DE3824969C2 - Objektiv für den Infrarot- und den sichtbaren Wellenlängenbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv für den Infrarot- und den sichtbaren Wellenlängenbereich.

Die Erfindung soll insbesondere in einem mit einer Infrarot­ kamera ausgestatteten System zur Laser-Zielerkennung einge­ setzt werden. Für diese Anwendung werden zwei optische Kanäle benutzt, nämlich ein Infrarotkanal, der bei 8 bis 12 µm liegen kann, sowie ein Laserkanal mit beispielsweise 1,06 µm, d. h. im nahen Infrarotbereich.

Die Infrarotkamera hat zu große Abmessungen, als daß sie im verstellbaren Kopf des Zielerkennungssystems untergebracht werden könnte. Es müssen für jeden Kanal eigene Optiken verwendet werden, was Schwierigkeiten bei der Angleichung beim Drehen des Kopfes des Zielerkennungssystems mit sich bringt, wenn die große gewünschte Genauigkeit eingehalten werden soll. Außerdem besteht die Optik des Infrarotkanals im allgemeinen aus Germanium, was Probleme der Kühlung mit dem Risiko der Verschmutzung der Optik mit sich bringt. Zur Verwirklichung einer afokalen Infrarotoptik muß eingangs­ seitig eine erste Linse mit kleiner Brennweite, d. h. großer relativer Öffnung, angeordnet werden. Das Material Germanium mit hoher Brechzahl in der Größenordnung von 4 ermöglicht die Verwirklichung einer solchen Linse, die dann aber mehrere Nachteile aufweist. Sie zeigt eine temperaturabhängige Schnittweiten­ änderung infolge der Änderung der Brechzahl mit der Temperatur, und sie absorbiert die sichtbare Srahlung, so daß eine Begrenzung auf Wellenlängen vorliegt, die über 2 µm liegen. Dadurch ist sie für die Verarbeitung des zweiten optischen Kanals im beabsichtigten Anwendungs­ fall nicht einsetzbar.

Zur Beseitigung einiger der oben erwähnten Nachteile, insbe­ sondere hinsichtlich der Kühlung, wird die sammelnde Linse aus Germanium durch Linsen aus anderen Materialien, insbe­ sondere aus Zinkselenid oder Zinksulfid ersetzt. Die Optik kann beispielsweise aus einem Kittglied gebildet werden, das aus einer Linse positiver Brechkraft aus Zinkselenid und einer daran anschließenden Linse negativer Brechkraft aus Zinksulfid besteht. Diese Linsen sind jedoch chromatisch und erzeugen eine größere Ablenkung für Wellenlängen um 8 µm als für größere Wellenlängen um 12 µm im beabsichtigten Infra­ rotbereich. Die Anordnung einer Linse negativer Brechkraft hinter der eine große relative Öffnung aufweisenden Linse positiver Brechkraft ermöglicht es, diesen Nachteil teil­ weise zu beseitigen, jedoch führt sie zu einer beträcht­ lichen Verlängerung der Brennweite der Anordnung gegenüber der Lösung, bei der Germanium verwendet wird. Diese Verlän­ gerung der Brennweite verträgt sich nicht mit gewissen Anwendungen bei einem System zur Zielerkennnung, bei dem hohe Anforderungen an die Kompaktheit gestellt werden.

Aus Applied Optics, Vol. 11, 1972, S. 1241 bis S. 1247, sind optische Systeme mit einer Glaslinse positiver Brechkraft und einer holographischen Linse bei Kompensation der Farb­ fehler bekannt. Die Glaslinse positiver Brechkraft und die holographische Linse sind dort räumlich getrennt. Das dortige optische System ist lediglich für die Übertragung sichtbaren Lichts vorgesehen.

In F. Kohlrausch, Praktische Physik, B. G. Teubner, Stutt­ gart 1986, Band 3, S. 120, ist der spektrale Transmissions­ grad von Zinkselenid beschrieben.

