DE102018121351B3

DE102018121351B3 - Wärmebildgerät

Info

Publication number: DE102018121351B3
Application number: DE102018121351.4A
Authority: DE
Inventors: Bertram Achtner
Original assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 2018-08-31
Filing date: 2018-08-31
Publication date: 2019-09-26
Anticipated expiration: 2038-09-01
Also published as: GB2578205A; GB201912275D0; GB2578205B

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wärmebildgerät (100), insbesondere für Infrarotstrahlung in einem Spektralbereich von etwa 3 µm bis etwa 5 µm und/oder von etwa 8 µm bis etwa 12 µm, umfassend:- wenigstens ein Zoom-Objektiv (OB),- wenigstens ein Umkehrsystem (UM),- wenigstens eine Detektoreinheit (DE),- wenigstens einen optischen Strahlengang (S), welcher in das Wärmebildgerät (100) eintretende Infrarotstrahlung von dem Zoom-Objektiv (OB) über das Umkehrsystem (UM) auf die Detektoreinheit (DE) abbildet, wobei- das Zoom-Objektiv (OB) wenigstens vier Linsenelemente (111-114) aufweist, und wobei- das Umkehrsystem (UM) wenigstens zwei Linsenelemente (115-117) aufweist. Das Umkehrsystem (UM) weist wenigstens ein erstes Linsenelement (115) mit positiver Brechkraft und wenigstens ein zweites Linsenelement (117) mit negativer Brechkraft auf, welche derart ausgelegt und in dem optischen Strahlengang (S) zueinander angeordnet sind, dass sie in Verbindung miteinander einen Achromat zur Farbkorrektur bilden, welcher die einzige farbkorrigierende optische Einheit in dem Wärmebildgerät (100) ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Wärmebildgerät, insbesondere für Infrarotstrahlung in einem Spektralbereich von etwa 3 µm bis etwa 5 µm und/oder von etwa 8 µm bis etwa 12 µm gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Ein derartiges Wärmebildgerät ist aus der DE 10 2009 045 970 A1 bekannt, welches mindestens ein Objektiv, mindestens ein Umkehrsystem und mindestens eine Bilderfassungseinheit aufweist. Das Wärmebildgerät ist zur Erfassung von Infrarotstrahlen vorgesehen, um beispielsweise zur Erkennung eines Gegenstandes oder einer Person eingesetzt zu werden.
Ein optisches System mit einem Objektiv, insbesondere einem Zoom-Objektiv, einem Umkehrsystem und einer Bilderfassungseinheit bzw. einer Detektoreinheit wird oft auch als Reimager bezeichnet. Das Objektiv bildet ein sich im Unendlichen oder Endlichen befindendes Objekt auf ein Zwischenbild ab. Dieses Zwischenbild wird von dem Umkehrsystem auf die Bilderfassungseinheit abgebildet, welche in einer Bildebene angeordnet ist. Ein derartiges optisches System wird insbesondere in einem Wärmebildgerät eingesetzt, welches zur Erfassung von Infrarotstrahlung ausgebildet ist. Mittels des Wärmebildgeräts ist es aufgrund des Verfahrens der Thermografie möglich, Bilder zu erzeugen. Dabei ist die Thermografie ein bildgebendes Verfahren, das die für das menschliche Auge unsichtbare Wärmestrahlung (mittleres Infrarot) eines Objektes oder Körpers sichtbar macht. Es werden Temperaturverteilungen auf Flächen sowie Gegenständen erfasst und dargestellt.
Die aus dem Stand der Technik bekannten optischen Systeme für Wärmebildgeräte weisen zumeist einen aufwendigen Aufbau auf. Die Farbkorrektur des optischen Systems wird in der Regel mittels eines diffraktiven optischen Elements (DOE) bewerkstelligt, welches insbesondere als Gitterstruktur auf der Frontlinse des Zoom-Objektivs angeordnet ist. Ein diffraktives optisches Element wirkt durch die Diffraktion (Beugung). Der Wirkungsgrad eines DOE ist wellenlängenabhängig. Bei einem Blaze-Profil ist der Wirkungsgrad für die Blaze-Wellenlänge maximal und beträgt ca. 98%. Dies ist der Anteil des Lichts, welcher in die Hauptbeugungsordnung gebeugt wird. Für alle Wellenlängen die von der Blaze-Wellenlänge abweichen, ist der Wirkungsgrad entsprechend geringer. Jede elektromagnetische Strahlung, die nicht in die Hauptbeugungsordnung gebeugt wird, wird in Nebenbeugungsordnungen gebeugt und wirkt dort als sog. Streulicht. Jede Art von Streulicht verschlechtert allerdings die Bildqualität des optischen Systems.
Überlegungen haben ergeben, dass es wünschenswert ist, dass ein optisches System - und somit auch ein Wärmebildgerät, welches das optische System aufweist - möglichst einfach aufgebaut sein soll.
Die DE 10 2007 015 896 B4 betrifft eine Teleoptik für den infraroten Spektralbereich (3-5 µm), die in Richtung von der Objektseite zur Bildseite eine erste Optik und eine zweite Optik umfasst, wobei die erste Optik in Richtung von der Objektseite zur Bildseite eine erste Linsengruppe und eine zweite Linsengruppe aufweist; die zweite Optik in Richtung von der Objektseite zur Bildseite eine dritte Linsengruppe und eine vierte Linsengruppe aufweist; die erste Linsengruppe der ersten Optik wenigstens zwei Linsen aufweist, die wenigstens eine Sammellinse und wenigstens eine Zerstreulinse enthalten; die zweite Linsengruppe der ersten Optik wenigstens eine Sammellinse aufweist; die dritte Linsengruppe der zweiten Optik wenigstens drei Linsen aufweist, die wenigstens zwei Sammellinsen und wenigstens eine Zerstreulinse enthalten und die wenigstens eine asphärische Fläche enthalten; und die vierte Linsengruppe der zweiten Optik wenigstens zwei Linsen aufweist, die wenigstens eine Zerstreulinse und wenigstens eine Sammellinse enthalten.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Wärmebildgerät der eingangs erwähnten Art anzugeben, welches die Nachteile des Standes der Technik vermeidet, insbesondere hinsichtlich der Anzahl und der Masse der eingesetzten Linsen und der bewegten Masse optimiert ist sowie zur Farbkorrektur ohne diffraktives optisches Element auskommt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Wärmebildgerät mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst.
Das erfindungsgemäße Wärmebildgerät, insbesondere für Infrarotstrahlung in einem Spektralbereich von etwa 3 µm bis etwa 5 µm und/oder von etwa 8 µm bis etwa 12 µm, umfasst wenigstens:

