DE3214269C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine gekühlte Feldoptik für ungekühlte Infrarotteleskope nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Derartige Feldoptiken finden insbesondere an astronomischen Großgeräten zur Spektralphotometrie von Himmelskörpern im infraroten Spektralbereich Verwendung und dienen zur Reduktion der thermischen Untergrundstrahlung. Denn bei Wahl des geeigneten Durchmessers der gekühlten Blende, die das Gesichtsfeld des zum Nachweis benutzten Detektors definiert, am Ort der Zwischenabbildung der Austritts­ pupille wird die thermische Strahlung der Hauptspiegelzelle des Teleskops wirkungsvoll vom Detektor ferngehalten.

Es ist jedoch relativ schwierig eine Feldoptik mit Zwischenabbildung der Austrittspupille in ein gekühltes Dewar einzubauen, da wegen des bei großen Teleskopen recht weiten Abstandes der Austrittspupille des Teleskops vom Dewar mit langen Brennweiten gearbeitet werden muß. In der Regel ist daher eine Faltung des optischen Strahlen­ ganges nötig. Die Strahlablenkung mit Hilfe der im infraroten vorzugsweise benutzten Spiegeloptik führt allerdings Astigmatismus in die Pupillenabbildung ein, derart, daß eine Fehlanpassung des Bündelquerschnittes an die lichtempfindliche Fläche des Detektors resultiert, was dessen Empfindlichkeit mindert. Abhilfe schaffen hier asphärisch geformte Ablenkspiegel, die jedoch relativ aufwendig in der Herstellung sind. Zum Stand der Technik wird an dieser Stelle auf "Astronomy and Astrophysics" Band 94, Seite 280-284 (1981) verwiesen.

Aus der DE-PS 25 41 818 ist ein Infrarotteleskop mit gekühlter Feldoptik in Form einer einzigen direkt hinter dem Bildfeld ange­ ordneten Sammellinse bekannt. Hier erfolgt keine Zwischenabbildung der Austrittspupille des Teleskops und es sind keine Mittel vorge­ sehen, um die thermische Eigenstrahlung des Sekundärspiegels vom Detektor fernzuhalten.

Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine gekühlte Feld­ optik der eingangs genannten Art zu schaffen, die einen kompakten Aufbau erlaubt und eine astigmatismusfreie Pupillenabbildung sicher­ stellt.

Diese Aufgabe wird durch eine Ausbildung gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst.

Der damit erzielbare Vorteil ist darin zu sehen, daß der Aufwand zur Erreichung der gestellten Aufgabe relativ klein gehalten werden kann, denn aufgrund der koaxialen Strahlführung wird keine as­ phärische Optik benötigt. Infolge der Verlegung der Pupillenab­ bildung in die Nähe der Feldblende kann die ohnehin vorhandene, zentrale Vignettierung des Teleskops bei der Trennung der beiden koaxialen Strahlenbündel ausgenutzt werden, so daß kein Empfind­ lichkeitsverlust beim seitlichen Ausspiegeln aus dem koaxialen Strahlengang auftritt. Es kann ein einfacher, ebener Ringspiegel zur Ausspiegelung benutzt werden, der beispielsweise im Winkel von 45° gegen die optische Achse des einfallenden Strahlenganges geneigt in der Nähe der Feldblende angeordnet ist und eine elliptische Bohrung aufweist.

Zweckmäßig ist es, die gesamte Feldoptik als Spiegeloptik auszu­ bilden, um Probleme infolge der hohen Dispersion der im infraroten Spektralbereich verwendeten brechenden Materialien auszuschalten.

Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn es sich bei der gekühlten Blende am Orte der Pupillenabbildung um eine Ringblende mit zentraler Mittenabdeckung handelt. Dadurch wird die thermische Strahlung der zentralen Bohrung des Hauptspiegels des Teleskops wirkungsvoll unterdrückt. Diese Abschattung erweist sich noch effektiver als beispielsweise ein zentraler freier Durchgang in dem für die Ab­ bildung nicht genutzten Teil im Fangspiegel des Teleskops. Bei der letztgenannten Maßnahme wäre immer noch die durch den freien Durchgang tretende Emission der Erdatmosphäre als Untergrund zu berücksichtigen, deren Intensität zwar geringer als die der thermischen Strahlung des Fangspiegels, aber dennoch vorhanden ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen aufgeführt und werden in der nachfolgenden Be­ schreibung der Fig. 1 und 2 der Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 skizziert den Strahlengang in einem Cassegrain-Teleskop für IR-Beobachtungen;

Fig. 2 skizziert detaillierter den Strahlengang in der gekühlten Feld­ optik 3 für das Teleskop aus Fig. 1.

Das in Fig. 1 dargestellte Teleskop besteht aus einem Hauptspiegel 1 und einem Fangspiegel 2, der den Strahlengang durch die zentrale Bohrung im Hauptspiegel 1 hindurch in Richtung auf die in ein Dewar 3 eingebaute Feldoptik reflektiert. Die Brennebene des Teleskops befindet sich von der Feldebene 5 begrenzt im Inneren des durch das Fenster 4 abgeschlos­ senen Dewars 3.

Der Fangspiegel 2 kann z. B. als Schwingspiegel mit möglichst rechtecki­ ger Modulation ausgebildet werden, mit dem zwei alternierende Beobach­ tungsfelder definiert werden. Ein Beobachtungsfeld enthält das Bild des Objektes und den abgebildeten Hintergrund, während das andere nur Strah­ lung des Hintergrundes aufweist.

Wie Fig. 2 zeigt, ist direkt hinter der Feldblende 5 ein ebener Ring­ spiegel 8 angeordnet. Der Ringspiegel 8 besitzt eine elliptische Öffnung 18, durch die hindurch die Strahlung auf einen konkaven Feldspiegel 6 fällt.

