DE6902466U

DE6902466U - Asphaerische linse fuer den ir-bereich.

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Publication number: DE6902466U
Application number: DE6902466U
Authority: DE
Original assignee: Electro & Co Ges fur Str GmbH
Current assignee: Electro & Co Ges fur Str GmbH
Priority date: 1969-01-23
Filing date: 1969-01-23
Publication date: 1971-07-08

Description

Asphärische Linse für den IR-Bereich Die Erfindung betrifft eine asphäristche Linse für den IR-Bereich.

Bei Strahlungsempfangevorrichtungen, die im IR-Bereic h arbeiten und einen entsprechenden Detektor aufweisen, wird das erzielbare Meßergebnis sehr wesentlich vom sogenannten Signal-Rausch-Verhältnis beeinflußt. Dieses ist definiert durch:

Signal = Nutzstrahlun.«; Rauschen «■/ Nutzstrahlung + Störstrahlung'

Durch die teilweise reflektierenden Grenzflächen (Übergänge"Luft-Linsenmaterial" bzw. "Linsenmaterial-Luft") innerhalb des Linsensystems einer Strahlungsempfangsvorrichtung wird nun der Störstrahlungsanteil vergrößert, während gleichzeitig die Intensität der Nutzstrahlung durch die ReflexionsVerluste herabgesetzt wird. Der unkontrollierbar reflektierte Nutzstrahlungsanteil wird somit in Störstrahlung umgewandelt. Hieraus resultiert zwangsläufig eine Zunahme des Rauschanteils, was gleichbedeutend ist mit einer Verschlechterung des Signal-Rausch-Verhältnisses·

Ea ist daher die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, einen Optikkörper für IR-optische Strahlungsempfangsvorrichtungen zu schaffen, mit dem sich eine Verminderung bzw. weitestgehende Unterdrückung von Störstrahlung und damit eine wesentliche Verbesserung <5 3S Signal-Rausch-Verhältnisses erzielen läßt.

Gemäß der Erfindung ist ein als asphärische Lins· zu bezeichnender Optikkörper, mit dem eine Lösung der gestellten Aufgabe ermöglicht wird, durch folgtide Merkmale gekennzeichnet:

a) «ine Linsenbegrenzungsfläche mit elliptischer Erzeugenden weist einen auf der Linsenachse in einem reellen Bildpunkt liegenden Ellipsenbrennpunkt aüf*,'~der gleichzeitig KrUmtnungamittclpunkt der gegenüberliegenden sphärischen Linsenbegrenzungeflache ist;

b) die elliptische Erzeugende der einen Begrenzungsfläche

besitzt in an sich bekannter Weise ein Halbachsenverhältnis

■g. ~ y——~ , Jworin η der Brechungsindex des optischen

Materials bei vorgegebener Wellenlänge ist;

c) der Krümmungsradius der sphärischen Begrenzungsfläehe ist kleiner als die doppelte lineare Exzentrizität der elliptischen Erzeugenden und höchstens gleich dem Betrag der Halbachse a, d.h. der zweite Ellipsenbrennpunkt liegt zwischen den beiden Linsenbegrenzungsflächen*

Linsen, die von geometrisch ähnlichen Rotationsellipsoiden begrenzt werden, deren Halbachsenverhältnis nach der Gleichung

"72
a = ■■- — durch den Brechungsindex η bestimmt ist, sind an sich bekannt ("Zeitschrift für Angewandte Physik", Heft 6/1965, Seiten 556-558.) Derartige Linsen dienen jedoch lediglich zur Bildung eines teleskopischen Systems, da sie entsprechend Fernrohrsystemen aus einem Parallellichtbündel wieder ein Parallellichtbündel mit verändertem Bündeldurchmesser machen.

Bei der erfindungsgemäßen asphärischen Linse, die in Fig. 1 in einem Ausführungsbeispiel dargestellt ist, handelt es sich hingegen um einen Optikkörper mit starker Autokollimationswirkung. Die in Fig. 1 gezeigte Linse 3 besteht aus einem für einen speziellen IR-Bereich geeigneten Material mit dem Brechungsindex η. Die Elliptische Erzeugende ihrer Begrenzungsfläche besitzt die Brennpunkte F und F , wobei e die lineare Exzentrizi-

± dt

tat ist. Der Krümmungsradius der sphärischen Begrenzungsfläche ist mit r bezeichnet. Ihr Krümmungsmitteipunkt ist mit dem Brennpunkt F. identisch. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wurde der Krümmungsradius r gleich dem Betrag Jer Halbachse a gewählt, wobei die Bedingung T ^ZC erfüllt ist. Die Wirkungsweise einer orfindungsgeaa*ßen «sphärischen Linse werde nun anhand der Pig. 2 näher erläutert. Fig. 2 zeigt als Ausführungs- beispiel ein IR-optisches Kollimatorsystem, das ?ua einer Kombination sweior Linsen 3 und % nach der Erfindung besteht,

-3-

Θ902Α66-17.71

deren Begrenzungsflächen 1 und 6 mit jeweils elliptischen Erzeugenden einander zugewendet sind.

