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J u g e 1 0 p t i k
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Kugeloptik aus einer I:ugellinse
und einer Vielzahl von in deren Bildfläche r.lit der Stirnseite angeordneten Lichtleitfasern
(Kugeloptik.
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Derartige Kugeloptiken werden z.B. in Satelliten verwendet, um ein
Bild der überflogenen Erdoberfläche zu erhalten; vgl.
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Technical Memorandum TG S53, Sept. 1966 der Johns Hopkins ttnierste:
Line Scan Television for Earth Obseration Satellites, Sept. 1966.
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Aber auch auf anderen Gebieten können derartige Kugeloptien gut verwendet
werden, z.B. in der Überwachung von bestimmten Raumzonen oder zur Aufnahme von Gegenständen,
bei denen nur eine bestimmte, durch die Rasterpunkte der Lichtleitfasern vorgegebene
Auflösung verlangt ist; insbesondere können derartige I;ugeloptiken überall dort
eingesetzt werden, wo bei der entsprechenden Auflösung eine extreme Weitwinkeloptik
erfordert wird.
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Die Enden der Lichtleitfasern werden z.3. mit dem Schirm einer Abtaströhre
oder mit anderen optischen Empfänge-~ und Auswerteschaltungen verbunden, z.B. sogenannten
ladungsgekoppelten Speichern (CCD), in denen die in den Lichtleitfasern gefiihrten
Lichtsignale direkt in elektrische Signale umgesetzt werden, die danach in geordnete
Bildsignale zurückentwickelt werden.
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in besonderes Problem derartiger Kugeloptiken liegt darin, die Stirnseiten
der Lichtleitfasern genauestens in der Bildfläche der Iiugellinse zu positionieren;
hierzu sind in der Regel separate Halterungen außerhalb der Kugeloberfläche notwendig.
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Heute belcannte Lichtleitfasern weisen bereits einen nur geringen
Verlust auf; es sind auch spezielle extrem verlustfreie Lichtleitfasern bekannt,
die bei konstantem Durchmesser aus
mehreren radial konzentrischen
Schichten verschiedener Brechunosindices oder aus einem Material mit radial nach
außen fallendem Brechungsindex bestenen. Derartige Lichtleitfasern werden jedoch
hauptsächlich in der Nachrichtentechnik verwendet.
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In der optischen Bild technik, bei der Lichtleitfasern verwendet werden,
wird eine möglichst hohe Auflösung gefordert. Die Bildfläche muß daher in möglichst
viele direkt nebeneinanderliegende Bildpunkte zerlegt werden, deren jeweilige Gesamtfläche
von einer Lichtleitfaser bzw. von deren Eintrittspupille erfaßt wird. Daher besteht
hier die Forderung nach einer Lichtleitfaser geringen Durchmessers, wobei deren
gesamter Durchmesser praktisch die Eintrittspupille sein soll. Bei den genannten
speziellen Lichtleitfasern ist jedoch in der Regel die Eintrittspupille kleiner
als der Durchmesser. Aus diesen Gründen werden bei Spezialgeräten mit Kugeloptiken
Lichtleitfasern mit konstantem Durchmesser verwendet, bei denen die Eintrittspupille
gleich dem Durchmesser der Stirnseite ist. In derartigen Lichtleitfasern sind die
Verluste allerdings höher als bei den erwähnten speziellen Fasern.
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Auf der Ausgangsseite des Lichtleitfaserbündels ist die Forderung
nach hohem Auflösungsvermögen zwar nicht so stark vom kleinen Durchmesser der Lichtleitfasern
abhängig; so könnten hier auch bekannte konische Lichtleitfasern verwendet werden,
in denen das in die Eintrittspupille eintretende Licht aufgefächert wird. Die speziellen
Empfangseinrichtungen-, wie die erwähnten ladungsgekoppelten Speicher sind ihrerseits
jedoch bereits so klein, daß konisch verlaufende Lichtleitfasern mehr als eine Einheit,
d.h. mehr als einen Bildpunkt dieser Empfänger bedecken werden. Eine korrekte Wiederzusammensetzung
des Bildes lviirde schwierig. Wird jedoch eine Lichtleitfaser mit entsprechend kleinem
Durchmesser verwendet, so ist deren Verlustfa
3ctor zwangsiäufio
er.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Kugeloptik der eingangs
genannten Art anzugeben, bei der die Stirnseiten der Lichtleitfasern in der Dildebene
der ifugellinse einfach und sichter positioniert werden können und bei der die Lichtleitfasern
derart ausgebildet sind, daß sie bei hohem Auflösungsvermögen der ueloptik nur einen
geringen Verlustfaktor aufweisen.