- wenigstens ein Zoom-Objektiv,
- wenigstens ein Umkehrsystem,
- wenigstens eine Detektoreinheit,
- wenigstens einen optischen Strahlengang, welcher in das Wärmebildgerät eintretende Infrarotstrahlung von dem Zoom-Objektiv über das Umkehrsystem auf die Detektoreinheit abbildet, wobei
- das Zoom-Objektiv wenigstens vier insbesondere einzelne Linsenelemente aufweist, wobei
- das Umkehrsystem wenigstens zwei insbesondere einzelne Linsenelemente aufweist, und wobei
- das Umkehrsystem wenigstens ein erstes Linsenelement mit positiver Brechkraft und wenigstens ein zweites Linsenelement mit negativer Brechkraft aufweist, welche derart ausgelegt und in dem optischen Strahlengang zueinander angeordnet sind, dass sie in Verbindung miteinander einen Achromat zur Farbkorrektur bilden, welcher insbesondere die einzige farbkorrigierende optische Einheit in dem Wärmebildgerät ist.

Das erfindungsgemäße Wärmebildgerät weist als optisches System ein Infrarot-Zoom-Reimager-Objektiv auf, welches zwei Gruppen von optischen Elementen bzw. Linsen umfasst, eine Zoomgruppe und eine Umkehrgruppe. Die Zoomgruppe ist nicht achromatisiert. Die Achromatisierung erfolgt in der Umkehrgruppe durch einen zweilinsigen Achromat, welcher insbesondere die einzige farbkorrigierende optische Einheit bzw. Optik in dem Wärmebildgerät ist. Für die Achromatisierung wird keine diffraktive Fläche genutzt. Die Korrektur der Farbfehler erfolgt ausschließlich innerhalb der zweiten Gruppe von Linsen. Der dafür vorgesehene zweilinsige Achromat kann einen geringen Durchmesser aufweisen. Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen gelingt es Zoom-Reimager-Objektive bzw. Wärmebildgeräte herzustellen, die hinsichtlich der Anzahl der Linsen, der Masse der Linsen und der bewegten Masse optimiert sind. Dadurch dass zur Farbkorrektur kein DOE verwendet wird, entsteht innerhalb des optischen Systems bzw. Wärmebildgeräts auch kein unerwünschtes Streulicht. Die zweite Gruppe von Linsen weist mindestens eine Linse mit positiver Brechkraft und mindestens eine Linse mit negativer Brechkraft auf.
Vorstehend und auch nachfolgend wird unter einer Gruppe von Linsen entweder eine Gruppe aus mindestens zwei Linsen oder nur eine einzige Linse verstanden. Ferner wird vorstehend und auch nachfolgend unter einem Linsenelement eine einzelne Linse verstanden.
Das optische System des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts stellt einen sog. Reimager dar, der bereits eingangs näher beschrieben wurde. So bildet das Objektiv ein sich im Unendlichen oder im Endlichen befindendes Objekt auf ein Zwischenbild ab. Dieses Zwischenbild wird von dem Umkehrsystem auf die Detektoreinheit bzw. Bilderfassungseinheit abgebildet, welche in einer Bildebene angeordnet ist. Die Austrittspupille der Zoom-Reimager-Objektive befindet sich nach der letzten Linse und fällt mit einer Kaltlichtblende der Detektoreinheit zusammen. Die Detektoreinheit kann aus einem Fenster, einem Filter mit Kaltlichtblende und einem Focal Plane Array (FPA) bestehen.
Das optische System des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts ist vorzugsweise aus Materialien gebildet, die für Infrarotstrahlung durchlässig sind. Infrarotstrahlung ist mit dem optischen System daher erfassbar. Der Spektralbereich der erfassbaren Infrarotstrahlung umfasst den gesamten Infrarotspektralbereich. Eine Ausführungsform der Erfindung ist jedoch dazu vorgesehen, insbesondere den Spektralbereich von 3 µm bis 12 µm zu erfassen. Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel ist es wiederum vorgesehen, einen Spektralbereich von 3 µm bis 5 µm (mittlerer Infrarotbereich bzw. Mid Wave Infrared/MWIR) oder von 8 µm bis 12 µm (langwelliger Infrarotbereich bzw. Long Wave Infrared/LWIR) zu erfassen. Insbesondere der letztgenannte Spektralbereich ist von Vorteil, da in diesen Spektralbereich die thermische Strahlungsemmission eines menschlichen Körpers fällt.
