DE19600336A1

DE19600336A1 - Achrathermer Reimager

Info

Publication number: DE19600336A1
Application number: DE19600336A
Authority: DE
Inventors: Wilhelm Ulrich
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH; Carl Zeiss AG
Priority date: 1996-01-08
Filing date: 1996-01-08
Publication date: 1997-07-10
Also published as: US5909308A; EP0783121B1; EP0783121A3; DE59707177D1; EP0783121A2

Description

Die Erfindung betrifft einen achrathermen Reimager, d. h. ein achromatisches und athermalisiertes System, bestehend aus Frontobjektiv, Zwischenbildebene einer Relaisoptik, insbesondere wie er im Infrarotbereich um 10 µm als Optik für Wärmebildgeräte benutzt wird.

Ein derartiger Reimager ist aus US 4,679,891 bekannt. Die Linsen bestehen aus Chalkogenidglas, Zinkselenid ZnSe, Zinksulfid ZnS und Germanium Ge. Das Frontobjektiv muß mindestens drei dicht beieinander liegende Linsen aus drei verschiedenen Materialien aufweisen. In allen Beispielen sind vor der Austrittspupille mindestens sechs Linsen angeordnet.

Aufgabe der Erfindung ist die Bereitstellung eines hochwertigen achrathermen Reimagers mit möglichst wenigen Linsen, insbesondere auch für hochauflösende Detektoren für das HDTV- Format.

Gelöst wird die Aufgabe durch einen Reimager nach einem der nebengeordneten Ansprüche 1, 4 oder 5.

Gemäß Anspruch 1 besteht das Frontobjektiv aus nur zwei Linsen aus zwei Materialien, nämlich einer Negativlinse aus ZnSe oder ZnS und einer Positivlinse aus Chalkogenidglas, insbesondere der Sorte IG6 oder IG4 der Firma Vitron Spezialwerkstoffe GmbH, Jena. Dabei ist das Frontobjektiv selber achratherm.

Gemäß Anspruch 4 ist der Reimager - definitionsgemäß ein Teleskop mit Zwischenbild - aus genau vier oder fünf Linsen gebildet und für das mittlere Infrarot, insbesondere für Wellenlängen von 7,5 µm bis 10,5 µm, achromatisch besser als 80%, vorzugsweise besser als 65%, der Schärfentiefe und athermal in einem Temperaturbereich um die Normaltemperatur, wie er im Feldeinsatz zu erwarten ist, insbesondere von -40°C bis +70°C, besser als 60% der Schärfentiefe.

Gemäß Anspruch 5 bilden jeweils eine Positivlinse und eine Negativlinse, letztere aus ZnSe oder ZnS, das Frontobjektiv wie auch die Relaisoptik.

Dies sind verschiedene Darstellungen der Erfindung, mit der die Linsenzahl eines achrathermen Reimagers bei höchster Qualität drastisch gesenkt wird.

Die Erfindung geht aus von der Erkenntnis, daß beide Teilsysteme, Frontobjektiv und Relaisoptik, selbständig achratherm sein müssen, da sonst die chromatischen Variationen von Bildlage und Bildgröße nicht gleichzeitig korrigiert werden können und die Lage des Zwischenbildes variiert.

Der erfindungsgemäßen Konstruktion wird dazu die Lösung des folgenden Gleichungssystems zugrundegelegt, das für die Annahme dünner Linsen ohne Luftabstand gilt:

1. Brennweitenbedingung: ϕ₁ + ϕ₂ = Φ = 1
2. Achromasiebedingung: ϕ₁/ν₁ + ϕ₂/ν₂ = 0
3. Athermalisierungsbedingung: τ₁_*ϕ₁ + τ₂_*ϕ₂ = 0
4. Aus diesen Bedingungen ergibt sich die Forderung: ν₁_*τ₁ = ν₂_*τ2

Die einzelnen Parameter besitzen dabei folgende Bedeutung:
normierte Brechkraft der Teilsysteme: Φ = 1
Brechkraft der Einzellinsen: ϕ₁, ϕ₂
Abbezahl (Dispersion): ν= (n_9µ-1)/(n_7,5µ-n_10,5µ)
temperaturabhängiger Brechzahländerungskoeffizient: dn/dT
temperaturabhängiger Ausdehnungskoeffizient: α
integraler Temperaturkoeffizient: τ = (1 + dn/dT)/(1 + α)-1 ≈ dn/dT -α(für α « 1)

Im folgenden sind die Konstanten verschiedener infrarot transparenter Materialien aufgelistet.

