DE60102111T2

DE60102111T2 - Objektiv für Infrarotbeobachtungssystem

Info

Publication number: DE60102111T2
Application number: DE60102111T
Authority: DE
Inventors: Piermario Repetto; Piero 12048 Sommariva Bosco Perlo; Claudia 13039 Trino Bigliati
Original assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Current assignee: Centro Ricerche Fiat SCpA
Priority date: 2000-08-01
Filing date: 2001-07-16
Publication date: 2004-10-28
Anticipated expiration: 2021-07-17
Also published as: DE60102111D1; EP1178343A2; ES2213080T3; EP1178343A3; ITTO20000767A0; IT1320575B1; EP1178343B1; ITTO20000767A1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Objektiv für Beobachtungssysteme basierend auf Wärme-Infrarotstrahlung. Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf ein Objektiv, das dazu gedacht ist, in einer Infrarot-Wärmekamera verwendet zu werden, um das vom Schauplatz ausgesandte Infrarotbild (Bereiche: MWIR3-5 Mikros, LWIR8-14 Mikros) auf einer Anordnung von Messfühlern des Typs mit Fokalebenenanordnung (FPA) zu fokussieren. Das Objektiv gemäß der vorliegenden Erfindung ist insbesondere zur Verwendung mit Messfühlern des nicht gekühlten Typs (UFPA) entwickelt worden, z. B. resistive, ferroelektrische und thermoelektrische Bolometer etc. Das Objektiv gemäß der Erfindung kann jedoch auch mit Messfühlern des gekühlten Typs (Fotowiderstands- oder Fotovoltaik-Messfühler) verwendet werden.
Bei einem FPA-Messfühler mit 320 × 240 Pixeln und Abmessungen der wirksamen Fläche von 16 × 12 mm und einer Pixelgröße von 50 × 50 Mikros ist es notwendig, dass die Größe des vom Objektiv erzeugten Bildpunktes weniger als 50 Mikros beträgt. Normalerweise umfassen Objektive für Wärme-Infrarotstrahlung ein Paar Linsen aus Halbleiterwerkstoff, wie z. B. Germanium, Silicium, Zinkarsenid etc. Diese Stoffe sind extrem teuer und erfordern eine Präzisionsbearbeitung.
Die US-A-5 896 237 offenbart eine Messfühleranordnung mit einem Strahlungsenergie-Messfühler, einem Paar einander zugewandte Reflexionswände, wobei eine der Wände einen durchlässigen Ausschnitt zur Aufnahme von Strahlungsenergie über einen weiten Einfallswinkel und die andere Wand einen durchlässigen Ausschnitt zur Weiterleitung von Energie von hinter der Wand zum Messfühler aufweist, wobei die Reflexionsmerkmale der Wände derart sind, dass die in einem beliebigen Winkel in eine Eintrittsöffnung eintretende Strahlungsenergie immer zu einer Austrittsöffnung reflektiert wird. Von der Geometrie her können die Reflexionswände Paraboloide oder Fresnelsche Flächen sein.
Die EP-A-0 737 878 offenbart ein Gruppendetektorsystem zur Abbildung eines Objektschauplatzes. Das System schließt eine katadioptrische Optik zur Bereitstellung eines Vollformatbildes des Objektschauplatzes ein. Die katadioptrische Optik schließt eine Reflexionsobjektivoptik zur Lieferung eines Zwischenbildes des Objektschauplatzes und eine Brechungsrelaisoptik zur Lieferung des Vollformatbildes ein. Ferner schließt das System einen Fixierungsdetektor zum Empfangen des Vollformatbildes ein.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Objektivs für Beobachtungssysteme basierend auf Wärme-Infrarotstrahlung, mit hoher Auflösung und spürbar niedrigeren Kosten als bei bekannten Lösungen.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Objektiv mit den Merkmalen, die den Gegenstand des Anspruchs 1 bilden.
