DE3804534A1 - Optisches system mit teilbereichsausblendung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System zur Abbildung eines Objektes unter Ausblendung eines vorbestimmten Teilbereiches.

Optische Instrumente, bei welchen ein Teilbereich ausgeblendet wird, um den Restbereich deutlicher sehen zu können, findet man in vielen Bereichen. Die Ausblendung ist besonders dort wichtig, wo ein starker Selbststrahler vorhanden ist, der un­ ausgeblendet schwächer strahlende Randbereiche überstrahlen würde. Dieses Problem ist besonders groß bei Koronagraphen (früher: Koronograph), mit welchen die Sonnenkorona betrachtet wird.

Die Ausblendung von Teilbereichen als solche wird seit langem angewendet. Bei den bekannten Geräten werden aber vor der Ausblendung Linsen und zur Ausblendung Kegelblenden verwendet. Wenn man nun aber sehr geringe Leuchtdichten neben starken Strahlern betrachten will, so muß man sehr hohe Anforderungen hinsichtlich einer geringen Streustrahlung an das abbildende System stellen. Einzelne Linsen führen aber wegen der be­ kannten Linsenfehler zu einer Verschlechterung der Abbildung.

Die Linsenfehler lassen sich durch den Einsatz mehrerer Linsen minimieren. Allerdings führt dies zu einer von der Linsenzahl abhängigen Lichtschwächung durch das Linsenmaterial und einer durch die Oberflächenrauhheit jeder Linse bedingten Erhöhung der Streustrahlung, was zusammen eine Verringerung des Gesamtkontrastes bewirkt. Somit hat man bei Linsensystemen entweder eine gute Abbildung oder geringes Streulicht.

Die Verwendung von Kegelblenden ist ein zweiter Störfaktor, der zusammen mit der Verwendung von Linsen die Streustrahlungs­ minimierung begrenzt.

Zu den Geräten, welche in dieser Hinsicht die höchsten An­ sprüche stellen, gehören die Koronagraphen. Bei diesen Geräten erfolgt die Ausblendung des Zentralbereichs bisher durch eine verspiegelte Kegelblende auf einer Feldlinse. Da eine Linse aber Streulicht an zwei Flächen und in ihrem Inneren erzeugt, sind hier der Reduzierung des Streulichtes Grenzen gesetzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Ausblendung eines Teil­ bereiches eines zu betrachtenden Beobachtungsbereiches zu er­ reichen unter Minimierung von Streulicht, vor allem aus dem auszublendenden Bereich.

Diese Aufgabe wird durch den kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, dadurch gelöst, daß dieses System einen von der Objekt­ strahlung direkt beaufschlagten Spiegel zur Er­ zeugung eines Zwischenbildes enthält, und daß in der Ebene dieses Zwischenbildes ein zweites reflektierendes Element an­ geordnet ist, das einen Teilbereichsausblender (Öffnung bzw. Bohrung, Kegelblende, Umlenkspiegel oder andere in derselben Art wirkende Elemente) von der Form des auszublendenden Teilbe­ reichs aufweist und dem ein zur Abbildung des reflektierten Bildteiles dienender Systemteil nachgeordnet ist.

Die Erfindung besteht im wesentlichen aus zwei sich in vorteilhafter Weise ergänzenden Maßnahmen, nämlich

• - die Verwendung eines Teilbereichsausblenders auf einem Spiegel
• - die Fokussierung des Eintrittsstrahles durch einen Spiegel auf die Vorrichtung zur Teilbereichsausblendung.

Der Teilbereichsausblender kann dabei als Öffnung bzw. Bohrung, als Kegelblende, als Umlenkspiegel oder mit einem anderen, in derselben Art wirkenden Element verwirklicht werden.

Der nachgeordnete Systemteil dient der Strahlmanipulation und kann z.B. aus einer Linse oder einem Spiegel bestehen.