Das Umkehrsystem kann zwei oder bevorzugt drei, insbesondere einzelne Linsenelemente umfassen.
Das wenigstens eine erste Linsenelement des Umkehrsystems kann ein Material mit einer geringen Dispersion aufweisen. Das wenigstens eine zweite Linsenelement des Umkehrsystems kann ein Material mit einer hohen Dispersion aufweisen. In vorteilhafter Weise weisen die Linsen des Umkehrsystems unterschiedliche Materialien auf. Die Linsen mit positiver Brechkraft können eine geringe Dispersion aufweisen. Die Linsen mit negativer Brechkraft können einen geringen Durchmesser, eine geringe Dicke und somit auch eine geringe Masse aufweisen.
In den Zoom-Reimager-Objektiven können vorzugsweise nur zwei voneinander verschiedene Materialien verwendet werden.
Die Abbe-Zahl (v) des Materials mit geringer Dispersion kann um einen Faktor von wenigstens 5 höher sein, als die Abbe-Zahl des Materials mit hoher Dispersion. Der Unterschied zwischen hoher Dispersion und geringer Dispersion beschrieben durch die Abbe-Zahl kann somit mindestens Faktor 5 sein.
Das wenigstens eine erste Linsenelement des Umkehrsystems kann Germanium oder Silizium aufweisen. Für den langwelligen Infrarotbereich (8 µm bis 12 µm) kann Germanium ein bevorzugtes Material mit geringer Dispersion sein. Für den mittleren Infrarotbereich (3 µm bis 5 µm) kann Silizium ein bevorzugtes Material mit geringer Dispersion darstellen.
Das wenigstens eine zweite Linsenelement des Umkehrsystems kann Zinksulfid, Saphir oder Calciumfluorid aufweisen.
Für den langwelligen Infrarotbereich kann Zinksulfid ein bevorzugtes Material mit hoher Dispersion sein. Für den mittleren Infrarotbereich können Saphir oder Calciumfluorid bevorzugte Materialien mit hoher Dispersion darstellen.
Das Zoom-Objektiv kann eine Frontobjektivlinse, eine Variatorlinse, eine Kompensatorlinse und eine feststehende Grundobjektivlinse umfassen, welche jeweils aus einem, insbesondere einzelnen Linsenelement gebildet sind. Das Zoom-Objektiv kann insgesamt aus 4 Linsen bestehen, der Objektivlinse, der Variatorlinse, der Kompensatorlinse und der feststehenden Linse. Durch diese Maßnahmen ist ein sehr einfacher Aufbau des Zoom-Objektivs möglich.
Die Variatorlinse und die Kompensatorlinse können entlang des optischen Strahlengangs bzw. der optischen Achse des Wärmebildgeräts verschiebbar angeordnet sein.
Bei einer weiteren Ausführungsform des Wärmebildgeräts sind die Variatorlinse und die Kompensatorlinse in Richtung der Frontobjektivlinse und/oder in Richtung der Detektoreinheit entlang einer optischen Achse des optischen Systems beweglich angeordnet. Durch die Möglichkeit der Bewegung der beiden Linsen ist die Brennweite des Zoom-Objektivs einstellbar. Die Bewegung kann kontinuierlich erfolgen, so dass ein kontinuierliches Zoomen ermöglicht wird. Alternativ hierzu kann es vorgesehen sein, dass die Variatorlinse und die Kompensatorlinse zu bestimmten vorgebbaren Positionen entlang der optischen Achse bewegt werden, so dass bestimmte bzw. diskrete Brennweiten einstellbar sind.
Die insbesondere einzelnen Linsenelemente des Zoom-Objektivs können aus demselben Material, vorzugsweise aus Germanium oder Silizium gebildet sein.
Alle Linsen des Zoom-Objektivs können aus demselben Material bestehen. Für Zoom-Objektive des langwelligen Infrarotspektrums ist dies vorzugsweise Germanium, für Zoom-Objektive des mittleren Infrarotspektrums ist dies vorzugsweise Silizium.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Nachfolgend sind anhand der Zeichnung prinzipmäßig Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben.
Es zeigen:

1 Eine schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den langwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
2 Eine schematische Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den langwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
3 Eine schematische Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den langwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
4 Eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den langwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
5 Eine schematische Darstellung eines fünften Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den mittelwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
6 Eine schematische Darstellung eines sechsten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den mittelwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
7 Eine schematische Darstellung eines siebten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den mittelwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
8 Eine schematische Darstellung eines achten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts für den mittelwelligen Infrarotbereich in zwei unterschiedlichen Einstellungen;
9 Ein vereinfachtes Schaubild eines Wirkungsgrads eines diffraktiven optischen Elements mit Blaze-Profil in einem Spektralbereich von 8000 nm bis 12000 nm bei einer Blaze-Wellenlänge λ_Blaze = 10000 nm; und
10 Ein vereinfachtes Schaubild eines Wirkungsgrads eines diffraktiven optischen Elements mit Blaze-Profil in einem Spektralbereich 3500 nm bis 5000 nm bei einer Blaze-Wellenlänge λ_Blaze = 4250 nm.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 100, das mit einem optischen System ausgebildet ist. Das Wärmebildgerät 100 weist von einem abzubildenden Objekt (nicht dargestellt) in Richtung einer Bilderfassungseinheit bzw. Detektoreinheit DE ein Zoom-Objektiv OB, ein Umkehrsystem UM sowie die Detektoreinheit DE auf. Das Zoom-Objektiv OB bildet das sich im Unendlichen oder Endlichen angeordnete Objekt auf ein Zwischenbild ZE ab. Das Zwischenbild ZE wird wiederum von dem Umkehrsystem UM als Bild auf die Detektoreinheit DE abgebildet. Eine optische Achse ist mit dem Bezugszeichen A und ein optischer Strahlengang, welcher in das Wärmebildgerät 100 eintretende Infrarotstrahlung von dem Zoom-Objektiv OB über das Umkehrsystem UM auf die Detektoreinheit DE abbildet, ist mit dem Bezugszeichen S versehen. Eine Austrittspupille liegt zwischen dem Umkehrsystem UM und der Detektoreinheit DE und fällt mit einer nicht näher dargestellten Kaltlichtblende der Detektoreinheit DE zusammen. Die Detektoreinheit DE weist ein Fenster, einen Filter mit der Kaltlichtblende und das Focal Plane Array bzw. die Sensorelemente auf.
Die Detektoreinheit DE kann beispielsweise als CMOS ausgeführt sein. Die Erfindung ist aber nicht auf einen CMOS eingeschränkt, vielmehr ist jede beliebige Detektoreinheit verwendbar, welche für die Erfindung geeignet ist. Insbesondere ist es vorgesehen, die Detektoreinheit DE mit einer planen oder gekrümmten Erfassungsfläche auszubilden. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist zwischen dem Umkehrsystem UM und der Detektoreinheit DE, d. h. den Sensorelementen, die Kaltlichtblende angeordnet, welche gekühlt ist. Die Kaltlichtblende bewirkt, dass nur die von einem mit dem Wärmebildgerät 100 betrachteten Objekt stammende Infrarotstrahlung von der Detektoreinheit DE erfasst wird. Weitere Strahlung aus der direkten Umgebung der Detektoreinheit, welche von weiteren Bauteilen stammt (beispielsweise einem Gehäuse), wird hierdurch weitestgehend unterdrückt, so dass diese weitere Strahlung die Bildgebung nicht stört. Die Kaltlichtblende ist die wirksame Aperturblende. Sie ist am Ort der Austrittspupille angeordnet.
Wie aus 1 ersichtlich, weist das Zoom-Objektiv OB wenigstens vier, insbesondere einzelne Linsenelemente 111, 112, 113, 114 auf. Das Umkehrsystem UM weist wenigstens zwei, insbesondere einzelne Linsenelemente 115, 117 auf.
Das Wärmebildgerät 100 ist für langwellige Infrarotstrahlung in einem Spektralbereich von etwa 8 µm bis etwa 12 µm geeignet. Der obere Teil der 1 zeigt das Wärmebildgerät 100 in einer Position bzw. Einstellung mit einem weiten Sichtfeld. Der untere Teil der 1 zeigt das Wärmebildgerät 100 in einer Position bzw. Einstellung mit einem schmalen Sichtfeld.
Das Umkehrsystem UM weist ein erstes Linsenelement 115 mit positiver Brechkraft und ein zweites Linsenelement 117 mit negativer Brechkraft auf, welche derart ausgelegt und in dem optischen Strahlengang zueinander angeordnet sind, dass sie in Verbindung miteinander einen Achromat zur Farbkorrektur, insbesondere des Wärmebildgeräts 100 bilden. Dieser Achromat stellt somit die einzige farbkorrigierende optische Einheit oder Optik bzw. das einzige farbkorrigierende optische Element in dem Wärmebildgerät 100 dar. Das Umkehrsystem UM weist somit zur Farbkorrektur zwei einzelne Linsen auf.
Das erste Linsenelement 115 des Umkehrsystems UM, welches eine positive Brechkraft besitzt, weist ein Material mit einer geringen Dispersion auf. Das zweite Linsenelement 117 des Umkehrsystems UM, welches eine negative Brechkraft besitzt, weist ein Material mit einer hohen Dispersion auf.
Die Abbe-Zahl des Materials mit geringer Dispersion kann um einen Faktor von wenigstens 5 höher sein, als die Abbe-Zahl des Materials mit hoher Dispersion. Der Unterschied zwischen hoher Dispersion und geringer Dispersion beschrieben durch die Abbe-Zahl v ist sonach mindestens Faktor 5. Die Abbe-Zahl wird aus den Brechzahlen n für 3 unterschiedliche Wellenlängen λ₁, λ_ref, λ₂ mit λ₁ < λ_ref < λ₂ nach folgender Formel berechnet: $v = \frac{n (λ_{ref}) - 1}{n (λ_{1}) - n (λ_{2})} .$
Im langwelligen Infrarotbereich gilt typischerweise λ₁, = 8000 nm, λ_ref = 10000 nm und λ₂ = 12000 nm. Für die Abbe-Zahlen der Materialien Germanium und Zinksulfid erhält man:

Germanium (Ge): v = 904,62

Zinksulfid (ZnS): v = 22,76
Das erste Linsenelement 115 des Umkehrsystems UM weist Germanium auf. Das zweite Linsenelement 117 des Umkehrsystems UM weist Zinksulfid auf. In weiteren nicht dargestellten Ausführungsbeispielen könnte das zweite Linsenelement auch Calciumfluorid aufweisen.
Das Zoom-Objektiv OB umfasst eine Frontobjektivlinse 111, eine Variatorlinse 112, eine Kompensatorlinse 113 und eine feststehende Grundobjektivlinse 114, welche jeweils aus einem einzelnen Linsenelement gebildet sind. Dadurch wird es ermöglicht, Zoom-Reimager-Objektive herzustellen, die hinsichtlich der Anzahl der Linsen, der Masse der Linsen und der bewegten Masse optimiert sind. Innerhalb der Zoomgruppe bestehen demnach das Frontobjektiv, der Variator, der Kompensator und das Grundobjektiv jeweils nur aus einer Linse.
Die Variatorlinse 112 und die Kompensatorlinse 113 können entlang des optischen Strahlengangs S bzw. entlang der optischen Achse A des Wärmebildgeräts 100 verschiebbar angeordnet sein.
Die einzelnen Linsenelemente 111 - 114 des Zoom-Objektivs OB sind aus demselben Material, vorzugsweise aus Germanium gebildet.
In den Figuren sind funktionsgleiche Elemente mit denselben Bezugszeichen versehen.
Nachstehend sind in einer Tabelle Optikdaten für das optische System des Wärmebildgeräts 100 dargestellt. Bei den dort in Ziffern 2, 4 und 6 angegebenen Dicken sind jeweils zwei Werte angegeben wobei sich der erste Wert auf die Einstellung bei weitem Sichtfeld bezieht und wobei sich der zweite Wert auf die Einstellung bei schmalem Sichtfeld bezieht. Dies gilt auch für die nachfolgenden in Tabellenform angegebenen Optikdaten der übrigen Ausführungsbeispiele.

Radius Dicke Material

1 : 166.89946 9.00 Germanium

2: 297.84204 4.732 / 88.937

ASP: A: 0.647892E-08 B: -.115232E-12

3: -73.03383 3.00 Germanium

4: 100.97611 5.001 / 5.010

ASP: A: -.444517E-05 B: 0.274278E-08 C: -.139530E-11

5: -110.61733 4.00 Germanium

6: -67.45883 87.267 / 3.052

7: -108.98178 4.00 Germanium

8: -66.63493 155.60

ASP: A: 0.285230E-06 B: 0.337982E-10 C: -.558027E-14

9: 82.73916 5.00 Germanium

10: -419.54902 18.50

ASP: A: 0.175911E-05 B: -.890891E-09 C: 0.336620E-12

11: 113.80995 2.00 Zinksulfid

12: 32.90459 4.30
In 2 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 200 für den langwelligen Infrarotbereich dargestellt. Der obere Teil der Zeichnung zeigt eine Einstellung für ein weites Sichtfeld. Der untere Teil der Zeichnung bezieht sich auf eine Einstellung für ein schmales Sichtfeld.
Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 200 umfasst eine Frontobjektivlinse 211, eine Variatorlinse 212, eine Kompensatorlinse 213 und eine Grundobjektivlinse 214. Das Umkehrsystem UM des Wärmebildgeräts 200 umfasst ein erstes Linsenelement 215 und ein zweites Linsenelement 217.
Nachfolgend sind in Tabellenform die Optikdaten für das optische System des Wärmebildgeräts 200 dargestellt.

Radius Dicke Material

1 : 198.32234 9.00 Germanium

2: 402.50503 3.415 / 90.689

ASP: A: 0.699884E-08 B: -.779503E-13

3: -780.11969 3.00 Germanium

4: 134. 99430 79.032/5.215

5: -92.64488 3.00 Germanium

6: 3323.06760 16.553 / 3.097

ASP: A: -.107748E-05 B: 0.474900E-09 C: -.284581E–12

7: -595.56445 5.00 Germanium

8: -76.14219 152.60

ASP: A: 0.535185E-06 B: -.296855E-11 C: 0.442270E-13

9: 57.49752 5:00 Germanium

10: 250.89548 19.50

ASP: A: 0.122922E-05 B: -.497538E-09 C: 0.187067E-12

11: -176.49807 2.00 Zinksulfid

12: 90.12717 4.30
In 3 ist ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 300 für den langfälligen Infrarotbereich gezeigt. Der obere Teil bezieht sich wiederum auf eine Einstellung mit weitem Sichtfeld, während der untere Teil der Zeichnung sich auf eine Einstellung des Wärmebildgeräts 300 bei schmalem Sichtfeld bezieht. Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 300 umfasst eine Frontobjektivlinse 311, eine Variatorlinse 312, eine Kompensatorlinse 313 und eine feststehende Grundobjektivlinse 314. Das Umkehrsystem UM des Wärmebildgeräts 300 weist drei einzelne Linsenelemente, nämlich zwei erste Linsenelemente 315, 316 und ein zweites Linsenelement 317 auf.
Nachfolgend sind in Tabellenform Optikdaten für das optische System des Wärmebildgeräts 300 angegeben.

