DE2258923B2

DE2258923B2 - Spiegelsystem zum Bündeln oder Sammeln von Strahlungsenergie mit mindestens zwei rotationssymmetrischen Spiegeln

Info

Publication number: DE2258923B2
Application number: DE2258923A
Authority: DE
Inventors: Werner Robert Carlisle Mass. Rambauske (V.St.A.)
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1971-12-01
Filing date: 1972-12-01
Publication date: 1980-11-20
Also published as: DE2258923A1; GB1412957A; GB1412956A; DE2258923C3; GB1412954A; NL176496C; IT973777B; CH567272A5; NL7215874A; US3982824A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Spiegelsystem zum Bündeln oder Sammeln von Strahlungsenergie mit mindestens zwei rotationssymmetrischen Spiegeln von derartigem Profil, daß, wie bei Kegelschnitt-Rotations-

. - flächen bekannt, die gegebenenfalls virtuellen Brenngekennzeichnet, daß sowohl der erste Spiegel als 30 punkie aufeinanderfolgend beaufschlagter Spiegel zuauch der weitere Spiegel im Querschnitt spitzenför- sammenfallen.

mig auslaufend und durch Rotation eines Hyperbelabschnittes als Erzeugender um die Systemachse gebildet sind, wobei ein Hyperbelbrennpunkt auf der Systemachse gelegen ist

6. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der im Querschnitt spitzenförmig auslaufend erste Spiegel als Erzeugende den Ausschnitt einer Parabel aufweist, deren Mittellinie in bestimmtem Abstand parallel zur ,Systemachse verläuft

7. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Spiegel bezüglich eines Axialschnittes konkav ist

8. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der erste und der zweite Spiegel Spiegelflächen mit zueinander entgegengesetzter Krümmung besitzen und von einem Zylinderspiegel umgeben sind, dessen Achse mit der Systemachse zusammenfällt oder zu ihr parallel ist

9. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Lage mindestens eines der Spiegel verstellbar ist

10. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Erzeugung eines Bündels paralleler Strahlen aus einem divergierenden Strahlenbündel, das von einer auf der Systemachse gelegenen Strahlungsquelle ausgeht, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des der Strahlungsquelle zugewandten, bezüglich eines Axialschnittes konkaven ersten Spiegels der Abschnitt einer Hyperbel ist, deren einer Brennpunkt mit der Strahlungsquelle zusammenfällt, während der andere Brennpunkt auf der nachteiligen Folgen dieses Vergrößerung der axialen

Es sind derartige Spiegelsysteme bekannt Bei ihren Konstruktionen liegen die zusammenfallenden Brennpunkte der zwei rotationssymmetrischen Spiegel auf der

Systemachse, was den Nachteil hat daß der Scheitelbereich eines der Spiegel nicht ausgenützt werden kann. Eine Verminderung der
Nachteiles bedingt eine
Länge des Systems.

Durch die Erfindung soll die Aufgabe gelöst werden, ein Spiegelsystem der eingangs beschriebenen Art unter Vermeidung der Abschattung seiner Apertur so auszubilden, daß die axialen Abmessungen unter Vermeidung eines gefalteten Strahlenganges vermin-

45 dert werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Spiegelsystem der oben definierten Art dadurch gelöst, daß die zusammenfallenden Brennpunkte außerhalb der Systemachse liegend eine zu dieser Systemachse

so konzentrische Brennlinie bilden.

Vorzugsweise ist die Erzeugende des in der Reihenfolge der Beaufschlagung ersten und/oder zweiten Spiegels ein Teil einer Ellipse oder ein Teil einer Hyperbel.

5s Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen eines Spiegelsystems der hier vorgeschlagenen Art bilden Gegenstand der anliegenden Ansprüche, deren Inhalt hierdurch ausdrücklich zum Bestandteil der Beschreibung gemacht wird, ohne den Wortlaut hier zu

60 wiederholen.

Es hat sich gezeigt, daß Spiegelsysteme der vorliegend angegebenen Art die Möglichkeit bieten, Achromatismus, sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus und andere Verzerrungen weitgehend zu

genannten Brennlinie liegt, auf der auch der eine

Brennpunkt der Erzeugenden des zweiten, bezüglich 65 vermeiden.

eines Axialschnittes konkaven Spiegels gelegen ist Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele unter

während der andere Brennpunkt dieses zweiten Bezugnahme auf die Zeichnung beschrieben. Es stellen

Spiegels auf einer zweiten, zur Systemachse dar:

F i g. 1 eine stark vereinfachte Skizze zur Erläuterung des Aufbaus eines Spiegelsystems der hier vorgeschlagenen Art,

Fig.2 eine Skizze eines Spiegelsystem* zur Erzeugung eines fokussieren Strahlenbündels begrenzter Konvergenz aus einem divergierender Strahlenbündel achsnaher Strahlen,

Fig.3 eine Skizze zur Erläuterung des Aufbaus des Spiegelsystems nach F i g. 2,

Fig.4 und 4A eine schematische Abbildung des Spiegelsystems bzw. eines Teiles davon zur Fokussierung achsnah verlaufender Strahlen unter Verwendung konvexer Spiegelflächen,

F i g. 5 eine stark vereinfachte Skizze eines Fernrohres mit einem Spiegelsystem der vorliegend angegebe- ts nenArt,

Fig.6 eine Skizze eines Spiegelsystems mit einem zylindrischen Sekundärspiegel,

Fig.7 eine vereinfachte Abbildung ehes Axialschnittes durch die Spiegelflächen eines Spiegelsystems verminderter Axiallänge,

