WO2016206677A1

WO2016206677A1 - Thermisch kompensiertes ir-objektiv und ir-kamera mit einem solchen ir-objektiv

Info

Publication number: WO2016206677A1
Application number: PCT/DE2016/100280
Authority: WO
Inventors: Dennis Ochse; Michael Degel; Thomas Dressler
Original assignee: Jenoptik Optical Systems Gmbh
Priority date: 2015-06-22
Filing date: 2016-06-21
Publication date: 2016-12-29
Also published as: DE102015110004B4; CN209092730U; DE102015110004A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein IR-Objektiv, gebildet durch einen monolithischen Körper (1) aus einem Material mit einer Brechzahl zwischen 2,4 und 4,2 mit einer Eintrittsfläche (2), einer Austrittsfläche (3), wenigstens einer ersten reflektierenden Fläche (4.1) und einer hinter der Austrittsfläche (3) liegenden reellen Gesamtbrennebene (1.2), in der eine Sensorfläche (7.1) angeordnet werden kann. Wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen stellt eine optische Freiformfläche dar, die wenigstens die Wirkung mehrerer sphärischer und/oder asphärischer Flächen erzeugt. Die Erfindung betrifft auch eine IR-Kamera mit einem solchen Objektiv.

Description

Thermisch kompensiertes IR-Objektiv und IR-Kamera mit einem solchen IR-Objektiv

In Objektiven für den infraroten Spektralbereich, umfassend die Wellenlängenbereiche von ca. 3 μιη bis ca. 5,5 μιη (kurzwelliger IR-Bereich) und ca. 7 μιη bis ca. 14 μιη (langwelliger IR-Bereich), werden spezielle optische Materialen eingesetzt, die den Nachteil besitzen, dass deren optische Parameter stark von der Temperatur abhängen.

Einerseits ist die Brechzahl dieser Materialien mit einem Betrag zwischen 2,4 und 4,2 weitaus stärker von der Temperatur abhängig als die Brechzahl von Materialien für den visuell sichtbaren Wellenlängenbereich und andererseits ändert sich die Geometrie der Linsen des Objektivs in Abhängigkeit von der Größe des thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Materials der Linsen und ihrer Dimensionierung. Beide Einflüsse führen zu einer Brennweitenänderung der einzelnen Linsen und folglich zu einer Änderung der Abbildungsqualität.

Andererseits ist die Intensität von Objekten abgegebener Strahlung im IR-Bereich (Wärmestrahlung) in der Regel gering und wird bei einer Übertragung über größere Strecken durch die Absorption und die Streuung in der Erdatmosphäre noch gedämpft, weshalb Infrarot-Objektive (IR-Objektive) eine hohe Öffnung aufweisen. Eine hohe Öffnung steht jedoch einer guten chromatischen Korrektur über den gesamten infraroten Spektralbereich oder auch nur über einen der beiden Teilbereiche entgegen. Um für eine hochgeöffnete Optik auch über ein ausgedehntes Sichtfeld gute Abbildungseigenschaften zu erreichen, sind viele Linsen nötig, typischerweise drei oder mehr. Beispielhaft sei hier die DD 289 675 A7 genannt, die ein hochgeöffnetes langbrennweitiges Objektiv offenbart, welches für den infraroten Spektralbereich chromatisch und thermisch korrigiert ist. Das hier beschriebene Objektiv ist ein Triplettyp, bei dem zwischen zwei einzelnen Sammellinsen eine streuende Linsengruppe aus einer sammelnden und einer zerstreuenden Linse angeordnet ist. Damit stehen zur Berechnung eines korrigierten optischen Systems in Summe mit vier Linsen acht brechende Flächen zur Verfügung. Über die Kombination der optischen Parameter, wie Brechzahl und Abbesche Zahl, bestimmt durch die ausgewählten Materialien der Linsen, sowie der Brennweiten, bestimmt durch die Materialen und Krümmungsradien der Linsen sowie deren Abstände zueinander, wird ein Objektiv gerechnet, welches im gewünschten Strahlungsbereich thermisch und chromatisch korrigiert ist.

Bekannte IR-Objektive des Standes der Technik unterscheiden sich hiervon durch andere Werte für diese optischen Parameter, die sich im Wesentlichen durch die Berechnung und Auswahl der Materialien, der Krümmungsradien, Linsendicken, Linsenabstände und Anzahl der Linsen ergeben. Mit weniger als drei Linsen ein chromatisch und thermisch korrigiertes IR-Objektiv aufzubauen, ist nicht bekannt.