Dieser Tabelle ist zu entnehmen, wie gut die verschiedenen Materialien zueinander passen: Man erkennt, daß sich besonders gut die Chalkogenidgläser IG4 und IG6 als Positivlinsen in Kombination mit ZnSe als Negativlinse eignen. Auch ZnS ist als Partner in der Negativlinse geeignet, vor allem wenn es in erster Linie auf die Achromasie ankommt, denn durch die extreme Differenz in der Dispersion können die Einzelbrechkräfte klein gehalten werden.

Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.

Auch für den Reimager nach Anspruch 1 ist gemäß den Ansprüchen 2 und 3 vorgesehen, daß die Relaisoptik aus höchstens drei Linsen besteht, bzw. daß dabei eine Negativlinse aus ZnS oder ZnSe besteht und eine Positivlinse aus dem gleichen Chalkogenidglas, das schon im Frontobjektiv verwendet wird.

Der besonders vorteilhafte Ansatz der Erfindung kommt im Anspruch 6 zum Ausdruck, wonach das Frontobjektiv wie die Relaisoptik je einzeln achratherm ausgebildet sind.

Nach Anspruch 7 ist eine gleichmäßige Verteilung der Brechkräfte, keine Linse hat wesentlich mehr als die doppelte Brechkraft des Gesamtsystems, vorgesehen.

Nach den Ansprüchen 8 und 9 sind ein bis zwei asphärische Linsenflächen, davon eine im Frontobjektiv, vorgesehen.

Nach Anspruch 16 sind die Asphären rotationssymmetrisch, die Pfeilhöhe p als Funktion des Radius h ist eine Potenzreihenentwicklung mit nur geraden Exponenten, also

mit R = Scheitelradius, k = konische Konstante, c₁ . . . c_n asphärische Konstanten. Für diese Potenzreihenentwicklung sind auch die Asphärendaten in den Tabellen angegeben.

Anspruch 10 legt fest, daß alle Positivlinsen aus Chalkogenidglas bestehen, wie dies in den gezeigten Ausführungsbeispielen der Fall ist und aufgrund der oben gezeigten Tabelle 1 vorteilhaft ist.

Die Ansprüche 11-12 und 19 betreffen die Anpassung an serienmäßig erhältliche Infrarotdetektoreinheiten. Diese gibt es als Zeilendetektoren, bei den Beispielen 1-7 vorgesehen, oder als zweidimensionale Arrays, wie bei den Beispielen 8-10 vorgesehen.

Diese Detektoren müssen zur Unterdrückung von Untergrund signalen gekühlt werden und sind darum in Dewargefäßen eingebaut, die ein Fenster aus einer Germanium-Planplatte als Einlaß für die IR-Strahlung aufweisen. Die Konstruktion aller Ausführungsbeispiele berücksichtigt das durch die Anordnung einer Planplatte aus Germanium und die Lage der Austrittspupille.

Auch die Narzißblende in der Zwischenbildebene dient der Anpassung an den Detektor. Störende Rückreflexe der vom Detektor selbst ausgehenden IR-Strahlung werden dadurch so weit als möglich vermieden.

Die Ansprüche 14 und 15 geben Toleranzen von ± 0,5% Brenn weitenvariation über alle Temperaturen von -40°C bis +70°C und alle Wellenlängen von 7,5 µm bis 10,5 µm bzw. die maximale Schnittweitenablage innerhalb der beugungsbegrenzten
Schärfentiefe von ± 40 µm an. Die Bezeichnung "achratherm" für den erfindungsgemäßen Reimager ist also voll gerechtfertigt.

Die Ansprüche 17 und 18 gehen nochmals auf das Konstruktions prinzip der Verwendung möglichst weniger Linsenmaterialien ein. Im Frontobjektiv bzw. im gesamten Reimager genügen nur zwei Linsenmaterialien, das Material des Detektoreintrittfensters gehört nicht dazu. Gegenüber der US 4,679,891 wird also mindestens auf ein Material verzichtet.

Die Ansprüche 20 und 21 betreffen insbesondere die Ausführung mit einem zweidimensionalen Detektorarray, wo eine hinter dem Frontobjektiv angeordnete Planplatte vorgesehen wird, die dann durch geringes Kippen einen Bildversatz bewirkt und so das "Interlace"-Verfahren zur Erhöhung der Auflösung ermöglicht.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand der Ausführungs beispiele und der Zeichnung.