F i g. 8 eine vereinfachte Abbildung eines Axialschnittes durch ein Spiegelsystem ähnlich F i g. 7 mit einem die Strahlung auf einen Punkt fokussierenden Ausgangsspiegel,

Fig.9 einen Axialschnitt durch eine gegenüber F i g. 7 abgewandelte Ausführungsform eines Spiegelsystems und

F i g. 10 eine vereinfachte Abbildung eines Spiegelsystems zur Fokussierung zunächst divergierender Strahlung auf einen Streckenabschnitt im Axialschnitt

Bevor auf die Zeichnungen im einzelnen eingegangen wird, sei bemerkt, daß in der folgenden Beschreibung die Spiegelflächen der verschiedenen Spiegel in den angegebenen Spiegelsystemen durch Betrachtung der Erzeugenden beschrieben werden. Der Fachmann weiß den jeweiligen Spiegel herzustellen, wenn er die Gestalt der Spiegelfläche, ausgedruckt durch die Gestalt der Erzeugenden und die Wellenlänge der betreffenden Strahlungsenergie, kennt Der Fachmann weiß also, daß die verschiedenen Spiegelflächen zur Erzeugung von Reflexionseigenschaften glatt in dem Sinne sein müssen, daß die Toleranz jeder Spiegelfläche oder reflektierenden Fläche etwa in Grenzen von ein Achtel der Wellenlänge der das Spiegelsystem treffenden Strahlungsenergie gehalten werden soll. Der Aufbau der verschiedenen Spiegel hängt dann von der Wellenlänge der zu verarbeitenden Strahlungsenergie ab und reicht von der optischen Glätte für Lichtstrahlung bis zu den Eigenschaften von Drahtgitter als Reflektor für so Hochfrequenzenergie.

Aus F i g. 1 ist zu ersehen, daß ein Primärspiegel 10 und ein Sekundärspiegel 12 vorgesehen find, die symmetrisch zu einer nicht näher bezeichneten Achse des Systems angeordnet sind. Die Spiegelfläche oder reflektierende Fläche des Primärspiegels 10 hat beim vorliegenden Ausführungsbeispiel die Form einer Spitze, die durch Rotation eines Teils einer Parabel 10' um die optische Achse erzeugt ist Der Brennpunkt der Parabel 10', welcher zugleich der virtuelle Brennpunkt mit Bezug auf den Primärspiegel 10 ist, beschreibt eine kreisförmige Brennlinie 13 in einer Radialebene zu der Achse des Spiegelsystems.

Die Spiegelfläche oder reflektierende Fläche des Sekundärspiegels 12 ist hier durch Rotation eines Teiles es einer Ellipse 12' um die Systemachse gebildet. Ein Brennpunkt f\ der Ellipse 12' bleibt dabei auf der Linsenachse, während der zweite Brennpunkt h in der kreisförmigen Brennlinie 13 wandert, wenn die Ellipse rotiert

Man erkennt daß Axialstrahlen, beispielsweise die Strahlen R\, Jfe, A3. welche auf den Primärspiegel 10 treffen, von diesem reflektiert werden und in der dargestellten Weise zu dem Sekundärspiegel 12 hingelenkt werden. Das bedeutet, daß jeder der Axialstrahlen R\, R% Rz in solcher Weife divergierend reflektiert wird, daß jeder der Strahlen von einem Punkt auszugehen scheint, der auf der kreisförmigen Brennlinie 13 gelegen ist Da aber h auch dem tatsächlichen Brennpunkt des Sekundärspiegels 12 entspricht gehen sämtliche Strahlen, welche von dem Primärspiegel 10 reflektiert worden sind, nach Reflexion an dem Sekundärspiegel 12 durch den Brennpunkt f\ des Sekuhdärspiegels.

Eine kurze Überlegung macht deutlich, daß wegen der Symmetrie des Primärspiegels 10 und des Sekundärspiegels 12 zur optischen Achse des Systems ein Winkel der Strahleneinrichtung der Axialstrahlen zu der optischen Achse die Fokussierung nicht beeinflußt Das heißt, sämtliche Axialstrahlen, welche auf den Primärspiegel 10 treffen, werden an dem Brennpunkt f\ des Sekundärspiegels 12 gesammelt Es sei hier bemerkt, daß Axialstrahlen in das Spiegelsystem gerichtet werden können, welche nicht auf den Primärspiegel 10 treffen. Soweit diese Strahlen nicht auf den Sekundärspiegel 12 auf treffen, laufen sie einfach durch das Spiegelsystem, ohne eine Wirkung zu haben. Diejenigen Axialstrahlen, welche unmittelbar auf den Sekundärspiegel 12 auftreffen, werden jedoch in Richtung auf die optische Achse des Systems reflektiert, gelangen jedoch nicht zu dem Brennpunkt f\. Die wirksame öffnung des dargestellten Systems ist daher gleich der Querschnittsfläche der Basis des Primärspiegels 10. Hiermit wird deutlich, daß man die wirksame öffnung des Systems dadurch optimal auslegen kann, daß man nur diejenigen Axialstrahlen in das Spiegelsystem eintreten läßt, welche auf den Primärspiegel 10 treffen. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel kann dies erreicht werden, indem der Sekundärspiegel 12 so weit verlängert wird, bis der von seinem vorderen Rand (in F i g. 1 der rechte Rand) bestimmte Kreis den gleichen Durchmesser wie die Basis des Primärspiegels 10 hat, oder indem der Durchmesser dieser Basis des Primärspiegels 10 hierzu vergrößert wird.

