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Diese
Erfindung betrifft optische Systeme mit einem Kuppel-Fenster und
einem optischen System, das eine Abbildungslinse, wie bspw. eine
katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse
aufweist, und insbesondere um Geister-Abbildungen zu vermeiden, die
ansonsten am Sensor solcher optischer Systeme sichtbar wären.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
optisches System umfasst einen optischen Zug mit einem Sensor, der
abgestrahlte Energie von einer Szene empfängt und sie in ein elektrisches
Signal umwandelt. Das elektrische Signal wird einer Anzeige geliefert
oder für
eine automatische Mustererkennung oder Ähnliches weiterverarbeitet. Der
Sensor ist zerbrechlich und wird leicht durch Schmutz, Erosion,
Chemikalien oder hohe Luftgeschwindigkeiten zerstört.
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Im
Betrieb wird der Sensor hinter einem transparenten kuppelförmigen Fenster
platziert, durch das er die Szene sieht und dass den Sensor gegen äußere Einflüsse schützt. In
einigen Fällen kann
die Kuppel kugelförmig
sein. Falls die Kuppel nicht kugelförmig, stark gekrümmt und
dick ist, führt sie
zu wesentlichen Wellenfront-Aberrationen
in den optischen Strahlen, die das Fenster auf dem Weg zum Sensor
durchlaufen. Wie in US-Patent 6,028,712 diskutiert, kann ein transparentes
optisches Korrekturmittel im optischen Pfad zwischen der Kuppel
und dem Sensor eingesetzt werden, um die Aberration zu kompensieren,
die von dem nicht kugelförmigen
Fenster eingeführt
wurde.
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Bei
einer Vielzahl solcher optischer Systeme wird eine katadioptrische
(auch manchmal als „catadioptic" bezeichnet) Abbildungslinse
im optischen Zug verwen det. Das Licht, das durch die Kuppel und das
optische Korrekturmittel läuft,
falls vorhanden, wird gebeugt und von der katadioptrischen Linse
zu dem Sensor reflektiert. Die katadioptrische Linse kombiniert
ein durchlässiges
Eingangsfenster, eine reflektive Haupt-, eine reflektive Neben-
und eine durchlässige
Ausgangsöffnung
in einem einzelnen optischen Element.
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Obgleich
die katadioptrische Linse sehr effizient ist, leidet sie, wie auch
andere Linsentypen, an dem Problem, dass Reflexionen von der Kuppel
oder den optischen Korrekturmitteln, falls vorhanden, und von der
Vorderseite der katadioptrischen Linse selbst den Sensor als eine
Geister-Abbildung erreichen können.
Eine Analogie, die zwar nicht ganz passend ist, ist das Muster,
das manchmal als Reflexion von der Windschutzscheibe vom Fahrer
eines Fahrzeugs gesehen wird. Unter den richtigen Lichtbedingungen kann
der Fahrer Reflexionen in der Windschutzscheibe des Inneren des
Fahrzeugs oder von Objekten außerhalb
des Fahrzeugs sehen, die nicht in der betrachteten Szene sind. Das
Mustererkennungssystem des Menschen kann dann normalerweise die
betrachtete Szene von dem reflektierten Muster unterscheiden, aber
die Mustererkennungssysteme momentan verfügbarer Abbildungsprozessoren
sind nicht so intelligent. Dieser Typ von Streulichtabbildung ist
somit extrem schwierig von der gewünschten Abbildung zu unterscheiden.
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Es
gibt ein Bedürfnis
nach einem Lösungsweg
zur Vermeidung von Streulicht-Geister-Abbildungen,
die sich durch katadioptrische Linsen ergeben und das Erfassen einer
Szene in einem optischen System stören. Die vorliegende Erfindung
erfüllt
dieses Bedürfnis
und liefert ferner zugehörende Vorteile.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein optisches System bereit, das eine
Kuppel aufweist und, abhängig
von dem Kuppeltyp, ein optisches Korrekturmittel. Licht erreicht
einen Sensor, in dem es durch einen optischen Zug läuft, der
eine katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse
aufweist (manchmal als Festkörper „Catadiop tic" oder „Cat" Linse bezeichnet).
Die katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse
wird so verändert,
dass Geister-Abbildungen vermieden werden, die ansonsten den Sensor
erreichen würden und
zu Fehlinterpretationen führten.