Es zeigen:

Fig. 1 den Linsenschnitt eines ersten, fünflinsigen Ausführungsbeispiels;

Fig. 2 die Beugungs-Modulationstransferfunktion und den Kontrast als Funktion der Defokussierung für verschiedene Bildhöhen;

Fig. 3-8 die Linsenschnitte der vierlinsigen Beispiele 2-7;

Fig. 9 die Beugungs-Modulationstransferfunktion und den Kontrast als Funktion der Defokussierung für verschiedene Strahlhöhen für das Beispiel 7;

Fig. 10-12 die Linsenschnitte zu den drei Ausführungsbeispielen 8-10, welche für einen zweidimensionalen IR-Detektor nach HDTV-Standard vorgesehen sind;

Fig. 13 die Beugungs-Modulationstransferfunktion, tangential und radial für verschiedene Strahlhöhen zum Beispiel 10.

Der in der Fig. 1 als Beispiel 1 dargestellte fünflinsige achratherme Reimager besteht aus dem Frontobjektiv 101 und der Relaisoptik 102 (die auch als Okular bezeichnet werden kann). In der Bildebene 15 ist ein IR-Zeilendetektor 20 angeordnet. Er wird gekühlt und sitzt zur Isolation in einem Dewargefäß 21, das mit einem Fenster aus Germanium mit den beiden planparallelen Flächen 12, 13 abgeschlossen ist.

In der Austrittspupille 14 liegt eine gekühlte Aperturblende (cold shield), eine Narziß-Blende ist in der Zwischenbildebene 5 angeordnet.

Eine negative Meniskuslinse aus ZnSe mit den Flächen 1 und 2, wovon die Hinterfläche 2 asphärisch ist, und eine positive Linse aus dem Chalkogenidglas IG6 der Firma Vitron, Jena, mit den Flächen 3 und 4 bilden das Frontobjektiv.

Eine negative Meniskuslinse aus ZnSe, eine positive Linse aus IG6 und eine schwach positive Germanium-Linse mit der asphärischen Frontfläche 10 und der Hinterfläche 11 bilden die Relaisoptik. Tabelle 1 gibt die Radien und Abstände und weiteren Daten dazu.

Fig. 2 zeigt die für dieses Ausführungsbeispiel erreichte Beugungs-Modulationstransferfunktion und den Kontrast als Funktion der Defokussierung für verschiedene Strahlhöhen.

Der tangentiale und radiale Kontrast ist nahezu beugungsbegrenzt.

Die weiteren Ausführungsbeispiele kommen mit nur vier Linsen mit zwei Asphärenflächen aus.

Fig. 3 zeigt den Linsenschnitt des zweiten Ausführungsbeispieles, Tabelle 2 gibt die Daten dazu. Die Germanium-Planplatte 210, 211, die Austrittspupille 212 und die Bildebene 213 entsprechen den gleichen Vorgaben wie bei Fig. 1. Hier werden drei Materialien verwendet (ZnS, ZnSe, IG6).

Fig. 4 zeigt den Linsenschnitt des dritten Beispiels, dazu die Tabelle 3. Hier sind nur ZnSe und IG6 verwendet. Die Fläche 308 trägt eine Asphäre, was auf dem Glas IG6 allerdings nicht so gut zu fertigen ist, wie auf ZnSe oder ZnS.

Fig. 5 zeigt den Linsenschnitt des vierten Beispiels, dazu die Tabelle 4 mit den Daten.

Fig. 6 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel entsprechend Tabelle 5.

Fig. 7 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel entsprechend Tabelle 6.

Fig. 8 zeigt ein siebtes Ausführungsbeispiel entsprechend Tabelle 7.

Hierzu zeigt Fig. 9 in einer der Fig. 2 entsprechenden Darstellung die Modulationstransferfunktion und den Kontrast als Funktion der Defokussierung für verschiedene Strahlhöhen YB bei der Ortsfrequenz 20 Linien/mm.

Es liegt beugungsbegrenzte Korrektion bis fast zur Bildecke hin vor.

Die bisherigen Beispiele zeigen Ausführungen zur Verwendung mit Zeilendetektoren, wie sie bei Infrarotkameras derzeit üblich sind. Die Beispiele zeigen, daß in vielen Varianten mit nur 4-5 Linsen aus 2, höchstens 3 Materialien unter Einbeziehung von zwei Asphären hervorragende achratherme Reimager erzielt werden.

Mehr Linsen werden jedoch auch nicht benötigt, wenn die Auslegung für ein zweidimensionales Detektor-Array nach HDTV- Standards (High Definition Television) erfolgt, wofür die folgenden Beispiele ausgelegt sind.