Optische Eigenschaften von Zinksulfid können Driscoll, Vaughan, Handbook of Optics, Mc Graw-Hill 78, S. 7-93 und 7-­ 110 entnommen werden.

Mit der Erfindung soll ein Objektiv für den Infrarot- und den sichtbaren Wellenlängenbereich geschaffen werden, das keine chromatischen Fehler aufweist und sehr kompakt ist.

Erfindungsgemäß wird dies mit einem Objektiv für den Infra­ rot- und den sichtbaren Wellenlängenbereich erreicht, das eine sammelnde Linse aufweist, auf deren einer Oberfläche ein Hologramm vorgesehen ist, das im wesentlichen die Form einer Fresnel-Linse aufweist und zur Korrektur der Aberrationen ausgebildet ist.

Gemäß der Erfindung ist auch ein optisches System mit einem erfindungsgemäßen Objektiv vorgesehen, das mit einer zer­ streuenden Linse zur Bildung eines afokalen optischen Teil­ systems zusammengesetzt ist, auf das zum Trennen eines Empfangs-Infrarotkanals von einem Sende-Laser-Kanal ein dichroitischer Spiegel folgt.

Einzelheiten einer Ausführungsform der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der Zeichnung. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Objektivs nach der Erfindung,

Fig. 2 eine schematische Darstellung des Objektivs und seiner Anordnung in einem Laser-Zielerkennungssystem,

Fig. 3 eine schematische Darstellung des Oberfächenholo­ gramms bezieht und

Fig. 4 eine Kurve, die die Transmissionscharakteristik des Hologramms von Fig. 3 in Abhängigkeit von der Wellenlänge zeigt.

Fig. 1 zeigt das Objektiv mit einer sammelnden Linse L1 aus einem Material, das für Infrarotstrahlung durchlässig ist, bei der die Anwendung erfolgen soll, sowie einem Oberflä­ chenhologrammm LH auf der Linse L1.

Die optischen Materialien lenken Wellenlängen von 8 µm mehr als Wellenlängen von 11 µm ab, während ein Hologramm durch Beugung größere Wellenlängen mehr ablenkt, im hier betrach­ teten Bereich also Wellenlängen von 11 µm mehr als Wellen­ längen von 8 µm. Der gestrichelt gezeichnete Strahlengang entspricht am Punkt F1 nur der von der Linse L1 abgelenkten Strahlung mit 8 µm und am Punkt F2 nur der von der Linse L1 abgelenkten Strahlung mit 11 µm.

Die sammelnde Linse L1 wirkt so mit dem Oberflächenhologramm LH zusammen, daß alle Strahlen am Punkt F3 zusammengeführt werden. Das Objektiv hat eine große relative Öffnung. Die dargestellte Linse L1 ist vorzugsweise plankonvex, da die Verwirklichung des Ober­ flächenhologramms auf der ebenen Fläche der Linse L1 wesent­ lich einfacher auszuführen ist als auf einer gekrümmten Fäche. Die Linse L1 kann eine Linse aus Zinksulfid (ZnS) sein, da dieses Material wesentlich weniger streuend als Zinkselenid (ZnSe) ist. Die Fläche zur Verwirklichung des Hologramms kann eine der Flächen der Linse L1 sein, also ebensogut die bildseitige Fläche wie die objektseitige Fläche.