Die Anzahl der verfügbaren Materialien, die für den IR-Bereich geeignet sind, ist recht begrenzt. Trotz seines hohen Preises ist Germanium als Material, insbesondere für den langenwelligen IR-Bereich aufgrund seiner hohen Brechzahl und seiner Umwelteigenschaften, sehr beliebt.

Die starke Temperaturabhängigkeit der Materialien für den IR-Bereich, so auch Germanium, machen es notwendig, bei ausgedehnten Betriebstemperaturbereichen, z. B. von -25 °C bis +55 °C, Maßnahmen zu treffen, um den Gesamtbrennpunkt temperaturunabhängig stabil zu halten, um eine temperaturunabhängige Abbildungsqualität auf einen Matrixsensor zu gewährleisten.

Eine erste mögliche Maßnahme ist ein sogenanntes passives Nachfokussieren, bei dem über geeignete Materialkombinationen der verschiedenen Linsen eine gegensinnige temperaturabhängige Änderung der optischen Parameter erfolgt. Ein Beispiele hierfür ist in der vorgenannten DD 289 675 A7 offenbart. Wird das optische System ungeachtet der thermischen Beeinflussung der Objektivfassung gerechnet, müssen Maßnahmen getroffen werden, damit die Fassung in sich thermisch kompensiert ist, dass heißt die relative Position der Linsen zueinander erhalten bleibt.

Das optische System kann auch als gefasstes System gerechnet werden, dass heißt insbesondere die Längenänderungen der Fassung entlang der optischen Achse des optischen Systems werden in die Berechnung des optischen Systems eingeschlossen, sodass der Korrekturzustand für die Abbildung temperaturunabhängig erhalten bleibt.

Eine zweite mögliche Variante, insbesondere für optische Systeme mit Materialien, bei denen die temperaturabhängige Änderung der Brechzahl einen weitaus größeren Einfluss auf die Stabilität der Abbildungsqualität hat als der Ausdehnungskoeffizient, ist es auch bekannt, einzelne Linsen des Systems zur Fokuslagenkorrektur zu verschieben. Nachteilig sind der höhere Montage- und Justageaufwand, ein höherer Bauteileaufwand, in der Regel ein größeres Gewicht und eine größere Baugröße.

Ein chromatisch und thermisch korrigiertes IR-Objektiv mit Linsen aus nur einem Material, insbesondere aus Germanium, aufzubauen, erscheint praktisch nicht möglich. Die Probleme können reduziert werden, wenn einzelne optische Flächen durch Spiegelflächen ersetzt werden. Das Objektiv wird dadurch jedoch eher größer und aufwendiger.

Prinzipiell bekannt sind jedoch monolithische Objektive, bei denen ein Teil von refraktiv wirksamen Flächen durch reflektiv wirksame Flächen ersetzt wird. Ein aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 040 030 A1 bekanntes monolithisches Objektiv wird aus optischen Gläsern zum Blankpressen oder aus Kunststoff im Spritzgussverfahren hergestellt und ist für eine Verwendung bis in den NIR-Bereich geeignet. Zum Ausgleich optischer Abbildungsfehler sind bestimmte Spiegelflächen als konische Asphären oder bikonische Oberfläche ausgebildet. Auf die Verwendung von Asphären höherer Ordnung oder Freiformflächen wird aus Kostengründen verzichtet. Monolithische Objektive haben einen geringen Justage- und Montageaufwand und sind sehr robust und kompakt. Die hier beschriebene Herstellung und die verwendeten Materialien der monolithischen Optik sind für die Anwendung im IR-Bereich jedoch nicht geeignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes thermisch kompensiertes IR- Objektiv aus nur einem Material zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einem IR-Objektiv gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind aus den hierauf rückbezogenen Unteransprüchen 2 bis 6 zu entnehmen.

Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, eine IR-Kamera mit einem solchen IR-Objektiv zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 gelöst.

