DE2929971C2 - Optisches Abbildungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Optische Abbildungssysteme werden z. B. zur Überwachung von bestimmten Raumzonen verwendet. Gefordert ist hierbei eine Weitwinkelcharakteristik, um die zu überwachende Raumzone möglichst nur mit einem derartigen Abbildungssystem erfassen zu können. Hier bieten sich z. B. sogenannte Fischaugen-Objektive an. Derartige Objektive sind jedoch in dem optischen Aufbau äußerst kompliziert, großbauend und zudem schwer.

Aus dem Technical Memorandum TG 853, September 1966 der Johns Hopkins University: Line Scan Television for Earth Observation Satellites, ist ein Abbildungssystem bekannt, das in einen Erdsatelliten eingebaut ist und dazu dient, ein Bild der überflogenen Erdoberfläche Zeile für Zeile zu erhalten. Die Kugellinse ist hierbei nur eine scheibenförmige Kugelschicht, mit der lediglich eine Zeile der Erdoberfläche abgebildet wird. Das von dieser Kugelscheibe entworfene Zeilenbild wird mit Hilfe von zylindrischen Lichtleitfasern auf dem Schirm einer Abtaströhre abgebildet. Die von den Lichtleitfasern aufgenommenen und weiter transportierten Lichtsignale werden in der Abtaströhre direkt in elektrische Signale umgesetzt, die anschließend in geordnete Bildsignale zurückentwickelt werden. Da bei diesem optischen Abbildungssystem eine gekrümmte Zeile der Erdoberfläche aufgenommen wird, sind die der Kugellinsenscheibe zugewandten Stirnseiten der einzelnen zylindrischen Lichtleitfasern nicht sämtlich in der Brennfläche der Linse angeordnet, sondern je nach dem radialen Abstand von der Symmetrieebene mehr oder minder aus der Brennfläche herausgezogen. Die exakte Positionierung der Stirnseiten der Lichtleitfasern wird hierdurch erschwert.

Die Lichtleitfasern dieses bekannten optischen Abbildungssystems sind zylindrische, über ihren gesamten Querschnitt einen einheitlichen Brechungsindex aufweisende Lichtleitfasern, vergleiche in der Druckschrift Seite 9, Mitte erster Absatz, bei denen die Eintrittspupille auf Seiten der Kugelscheibenünse gleich dem Durchmesser der Stirnseite ist In derartigen Lichtleitfasern

ίο sind die Verluste zwar höher als bei speziellen Lichtleitfasern mit in radialer Richtung sich änderndem Brechungsindex; bei diesen speziellen Lichtleitfasern ist dann allerdings auch die Eintrittspupille kleiner als der Durchmesser der Lichtleitfaser. Diese Charakteristik widerspricht jedoch der Forderung nach einer möglichst hohen Auflösung des Kugellinsenbildes in einzelne direkt nebeneinander liegende Bildpunkte, deren jeweilige gesamte Fläche von der Lichtleitfaser bzw. von deren Eintrittspupille erfaßt werden soll.

In dem Buch Allan, Fibre Optics, Plenum Press, London, Seiten 21 bis 25, sind mathematische Formeln hinsichtlich der Einfalls- und Ausfallswinkel von Lichtstrahlen in konischen Lichtleitfasern angegeben. Hier ist erwähnt daß durch eine konische Struktur einer Lichtleitfaser die Flußdichte pro Flächeneinheit eingestellt werden kann, demnach in gewissem Rahmen eine Aperturanpassung vorgenommen werden kann. Eine solche Aperturanpassung wäre nötig, wenn die Bildpunkte in der Bildfläche der Eingangoptik eine andere Größe haben als die Bildpunkte auf Seiten des Empfängers. Eine praktische Anwendung für konische Lichtleitfasern ist jedoch in dieser Literaturstelle nicht angegeben; vielmehr berücksichtigen die dortigen Überlegungen im wesentlichen Durchmesseränderungen von Lichtleitfasern, die während der Herstellung unvermeidlich seien; vgl. Seite 21, Absatz E. Ein Hinweis auf das Auflösungsvermögen von optischen Abbildungssystemen mit derartigen konischen Lichtleitfasern ist in dieser Druckschrift ebenfalls nicht enthalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Abbildungssystem nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 anzugeben, das bei hoher Abbildungsqualität nur einen geringen Lichtverlustfaktor aufweist.
Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die der Kugellinse zugewandten Stirnseiten der Lichtleitfasern können außerdem sämtlich in der Bildfläche der Kugellinse angeordnet werden. Dies erleichtert wesentlich die Positionierung der Lichtleitfasern. Hier kann z. B. zwischen der Kugellinse und der Bildfläche eine Kugelschale angeordnet werden, auf deren Oberfläche dann die Lichtleitfasern mit einem Immersionskleber befestigt werden. Außerdem ist es möglich, den Brechungsindex der Kugellinse längs des Strahlenweges so auszubilden, daß die Bildfläche der Kugellinse direkt auf der den Lichtleitfasern zugewandten Oberfläche liegt. In diesem Fall können die Lichtleitfasern direkt auf die Kugeloberfläche mit Hilfe eines Immersionsklebers aufgeklebt werden, der einen quasi verlustlosen Übergang des Lichts von der Kugellinse in die Lichtleitfasern erlaubt.