Man erkennt daß axiale Strahlen, nämlich Strahlen von einer punktförmigen Strahlungsquelle in großem Abstand von dem Spiegelsystem nach Fig. 1, in vollkommener Weise fokussiert werden. Das bedeutet, daß das Spiegelsystem für solche Strahlen eine fehlerfreie Abbildung ergibt Eine andere Situation ergibt sich für nicht achsparalleler Strahlen, nämlich Strahlen von einer punktförmigen Strahlungsquelle, die relativ nahe an der Spiegelanordnung gelegen ist oder Strahlen von einem ausgedehnten Bildgegenstand. An dem grundsätzlichen Spiegelsystem nach Fig. 1 treten chromatische Aberrationen auf, wenn Strahlungsenergie in Form nicht achsparalleler Strahler aufgenommen wird. Die Stärke einer sphärischen Aberration oder von Koma hängt von dem Winkelunterschied zwischen einem nicht achsparallelen Strahl und einem axialen Strah¹ an jedem Punkt der reflektierenden Fläche des Primärspiegels 10 ab. Es hat sich gezeigt, daß, wenn dieser Winkelunterschied gleich oder kleiner als 6° ist, die grundsätzliche Spiegelanordnung nach F i g. 1 durch genaue Auswahl der Erzeugenden der reflektierenden Flächen von Primärspiegel 10 und Sekundärspiegel 12

bezüglich der sphärischen Aberration oder des Komas korrigiert werden kann. Ist also die Erzeugende der reflektierenden Fläche des Primärspiegels 10 als Parabelausschnitt nahe dem Scheitel der Parabel (nämlich nahe der Symmetrieachse) gewählt, während die Erzeugende der reflektierenden Fläche des Sekundärspiegels 12 ein entsprechender Ausschnitt einer Ellipse 12' ist, so können sphärische Aberration und Koma auf ein unbedeutendes Maß verringert werden. Eine solche Verringerung dieser Abbildungsfehler ist aufgrund der Tatsache möglich, daß sowohl die Lage als auch die Größe der kreisförmigen Brennlinie 13 einstellbar sind, so daß die sphärische Aberration und das Koma des Primärspiegels 10 durch den Sekundärspiegel 12 kompensiert werden können. Bei dem einfachen Spiegelsystem nach F i g. i ist es nicht möglich, eine Bildebenenkrümmung oder eine Verzeichnung zu korrigieren. Die Abbildungsfehler der zuletzt genannten Art können aber in bekannter Weise dadurch korrigiert werden, daß die reflektierenden Flächen entweder des Primärspiegels 10 oder des Sekundärspiegels 12 durch Flächen ersetzt werden, welche als Erzeugende anstelle der Kegelschnittkurven Kurven höherer Ordnung besitzen. Eine Bildebenenkrümmung kann in üblicher Weise so korrigiert werden, daß eine aplanar reflektierende Fläche zwischen den Sekundärspiegel 12 und den Brennpunkt f\ geschaltet wird. Es versteht sich, daß dann das Bild an einem anderen Punkt als an der Stelle u erscheint

Es sei bemerkt, daß die Länge der grundsätzlichen Spiegelanordnung nach F i g. 1 in Richtung der optischen Achse dadurch verändert werden kann, daß der Durchmesser der kreisförmigen Brennlinie 13 verändert wird. Das bedeutet, daß die Lage des Brennpunktes f\ auf der optischen Achse durch entsprechende Auswahl der Erzeugenden für die reflektierenden Oberflächen des Primärspiegels 10 und des Sekundärspiegels 12 verschoben werden kann.

In F i g. 2 ist ein im Zusammenhang mit F i g. 3 näher zu beschreibendes Spiegelsystem dargestellt, welches sich im Wege eines divergierenden Lichtstrahlenbündels 20 einer Strahlungsquelle, beispielsweise eines Lasers 21, befindet. Der scheinbare Ausgangspunkt des Lichtstrahlenbündels ist der Punkt O (nachfolgend als konjugierter Brennpunkt) bezeichnet Ohne eine Beugung in dem Spiegelsystem würde das Lichtstrahlenbündel 20 auf den Punkt /fokussiert Aufgrund der Beugung in der Spiegelanordnung divergiert jedoch das austretende Lichtstrahlenbündel in der angedeuteten Weise. Der Divergenzwinkel t/des austretenden Lichtstrahlenbündels 20 kann durch folgende Gleichung bestimmt werden

t/(in radian) = k(L)/D.

Hierin beträgt der Faktor k für eine kreisförmige Ausgangsöffnung des Spiegelsystems 2,44 und es bedeutet L die WeDenlänge der Strahlungsenergie in Metern und D ist der Durchmesser der Ausgangsöffnung des Spiegelsystems in Metern.