Vorteilhafte Verwendungen eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 sind den Unteransprüchen 8 bis 15 zu entnehmen. Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Hierbei zeigen

Fig. 1 a ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektives gemäß einem ersten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 1 b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß Fig. 1 a,

Fig. 2a ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektives gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 2b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß Fig. 2a,

Fig. 3a ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektives gemäß einem dritten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 3b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß Fig. 3a,

Fig. 4 ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektives gemäß einem vierten

Ausführungsbeispiel,

Fig. 5a eine Prinzipdarstellung für eine IR-Kamera in Draufsicht, mit einem IR- Objektiv gemäß Fig. 2a und 2b, einem Detektor und einer Fassung, und

Fig. 5b eine Prinzipdarstellung für eine IR-Kamera gemäß Fig. 5a in perspektivischer Ansicht.

Anstelle mit üblicherweise mehreren entlang einer Achse angeordneten Linsen wird ein erfindungsgemäßes IR-Objektiv, wie in allen Figuren gezeigt, durch einen monolithischen Körper 1 gebildet, der wenigstens drei optisch wirksame Flächen, nämlich eine Eintrittsfläche 2, eine Austrittsfläche 3 und wenigstens eine erste reflektierende Fläche 4.1 , eine außerhalb des monolithischen Körpers 1 liegende reelle Gesamtbrennebene 1 .2, in der eine Sensorfläche 7.1 angeordnet werden kann, und eine am monolithischen Körper 1 angeordnete Aperturblende 5 aufweist. Indem wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen als eine optische Freiformfläche ausgeführt ist, die wenigstens die Wirkung mehrerer sphärischer und/oder asphärischer Flächen erzeugt, kann das IR-Objektiv mit einer vergleichsweise geringeren Anzahl einer für eine Abbildung hoher Abbildungsqualität konventionell erforderlichen Anzahl von optisch abbildenden Flächen auskommen. Dies ergibt sich aus der Möglichkeit, eine optische Freiformfläche mit mehr Freiheitsgraden zu berechnen, als sie für rotationssymmetrische Flächen gegeben sind.

Indem nur wenige optisch abbildende Flächen benötigt werden, kann der monolithische Körper 1 klein gehalten werden und ist somit auch leichter. Bei der Herstellung einer IR- Kamera erweist sich der Vorteil eines Monolithen in dem wesentlich geringeren Beschichtungsaufwand und der verringerten Montage- und Justagezeit, da nur ein monolithischer Körper 1 justiert und in das Gesamtsystem montiert werden muss.

Mit dem Ziel, den monolithischen Körper 1 mit einer möglichst geringen Anzahl von optisch wirksamen Flächen zu schaffen, werden grundsätzlich alle optisch wirksamen Flächen als abbildende Flächen ausgebildet und somit zur Strahlformung genutzt. Zur Strahlformung trägt jede optisch wirksame Fläche bei, die eine Krümmung aufweist bzw. keine reine Planfläche und damit nur reflektierend ist. Konventionelle optisch abbildende Flächen sind sphärische und asphärische Flächen. Eine der optisch wirksamen Flächen nicht als optisch abbildende Flächen zu nutzen, vergrößert den monolithischen Körper 1 unnötig.

Durch die vorteilhafte Verwendung von wenigstens zwei reflektierenden Flächen 4.1 , 4.2 kann die Baugröße des monolithischen Körpers 1 , vergleichsweise gegenüber einem solchen mit nur einer reflektierenden Fläche, reduziert werden, indem der Strahlengang gefaltet wird und somit das Strahlenbündel 8 das Volumen des Strahlengangs mehrfach durchläuft. Die durch das Falten entstehenden Aberrationen können ebenfalls direkt durch die optische Freiformfläche kompensiert werden. Die optische Freiformfläche erfüllt somit zwei Funktionen. Zum einen wird eine bessere Abbildungsqualität durch mehr Freiheitsgrade in einer Fläche erreicht, anstatt mit mehr Flächen mit wenigen Freiheitsgraden. Zum anderen können die Abbildungsfehler, die durch das Falten des Strahlengangs mit optisch abbildenden Flächen entstehen, kompensiert werden.

Auf diese Weise kann ein IR-Objektiv von drei oder mehr rotationssymmetrischen Linsen durch einen monolithischen Körper 1 ersetzt werden. Zwar kann ein passives Nachfokussieren jetzt nur noch über eine Fassung 6 erfolgen, da ein monolithischer Körper 1 keine Materialkomposition zulässt, jedoch ist der dazu erforderliche Korrekturweg, bestimmt durch die Differenz der Gesamtbrennweite bei den beiden den Betriebstemperaturbereich begrenzenden Temperaturen, wesentlich geringer, als bei einem Mehrlinsensystem, bei dem alle Linsen aus einem gleichen Material, insbesondere Germanium, gefertigt sind.