Radius Dicke Material

1: 165.06844 9.00 Germanium

2: 292.88151 11.125 / 89.772

ASP: A: 0.668969E-08 B:-.119651E-12

3: -68.59236 3.00 Germanium

4: 95.95754 3.770 / 4.200

ASP: A: -.529970E-05 B: 0.402900E-08 C: -.337949E-11

5: -104.37540 4.00 Germanium

6: -63.53351 82.105 / 3.027

7: -1013.16817 4.00 Germanium

8: -135.64855 132.00

ASP: A: 0.180752E-06 B: -.360791E-10 C: 0.546624E-13

9: -137.83073 4.00 Germanium

10: -69.29763 35.133

ASP: A: 0.712218E-06 B: -.224118E-09 C: 0.361929E-12

11: 31.32133 3.00 Germanium

12: 50.43493 4.267

13: 52.26550 2.00 Zinksulfid

14: 28.41976 5.00
In 4 ist eine vierte Ausführungsform eines Wärmebildgeräts 400 für den langwelligen Infrarotbereich gezeigt. Der obere Teil der Zeichnung zeigt wiederum eine Einstellung mit weitem Sichtfeld. Der untere Teil der Zeichnung zeigt eine Einstellung des optischen Systems des Wärmebildgeräts 400 bei schmalem Sichtfeld.
Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 400 umfasst eine Frontobjektivlinse 411, eine Variatorlinse 412, eine Kompensatorlinse 413 und eine feststehende Grundobjektivlinse 414. Das Umkehrsystem UM des Wärmebildgeräts 400 umfasst erste Linsenelemente 415, 416 und ein zweites Linsenelement 417.
Nachstehend sind in Tabellenform Optikdaten für das optische System des Wärmebildgeräts 400 dargestellt.

Radius Dicke Material

1: 188.70574 9.00 Germanium

2: 376.79283 10.747 / 89.048

ASP: A: 0.792451E-08 B: -.938103E-13

3: -662.27778 3.00 Germanium

4: 121.80922 70.662 / 4.952

5: -90.19534 3.00 Germanium

6: 1259.22502 15.591 / 3.00

ASP: A: -.145370E-05 B: 0.809545E-09 C: -.672520E-12

7: -1805.25924 5.00 Germanium

8: -79.16426 131.00

ASP: A: 0.681243E-06 B: -.496060E-10 C: 0.125177E-12

9: -408.17481 5.00

10: -101.64886 35.015

ASP: A: 0.356635E-06 B: -.873534E-10 C: 0.688406E-13

11: 24.52084 4.00 Germanium

12: 31.00314 3.385

13: 41.01687 2.00 Zinksulfid

14: 24.35157 5.00
Die nachfolgenden Ausführungsbeispiele beziehen sich auf Wärmebildgeräte 500, 600, 700 und 800 für den mittleren Infrarotbereich.
Im mittleren Infrarotbereich gilt typischerweise λ₁ = 3500 nm, λ_ref = 4250 nm, λ₂ = 5000 nm. Für die Abbe-Zahlen der Materialien Silizium, Saphir und Calciumfluorid erhält man:

Silizium (Si): v = 414,74

Saphir: v = 9,31

Caliumfluorid (CaFI): v = 26,99
5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 500 für den mittleren Infrarotbereich wobei der obere Teil der Abbildung eine Einstellung für ein weites Sichtfeld und der untere Teil der Abbildung eine Einstellung für ein schmales Sichtfeld zeigt.
Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 500 umfasst eine Frontobjektivlinse 511, eine Variatorlinse 512, eine Kompensatorlinse 513 und eine feststehende Grundobjektivlinse 514.
Nachfolgend sind in Tabellenform Optikdaten für das optische System des Wärmebildgeräts 500 angegeben.

Radius Dicke Material

1: 167.32286 9.00 Silizium

2: 390.14702 4.359 / 86.892

ASP: A: 0.112252E-07 B: -.894158E-13

3: -54.11188 3.00 Silizium

ASP: A: 0.578564E-05 B: -.236097E-08 C: 0.117225E-11

4: 108.07375 5.170 / 5.360

5: -114.53155 4.00 Silizium

6: -67.91020 87.471 / 4.748

7: -122.35824 4.00 Silizium

ASP: A: -.401283E-06 B: -.298015E-13 C: 0.431722E-13

8: -64.44036 152.34

9: 133.67808 6.00 Silizium

10: -110.21993 19.56

ASP: A: 0.244529E-05 B: -.137380E-08 C: 0.589894E-12

11: 15.89520 11.00655 2.50 Saphir

12: 5.00
Das Umkehrsystem UM des Wärmebildgeräts 500 umfasst ein erstes Linsenelement 515 und ein zweites Linsenelement 517. Das erste Linsenelement 515 weist Silizium auf. Das zweite Linsenelement des Umkehrsystems UM weist Saphir auf.
Die einzelnen Linsenelemente 511 - 514 des Zoom-Objektivs OB des Wärmebildgeräts 500 sind aus demselben Material, vorzugsweise aus Silizium gebildet.
6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel eines Wärmebildgeräts 600 für den mittleren Infrarotbereich, wobei der obere Teil der Abbildung eine Einstellung des optischen Systems bei einem weiten Sichtfeld und der untere Teil der Abbildung bei einem schmalen Sichtfeld darstellt.
Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 600 umfasst eine Frontobjektivlinse 611, eine Variatorlinse 612, eine Kompensatorlinse 613 und eine feststehende Grundobjektivlinse 614, welche jeweils aus einem einzelnen Linsenelement gebildet sind. Das Umkehrsystem UM weist ein erstes Linsenelement 615 auf, welches aus Silizium gebildet ist. Des Weiteren weist das Umkehrsystem UM ein zweites Linsenelement 617 auf, welches aus Saphir gebildet ist.
Nachstehend sind in Tabellenform Optikdaten des optischen Systems des Wärmebildgeräts 600 angegeben.