Das in Fig.3 gezeigte Spiegelsystem enthält einen Eingangsspiegel 23, einen Sekundärspiegel 12⁷ und einen Ausgangsspiegel 25, welche in der dargestellten Weise auf eine nicht näher bezeichnete Systemachse ausgerichtet sind. Die reflektierende Oberfläche des Eingangsspiegels 23 ist hier durch Rotation eines Astes 23a einer Hyperbel um die Systemachse gebildet, wobei der scheinbare Ursprung O als ein Brennpunkt stillstehend auf der Achse bleibt Die Drehung des Hyperbelastes bei der Erzeugung der reflektierenden Fläche bewirkt dann, daß der Brennpunkt des Hyperbelastes 23a einen Kreis beschreibt, welcher als der primäre virtuelle Brennkreis h, P zu bezeichnen ist und daß die reflektierende Fläche des Eingangsspiegels 23 im Querschnitt spitzbogenförmig ist und symmetrisch zur Achse des Systems liegt

Bekanntermaßen halbiert eine Tangente an jedem beliebigen Punkt einer Hyperbel den Winkel, welchen

ίο die Verbindungslinien von diesem Punkt zu den konjugierten Brennpunkten der beiden Hyperbeläste hin miteinander bilden. Außerdem ist es bekannt, daß der Einfallswinkel eines auf eine gekrümmte, reflektierende Fläche treffenden Strahles gegenüber der Tangente im Auftreffpunkt genauso groß ist, wie der Reflexionswinkel des Strahles gegenüber dieser Tangente. Hieraus folgt, daß jeder nicht achsparallele Strahl des Strahlenbündels 20, welcher auf die reflektierende Fläche des Eingangsspiegels 23 trifft, nach Reflexion an dieser Fläche solche Richtung hat, daß er von einem Punkt auszugehen scheint, der auf dem primären, virtuellen Brennkreis h, /'gelegen ist

Da die reflektierende Fläche des Sekundärspiegels 12' durch Rotation eines Ellipsenabschnittes um die Systemachse gebildet ist so daß der geometrische Ort eines Brennpunktes der Ellipse dem primären virtuellen Brennkreis h, P entspricht, scheint auch jeder der von dem Primärspiegel 23 reflektierten nicht achsparallelen Strahlen von einem Punkt auszugehen, der auf dem geometrischen Ort des einen Brennpunktes des Sekundärspiegels 12' gelegen ist Nach Reflexion an dem Sekundärspiegel 12' werden daher diese Strahlen auf den geometrischen Ort des zweiten Brennpunktes des Sekundärspiegels 12' hingelenkt Aus F i g. 2 und 3 ist ersichtlich, daß die reflektierende Oberfläche des Sekundärspiegels 12' so gebildet ist, daß sie der Rotationsfläche entspricht die durch Drehung eines Ellipsenabschnittes um die optische Achse des Spiegelsystems in solcher Weise erzeugt ist, daß der geometrische Ort des zweiten Brennpunktes der Ellipse ein mit /ι, /" bezeichneter Kreis ist Die zweite Brennlinie des Sekundärspiegeis 12* wird also von diesem Kreis gebildet und nach Reflexion an dem Sekundärspiegel 12' werden die Strahlen auf Punkte hingelenkt welche auf diesem Kreis gelegen sind.

Der Ausgangsspiegel 25, welcher eine Reflexionsfläche besitzt die hier durch Rotation eines Abschnittes eines Hyperbelastes 25a um die optische Achse des Spiegelsystems gebildet ist, liegt zwischen dem Sekundärspiegel 12' und seinem Brennkreis f\, /". Der geometrische Ort des Brennpunktes des Hyperbelastes 25a bildet einen Kreis, der mit dem Brennkreis /i, /"des Sekundärspiegels 12' zusammenfällt Hieraus folgt daß die von dem Ausgangsspiegel 25 reflektierten Strahlen in Richtung auf den Brennpunkt / des zweiten Hyperbelastes reflektiert werden.

Man erkennt, daß das in Fig.3 gezeigte Spiegelsystem unter bestimmten Bedingungen charakteristischerweise frei von sphärischer Aberration ist Das bedeutet, daß die Energie irgend eines nicht achsparallelen Strahles von einer punktfönnigen Strahlungsquelle, die an dem konjugierten Brennpunkt hier dem Punkt O, der Hyperbel gelegen ist welche die Erzeugende des Primärspiegels 23 bildet, zunächst unter Außerachtlassung der Beugung, an dem Punkt / fokussiert wird, nachdem sie das Spiegelsystem nach den F i g. 2 und 3 durchlaufen hat Ferner ist offenbar, daß eine solche punktförmige Strahlungsquelle weder Koma, noch

Astigmatismus, noch Verzeichnung verursachen kann. Betrachtet man aber Energie aus einer Strahlungsquelle, die sich nicht an dem konjugierten Brennpunkt O befindet, so trifft das soeben Gesagte nicht mehr zu. Ist beispielsweise eine punktförmige Strahlungsquelle auf der Achse des Systems an einer Stelle gelegen, welche bestimmte Entfernung von dem konjugierten Brennpunkt O hat, so scheinen sämtliche von dem Primärspiegel 23 reflektierten Strahlung nun nicht mehr von dem primären virtuellen Brennkreis /j, /' auszugehen. Liegt die punktförmige Strahlungsquelle zwischen den konjugierten Brennpunkten, so scheinen die von dem Primärspiegel 23 ausgehenden Strahlen von einem primären virtuellen Brennkreis auszugehen, welcher in Richtung auf die Strahlungsquelle verschoben ist Wenn umgekehrt die punktförmige Strahlungsquelle weiter entfernt hinter dem konjugierten Brennpunkt liegt, so scheinen die von dem Primärspiegel 23 reflektierten Strahlen von einem primären virtuellen Brennkreis auszugehen, welcher von der Strahlungsquelle weg verschoben ist Im erstgenannten Falle werden die Strahlen nach Reflexion an dem Sekundärspiegel 12' auf einen Brennkreis hingelenkt, welcher von dem sekundären Brennkreis /i, /"in Richtung auf die Strahlungsquelle hin verschoben ist, während im letzteren Falle die Strahlen auf einen Brennkreis hingelenkt werden, welcher von dem sekundären Brennkreis /i, /"aus in der entgegengesetzten Richtung verschoben ist Der Ausgangsspiegel 25 kann nun so gelenkt werden, daß die Ebene seines virtuellen Brennkreises mit dem Brennkreis zusammenfällt, auf welchen hin die an dem Sekundärspiegel 12' reflektierten Strahlen gerichtet werden. Wird in solcher Weise verfahren, so werden die Strahlen nach Reflexion an der reflektierenden Fläche des Ausgangsspiegels 25 auf einen konjugierten Brennpunkt hingelenkt In dieser Weise kann man also offenbar eine sphärische Aberration korrigieren.