Die Gesamtbrechkraft eines optischen Systems ist näherungsweise die Summe der Brechkräfte der einzelnen Flächen des Systems. Dabei hängt die Brechkraft einer brechenden Fläche von der thermischen Änderung der Brechzahl und vom Längenausdehnungskoeffizienten ab. Die Brechkraft einer reflektierenden Fläche hängt hingegen nur vom Längenausdehnungskoeffizienten ab, weshalb die thermisch abhängige Änderung der Gesamtbrechkraft eines erfindungsgemäßen monolithischen IR-Objektives im Vergleich zu einem IR-Objektiv aus einer Vielzahl von einzelnen optischen Elementen gering ist.

Insbesondere ein erfindungsgemäßer monolithischer Körper 1 aus Germanium, mit einer sehr großen Brechzahl und sehr kleinem Längenausdehnungskoeffizienten, erfährt daher vergleichsweise geringere thermisch bedingte Änderungen, da er nur zwei brechende Flächen aufweist, nämlich die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3.

Ein erfindungsgemäßes IR-Objektiv weist eine deutlich geringere Temperaturabhängigkeit der Gesamtbrennweite auf, als ein reines Linsensystem. Diese geringere Abhängigkeit kann, sofern sie nicht bereits komplett korrigiert ist, über eine Fassung 6, die für die Fixierung eines IR-Detektors 7 gegenüber dem monolithischen Körper 1 ohnehin vorhanden ist, passiv nachfokussiert werden.

Neben der geringeren Temperaturabhängigkeit eines erfindungsgemäßen IR-Objektives besteht ein Vorteil in seiner vergleichsweise geringen Baugröße und in seiner Flexibilität der Anordnung der Austrittsfläche 3 und damit der Sensorfläche 7.1 des dieser nachgeordneten IR-Detektors 7 relativ zur Eintrittsfläche 2.

Während bei einem mehrlinsigen IR-Objektiv die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3 zueinander parallel angeordnet sind, können sie hier theoretisch jede beliebige Raumlage zueinander einnehmen, wodurch die Möglichkeit besteht, die IR- Kamera kompakter aufzubauen und neben Gewicht auch Bauraum zu sparen.

Vier konkrete Ausführungsbeispiele für IR-Objektive werden nachfolgend erläutert. Die optisch wirksamen Flächen sind in den Seitenansichten der Einfachheit halber als Geraden und in den perspektivischen Ansichten als Planflächen gezeichnet, unabhängig davon, wie sie gekrümmt sind, nämlich als Sphären, Asphären oder optische Freiformflächen. Die Pfeile deuten die Lage und Öffnung der Aperturblende 5 an.

