DE3714745A1 - Optische anordnung mit radialer und axialer temperaturkompensation - Google Patents

Description

Die Erfindung kann bei optischen Systemen eingesetzt werden, die hohen Temperaturbelastungen im Anwendungs­ fall oder beim Transport ausgesetzt sind. Anwendungs­ fälle sind bei der Fernerkundung der Erde, Satelliten­ bilderfassungssystemen, Geodäsie oder Laserwegmeß­ systemen gegeben.

Bekannt sind optische Systeme, die mittels Abbildungs­ spiegeln eine Abbildung von einem bevorzugt telezentrischen Strahlengang in eine konjugierte Bildebene derart reali­ sieren, daß ein visueller oder elektronischer Empfänger die Bildinformation auswerten kann bzw. eine weitere optische Signalabbildung ankoppelbar ist.

In US-PS 42 26 501 ist eine Lösung beschrieben, bei der ein telezentrischer Strahlengang durch eine konzen­ trische, mittige Bohrung eines Sekundärspiegels auf einen konvex gewölbten Primärspiegel fällt, von diesem auf den Sekundärspiegel reflektiert und dann in eine Zwischenebene abgebildet wird.

Desweiteren sind Anordnungen bekannt, bei denen die Ab­ bildung auf einen konkav gewölbten Primärspiegel ohne Mittenbohrung realisiert wird, von einem Sekundärspiegel abgebildet und nochmals auf den Primärspiegel reflektiert wird, der den Strahl in eine zur Objektebene konjugierte Bildebene abbildet, wie in DE-PS 22 30 002 und DE-OS 24 10 924 beschrieben.

Bekannt sind auch Anordnungen, die zusätzliche Bau­ elemente im Strahlengang aufweisen, um die optische Abbildung zu beeinflussen, z. B. asphärische Linsen in DE-OS 34 39 297 oder sphärische Linsen in EP 00 80 566, wobei die optische Abbildung durch einen optisch transparenten Primärspiegel erfolgt.

Es sind auch Spiegelabbildungen bekannt, die in einem optischen Bauelement integriert sind, derart, daß Primärspiegelflächen auf der konvexen Rückseite durch ringförmige Spiegelflächen gebildet und Sekun­ därspiegel durch zentrische, mittige Konkavflächen gebildet werden, wie z. B. in DE-PS 29 27 515 be­ schrieben bzw. in ähnlicher Weise bei einem optischen Körper für ein Lidar-System realisiert und z. B. in DE-OS 31 10 981 beschrieben.

Ebenso sind Spiegelobjektive mit unterschiedlich ein­ stellbaren Brennweiten bekannt, bei denen der Sekun­ därspiegel mindestens zwei voneinander getrennte Spiegelzonen aufweist und axial verstellbar ist, wie in DE-OS 30 16 175 dargestellt.

DE-PS 33 28 518 beschreibt ein Spiegelsystem mit sphärischen Primär- und planen Sekundärspiegeln.

Spiegelobjektive mit partiell transparenten Sekundär­ spiegeln sind aus GB-PS 80 24 210 bekannt, ebenso solche mit gekoppelten Spiegeln, wobei diese transpa­ rente und reflektierende Flächen aufweisen, aus US-PS 41 88 091 und US-PS 41 96 967.

Bekannt sind auch Fokussieranordnungen für Spiegel­ teleskope aus DD-WP GO2B/24 19 662, bei denen der Primärspiegel relativ zum Sekundärspiegel bzw. zu einem Empfänger justierbar gestaltet ist.

Die Halterung der Spiegel in diesen Systemen basiert auf Mitteln, mit denen die Spiegel durch radial und tangential auf deren Rand wirkende Kräfte positioniert werden. Eine solche Lösung ist auch in DE-OS 29 03 804 beschrieben.