Jede dieser Maßnahmen hat für sich genommen Vorteile gegenüber den bisher bekannten Systemen mit Teilbereichsausblendung und könnte für sich allein genommen existieren. So könnte z.B. der Teilbereichsausblender auf dem Spiegel auch ein zweiter, z.B. thermisch entkoppelter Spiegel sein, der den auszublendenden Teilbereich in einen separaten Strahlengang reflektiert, aller­ dings mit dem Nachteil, daß an diesem spiegelnden Teilbereichs­ ausblender durch Oberflächenfehler (Rauhigkeit, usw.) eine minimale Streustrahlung auftreten würde. Die Fokussierung des einfallenden Strahlenbündels könnte z.B. durch eine Linse er­ folgen, wobei sich allerdings ein gewisser Streustrahlungsan­ teil nicht vermeiden ließe. Erst die Verbindung der zwei oben genannten Maßnahmen in einem System führt dazu, daß die Nachteile bei der Verwendung der Einzelmaßnahmen nicht auf­ treten.

Die Minimierung von Streulicht bei einer Ausblendung kann vor­ zugsweise durch die Verwendung einer Öffnung erfolgen. Diese Öffnung befindet sich dazu auf einem optisch wirkenden Körper, auf den das einfallende Strahlenbündel fokussiert ist, an der Stelle, welche auf den auszublendenden Teilbereich sonst eine optische Wirkung entsprechend dem nicht auszublendenden Teilbe­ reich ausüben würde.

Durch die Öffnung (Loch, bzw. Bohrung) erfährt der auszu­ blendende Teilbereich im Gegensatz zu dem Rest des Eingangs­ strahles keine optische Wirkung an dem optisch wirkenden Körper, so daß eine streustrahlungsminimale Trennung des aus­ zublendenden von dem abzubildenden Eintrittsstrahl erfolgt. Dies vor allem, da ein strahlungsintensiverer Strahlenanteil, welcher ausgeblendet werden soll, optisch bei der Ausblendung unbeeinflußt bleibt. Dies ist der kennzeichnende Gegensatz zu den bisher angewendeten Teilbereichsausblendungen, welche zur Ausblendung auch strahlenstärkere Anteile optisch beeinflußt haben.

Ein weiterer, wesentlicher Vorteil bei der Teilbereichsaus­ blendung durch eine Öffnung ist, daß bei der Teilbereichsaus­ blendung von einem starken Strahler keine thermischen Einflüsse auf das abbildende System in Form einer lokalen Aufheizung ausgeübt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführung wird der durch die Öffnung ausgeblendete Teilbereich in einem hinter der Öffnung befindlichen optischen System zur Abbildung gebracht, so daß man mit einem Gerät sowohl den ausgeblendeten Teilbereich als auch den nicht ausgeblendeten Teilbereich zur Abbildung bringen kann. Daraus ergibt sich erstmals die Möglichkeit nach einer Verstärkung oder Abschwächung eines Teilbereiches beide Teilbe­ reiche später wieder als einen Gesamtbereich zur Abbildung zu bringen. In den ausgeblendeten Teilbereich können aber vorteil­ hafterweise auch andere Abbildungen eingeblendet werden. Dies können sowohl kennzeichnende Datenfelder als auch z.B. der in der Strahlenintensität stark herabgesetzte ausgeblendete Teilbe­ reich sein.

Die Minimierung von Streulicht bei einer Ausblendung erfolgt in vorteilhafter Weise durch eine Teilbereichsausblendung auf einem Spiegel. Es wird dabei der durch eine Eintrittsblende begrenzte Strahlengang in Richtung auf den Spiegel fokussiert. Auf dem Spiegel erfolgt dann die Teilbereichsausblendung, wobei der unausgeblendete Strahlengang in eine Richtung gespiegelt wird, in welcher er zur weiteren Abbildung verwendet werden kann.

Durch die Teilbereichsausblendung auf einem Spiegel hat man den großen Vorteil, daß der reflektierte, abzubildende Teil der Strahlung derart abgelenkt werden kann, daß eine Minimierung von Streulicht einfach möglich ist.