Ein IR-Objektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den Fig. 1 a und 1 b, ist aus Germanium und weist eine Eintrittsfläche 2 und eine Austrittsfläche 3, die beide optische Freiformflächen darstellen, sowie eine erste reflektierende Fläche 4.1 , die als Asphäre ausgebildet ist, und eine zweite reflektierende Fläche 4.2, die teilweise der Eintrittsfläche 2 überlagert ist, auf. Der Einfachheit halber soll unter dem Begriff Fläche der Bereich auf der jeweils betreffenden Oberfläche des monolithischen Körpers 1 gleich dem durch die Aperturblende 5 begrenzten Querschnitt des Strahlenbündels 8 auf dieser Oberfläche verstanden werden. Im gegebenen Fall der teilweisen Überlagerung einer brechenden Fläche, wie der Eintrittsfläche 2, mit einer reflektierenden Fläche, wie hier der zweiten reflektierenden Fläche 4.2, ist die Oberfläche mit einer Antireflex-Schicht versehen; die Reflexion wird als Totalreflexion realisiert. Die erste reflektierende Fläche 4.1 ist gegenüber der Eintrittsfläche 2 so geneigt, dass ein in Richtung der optischen Achse 1 .1 des IR-Objektives einfallendes Strahlenbündel 8 eine Totalreflexion erfährt, sodass für die betreffende Oberflächenseite keine Beschichtung erfolgt, zumal auf dieser Oberflächenseite auch die Austrittsfläche 3 liegt. Die Aperturblende 5 liegt auf der Oberflächenseite der Eintrittsfläche 2 und begrenzt diese körperlich. Ein IR-Objektiv gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den Fig. 2a und 2b, unterscheidet sich zum ersten Ausführungsbeispiel insbesondere dadurch, dass die optisch wirksamen Flächen auf unterschiedlichen Oberflächenseiten des monolithischen Körpers 1 angeordnet sind und die Eintrittsfläche 2 und die Austrittsfläche 3 senkrecht zueinander angeordnet sind. Gleich dem ersten Ausführungsbeispiel verläuft die optische Achse 1 .1 in einer Ebene (Zeichenebene). Die Eintrittfläche 2, die Austrittsfläche 3 und die zweite reflektierende Fläche 4.2 sind Asphären, während die erste reflektierende Fläche 4.1 eine optische Freiformfläche ist. Die Aperturblende 5 liegt auch hier auf der Oberflächenseite der Eintrittsfläche 2 und begrenzt diese körperlich. Für eine Verwendung mit langwelliger IR-Strahlung ist der monolithische Körper 1 vorteilhaft aus Germanium hergestellt. Für eine Verwendung mit kurzwelliger IR-Strahlung wird stattdessen vorteilhaft Silizium verwendet. Die erste reflektierende Fläche 4.1 korrigiert Koma und Astigmatismus, die durch die Reflexion schräg einfallender Strahlung entstehen. Dadurch, dass das Strahlenbündel 8 an zwei Flächen, nämlich der ersten und der zweiten reflektierenden Fläche 4.1 , 4.2, innerhalb des monolithischen Körpers 1 reflektiert wird, der aus Germanium eine sehr große Brechkraft besitzt (bei einer Brechzahl von ca. 4 ist die wirksame Brechzahldifferenz in etwa 8), kann die Abbildung mit sehr schwach gekrümmten Flächen erfolgen. Dadurch entstehen insgesamt weniger Aberrationen, was eine sehr hohe Bildqualität ermöglicht. Die Austrittsfläche 3 ist eine positiv brechende Asphäre, wodurch sich für eine nahe der Austrittsfläche 3 angeordnete Bildebene eine große numerische Apertur ergibt. Da die Brechzahl von Germanium stark temperaturabhängig ist, ändert sich auch die Brechkraft an der Austrittsfläche 3 stark temperaturabhängig. Die Eintrittsfläche 2 ist eine negativ brechende Asphäre, die diesen Effekt wenigstens teilweise kompensiert. Da die Brechkraft der beiden reflektierenden Flächen 4.1 , 4.2 unabhängig von der Brechzahländerung ist, ist die Brechkraftänderung des gesamten IR-Objektives, die eine Verschiebung der Gesamtbrennebene 1 .2 bedeutet, gering. Das IR-Objektiv kann somit kompakt mit einer thermische Änderungen passiv kompensierenden Fassung 6 gefasst werden.

Ein IR-Objektiv gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den Fig.3a und 3b, ist aus Chalkogenidglas und insbesondere für langwellige IR-Strahlung geeignet. Die Eintrittsfläche 2 ist eine Asphäre und die Austrittsfläche 3 sowie die erste reflektierende Fläche 4.1 , welche in diesem Fall die einzige ist, sind optische Freiformflächen. Die optische Achse 1 .1 liegt hier im Strahlengang vor der ersten reflektierenden Fläche 4.1 in einer anderen Ebene als im Strahlengang hinter dieser. Abberationen, welche durch diese Verkippung entstehen, sind über die optischen Freiformflächen korrigiert. Die Aperturblende 5 liegt hier auf der Oberflächenseite der Austrittsfläche 3 und begrenzt diese körperlich.

In Fig. 4 ist ein viertes Ausführungsbeispiel für ein IR-Objektiv gezeigt. Es ist ebenfalls wie das IR-Objektiv gemäß dem dritten Ausführungsbeispiel aus Chalkogenidglas und weist mit einer Brechzahl von ca. 2,6 im Vergleich zu Germanium eine vergleichsweise geringe Brechzahl auf. Um zu einer vergleichsweise gleichen Brechkraft an den beiden reflektierenden Flächen 4.1 , 4.2 zu gelangen, müssen deren Krümmungen erheblich vergrößert werden, was wiederum zu stärkeren Aberrationen führt. Indem die optisch wirksamen Flächen so gerechnet sind, dass zwischen den beiden reflektierenden Flächen 4.1 , 4.2 ein Zwischenbild entsteht, können die reflektierenden Flächen 4.1 , 4.2, und somit das gesamte Objektiv kleiner ausgeführt werden.

