DE68909142T2

DE68909142T2 - Multispektrales Spiegelgerät.

Info

Publication number: DE68909142T2
Application number: DE89402093T
Authority: DE
Inventors: Jean Lacuve
Original assignee: Sagem SA
Current assignee: Sagem SA
Priority date: 1988-07-26
Filing date: 1989-07-24
Publication date: 1994-01-13
Anticipated expiration: 2009-07-25
Also published as: US4927256A; EP0353138B1; EP0353138A1; IL91101A; FR2634907B1; FR2634907A1; IL91101A0; DE68909142D1

Description

Die Erfindung betrifft Vorrichtungen zur Bildung eines Objektbildes im Unendlichen, die in einem breiten Spektralbereich funktionieren können.
Es gibt mehr und mehr Anwendungen, bei welchen eine solche optische Vorrichtung das Bild eines Objektes im Unendlichen für Aufnehmer liefern soll, die bei sehr unterschiedlichen Wellenlängen arbeiten, bspw. bei einer Fernsehkamera, die im sichtbaren Bereich zwischen 0,4 u bis 0,7 u arbeitet, bei einer Fernsehkamera mit einer Siliziumröhre, die zwischen 0,4 bis 1 u arbeitet, bei einem Aufnehmer, der im nahen Infrarot arbeitet, und einem Empfänger in Verbindung mit einem CO&sub2;-Laser bis 10,6 u. Keines der transparenten Materialien ist für die Gesamtheit der Bereiche von 0,4 bis 14 u wirklich geeignet, um eine multispektrale Optik zu bilden, die für mehrere Aufnehmer gemeinsam ist, denn die Mehrzahl dieser Materialien ist hygroskopisch und diejenigen, die es nicht sind, haben eine exzessive chromatische Dispersion.
Es sind außerdem Spiegelgeräte zur Bildung eines Objektbildes im Unendlichen und insbesondere verschiedene Typen von Teleskopen bekannt. Aber die bekannten optischen Spiegelgeräte, wenn sie den Vorteil eines sehr guten Wirkungsgrades in einem sehr großen Frequenzbereich und der vollständigen Abwesenheit von Chromatismus aufweisen, haben dagegen zwei Unanehmlichkeiten, die bisher eine Vielzahl von Anwendungen verhindert haben: die existierenden Systeme sind stark auf das Zentrum beschränkt und haben ein kleines Feld, das im allgemeinen nicht über 40 hinausgeht.
Es ist ebenso ein Infrarotkollimator (FR-A-1 393 577) bekannt, der einen parabolischen Primärspiegel und einen hyperbolischen Sekundärspiegel zur Drehung um eine gemeinsame Achse umfaßt, wobei deren Brennpunkte zusammenfallen. Diese Vorrichtung ist mit allen oben erwähnten Unannehmlichkeiten behaftet. Die Vorsehung eines elliptischen Spiegels erlaubt in keiner Weise diese Nachteile zu beseitigen.
Es ist gleichermaßen (Lunettes et telescopes, Donjon et al., Paris 1935, pp. 249-250) eine Vorrichtung bekannt mit einem Spiegel zur Bildung eines Objektbildes im Unendlichen von einem Typ, der hintereinander einen Parabolspiegel und einen Hyperbolspiegel mit zusammenfallenden Brennpunkten umfaßt. Die verwendeten Teile der Spiegel liegen abseits der Achse und decken sich nicht gegenseitig.
Die Erfindung hat zur Aufgabe, eine Vorrichtung des oben beschriebenen Typs zu liefern, die besser als die vormals bekannten den Anforderungen der Praxis genügt, insbesondere darin, daß größere Felder erreicht werden, ohne übermäßig starke geometrische Aberration einzuführen.
Mit diesem Ziel schlägt die Erfindung insbesondere eine Vorrichtung gemäß dem Anspruch 1 vor.
Im allgemeinen wird man dazu geführt werden, einen Einfallswinkel auf den parabolischen Spiegel einzustellen, der kleiner als der Einfallswinkel auf den hyperbolischen Spiegel ist, um für beide Spiegel eine Flächenausdehnung der gleichen Größenordnung einstellen zu können, ohne daß es zu einer Teilverdunklung des Strahls durch den hyperbolischen Spiegel kommt. Häufig sind die beiden Spiegel in der Weise orientiert, daß die gesamte Ablenkung der Vorrichtung gleich 90º ist: das ist insbesondere der Fall, wenn eine Azimutabtastung um die Achse des Ausgangsstrahls mit einem horizontalen Eingangsstrahl vorgesehen ist. Dann liegt der Einfallswinkel des Parabolspiegels im allgemeinen zwischen 15º und 22,5º.
Eine solche Vorrichtung erlaubt es, ein Bild zu erhalten, daß streng stigmatisch ist für einen Punkt auf der optischen Achse. Mit Hilfe einer Optimierung kann man die geometrischen Aberationen im gesamten Feld auf einen in den meisten Fällen akzeptablen Wert vermindern. Das Bild am Feldrand kann weiterhin auf jedem erhaltenen Wege durch die Aufteilung des Strahles entsprechend den verschiedenen Wellenlängenbereichen mit Hilfe eines Dichroid verbessert werden, durch eine oder mehrere klassische Korrekturlinsen, die sphärisch oder asphärisch zentriert sind. Auf diese Weise erzielt man ein Bild von gleichförmiger Qualität über das ganze Feld.