Die Minimierung von Streulicht bei einer Ausblendung erfolgt durch die Verwendung eines Spiegels als Eingangsobjektiv. Diese Bauweise erlaubt es, die Streustrahlung, welche an allen optisch wirkenden Flächen auftritt, dadurch zu minimieren, daß nur eine optisch wirkende Fläche, nämlich eine hochpolierte und damit streulichtarme Spiegelfläche den Eintrittsstrahl in Richtung auf den Teilbereichsausblender fokussiert. Dadurch wird im Vergleich zu der Benutzung einer Linse die zweite abbildende Fläche mit ihrer Oberflächenrauhigkeit und gegebenenfalls vor­ handenen Oberflächenunsauberkeiten als auch der unvermeidbare Einfluß von Volumeneffekten (Inhomogenitäten, Spannungen, Blasen, Einschlüsse, Verwerfungen, Browning, usw.) durch das Linsenmaterial vermieden.

Man erhält durch diese Erfindung zur Streustrahlminimierung bei Teilbereichsausblendung eine Optimierung und dadurch sehr gute Verhältnisse zur Beobachtung lichtschwacher Bereiche, welche ohne Ausblendung des lichtstarken Bereiches nicht sichtbar wären.

Besonders die Benutzung von Spiegeln sorgt im Gegensatz zu den bekannten Linsensystemen oder Einzellinsen für eine hohe Trans­ mission und schließt dabei gleichzeitig Farbfehlerfreiheit ein.

Um eine exakte Ausblendung zu erhalten, muß der auszublendende Bereich auf den Teilstrahlausblender fokussiert und positioniert werden. Dazu ist es vorteilhaft, mit einem der Spiegel eine Lageveränderung (dreiachsige Bewegung, zweiachsige Bewegung oder einachsige Bewegung, wobei eine Bewegung die Distanz parallel zur optischen Achse verändert) durchführen zu können.

Die Erfindung wird im folgenden am Beispiel eines Koronagraphen beschrieben. Koronagraphen sind optische Instrumente, mit denen die Beobachtung der lichtschwachen, vom Sonnenlicht über­ strahlten Korona möglich ist. Die wesentliche Aufgabe, die mit einem solchen Instrument zu bewältigen ist, besteht in der Unterdrückung des Streulichts, das einerseits an sämtlichen Flächen, andererseits aber auch an sämtlichen Kanten im Strahlengang, also z.B. der Eintrittspupille entsteht.

Der Vorteil der Erfindung wird besonders deutlich bei einem Vergleich mit vorhandenen Koronagraphen, bei welchem ein Linsenobjektiv das von ihm erzeugte Bild der Sonne auf eine kleine verspiegelte Kegelblende auf einer Feldlinse wirft, wobei der Blendendurchmesser dem Durchmesser des Sonnenbildes entspricht.

Durch die Verwendung einer Linse als Eingangsobjektiv wirken vor der Teilbereichsausblendung zwei optisch wirkende Flächen und ein optisch durchstrahlter Körper auf den Eintrittsstrahl ein. Beide optisch wirkenden Flächen können Oberflächenun­ sauberkeiten wie Kratzer, Polierrisse usw. aufweisen, welche zusätzlich zu dem Rest der bearbeitungsbedingten Oberflächen­ rauhigkeit zur Erzeugung von Streustrahlung beitragen. Außerdem führen die Volumeneffekte (Inhomogenitäten, Blasen, Ein­ schlüsse, Browning, Fluoreszenz, usw.) zu einer weiteren Er­ höhung der Streustrahlung.