Entsprechend einer üblichen Anwendung eines IR-Objektives, welches auf Grund der großen Entfernung von IR-Strahlung abgebenden Objekten hochgeöffnet ist und bei dem die abzubildenden Objekte sich quasi im Unendlichen befinden, muss die Sensorfläche 7.1 des IR-Detektors 7, auf welcher die Strahlung (Strahlenbündel 8) abgebildet werden soll, in der Gesamtbrennebene 1 .2 des IR-Objektives angeordnet sein und in dieser über den Betriebstemperaturbereich gehalten werden.

Aufgrund der Tatsache, dass das IR-Objektiv durch einen einzigen monolithischen Körper 1 gebildet wird, kann die Toleranzkette zwischen dem IR-Objektiv und einer Referenzfläche 6.2.1 zur mittelbaren Befestigung des IR-Detektors 7 am monolithischen Körper 1 sehr kurz gehalten werden.

Bei allen vorangenannten Ausführungsbeispielen wurde ein praktisch vorhandenes, der Sensorfläche 7.1 vorgeordnetes Schutzglas des IR-Detektors 7 außer acht gelassen, da es nicht für die Erfindung wesentlich ist. Ihm kommt keine optisch abbildende Funktion zu, sodass es gegebenenfalls nur in Abhängigkeit von seiner Dicke zu einer Brennweitenverlängerung kommt.

In den Fig. 5a und 5b sind in einer Prinzipskizze die erfindungswesentlichen Merkmale einer IR-Kamera, nämlich ein monolithischer Körper 1 , wie im zweiten Ausführungsbeispiel anhand der Fig. 2a und 2b beschrieben, eine Fassung 6 und ein IR-Detektor 7 dargestellt. Die Fassung 6 besteht aus einem ersten Dehnungskörper 6.1 aus einem ersten Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten größer dem Längenausdehnungskoeffizienten des monolithischen Körpers 1 , z. B. Aluminium, und einer Länge 11 in Richtung der optischen Achse 1 .1 . Dieser erste Dehnungskörper 6.1 ist mit einem Ende fest mit dem monolithischen Körper 1 und mit dem anderen Ende mit einem zweiten Dehnungskörper 6.2 verbunden. Der zweite Dehnungskörper 6.2 ist aus einem Material mit einem Längenausdehnungskoeffizienten größer dem Längenausdehnungskoeffizienten des monolithischen Körpers 1 und kleiner dem des ersten Dehnungskörpers 6.1 , z. B. Stahl, und weist eine Länge 12 in Richtung der optischen Achse 1 .1 auf. An seinem freien Ende ist eine Referenzfläche 6.2.1 ausgebildet, zu welcher der IR-Detektor 7 mit einer definierten Entfernung justiert fixiert ist.

Im Idealfall ist das IR-Objektiv vollständig thermisch kompensiert (athermalisiert), dass heißt die Gesamtbrennebene 1 .2 hat eine stabile Raumlage gegenüber der Austrittsfläche 3. Die Längen 11 , 12 der beiden Dehnungskörper 6.1 , 6.2 sind dann so dimensioniert, dass sich deren Längenänderungen aufheben und die Referenzfläche 6.2.1 eine stabile Raumlage zum monolithischen Körper 1 beibehält.

Die Fassung kann allerdings auch einen Teil der thermischen Kompensation für das IR- Objektiv übernehmen, wenn dieses nicht vollständig thermisch kompensiert ist. Die Längen 11 , 12 der beiden Dehnungskörper 6.1 , 6.2 sind dann so dimensioniert, dass sich ihre eigenen Längenänderungen und die verbleibende Längenänderung der Gesamtbrennweite aufheben.

Eine beschriebene Fassung 6 ist als solche aus dem Stand der Technik grundsätzlich als passiv thermisch kompensierte Fassung bekannt. Mit einer solchen Fassung 6 jedoch ein IR-Objektiv thermisch zu kompensieren, welches aus nur einem Material, wie z. B. Germanium, besteht, ist nicht bekannt. Besonders geeignet sind das erfindungsgemäße IR-Objektiv bzw. mit dem IR-Objektiv ausgestattete Kameras in Überwachungseinrichtungen, wie z. B. für Abstandsmessungen, oder in Sicherheits- und/oder Warnsystemen sowie dem Brandschutz. Auch in Kontrolleinrichtungen und/oder bei der Anwendung der Internettechnologien zur Kommunikation zwischen Menschen, Maschinen und Produkten im Rahmen von Hightech-Technologien (Industrie 4.0) sind Einsatzmöglichkeiten vorhanden. Durch Anbindung und Dialog der Messergebnisse mit Steuerungsmechanismen innerhalb kleinster industrieller Anwendungen (z. B. Maschineninnenraum, sehr schwer zugängliche Stellen eines Maschinensystems, usw.) lassen sich durch die kompakte Bauweise neue Anwendungen erschließen, die mit herkömmlichen Mitteln und Methoden nur eingeschränkt möglich waren.

