DE60210807T2

DE60210807T2 - Optisches Abbildungsverfahren

Info

Publication number: DE60210807T2
Application number: DE60210807T
Authority: DE
Inventors: John Anthony Kirkham
Original assignee: Thales Optics Ltd
Current assignee: Qioptiq Ltd
Priority date: 2001-11-16
Filing date: 2002-11-11
Publication date: 2006-11-23
Anticipated expiration: 2022-11-12
Also published as: EP1449021A2; EP1449021B1; GB0127536D0; WO2003042745A2; GB2382153B; ES2262863T3; DE60210807D1; US20060176580A1; GB2382153A; ATE323895T1; WO2003042745A3; CA2466788A1; CA2466788C; US7136235B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Abbildungsverfahren und insbesondere, wenn auch nicht ausschließlich, Verfahren zum Abbilden von Infrarotstrahlung.
Beim Ausbilden eines betrachtbaren Bilds eines Objekts verwendet eine typische optische Abbildungsvorrichtung eine Objektivlinse, um optische Strahlung von dem Objekt in ein Bild davon zur späteren Betrachtung zu fokussieren. Wenn die optische Strahlung schwach oder unsichtbar ist (wie etwa Infrarotstrahlung), ist es oftmals notwendig, Zwischenbilddetektierungsmittel zu verwenden, um das schwache Bild zu detektieren, oder um ein aus unsichtbarer Strahlung ausgebildetes Bild zu detektieren.
Viele optische Abbildungsverfahren basieren zu diesem Zweck auf der Verwendung von elektronischen Bilddetektoren, wie etwa die aus GB2190761B bekannte optische Abbildungsvorrichtung. In GB2190761B verwendet eine optische Abbildungsvorrichtung einen Zwischeninfrarotdetektor in Form eines Infrarot-"Staring Array", um ein durch eine Objektivlinse ausgebildetes unsichtbares Infrarotbild zu detektieren. Das detektierte Bild wird dann in sichtbarer Form auf einer operativ an den Detektor gekoppelten Displayeinrichtung hergestellt. Über eine Okularlinse sieht sich ein Beobachter das sichtbare Bild an.
Zur Verbesserung des Auflösungsvermögens des Detektors ist aus GB2190761B die Technik bekannt, dem am Detektor ausgebildeten Bild eine negative Verzerrung ("Tonne") absichtlich aufzuerlegen, dann die tonnenförmige Verzerrung mit der Okularoptik umzukehren, die so gewählt ist, daß sie dem von dem Betrachter betrachteten Bild eine umgekehrte positive Verzerrung ("kissenförmige Verzerrung") auferlegt. Die Auflösung des Mittelabschnitts des beim Detektor ausgebildeten Bilds ist größer, als dies der Fall wäre, wenn keine tonnenförmige Verzerrung auferlegt würde. Die umgekehrte Wirkung der Okularlinse entfernt danach im wesentlichen etwaige derartige tonnenförmige Verzerrung in dem betrachteten Bild, um ein unverzerrtes Bild mit verbesserter Mittenauflösung zu liefern.
Bei vielen Infrarotabbildungsanwendungen ist es jedoch unnötig oder unerwünscht, zu erfordern, daß ein sichtbares Bild durch eine Okularoptik entsteht. Beispielsweise kann das von der Objektivlinse erzeugte tonnenförmig verzerrte Bild durch geeignete thermische Abbildungseinrichtungen detektiert werden, um elektronische Bilddaten zur späteren Analyse oder zur elektronischen Verarbeitung zu erzeugen. In solchen Fällen sind die Displayeinrichtung und das Okular von GB2190761B redundant.
Zudem ist ein Merkmal vieler Infrarotabbildungseinrichtungen die Notwendigkeit, den Detektor zu kühlen. Dies geschieht in der Regel dadurch, daß der Detektor in ein Dewar-Gefäß gesetzt wird, das auf etwa 77 K gekühlt wird (z.B. durch flüssigen Stickstoff oder eine Kühlmaschine). Vor dem Detektor und innerhalb des Dewar-Gefäßes wird eine "Kälteabschirmung" plaziert, die den Detektor vor thermischer Streustrahlung abschirmt. Bevorzugt stellt die Kälteabschirmung auch die begrenzende Aperturblende der optischen Vorrichtung dar. Die "Aperturblende" einer optischen Vorrichtung ist diejenige Apertur, die die Größe der durch die optische Vorrichtung hindurchtretenden Strahlbündel begrenzt. Alternativ kann sich die Aperturblende der optischen Vorrichtung außerhalb des Dewar-Gefäßes befinden, aber so nahe wie möglich an der "internen" Kälteabschirmung.
Somit ist es vorteilhaft, wenn sich die Aperturblende weit in Richtung der Rückseite des optischen Aufbaus der optischen Vorrichtung befindet, wenn der Detektor gekühlt wird. Die Objektivlinsen, wie sie etwa aus GB2190761B bekannt sind, verwenden eine vor der Objektivlinse (d.h. vor dem optischen Aufbau) angeordnete Aperturblende und eignen sich deshalb nicht für jene elektronischen Detektorsysteme, bei denen sich eine Aperturblende weit in Richtung der Rückseite des optischen Aufbaus befinden muß.
Tatsächlich führt die Anordnung der Aperturblende in Richtung auf die Rückseite des optischen Aufbaus in der Regel zu unannehmbar großen Durchmessern für die Vorderelemente einer einfachen existierenden optischen Vorrichtung.