Das achte Ausführungsbeispiel der Fig. 10 hat die Daten der Tabelle 8. 1000 ist die Eintrittspupille. Der Umlenkspiegel 1008 dient rein zur Anpassung an die Einbaugeometrie, er kann ersatzlos gestrichen werden, ein gleichartiger Spiegel ist aber auch bei den Beispielen 1-7 bei Bedarf unterzubringen.

Auch hier ist in der Bildebene 1016 der Detektor 1020 untergebracht, der gekühlt werden muß und deshalb in einem Dewargefäß 1021 angeordnet ist, das ein Ge-Eintrittsfenster 1013, 1014 und die Blende 1015 in der Austrittspupille des Objektivs enthält. Um die Erhöhung der Bildauflösung nach dem Interlace-Verfahren zu ermöglichen, ist hinter dem Frontobjektiv 1001-1004 eine ZnSe-Planplatte 1005, 1006 angeordnet, die durch einen Antrieb 1050 gekippt werden kann, so daß das Bild in der Bildebene 1016 etwa um die halbe Pixelgröße - das halbe Rastermaß des Detektor-Arrays 1020 - seitlich versetzt wird. Auch dieser Teil kann entfallen, die Korrektur des Reimagers ist dann aber anzupassen.

Die Brennweite beträgt f′ = 42,88 mm, die Öffnungszahl K = 1,7, der Eintrittspupillendurchmesser ist 25,22 mm, die bildseitige numerische Apertur NA′ = 0,294. Die Länge von der Detektorebene 1016 bis zur Eintrittsfläche 1113 des Ge- Eintrittsfensters beträgt 11,52 mm, der halbe objektseitige Feldwinkel w′ = 7,65°.

Der Spektralbereich beträgt wie bei den vorigen Beispielen λ= 7,5 µm bis 10,5 µm der Temperaturbereich umfaßt T ± ΔT = 20°C ± 50°C.

Auch hier genügen vier Linsen mit zwei Asphären 1003, 1009 vollauf, obwohl die transportierte Lichtröhre (Produkt aus Apertur mit Feld) etwa auf das Vierfache gesteigert ist.

Das neunte Beispiel der Fig. 11 mit den Daten der Tabelle 9 weist wie das erste Ausführungsbeispiel insgesamt fünf Linsen, davon drei im Okular, auf. Diese Variante hat den herstellungstechnischen Vorteil, daß die asphärischen Flächen 1103 und 1113 nicht in das Chalkogenid-Glas IG6 eingearbeitet werden müssen. Bei der Version 8 der Fig. 10 ist die zweite Asphärenfläche 1109 auf IG6, ähnlich wie auch beim folgenden Beispiel, aufgebracht.

Das zehnte Beispiel der Fig. 12 gemäß Tabelle 10 weist wiederum vier Linsen auf. Es entspricht weitestgehend dem Beispiel 8, ist jedoch auf kürzeste Baulänge angelegt: die Länge von der Eintrittspupille (1000 bzw. 1200) bis zur Bildebene (1016 bzw. 1216) beträgt beim Beispiel 8 210 mm, hier beim Beispiel 10 nur noch 200 mm. Eine weitere Baulängenreduzierung würde eine deutliche Systemanspannung bedeuten und somit sehr enge Fertigungstoleranzen bedingen.

Die Ausführung nach Fig. 11 ist noch etwas kürzer (195 mm) und noch weiter verkürzbar, hat aber eine Linse mehr mit dem damit verbundenen Herstellungsaufwand.

Die Fig. 13 zeigt zum zehnten Beispiel die Beugungs- Modulationstransferfunktion. Auch bei vollem Bildwinkel ist der Modulationsverlust stabil und gering.

Bei einer Temperaturänderung von +50°C ändert sich die Bildlage um Δs′ und die Brennweite um Δ f′. Die Brennweitenänderung ergibt einen maximalen Versatz von Δ1′ am Bildrand. Die Schärfentiefe beträgt Δs′ = ± 50 µm für die Beispiele 8 bis 10. Tabelle 11 gibt die erreichte Athermalisierung für Beispiel 8 bis 10 an. Fassungsmaterial ist dabei Titan.

Tabelle 11

Die chromatische Längsabweichung wird in der folgenden Tabelle 12 als Ablagen der besten Einstellebene ΔBEE für die Wellenlängen 8 µm und 10,5 µm bezogen auf eine Grundwellenlänge von 9 µm angegeben.

Für die Beispiele 1-7 ist: k = 1,5 und damit die Schärfentiefe = ± 2λk² = ± 40 µm, für die Beispiele 8-10 ist: k = 1,7 und damit die Schärfentiefe = ± 2λ k² = ± 50 µm als Vergleichsmaßstab heranzuziehen.