Bevor das vom Objektiv erzeugte Bild nun durch die Feldlinse optisch beeinflußt wird, wird das vom Objektiv erzeugte Bild der Sonne auf eine kleine verspiegelte Kegelblende, die auf der Feldlinse befestigt ist, geworfen, deren Größe so bemessen ist, daß das Sonnenlicht vollständig ausgeblendet wird. In der Regel muß die Kegelblende etwas größer als das Sonnenbild bemessen werden. Das helle Bild der Sonnenscheibe wird von dieser Kegel­ blende an die Tubuswand reflektiert, die so ausgebildet ist, daß möglichst wenig Streustrahlung erzeugt wird. Dabei heizt sich die Kegelblende trotz ihrer sehr guten Verspiegelung relativ zur Feldlinse auf, so daß durch die Befestigung der Kegelblende auf der Feldlinse thermisch bedingte Spannungen sowohl durch die Befestigung als auch durch den thermischen Fluß von der Linsenmitte zum Rand entstehen. Da dies eine dynamische, zeitabhängige Veränderung der Linse bedeutet, können diese bildverschlechternden Vorgänge nicht bei der Konstruktion in der Berechnung berücksichtigt werden. In die­ selbe Richtung wirkt die Aufheizung des Zwischenraumes zwischen Objektiv und Feldlinse durch die Vernichtung des Hauptstrahlen­ anteils an den Tubuswänden. Ein Teil des hellen Bildes der Sonnenscheibe wird aber auch in Richtung auf das Objektiv reflektiert, wo es an den optischen Flächen und aufgrund der Volumeneffekte im optisch wirkenden Körper Streustrahlung in Richtung der Feldlinse erzeugt. Außerdem wird auch ein geringer Restanteil von den Tubuswänden wieder in Richtung auf die Feldlinse und auf das Objektiv gestreut, wobei letzterer wieder an optischen Flächen und im optisch wirkenden Körper Streu­ strahlung erzeugt. Diese Mehrfachreflexionen senken den Kontrast und damit die Qualität der Abbildung.

Die Vorteile der Erfindung können vorteilhafterweise in einem aplanatischen Spiegelsystem (Erfüllung der Sinusbe­ dingung) verwirklicht werden, wodurch man eine Komafreiheit in einem Bildfeld von fast 3° erreichen kann.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Radien der verwendeten Spiegel in einem 3-Spiegelsystem gleich groß. Primär- und Kollimationsspiegel sind dabei Teile eines gedachten großen einteiligen Spiegels, von welchem nur die verwendeten Teilbereiche real vorhanden sind. Daraus ergibt sich, daß durch Umbau vorhandener Spiegelteleskope der Spiegel­ koronagraph realisiert werden könnte.

Vorteilhafterweise kann der Blendendurchmesser und/oder der Ort der Blenden auf der optischen Achse verstellt werden.

Bei einem größeren Öffnungswinkel müssen Korrektursysteme vor­ gesehen werden. Dies kann vorteilhafterweise durch eine Schmidt-Platte, wie bei dem Schmidt-Spiegel, geschehen. Die Korrektur kann aber auch hinter der Austrittspupille in einem weiteren, als Objektiv benutzten Spiegelteleskop geschehen, wobei sich Teleskope vom Richey-Chretien-Typ besonders eignen. Es kann aber auch zur Korrektur von Abbildungsfehlern hinter der Austrittspupille und/oder hinter dem Spiegelteleskop ein Korrektursystem aus Linsen vorhanden sein, da nach der Aus­ blendung der Hauptstrahlenquelle die Streustrahlerzeugung einen geringeren Einfluß hat.

Zu Analysezwecken kann man vorteilhafterweise mindestens einen optisch wirkenden Körper zur Veränderung der spektralen Zu­ sammensetzung vor und/oder nach der Austrittspupille in den Strahlengang bringen.

Bei einem 3-Spiegelsystem befindet sich der Teilstrahlauslenker vorteilhafterweise auf dem Fangspiegel, da hier eine sehr genaue Ausblendung erfolgen kann.

Die Abbildung erfolgt vorteilhafterweise von unendlich nach unendlich mit einer reellen Abbildung der Eintrittsblende auf die Austrittsblende bei kleinem Öffnungswinkel. Dabei ist es günstig, wenn der Durchmesser der Austrittsblende höchstens dem Durchmesser des Bildes der Eintrittsblende entspricht. Der Durchmesser der Austrittsblende wird dabei vorteilhafterweise so bemessen, daß das von dem Rand der Eintrittsblende aus­ gehende Streulicht auf jeden Fall ausgeblendet wird. Eine Opti­ mierung des Gerätes für verschiedene Anwendungen ist dann möglich, wenn der Blendendurchmesser und/oder der Ort der Blenden auf der optischen Achse veränderbar ist.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn nach der Ausblendung ein paralleler Strahlengang für manche optische und spektroskopische Untersuchungen vorhanden ist.