Aus US 5,980,453 , US 6,057,960 , US 4,266,848 und US 5,726,670 sind weitere optische Abbildungsverfahren bekannt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Abbildungsverfahren, das eine Vorrichtung verwendet, die eine verbesserte Auflösung in der Mitte des Felds im Vergleich zur Auflösung am Rand liefert, und betrifft insbesondere eine derartige Vorrichtung, die sich eignet für das Abbilden unter Verwendung eines an ein elektronisches Signalverarbeitungsmodul gekoppelten Detektors, und wobei es eine Anforderung ist, daß die Aperturblende der Optik in Richtung der Rückseite des optischen Aufbaus der Vorrichtung angeordnet ist, wie etwa dort, wo der Detektor ein Infrarotdetektor vom gekühlten Typ innerhalb eines Dewar-Gefäßes ist.
Ganz allgemein wird eine optische Vorrichtung vorgeschlagen, die vor der Aperturblende ein Zwischenbild eines betrachteten Objekts oder einer betrachteten Szene liefert, wobei das Zwischenbild mit einer absichtlichen negativen ("tonnenförmigen") Verzerrung ausgebildet wird, dann das verzerrte Zwischenbild unter Verwendung einer Optik, wobei mindestens einige optische Elemente vor der Aperturblende angeordnet sind, auf den Detektor hinter der Aperturblende fokussiert (übertragen) wird.
Somit sind die Objektivlinsenelemente so angeordnet, daß sie ein Bild des betrachteten Objekts oder der betrachteten Szene vor der Aperturblende der Vorrichtung ausbilden, statt hinter ihr. Dieses Zwischenbild wird dann von den Elementen eines zweiten optischen Linsensystems fokussiert und an dem Detektor reformiert, wobei die Aperturblende zwischen der Vorderseite des zweiten optischen Linsensystems und dem Detektor plaziert ist. Ein Bildelement (Pixel) in der Mitte des Blickfelds (des übertragenen und verzerrten Bilds) liegt im Objektraum einem kleinen Raumwinkel gegenüber als ein Pixel am Rand des Felds, wodurch man in der Mitte eine verbesserte Auflösung erhält. Das beim Detektor ausgebildete Bild kann dann von einem an den Detektor gekoppelten elektronischen Signalverarbeitungsmodul verarbeitet werden. Die Verarbeitung kann das Entfernen negativer Verzerrung aus dem Bild beinhalten, um ein verarbeitetes Bild mit wenig oder im wesentlichen keiner negativen Verzerrung herzustellen, aber mit verbesserter Mittenauflösung.
Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches Abbildungsverfahren wie in Anspruch 1 definiert bereit.
Ein Bilddetektor (z.B. Infrarotdetektor) kann zum Detektieren des Endbilds verwendet werden, wobei sich die Aperturblende zwischen dem Bilddetektor und dem Linsenelement des zweiten Linsensystems befindet, das in einem derartigen Fall von dem Bilddetektor am weitesten entfernt ist. Der Bilddetektor kann sich innerhalb eines Dewar-Gefäßes befinden.
Es versteht sich, daß sich ein "Bildgebiet" (für das Endbild oder das Zwischenbild) auf das Gebiet des Raums bezieht, über das sich das jeweilige Bild bei Entstehung erstreckt. In der Regel ist ein derartiges Gebiet planar und wird oftmals als eine "Bildebene" bezeichnet, doch soll die Erfindung nichtplanare Bilder und Bilddetektoren einschließen, die entsprechende nichtplanare Bilddetektierungsoberflächen verwenden.
Durch Verwenden der obigen Bildübertragungstechnik kann die vorliegende Erfindung vorsehen, daß alle optischen Elemente des Objektivlinsensystems in dem optischen Aufbau der Vorrichtung vor der Aperturblende plaziert sind, während zumindest einige der optischen Elemente des zweiten Linsensystems ebenfalls vor der Aperturblende plaziert sind. Dies gestattet größere Vielseitigkeit und Leichtigkeit bei der Herstellung, wenn der Detektor ein Infrarotdetektor vom gekühlten Typ ist und sich die Aperturblende entweder innerhalb des Dewar-Gefäßes oder unmittelbar davor befinden muß. Da keine der Objektivoptiken und nicht alle (oder keines) der Elemente des zweiten optischen Systems innerhalb des Dewar-Gefäßes selbst (hinter der Aperturblende) plaziert werden müssen, können jene optischen Elemente als von dem Dewar-Gefäß und seinem Inhalt separate Module hergestellt werden.
Die Aperturblende kann sich hinter allen optischen Linsenelementen des zweiten Linsensystems befinden, wobei sie sich zwischen dem Bilddetektor und dem Linsenelement des zweiten Linsensystems befindet, das dem Bilddetektor am nächsten liegt. Durch diese Anordnung kann man den Vorteil erzielen, daß der ganze optische Aufbau der Vorrichtung als von der Detektorbaugruppe getrennte separate Module hergestellt werden kann.
Wie oben angegeben, besteht ein Ziel der Erfindung in der Bereitstellung eines optischen Abbildungsverfahrens unter Verwendung einer optischen Vorrichtung, die Bilder mit hoher negativer Verzerrung produziert, und die negativ verzerrenden Linsenelemente des Objektivs liegen bevorzugt in unmittelbarer Nähe zu dem Zwischenbildgebiet, in dem das Zwischenbild ausgebildet wird oder werden soll. In der Nähe eines Bilds (oder Zwischenbilds) liegende Linsenelemente weisen einen signifikanten Effekt auf die Verzerrung auf, aber kaum einen Effekt auf bestimmte andere Aberrationen wie etwa sphärische Aberration.
