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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Gebiet der Erfindung:
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Die
vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme. Die vorliegende
Erfindung betrifft spezieller optische Anordnungen zur Strahlablenkung.
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Beschreibung des verwandten
Standes der Technik:
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Für viele
Anwendungen besteht ein Bedarf an einer kompakten, hochleistungsfähigen optischen
Anordnung mit einem ablenkbaren Strahl. Solche Anwendungen schließen die
Astronomie, die Medizin, Waffen und zahlreiche andere kommerzielle,
industrielle und militärische
Anwendungen ein. Für
solche Anwendungen wird die Strahlablenkung typischerweise mit einer
kardanischen Anordnung ausgeführt.
Typischerweise ist eine Linse oder ein optisches Element an einem
Kardan angebracht. Der Kardan ist um eine bis drei Achsen frei drehbar.
Mit einem Motor kann die optische Anordnung somit auf einen bestimmten
Rollwinkel gerichtet werden, um den Strahl abzulenken, wie es erforderlich
ist. In J.P. Mills et al., Proc. of SPIE vol. 3705, S. 201 – 208 "Konformale Dom-Aberrationskorrektur
mit gegensinnig drehenden Phasenplatten" wird eine Aberrationskorrektur für Kardane
beschrieben, die die Sichtlinie durch verschiedene Teile eines Doms
richten.
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Unglücklicherweise
tragen der Kardan und die Aktuatoren für diesen zu den Kosten und
zur Komplexität
des Systems bei. Darüber
hinaus ist es für
bestimmte Anwendungen wünschenswert,
eine Strahlablenkung mit einer kompakteren Anordnung zu bewirken
als es eine typische kardanische Anordnung eröffnen würde.
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Außerdem besteht
in vielen optischen Systemen ein Bedarf daran, optische Aberrationen
zu korrigieren. Solche Aberrationen können aus einer Distorsion in
einer Eintrittsapertur oder aus einem anderen Element in dem optischen
Zug resultieren.
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US-A-4,118,109
beschreibt eine optische Vorrichtung zum Steuern der Richtung eines
Strahls optischer Strahlung, die zwei rotierende Prismen verwendet.
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Daher
existiert ein Bedarf im Stand der Technik an einer kompakten, effizienten,
hochleistungsfähigen optischen
Anordnung mit einem Mechanismus zum Bewirken einer Strahlablenkung
und einer Aberrationskorrektur.
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ZUSAMMENFASSENDE
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Dem
Bedarf im Stand der Technik wendet sich die ablenkbare optische
Anordnung der vorliegenden Erfindung gemäß Anspruch 1 und das Verfahren
gemäß Anspruch
13 zu. Die erfindungsgemäße Anordnung umfasst
ein um eine optische Achse drehbar angebrachtes erstes Prisma und
ein um die optische Achse drehbar angebrachtes zweites Prisma. In Übereinstimmung
mit den erfindungsgemäßen Lehren
weist/weisen das erste Prisma und/oder das zweite Prisma zumindest
eine Oberfläche
auf, die zum Korrigieren einer optischen Aberration konturiert ist/sind.
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In
dem veranschaulichenden Ausführungsbeispiel
sind das erste und das zweite Prisma Risley-Prismen. Darüber hinaus
umfasst die veranschaulichende Implementierung eine erste Motoranordnung
zum Drehen des ersten Prismas um die optische Achse und eine zweite
Motoranordnung zum Drehen des zweiten Prismas um die optische Achse.
Eine Steuerung ist zum Aktivieren des ersten und zweiten Motors
vorgesehen, um den Strahl unter einem Winkel ϕ abzulenken
und den Strahl unter einem Winkel θ zu neigen.
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Zumindest
eine Oberfläche
zumindest eines Prismas ist konturiert, um Astigmatismus, Koma,
Dreiblattfehler, Schiefe und/oder Fokus zu korrigieren. Die Kontur
wird durch Laserätzen,
mikromaschinelle Bearbeitung oder optische Dünnfilmbeschichtung der Prismen
in der hier offenbarten Weise bewirkt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1 ist
eine schnittweise Seitenansicht einer optischen Anordnung, die in Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist.