Die Erfindung ist auf Vorrichtungen von sehr verschiedener Art anwendbar, jedesmal, wenn es notwendig ist, über einen multispektralen optischen Eingang zu verfügen. Insbesondere sind dabei Vorrichtungen zu nennen, die mit einer einzigen Eingangsöffnungen versehen werden sollen, die Kameras für den Betrieb im Sichtbaren und nahen und/oder fernen Infrarot und Abweichmeßsysteme umfassen; wenn eine solche Vorrichtung mit einer einzigen Öffnung einen Beleuchtungslaser umfaßt, kann diese Erfindung ebenfalls bei der Bezeichnung oder der Telemetrie eingesetzt werden (bspw. ein YAG-Laser, der bis 1,06 u arbeitet, ein Helium-Neonlaser bis 0,63 u und/oder einen CO2 Laser, der bis 10,6 u arbeitet (unter anderen möglichen Anwendungen sind die Spurensucher, die Landeleitgeräte für Flugzeuge, die eventuell als Eingangselemente für ein automatisches Landesystem dienen und Infrarotüberwachungseinrichtungen).
Die Erfindung wird anhand der Lektüre der Beschreibung besser verstanden werden, die einer besonderen Ausführungsform folgt und als nicht beschränkendes Beispiel gegeben ist. Die Beschreibung bezieht sich auf die begleitenden Zeichnungen, in welchen:
Figur 1 ein Prinzipschema ist, das die relative Anordnung der Spiegel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung und den verwendeten Bezeichnungen zeigt;
Figur 2 ähnlich wie Figur 1 eine geometrische Anordnung der Spiegel entsprechend einem besonderen Fall zeigt;
Figur 3 ein Punktdiagramm ist, das die regelmäßige Aufteilung der Aberationen um die Achse deutlich macht, im Falle einer optimierten Vorrichtung gemäß der Erfindung;
Figur 4 ähnlich wie ein Teil von Figur 2 die Vorsehung einer optischen Korrektur auf einem der Ausgangswege einer Vorrichtung gemäß Figur 2 zeigt;
Figur 5 ähnlich wie Figur 3 die Aberationen in dem Fall einer Vorrichtung der Art von Figur 4 zeigt;
Figur 5 ein Schema ist, das eine mögliche Anordnung der optischen Komponenten einer Schießlenkeinrichtung zeigt, das die Erfindung ausführt.
Die Vorrichtung gemäß der Erfindung, die schematisch in Figur 1 gezeigt ist, umfaßt einen Parabolspiegel 10 und einen Hyperbolspiegel 12, die beide nicht-axial sind. Zur Erhöhung der Klarheit sind die Parameter, die den Parabol- und den Hyperbolspiegel betreffen, mit Symbolen bezeichnet, denen jeweils ein Index p bzw. h angehängt ist.
Der Parabolspiegel 10 stellt eine Reflexionsfläche dar, die den mittleren Radius des Eingangsstrahls 14 bei Mp unter einem Einfallswinkel Θp empfängt. Diese reflektierende Fläche besteht aus einem Stück eines Parabols mit der Spitze Sp und der Fokallänge SpFp. Die Vorrichtung wird unter solchen Bedingungen verwendet, daß der einfallende Strahl 14 genau parallel zur Achse des Paraboloids verläuft.
Der Hyperbolspiegel 12 der Vorrichtung stellt eine zurückstrahlende Fläche dar, die den mittleren Radius bei Mh empfängt, der aus einem Teil von einem der Mäntel eines Hyperboloids besteht mit einer Spitze S2h und wobei die Achse einen Winkel α mit der des Paraboloids einschließt. Die Exzentrizität des Hyperboloids und seine relative Stellung in Bezug auf das Paraboloid sind so, daß in der Anordnung von Figur 1 der Brennpunkt F1h, der enthalten ist in der Hohlfläche eines Hyperboloidmantels, welcher sich unterscheidet von dem, von dem der Spiegel einen Teil darstellt, mit dem Brennpunkt Fp des Paraboloids zusammenfällt. Die Gesamtheit der Spiegel liefert ein Bild im zweiten Brennpunkt F2h des Hyperboloids. In dem dargestellten Fall wird das Bild bei F2h nach zwei Reflexionen durch einen Strahl gebildet, dessen mittlerer Radius senkrecht zum Eingangsstrahl verläuft.
Für einen Punkt auf der Achse ist das Bild streng stigmatisch. Um die Aberrationen in dem gesamten Feld zu vermindern, müssen verschiedene Bedingungen berücksichtigt werden. Um sie zum Verschwinden zu bringen, werden nun die Beziehungen zwischen den verschiedenen Parametern der Vorrichtung betrachtet. Es werden dazu die folgenden Bezeichnungen verwendet, zusätzlich zu denen, die schon bereits definiert wurden:
F: Gesamtfokallänge des Systems
γ:Vergrößerung des Hyperboloids für seine Brennpunkte Fh
E: Abstand MpMh zwischen den beiden Spiegeln, Länge des mittleren Radiuses
Z(X,Y): allgemeine Gleichung einer asphärischen Fläche erster Ordnung in dem Bezugssystem X, Y, Z, wobei Z die Symmetrieachse ist,
R: Krümmungsradius einer Spitze S der asphärischen Fläche
Θ: Einfallswinkel auf den Spiegel
Die obigen Parameter sind untereinander durch mehrere Beziehungen verknüpft:
F = (FpMp) x (MhF2h)/MhF1h = (FpMp) x γ
und für jeden Halbzweig jeder asphärischen Fläche:
wobei cc ein fester Koeffizient ist, genannt der asphärische Koeffizient.