Somit wird bevorzugt, daß das oder die Linsenelemente des optischen Aufbaus der Vorrichtung, die für eine negative Verzerrung eines Bilds verantwortlich sind, sich unmittelbar neben dem Bildgebiet befinden oder zumindest diejenigen Linsenelemente des Aufbaus sind, die sich dem Bildgebiet am nächsten befinden, in dem dieses Bild ausgebildet wird oder werden soll (z.B. das Zwischenbild oder das Endbild). Folglich wird bevorzugt, daß das Endlinsenelement des Objektivlinsensystems dem Zwischenbild eine im wesentlichen negative Verzerrung gibt und besonders bevorzugt ein oder mehrere Linsenelemente des optischen Aufbaus, die der Endlinse vorausgehen, ebenfalls dem Zwischenbild eine im wesentlichen negative Verzerrung geben.
Zudem sind herkömmliche Linsenelemente mit sphärischen Oberflächen im allgemeinen nicht in der Lage, einen hohen Grad an Verzerrung zu korrigieren oder einzuführen; bevorzugt werden asphärische Oberflächen verwendet, um Bildern eine negative Verzerrung zu geben (Zwischen- und/oder Endbild). Um den erforderlichen hohen Verzerrungsgrad zu liefern, werden deshalb bevorzugt ein oder mehrere asphärische Oberflächen in der Nähe eines Bildgebiets integriert.
Wenn sich alle optischen Elemente des zweiten Linsensystems vor der Aperturblende der optischen Vorrichtung befinden, muß die Lichtleistung der negativ verzerrenden Linsen in der Regel sehr hoch sein, um in dem Zwischenbild die erforderliche Verzerrung zu bewirken. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Leistung jener Linsenelemente des Objektivlinsensystems, die für die im wesentlichen negative Verzerrung des Zwischenbilds verantwortlich sind, in einer derartigen Anordnung gegenüber optischen Herstellungstoleranzen hochgradig empfindlich ist.
Bei der vorliegenden Erfindung kann folglich mindestens ein optisches Element des zweiten Linsensystems dem Endbild einen substanziellen Grad an negativer Verzerrung auferlegen. Durch Aufteilen und Trennen der das Bild (negativ) verzerrenden optischen Elemente zwischen dem Objektivlinsensystem und dem zweiten Linsensystem hat sich herausgestellt, daß die von den negativ verzerrenden Linsen geforderte Leistung weniger ist, als dies der Fall ist, wenn sich alle negativ verzerrenden Linsen in dem Objektivlinsensystem befinden. Es hat sich auch herausgestellt, daß man dadurch ein optisches System erhält, das gegenüber Herstellungstoleranzen weniger empfindlich ist und dadurch eine verbesserte Leistung liefern kann.
Das zweite Linsensystem umfaßt möglicherweise nur ein negativ verzerrendes Linsenelement oder mehr als ein derartiges Linsenelement, wobei sich alle Linsenelemente davon vor der Aperturblende befinden. In einem derartigen Fall ist die verzerrende Linse bevorzugt das erste oder das letzte Linsenelement des zweiten Linsensystems, oder wo es zwei oder mehr derartige Linsen gibt, sind das erste und das letzte Linsenelement des zweiten Linsensystems bevorzugt negativ verzerrend.
Bevorzugt werden asphärische Oberflächen in der oder den negativ verzerrenden Linsen des zweiten Linsensystems verwendet, um dem Endbild eine negative Verzerrung zu geben. Um den erforderlichen hohen Verzerrungsgrad bereitzustellen, wird deshalb bevorzugt, in der Nähe des Bildgebiets des Endbilds oder des Zwischenbilds eine oder mehrere asphärische Oberflächen zu integrieren. Bevorzugt weist das zweite Linsensystem mindestens zwei (negativ) bildverzerrende Linsen auf, wobei sich eine innerhalb des optischen Aufbaus an einer Position relativ in der Nähe des Bildgebiets des Zwischenbilds und die andere in dem optischen Aufbau relativ in der Nähe des Bildgebiets des Endbilds befindet.
Bevorzugt weist das zweite Linsensystem ein Linsenelement auf, um dem Endbild eine im wesentlichen negative Verzerrung zu geben und um das erste Linsenelement hinter dem Bildgebiet des Zwischenbilds zu sein, und ein Linsenelement hinter der Aperturblende der optischen Vorrichtung, um dem Endbild eine im wesentlichen negative Verzerrung zu geben und um das letzte Linsenelement vor dem Endbildgebiet zu sein. Erreicht wird dies bevorzugt durch Bereitstellen einer (negativ) bildverzerrenden Linse unmittelbar hinter dem Bildgebiet des Zwischenbilds und Plazierung einer anderen (negativ) bildverzerrenden Linse hinter der Aperturblende der Vorrichtung (zum Beispiel innerhalb des Dewar-Gefäßes) und unmittelbar vor dem Endbildgebiet. Somit wird die Vorteile der Trennung der bildverzerrenden Linsen zwischen dem Objektiv und zweiten Linsensystem bereitgestellt, und die Vorteile unmittelbarer Nähe zwischen negativ verzerrender Linse und Bild werden ebenfalls erreicht, da sich sowohl das Zwischen- als auch das Endbild in unmittelbarer Nähe mindestens einer Linse mit im wesentlichen negativer Verzerrung befinden.
Es versteht sich natürlich, daß sich andere optische Elemente zwischen dem Endlinsenelement des zweiten Linsensystems und dem Endbildgebiet befinden können. Solche anderen optischen Elemente beinhalten das Dewar-Gefäß-(oder Detektor-)-fenster und/oder einen Spektralfilter, die beide doppelt-plane optische Komponenten umfassen können.
Bevorzugt gibt das Endlinsenelement des Objektivlinsensystems dem Zwischenbild eine im wesenlichen negative Verzerrung. Ein oder mehrere Linsenelemente des Objektivlinsensystems, die der Endlinse des Objektivlinsensystems vorausgehen, können dem Zwischenbild eine im wesentlichen negative Verzerrung geben.