Das in den Fig. 2 und 3 jeweils in einem Axialschnitt längs der optischen Achse Z besser erkennbare Oberflächen­ hologramm hat im wesentlichen die Form einer Fresnel-Linse. Bei einer Optik mit einem Durchmesser von 40 mm kann die Schrittweite S der Randbereiche 0,5 mm betragen, und der Durchmesser der Mittelzone kann 9 mm betragen. Die Bearbei­ tung der Oberfläche kann mit sehr großer Genauigkeit mittels einer MOORE-Maschine erfolgen. Die Bearbeitungsdaten der Fläche werden mit einem Computer berechnet, mit dem ein digitales und in Abhängigkeit von den vorgesehenen Anwen­ dungsbedingungen insbesondere hinsichtlich der zu behan­ delnden Spektralbereiche optimiertes Hologramm verwirklicht wird. Das Oberflächenhologramm wird auch "blazé"-Gitter (in der angelsächsischen Terminologie) bezeichnet. Es ist mit einer Gitterantenne mit Strahlschwenkung im elektromagne­ tischen Bereich vergleichbar. Die veränderliche Schrittweite P zwischen den aufeinanderfolgenden kreisförmigen Profilen ergibt die Ablenkung des Strahlenbündels mit einem ge­ wünschten Winkel. Die variable Neigung Θ der verschiedenen Profile ermöglicht die Unterdrückung von Nebenmaxima und die Erzielung einer Beugung der ersten Ordnung. Für eine gegebene mittlere Wellenlänge im gewählten Anwendunsbereich wird ein Wirkungsgrad von 100% erreicht. Beispielsweise kann der Wirkungsgrad bei einem Bereich von 8 bis 11 µm den Wert 97,4% erreichen, und bei einer Erweiterung auf 8 bis 12 µm bleibt er in der Größenordnung von 95,8%. Die Dicke E des Hologrammprofils kann bei diesem Beispiel bei einer Schritt­ weite zwischen 0,2 und 6,5 mm (Durchmesser von 13 mm in der Mitte) in der Größenordnung von 7 µm liegen.

Wie bereits erwähnt worden ist, wird das mit einer hochprä­ zisen Maschine, wie der MOORE-Maschine hergestellte spezielle Profil unter Anwendung des Prinzips der digitalen Holographie berechnet, das darin besteht, daß ein mathema­ tischer Term mit Koeffizienten für die Parameter bekannt ist, die für die Darstellung der optischen Formel variabel sind, die man erhalten will. Abhängig von der Wahl der Para­ meter berechnet der Computer die durch die optische Formel angegebenen Aberrationen. Anschließend werden die Parameter und im Anschluß daran die optische Formel so modifiziert, daß die Aberrationen durch Verformung der Wellenfront auf ein Minimum verringert werden. Auf diese Weise wird nach und nach mit Hilfe der digitalen Berechnungen eine optimierte optische Formel mit minimierten oder zumindest sehr geringen Aberrationen erhalten. Die Berechnungen werden unter Berück­ sichtigung des gewünschten Gesamtfeldes des Systems durchge­ führt, und sie ermöglichen schließlich die Festlegung einer im Infrarotbereich arbeitenden achromatischen, beugenden, holographischen Optik LH mit großer relativer Öffnung, die keine Kühlung benötigt und sehr kompakt ist.

Fig. 2 zeigt eine Anordnung im Rahmen der beabsichtigten Anwendung, die ein afokales optisches System enthält, das aus der die Elemente L1 und LH von Fig. 1 enthaltenden Optik 1 und aus einer von einer zerstreuenden Linse gebil­ deten Optik 2 besteht. Diese Anordnung wird durch einen dichroitischen Spiegel 3 vervollständigt, der die Strahlung eines Lasers 4 mit der Wellenlänge 1,06 µm durchläßt und empfangsseitig die im Bereich von 8 bis 12 µm liegende Infrarotstrahlung zu einer Infrarotkamera 5 reflektiert. Wenn das Laserstrahlenbündel, wie angegeben, einen genügend kleinen Durchmesser hat, trifft es nur auf den Mittel­ bereich des Hologramms, der sich wie eine einfache Linse verhält. Wenn dagegen das Laserstrahlenbündel einen wesentlich größeren Durchmesser hat und auch weitere Bereiche der holo­ graphischen Linse LH bedeckt, muß die Übertragungs­ charakteristik des Hologramms (Fig. 4) berücksichtigt werden, und der Infrarotbereich muß durch Verändern seiner Grenzen so modifiziert werden, daß man sich bei 1,06 µm nach dem Scheitelpunkt eines Nebenmaximums befindet. Die Modifi­ kation der Parameter des Infrarotbereichs ermöglicht eine Verschiebung der Übertragungscharakteristik längs der Abszisse, bis das gewünschte Ergebnis erhalten wird. Diese Kurve hat den in der Fig. 4 angegebenen Verlauf, wobei die Werte an der Ordinate den Transmissionsgrad T angeben.