Bekannt sind weiter Kompensationsanordnungen zur Lage­ fixierung der Spiegel aus JP 56-2 09 310, FR-PS 24 28 852, DD-WP GO2B/2 57 524, DD-WP 2 21 505, DD-WPGO2B/25 03 747, US-PS 41 47 413, bei denen bei Temperaturänderung eine Kompensation der auftreten­ den Zug- oder Druckkräfte auf die optischen Bauelemente erreicht und eine quasi-konstante Zentrierung bewirkt wird. Axial wirkende temperaturkompensierte Anordnungen sind beispielsweise in US-PS 41 65 918, US-PS 41 90 325 und teilweise in CH-PS 3 853/81 sowie DE-PS 27 14 449 beschrieben, wobei kompensierte Ausgleichsmechanismen eine Wärmeausdehnung kompensieren. Es werden größten­ teils unsymmetrische Kugelführungen verwendet, auf denen Kompensationselemente relative Lageänderungen er­ fahren können. Abstandsstäbe zwischen Spiegelbauelementen, die als Los- bzw. Festlager dienen, finden ebenfalls Verwendung.

Nachteilig bei allen zitierten Lösungen ist der Um­ stand, daß bedingt durch die konzeptionelle Notwendig­ keit der Spiegelanordnungen entweder ein bestimmtes axiales Gebiet ausgeblendet wird und damit Bildinfor­ mationen bzw. Apertur verloren gehen oder daß ein Licht­ strahl, der axial auf das Cassegrain-System auftrifft, vom Sekundärspiegel ausgeblendet und nicht in die Zwischenbildebene abgebildet wird.

In bestimmten Fällen ist nur eine geringe Apertur ab­ bildbar bzw. übertragbar.

Abbildungssysteme mit transparenten bzw. teiltranspa­ renten optischen Bauelementen sind problematisch hin­ sichtlich der Extinktion. Eine gleichzeitige radiale und axiale Kompensation ist ungenügend verwirklicht und Kompensationsmaßnahmen in axialer Richtung be­ stehen nur darin, daß die Abweichung von einer defi­ nierten Zwischenbildebene bei Temperaturveränderung klein gehalten wird.

Nicht kompensiert wird die Abweichung zwischen den Bau­ elementen. Erreicht wird nur eine Bildebenenkompensa­ tion, die jedoch mit einer nicht kompensierten Bild­ güteschrift verbunden ist.

Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung anzugeben, deren optische Bauelemente bei Temperaturänderung keine relative axiale und radiale Abweichung ausführen und gleichzeitig ein fotoelek­ trischer Empfänger geringer Schärfentiefe spannungs­ arm lagefixiert ist.

Diese Aufgabe löst eine optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation erfindungsgemäß dadurch, daß ein modifiziertes Cassegrain-System eine hohlzylindrische Haltung aufweist, an der der Primär­ spiegel fast spannungslos lagefixiert ist, und eine weitere koaxiale hohlzylindrische Halterung stirnseitig stoffschlüssig mit der ersten Halterung verbunden und leicht spielend auf dieser aufgebracht ist, wobei die Abmessungen und Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß bei Temperaturänderung die Längenausdehnung des ersten Hohlzylinders durch die Längenausdehnung des zweiten Hohlzylinders kompensiert wird, so daß an einer bestimmten Stelle keine relative axiale Abstandsänderung zwischen den optischen Bauelementen auftritt und an dieser Stelle an mindestens einer in radialer Richtung angebrachten Strebe, die durch den ersten Hohlzylinder durch eine Bohrung hindurch­ ragt, eine weitere Strebe stoffschlüssig so ange­ bracht ist, daß bei Temperaturänderung die Ausdehnung der Strebe durch die Ausdehnung in Gegenrichtung von der zweiten Strebe, an der der Sekundärspiegel be­ festigt ist, kompensiert wird. Die Anordnung ist er­ findungsgemäß charakterisiert, daß ein Fotoempfänger mit der Hohlzylinderkombination derart verbunden ist, daß mehrere hintereinander angeordnete sensible Em­ pfängerschichten in axialer Richtung vorhanden sind, die diskret auswertbar sind.