Bevorzugt ist der Detektor ein Infrarotdetektor und die Aperturblende liegt neben oder innerhalb eines gekühlten Dewar-Gefäßes und dient der Funktion einer Kälteabschirmung für den Detektor. In einem derartigen Fall, in dem sich ein oder mehrere Linsen des zweiten Linsensystems hinter der Aperturblende befindet, liegen solche Linsen innerhalb des gekühlten Dewar-Gefäßes. Das Dewar-Gefäß kann durch Verwendung eines Kühlmittels wie etwa flüssigem Stickstoff oder mit Hilfe einer Kältemaschine gekühlt werden. Bevorzugt ist der Detektor an ein Bildverarbeitungsmodul gekoppelt, das im Betrieb Bilddaten von dem Detektor empfangen kann, die ein dadurch detektiertes Endbild darstellen.
Bevorzugt werden die zumindest einigen (oder bevorzugt alle) der Linsenelemente sowohl des Objektivlinsensystems als auch des zweiten Linsensystem so gewählt, daß sie im Hinblick auf den Brennpunkt athermisch sind. Das heißt, die Position der Brennebene jeder derartigen Linse ist über die typischen Arbeitsbereiche der Temperatur hinweg mit der Temperatur im wesentlichen konstant. Ein oder mehrere der Linsenelemente der optischen Vorrichtung können eine beugende Struktur besitzen, die sich dafür eignet, in der Optik eine Farbkorrektur zu erhalten.
Die optische Vorrichtung kann in unmontierter Form oder als ein Bausatz von Teilen für eine optische Vorrichtung vertrieben werden, umfassend:
ein Objektivlinsensystem zum Fokussieren optischer Strahlung von einer Szene oder einem Objekt in ein Zwischenbild mit mindestens einem Linsenelement, das dem Zwischenbild einen wesentlichen Grad negativer Verzerrung gibt;
ein zweites Linsensystem zum Fokussieren optischer Strahlung von dem Zwischenbild in ein Endbild;
eine Aperturblende zum Begrenzen der das Endbild ausbildenden optischen Strahlung, wobei die optische Vorrichtung so ausgelegt ist, daß die Aperturblende zwischen dem Endbildgebiet, in dem das Endbild ausgebildet werden soll, und dem Linsenelement des zweiten Linsensystems liegt, das bei Gebrauch von dem Endbildgebiet am weitesten entfernt ist.
Der Bausatz an Teilen kann weiterhin einen Bilddetektor zum Detektieren des Endbilds umfassen, wobei die optische Vorrichtung so ausgelegt ist, daß die Aperturblende zwischen dem Bilddetektor und dem Linsenelement des zweiten Linsensystems liegt, das bei Gebrauch von dem Bilddetektor am weitesten entfernt ist. Der Bausatz kann weiterhin ein Dewar-Gefäß umfassen, um den Bilddetektor aufzunehmen.
Dann kann ein Detektor mit einer Detektionsoberfläche (planar oder nicht-planar) (z.B. ein Infrarotdetektor innerhalb eines Dewar-Gefäßes) gemäß diesem Verfahren verwendet werden, so daß die optische Strahlung von dem Zwischenbild mit dem optischen Linsensystem in ein Endbild an einer Bilddetektionsoberfläche fokussiert wird.
Die Aperturblende würde sich dann zwischen der Bilddetektionsoberfläche und dem Linsenelement des optischen Linsensystems befinden, das von der Bilddetektionsoberfläche am weitesten entfernt ist.
Gemäß diesem Verfahren wird bevorzugt, daß dem Endbild eine im wesentlichen negative Verzerrung gegeben wird, während das Zwischenbild unter Verwendung des Linsensystems fokussiert wird. Bevorzugt wird einem Bild eine im wesentlichen negative Verzerrung mit Linsenelementen des Linsensystems gegeben, die unmittelbar neben dem Bildgebiet liegen, in dem das jeweilige Bild ausgebildet wird oder werden soll.
Eine im wesentlichen negative Verzerrung kann dem Endbild bevorzugt mit einem Linsenelement gegeben werden, das neben dem Bildgebiet des Zwischenbilds liegt, und einem weiteren Linsenelement, das neben dem Bildgebiet des Endbilds liegt. Besonders bevorzugt wird dem Zwischenbild eine im wesentlichen negative Verzerrung gegeben unter Verwendung mindestens des Endlinsenelements eines Objektlinsensystems.
Dem Endbild kann eine im wesentlichen negative Verzerrung gegeben werden, wobei ein Linsenelement unmittelbar hinter dem Zwischenbildgebiet und ein Linsenelement hinter der Aperturblende und unmittelbar vor dem Endbildgebiet verwendet werden.
Es werden nun Ausführungsformen der Erfindung an Hand spezifischer, aber nicht einschränkender Beispiele unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine optische Vorrichtung, in der alle optischen Linsenelemente vor der Aperturblende der Vorrichtung angeordnet sind;
2 eine optische Vorrichtung, in der ein optisches Linsenelement des Übertragungslinsensystems hinter der Aperturblende liegt;
3 eine optische Vorrichtung, in der ein optisches Linsenelement des Übertragungslinsensystems hinter der Aperturblende liegt und eine Linse des Objektivsystems eine beugende Oberfläche besitzt.