Durch die Verwendung doppelt konischer Lichtleitfasern ist auch die Abbildungsqualität des Abbildungssystems gemäß der Erfindung hoch. Die Eintrittspupille der Lichtleitfasern auf Seiten der Kugellinse, die dem Durchmesser der Lichtleitfasern an deren Stirnseite entspricht, kann entsprechend der gewünschten Auflö-

sung gewählt werden. Durch die anfänglich konische Verbreiterung der von der Kugellinse ausgehenden Lichtleitfasern wird der Anteil des aufgefangenen Lichts im Gegensatz zu zylindrischen oder etwa sich konisch verjüngenden Lichtleitfasern vergrößert, so daß bei dichter Packung der Lichtleitfasern praktisch das gesamte aus der Kugellinse ausfallende Licht aufgefangen wird. Der Reflexionswinkel der Lichtstrahlen innerhalb dieses konisch sich erweiternden Teils der Lichtleitfasern wird im Hinblick auf die Längsachse der Lichtleitfasern verkleinert, so daß dieser Teil der Lichtleitfasern quasi als »Lichtberuhigungsstrecke« bei geringen Lichtverlusten dient. An der dicksten Stelle der Lichtleitfaser wird die konvexe Bildfläche der Kugellinse in eine Zwischenbildfläche umgewandelt Durch entsprechende Bemessung des Konusfaktors der Lichtleitfasern, d. h. des Verhältnisses des Durchmessers der Lichtleitfasern an der dicksten Stelle zu dem Durchmesser der Lichtleitfasern an der Stirnseite, kann an de»· dicksten Stelle ein virtuelles Zwischenbild hergestellt werden, das für die nachfolgenden, sich wiederum konisch verjüngenden Lichtleitfasern ideale Eintrittsbedingungen schafft, die auf die Bildpunktgröße des Empfängers, vorzugsweise eines Empfängers aus in einem Raster angeordneten ladungsgekoppelten (CCD)-Speichern angepaßt sind.

Die Erfindung ist in zwei Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert. In dieser stellt dar

Fi g. 1 schematisch eine Seitenansicht einer Kugeloptik gemäß der Erfindung mit einer Kugellinse, einem Lichtleitfaserbündel und einem als ladungsgeko^pelter Speicher ausgebildeten Empfängers;

F i g. 2 eine zweite Ausführungsform einer Kugeloptik gemäß der Erfindung.

Eine Kugeloptik 1 weist eine Kugellinse 2 sowie ein Lichtleitfaserbündel 3 auf. Die Kugellinse besteht aus einer oberen und einer unteren Kugelhälfte 2i bzw. 2₂. Die äußeren Ränder der Kugelhälften 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 Kugellinse 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 Filte¹" ist in die Kugeliinse immergiert, d. h. der Brechungsindex der beiden Materialien ist angepaßt und auch die Grenzschichten sind etwa mit einem Immersionskleber verbunden.

Wie aus der F i g. 1 ersichtlich, ist mit einer derartigen Kugeloptik ein Bereich von etwa 90° zu erfassen.