Radius Dicke Material

1: 165.37246 9.00 Silizium

2: 377.41252 3.500 / 82.330

ASP: A: 0.948888E-08 B: -.854367E-13

3: -455.48932 3.00 Silizium

4: 115.12043 67.354 / 11.086

5: -112.74883 3.00 Silizium

6: 506.27211 26.146 / 3.584

ASP: A: -.969348E-06 B: 0.455920E-09 C: -.339965E-12

7: -291.43831 5.00 Silizium

ASP: A: -.483865E-06 B: 0.102938E-09 C: -.335860E-13

8: -66.46436 152.86

9: 85.35025 6.00 Silizium

10: -228.26074 19.54

ASP: A: 0.205134E-05 B: -.112443E-08 C: 0.477014E-12

11: 12.04629 2.00 Saphir

12: 8.81317 5.00
7 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 700 für den mittleren Infrarotbereich. Im oberen Teil der Abbildung ist das Zoom-Objektiv OB in einer Einstellung für ein weites Sichtfeld dargestellt während im unteren Bereich der Abbildung das Zoom-Objektiv OB in einer Einstellung für ein schmales Sichtfeld dargestellt ist.
Das Zoom-Objektiv OB umfasst eine Frontobjektivlinse 711, eine Variatorlinse 712, eine Kompensatorlinse 713 und eine feststehende Grundobjektivlinse 714, welche jeweils aus einem einzelnen Linsenelement gebildet sind. Das Umkehrsystem UM weist erste Linsenelemente 715 und 716 auf, welche aus Silizium gebildet sind und ein zweites Linsenelement 717, welches Saphir aufweist.
Nachstehend sind in Tabellenform Optikdaten des optischen Systems des Wärmebildgeräts 700 angegeben.

Radius Dicke Material

1: 162.43646 9.00 Silizium

2: 365.56407 4.274 / 86.554

ASP: A: 0.108557E-07 B: -.741512E-13

3: - 57.70479 3.00 Silizium

ASP: A: 0.540204E-05 B: -.241887E-08 C: 0.161565E-11

4: 101.62823 7.532 / 4.854

5: -122.23129 4.00 Silizium

6: -71.97441 85.193 / 5.592

7: 72.35717 4.00 Silizium

ASP: A: -.427007E-06 B: 0.110611E-10 C: -.158487E-13

8: 153.06740 132.00

9: -55.38748 4.00 Silizium

10: -39.13747 35.00

ASP: A: 0.183332E-05 B: -.140831E-09 C: -.642475E-13

11: 19.58197 3.00 Silizium

ASP: A: 0.292635E-05 B: -.389517E-08 C: 0.233696E-11

12: 23.97382 3.90

13: 16.25016 2.50 Saphir

14: 11.75016 5.00
8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Wärmebildgeräts 800 für den mittleren Infrarotspektralbereich. Dabei ist im oberen Teil der Abbildung eine Einstellung für ein weites Sichtfeld und im unteren Teil der Abbildung eine Einstellung für ein schmales Sichtfeld dargestellt.
Das Zoom-Objektiv OB des Wärmebildgeräts 800 umfasst eine Frontobjektivlinse 811, eine Variatorlinse 812, eine Kompensatorlinse 813 und eine feststehende Grundobjektivlinse 814, welche jeweils aus einem einzelnen Linsenelement gebildet sind. Das Umkehrsystem UM umfasst erste Linsenelemente 815 und 816, welche Silizium aufweisen sowie ein zweites Linsenelement 817, welches Saphir aufweist.
Nachstehend sind in Tabellenform Optikdaten des optischen Systems des Wärmebildgeräts 800 angegeben.