Für ein Paraboloid ist cc = 1; der Krümmungsradius an der Spitze ist gleich (2F/ γ )cos²Θ und die Zentrumsabweichung, d.h. der Abstand zwischen der Achse FpSp des Paraboloids und dem mittleren Einfallsradius ist gleich (F/γ)sin(2Θ).
Für ein Hyperboloid ist der Krümmungsradius und der Asphärenkoeffizient mit γ durch die Beziehung verbunden:
Rh = (F- E) 1 + sin (2Θ)/l - γ
CC= -1 - 2 γ [sin(2Θ) + 1] / (l - γ)²
Der Winkel α zwischen den Achsen des Paraboloids und des Hyperboloids ist mit Θp verknüpft durch:
tg(α) = (sin 2Θp + γ)/cos 2Θp
Endlich ist die Distanz ShFp verknüpft mit R durch:
ShFp = ShF1h = Rh / ( [-cc-1])
Aus diesen Beziehungen ergibt sich, daß die Zentrumsabweichung proportional der Gesamtfokallänge F und sin2Θ ist. Folglich ist zu vermeiden, daß die Brennpunkte zu lang werden, was sich in eine zu starke Zentrumsabweichung der Spiegel überträgt und folglich in eine schwierige Herstellung, vor allem wenn die Herstellung die Ausführung eines vollständigen Gußrohlinges mit sich bringt, aus welchem man anschließend den Spiegel selbst schneidet. In der Praxis hat die Lösung insbesondere Bedeutung für Fokallängen F zwischen 400 und 500 mm.
Die Öffnung über der Achse ist nicht durch die geometrischen Aberationen beschränkt. Aber um eine partielle Verdunklung des Strahls zu vermeiden, beschränkt man im allgemeinen die Öffnung in der Größenordnung von F/2.
Oft sind die Vorrichtungen vorgesehen, um eine Gesamtstrahlablenkung von 90º zu ergeben. In der Mehrzahl der Fälle ist es vorteilhaft, den Einfallswinkel Θp auf das Paraboloid kleiner (oder gleich) dem Einfallswinkel auf das Hyperboloid zu halten. In der Praxis gibt man Θp im allgemeinen einen Wert, der zwischen 15 und 22,5º liegt. Der Abstand E zwischen den beiden Spiegeln für einen Brennpunkt zwischen 400 und 700 mm liegt daher im allgemeinen zwischen 250 und 300 mm.
Um die Aberationen in den weit von der Achse liegenden Bereichen des Feldes symmetrisch zu gestalten ist es angemessen, der Vergrößerung des Hyperboloids einen Wert in Abhängigkeit vom Einfallswinkel Θp zu geben. γ kann umso größer sein je kleiner Θ ist. Für eine Gesamtabweichung von 90º kann ein Wert für γ angenommen werden, der zwischen 0,685 und 0,5 für eine Variation von Θ zwischen 15 bis 22,5º liegt.
Für ein Feld von nicht mehr als 4º kann man, unter Berücksichtigung der Beziehungen zwischen Θ und γ in der Fokalebene der Vorrichtung einen Flecken am Rande des Feldes in der Größe von 0,5 mm erzielen, in der Weise, daß das Bild selbst in der Gesamtheit in bestimmten Fällen akzeptabel ist. Figur 3 zeigt als Beispiel ein Punktdiagramm, der Platzverteilung in der Mitte des Feldes und fünf Standorte verteilt bei 45º am Rande des Feldes mit:
F = 450 mm
Θ = 17º
γ = 0,635
E = 260 mm.
Wenn es notwendig ist, die Aberationen am Feldrand weiter zu reduzieren, kann eine Linsenkorrektur auf den Wegen ausgeführt werden, die jeweils einem bestimmten Wellenlängenbereich entsprechen. Die Vorrichtung kann dann wie in Figur 4 gezeigt ist, verwendet werden: eine dichroische Platte 16, die in dem Ausgangsstrahl des hyperbolischen Spiegels 12 angeordnet ist, erlaubt die Gewinnung von zwei Strahlen, die zwei verschiedenen Bereichen entsprechen. Figur 4 zeigt eine asphärische Umkehrlinse 18, die in einem der Strahlen angeordnet ist, um die Aberationen am Feldrand zu korrigieren und um ein Bild auf einem Anzeiger 20 zu erzielen, das im ganzen Feld korrekt ist. Die Platte 16 kann eine plane Reflexionsseite und eine gekrümmte rückwärtige Seite aufweisen, um die Aberationen auszuschalten, die durch eine Platte mit parallelen Seiten eingeführt werden würden.
Figur 5 zeigt ähnlich wie Figur 3, daß die Flecken am Feldrand auf diese Weise in einem Verhältnis von ungefähr 10:1 reduziert werden können.
Eine Vorrichtung gemäß der Erfindung kann insbesondere in einer stabilisierten Visiereinrichtung des Typs, wie er schematisch in Figur 6 gezeigt ist, eingesetzt werden. Die Visiereinrichtung umfaßt einen Eingangsablenkspiegel 22, der durch ein System mit einem Gyroskopen gesteuert wird, das unter konstantem Einfall einen Strahl von parallelem Licht auf den Parabolspiegel 10 sendet. Der Ausgangsstrahl des Hyperbolspiegels 12 wird durch die dichroische Platte 16 unterteilt, die einen Infrarotstrahl an eine Optik 24, einen Derotator 26 und eine Infrarotkamera 28 überträgt. Der durch die dichroische Platte 16 reflektierte Strahl umfaßt bspw. das sichtbare Licht und das nahe Infrarot bis 1,54 u und wird durch einen Spiegel 30 reflektiert und dann durch eine neue dichroische Platte 32 unterteilt in einen sichtbaren Weg 34 (dessen Empfänger bspw. eine Fernsehkamera ist) und einen Laserweg 36.