Mit dieser Erfindung kann man aber nicht nur die Sonnenkorona beobachten, sondern auch Sterne in bestimmten Himmelsregionen ausblenden, um schwachstrahlende Körper in ihrer Umgebung sichtbar zu machen.

Die Figuren zeigen im einzelnen

Fig. 1 den Strahlengang in einem Spiegel-Koronagraph;

Fig. 2 eine seitliche Ansicht eines Teiles des Koronagraphen aus Fig. 1;

Fig. 3 ein Koronagraph mit einem großen Öffnungsverhältnis.

In Fig. 1 und 2 ist ein Spiegel-Koronagraph schematisch darge­ stellt. Nach Passieren der Eintrittspupille (1) fällt das ein­ tretende parallele Strahlenbündel (2) auf den hochpolierten streulichtarmen Primärspiegel (3). Eine erste reelle Abbildung kommt auf dem Fangspiegel (4) zustande, der in seiner Fläche in diesem Fall in seiner Mitte eine Öffnung (16) von der Größe des Sonnenbildes hat. Das zu eliminierende Sonnenlicht (5) wird durch einen hinter dem Fangspiegel (4) in geeigneter Weise angeordneten Planspiegel (6) aus dem Instrument als Strahl (7) ausgeblendet. Das im Strahl (8) enthaltene Bild der Korona mit dem ausgeblendeten Teilbereich (11) wird hingegen durch den Kollimationsspiegel (9) ins Unendliche abgebildet. Zwischen dem Kollimationsspiegel (9) und dem Zweispiegelsystem (13), hier Spiegelteleskop nach Richey-Chretien, kommt ein zweites reelles Zwischenbild der Eintrittspupille (1) zustande, das durch eine Austrittspupille (10) von dem Streulicht der Beugung an der Kante der Eintrittspupille (1) befreit wird. Nach dem Zwei­ spiegelsystem (13), welches als Kamera-Objektiv wirkt, gelangen die Strahlen nach einem Linsenkorrektursystem (14) auf einen Detektor (15). Wie in der Fig. 1 angedeutet, können der Primärspiegel (3) und der Kollimationsspiegel (9) Teile eines großen Hauptspiegels (12) sein. In ihrer Form sind in diesem Fall beide Spiegel (3, 9) außeraxial parabolisch und komplementär zueinander.

Im Gegensatz zu einem Linsen-Koronagraph, welcher bei Weißlicht nur eine sehr schlechte Abbildung liefert, kann man diesen Spiegel-Koronagraphen sowohl als Weißlicht-, als auch als Mono­ chromat-Koronagraph für hohe spektrale Reinheit verwenden. Das Gerät zeichnet sich durch die Existenz eines parallelen Strahlenbündels mit äußerst geringen Winkelfehlern im Strahlen­ gang aus. Außerdem ist der Streulichtbeitrag minimal, da vor der Ausblendung der Sonne nur eine Spiegelfläche (3) zum Ein­ satz kommt. Der Beugungsbeitrag der Eintrittspupille (1) wird an der Austrittspupille (10) eliminiert, da die Systemdaten so festgelegt wurden, daß eine reelle Abbildung der Eintritts­ pupille (1) zustande kommt.

Durch das passend ausgelegte Zweispiegelsystem (13) nach dem Ausblendungssystem (1, 3, 4 mit 16, 9 und 10) erfolgt eine Be­ seitigung der optischen Restfehler des Ausblendungs-, bzw. Grundsystems.

Die notwendige Feinjustierung des Ausblendungssystems kann durch eine Lageveränderung (17) des Primärspiegels (3) er­ folgen.

Eine Veränderung der spektralen Zusammensetzung kann durch ein Filter (18) erfolgen, welches über ein Gelenk (19) in den Strahlengang eingeklappt werden kann.