Im Automobilbereich kann die Erfindung insbesondere in der Erfassung des Außenbereiches eines Fahrzeuges eingesetzt werden. Hierbei können die Funktionen eines Nachtsichtgerätes verbessert und flexibel gestaltet werden. Aber auch zur Überwachung des Innenraumes können die kompakten Einheiten eingesetzt werden, so wie sie z. B. für die Erkennung von Ermüdungserscheinungen des Fahrers erforderlich sind. Durch Erfassung von Temperaturänderungen an der Körperoberfläche können Signale an ein Sicherheitssystem übermittelt werden.

Gegenstand der Erfindung sind auch solche Anwendungen zur Überwachung von Solaranlagen bzw. Sonnenkollektoren. Durch die kompakte Bauweise des IR-Objektives lassen sich sehr gezielt kleine Flächen überwachen, die gemäß den vorherigen Ausführungen eine temperaturunabhängige Abbildungsqualität liefern. Diese können zum Beispiel bei unterschiedlichen Messpunkten verglichen werden, um z. B. unterschiedliche Qualitäten oder Veränderungen der Zellen zu ermitteln.

In besonderer Ausführung können zusätzlich lichtlenkende Optiken als Kombination des IR-Objektives mit geeigneten Konzentratortechniken zur Überwachung von Solar-, Photovoltaikanlagen bzw. -zellen oder in anderen beispielhaft genannten Einsatzgebieten erfolgen. Diese können Vorsatzoptiken sein, die mindestens eine Fresnel-Oberfläche aufweisen und denen in einer weiteren besonderen Ausführung mindestens eine aphärische Linse in Strahlungsrichtung nachgeordnet ist. Es können auch asphärische Linsen in unterschiedlichen Formen, wie z. B. in hexagonaler Form und/oder mit kegelförmiger Oberfläche, sein. Hierdurch können sehr abgegrenzte Bereiche einer zu beobachtenden Oberfläche erfasst werden.

Eine besondere Verwendung erschließt sich für das erfindungsgemäße IR-Objektiv in Verbindung mit den 3D-Drucktechnologien. Hierbei ist insbesondere die Frage der kontrollierten Wärmeableitung von Bedeutung, die mit Hilfe der erfinderischen Lösung besser beherrschbar wird und kontrolliert erfolgen kann. Auch bei Verwendung unterschiedlicher Materialien ist die Überwachung aufgrund von geringeren Temperaturabhängigkeiten des erfindungsgemäßen IR-Objektives und seiner vergleichsweise geringen Baugröße und seiner Flexibilität der Anordnung der Austrittsfläche 3 und damit der Sensorfläche 7.1 mittels des erfindungsgemäßen IR- Objektives von Vorteil. Die Neigung von Verstopfungen von Düsen kann damit gleichfalls positiv beeinflusst werden.

Im medizinischen Bereich und auf dem Gebiet der Biotechnologie sind derartige Kontroll- und/oder Steuerungselemente erforderlich, die mit derartigen IR-Objektiven ausgestattet werden können. So ist z. B. eine Operationsüberwachung noch gezielter möglich, als dies mit vergleichbaren Ausrüstungen bisher der Fall ist. In sensiblen temperaturempfindlichen Bereichen, wie in Laboren, im„Health-Care"-Sektor, usw., sind häufig kleine, sehr begrenzte Räumlichkeiten zu überwachen, wofür die Erfindung ebenfalls bestens geeignet ist.