Im folgenden werde zunächst in Fig. 2 die" der Darstellung gemäß Fig. 1 entsprechende, rechts angeordnete Linse betrachtet. Ein vom reellen Bildpunkt, d.h. dem außerhalb der Linse 3 liegenden Ellipsenbrennpunkt F ausgehender Strahl, der auf die sphärische Begrenzungsfläche 2 auftrifft, wird von dieser Fläche 2 z.T. in sich selbst zurückreflektiert, während der nicht reflektierte, in die Linse 3 ungebrochen eintretende Anteil (gestrichelt gezeichnet) in der Linse auf die Begrenzungsfläche 1 mit elliptischer Erzeugenden geleitet wird. An diesem Übergang "Linsenmaterial-Luft" wird ein Teil der auftreffenden Strahlung reflektiert, ein weiterer Teil gebrochen. Letzterer Strahlungsanteil verläßt die Linse als paralleles Bündel, da das Achsverhältnis der elliptischen Erzeugenden gemäß a « -i-l— —

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festgelegt ist, wenn η der Brechungsindex des Linsenmaterials bei vorgegebener Wellenlänge ist.

Andererseits kann der an der Ellipsoid-Fläche 1 reflektierte Strahlungsanteil zufolge der Tatsache, daß dtr Krümmungsradius der sphärischen Begrenzungsfläche 2 kleiner als die doppelte lineare Exzentrizität der elliptischen Erzeugenden und höchstens gleich dem Betrag der Ellipsenhalbachse a ist, durch den innerhalb der Linse 3 gelegenen Brennpunkt F der elliptischen Erzeugenden gelenkt werden und anschließend ein zweites Hai auf die Ellipsoid-Fläche 1 auftreffen. Der wiederum reflektierte Anteil gelangt nach Austritt durch die sphärische Linsenfläche 7 in den außerhalb der Linse 3 liegenden Brennpunkt F , d.h. ν eder zurück zum reellen Bildpunkt.

Je nach gegebenem Verhältnis der Ellipsenhalbachsen a und b und gegebenem Krümmungsradius der sphärischen Fläche der erfindungsgemäßen Linse erfolgt die zweite Reflexion an der ellipsoidförmigen Begrenzungsfläche im Innern.der Linse für nahezu alle vom reellen Bildpunkt herkommenden und an der Ellipsoidfläche zum ersten Mal reflektierten Strahlen oder nur für solche Strahlen, deren Eintritt srichtung einen vorgegebenen Einfallswinkel gegen die optische Achse nicht unterschreitet.

Da es in den meisten Fällen möglich sein wird, diesen Einfallsgrenzwinkel gegenüber dem auf die gesamte Linsenöffnung bezogenen Rau.mvri.nkel (mit der Spitze im Krümraungsmittelpunkt der sphärischen Begrenzungsfläche) klein zu halten, kann der Störstrahlung'santeil der sich durch unter dem Einfallsgrenzwinkel in die Linse eintretende, an der Ellipsoidfläche einmal reflektierte, die Linse jedoch ohne unmittelbare zweite Reflexion an der Ellipsoidfläche

j wieder durch die sphärische Begrenzungsfläche 2 verlassende

\ Strahlen ergibt, entsprechend gering bleiben.

Geht man nun zur weiteren Betrachtung der Eigenschaften der er-' findungsgemäßen Linse davon aus, daß auf die ellipsoidförmige

; Begrenzungsfläche 1 der Linse 3 ein Parallellichtbündel von außen

auftritt, (nach der Darstellung in der Fig. 2 kommt dieses achs-

■ parallel einfallende Bündel von der Linse 4 her), so ergibt sich,

; daß ein geringer Teil dieser Parallelstrahlung an der Fläche 1

f reflektiert wird, dor Hauptanteil dagegen als gebrochene Strahlung

in die Linse 3 eintritt nach Durchgang durch die sphärische Be-/ grenzungsflache 2 im außerhalb der Linse 3 liegenden Brennpunkt F

j dem reellen Bildpunkt auf der Linsenachse, vereinigt wird. Ein

' gewisser Teil der gebrochenen Strahlung wird zwar an der sphärische

Begrenzungsfläche 2 in die Linse 3 zurückreflektiert, kann jedoch als Nutzstrahlung nicht völlig verlorengehen, da an der gegenüberliegenden ellipsoidförmigen Begrenzungsfläche 1 eine weitere Reflexion stattfindet, zufolge der ein Teil der Strahlung durch den Brennpunkt F gelenkt, an der Begrensungsfläche 1 wiederholt reflektiert und schließlich im außerhalb der Linse 3 liegenden Brennpunkt F vereinigt wird.

