DE3877672T2 - Linsensystem fuer infrarot-anwendungen. - Google Patents

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft Linsensysteme und insbesondere betrifft sie Linsensysteme zur Verwendung mit Infrarotstrahlung.
• Wie gut bekannt, besitzen alle optisch durchlässigen Materialien einen Brechungsindex n(λ) und eine entsprechende reziprokes Dispersionsvermögen oder einen V-Wert, die jeweils der Wellenlänge λ bzw. einem bestimmten Wellenlängenintervall Δλ zugeordnet sind. Die Änderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge führt dazu, daß eine Einzellinse eine chromatische Aberration zeigt, d.h. der Brechungsgrad ist von der Wellenlänge der gebrochenen Strahlung abhängig. Wenn es allgemein erforderlich ist, zwei unterschiedliche Wellenlängen zu einem gemeinsamen Axialfokus zu bringen sind zwei optische Materialien mit unterschiedlichen V-Werten erforderlich. In ähnlicher Weise sind allgemein drei Materialien mit unterschiedlichen V-Werten erforderlich, um drei unterschiedliche Wellenlängen zu fokussieren usw.
• Optische Systeme zur Verwendung mit dem fernen Infrarotband (allgemein 8 bis 12 µm) benutzen üblicherweise Germanium als einziges optisches Material. Obwohl nur eine Wellenlänge zu einem gemeinsamen Brennpunkt innerhalb eines Systems gebracht werden kann, das nur Germaniumelemente benutzt, wird allgemein erkannt, daß infolge des relativ hohen V-Wertes von Germanium von etwa 1000 chromatische Dispersion klein genug sein wird, um sie bei den meisten Anwendungen ignorieren zu können. Jedoch erfordern mehrere jüngere Anwendungen und der Einsatz von komplizierteren Auslegungen eine Korrektur der chromatischen Dispersion, so daß z.B. zwei Wellenlängen zu einem gemeinsamen Brennpunkt gebracht werden können. In diesem Falle werden andere Materialien wie Zinkselenid (ZnSe) oder Zinksulfid (ZnS) mit dem Germanium kombiniert. Systeme wie dieses werden allgemein verwendet, wenn zwei Wellenlängen innerhalb des fernen Infrarotbandes, z.B. acht µm und elf µm zu einem gemeinsamen Brennpunkt gebracht werden sollen.
• Fortschritte in jüngster Zeit bei elektro-optischen Systemen haben zu einer Forderung geführt, daß optische Systeme ausgelegt werden sollen, eine Strahlung sowohl in den Wellenbändern von 3 - 5 µm wie auch 8 - 12 µm zu einem gemeinsamen Brennpunkt zu bringen, innerhalb der durch die "Rayleigh' sche Viertelwellenregel" vorgeschriebenen Grenze. Gegenwärtige Verfahren, dies zu erreichen, verwenden optische Mehrelement-Systeme, welche verschiedene Kombinationen von Linsenmaterialien umfassen, und eine Auswahl von diesen ist in Optical Engineering, Bd. 23, Nr. 2 März/April 1984, Seiten 111-116, Bellingham, Wahsington, USA, T.H. Jamieson, "Ultrawide Waveband Optics" angeführt. Man hat es jedoch früher nicht für möglich gehalten, daß ein Linsensystem, daß diese Anforderungen erfüllt, mit Zinkselenid (ZnSe) und Zinksulfid (ZnS) erzeugt werden könne.
• Nach der vorliegenden Erfindung werden mindestens zwei Linsenelemente (1,2) geschaffen, die in einem einzigen optischen Weg zur Erzeugung von Abbildern mindestens sowohl über dem 3 - 5 µm- wie dem 8 - 12 µm-optischen Wellenband an einer gemeinsamen Bildebene (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linsenelement aus Zinkselenid zusammengesetzt ist und das andere Linsenelement aus Zinksulfid zusammengesetzt ist.
• Vorzugsweise sind die beiden Linsenelemente durch einen gegenüber der Dicke der beiden Linsenelemente engen Luftspalt getrennt.
• Bei einer bevorzugten Ausführung ist die Zinkselenidlinse von gleich-konvexem Aufbau und die Zinksulfidlinse von einer negativen optischen Brechkraft.
• Es hat sich gezeigt, daß optische Systeme nach der Erfindung eine gute Abbildung in zumindest beiden ausgewählten Wellenbändern schaffen können und allgemein auch Abbildungen bei sichtbaren Wellenlängen bis hinunter zu etwa 0,5 µm oder sogar noch weniger ergeben. Da nur zwei unterschiedliche optische Materialien benutzt werden, ist das System relativ einfach herzustellen.
• Eine Ausführung der Erfindung wird nun nur als Beispiel mit Bezug auf die beigefügte Zeichnung beschrieben, in welcher zeigt:
• Fig. 1 ein erstes erfindungsgemäßes Linsensystem; und
• Fig. 2 die Abmessungen der in Fig. 1 gezeigten Struktur.
• Nach Fig. 1 umfaßt ein Linsensystem eine erste aus Zinkselenid zusammengesetzte Linse 1 und eine zweite aus Zinksulfid zusammengesetzte Linse 2. Eine Aperturblende 3 ist vor den Linsen vorgesehen, und es ist so ausgelegt, daß ausgesendete Strahlung bei einer Bildebene 4 zu einem Brennpunkt kommt.
• Die erste Linse 1 ist bei dieser besonderen Ausführung so aufgebaut, daß sie gleich-konvex ist, wobei der Radius beider Flächen 36,51 beträgt, wie in Fig. 2 gezeigt. In dieser Figur bezieht sich die Spalte 'Radius' auf den Krümmungsradius der bestimmten angezeigten Oberfläche; 'Dicke' ist der Abstand zwischen dieser Oberfläche und der folgenden; 'Durchmesser' betrifft den Durchmesser dieser Fläche; und die Spalte 'Material' zeigt, welches optische Material zwischen dieser Fläche und der nachfolgenden vorhanden ist. Damit umfaßt das System die erste Line 1 von gleichkonvexer Struktur mit Krümmungsradien von 36,51, durch einen Luftspalt von 0,965 von der zweiten Linse 2 aus Zinksulfid getrennt, die eine erste Fläche mit einer negativen Krümmung von 26,13 und eine zweite Fläche mit der negativen Krümmung von 167,67 besitzt.
• Das System ist auf diese Weise so ausgelegt, daß es ein konjugiertes Verhältnis, d.h. das Verhältnis zwischen Objekt- und Bildebene von 2:1 hat. Die Zinksulfidlinse kann auch aus einem anderen Material mit gleichartigem chemischem Aufbau gefertigt werden, wie einem Produkt, das eine reine Form von Zinksulfid ist, und unter dem Handelsnamen Cleatran bekannt ist, welche Handelsmarke das Eigentum der Firma CVD Inc., Woburn, MA01801 ist; oder Multispectral, das ein Erzeugnis von Schott Glaswerke ist. Der in Fig. 1 und 2 gezeigte Aufbau ergibt ein Linsensystem, das einen Bildmaßstab vom 0,5-fachen des Objektmaßstabs schafft und nahbrechungs-begrenztes Abbildungsverhalten an der Achse sowohl bei dem 3 - 5 µm- wie dem 8 - 12 µm-Durchlaßwellenband, gemessen an einer gemeinsamen Bildebene.
• Es sollte jedoch bemerkt werden, daß viele andere Linsensysteme innerhalb des Bereichs der Erfindung aufgebaut werden können, die unterschiedliche Gauss'sche Eigenschaften besitzen, wie äquivalente Brennweite, die in diesem Falle 24,58 beträgt oder Vergrößerung, aber immer noch die Verwendung nur von ZnSi und ZnS bei den optischen Elementen beibehalten.
• Es sollte bemerkt werden, daß die ausschließliche Verwendung von ZnS und ZnSe bedeutsam die thermische Veränderung des axialen Ortes eines optischen Bildes reduziert. In dieser Beziehung neigten frühere Systeme, die Germanium im optischen System enthielten, dazu, thermische Veränderung des optischen Verhaltens zu erleiden. Das hier beschriebene System neigt nicht dazu, diesen Nachteil in solch großem Ausmaß wie bei Germanium aufzuweisen.
• Es sollte auch bemerkt werden, daß optische Systeme entsprechend der vorliegenden Erfindung so aufgebaut werden können, daß sie nicht nur im 3 - 5 µm-Wellenband und dem 8 - 12 µm- Wellenband arbeiten, sondern auch eine gute Abbildung bei sichtbaren Wellenlängen bis etwa 0,5 µm ergeben.
• Ein Linsensystem erfindungsgemäßer Art kann vorteilhafterweise als Brechelement bei einem thermischen Abbildgerät benutzt werden.