Die vorliegende Erfindung wird nun im Einzelnen mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, die rein als nicht beschränkende Beispiele bereitgestellt werden. Es zeigen:
1 eine schematische Seitenansicht eines Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Ansicht des in 1 mit dem Pfeil II angedeuteten Teils in einem größeren Maßstab;
3 ein Diagramm zur Darstellung der Auflösung des Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung; und
4 eine ähnliche Ansicht wie 1, zur Darstellung einer Variante des Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung.
Mit Bezug auf 1 ist ein Objektiv gemäß der vorliegenden Erfindung für Beobachtungssysteme basierend auf Wärme-Infrarotstrahlung mit 10 bezeichnet. Das Objektiv 10 basiert auf dem Arbeitsprinzip des Cassegrain-Teleskops und umfasst ein Schutzfenster 12, das vorzugsweise aus Silicium hergestellt ist, aber auch aus Ge, ZnS, ZnSe, AMTlR-Chalkogenid, Tl oder einem anderen Werkstoff hergestellt sein könnte, der durchlässig für Infrarotstrahlung ist. Das Objektiv 10 umfasst ferner einen primären Fresnelschen Spiegel 14 und einen sekundären Fresnelschen Spiegel 16. Der primäre Fresnelsche Spiegel 14 empfängt von dem Schauplatz kommende Infrarotstrahlung (mit IR bezeichnet) entlang von Richtungen im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse A des Objektivs und reflektiert die Infrarotstrahlung in Richtung auf den sekundären Fresnelschen Spiegel 16. Der sekundäre Fresnelsche Spiegel 16 reflektiert die Infrarotstrahlung dann wieder in Richtung auf eine Linse 18, welche die Strahlung auf eine Bildebene fokussiert, die einen Messfühler 20, z. B. des UFPA-Typs, enthält. Wie in 2 dargestellt, kann zwischen der Linse 18 und dem Messfühler 20 eine Sichtscheibe 21 aus Germanium angeordnet sein.
Die zwei Fresnelschen Spiegel 14, 16 sind vorzugsweise aus geformtem Kunststoffmaterial (beispielsweise Polycarbonat) mit geringer Dicke, vorzugsweise im Bereich von 2–3 mm, hergestellt. Jeder Fresnelsche Spiegel 14, 16 weist eine reflektierende Oberfläche mit einer asphärischen Gestaltung auf, die symmetrisch zur optischen Achse A ist, und ist auf der reflektierenden Oberfläche mit einer Reihe von Mikroprojektionen versehen, die auch eine Rotationssymmetrie bezüglich der optischen Achse A bereitstellen. Die vorgenannten Spiegel sind mit einer Schicht aus Aluminium, Silber oder anderem Metall überzogen, um sie reflektierend für Infrarotstrahlung zu machen. Obwohl eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ins Auge fasst, dass die zwei Fresnelschen Spiegel 14, 16 aus geformtem Kunststoffmaterial hergestellt sind, könnten diese Spiegel auch durch Direktbearbeitung erhalten werden.
Die Linse 18 kann aus Halbleiterwerkstoff, wie z. B. Ge, ZnSe, ZnS, Chalkogenidglas (z. B. Tl20, Tl1173, AMTlR1, AMTlR3) oder einem beliebigen anderen infrarotstrahlungsdurchlässigen Halbleiterwerkstoff oder glasartigen Werkstoff hergestellt sein. Gemäß einer anderen Ausführungsform ist die Linse 18 eine aus Hartpolyethylen (HDPE) hergestellte Fresnel-Linse. Diese Linse ist vorzugsweise plan, was es möglich macht, Stärken von weniger als 0,5 mm durch Heißformen zu erhalten. Die Fresnel-Linse 18 kann auch eine sphärische oder nichtsphärische Gestaltung aufweisen. Im letzteren Fall ist es notwendig, eine Spritzgusstechnik zu verwenden, die eine Mindestdicke von mehr als 0,5 mm und damit eine geringere Durchlässigkeit für Infrarotstrahlung zur Folge hat.