Die Bildfläche der Kugellinse 2 liegt ruf einer zur Kugeloberfläche konzentrischen Kugelfläche 7 mit dem Radius r; zwischen der Oberfläche der Kugellinse und der Bildfläche 7 ist entweder ein freier Raum belassen oder es ist, wie in F i g. 1 gestrichelt angedeutet, ein Kugelschalensektor 8 eingefügt, der mit der Oberfläche der Kugellinse 2 und der Oberfläche des Lichtleiterbündels 3 durch Immersionskleber verklebt ist. Wie für zwei Strahlen der F i g. 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 3|, 3₂ und 3₃ gezeigt sind. 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 20 mm Radius weisen die Lichtleitfasern an der Stirnseite Seinen Durchmesser von etwa 160 μπι, an der dicksten Stelle bei M etwa 240 μτη und am Ende an der Ausgangsseite bei A einen Durchmesser von et*a 40 μπη auf. Bei diesen Lichtleitfasern ist demnach der Konusfaktor auf der Länge zwischen S und M 1,5 und auf der Länge zwischen M 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. Der Austrittswinkel kann 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 42°, die für den Ausfall auf die lichtempfindlichen Rasterelemente des nachgeschalteten Empfängers 10 noch ohne zu große Verluste akzeptierbar sind.

Selbstverständlich kann das hier nur angedeutete Lichtleitfaserbündel auch entsprechend dem zur Verfügung stehenden Platz gebogen werden, so daß die in der F i g. 1 gezeigte um die Mittelachse der Kugellinse symmetrische Anordnung nur beispielhaft ist.

In Fig. 2 ist schematisch eine weitere Ausführungsform einer Kugeloptik dargestellt, wobei hier zur Ver- einfachung der Erläuterung dieselben oder gleichwirkenden Elemente mit gleichen Bezugsziffern versehen sind, denen jedoch ein ' angefügt ist.

Die Kugeloptik Γ besteht wiederum aus zwei Halbkugeln 2|' 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 2i zusammenfällt. Hierzu ist entweder nur der Brechungsindex der unteren Halbkugel geringer als derjenige der oberen oder beide Brechungsindices sind gleich und dementsprechend klein gewählt, um das Ergebnis zu erzielen. Auf die B. idfläche T bzw. die Kugeloberfläche der unteren Halbkugel 22' ist mittels eines Immersionsklebers 11 das Lichtleitfaserbündel 3' geklebt. 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 zunächst etwa linear konisch erweitert und verjüngen sich dann, bis deren Ausgangsseiten über eine Immersionsschicht 9' mit einem Empfänger 10' verbunden ist. Auch dieses Lichtleitfaserbündel kann natürlich entsprechend dem vorhandenen Platz gebogen werden. Die Kugeloptik gemäß der Fig.2 hat nur einen Auffaßbereich von etwa 45°, wodurch die Kugelschalen lediglich als Kalotten ausgebildet zu werden brauchen und auch das Lichtleitfaserbündel entsprechend kleiner gehalten werden kann.

Bei Kugeloptiken mit den oben angegebenen Maßen wird bei einem Bildwinkel von 90° eine Winkelauflö- ^ jng von mindestens 0,8° für eine Wellenlänge erreicht, wodurch auch der Winkelabstand zweier eindeutig aufzulösender Bildpunkte angegeben ist. Da dieser Wert von 0,8° den schlechtesten Wert darstellt, kann mit einer derarigen Kugeloptik mit den angegebenen Maßen das

Bildfeld linear durch mindestens 130 Punkte aufgelöst werden. Durch eine Anordnung von vier derartigen Kugeloptiken 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.

Selbstverständlich ist es auch möglich, einstückige Kugellinsen zu verwenden; bei diesen Linsen können Blende und Filter auf der Kugeloberfläche angeordnet

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Optisches Abbildungssystem mit einer Kugellinse als Eingangsoptik, einem optischen Empfänger und einer Vielzahl von Lichtleitfasern zwischen Kugellinse und Empfänger zur Auflösung des mit dem Abbildungssystem aufgenommenen Bildes in einzelne Biidpunkte, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (3) zwischen der Bildfläche (7) der Kugellinse (2) und dem Empfänger (10) sich zunächst etwa konisch verbreitern (bis M) und sich anschließend auf einen einem Bildpunkt des Empfängers (10) entsprechenden Querschnitt etwa konisch verjüngen.

2. Abbildungssystem nach \nspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Konusfaktor (Durchmesser der Lichtleitfasern an der dicksten Stelle zu Durchmesser der Lichtleitfasern an einem der beiden Enden mindestens 1,2 beträgt

3. Abbildungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Konusfaktor in dem Teil, in dem sich die Lichtleitfasern erweitern, etwa 1,5 und in dem Teil, in dem sich die Lichtleitfasern verjüngen, etwa 4 bis 6 beträgt.

4. Abbildungssystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleitfasern (3) aus zwei etwa konischen Lichtleitfasern zusammengesetzt sind.