Claims (5)

1. Linsensystem mit mindestens zwei Linsenelementen (1, 2), die in einem einzigen optischen Weg zur Erzeugung von Abbildern mindestens sowohl über dem 3 - 5 µm- wie dem 8 - 12 µm-optischen Wellenband an einer gemeinsamen Bildebene (4) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein Linsenelement zusammengesetzt ist aus Zinkselenid und das andere Linsenelement aus Zinksulfid.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, bei dem die beiden Linsenelemente durch einen gegenüber der Dicke der beiden Linsenelemente engen Luftspalt getrennt sind.

3. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei dem die Zinselenidlinse von gleich-konvexem Aufbau ist und die Zinsulfidlinse von einer negativen optischen Brechkraft ist.

4. Linsensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit einer ersten Brechfläche mit einem Krümmungsradius von 36,51, einer zweiten Brechfläche, mit Abstand von der ersten Brechfläche, mit einem Krümmungsradius von -36,51, wobei der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Brechfläche 5,000 und der Durchmesser jeder ersten bzw. zweiten Brechfläche 1400 beträgt, die erste und die zweite Brechfläche das Zinselenid-Linsenelement bestimmen, mit einer dritten Brechfläche mit einem Krümmungsradius von -26,13 und einer vierten Brechfläche, mit Abstand von der dritten Brechfläche, mit einem Krümmungsradius von -167,67, wobei der Abstand zwischen der dritten und der vierten Brechfläche 4,000 und der Durchmesser der jeweiligen dritten und vierten Brechfläche 14,000 beträgt, die dritte und vierte Brechfläche das Zinksulfid-Linsenelement bestimmen, wobei der Abstand zwischen der zweiten Brechfläche und der dritten Brechfläche 0,965 beträgt, das Linsensystem nominell eine Äquivalent-Brennweite von 24,58 besitzt und ein konjugiertes Verhältnis von 2:1, der Abstand zwischen einem abzubildenden Objekt und der ersten Brechfläche 65,761 und der Abstand zwischen der vierten Brechfläche und einem Bild des Objekts 31,580 beträgt, das Linsensystem weiter nominell eine zwischen dem Objekt und der ersten Brechfläche angeordnete Blende umfaßt, welche Blende einen Durchmesser von 12,000 besitzt, wobei der Abstand zwischen der Blende und der ersten Brechfläche 9,000 ist.

5. Thermische Abbildungseinrichtung mit einem Linsensystem nach einem der vorangehenden Ansprüche.