Der Empfänger liegt dabei vorteilhaft zentrisch zur Systemachse an einer mechanischen Anlagenfläche an und ist an der Gegenseite mit einem quasi-elastischen, die Kontur des Empfängers begrenzenden Halterungselement lagegesichert und in radialer Richtung ebenfalls durch ein elastisches Halterungselement lagefixiert.

Dieses Halterungselement in radialer Richtung ist ebenfalls der Kontur des Empfängers angepaßt.

Der Sekundärspiegel ist an einer konzentrischen, optisch transparenten Planplatte befestigt, und die Planplatte wird an der Strebenkombination gehaltert.

Der Sekundärspiegel weist auf einer Seite eine Spiegel­ schicht auf, auf der Gegenseite ist an mindestens zwei Streben ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet, der einen vorzugsweise kleinen Laserstrahl- bzw. Lichtstrahldurchmesser quasi-axial erfaßt, wobei der Empfänger nur auf die Zustände "Signal vorhanden" bzw. "Signal nicht vorhanden".

Der fotoelektrische Empfänger wird an den Streben in einem definierten Abstand vor dem Sekundärspiegel gehaltert, die Streben zeigen in axialer Richtung, und der Empfänger ist vorzugsweise eine hochempfind­ liche Fotodiode.

Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist so aus­ gelegt, daß breitbandiger Betrieb, indusive UV- und IR-Bereich, möglich ist.

Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher er­ läutert werden.

Die Figur zeigt die optische Anordnung im Schnitt. In einer mechanischen Basis 1 ist ein spezielles optisches System mit einer Objektivhalterung 2 ein­ geschraubt. Das Befestigungsgewinde 3 sichert den Kraftschluß, während ein Zentrierkegel 4 die Lage­ fixierung bewirkt. Im Innendurchmesser 5 der Objektiv­ halterung 2 befindet sich ein Hohlzylinder 6 zur Kompensation, der gleitend eingepaßt und an der vorderen Stirnfläche stoffschlüssig mit einem weiteren Hohl­ zylinder 7 verbunden ist.

Die Fügestelle 8 kann zum Beispiel durch Diffusions­ schweißen realisiert werden.

Der Hohlzylinder 7 ist an der anderen Stirnfläche 9 stoffschlüssig gefügt und mit einem Kompensationsring 10 verbunden. Die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien für die Objektivhalterung 2, die Hohlzylinder 6; 7 und den Kompensationsring 10 sind im Zusammenhang mit den Abständen zwischen den Fügestellen, Anlagestellen und Klemmstellen so gewählt, daß bei Temperaturänderung der Abstand zwischen der Halterung 11 und der Position des Primärspiegels 12 konstant bleibt.

Der Hohlzylinder 6 ist kraft- und formschlüssig über den Kompensationsring 10 und Federring 13 in der Objektivhalterung 2 mit dem Klemmring 14 befestigt. Der Klemmring 14 besitzt eine planparallele Front­ glasplatte 15, die mit dem Klebstoffring 16 lage­ fixiert ist. Ein Kleber 17 sichert den Montagezu­ stand. Der Federring 13 besitzt Aussparungen 18, die einen Federeffekt beim Anziehen des Klemmringes 14 bewirken und eine permanente Vorspannung sichern. Der Primärspiegel 12 ist mit dem Klebstoffring 19 im Hohlzylinder 7 befestigt. Er enthält eine Bohrung 20, durch die eine Abbildung möglich ist. An seiner Rückseite ist ein Zentrierring 21 gelagert, der über vier Verbindungsstößel 22 und Justierelemente 23 verfügt, die an der Basis 1 gelagert sind, und eine Justierung des Primärspiegels 12 ermöglicht. Die Aushärtezeit des Klebstoffringes 19 muß den ge­ samten Justierzeitraum andauern, und erst im mon­ tierten Zustand darf der Klebestoffring 19 aushärten. Dann kann der Zentrierring 21 entweder am Primär­ spiegel 12 verbleiben oder weggeschwenkt werden. Der Sekundärspiegel 24 besitzt eine Reflexionsschicht 25 und ist optisch transparent.