Die Funktionalität
der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse wird
nicht nachteilig beeinflusst. Der vorliegende Lösungsweg benötigt keine
Modifikation des Sensors und vermeidet die Notwendigkeit, große Mengen
an Rechenleistung zu verbrauchen, um Geister-Abbildungen zu unterscheiden.
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Erfindungsgemäß umfasst
ein optisches System eine äußere Kuppel
und ein Detektorsystem, das einen optisches Zug mit einer katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse aufweist,
die symmetrisch zu einer Linsenachse ist. Die katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse
besitzt eine Bohrung, die hindurch ergeht und mit der Achse der
Linse zusammenfällt.
(Die katadioptrische Abbildungslinse ist eine katadioptrische „Festkörper-Abbildungslinse", was bedeutet, dass
sie reflektive und refraktive Elemente in einer einzelnen physischen
Komponente vereint.) Das Detektorsystem umfasst ferner einen Sensor,
der angeordnet ist, um einen optischen Strahl zu empfangen, der
der Reihe nach durch die äußere Kuppel
und den optischen Zug läuft.
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Die
Bohrung ist positioniert, um die Streulichtstrahlen zu blockieren,
die aufgrund des Geistereffekts in dem optischen System entstehen,
durch das Vorhanden sein der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse.
Der maximale Bohrungsdurchmesser ist ausreichend klein, dass die
Bohrung nicht mit den Lichtstrahlen der interessierenden Szene interferiert.
Das Streulicht, das von dieser Quelle ausgeht, wird deshalb aus
dem optischen Pfad entfernt, bevor es den Sensor erreichen kann.
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Die
Bohrung kann zylindrisch-symmetrisch sein oder kann eine andere
Form aufweisen, wie bspw. ein Kegelstumpf. Die Bohrung kann mit
einem undurchsichtigen Material gefüllt sein, oder dessen innere
Fläche
kann grundiert sein. Die Bohrung besitzt vorzugsweise eine innere
Fläche,
deren maximaler Abstand von der Linsenachse im Wesentlichen gleich
einem Durchmesser eines inneren Ringstrahls des optischen Systems
ist.
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Die äußere Kuppel
kann ein Kugelsegment aufweisen, wobei in diesem Fall zumeist kein
optisches Korrekturmittel notwendig ist. Die äußere Kuppel muss kein Kugelsegment
sein, wobei in diesem Fall ein optisches Korrekturmittel zwischen
der Kuppel und dem Detektorsystem positioniert sein kann. Das optische
Korrekturmittel umfasst einen transparenten Körper mit einer Form des optischen
Korrekturmittels, die von einer Form der äußeren Kuppel abhängt und
das in einem optischen Pfad zwischen der äußeren Kuppel und dem Detektorsystem
positioniert ist.
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Vorzugsweise
ist das Detektorsystem auf einem beweglichen optischen Zug-Support bzw. -Träger befestigt.
Der bewegliche optische Zugträger
ist typischerweise eine kardanische Aufhängung, wie bspw. eine Roll-Nick-Aufhängung oder
eine X-Y-Aufhängung.
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Um
eine weitere Reduzierung des Streulichts zu erreichen, kann das
optische System zumindest ein Ablenkblech aufweisen, das in dem
optischen Pfad zwischen der äußeren Kuppel
und dem Detektorsystem positioniert ist und im Raum relativ zu der
Mittelachse fixiert ist, wobei jedes Ablenkblech eine kegelstumpfförmige Röhre aufweist,
die rotationssymmetrisch zu der Mittelachse ist.
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Der
vorliegende Lösungsweg
erlaubt die Verwendung der effizienten katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse
in dem optischen Zug, vermeidet aber das mögliche Problem von Geister-Abbildungen.
Andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden sich
aus der nachfolgenden detaillierteren Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
ergeben in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, die beispielhaft
die Prinzipien der Erfindung darstellen. Der Umfang der Erfindung
ist jedoch nicht auf diese bevorzugte Ausführungsform begrenzt.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine schematische Seitenansicht einer Rakete mit einem optischen
System;
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2 ist
eine schematische Seitenansicht des inneren Aufbaus des vorderen
Endes der Rakete;
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3 ist
eine diagrammartige Darstellung eines Strahlpfads eines Streulichtstrahls,
wenn keine Bohrung in der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse vorhanden
ist;
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4 ist
eine diagrammartige Darstellung eines Strahlpfads eines Streulichtstrahls,
wenn in der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse eine Bohrung
vorhanden ist;
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5 ist
eine vergrößerte Schnittansicht entlang
eines Durchmessers der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse mit einer
zylindrischen Bohrung;
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6 ist
eine vergrößerte Schnittansicht längs eines
Durchmessers der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse mit einer
kegelstumpfförmigen
Bohrung und einem gekennzeichneten inneren Ringstrahls der Abbildung;
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7 ist
ein Intensitätsdiagramm
als Funktion der Position, dass die Leistung des optischen Systems
im Hinblick auf eine herkömmliche
katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse
ohne Mittelbohrung zeigt;
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8 ist
ein Intensitätsdiagramm
als Funktion der Position, dass die Leistung des optischen Systems
mit einer katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse
mit Mittelbohrung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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1 zeigt
ein Flug-Fahrzeug, in diesem Fall eine Überschallrakete 20,
mit einem Rumpf 22, der ein gekrümmtes äußeres Kuppelfenster 24 („äußere Kuppel") besitzt, das an
einem vorderen Ende des Rumpfs angebracht ist. Die äußere Kuppel 24 ist als
Nasenkuppel gezeigt, die zumindest teilweise in den Luftstrom der
Rakete 20 hervorsteht. Der Rumpf 22 ist entlang
einer Mittelachse 25 länglich
ausgebildet und in einer bevorzugten Anwendung ist die äußere Kuppel 24 rotationssymmetrisch
zu der Mittelachse 25. Unter „rotationssymmetrisch" ist gemeint, dass
die dreidimensionale Form, hier der äußeren Kuppel 24, durch
Drehung einer Kurve oder Linie um die Mittelachse 25 erzeugt
werden kann. Die äußere Kuppel 24 kann
ein Kugelsegment sein, oder sie kann nicht kugelförmig sein.
Die Rakete 20 umfasst ferner einen Raketenmotor 26 innerhalb
des Rumpfs 22 und Leitflächen 28, die am Rumpf 22 angebracht sind.
Die Rakete 20 mit der Nasenkuppel 24 ist die bevorzugte
Anwendung des optischen Systems der Erfindung, aber sie ist auch
in anderem Kontext anwendbar sowie für anderen Raketenkuppeln oder Kuppeln
bemannter Flugzeuge.
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Die
nicht kuppelförmige äußere Kuppel 24 ist Teil
eines optischen Systems 30. Das optische System 30 umfasst
ferner ein Detektorsystem 32 mit einem Sensor 34,
der an einem Dewargefäß 36 befestigt
ist. Der Sensor 34 ist vorzugsweise ein Infrarotsensor
mit einer Anordnung in der Brennebene (FPA; Focal Plane Array),
wie aus dem Stand der Technik bekannt. Ein optischer Zug, der hier
eine katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse 38 umfasst,
führt und
fokussiert einen gewünschten
optischen Strahl 40, der entlang eines optischen Pfads
(der mit dem optischen Strahl 40 zusammenfällt) von
einer Szene zu dem Sensor 34 wandert. (Der Ausdruck „katadioptrisch" wird manchmal als „catadioptic" bezeichnet, und
die vorliegende Verwendung umfasst beide Ausdrücke. Der Ausdruck „cat" der für eine Linse
benutzt wird, wird manchmal eingesetzt, um beide Ausdrücke abzukürzen.) Die
katadioptrische Abbildungslinse 38 ist eine katadioptrische „Festkörper"-Abbildungslinse,
was bedeutet, dass sie reflektive und refraktive Elemente in einer
einzelnen physischen Komponente enthält. Das Detektorsystem 32 mit
dem Sensor 34, dem Dewargefäß 36 und der Linse 38 ist
auf einer kardanischen Aufhängung
angebracht, dessen querverlaufende Rotationsachse mit dem Bezugszeichen 42 gekennzeichnet
ist. Die dargestellte kardanische Aufhängung ist eine Roll-Nick-Aufhängung, die
um die Querachse 40 rollt und um die Mittelachse 25 nickt,
aber andere Aufhängungstypen,
wie bspw. eine X-Y-Aufhängung
können
verwendet werden.