1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, bei der die allgemein als 100 bezeichnete optische Vorrichtung eine Infrarotabbildungsvorrichtung ist und in dem Infrarotwellenband 4,0-5,0 μm arbeitet. Die Vorrichtung 100 umfaßt ein Objektivlinsensystem in Form eines optischen Aufbaus von Linsenelementen, die entlang einer gemeinsamen optischen Achse OA angeordnet sind, und der aus einem ersten (d.h. in 1 am weitesten links liegenden) Linsenelement 101, drei aufeinanderfolgenden Zwischenlinsenelementen 102, 103 und 104 und einem Endlinsenelement 105 besteht. Diesem Aufbaus von Objektivlinsenelementen folgend befindet sich auf der optischen Achse OA eine Anordnung von Übertragungslinsenelementen, die aus einem ersten Übertragungslinsenelement 106 und einem Endübertragungslinsenelement 107 bestehen. Ein Dewar-Gefäß 111 ist auf der optischen Achse OA jenseits des Endlinsenelements 107 plaziert. Das Dewar-Gefäß weist ein Fenster 108 auf und nimmt eine Aperturblende 109 und einen elektronischen Infrarotbilddetektor 110 auf. Die Dewar-Baugruppe wird durch ein nicht gezeigtes geeignetes Mittel gekühlt, das sowohl den Detektor 110 als auch die Aperturblende 109 derart kühlt, daß es eine Kälteabschirmung bildet, die den Eintritt von thermischer Streustrahlung zu dem gekühlten Infrarotbilddetektor 110 auf ein Minimum reduziert.
Die optische Vorrichtung weist hinter der Aperturblende (Kälteabschirmung) 109 keine optischen Linsenelemente auf.
Bei Gebrauch fällt Infrarotstrahlung von einem entfernten Objekt oder einer entfernten Szene in 1 von der linken Seite, wie durch Strahlen R angedeutet, ein. Die ersten beiden Elemente 101 und 102 des Objektivlinsensystems bilden eine Teleobjektivkonstruktion. Die erste optische Oberfläche 1 der Vorrichtung (bei Element 101) ist sphärisch, und die zweite Oberfläche 2 ist asphärisch in erster Linie für die Korrektur einer sphärischen Aberration.
Das Element 102 trägt die dritte und vierte Oberfläche des optischen Aufbaus, Oberflächen 3 und 4, die jeweils sphärisch sind. Die Elemente 103 bis 105 einschließlich bewirken zusammen die Einführung eines großen Ausmaßes an negativer Verzerrung, und die Oberfläche 8 (die hintere Oberfläche von Element 104) ist asphärisch, um dies erreichen zu helfen, während die Oberflächen 5 und 6 des Elements 103, die vordere Oberfläche 7 des Elements 104 und beide Oberflächen 9 und 10 des Elements 105 sphärisch sind.
Die Linsenelemente 101 bis 105 des Objektivlinsensystems bilden zusammen ein Zwischenbild "I", das negativ verzerrt ist und mit zusätzlichen Aberrationen behaftet ist. Die Elemente 106 und 107 bilden ein Zweikomponenten-Übertragungslinsensystem, um das Zwischenbild 2 auf den Detektor 110 zu übertragen, der sich innerhalb des Dewar-Gefäßes 111 und hinter der Kälteabschirmungs-Aperturblende 109 befindet.
Das Linsenelement 106 des Übertragungslinsensystems weist eine asphärische erste Oberfläche 11 auf, während alle anderen Linsenoberflächen des Übertragungssystems asphärisch sind. Die Linsenelemente 106 und 107 korrigieren zusammen mit den Oberflächen 1 bis 10 der Linsenelemente 101 bis 105 andere Außeraxiale optische Aberrationen, die ansonsten das an der Detektoroberfläche 17 ausgebildete Endbild "F" beeinflussen würden.
Infolge der Wechselwirkung aller Oberflächen auf die einfallende Infrarotstrahlung ist das auf der Oberfläche des Bilddetektors 110 ausgebildete Endbild F für alle Aberrationen außer negativer Verzerrung im wesentlichen gut korrigiert. Die Linsenelemente sind so gewählt, daß diese negative Verzerrung etwa –50% beträgt.
Die Brennweite für axiale Strahlung beträgt bei dieser Ausführungsform 100 mm, während die Brennweite für am Rand des Blickfelds des Detektors 110 einfallende Strahlung 50 mm beträgt (aufgrund der Verzerrung von –50%). Somit liegt bei der Winkelausdehnung (im Objektraum) eines zentralen Pixels im Vergleich zu einem Randpixel eine Winkelausdehnung mit einem Verhältnis von 1:2 vor.
Die brechenden Materialien der Linsenelemente der Vorrichtung sind so gewählt worden, daß das Design im Hinblick auf den Brennpunkt im wesentlichen athermal ist, mit anderen Worten ist die Position der Brennebene (bei Temperaturschwankungen innerhalb der Arbeitsbereiche der Vorrichtung) im wesentlichen mit der Temperatur konstant. Das Hauptathermalisierungsverfahren besteht darin, für die stark positiven Linsenelemente ein in der Technik als "IG4" bezeichnetes Material zu verwenden, doch könnten andere athermale Materialien verwendet werden.
Das Material "IG4" ist ein von der Firma Vitron Spezialwerkstoffe GmbH, Jena, Deutschland, hergestelltes proprietäres Chalkogenidmaterial. Dies ist ein Material mit einem Brechnungsindex, der mit der Temperatur von Natur aus relativ stabil ist.
Es ist jedoch anzumerken, daß die Erfindung nicht auf athermale Systeme beschränkt ist, und es versteht sich, daß andere Materialien, die kein athermales Linsendesign liefern, verwendet werden können.
Für eine maximale Transmission wird bevorzugt für das Linsenelement 102 ein als "CLEARTRAN" bekanntes Zinksulfidmaterial verwendet. Dieses Material ist ein proprietäres Produkt der Firma Rohm and Haas Incorporated.