In Fig. 3 ist ein Koronagraph mit einer Schmidt-Platte (21) als Korrekturglied dargestellt. Diese Lösung erlaubt die Be­ obachtung mit einem großen Öffnungswinkel. Das einfallende Strahlenbündel (32) ist auch hier durch eine Blende (31) als Strahleneintrittsfenster begrenzt. Das ganze Gerät befindet sich in einer umschließenden Hülle (22), welche nur für den ausgeblendeten, umgelenkten Strahl (27) eine Austrittsöffnung (23) besitzt. Das einfallende Strahlenbündel (32) wird auf dem hinteren Spiegel (33) im Bereich (30) in Richtung des Aus­ blendspiegels (24) umgelenkt. Nach der Reflexion am Ausblend­ spiegel (24) mit der Öffnung (36) sind zwei Strahlen (25, 28) vorhanden. Der ausgeblendete Strahl (25) wird mittels eines Spiegels (26) in Richtung auf die Austrittsöffnung (23) der um­ schließenden Hülle (22) als Strahl (27) umgelenkt. Der am Ausblendspiegel (24) reflektierte Strahl (28) wird in einem anderen Bereich (29) des hinteren Spiegels (33) in Richtung auf das Austrittsfenster (21) mit Korrekturplatte umgelenkt. Für den ausgeblendeten Strahl (27) kann durch ein Strahleintritts­ fenster (37) ein anderer Strahl (38) über einen Einblendspiegel (39) eingeblendet werden. Der sich aus reflektiertem und einge­ blendeten Strahl zusammensetzende Austrittsstrahl (35) kann nach Durchgang durch die Austrittsblende (34) beobachtet werden.

Claims (10)

1. Optisches System zur Abbildung eines Objektes unter Aus­ blendung eines vorbestimmten Teilbereichs, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dieses System einen von der Objekt­ strahlung direkt beaufschlagten Spiegel (3, 30) zur Er­ zeugung eines Zwischenbildes enthält, und daß in der Ebene dieses Zwischenbildes ein zweites reflektierendes Element (4, 24) angeordnet ist, das einen Teilbereichsausblender (16, 36) (Öffnung bzw. Bohrung, Kegelblende, Umlenkspiegel oder andere in derselben Art wirkende Elemente) von der Form des auszublendenden Teilbereichs aufweist und dem ein zur Abbildung des reflektierten Bildteiles dienender Systemteil (9, 29) nachgeordnet ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Strahlengang der vom reflektierenden Element (4, 24) kommenden Strahlung (8) ein dritter Spiegel (9, 29) zur Umlenkung der Strahlung in den abbildenden Systemteil (13, 14, 15) vorgesehen ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der erste (30) und der dritte Spiegel (29) von einem einzigen Hauptspiegel (33) gebildet sind.

4. Optisches System nach Anspruch 2 und 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Spiegel (33) so ausgebildet ist, daß er die Lichteintritts- (1) in die Lichtaustrittsblende (10) abbildet.

5. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strahl (38) in den ausgeblendeten Bereich des eingetretenen Primärstrahlenbündels (2) eingeblendet wird.

6. Optisches System nach Anspruch 3 oder einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß der erste (30) und der dritte Spiegel (29) vom Hauptspiegel und das zweite reflektierende Element (24) vom Fangspiegel eines optischen Teleskops gebildet sind.

7. Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Fangspiegel (24) eine Durchbohrung (36) im Bereich der auszublendenden Strahlung aufweist.

8. Optisches System nach Anspruch 6 und 7, gekennzeichnet durch die Verwendung als Koronagraph mit einem zentral durchbohrten Fangspiegel.

9. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Austrittsblende (10) das Bild der Eintrittsblende (1) beschneidet, um das am Rand der Eintrittsblende (1) erzeugte Streulicht zu unterdrücken.

10. Optisches System nach Anspruch 1, oder einem oder mehreren der folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß das ausge­ blendete Licht (27) gezielt aus dem Teleskop herausgeleitet wird, ohne daß an weiteren optischen Flächen für die Be­ trachtung des nichtausgeblendeten Bereiches störendes Streulicht erzeugt wird.