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Für den Fall,
dass die äußere Kuppel 24 nicht
kugelförmig
ist, ist bevorzugt, dass ein optisches Korrekturmittel 44 in
dem optischen Pfad optisch zwischen der äußeren Kuppel 24 und
dem Detektorsystem 30 positioniert ist. Das optische Korrekturmittel 44 umfasst
zumindest einen Körper,
der für die
von dem Sensor 34 erfassten Wellenlängen transparent ist und der
eine optische Korrekturmittel-Form besitzt, die an die Form der äußeren Kuppel 24 angepasst
ist. In der Darstellung umfasst das optische Korrekturmittel 44 zwei
Körper 44a und 44b, es
könnten
aber mehr oder auch weniger vorhanden sein. Das optische Korrekturmittel 44 ist
an dem Rumpf 22 angebracht und bei der dargestellten Ausführungsform
relativ dazu unbeweglich, aber das optische Korrekturmittel 44 könnte beweglich
sein. Der Aufbau und die Verwendung von optischen Korrekturmitteln
wird umfassender in US-Patent 6,028,712 diskutiert.
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Optional
ist zumindest ein Ablenkblech im optischen Pfad zwischen der äußeren Kuppel 24 und dem
Detektorsystem 32 angeordnet. Es können ein Ablenkblech, zwei
Ablenkbleche, drei Ablenkbleche oder mehr sein. Im Allgemeinen ist
bevorzugt, so wenige Ablenkbleche wie notwendig zu benutzen, um die
gewünschte
Ablenkung von Streulicht auszuführen,
da eine ansteigende Anzahl von Ablenkblechen das gewünschte den
Sensor von der Szene erreichende Licht negativ beeinflusst und es
ebenfalls zunehmend schwieriger wird, die große Anzahl von Ablenkblechen
innerhalb des Innenraums der Nasenkuppel 24 zu positionieren,
auszurichten und zu befestigen. Die Ablenkbleche werden im Raum
relativ zu der Mittelachse 25 fixiert. Das heißt, dass
die Ablenkbleche nicht kardanisch aufgehängt sind, um mit dem Detektorsystem 32 bewegt
zu werden. In 2 sind drei Ablenkbleche 46, 48 und 50 dargestellt.
Jedes Ablenkblech 46, 48 und 50 umfasst
eine optisch undurchlässige
kegelstumpfförmige
Röhre,
die rotationssymmetrisch zu der Mittelachse 25 ist.
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Die
katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse 38 ist
eine hocheffiziente Linse, die refaktive und reflektive Funktionen
in einer einzelnen Komponente integriert. Die katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse 38 kombiniert
ein durchlässiges
Eingangsfenster, eine reflektive Haupt-, eine reflektive Neben-
und eine durchlässige
Ausgangsöffnung
in einer einzelnen optischen Komponentenstruktur.
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Die
katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse 38 kann
jedoch Geister-Abbildungen
an dem Sensor 34 durch einzelne Reflexionsereignisse erzeugen.
Die Geister-Abbildung ist eine Form von Streulicht, die durch Fresnel-Reflexionen
von den optischen Flächen
erzeugt wird. 3 zeigt einen Geister-Abbildungslichtstrahl 60,
der den Sensor 34 ohne die Lösung der vorliegenden Erfindung
erreicht.
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Der
Geister-Abbildungsstrahl 60 kann blockiert werden, um den
Sensor 34 nicht zu erreichen, indem eine Bohrung 62 in
der Mitte der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse 38 erzeugt
wird. Die Bohrung 62 ist entweder hohl mit einer grundierten
Glasinnenfläche,
so dass sie kein Licht reflektiert, oder ist mit einem lichtundurchlässigen Festkörpermaterial
gefüllt.
In jedem Fall überträgt die Bohrung 62 kein
Licht quer zu ihr. Studien des optischen Pfads möglicher Geister-Abbildungsstrahlen 60 zeigen, dass
diese Strahlen durch diesen Mittelbereich der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse 38 laufen
und dass ein Blockieren dieses Durchgangs eine Geister-Abbildung
an dem Sensor 34 verhindert, die sich aus den Geister-Abbildungsstrahlen 60 ergeben. 4 zeigt,
wie der Geister-Abbildungsstrahl 60 blockiert wird, um
das Erreichen des Sensors 34 zu verhindern, durch das Vorhandensein
der lichtundurchlässigen
Bohrung 62.