Die Gestaltung der asphärischen Kappen der Spiegel 14, 16, der Oberflächen der Linse 18, die Gestaltung und Verteilung der Fresnelschen Mikroprojektionen und der gegenseitige Abstand zwischen den verschiedenen optischen Elementen des Objektivs sind so optimiert, dass jeglicher Abbildungsfehler auf der die Messfühler 20 enthaltenden Bildebene minimiert wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Objektivs gemäß der Erfindung ist die Öffnungszahl (d. h. das Verhältnis zwischen der effektiven Brennweite und dem Durchmesser der Eintrittspupille) 0,8–1; der Durchmesser der Eintrittspupille (Spiegel 14) beträgt 80–90 mm; der Durchmesser des Spiegels 16 beträgt 55–65 mm (der Ring entspricht einer äquivalenten Pupille mit einem Durchmesser von ca. 60 mm); die Spiegel 14, 16 sind 50–60 mm voneinander beabstandet; der Abstand der Linse 18 vom Spiegel 16 beträgt 30–40 mm; und der Abstand der Bildebene 20 von der Linse 18 beträgt 2–6 mm.
Das Diagramm gemäß 3 illustriert die in einem Pixel eingeschlossene prozentuale Energie in Abhängigkeit von der Halbwertbreite (in Mikron) des Pixels mit einem Objektiv des vorher beschriebenen Typs und für unterschiedliche Winkel, die das gesamte Sichtfeld darstellen. 3 zeigt, dass bei Betrachtung eines Pixels mit einer Größe von 50 × 50 Mikron (Halbwertbreite des Pixels: 25 Mikron) die in jedem Pixel des Messfühlers S eingeschlossene prozentuale Energie höher als 90% ist. Durch Optimieren der Parameter des Systems ist es möglich, Abmessungen des Bildpunktes von weniger als 40 Mikron über ein Sichtfeld von 12 × 9° zu erhalten.
Das beschriebene Objektiv ermöglicht eine Leistung, die derjenigen eines Objektivs mit zwei Meniskuslinsen aus Germanium überlegen ist, dennoch mit einer Kostenreduktion von mehreren Größenordnungen. Zum Beispiel ist es bei Verwendung eines FPA-Messfühlers mit 320 × 240 Pixeln und Abmessungen der wirksamen Fläche von 16 × 12 mm sowie Pixelabmessungen von 50 × 50 Mikron notwendig, dass die Größe des Bildpunktes über das gesamte Sichtfeld weniger als 50 Mikron beträgt. Um diese Auflösung mit einem Objektiv zu erhalten, das Germaniumlinsen mit einer Öffnungszahl von 1,2, einem Durchmesser der Eintrittspupille von 70 mm und einer Brennweite von 84 mm verwendet, ist es notwendig, drei sphärische Linsen zu verwenden oder andernfalls zwei Linsen, wobei wenigstens eine Oberfläche einer der zwei Linsen nichtsphärisch ist, was einen Anstieg der Fertigungskosten bedeutet.
Das Objektiv 10 kann auf beiden Oberflächen des Schutzfensters 12 mit einer Antireflexionsbeschichtung versehen sein, um die Durchlässigkeit der Infrarotstrahlung zu maximieren. Der sekundäre Fresnelsche Spiegel 16 kann mit einer Schicht Klebstoff auf das Schutzfenster 12 geklebt sein. Die Linse 18 kann in einen Rahmen eingesetzt sein (nicht dargestellt), der starrschlüssig mit dem primären Fresnelschen Spiegel 4 verbunden ist. Besagter Rahmen kann direkt mit dem Druckgussverfahren des Spiegels 14 hergestellt werden.
4 stellt eine Variante des Objektivs gemäß der vorliegenden Erfindung dar, in der Elemente, die den vorher beschriebenen entsprechen, mit denselben Bezugszeichen bezeichnet sind. In der Variante gemäß 4 ist eine Linse 22 aus Chalkogenidglas eingeführt (z. B. AMTlR1/3), die vorzugsweise aus einer konvexen/planen sphärischen Linse besteht. Die Leistung des auf diese Weise modifizierten Systems bleibt im Wesentlichen unverändert.