Betrachtet man eine punktförmige Strahlungsquelle auf der optischen Achse des Systems, so kann das beschriebene Spiegelsystem offenbar so justiert werden, daß es frei von Abbildungsfehlern ist Bei der Untersuchung der tatsächlichen Eigenschaften eines Spiegelsystems dieser Art ist es also notwendig, die Beugung zu berücksichtigen. Bei dem hier gezeigten Spiegelsystem stellt die öffnung des Ausgangsspiegels 25 den bedeutsamen Faktor dar. Bei einer gegebenen Wellenlänge der Strahlungsenergie soll der Durchmesser der Basis des Ausgangsspiegels 25 so groß wie möglich sein.

Aus den F i g. 4 und 4A ist zu ersehen, daß die hier angegebenen Grundsätze auch zum Aufbau eines Spiegelsystems verwendet werden können, bei welchem zwei konvexe Reflexionsflächen zur Fokussierung eines divergierenden Strahlenbündels eingesetzt werden. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist ein Primärspiegel 60 mit einer reflektierenden Oberfläche vorgesehen, die durch Rotation eines Teiles eines Hyperbelastes 60a einer Hyperbel um die optische Achse des Systems gebildet ist Dieser Primärspiegel wirkt mit einem Ausgangsspiegel 12" zusammen, welcher dem Primärspiegel 23 des Ausführungsbeispiels nach Fig.3 ähnlich ist Der Primärspiegel 60 hat, wie aus Fig.4A hervorgeht, im wesentlichen die Gestalt eines Trichters mit gekrümmten Wandungsflächen. Ist wieder eine Strahlungsquelle an dem konjugierten Brennpunkt Odes als Erzeugende dienenden Hyperbelastes angeordnet so scheinen sämtliche von dem Primärspiegol 60 reflektierenden Strahlen von Punkten auszugehen, welche auf dem Brennkreis /o, fo gelegen sind. Diese reflektierten Strahlen werden dann nach Reflexion an dem Ausgangsspiegel 12' zu dem konjugierten Brennpunkt / des Hyperbelastes 12a hin fokussiert, welcher als Erzeugender zur Herstellung der reflektierenden Oberfläche des Ausgangsspiegels 12" diente.

Man erkennt bei dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 4, daß dieses Spiegelsystem in gewissem Maße eine Mittenabschattung oder Öffnungsverlegung aufweist.

ίο Das bedeutet, daß ein Teil der Strahlungsenergie, welche in die öffnung des Primärspiegels 60 eintritt, von der Basis des Ausgangsspiegels 12" aufgefangen wird und daher am Durchgang durch das Linsensystem zu dem Punkt /hin gehindert wird. Der relative Betrag der Mittenabschattung kann aber offenbar dadurch vermindert werden, daß das Verhältnis der Öffnung des Primärspiegels 60 zu dem Durchmesser der Basis des Ausgangsspiegels 12" vergrößert wird. Diese Maßnahme findet allerdings ihre Grenze in der zulässigen Beugung.

In F i g. 5 ist aufgezeigt wie die hier angegebenen, grundsätzlichen Gedanken verwertet werden können, um gekrümmte Spiegel so zusammenzusetzen, daß sich ein Spiegelsystem der Cassegrain-Type ergibt, bei welchem symmetrische Reflektoren verwendet werden, ohne daß eine Mittenabschattung oder Verlegung der öffnung auftritt So ist in F i g. 5 ein Primärspiegel 70 in Zusammenwirkung mit einem Sekundärspiegel 72 vorgesehen, die eine Fokussierung von Strahlungsener-

gie ohne eine Verlegung der öffnung bewirken. Die reflektierende Oberfläche des Primärspiegels 70 ist konkav und durch Rotation eines Teiles eines Hyperbelastes 70a um die optische Achse des Systems gebildet Die reflektierende Oberfläche des Sekundärspiegeis 72 ist hier konvex und entspricht der Fläche, die durch Rotation eines Teiles eines Hyperbelastes 72a um die optische Achse des Systems entsteht Nachdem der reale Brennkreis des Primärspiegels 70 und der virtuelle Brennkreis des Sekundärspiegels 72 zusammenfallen, wird parallele Strahlung, die auf den Primärspiegel 70 trifft auf Punkte hin reflektiert, die auf dem reellen Brennkreis liegen. Bevor die Strahlen diesen Kreis erreichen können, erfolgt eine Reflexion an dem Sekundärspiegel 72 in Richtung auf den konjugierten