Vie bereits weiter oben erwähnt, erhält man durch eine Kombination ] zweier erfindungsgemäßer Linsen ein in der Fig. 2 als Ausführungs-

bei»piel gezeigtes Kollimatorsystem für IR-optische Strahlungsempfangsvorrichtungen.

Es werde angenommen, daß durch den außerhalb der in Strahleneintrittsrichtung zuerst angeordneten Linse 4 liegenden Brennpunkt F_ eine Zwischenbildebene verläuft, in der eine entfernte IR-Strah-. lungsquelle als reeller Bildpunkt abgebildet wird und zwar so, daß Bildpunkt und Brennpunkt F. zusammenfallen. Das Kollimator- , system erzeugt nun eine weitere reelle Abbildung dieses Bildpunktes j

( 4 t

i « ι

i \ i ■ ι y

-5-

im außerhalb der nachfolgenden Linse 3 liegenden Brennpunkt F Es werde weiterhin angenommen, daß in diesem Brennpunkt F ein IR-Detektor angeordnet ist.

Ein solches Kollimatorsystem, das also die durch die Eintrittspupille der Empfangsvorrichtung eintretende und in der Zwischenbildebene fokussierte Strahlungsenergie auf die Oberfläche des IR-Detektors bündelt, gewährleistet infolge optimaler Störstrahlungsunterdrückung ein äußerst günstiges Signal-Rausch-Verhältnis*

Vorzugsweise stimmen die Konstruktionsdaten der beiden Linsen und 4 des Systems miteinander überein. Vom Ellipsenbrennpunkt F-, der gleichzeitig Krümmungsmittelpunkt der sphärischen Begrenzungsfläche 5 der Linse k ist und in dem man sich also das Bild einer IR-Strahlungsquelle zu denken hat, geht ein divergentes Strahlenbündel aus (Nutzstrahlung) und tritt durch die Fläche in die Linse 4 ein. Der an der Begrenzungsfläche 6 mit elliptischer Erzeugenden gebrochene Strahlungsanteil verläßt die Linse 4 als Parallelstrahlenbündel. Teilweise erfolgt eine Reflexion der Strahlung an der Fläche 6. Die reflektierte Strahlung geht durch den im Innern der Linse 4 liegenden Brennpunkt F., wird an der Fläche 6 abermals reflektiert und somit infolge Autokollimation zum Brennpunkt F. zurückgeworfen. Bei der zweiten Reflexion an der Fläche 6 wird lediglich ein sehr kleiner Teil der Nutzstrahlung gebrochen und in Störstrahlung verwandelt, die nach außen tritt.

Die als Parallelstrahlenbündel die Begrenzungsfläche 6 der Linse verlassende Nutzstrahlung trifft auf die gegenüberliegende ellipsoidförmige Begrenzungsfläche 1 der Linse 3« deren prinzipielle Wirkungsweise bereits weiter oben im einzelnen erläutert wurde.

Da nun in dem außerhalb der Linse 3 auf der optischen Achse liegenden Brennpunkt F ein strahlungsempfindlicher Detektoi angeordnet ist, kann außer der unmittelbar zum Brennpunkt F.

1 hin gebrochenen Nutzstrahlung auch dia nach einmaliger Reflexion an der Fläche 2 bzw. zweimaliger Reflexion an der Fläche 1 im Linseninnern infolge Autokollimation in den Brennpunkt F gelangende NutzstrfiAß&Aficfii_Ite1selab|or aufgenommen werden

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so daß die Nutziitrahlung praktisch erhöht wird, während sich gleichzeitig der Störstrahlungsanteil verringert. Gemäß der eingangs gegebenen Definition

Signal = - Wutzatrahlunc ^

Rauschen yNutzstrahlung + Störstrahlung

erhält man somit beim System nach der Erfindung ein -wesentlich verbessertes Signal-Rausch-Verhältnis,

In der Fig. 3 ist eine IR-Strahlungsempfangevorrichtung mit Kollimatorsystem im Rahmen eines Ausführungsbeispiels schematisch dargestellt.