Ein besonderes Beispiel des optischen Aufbaus gemäß 1 weist folgende numerische und Materialdaten auf. Die brechenden Oberflächen sind von vorne (in 1 ganz links) nach hinten als Oberflächen 1 bis 17 angegeben, wie dies in der vorausgegangenen Beschreibung geschah. Die Abmessungseinheiten sind in Millimetern angegeben (aber die Werte sind relativ und können entsprechend skaliert werden). Ein positiver Krümmungsradius gibt eine Mitte einer Krümmung zur rechten Seite des Linsenelements an, und eine negative Krümmung zur linken. Die Oberfläche 17 ist die Aperturblende (mit einem Aperturverhältnis F/3.5), und die optimale Wellenlänge beträgt 4,5 Mikrometer, wobei der Spektralbereich etwa 4,0 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer beträgt, und die Brennweite beträgt 100 mm.
Designdaten:
Die Krümmung der asphärischen Oberflächen wird durch folgende Gleichung definiert:
wobei Z_Aspheric und 'Y' Entfernungen entlang zueinander orthogonaler Achsen in einer Ebene sind, die die optische Achse OA enthält, und wobei der Ursprung an dem Punkt liegt, an dem die Oberfläche schneidet. Die Größen c, k, A₄, A₆ und A₈ sind Parameter mit den unten angegebenen Werten.
Ein Nachteil der in 1 dargestellten Ausführungsform besteht darin, daß Objektivlinsenelemente 103 bis 105 eine starke optische Leistung erfordern, damit man eine sehr hohe Verzerrung erhalten kann. Dadurch werden sie gegenüber Herstellungstoleranzen in dem Ausmaß empfindlich, daß dieses Linsendesign möglicherweise ohne unerwünschte Verschlechterung der Bildqualität schwierig herzustellen ist.
Eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wie in 2 dargestellt, kann ein optisches Design liefern, das gegenüber Toleranzen weniger empfindlich ist und möglicherweise einen noch größeren Grad an Verzerrung liefern kann.
Unter Bezugnahme auf 2 wird eine optische Vorrichtung 200 mit einem dreielementigen Objektivlinsensystem gezeigt, das ein erstes Linsenelement 201 mit einer sphärischen vorderen Oberfläche 1' und einer flachen hinteren Oberfläche 2' aufweist. Das zweite Linsenelement 202 trägt eine sphärische Oberfläche 3' und eine asphärische Oberfläche 4', während das Endlinsenelement 203 des Objektivsystems eine sphärische Oberfläche 5' und eine asphärische Oberfläche 6' trägt. Dieses Objektivlinsensystem ist so ausgelegt, daß es hinter dem Endlinsenelement 203 ein Zwischenbild I ausbildet, wobei das Zwischenbild hauptsächlich durch das Endobjektivlinsenelement im wesentlichen negativ ("tonnenförmig") verzeichnet wird.
Dann ist ein dreielementiges Übertragungslinsensystem in dem optischen Aufbau der Vorrichtung durch die Übertragungslinsenelemente 204, 205 und 208 vorgesehen. Das Übertragungslinsensystem beginnt unmittelbar nach der Zwischenbildebene. Das Übertragungslinsenelement 204 trägt eine asphärische vordere Oberfläche 7' und eine sphärische hintere Oberfläche 8', während sowohl die vordere als auch die hintere Oberfläche 9' bzw. 10' des Elements 205 sphärisch sind. Das Endlinsenelement 208 des Übertragungslinsensystems trägt eine asphärische vordere Oberfläche 14' und eine flache hintere Oberfläche 15'. Das Anfangs- und Endübertragungslinsenelement 204 bzw. 208 geben dem bereits verzerrten Zwischenbild I, das sie übertragen, eine im wesentlichen negative Verzerrung.
Element 206 ist ein Dewar-Fenster, das kein Linsenelement des Übertragungslinsensystems ist. Die Kälteabschirmungs-Aperturblende 207 für die Vorrichtung befindet sich in einer kurzen Entfernung hinter dem Dewar-Fenster 206. Es ist deshalb klar, daß das Übertragungslinsenelement 208 hinter der Aperturblende 207 und direkt vor dem Bilddetektor 209 und der Endbildebene F daran positioniert ist.
Es ist anzumerken, daß das Dewar-Fenster 206 bei einer alternativen Ausführungsform, bei der die Aperturblende 207 außerhalb des Dewar-Gefäßes 210 liegt, zwischen dem Linsenelement 208 und dem Bilddetektor 209 plaziert sein kann. Analog können Spektralfilter zwischen Linsenelement 208 und Bilddetektor 209 plaziert sein. Alternativ kann das Dewar-Fenster 206 bei einer weiteren Ausführungsform, bei der die Aperturblende 207 außerhalb des Dewar-Gefäßes 210 liegt, zwischen der Aperturblende 207 und dem Endübertragungslinsenelement 208 plaziert sein, und das Detektorfenster und/oder das oder die Spektralfilter können zwischen Übertragungslinsenelement 208 und Bilddetektor 209 plaziert sein.
Gegebenenfalls kann das Endübertragungslinsenelement 208 in das Detektormodul (Dewar-Gefäß 210) integriert sein. Bei dieser Ausführungsform sind brechende Materialien so gewählt worden, daß das optische System im wesentlichen athermal wird. Das Objektivlinsenelement 202 trägt in erster Linie zur Korrektur einer sphärischen Aberration eine asphärische Oberfläche 4'. Das Objektivlinsenelement 203 und die Übertragungslinsenelemente 204 und 208 tragen alle eine asphärische Oberfläche, wie oben identifiziert, und diese drei Linsenelemente erzeugen zusammen eine Verzerrung von etwa –60% des Endbilds F, während die Wechselwirkung aller der Linsenelemente (der optischen Vorrichtung) zusammen für eine Korrektur oder eine substantielle Korrektur anderer optischer Aberrationen sorgt. Die paraxiale Brennweite der Anordnung von 2 beträgt 100 mm, und die Brennweite für Strahlenbündel am Rand des Blickfelds beträgt 40 mm, was ein Verhältnis von 1:2,5 zwischen der Winkelausdehnung (im Objektraum) eines zentralen und eines Randpixels des Bilddetektors 209 ergibt.