Das Objektiv gemäß der vorliegenden Erfindung kann mit Zusatzvorrichtungen versehen sein, wie z. B.:

– eine Irisblende zum Verändern der Öffnungszahl des Objektivs;
– eine Vorrichtung zur mechanischen Einstellung des Abstands zwischen den optischen Elementen 14, 16, 18, um eine exakte Fokussierung des Bildes zu ermöglichen;
– ein zeitgesteuerter Verschluss zum Ausführen einer periodischen Neueinstellung der IR-Fernsehkamera;
– Lamellen oder Streulichtblenden, die auf der Innenfläche des Gehäuses vorgesehen sind, um die Reflexion der von Winkeln außerhalb des Sichtfeldes kommenden Strahlung zu minimieren.

Claims

Objektiv für Beobachtungssystem basierend auf Wärme-Infrarotstrahlung, das umfasst: – einen primären Fresnelschen Spiegel (14) zum Empfangen der Wärme-Infrarotstrahlung (IR) entlang von Richtungen im Wesentlichen parallel zu einer optischen Achse (A) des Objektivs (10); – einen sekundären Fresnelschen Spiegel (16) zum Empfangen der von dem primären Fresnelschen Spiegel (14) reflektierten Infrarotstrahlung; und – eine Linse (18) zum Empfangen der von dem sekundären Fresnelschen Spiegel (16) reflektierten Infrarotstrahlung und Fokussieren der Strahlung auf eine Bildebene (20), dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung des primären und des sekundären Spiegels die eines Cassegrain-Teleskops ist, das eine auf eine Detektoranordnung fokussierte Abbildung mit hoher Auflösung bereitstellt.
Objektiv gemäß Anspruch 1, wobei jeder der Spiegel (14, 16) aus einer asphärischen Kappe besteht, die symmetrisch zur optischen Achse (A) ist.
Objektiv gemäß Anspruch 2, wobei jeder der Spiegel (14, 16) mit einer Reihe von Mikroprojektionen versehen ist, die Rotationssymmetrie bezüglich der vorgenannten optischen Achse (A) bereitstellen.
Objektiv gemäß Anspruch 1, wobei die vorgenannten Fresnelschen Spiegel aus Spritzguss-Kunststoffmaterial hergestellt sind.
Objektiv gemäß Anspruch 4, wobei jeder der vorgenannten Spiegel mit einer metallischen Schicht überzogen ist, die Infrarotstrahlung reflektiert.
Objektiv gemäß Anspruch 1, wobei die vorgenannte Linse (18) aus einem Werkstoff hergestellt ist, der durchlässig für Infrarotstrahlung ist, ausgewählt aus der Gruppe: Ge, ZnSe, ZnS und Chalkogenidglas.
Objektiv gemäß Anspruch 6, wobei die vorgenannte Linse (18) eine konvexe/plane Linse ist.
Objektiv gemäß Anspruch 1, wobei die vorgenannte Linse (18) eine aus Hartpolyethylen (HDPE) hergestellte Fresnel-Linse ist.
Objektiv gemäß Anspruch 8, wobei die vorgenannte Fresnel-Linse eine plane Linse mit einer Stärke von weniger als 0,5 mm ist.
Objektiv gemäß Anspruch 8, wobei die vorgenannte Fresnel-Linse (18) gekrümmte Oberflächen mit sphärischer oder nichtsphärischer Gestaltung aufweist.
Objektiv gemäß Anspruch 1, das ein Schutzfenster (12) umfasst, das aus einem Werkstoff hergestellt ist, der durchlässig für Infrarotstrahlung ist, wobei der vorgenannte sekundäre Fresnelsche Spiegel (16) an einer Innenfläche des Schutzfensters (12) befestigt ist.
Objektiv gemäß Anspruch 11, wobei das vorgenannte Schutzfenster (12) aus einem Werkstoff hergestellt ist, der ausgewählt ist aus der Gruppe umfassend Silicium, Zinksulfid (ZnS), Germanium (Ge), Zinkselenid (ZnSe) und Chalkogenidglas.
Objektiv gemäß Anspruch 11, wobei das vorgenannte Fenster eine beidseitige Antireflexionsbeschichtung aufweist.