An der planen Rückseite 26 ist an vier Streben 27 ein Detektor 28 befestigt, das über eine Abbildungs­ optik 29 lichtoptisch angetastet werden kann.

Ein quasi-achsnaher Strahl 30 wird von der Reflexions­ schicht 25 reflektiert und gelangt über eine Abbildungs­ optik 29 auf den Detektor 28.

Der Sekundärspiegel 24 besitzt radial wirkende Tem­ peraturkompensationsmittel, die aus einer ringförmigen Spiegelaufnahme 31 die mit vier in der Zeichnung nicht dargestellten Stegen mit einem Ring 32 verbunden sind, bestehen sowie vier der an stoffschlüssig gefügten Halterungen 11.

Die Abmessungen der Halterungen 11, der Spiegel­ aufnahme 31, der Stege sowie des Ringes 32 sind so gewählt, daß bei Temperaturänderung keine radialen Zug- oder Druckspannungen auf den Sekundärspiegel 24 ausgeübt werden.

Die Halterungen 11 sind im Hohlzylinder 6 justier­ bar mittels Justierschrauben 33 befestigt.

Die Objektstrahlen 34 werden vom Primärspiegel 12 und der Reflexionsschicht 25 auf den Detektor 35 abgebildet. Dieser ist radial in einer Ausnehmung 36 durch den elastischen Ring 37 lagefixiert und wird axial mit einem Federelement 38 gehaltert.

Die axiale Position der Fläche des Empfängers 39 wird so gewählt, daß die Zwischenbildebene bei Tem­ peraturänderung auswertbar bleibt bzw. die Befestigung wird analog der des Primärspiegels an Kompensationselementen vorgenommen.

Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die elektronische Auswerteeinheit der Detektorsignale über nicht dar­ gestellte Steuerungssysteme mit den Justierschrauben 33 zu koppeln und eine entsprechende Justierung des Primärspiegels 12 zu bewirken, das gilt ebenso für den Sekundärspiegel 24.

Claims (2)

1. Optische Anordnung mit radialer und axialer Tem­ peraturkompensation, die ein modifiziertes Cassegrain-System enthält und mit Mitteln zur Kompensation von Längenveränderungen bei Tem­ peraturänderungen versehen ist und an sich be­ kannte Mittel für die Signalgewinnung und -ver­ arbeitung aufweist, gekennzeichnet dadurch, daß die optische Anordnung in einer ersten hohlzylindrischen Halterung untergebracht ist, daß die erste Hal­ terung leicht spielend gelagert ist und beide Halterungen stirnseitig stoffschlüssig verbunden sind, daß an einem definierten Ort die relative axiale Abstandsänderung zwischen optischen Bau­ elementen kompensiert ist und an diesem Ort an mindestens einer in radialer Richtung angebrachten Strebe, die durch die erste Halterung hindurch­ ragt, eine weitere Strebe stoffschlüssig ange­ bracht ist, daß an der weiteren Strebe ein Sekun­ därspiegel angebracht ist, daß ein Fotoempfänger mit mehreren axial hintereinander angeordneten, sensiblen Empfängerschichten vorhanden ist, daß der Fotoempfänger mit der hohlzylindrischen Halterungskombination verbunden ist, zentrisch zur Systemachse an einer Anlagefläche anliegt und mit einem quasi-elastischen Halterungselement axial und radial gesichert, daß der Sekundär­ spiegel an einer konzentrischen, optisch transparenten Planplatte und diese an der Streben­ kombination befestigt ist, daß der Sekundärspiegel auf der der Spiegelschicht abgewandten Seite einen an mindestens zwei Streben befestigten foto­ elektrischen Empfänger aufweist, der quasi-axial Strahlenbündel erfaßt und auf die Zustände "Signal vorhanden" bzw. "Signal nicht vorhanden" anspricht.

2. Anordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der am Sekundärspiegel verwendete fotoelektrische Empfänger eine Fotodiode ist und die Anordnung breitbandigen Betrieb zuläßt.