Durch Integrieren von eine Verzerrung einführenden Linsenelementen sowohl nahe bei dem Zwischenbild I als auch dem Endbild F wird die von diesen Elementen verlangte optische Leistung signifikant reduziert im Vergleich zu der in 1 dargestellten Anordnung, wo alle eine Verzerrung einführenden Linsen derart in dem Objektivlinsensystem liegen, daß nur ein Element (das Endelement) nahe an einem Bild liegen kann. Durch Trennen der eine Verzerrung einführenden Linsen über das Objektivsystem und das Übertragungssystem wird das Design der optischen Vorrichtung (wie etwa das in 2 dargestellte) für Herstellungstoleranzen viel weniger empfindlich und somit leichter herzustellen.
Ein besonderes Beispiel des optischen Aufbaus gemäß 2 weist folgende numerische und Materialdaten auf. Die brechenden Oberflächen sind von vorne (in 2 ganz links) nach hinten als Oberflächen 1' bis 16' angegeben, wie dies in der vorausgegangenen Beschreibung dieser Zeichnung geschah. Die Abmessungseinheiten sind in Millimetern angegeben (aber die Werte sind relativ und können entsprechend skaliert werden). Ein positiver Krümmungsradius gibt eine Mitte einer Krümmung zur rechten Seite des Linsenelements an, und eine negative Krümmung zur linken. Die Oberfläche 13' ist die Aperturblende (mit einem Aperturverhältnis F/3.5), und die optimale Wellenlänge beträgt 4,5 Mikrometer, wobei der Spektralbereich etwa 4,0 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer beträgt, der Halbfeldwinkel beträgt 5,0 Grad und die Brennweite beträgt 100 mm.
Designdaten:
Die Krümmung der asphärischen Oberflächen wird durch folgende Gleichung definiert:
wobei Z_Aspheric und 'Y' Entfernungen entlang zueinander orthogonaler Achsen in einer Ebene sind, die die optische Achse OA enthält, und wobei der Ursprung an dem Punkt liegt, an dem die Oberfläche schneidet. Die Größen c, k, A₄, A₆ und A₈ sind Parameter mit den unten angegebenen Werten.
Eine Modifikation dieser Ausführungsform ist in 3 gezeigt.
Die in 3 gezeigte optische Vorrichtung 300 weist viele Ähnlichkeiten mit der Vorrichtung 200 auf, die in 2 dargestellt und oben unter Bezugnahme auf diese beschrieben ist. Die Modifikation bei der Vorrichtung 300 von 3 ergibt sich durch die Verwendung eines anderen Ansatzes zur Athermalisierung und Farbkorrektur, wie unten erörtert.
Das vordere Linsenelement 301 des Objektivlinsenarrays (die Elemente 301, 302 und 303 umfassend) trägt eine sphärische vordere Oberfläche 1'' und eine hintere Oberfläche 2'' mit einer beugenden Struktur auf einem asphärischen Substrat zur Bereitstellung von Farbkorrektur und Korrektur einer sphärischen Aberration. Das nachfolgende Objektivlinsenelement 302 ist aus Germanium hergestellt und weist eine stark negative Leistung auf. Weil Germanium einen hohen Koeffizienten der Variation des Brechungsindexes mit der Temperatur aufweist, stellt ein stark negatives Germaniumlinsenelement 302 einen signifikanten Beitrag zur Athermalisierung des Systems dar.
Objektivlinsenelement 303 und die nachfolgenden Übertragungslinsenelemente 304, 305 und 308 führen im allgemeinen die gleiche Funktion wie die in 2 dargestellten Linsenelemente (203, 204, 205 und 208) aus. Man beachte, daß Element 306 das Dewar-Fenster ist, während das Endobjektivlinsenelement 303, das Anfangsübertragungslinsenelement 304 und das Endübertragungslinsenelement 307 alle asphärische Oberflächen tragen. Die Linsenelemente sorgen zusammen für eine Verzerrung von –50%, d.h. ein Verhältnis von 2:1 zwischen axialer und Randfeld-Brennweite, die paraxiale Brennweite beträgt 100 mm.
Wenn eine beugende Oberfläche verwendet wird, damit man eine Farbkorrektur erhält, gestattet dies eine Reduzierung der Gesamtlänge im Vergleich zur vorausgegangenen Ausführungsform. Die außeraxialen Strahlbündel R kommen dem sehr nahe, die Telezentrizitätsbedingung beim Detektor zu erfüllen (d.h. die Hauptstrahlen der Bündel verlaufen im wesentlichen parallel zur optischen Achse OA). Dies unterstützt die Gleichförmigkeit der Beleuchtung.
Ein besonderes Beispiel des optischen Aufbaus gemäß 3 weist folgende numerische und Materialdaten auf. Die brechenden Oberflächen sind von vorne (in 3 ganz links) nach hinten als Oberflächen 1'' bis 16'' angegeben, wie dies in der vorausgegangenen Beschreibung dieser Zeichnung geschah. Die Abmessungseinheiten sind in Millimetern angegeben (aber die Werte sind relativ und können entsprechend skaliert werden). Ein positiver Krümmungsradius gibt eine Mitte einer Krümmung zur rechten Seite des Linsenelements an, und eine negative Krümmung zur linken. Die Oberfläche 13'' ist die Aperturblende (mit einem Aperturverhältnis F/3.5), und die optimale Wellenlänge beträgt 4,5 Mikrometer, wobei der Spektralbereich etwa 4,0 Mikrometer bis etwa 5,0 Mikrometer beträgt, der Halbfeldwinkel beträgt 5,0 Grad und die Brennweite beträgt 100 mm.