Bezugszeichenliste

1 monolithischer Körper

1 .1 optische Achse

1 .2 Gesamtbrennebene

2 Eintrittsfläche

3 Austrittsfläche

4.1 erste reflektierende Fläche

4.2 zweite reflektierende Fläche

5 Aperturblende

6 Fassung

6.1 erster Dehnungskörper

6.2 zweiter Dehnungskörper 6.2.1 Referenzfläche

7 IR-Detektor

7.1 Sensorfläche

8 Strahlenbündel erste Länge

zweite Länge

Claims

Patentansprüche

1 . Thermisch kompensiertes IR-Objektiv, gebildet durch einen monolithischen Körper (1 ) aus einem Material mit einer Brechzahl zwischen 2,4 und 4,2, aufweisend wenigstens drei optisch wirksame Flächen, nämlich eine Eintrittsfläche (2), eine Austrittsfläche (3) und wenigstens eine erste reflektierende Fläche (4.1 ), und eine außerhalb des monolithischen Körpers (1 ), hinter der Austrittsfläche (3) liegende reelle Gesamtbrennebene (1 .2), in der eine Sensorfläche (7.1 ) angeordnet werden kann, und eine am monolithischen Körper (1 ) angeordnete Aperturblende (5), wobei wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen eine optische Freiformfläche darstellt, die wenigstens die Wirkung mehrerer sphärischer und/oder asphärischer Flächen erzeugt.

2. Thermisch kompensiertes IR-Objektiv nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass alle optisch wirksamen Flächen optisch abbildende Flächen sind, indem die optisch wirksamen Flächen, die keine optischen Freiformflächen darstellen, sphärische oder asphärische Flächen sind.

3. Thermisch kompensiertes IR-Objektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite reflektierende Fläche (4.2) vorhanden ist, sodass der Strahlengang eines über das IR-Objektiv abgebildeten Strahlenbündels (8) gefaltet wird und das Strahlenbündel (8) das Volumen des Strahlengangs mehrfach durchläuft, und die wenigstens eine optische Freiformfläche so ausgelegt ist, dass sie die Abbildungsfehler, die durch das Falten des Strahlengangs mit optisch abbildenden Flächen entstehen, kompensiert.

4. Thermisch kompensiertes IR-Objektiv nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem der monolithische Körper (1 ) besteht, eine Brechzahl größer 2 aufweist.

5. Thermisch kompensiertes IR-Objektiv nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Material, aus dem der monolithische Körper (1 ) besteht, Germanium ist.

6. Thermisch kompensiertes IR-Objektiv nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem IR-Objektiv wenigstens eine zusätzliche Vorsatzoptik vorgeordnet ist, die mindestens eine Fresnel-Oberfläche aufweist.

7. IR-Kamera mit einem IR-Objektiv gemäß einem der vorherigen Ansprüche, einer Fassung (6) und einem IR-Detektor (7) mit einer Sensorfläche (7.1 ), wobei die Fassung (6) aus einem mit dem IR-Objektiv verbundenen ersten Dehnungskörper (6.1 ) mit einer ersten Länge (11 ) in Richtung der optischen Achse (1 .1 ) und einem mit dem ersten Dehnungskörper (6.1 ) verbundenen zweiten Dehnungskörper (6.2) mit einer zweiten Länge (12) in Richtung der optischen Achse (1 .1 ) besteht und an einem freien Ende des zweiten Dehnungskörpers (6.2) eine Referenzfläche (6.2.1 ) vorhanden ist, zu der der IR-Detektor (7) fixiert ist, wobei die Dehnungskörper (6.1 , 6.2) einen unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten aufweisen und die Längen (11 , 12) so dimensioniert sind, dass die Sensorfläche (7.1 ) über einen vorgegebenen Betriebstemperaturbereich in der reellen Gesamtbrennebene (1 .2) des monolithischen Körpers (1 ) gehalten ist.

8. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Sicherheitsoder Warneinrichtung im Außenbereich eines Fahrzeuges.

9. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung eines Fahrzeuginnenraumes und eines Fahrzeugführers.

10. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Überwachungseinrichtung zur Überwachung von Solaranlagen oder Sonnenkollektoren.

11 . Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Sicherheitsoder Warneinrichtung für den Brandschutz.

12. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Kontrolleinheit für Kommunikationseinrichtungen.

13. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Steuerungseinheit für industrielle Anwendungen.

14. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Kontroll- oder Steuerungseinheit einer 3D-Druckvorrichtung.

15. Verwendung eines thermisch kompensierten IR-Objektives gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6 oder einer IR-Kamera gemäß Anspruch 7 in einer Kontroll- oder Steuerungseinheit für medizinische oder biotechnologische Untersuchungs- oder Behandlungseinrichtungen.