im Idealfall ist das IR-Objektiv vollständig thermisch kompensiert (athermalisiert), dass heißt die Brennebene 1.2 hat eine stabile Raumlage gegenüber der Austrittsfläche 3. Die Längen l1, l2 der beiden Dehnungskörper 6.1, 6.2 sind dann so dimensioniert, dass sich deren Längenänderungen aufheben und die Referenzfläche 6.2.1 eine stabile Raumlage zum monolithischen Körper 1 beibehält. Ideally, the IR lens is completely thermally compensated (athermalized), ie the focal plane 1.2 has a stable spatial position with respect to the exit surface 3 , The lengths l1, l2 of the two expansion bodies 6.1 . 6.2 are then dimensioned so that cancel their changes in length and the reference surface 6.2.1 a stable spatial position to the monolithic body 1 maintains.

Die Fassung kann allerdings auch einen Teil der thermischen Kompensation für das IR-Objektiv übernehmen, wenn dieses nicht vollständig thermisch kompensiert ist. Die Längen l1, l2 der beiden Dehnungskörper 6.1, 6.2 sind dann so dimensioniert, dass sich ihre eigenen Längenänderungen und die verbleibende Längenänderung der Gesamtbrennweite aufheben. However, the socket can also take over some of the thermal compensation for the IR lens if it is not completely thermally compensated. The lengths l1, l2 of the two expansion bodies 6.1 . 6.2 are then dimensioned so that cancel their own length changes and the remaining change in length of the total focal length.

Eine beschriebene Fassung 6 ist als solche aus dem Stand der Technik grundsätzlich als passiv thermisch kompensierte Fassung bekannt. Mit einer solchen Fassung 6, jedoch ein IR-Objektiv thermisch zu kompensieren, welches aus nur einem Material, wie z. B. Germanium, besteht, ist nicht bekannt. A written version 6 is basically known as such from the prior art as a passively thermally compensated version. With such a version 6 However, to thermally compensate for an IR lens, which consists of only one material, such. B. germanium, is not known.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

1 1: monolithischer Körper monolithic body
1.1 1.1: optische Achse optical axis
1.2 1.2: Gesamtbrennebene Total focal plane
2 2: Eintrittsfläche entry surface
3 3: Austrittsfläche exit area
4.1 4.1: erste reflektierende Fläche first reflecting surface
4.2 4.2: zweite reflektierende Fläche second reflective surface
5 5: Aperturblende aperture
6 6: Fassung version
6.1 6.1: erster Dehnungskörper first expansion body
6.2 6.2: zweiter Dehnungskörper second expansion body
6.2.1 6.2.1: Referenzfläche reference surface
7 7: IR-Detektor IR detector
7.1 7.1: Sensorfläche sensor surface
8 8th: Strahlenbündel ray beam
l1 l1: erste Länge first length
l2 l2: zweite Längesecond length

Claims

IR lens containing a monolithic body ( 1 ) of a material having a refractive index between 2.4 and 4.2, comprising at least three optically active surfaces, namely an entrance surface ( 2 ), an exit surface ( 3 ) and at least one first reflective surface ( 4.1 ), and one outside the monolithic body ( 1 ), behind the exit surface ( 3 ) lying overall real focal plane ( 1.2 ) and one on the monolithic body ( 1 ) arranged aperture diaphragm ( 5 ), wherein at least one of the optically active surfaces represents a free-form optical surface which produces at least the action of a plurality of spherical and / or aspherical surfaces.

An IR lens according to claim 1, characterized in that all optically active surfaces are optically imaging surfaces in that the optically active surfaces, which do not represent optical free-form surfaces, are spherical or aspherical surfaces.

IR lens according to claim 2, characterized in that two reflective surfaces ( 4.1 . 4.2 ) are present, so that the beam path of a radiation beam imaged via the IR objective ( 8th ) is folded and the volume passes through several times and the at least one free-form optical surface is designed so that they are the aberrations that are caused by the folding of the beam path with optically imaging surfaces compensated.

IR lens according to one of the preceding claims, characterized in that the material is germanium.

IR camera with an IR lens according to one of the preceding claims, a version ( 6 ) and an IR detector ( 7 ) with a sensor surface ( 7.1 ), the version ( 6 ) from a first expansion body connected to the IR lens ( 6.1 ) having a first length (l1) in the direction of the optical axis ( 1.1 ) and one with the first expansion body ( 6.1 ) second expansion body ( 6.2 ) having a second length (l2) in the direction of the optical axis ( 1.1 ) and at a free end of the second expansion body ( 6.2 ) a reference surface ( 6.2.1 ) to which the IR detector ( 7 ), the expansion bodies ( 6.1 . 6.2 ) have a different coefficient of linear expansion and the lengths (l1, l2) are dimensioned such that the sensor surface ( 7.1 ) over a predetermined operating temperature range in the real total focal plane ( 1.2 ) of the monolithic body ( 1 ) is held.