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Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung!dadurch gelöst, daß die Lichtleitfasern
von den in der Bildfläche angeordneten Stirnseiten beginnend zunächst sich etwa
konisch verbreitern und danach sich wieder etwa konisch verJüngen. Vorzugsweise
liegt hierbei die Bildfläche der ugellinse direkt auf der ILugeloberfläche, was
z.D. durch einen entsprechenden Brechungsindes der Kugellinse erzielt werden kann.
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Die Lichtleitfasern können bei einer derartigen Iiugeloptik einfach
in der Bildfläche der I;ugellinse positioniert werden, insbesondere dann, wenn die
Bildfläche mit der Sugeloberfläche zusammenfällt. So können die Stirnseiten der
Lichtleitfaser direkt auf der Kugellinsenoberfläche mit einem Immersionskleber aufgeklebt
werten, der einen quasi verlustlosen Übergang des Lichtes von der Linse in die Lichtleitfasern
erlaubt.
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Durch den konischen Verlauf der Lichtleitfasern haben diese eine kleine
Eintrittspupille, die den Durchmesser der Lichtleitfasern an deren Stirnseite entspricht.
Trotzdem wird der Verlust, und zwar insbesondere der Abstrahlungs- und Brechungsverlust,
durch die konische Erweiterung der Lichtleitfasern klein gehalten. Diese konische
Erweiterung verläuft etwa über die erste Hälfte der Länge der Lichtleitfasern. Da
sich die Lichtleitfasern in der zweiten Hälfte
ihrer Gesamtlänge
wieder verjüngen, wird hier das Licht auf die ebenfalls kleine Austrittspupille
quasi gebündelt, so daß diese direkt etwa mit einem Bildpunkt eines ladungsgekoppelten
Speichers oder eines Abtastschirmes einer Elektronenstrahlröhre ebenfalls durch
einen Immersionskleber verklebt werden kann.
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Die Auflösung ist hierdurch besonders gut.
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Die doppelt-konischen Lichtleitfasern werden vorteilhaft aus zwei
einfach-konischen Lichtleitfasern zusammengesetzt, wobei die erste den Bereich SM
und die zweite den Bereich MA abdeckt, und die Lichtleitfasern bei M mit einem Immersionskleber
verbunden sind.
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Mit einer Kugel optik gemäß der Erfindung kann auf einfache Weise
eine Optik hergestellt werden, die z.B. über einen Gesamtbildwinkel von linear 90°
etwa 130 Bildpunkte auflöst und das Blickfeld auf ein Chip eines ladungsgekoppelten
Speichers von etwa 12,8 mm Länge und etwa 4,2 mm Breite abbildet, auf dem diese
Abbildung im Raster von etwa 0,1 x O,lmm abgetastet wird. Die Kugelform für eine
derartige Weitwinkeloptik in Verbindung mit einer auf die abbildende Kugellinse
zentrierten Kugel schale als Bildschale bringt noch den Vorteil mit sich, daß hierdurch
bei Verwendung von nur einer Wellenlänge alle Abbildungsfehler, bis auf die sphärische
Aberration entfallen. So entfällt etwa die Distorsion, so daß eine verzeichnungefreie
winkeltreue Abbildung über den gesamten Bildwinkel gewährleistet ist. Ebenso spielen
auch keine Rolle der Astigmatismus oder Bildfeldwölbungsfehler, so daß über den
gesamten Bildwinkel keinerlei astigmatische Verzerrung oder Wölbungsfehler auftreten.
Bei Verwendung von nur einer Wellenlänge entfällt ferner die chromatische Aberration.