Designdaten:
Die Krümmung der asphärischen Oberflächen wird durch folgende Gleichung definiert:
wobei die Größen c, k, A₄, A₆ und A₈ Parameter mit den unten angegebenen Werten sind.
Und Beugungsdaten hinsichtlich der beugenden Struktur der asphärischen und beugenden Oberfläche 2'' des Objektivlinsenelements 301 werden definiert durch folgende Gleichung:
wobei n der Brechungsindex des Substrats und λ₀ die Designwellenlänge (0,0045 mm) ist. Die Größen n und λ₀ und die Größen H₂, H₄ und H₆ sind unten angegeben:
Der Term Z_Diff und 'Y' sind Entfernungen entlang zueinander orthogonaler Achsen in einer Ebene, die die optische Achse OA enthält und wobei ihr Ursprung an dem Punkt liegt, wo die Oberfläche schneidet. Der Term Z_Diff ist ein zusätzlicher Z-Wert, zu dem es aufgrund der beugenden Struktur kommt (d.h. zusätzlich zu dem asphärischen Substrat), so daß die Oberflächenkoordinate Z in einem außeraxialen Abstand Y auf der Oberfläche 2'' gegeben ist durch Z_Aspheric + Z_Diff.
Die drei oben unter Bezugnahme auf 1, 2 und 3 beschriebenen Ausführungsformen arbeiten alle in dem Wellenband 4-5 μm. Es versteht sich jedoch, daß die Erfindung auf optische Systeme angewendet werden könnte, die in anderen Wellenbändern wie etwa dem Wellenband 8-12 μm verwendet werden sollen, vorausgesetzt, es werden entsprechende brechende Materialien verwendet, die in dem relevanten Wellenband transparent sind. Zu geeigneten Materialien für das Wellenband 8-12 Mikrometer zählen: Germanium; Silizium; Zinksulfid; Zinkselenid oder "KRS-5" (Thalliumbrom-Iodid).
Es ist sogar zu verstehen, daß Modifikationen und Variationen an verschiedenen der in den oben bereitgestellten spezifischen Beispielen verwendeten Parametern vorgenommen werden können, ohne vom Schutzbereich der vorliegenden Erfindung abzuweichen.
Beispielsweise verwenden die vorliegenden Ausführungsformen eine lineare optische Achse OA, doch kann die vorliegende Erfindung auf ein optisches System angewendet werden, das an einem geeigneten Luftspalt in dem optischen Aufbau (wie etwa zwischen den Elementen 102 und 103 des in 1 dargestellten Systems) gefaltet ist.

Claims

Verfahren zum optischen Abbilden, das folgendes umfaßt: Fokussieren optischer Strahlung von einer Szene oder einem Objekt in ein Zwischenbild mit einem im wesentlichen vorbestimmten Grad an negativer Verzerrung; Fokussieren optischer Strahlung von dem verzerrten Zwischenbild in ein um etwa –50% negativ verzerrtes Endbild in einem Endbildgebiet mit einem Linsensystem; Detektieren des negativ verzerrten Endbilds mit Detektierungsmitteln, wodurch die Auflösung in der Mitte des Felds im Vergleich zur Auflösung am Rand des Felds verstärkt wird, wodurch die das Endbild ausbildende optische Strahlung mit der Aperturblende begrenzt wird, die sich zwischen dem Endbildgebiet und dem Linsenelement des Linsensystems befindet, das von dem Endbildgebiet am weitesten entfernt ist.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei dem Endbild beim Fokussieren von Licht von dem Zwischenbild unter Verwendung des Linsensystems eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei einem Bild eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird mit einem oder mehreren Linsenelementen, die das erste Linsenelement hinter dem Bildgebiet sind, in dem das jeweilige Bild ausgebildet wird oder werden soll.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei einem Bild eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird mit einem oder mehreren Linsenelementen, die das letzte Linsenelement vor dem Bildgebiet sind, in dem das jeweilige Bild ausgebildet wird oder werden soll.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, wobei dem Endbild eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird mit einem Linsenelement des Linsensystems, das sich neben dem Bildgebiet des Zwischenbilds befindet, und einem anderen Linsenelement des Linsensystems, das sich neben dem Bildgebiet des Endbilds befindet.
Verfahren nach Anspruch 5, wobei das Zwischenbild durch ein Objektivlinsensystem ausgebildet wird und dem Zwischenbild eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird, wobei mindestens das letzte Linsenelement des Objektivlinsensystems verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, wobei dem Endbild eine im wesentlichen negative Verzerrung auferlegt wird, wobei ein Linsenelement des Linsensystems unmittelbar hinter dem Zwischenbildgebiet und ein Linsenelement des Linsensystems hinter der Aperturblende und unmittelbar vor dem Endbildgebiet verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei eine im wesentlichen negative Verzerrung des Zwischen- und/oder Endbilds bereitgestellt wird, wobei Linsenelemente verwendet werden, die jeweils eine oder asphärische Oberflächen tragen.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei ein oder mehrere Linsenelemente mit einer beugenden Struktur, die sich für die Bereitstellung einer Farbkorrektur eignet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 9, unter Verwendung eines Bilddetektors innerhalb eines Dewar-Gefäßes, wobei die optische Strahlung von dem Zwischenbild in ein Endbild an einem Bilddetektionsgebiet des Detektors fokussiert wird; und sich die Aperturblende zwischen dem Bilddetektionsgebiet und dem Linsenelement des Linsensystems, das von dem Bilddetektionsgebiet am weitesten entfernt ist, befindet.