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2 ist
ein vereinfachtes Diagramm der optischen Anordnung in 1,
wobei das vordere und hintere Prisma gerade gedreht werden, um den
Strahl unter einem Neigungswinkel von null Grad abzulenken.
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3 ist
ein vereinfachtes Diagramm der optischen Anordnung in 1,
wobei das vordere und das hintere Prisma gerade gedreht werden,
um den Strahl 26 unter einem Neigungswinkel von ϕ Grad
abzulenken.
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4 ist
eine Seitenansicht eines einzelnen Keils, der in der optischen Anordnung
der vorliegenden Erfindung verwendet wird.
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5 ist
ein Diagramm unter Verwendung einer Vektordarstellung, um die Sichtlinie
der optischen Anordnung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
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6 ist
ein Diagramm, das Seitenansichten des ersten und des zweiten Prismas
der vorliegenden Erfindung zeigt.
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7 ist
ein Diagramm, das Seitenansichten des ersten und des zweiten Prismas
in 1 mit Oberflächenkonturen
in Übereinstimmung
mit den vorliegenden Lehren zeigt.
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8, 9, 10a und 10b sind
Diagramme, die Konventionen veranschaulichen, die zur Erleichterung
des Verständnisses
der hier bereitgestellten Lehren verwendet werden.
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11 ist
ein Graph, der veranschaulicht, dass Aberrationen mit gegensinnig
drehenden Phasenplatten erzeugt werden können.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Veranschaulichende
Ausführungsbeispiele
und beispielhafte Anwendungen werden nun mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung
beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung
zu offenbaren.
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Während die
vorliegende Erfindung hier mit Bezug auf veranschaulichende Ausführungsbeispiele
für besondere
Anwendungen beschrieben wird, versteht es sich, dass die Erfindung
nicht darauf beschränkt
ist. Fachleute mit Durchschnittskenntnissen im Stand der Technik
und Zugang zu den hier bereitgestellten Lehren werden zusätzliche
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele im Rahmen derselben
und zusätzliche
Gebiete erkennen, in denen die vorliegende Erfindung von signifikanter
Nützlichkeit
sein kann.
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1 ist
eine schnittweise Seitenansicht einer optischen Anordnung, die in Übereinstimmung
mit den Lehren der vorliegenden Erfindung konstruiert ist. Die Anordnung 10 umfasst
ein Gehäuse 12,
in dem ein Satz keilförmiger
Prismen 14 und 16 angeordnet ist. Das Gehäuse 12 ist
an einem stabilen Referenzrahmen gesichert, der für die gegebene
Anwendung geeignet ist. Fachleute im Stand der Technik werden erkennen,
dass die Prismen Risley-Prismen sind. Das vordere und das hintere
Prisma 14 und 16 werden unabhängig durch einen ersten und
zweiten Motor 18 bzw. 20 gedreht. Ein erster und
ein zweiter konusförmiger
Zylinder 22 und 24 verbinden das erste und das
zweite Prisma 14 und 16 mit dem ersten und zweiten
Motor 18 bzw. 20.
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Wie
unten vollständiger
erörtert
wird, ist die Drehung der Prismen wirksam, einen Strahl einer Suchersichtlinie
(LOS) abzulenken und dadurch den Richtungs- oder Rollwinkel θ (nicht
in 1 gezeigt) und den Neigungswinkel ϕ,
der bezüglich
einer optischen Achse 30 gemessen wird, zu verändern. Der
Rollwinkel θ und der
Neigungswinkel ϕ werden durch den Benutzer über eine
Eingabeeinrichtung 42 und einen Steuerkreis 40 gesetzt.