Der Feldspiegel 6 trägt eine dichroische Spiegelschicht; wie der Pfeil 7 andeutet befindet sich hinter dem Feldspiegel eine Optik für den sicht­ baren Spektralbereich (nicht dargestellt), die eine visuelle Beobachtung des zwischen der Feldblende 5 entstehenden Objektbildes erlaubt. Diese Optik enthält einen Bildverstärker.

Der infrarote Teil der auf den Spiegel 6 auffallenden Strahlung wird in sich zurück und über den Ringspiegel 8 senkrecht zur Einfallsrichtung herausgespiegelt. Etwa im Abstand Feldblende 5 - Feldspiegel 6 entsteht ein Zwischenbild der Austrittspupille des Teleskops 1, 2. An dieser Stel­ le befindet sich die Ringblende 9, deren äußere Begrenzung die äußeren Teile des Hauptspiegels abdeckt und deren Zentralabdeckung 19 u. a. die thermische Strahlung der zentralen Bohrung im Hauptspiegel 1 ausblendet.

Zwischen der Blende 9 und dem Detektor 14 befindet sich ein Monochroma­ tor in Form eines Interferenzfilters 12. Dieses Interferenzfilter ist als drehbare Scheibe mit azimutal zunehmender Dicke der Interferenz­ schichten (CVF Filter) ausgebildet und kann gegen verschiedene Festfil­ ter ausgewechselt werden, die nicht immer die gleiche Substratdicke besitzen.

Zur Anpassung an diese Filter ist davor eine koaxiale Spiegeloptik 10, 11 angeordnet, die den Bündelquerschnitt der nachzuweisenden Strahlung reduziert und die Feldblende 5 nach Unendlich abbildet. Der Spiegel 11 dieses Cassegrain-Systems befindet sich in der zentralen Abschattung des eintretenden Strahlbündels und ruft daher keine zusätzliche Vignettie­ rung hervor. Infolge der Querschnittsreduktion wird das Auflösungsver­ mögen des Filters 12 optimal genutzt, während der parallele Strahlengang an dieser Stelle verhindert, daß sich die Fokuslage in Abhängigkeit der Substratdicke der verwendeten Filter verschiebt.

Ein elliptischer Konkavspiegel 13 konzentriert die Strahlung auf die Oberfläche des Empfängers 14. Der Spiegel 13 hat weniger abbildende als vielmehr lediglich lichtkonzentrierende Aufgaben und ist daher in Bezug auf die einzuhaltenden Toleranzen unkritisch.

Die vorstehend beschriebene Feldoptik ist nicht nur in Verbindung mit astronomischen Großgeräten brauchbar, sondern kann auch in Verbindung mit terrestrischen Infrarotfernrohren beispielsweise Nachtsichtgeräten eingesetzt werden, wenn es auf die Erzielung einer möglichst hohen Em­ pfindlichkeit ankommt.

Claims (11)

1. Gekühlte Feldoptik für ungekühlte Infrarotteleskope mit zentral durchbohrtem Hauptspiegel (1), wobei die Feldoptik mindestens ein hinter der von einer Feldblende (5) begrenzten Brennebene, auf der optischen Achse des Teleskops angeordnetes, sammelndes optisches Element enthält und mit dem Infrarotdetektor in der durch ein infrarotdurchlässiges Fenster abgeschlossenen Kammer eines Kühlgefäßes untergebracht ist und ein Zwischenbild der Austrittspupille des Teleskops (1, 2) am Ort einer gekühlten Blende (9) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß die Feldoptik einen konkaven Spiegel (6) enthält, der die durch die Feldblende (5) hindurchtretende Strahlung koaxial zurückspiegelt und dessen Brennweite und Abstand zur Feldblende (5) so gewählt ist, daß in der Nähe der Feldblende (5) ein Bild der Austrittspupille des Teleskops (1, 2) entsteht, dessen zentrale Vignettierung größer oder gleich der Öffnung (15) der Feldblende (5) ist.

2. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Blende (9) am Orte der Pupillenzwischenabbildung um eine Ringblende handelt, die eine Zentralabdeckung (19) aufweist.

3. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 1-2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Feldblende (5) und dem Feldspiegel (6) ein gegen die optische Achse geneigter, ebener Ringspiegel (8) in der Nähe der Feldblende (5) angeordnet ist.

4. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspiegel (8) im Winkel von 45° gegen die optische Achse geneigt ist und eine elliptische Bohrung (18) besitzt.

5. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß die gesamte Feldoptik als Spiegeloptik ausgebildet ist.

6. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Feldspiegel (6) dichroisch verspiegelt ist.

7. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß hinter der Ringblende (9) eine den Bündelquerschnitt verkleinernde Spiegeloptik (10, 11) angeordnet ist.

8. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei der Spiegeloptik (10, 11) um ein Cassegrain-System handelt, dessen Sekundärspiegel (11) innerhalb der zentralen Vignettierung des Teleskops (1, 2 ) angeordnet ist.

9. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 7-8, dadurch gekennzeichnet, daß in dem im wesentlichen parallelen Strahlengang hinter der Spiegeloptik (10, 11) ein Interferenzfilter (12) angeordnet ist.

10. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Interferenzfilter um diskrete Filter oder ein drehbares Filter mit azimutal verlaufender Schichtdicke (CVF Filter 12) han­ delt.

11. Gekühlte Feldoptik nach Anspruch 9-10, dadurch gekennzeichnet, daß auf das Interferenzfilter (12) eine Optik (13) folgt, die ein wei­ teres Zwischenbild der Austrittspupille des Teleskops auf der strah­ lungsempfindlichen Fläche eines Detektors (14) erzeugt.