Brennpunkt, welcher mit /bezeichnet ist

Eine kurze Überlegung macht deutlich, daß die Länge des Spiegelsystems nach F i g. 5, nämlich der Abstand von der nicht näher bezeichneten Spitze des Primärspiegels 70 zu dem Punkt / in keinem unmittelbaren

so Zusammenhang zur Größe der öffnung des Primärspiegels 70 steht Das bedeutet, daß die öffnung in weiten Grenzen verändert werden kann, ohne daß eine entsprechende Änderung der Lage des Punktes / erforderlich ist

Anhand von Fig.6 sei nun erklärt, wie die hier aufgezeigten zum Aufbau eines aus drei Elementen bestehenden Spiegelsystems eingesetzt werden können, bei welchem nur der Eingangsspiegel und der Ausgangsspiegel zusammenfallende Brennlinien besitzen. So ist in Fig.6 ein Eingangsspiegel 80 gezeigt, dessen reflektierende Oberfläche entweder paraboloidisch oder hyperboloidisch ist und einen Brennkreis ha, fm, besitzt Ferner ist ein Ausgangsspiegel 82 vorgesehen, dessen reflektierende Oberfläche paraboloidisch ist und dessen Brennkreis mit dem zuvor erwähnten Brennkreis Z₈O, /so-, zusammenfällt Beide Spiegel sind auf einer optischen Achse des Systems angeordnet und von einem zylindrischen Spiegel 84

umgeben. Man erkennt, daß die Symmetrieachse des zylindrischen Spiegels mit der optischen Achse des Systems nicht genau zusammenzufallen braucht, solange die beiden Achsen nur im wesentlichen parallel zueinander sind.

Man ersieht aus der Zeichnung, daß der Brennkreis /eo, /so· als Kreis der Bildpunkte für Strahlen dient, die von dem Eingangsspiegel 80 reflektiert werden. Ist daher der Eingangsspiegel paraboloidisch und sind die auf den Eingangsspiegel 80 treffenden Strahlen im wesentlichen parallel zur optischen Achse des Systems, so werden die Strahlen zuerst von dem Eingangsspiegel 80 und dann von dem zylindrischen Spiegel 84 reflektiert und auf den Ausgangsspiegel 82 gelenkt, wobei die Strahlen von Bildpunkten auszugehen scheinen, die auf dem Brennkreis «o, tut gelegen sind. Nach Reflexion an dem Ausgangsspiegel 82 sind daher die genannten Strahlen wieder zueinander parallel. Ist die reflektierende Oberfläche des Eingangsspiegels 80 hyperboloidisch und treffen auf diese Fläche von einer Strahlungsquelle an dem konjugierten Brennpunkt (siehe F i g. 2) nicht achsparallele Strahlen, so ergibt sich die gleiche Situation und die von dem Ausgangsspiegel 82 reflektierten Strahlen sind auch parallel zueinander. In diesem Falle ist der Durchmesser des das Spiegelsystem verlassenden Strahles im Gegensatz zu dem Fall nach F i g. 2 kleiner als der Durchmesser des eintretenden Strahlenbündels.

Es sei hier darauf hingewiesen, daß das Spiegelsystem nach F i g. 6 leicht so abgewandelt werden kann, daß ein System entsteht, welches axiale oder nicht achsparallele Strahlen fokussiert. Wird die Form des Ausgangsspiegels 82 nämlich so geändert, daß anstelle der konkaven paraboloidischen Gestalt eine konkave quasi ellipsoidische Gestalt gewählt wird, d. h„ wird die Oberflächengestalt durch Drehung eines Teiles einer Ellipse um die Systemachse in der beschriebenen Weise erzeugt, so werden die von dieser Fläche reflektierten Strahlen an den Ort der konjugierten Brennpunkte dieser Oberfläche fokussiert Ferner ist bemerkenswert, daß zwar die Spiegelelemente des Spiegelsystems längs der optischen Achse angeordnet sind, daß jedoch nur eine einzige Reflexion jedes Strahles an dem zylindrischen Spiegel 84 stattfindet Diese Anordnung der Spiegelelemente kann abgewandelt werden, indem der Ausgangsspiegel 82 längs der optischen Achse so bewegt wird, daß eine mehrfache Reflexion an dem zylindrischen Spiegel 84 möglich ist Für eine solche Abwandlung ist es selbstverständlich erforderlich, die Gestalt des Ausgangsspiegels 82 abzuändern, wobei jedoch stets das Zusammenfallen der Brennlinien mit dem Eingangsspiegel 80 aufrechterhalten wird

Aus F i g. 7 geht hervor, daß die hier erläuterten Gedanken auch zur Bildung eines Spiegelsystems herangezogen werden können, welches einen konkaven Ausgangsspiegel und ein Paar konvexer Spiegel enthält, um einen beugungsbegrenzten, gebündelten Strahl aus einem zunächst divergierenden Strahlenbündel zu bilden. Ein Eingangsspiegel 90, der in bestimmter Weise gehaltert ist, ist an einer Nabe angeordnet Letztere wiederum ist über Speichen, welche justiert werden können, zentrisch an einem Haltering oder einer Fassung befestigt Ein Sekundärspiegel 95 ist ebenfalls an dem Haltering oder der Fassung befestigt Die relativen Lagen des Eingangsspiegels 90, des Sekundärspiegels 95 und eines Ausgangsspiegels 100 können so einjustiert werden, daß die Symmetrieachsen der Spiegelelemente zusammenfallen und die Lagen der einzelnen Spiegelelemente längs der optischen Achse des Systems in der gewünschten Weise gewählt sind.