Die Eingabeeinrichtung 42 kann ein Mikroprozessor, ASIC,
oder eine andere geeignete Einrichtung sein. Der Steuerkreis 40 treibt
die Motoren 18 und 20 an, um das erste und das
zweite Prisma 14 und 16 zu drehen und einen Strahl 26 auf
den gewünschten
Roll- und Neigungswinkel
abzulenken. Die LOS wird durch die Prismen 14 und 16 auf
eine sphärische
Linse 32 gerichtet. Die sphärische Linse 32 ist
zusammen mit einer asphärischen
Linse 34 Teil eines Objektiv-Dublettes. Die sphärische Linse 32 und
die asphärische
Linse 34 sind von herkömmlicher
Bauart und Konstruktion.
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Die
asphärische
Linse 34 richtet die LOS 26 entlang des optischen
Weges zu einem Okular, das aus einer ersten und zweiten Linse 36 und 38 gebildet
ist. Das Okular richtet das Gesichtsfeld anschließend auf eine
integrierte Detektoranordnung 39 und letztlich auf eine
Ausgabeeinrichtung 44.
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2 ist
ein vereinfachtes Diagramm der optischen Anordnung in 1,
wobei das vordere und hintere Prisma gerade gedreht werden, um die
LOS 26 unter einem Neigungswinkel von null Grad abzulenken.
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3 ist
ein vereinfachtes Diagramm der optischen Anordnung in 1,
wobei das vordere und hintere Prisma gerade gedreht werden, um die
LOS 26 unter einem Neigungswinkel von ϕ Grad abzulenken.
Wie in 2 und 3 veranschaulicht ist, und in Übereinstimmung
mit den vorliegenden Lehren, wird die Sichtlinie des optischen Systems
stabilisiert und durch gegensinnig drehende Keile 14 und 16 abgelenkt.
Die Roll- und Neigungswinkel α und ϕ stehen
mit Relativwinkeln der Keile wie folgt in Beziehung.
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4 ist
eine Seitenansicht eines einzelnen Keils 14 oder 16.
Die folgenden Gleichungen beziehen sich auf den Keilwinkel A, den
Ablenkungswinkel D und den Brechungsindex 'n' wie
folgt. Gleichung [1] setzt den Ablenkungswinkel D und den Brechungsindex
(n) mit dem Keilwinkel A für
einen einzelnen Keil für
den Fall in Beziehung, dass der Einfallswinkel an der ersten Oberfläche wie
in 4 veranschaulicht null ist: A = arcsin(sin(ϕ))/(n – 1)) [1]somit sin A = (sin(ϕ)/(n – 1)) [2]und (n – 1) sin A = sin(ϕ) [3]daher ϕ = arcsin ((n – 1)sin
A) [4]wobei
D der Ablenkungswinkel, A der Keilwinkel und n der Brechungsindex
ist. Somit erzielt ein Keil aus Germanium mit einem Brechungsindex
von 4 und einem Keilwinkel von 6,5° einen Ablenkungswinkel D von
20° und
eine hohe Dispersion (Abbe-Zahl von 100). Ein Keil aus Silizium
mit einem Brechungsindex von 3,4 und einem Keilwinkel von 8,2° erzielt
desgleichen einen Ablenkungswinkel D von 20° und eine geringe Dispersion (Abbe-Zahl
von 225).
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5 ist
ein Diagramm, das eine Vektordarstellung verwendet, um die Sichtlinie
der optischen Anordnung der vorliegenden Erfindung zu beschreiben.
Wie in 4 und 5 veranschaulicht ist, werden
die Keile in gleicher und entgegenge setzter Richtung gegensinnig
verdreht, um eine Neigungsbewegung zu erreichen. Bei zwei Keilen 14 und 16 stehen
die Ablenkungswinkel jedes Keils D1 und
D2 mit dem Neigungswinkel ϕ durch Gleichung
[5] unten in Beziehung: ϕ =
2 sin θ sin–1 ((n – 1) sin
A) [5]wobei ϕ der
Verhältniswinkel
jedes Keils (in entgegengesetzter Richtung) ist.