Die Verkleinerung des angewendeten Infrarot-Durchlaßbereichs ergibt eine Verbesserung der Bearbeitungsgenauigkeit.

Wenn beispielsweise eine Gesamtbrennweite von 100 mm einer Linse L1 mit dem Durchmesser 40 mm betrachtet wird, wobei die Brennweite dieser Linse aus Zinksulfid 110 mm beträgt, muß ein Hologramm mit einer Brennweite in der Größenordnung von 1000 mm mit einer Brechzahl in der Größenordnung von 2,5 verwirklicht werden. Die Anforderungen an die Bearbeitungsgenauigkeit betragen für eine solche Ausführung in seitlicher Richtung ±0,03 mm und hinsichtlich der Tiefe ±0,5 µm. Die holographische Linse LH wird dabei ein Profil haben, das durch die Kreisfunktion h² = x² + y² und durch die Phasenfunktion P(h) = (h²/2f) Modulo (λ₀/n - 1) bestimmt ist, wobei f = 1000 mm ist, λ₀ die mittlere Wellenlänge ist (beispielsweise 9,26 µm für den Bereich von 8 bis 11 µm) und n die Brechzahl von Zinksulfid ist, die in der Größen­ ordnung von 2,33 liegt.

Dadurch ergibt sich das in Fig. 3 angegebene Profil, bei dem die Dicke durch λ₀/n - 1 gegeben ist und in der Größenordnung von 7 µm liegt, wobei die dargestellte Kurve C der Funktion (h²/2f) modulo (λ₀/(n - 1)) entspricht. Dieser zuletzt genannte Ausdruck, der die Phasenfunktion repräsentiert, ist so festgelegt, daß monochromatische Strahlung korrigiert wird. In der Praxis wird die Funktion mit wesentlich kompli­ zierteren Ausdrücken berechnet, damit auch die anderen Aberrationan mittels eines Verfahrens korrigiert werden, das zu dem bei der digitalen Holographie angewendeten Verfahren analog ist.

Claims (6)

1. Objektiv für den Infrarot- und den sichtbaren Wellen­ längenbereich mit einer sammelnden Linse (L1), auf deren einer Oberfläche ein Hologramm vorgesehen ist, das im wesentlichen die Form einer Fresnel-Linse aufweist und zur Korrektur der Aberrationen ausgebildet ist.

2. Objektiv nach Anspruch 1, bei dem die Form des Oberflä­ chenhologramms durch die Phasenfläche P(h) = (h²/2f) Modulo (λ₀/(n - 1)) definiert ist mit H₂ = x² + y², wobei x und y die Koordinaten senkrecht zur optischen Achse sind, f die Brenn­ weite des Hologramms, λ₀ die mittlere Wellenlänge des aus­ genutzten Infrarotbereiches, n die Brechzahl des Materials der sammelnden Linse L1 und λ₀/(n - 1) die Dicke des Holo­ gramms ist.

3. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sammelnde Linse (L1) aus Zinksulfid besteht.

4. Objektiv nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sammelnde Linse (L1) aus Zinkselenid besteht.

5. Optisches System mit einem Objektiv nach einem der vor­ hergehenden Ansprüche, das mit einer zerstreuenden Linse (2) zur Bildung eines afokalen optischen Teilsystems zusammen­ gesetzt ist, auf das zum Trennen eines Empfangs-Infrarot­ kanals von einem Sende-Laser-Kanal ein dichroitischer Spie­ gel (3) folgt.

6. Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserkanal im nahen Infrarotbereich bei etwa 1,06 µm liegt.