Die reflektierende Fläche des Eingangsspiegels 90 entspricht einer Fläche, die durch Rotation eines Abschnittes eines Hyperbelastes der Hyperbel Z? um die Achse des Systems gebildet ist. Diese Bewegung entspricht einer Rotation der Hyperbel Fum die Achse des Systems, wobei ein Brennpunkt auf der Achse als Punkt 5 festgehalten ist. Der Brennpunkt des Hyperbelastes, welcher den ausgewählten Abschnitt enthält ist also von der Systemachse weg verschoben und der geometrische Ort der Brennpunkte ist ein Brennkreis 4

Die reflektierende Oberfläche des Sekundärspiegels

95 entspricht der Oberfläche, welche durch Rotation eines Abschnittes eines Hyperbelastes einer Hyperbel F um die Achse des Spiegelsystems gebildet ist. Wie bei der Entstehung der zuvor betrachteten Fläche entspricht diese Bewegung einer Drehung der Hyperbel F

20. um die Achse des Spiegelsystems. In diesem Falle haben jedoch beide Brennpunkte einen bestimmten Abstand von der optischen Achse. Das heißt, der auf der Hauptachse der Hyperbel F gelegene Punkt Γ wird auf der optischen Achse des Spiegelsystems festgehalten. Es zeigt sich dann, daß der Brennpunkt des einen Hyperbelastes den Brennkreis 4 4 beschreibt und daß der Brennpunkt des anderen Hyperbelastes der Hyperbel F, welche als Erzeugende für die reflektierende Oberfläche des Spiegels 95 gewählt ist, den Brennkreis f_a fd beschreibt Die durch die Kreise 4 4 und Fc fd bestimmten Ebenen stehen selbstverständlich senkrecht auf der Achse des Spiegelsystems.

Die reflektierende Oberfläche des Ausgangsspiegels 100 entspricht einer Fläche, die durch Rotation eines Abschnittes einer Parabel P um die Achse des Spiegelsystems gebildet ist Die Brennpunkte der Parabel Psind so gelegt, daß sie mit dem Brennkreis 4 fd zusammenfallen, welcher durch den Brennpunkt des Hyperbelastes der Hyperbel F beschrieben w^!rd, welcher die Erzeugende für die reflektierende Oberfläche 95' bildet Die Symmetrieachse der Parabel P ist parallel zur optischen Achse des Systems.

Wie schon gesagt ist es eine Eigenschaft einer Hyperbel, daß eine Tangente an einem Punkt eines Hyperbelastes den Winkel halbiert welcher von den Verbindungslinien von diesem Punkt zu den beiden Brennpunkten der beiden Hyperbeläste gebildet wird. Hieraus folgt daher, daß dann, wenn eine Quelle eines divergierenden Strahlenbündels an dem Punkt 5 gelegen ist und nur einen Teil der reflektierenden Oberfläche des Eingangsspiegels 90 beleuchtet, sämtliche von dieser Oberfläche reflektierten Strahlen ihren Ausgang von dem Brennkreis 4 4 zu nehmen scheinen. Nach Reflexion an der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 95 scheinen die Strahlen in gleicher Weise von dem Brennkreis 4 fd auszugehen. Eine Eigenschaft einer Parabel ist es, daß eine Normale in irgendeinem Punkt den Winkel halbiert, welcher von einer durch den betreffenden Punkt parallel zur Hauptachse gezogenen Linie und der Verbindungslinie zwischen dem betreffenden Punkt und dem Brennpunkt der Parabel gebildet wird. Hieraus ergibt sich, daß nach Reflexion an der reflektierenden Oberfläche des Ausgangsspiegels 100 die Strahlen im austretenden Strahlenbündel zueinander parallel sind Innerhalb der durch die Beugung gegebenen Grenzen sind also die Strahlen des austretenden Strahlenbündels parallel gerichtet
Aus F i g. 8 ist zu erkennen, daß der Ausgangsspiegel

95 der Ausführungsbeispiele nach F i g. 7 durch einen Spiegel ersetzt werden kann, der solche Gestalt hat, daß das austretende Strahlenbündel fokussiert wird. Als Ausgangsspiegel kann daher ein Spiegel 100a verwendet werden, der eine reflektierende Oberfläche besitzt, die derjenigen Fläche entspricht, die durch Rotation eines Abschnittes einer Ellipse £1 um die optische Achse des Systems gebildet wird. Ein Brennpunkt f_e der Ellipse E1 ist auf der Achse des Systems festgehalten, während der andere Brennpunkt einen Kreis beschreibt, der mit dem Brennkreis f_a fd zusammenfällt. Eine charakteristische Eigenschaft einer Ellipse ist es, daß eine Normale in irgend einem Punkt mit Ausnahme an den Enden der großen Hauptachse den Winkel zwischen den Verbindungslinien von dem betreffenden Punkt zu den Brennpunkten der Ellipse halbiert. Hieraus ergibt sich, daß nach Reflexion von der reflektierenden Oberfläche des Spiegels 100a die Strahlen im austretenden Strahlenbündel innerhalb der durch die Beugung gegebenen Grenzen auf dem Brennpunkt f_c fokussiert sind.