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5 und 6 zeigen
die Bohrung 62 und deren Bezug zu der katadioptrischen
Festkörper-Abbildungslinse 38 in
größerem Detail.
Die katadioptrische Festkörper-Abbildungslinse 38 ist
kreissymmetrisch um eine Linsenachse 64. Eine Achse 66 der Bohrung 62 fällt mit
der Linsenachse 64 zusammen. Die Bohrung kann entweder
zylindrisch sein, wie in 5 dargestellt, oder kann jede
andere Form aufweisen, wie bspw. eine Kegelstumpf-Form, wie in 6 gezeigt.
Die Bohrungen 62 der 5 und 6 sind
in Querrichtung lichtundurchlässig,
aber sind aus Klarheitsgründen
als Linienelemente gezeigt. Der Rest der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse 38 ist
für Licht
transparent, das vom Sensor 34 erfasst wird.
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Die
Kuppel 24 und das optische Korrekturmittel 44,
(falls vorhanden), sind mittels einer Standardstrahlpfadtechnik
entworfen, wie bspw. der Code V Software. Die unbegrenzte Anzahl
von Geister-Abbildungsstrahlpfaden 60 wird durch die Standardsoftware
ASAP (Advanced System Analysis Program) simuliert, und der Bohrungsdurchmesser 62 wird
ausgewählt,
indem die ASAP-Software eingesetzt wird. (Für den Fall, dass die Form der
Bohrung 62 nicht gleichmäßig entlang seiner Länge ist,
wird der „Bohrungsdurchmesser" als der maximale
Durchmesser oder Abstand von der Bohrachse 66 genommen.) Kein
einzelner Bohrungsdurchmesser ist für alle optische Systeme 30 geeignet.
Allgemein wird jedoch der Bohrungsdurchmesser so ausgewählt, dass
der maximale Abstand von einer Innenfläche 68 von der Bohrachse 66 und
der Linsenachse 64 im Wesentlichen gleich zu einem Durchmesser
des inneren Ringstrahls des optischen Systems ist. Ein innerer Strahlpfad 70 des
optischen Systems 30 ist in 6 dargestellt.
Falls der Bohrungsdurchmesser größer gemacht
wird als der Durchmesser, der durch diesen inneren Strahlpfad definiert
wird, wird dann die Bohrung Lichtstrahlen 40 von der Szene
blockieren, so dass die Fähigkeit,
Merkmale in der Szene zu erkennen, verschlechtert wird. In dem verdunkelten
System, wie jenes, das die lichtundurchlässige Bohrung von 4–6 aufweist,
wird der mittlere Teil des Strahlbündels bereits durch die Rückseite
des Zweitspiegelabschnitts der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse 38 blockiert.
Solange die Bohrung innerhalb dieses Abbildungsschattens ist, blockiert
sie nicht weiter einen Teil der gewünschten Abbildung.
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Die
vorliegende Erfindung wurde in einer Computersimulation unter Verwendung
der Code V und ASAP Optiksoftware, die zuvor diskutiert wurde, in
die Praxis umgesetzt und einer beispielhaften Kuppel 24 und
einem optischen Korrekturmittel 44. 7 zeigt
die optische Leistung für
den Fall, dass keine Bohrung 62 in der katadioptrischen
Festkörper-Abbildungslinse 38 ist. 8 zeigt
die optische Leistung bezüglich
der auf den Sensor 34 auftreffenden Energie, wenn eine
Bohrung 62 in der katadioptrischen Festkörper-Abbildungslinse 38 vorhanden
ist. In dem Diagramm von 7 gibt es Seitenkeulen, die
das Vorhandensein von Geister-Abbildungen
auf jeder Seite der Hauptenergieverteilung darstellen. Diese Seitenkeulen
sind in dem Diagramm von 8 nicht vorhanden und zeigen
damit an, dass Geister-Abbildungen fehlen.
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Obgleich
eine bestimmte Ausführungsform der
Erfindung im Detail zu Erläuterungszwecken
beschrieben wurde, ergeben sich verschiedene Modifikationen und
Verbesserungen ohne den Umfang der Erfindung zu verlassen. Entsprechend
ist die Erfindung nicht begrenzt mit Ausnahme auf die angehängten Ansprüche.