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Die
Beziehung zwischen den Keilwinkeln, Brechungsindizes, Keilrollwinkeln
und den Neigungs- und Rollwinkeln ϕ und α ist in den
US-Patenten 1,735,108, am 10. November 1929 an H.N. Cox erteilt
mit dem Titel OPTISCHE JUSTIEREINRICHTUNG; 3,253,525, am 31. Mai
1966 an F.J. Merkel erteilt mit dem Titel VARIABLER OPTISCHER KEIL;
3,507,565, am 21. April 1970 an L.W. Alvarez et al. erteilt mit
dem Titel LINSE UND SYSTEM MIT VARIABLER STÄRKE; 3,378,326 an Alvarez und
3,884,548, am 20. Mai 1975 an S.L. Linder erteilt mit dem Titel
VARIABLER OPTISCHER KEIL ZUR BILDSTABILISIERUNG UND ANDEREN ZWECKEN offenbart.
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6 ist
ein Diagramm, das Seitenansichten des ersten und zweiten Prismas
der vorliegenden Erfindung zeigt. 7 ist ein
Diagramm, das Seitenansichten des ersten und zweiten Prismas in 1 mit
Oberflächenkonturen
in Übereinstimmung
mit den vorliegenden Lehren zeigt. Wie in 6 und 7 veranschaulicht,
weist jedes Prisma von der Seite gesehen eine keil- oder trapezförmige Geometrie
auf. Das erste Prisma 14 weist eine erste Oberfläche 13 und
eine zweite Oberfläche 15 auf.
Das zweite Prisma 16 weist eine erste Oberfläche 17 und
eine zweite Oberfläche 19 auf.
Die zweite Oberfläche 15 des
ersten Prismas ist der ersten Oberfläche 17 des zweiten
Prismas 16 zugewandt. In Übereinstimmung mit den vorliegenden
Lehren sind die zweite Oberfläche 15 des
ersten Prismas und die erste Oberfläche 17 des zweiten
Prismas 16 (hiernach als 'Korrekturoberflächen' bezeichnet) konturiert, um optische
Aberrationen wie Astigmatismus, Koma, Dreiblattfehler, Schiefe und
Fokus zu korrigieren. Fachleute im Stand der Technik werden erkennen,
dass die Korrekturoberflächen
in Übereinstimmung
mit den unten bereitgestellten Oberflächenbeschreibungen unter Verwendung
von Photolithographie, Laserätzen,
mikromaschinelle Bearbeitung, optischen Dünnschichten oder jeder anderen
geeigneten im Stand der Technik bekannten Technik gearbeitet sein
können.
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8, 9, 10a und 10b sind
Diagramme, die Konventionen veranschaulichen, die das Verständnis der
hier bereitgestellten Lehren erleichtern. Die unten angegebene Tabelle
1 ist eine Oberflächenverformungstabelle,
die Oberflächenbeschreibungen
bereitstellt, die verwendet werden können, um die oben genannten
optischen Aberrationen zusammen mit Kipp oder Neigung zu korrigieren.
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Die
Zernike-Terme Z4, Z5, Z7 und Z13 können zusammen mit Z3, Z6, Z8
bzw. Z10 durch gemeinsames Drehen beider Platten erzeugt werden.
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11 ist
ein Graph, der veranschaulicht, dass Aberrationen mit gegensinnig
drehenden Phasenplatten erzeugt werden können.
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Die
vorliegende Erfindung wurde somit hier mit Bezug auf ein besonderes
Ausführungsbeispiel
für eine
besondere Anwendung beschrieben. Fachleute mit Durchschnittskenntnissen
im Stand der Technik und mit Zugang zu den vorliegenden Lehren werden
zusätzliche
Modifikationen, Anwendungen und Ausführungsbeispiele im Rahmen derselben
erkennen.
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Es
ist daher durch die beigefügten
Ansprüche
beabsichtigt, beliebige und alle solche Anwendungen, Modifikationen
und Ausführungsbeispiele
im Rahmen der vorliegenden Erfindung abzudecken.