Eine Objektivlinse ist mit 7 bezeichnet« Durch sie ist der Durchmesser der Eintrittspupille der Strahlungsempfangsvorrichtung festgelegt. Das der Objektivlinse 7 folgende optische System besteht aus dem Kollimatorsystem mit den erfindungsgemäßen

asphärischen Linsen 3 und 4 gemäß der Fig. 2_ und aus einer

Feldlinse 12, die im außerhalb gelegenen Ellipsenbrennpunkt F der - in Strahleneintrittsrichtung gesehen - zweiten asphärischen Linse 3 angeordnet ist. In der Brennebene dieser die Eintrittspupille auf die Detektoroberfläche abbildenden Feldlinse 12 befindet sich ein IR-Detektor 13.

Weiterhin ist Am außerhalb gelegenen Ellipsenbrennpunkt der in Streihleneintrittsrichtung gesehen - ersten asphärischen Linse 4 eine rotierbare Modulatorscheibe 9 angeordnet, deren Rotationsachse parallel zur optischen Achise 8 verläuft und die die Bildfeldstrahlung periodisch unterbricht, so daß ein mit der Unterbrecherfrequenz moduliertes Ausgangssignal vom IR-Detektor 13 abgenommen werden kann. Das Kollimatorsystem 31 selbst ist in einem gekühlten Tubus 10 untergebracht, so daß die Eigenstrahlung des Tubusses diskriminiert wird, um eine Erhöhung von Störstrahlung zu vermeiden.

Eine zwischen den Linsen 3 und 4 angeordnete Bildfeldbegrenzungsblende 11 ist ebenfalls zur Verhinderung von durch den Objektivtubus verursachten Eigenstrahlungseffekten gekühlt. Die Linsen 3 und 4 können beispielsweise aus Silizium bestehen, wenn bei Wellenlängen über 1,2 ,u gearbeitet werden soll.

janaprüche -

Claims

ansprüche

1. Asphärische Linse für den IR-Bereich, dadurch gekennzeichnet, daß ihre eine Begrenzungsfläche mit elliptischer Erzeugenden eine auf der Linse:nachse in einem reellen Bildpunkt liegenden Ellipsenbrennpunkt (F ; F) aufweist, der gleichzeitig Krümmungs-Mittelpunkt der gegenüberliegenden sphärischen Begrenzungsfläc" ; ist, daß die elliptische Erzeugende in an sich bekannter "jWaise ein Halbachsenverhältnis a -

besitzt, worin η der Brechungsindex des optischen Materials bei vorgegebener Wellenlänge ist,und daß der Krümmungsradius der sphärischen Begrenzungsfläch«» kleiner als die doppelte lineare Exzentrizität der elliptischen Erzeugenden und höchstens gleich dem Betrag der Halbachse a ist und somit der zweite Ellipsenbrennpunkt (F ; F.) zwischen den beiden Linsenbegrenzungsflächen liegt.

2« Kollimatorsystem, dadurch gekennzeichnet, daß es aus der Kombination zweier asphärischer Linsen nach Anspruch 1 besteht, deren Begrenzungsflächen mit elliptischen Erzeugenden einander zugewendet sind.

3· Kollimatorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im außerhalb gelegenen Ellipsenbrennpunkt (F.) der - in Strahleneintrittsrichtung gesehen - zweiten asphärischen Linse (3) ein strahlungsempfindlicher Detektor angeordnet ist.

4. Kollimatorsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß im außerhalb gelegenen Ellipsenbrennpunkt (F ) der - in Strahleneintrittsrichtung gesehen - zweiten asphärischen Linse (3) eine Feldlinse (12) mit nachfolgendem strahlungsempfindlichem Detektor (13) angeordnet ist.

5. Kollimatorsystem nach Anspruch 3 oder k, dadurch gekennzeichnet, daß im außerhalb gelegenen Ellipsenbrennpunkt (F ) der - in Strahleneintrittsrichtung gesehen - ersten asphärischen Linse eine rotierbare Modulatorscheibe (9) angeordnet ist.

C9024SS-I.7.7I

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6. Kollimatorsystem nach einem der Ansprüche 2 bis 5« dadurch gekennzeichnet_g daß es in einem gekühlten Tubus (lO) angeordnet ist.

7· Kollimatorsystem nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen erster und zweiter Linse eine gekühlte Bildfeldbegrenzungsblende (ll) befindet.

6102466-3.7,71