Tabelle 12

Die angegebenen Beispiele zeigen also, daß mit vielen Varianten des erfindungsgemäßen achrathermen Reimagers hohe Auflösung bei chromatischer und thermischer Korrektur unterhalb der Grenze der Schärfentiefe erreicht wird.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Tabelle 4

Tabelle 5

Tabelle 6

Tabelle 7

Tabelle 8

Tabelle 9

Tabelle 10

Claims

1. Achrathermer Reimager, bestehend aus einem Frontobjektiv (101) und einer Relaisoptik (102), dadurch gekennzeichnet, daß das Frontobjektiv (101) genau aus einer Negativlinse (1, 2) aus ZnSe oder ZnS und einer Positivlinse (3, 4) aus Chalkogenidglas, insbesondere IG6 oder IG4, besteht und achratherm ist.

2. Achrathermer Reimager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Relaisoptik (102) aus höchstens drei Linsen besteht.

3. Achrathermer Reimager nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine Negativlinse (6, 7) der Relaisoptik (102) aus ZnSe oder ZnS und eine Positivlinse (8, 9) der Relaisoptik (102) aus dem im Frontobjektiv (101) verwendeten Chalkogenidglas besteht.

4. Reimager mit Zwischenbild,

- achromatisch für einen Wellenlängenbereich umfassend 8-10 µm, insbesondere 7,5 µm bis 10,5 µm, besser als 80%, vorzugsweise besser als 65%, der Schärfentiefe,
- athermal für einen Temperaturbereich von mindestens ± 30° bezogen auf Normaltemperatur 20°C, insbesondere -40°C bis +70°C, besser als 60% der Schärfentiefe,
- mit genau vier oder fünf Linsen.

5. Achrathermer Reimager bestehend aus genau vier Linsen (201, 202; 203, 204; 206, 207; 208, 209), wobei jeweils eine Positivlinse und eine Negativlinse ein Frontobjektiv und eine Relaisoptik bilden und die Negativlinsen (203, 204, 206, 207) aus ZnSe oder ZnS bestehen.

6. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Frontobjektiv (101) und die Relaisoptik (102) je einzeln achratherm ausgebildet sind.

7. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechkraft jeder Linse höchstens 2,2 mal so groß wie die Gesamtbrechkraft ist.

8. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß zwei asphärische Linsenflächen (2, 10) vorgesehen sind.

9. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß eine asphärische Linsenfläche im Frontobjektiv (101) angeordnet ist.

10. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 4-9, dadurch gekennzeichnet, daß die Positivlinsen (201, 202; 208, 209) aus Chalkogenidglas bestehen.

11. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der letzten Linse (10, 11) und der Austrittspupille (14) eine planparallele Platte (12, 13) eingesetzt ist.

12. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-11, gekennzeichnet durch die Lage der Austrittspupille (14) in einem Abstand vor der Bildebene (15) von 4-8 mal der halben Bilddiagonale, insbesondere Lage im Wärmeschild eines Kühlgehäuses (21) mit darin in der Bildebene (15) angeordnetem IR-Detektor (20).

13. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-12, gekennzeichnet durch die Anordnung einer Narzißblende in der Zwischenbildebene (14).

14. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-13, gekennzeichnet durch eine maximale Brennweitenvariation über alle Temperaturen von -40°C bis +70°C und Wellenlängen von 7,5 µm bis 10,5 µm von ± 0,5%.

15. Reimager nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die maximale Schnittweitenablage innerhalb der beugungsbegrenzten Schärfentiefe liegt.

16. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Form asphärischer Linsenflächen (2, 10) als Pfeilhöhe (P) als Funktion des Linsenradius (H) als Potenzreihenentwicklung mit nur geraden Exponenten beschrieben ist.

17. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 4-16, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsen (1, 2; 3, 4) des Frontobjektivs (101) aus nur zwei verschiedenen Materialien bestehen.

18. Reimager nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß alle Linsen aus nur zwei verschiedenen Materialien bestehen.

19. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-18 insbesondere nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Planplatte (12, 13) aus Germanium vorhanden ist.

20. Reimager nach mindestens einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeichnet, daß hinter dem Frontobjektiv (1001-1004) eine Planplatte (1005, 1006) angeordnet ist.

21. Reimager nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, daß die Planplatte (1005, 1006) kippbar ist, in der Bildebene (1016) ein zweidimensionaler Raster-IR-Detektor (1020) angeordnet ist und das Kippen der Planplatte (1005, 1006) eine Auflösungssteigerung nach dem "Interlace" -Verfahren bewirkt. (Fig. 10).