Betrachtet man nun Fig.9, so erkennt man, daß das Ausführungsbeispiel nach F i g. 7 weiter so abgewandelt werden kann, daß drei Spiegel vorgesehen sind, die einen einzigen Brennkreis /,», h" gemeinsam haben. Der wesentliche Unterschied zwischen den Ausführungsbeispielen nach den F i g. 7 und 9 wird aus F i g. 9 deutlich und besteht darin, daß die Symmetrieachse der Hyperbel F" zu der optischen Achse des Systems senkrecht steht

Anhand von Fig. 10 sei gezeigt, daß es bei Verwendung einer paraboloidischen Reflexionsfläche nicht notwendig ist, daß die Hauptachse der erzeugenden Parabel parallel oder senkrecht zur optischen Achse des Systems steht In Fig. 10 ist ein divergierendes Strahlenbündel gezeigt, welches von einer Strahlungsquelle 5 ausgeht und auf die Spiegelfläche des Eingangsspiegels 130 trifft Die Strahlen des Strahlenbündels sind nach Reflexion an dem Eingangsspiegel weiterhin divergent Nach Reflexion an der Spiegeifläehe eines Sekundärspiegels 132 sind die Strahlen parallel auf einen linienförmigen Fokus auf der optischen Achse gerichtet. Die Spiegelfläche des Eingangsspiegels 130 entspricht hier der Fläche, die durch Rotation eines Abschnittes eines Hyperbelastes um die optische Achse gebildet ist, wobei ein Brennpunkt im Punkt S festgehalten ist, während der andere Brennpunkt einen Kreis /„ f_e beschreibt. Die Spiegelfläche des Sekundärspiegels 132 ist eine Fläche, die durch Drehung eines Abschnittes einer Parabel um die optische Achse entsteht. Das entspricht einer Rotation der Parabel um die optische Achse derart, daß der Brennpunkt der Parabel mit dem Brennkreis f_a f_c zusammenfällt, während die Hauptachse der Parabel die optische Achse schneidet.

Es versteht sich, daß bei einer Änderung der jeweiligen Art von Strahlungsenergie, welche durch das Spiegelsystem geleitet wird, nur eine Änderung der Abmessungen des Systems entsprechend der Wellen-

länge der Strahlungsenergie erforderlich ist. Das bedeutet, Spiegelsysteme für elektromagnetische Strahlung beliebiger Wellenlänge oder für akustische Wellen gebaut werden können, indem einfach die Abmessungen der verschiedenen Bauteile verändert werden. Weiter können in den angegebenen Systemen Planarspiegel oder Aplanarspiegel zur Anwendung kommen, um den Strahlengang der Strahlungsenergie zu falten oder um den Astigmatismus oder eine Verzeichnung zu korrigieren. So können in dem Ausführungsbeispiel nach F i g. 5 gebräuchliche Planarspiegel oder reflektierende Prismen in den Strahlengang der von dem Sekundärspiegel reflektierten Energie gebracht werden, um die Gesamttiefe des dargestellten Spiegelsystems zu verkürzen. Außerdem sei darauf hingewiesen, daß die oder einige der angegebenen Spiegelflächen der verschiedenen Ausführungsbeispiele, welche von Kegelschnittkurven als Erzeugenden gebildet sind, durch Flächen ersetzt werden, die von Kurven höherer Ordnung als Erzeugenden gebildet sind, um verschiedene Abbildungsfehler zu korrigieren.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Spiegelsystem zum Bündeln oder Sammeln von Strahlungsenergie mit mindestens zwei rotationssymmetrischen Spiegeln von derartigem Profil, daß — wie bei Kegelschnitt-Rotationsflächen bekannt — die gegebenenfalls virtuellen Brennpunkte aufeinanderfolgend beaufschlagter Spiegel zusammenfallen, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenfaUenden Brennpunkte außerhalb der Systemachse liegend eine zu dieser Systemachse konzentrische Brennlinie bilden.

2. Spiegelsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des in der Reihenfolge der Beaufschlagung ersten und/oder zweiten Spiegels ein Teil einer Ellipse oder ein Teil einer Hyperbel ist

3. Spiegelsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß einer der Brennpunkte der Erzeugenden auf der Systemachse gelegen ist

4. Spiegelsystem nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß noch ein weiterer, mit Bezug auf die Systemachse rotationssymmetrischer Spiegel vorgesehen ist, dessen Brennpunkt bzw. dessen 2s Brennlinie mit dem zweiten Brennpunkt bzw. der zweiten Brennlinie des zweiten Spiegels zusammenfällt

5. Spiegelsystem nach Anspruch 4, dadurch

konzentrischen Brennlinie gelegen ist, auf der wiederum der Brennpunkt der Erzeugenden einer bezüglich eines Axialschnittes konkaven Spiegelfläche eines Ausgangsspiegels liegt, dessen Erzeugende ein Abschnitt einer mit ihrer Achse zur Systemachse parallelen Parabel oder einer mit ihrem jeweils anderen Brennpunkt auf der Systemachse des Systems gelegenen Ellipse ist

11. Spiegelsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3 zur Fokussierung der Strahlung eines divergierenden Strahlenbündels auf eine auf der optischen Achse gelegene Strecke, dadurch gekennzeichnet, daß die Erzeugende des ersten Spiegels ein Abschnitt einer Hyperbel ist, deren einer Brennpunkt mit einer auf der optischen Achse gelegenen Strahlungsquelle zusammenfällt und daß die Erzeugende des zweiten, bezüglich eines Axialschnittes konkaven Spiegels ein Abschnitt einer Parabel ist, deren Hauptachse mit der optischen Achse einen Winkel einschließt