Claims

1. Spiegelgerät zur Bildung eines Objektbildes im Unendlichen, das hintereinander einen Parabolspiegel (10) und ein Hyperbolspiegel (12) umfaßt, die beide konkav sind und zusammenfallende Brennpunkte aufweisen, in welcher die reflektierenden Flächen des Parabolspiegels und des Hyperbolspiegels nicht-axiale Teile von entsprechenden Kegeln einschließen und eine Größenausdehnung in derselben Größenordnung aufweisen, und in welchem der Paraboloid so gestaltet ist, daß ein einfallender Strahl, dessen mittlerer Radius parallel zu seiner Achse verläuft, einen Einfallswinkel (Θp) auf den Parabolspiegel (10) aufweist, in der Art, daß der Hyperbolspiegel (12) den einfallenden Strahl nicht verdeckt und in welchem der Krümmungsradius der beiden Spiegel auf ihre Achse sich um nicht mehr als 10 % voneinander unterscheidet.

2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel (Θp) auf den Parabolspiegel kleiner als der Einfallswinkel auf den Hyperbolspiegel ist.

3. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Spiegel in der Weise ausgerichtet sind, daß die Gesamtablenkung des Gerätes gleich 90º ist.

4. Gerät nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Einfallswinkel (Θp) auf den Parabolspiegel zwischen 15º und 22,5º liegt.

5. Gerät nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel einen Fokalabstand zwischen 400 und 700 mm aufweisen.

6. Gerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen den beiden Spiegeln zwischen 250 und 300 mm liegt.

7. Gerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel so angeordnet und dimensioniert sind, daß die Vergrößerung des Gerätes mit dem Reflexionswinkel (Θp) auf den Parabolspiegel verknüpft durch eine abfallende Funktion ist, entsprechend den Werten von γ nahe 0,685 und 0,5 für Θp = 15º bzw. Θp = 22,5º.

8. Gerät nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es außerdem vor dem Hyperbolspiegel (12) eine Einrichtung (16, 34) umfaßt zur Aufteilung des Strahls in mehrere Wege entsprechend verschiedenen spektralen Bereichen und mindestens eine Linse zur Korrektur des Asymetriefehlers auf den Wegen.