Radius Dicke Material

1 : 175.28115 9.00 Silizium

2: 412.20234 3.500 / 87.140

ASP: A: 0.963831E-08 B: -.109279E-12

3: -502.09392 3.00 Silizium

4: 112.99853 74.197 / 7.360

5: -93.48225 3.000000 Silizium

6: 577.33252 20.303 / 3.500

ASP: A: -.119536E-05 B: 0.553088E-09 C: -.375335E-12

7: 298.32363 4.00 Silizium

ASP: A: -.781869E-06 B: 0.191451E-09 C: -.186261E-13

8: -102.45602 132.00

9: -55.83282 4.00 Silizium

10: -38.66402 35.219

ASP: A: 0.172448E-05 B: - .632568E-10 C: 0.574888E-12

11: 28.24048 3.00 Silizium

ASP: A: 0.167128E-05 B: -.342441E-08 C: 0.367370E-11

12: 42.93923 4.181

13: 15.71977 2.00 Saphir

14: 11.71977 5.00
Bei den erfindungsgemäßen Wärmebildgeräten 100 - 800 weist keine der Linsenflächen eine DOE-Struktur auf, und damit entsteht kein durch ein DOE verursachtes Streulicht. Ein DOE wirkt durch Diffraktion bzw. Beugung. Der Wirkungsgrad eines DOE ist wellenlängenabhängig. Bei einem Blaze-Profil ist der Wirkungsgrad für die Blaze-Wellenlänge maximal und beträgt ca. 98%. Dies ist der Anteil des Lichts, welcher in die Hauptbeugungsordnung gebeugt wird. Für alle Wellenlängen die von der Blaze-Wellenlänge abweichen ist der Wirkungsgrad geringer. Alles Licht das nicht in die Hauptbeugungsordnung gebeugt wird, wird in Nebenbeugungsordnungen gebeugt und wirkt dort als Streulicht. Jede Art von Streulicht verschlechtert die Bildqualität.
In 9 ist der Wirkungsgrad eines DOE mit Blaze-Profil im Spektralbereich 8000 nm bis 12000 nm bei einer Blaze-Wellenlänge λ_Blaze = 10000 nm dargestellt. Der Wirkungsgrad bei X = 8000 nm beträgt 80%, bei X = 12000 nm beträgt er 90%. Der Streulichtanteil bei X = 8000 nm beträgt 20%, bei X = 12000 nm beträgt er 10%.
10 zeigt den Wirkungsgrad eines DOE mit Blaze-Profil im Spektralbereich 3500 nm bis 5000 nm bei einer Blaze-Wellenlänge λ_Blaze = 4250 nm. Der Wirkungsgrad bei X = 3500 nm beträgt 85%, bei X = 5000 nm beträgt er 92%. Der Streulichtanteil bei X = 3500 nm beträgt 15%, bei X = 5000 nm beträgt er 8%.
Die Linsenflächen bei den erfindungsgemäßen Wärmebildgeräten 100 - 800 können sphärisch und/oder asphärisch sein.
Eine asphärische Fläche wird mit der Pfeilhöhenformel beschrieben: $z (h) = \frac{ρ^{2} h^{2}}{1 + \sqrt{1 - (1 + K) ρ^{2} h^{2}}} + {Ah}^{4} + {Bh}^{6} + {Ch}^{8},$
mit

z: Pfeilhöhe,
K: Exzentrizität,
p: Scheitelkrümmung,
h: Höhe, und
A,B,C: Koeffizienten für Terme höherer Ordnung.

Bezugszeichenliste

100,200,300,400,500,600,700,800: Wärmebildgerät
111,211,311,411,511,611,711,811: Frontobjektivlinse
112,212,312,412,512,612,712,812: Variatorlinse
113,213,313,413,513,613,713,813: Kompensatorlinse
114,214,314,414,514,614,714,814: feststehende Grundobjektivlinse
115,215,315,316,415,416,515,615, 715,716,815,816: erstes Linsenelement des Umkehrsystems
117,217,317,417,517,617,717,817: zweites Linsenelement des Umkehrsystems
OB: Zoom-Objektiv
UM: Umkehrsystem
DE: Detektoreinheit
ZE: Zwischenbild
A: Optische Achse
S: Optischer Strahlengang

Claims

Wärmebildgerät (100), insbesondere für Infrarotstrahlung in einem Spektralbereich von etwa 3 µm bis etwa 5 µm und/oder von etwa 8 µm bis etwa 12 µm, umfassend: - wenigstens ein Zoom-Objektiv (OB), - wenigstens ein Umkehrsystem (UM), - wenigstens eine Detektoreinheit (DE), - wenigstens einen optischen Strahlengang (S), welcher in das Wärmebildgerät (100) eintretende Infrarotstrahlung von dem Zoom-Objektiv (OB) über das Umkehrsystem (UM) auf die Detektoreinheit (DE) abbildet, wobei - das Zoom-Objektiv (OB) wenigstens vier Linsenelemente (111-114) aufweist, und wobei - das Umkehrsystem (UM) wenigstens zwei Linsenelemente (115-117) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass - das Umkehrsystem (UM) wenigstens ein erstes Linsenelement (115) mit positiver Brechkraft und wenigstens ein zweites Linsenelement (117) mit negativer Brechkraft aufweist, welche derart ausgelegt und in dem optischen Strahlengang (S) zueinander angeordnet sind, dass sie in Verbindung miteinander einen Achromat zur Farbkorrektur bilden, welcher die einzige farbkorrigierende optische Einheit in dem Wärmebildgerät (100) ist.
Wärmebildgerät (100) nach Anspruch 1, wobei das Umkehrsystem (UM) zwei oder drei Linsenelemente (115,117) umfasst.
Wärmebildgerät (100) nach Anspruch 1 oder 2, wobei das wenigstens eine erste Linsenelement (115) des Umkehrsystems (UM) ein Material mit einer geringen Dispersion und/oder das wenigstens eine zweite Linsenelement (117) des Umkehrsystems (UM) ein Material mit einer hohen Dispersion aufweist.
Wärmebildgerät (100) nach Anspruch 3, wobei die Abbe-Zahl des Materials mit geringer Dispersion um einen Faktor von wenigstens 5 höher ist als die Abbe-Zahl des Materials mit hoher Dispersion.
Wärmebildgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das wenigstens eine erste Linsenelement (115) des Umkehrsystems (UM) Germanium oder Silizium aufweist.
Wärmebildgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei das wenigstens eine zweite Linsenelement (117) des Umkehrsystems (UM) Zinksulfid, Saphir oder Calciumfluorid aufweist.
Wärmebildgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei das Zoom-Objektiv (OB) eine Frontobjektivlinse (111), eine Variatorlinse (112), eine Kompensatorlinse (113) und eine feststehende Grundobjektivlinse (114) umfasst, welche jeweils aus einem Linsenelement gebildet sind.
Wärmebildgerät (100) nach Anspruch 7, wobei die Variatorlinse (112) und die Kompensatorlinse (113) entlang des optischen Strahlengangs (S)oder der optischen Achse (A) des Wärmebildgeräts (100) verschiebbar angeordnet sind.
Wärmebildgerät (100) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Linsenelemente (111-114) des Zoom-Objektivs (OB) aus demselben Material, vorzugsweise aus Germanium oder Silizium gebildet sind.