Aber auch die sphärische Aberration kann sehr klein gehalten werden. Nimmt man etwa
eine Kugellinse mit einem Radius von 2omm bei einem Brechungsindex von 1,5 an, so
ist die Winkelabweichung in der Bildfläche eines parallel zur Mittelachse der Kugellinse
einfallenden Strahles bis etwa zu einem Abstand eines
halben Padius
wesentlich kleiner als 0,50, so daß auch die sphärische Aberration auf geringe Werte
begrenzt werden kann.
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Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung
näher erläutert. In dieser stellen dar: Fig. 1 schematisch eine Seitenansicht einer
Lgeloptik gemäß der Erfindung mit einer Kugellinse, einem Lichtleitfaserbündel und
einem als ladungsgekoppelter Speicher ausgebildeten Empfängers; Fig. 2 eine zweite
Ausführungsform einer icugeloptik gemäß der Erfindung.
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Eine TSugeloptik 1 weist eine Kugellinse 2 sowie ein Lichtleitfaserbündel
3 auf. Die ugellinse besteht aus einer oberen und einer unteren Nugelhälfte 2 bzw.
22, Die äußeren Ränder der Nugelhälften sind so ausgebildet, daß sie in einen hier
nur angedeuteten Träger 4 aufgenommen werden können. Zwischen die beiden Kugelhälften
ist eine Blende 5 gesetzt, die die Öffnung der Kugellinse auf einen symmetrisch
um deren Mittelpunkt liegenden Kreisbereich mit einem Durchmesser begrenzt, der
dem Radius r der Xugellinse entspricht. Die Öffnung der Blende kann, wie hier angedeutet,
auch ein optisches Filter 6 aufnehmen, um dann, wenn nur in einem bestimmten Wellenbereich
gearbeitet wird, Störlicht auszuschalten. Dieses optische Filter ist in die Kugellinse
immergiert, d.h. der Brechungsindex der beiden Materialien ist angepaßt und auch
die Grenzschichten sind etwa mit einem Immersionskleber verbunden.
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Wie aus der Fig. 1 ersichtlich, ist mit einer derartigen Kugeloptik
ein Bereich von etwa 900 zu erfassen.
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Die Bildfläche der I=uellinse 2 liegt auf einer zur T;ugeloberfläche
konzentrischen Kugelfläche 7 mit den Radius r;
zwischen der Oberfläche
der Kugellinse und der Bildfläche 7 ist entweder ein freier Raum belassen oder es
ist, wie in Fig. 1 gestrichelt angedeutet, ein Kugelschalensektor S eingefügt, der
mit der Oberfläche der Kugellinse 2 und der Oberfläche des Lichtleiterbündels 3
durch Immersionskleber verklebt ist. Wie für zwei Strahlen der Fig. 1 angedeutet,
liegen demnach sämtliche Bildpunkte der Kugellinse 2 auf der Bildfläche 7. In dieser
Bildfläche sind die Stirnseiten der Lichtleitfasern des Lichtleitfaserbündels 3
angeordnet, von denen hier nur drei, und zwar die Fasern 31s32 und 33 gezeigt sind.
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In der ersten Hälfte ihrer Länge verbreitern sich die Lichtleitfasern
etwa konisch und verJüngen sich danach ebenfalls etwa konisch; bei einer Optik mit
einer Kugellinse von 'o Radius weisen die Lichtleitfasern an der Stirnseite S einen
Durchmesser von etwa 160 µm, an der dicksten Stelle bei M etwa '40 un und am Ende
an der Ausgangsseite bei A einen Durchmesser von etwa 4o jir:0 auf. Bei diesen Liohtleitfasern
ist derinach der KonusfJctor auf der Länge zwischen S und M 1:1,5 und auf der Länge
zwischen N und A 6:1. Die Form der Lichtleitfasern hängt im wesentlichen von den
Aufnahmewinkelverhältnissen, d.h. vom Einfallswinkel der Strahlen in die Stirnseiten
der Lichtleitfasern bei S und von den noch zulässigen Austrittswinkeln bei A ab.
Das am Ausgang der Lichtleitfasern bei A austretende Licht würde zum Teil unter
sehr flachen bis an 900 reichenden Winkeln austreten; diese Winkel können stark
verkleinert werden durch die VerJüngung der Lichtleitfasern zwischen den Punkten
M und dem Ausgang A und zusätzlich durch eine Immersionsschicht 9, die zwischen
den Ausgang der Lichtleitfasern und einen als ladungsgekoppelter Speicher ausgebildeten
Empfänger 10 eingefügt ist. Wählt man den Brechungsindex der Immersionsschicht 9
entsprechend dem Brechungsindex der Lichtleitfasern zu 1,5, so erhält man maximale
Austrittswinkel von 420 , die für den Ausfall auf die
lichtempfindlichen
Rasterelemente des nachgeschalteten Smpfingers 10 noci ohne zu große Verus te akzeptierbar
sind.
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Selbstverständlich kann das hier nur anoedeutete Lichtleitfaserbündel
auch entsprechend dem zur Verfügung stehenden Platz gebogen werden, so daß die in
der Figur 1 gezeigte um die Mittelachse der Kugellinse symmetrische Anordnung nur
beispielhaft ist.
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In Figur 2 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Itugeloptik
dargestellt, wobei hier zur Vereinfachung der Erläuterung dieselben oder gleichwirkenden
Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, denen jedoch ein ' angefügt ist.
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Die Itugeloptik 1 besteht wiederum aus zwei Halbkugeln 2i und 22',
wobei in die Mitte zwischen diese seitlich begrenzten Halbkugeln eine Blende 5'
und ein optisches Filter 6' eingefügt sind. Ebenso wie beim ersten Beispiel haben
die beiden Halbkugeln einen gemeinsamen Mittelpunkt; die Brechungsindices der Halbkugeln
sind jedoch so aufeinander abgestimmt, daß die Bildfläche 7' mit der Kugeloberfläche
der unteren Halbkugel 22' zusammenfällt. IIierzu ist entweder nur der Brechungsindex
der unteren Halbkugel geringer als derjenige der oberen oder beide Brechungsind
ces sind gleich und dementsprechend klein gewählt, um das Ergebnis zu erzielen.
Auf die Bildfläche 7' bzw.
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die Kugeloberfläche der unteren Halbkugel 22' ist mittels eines Immersionsklebers
11 das Lichtleitfaserbündel 3' geklebt.
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Durch diese Immersionsschicht wird wie üblich wiederum ein quasi
verlustfreier Übergang zwischen der Kugellinse und dem Lichtleitfaserbündel für
das Licht erreicht. Die Lichtleitfasern des Bündels sind wie beim ersten Ausführungsbeispiel
zunacllst etwa linear konisch erweitert und verJüngen sich dann, bis deren Ausgangsseiten
über eine Immersionsschicht 9' mit einem Empfänger 101 verbunden ist, Auch dieses
Lichtleitfaserbündel kann natürlich entsprechend dem vorhandenen Platz gebogen
werden.
Die Kugeloptik gemäß der Figur 2 hat nur einen Auffaßbereich von etwa 45°, wodurcil
die Sugelschalen lediglich als Kalotten ausgebildet zu werden brauchen und auch
das Lichtleitfaserbündel entsprechend kleiner gehalten werden kann.
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Bei Kugeloptiken mit den oben angegebenen Maßen wird bei eineni Bildwinkel
von 900 eine Winkelauflösung von mindestens 0,8 für eine wellenlänge erreicht, wodurch
auch der Winkelabstand zweier eindeutig aufzulösender Bildpunkte angegeben ist.
Dz dieser ert von 0,8 den schlechtesten Wert darstellt, kann mit einer derartigen
Kugeloptik mit den angegebenen Maßen das Bildfeld linear durch mindestens 130 Punkte
aufgelöst werden. Durch eine Anordnung von vier derartigen augeloptiken mit einem
Auffaßwinkel von 90° kann z.B. ein kompakter Rundum-Sensor konstruiert werden, der
inklusive Elektronik und Gehäuse in einem Zylinder von etwa 12 cm Durchmesser und
8 cm Höhe untergebracht werden kann. Sollte ein derartiger Rundum-Sensor etwa mit
herkömmlichen Optiken erstellt werden, so wäre weder die Einfachheit noch die kleine
Baugröße zu erreichen.
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Selbstverständlich ist es auch möglich, einstückige Kugellinsen zu
verwenden; bei diesen Linsen können Blende und Filter auf der Kugeloberfläche angeordnet
sein.
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