DE69309338T2

DE69309338T2 - Refraktives, afokales Infrarotteleskop mit drei Gesichtsfeldern

Info

Publication number: DE69309338T2
Application number: DE69309338T
Authority: DE
Inventors: Lacy G Cook; Harvey M Spencer
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-03-09
Filing date: 1993-02-24
Publication date: 1997-10-23
Anticipated expiration: 2013-02-25
Also published as: DE69309338D1; US5229880A; JPH0627388A; EP0560124A1; IL104822A; EP0560124B1; ES2099306T3

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft afokale Teleskope, und insbesondere ein lichtbrechendes, afokales Infrarotteleskop mit drei koaxialen Blickfeldern mit zumindest einem optischen Beugungselement.

2. Beschreibung der betreffenden Technik

Wenn man ein entferntes Objekt durch ein Teleskopsystem betrachtet, hat der Beobachter gewöhnlich an der Durchführung von mehreren, verschiedenen Funktionen Interesse. Eine dieser Funktionen kann eine grobe Suche über ein großes Blickfeld sein, uni vorher unentdeckte Objekte zu orten oder zu erfassen. Eine andere Funktion kann die Feinprüfung über ein kleineres Blickfeld sein, um die vorher georteten Objekte zu identifizieren, zu verfolgen oder zu unterscheiden. Eine dritte derartige Funktion kann noch ein sehr weites Blickfeld zum Leiten, Navigieren oder Führen vorsehen.
Wenn diese drei Funktionen in einem scannenden, nachvorne gerichteten Infrarot- (forward boking infrared; FLIR)-System kombiniert sind, sind gewöhnlich drei verschiedene, afokale Vergrößerungsteleskope erforderlich, die vor einem herkömmlichen Scanner, einem Abbilder und einer Detektor-/Dewar-Anordnung eingesetzt sind. In Anwendungen, die eine hohe Auflösung erfordern (z.B. zur Identifizierung und zur Verfolgung eines Zieles), ist ein afokales Teleskop mit einer hohen Vergrößerung erwünscht. Dies ist aufgrund der großen Eingangsapertur, die in den Infra rotbändern, in denen solche Effekte zur optischen Unschärfe bedeutend beitragen, zur Reduzierung von Beugungseffekten auf ein ausreichend niedriges Niveau erforderlich ist, damit Details des Zieles beobachtet werden können.
Für Anwendungen, die sehr weite Blickfelder erfordern (z.B. zum Leiten oder Navigieren), ist eine Vergrößerung nahe oder kleiner als eine Einheit erwünscht. Es ist auch vorteilhaft und erwünscht, zwischen den zwei Extremen eine dritte, afokale Vergrößerung vorzusehen, wenn das Verhältnis zwischen der hohen und der niedrigen Vergrößerung sehr weit ist, um den Spalt zu überbrücken und die Zielerfassung, das Beobachten und die Vollautomatik zwischen der hohen und der niedrigen Vergrößerung geringer zu machen, wenn sie entweder von einem menschlichen Beobachter oder einem automatisierten Abtastalgorithmus in Anspruch genommen werden.
Derzeitige, lichtbrechende Teleskopsysteme wurden im ganzen oder teilweise benützt. Diese lichtbrechenden, optischen Systeme haben im allgemeinen einen oder mehrere der folgenden Nachteile:
a) sie können nur zwei der drei Vergrößerungs/Blickfeldmodi, wie oben beschrieben, erlauben;
b) sie erlauben oft keine ausreichend hohe Vergrößerung in dem Schmalblickfeldmodus;
c) sie sind oft unerwünscht groß;
d) sie bestehen aus einer untragbar hohen Zahl von optischen Linsenelementen, so daß die gesamte Übertragung wesentlich geringer ist;
e) es ergibt sich eine unvollständige Korrektur von optischen Aberrationen, meist von beträchtlichen chromatischen Aberrationen;
f) die mehrfachen Blickfelder sind nicht koaxial und können keine gewöhnliche, externe Öffnung oder ein Fenster durchdringen;
g) sie können unakzeptierbar hohe Narzismusniveaus hinterlassen, wobei der Detektor sich selbst von den Linsenflächen durch eine Reflexionsvorrichtung betrachten kann.
Das Dokument EP-A-0 441 266 enthält ein optisches Element, das asphärische und binäre, optische Beugungsgitteroberflächen zum Gebrauch in Teleskopen verwendet. Ein Schmalblickfeldteleskop aus einer der Ausführungsformen enthält zwei Linsen, worin eine erste Linse eine asphärische Oberfläche und eine binäre Beugungsgitteroberfläche besitzt. Wenn zwei weitere Linsen eingefügt werden, von welchen eine eine binäre Beugungsgitteroberfläche und eine asphärische Oberfläche besitzt, verwandelt sich das Teleskop in ein Weitblickfeldteleskop. Diese Struktur liefert jedoch keine ausreichende Korrektur der optischen Aberration, vor allem in sehr weiten Blickfeldern.

Zusammenfassung der Erfindung

Das neue und verbesserte, lichtbrechende, afokale, teleskopische, optische System der vorliegenden Erfindung sieht dementsprechend die Technik mit einer verbesserten Aberrationskorrektur und -reduzierung vor, wobei eine minimale Zahl von optischen Linsenelementen verwendet wird. Die vorliegende Erfindung sieht auch drei koaxiale Blickfelder in dem thermalischen Infrarotband vor. Die vorliegende Erfindung sieht ein System vor, das eine Montage innerhalb eines relativ kleinen, sphärischen Durchmesservolumens erlaubt, das genügend Raum für andere, erforderliche Systemelemente erlaubt, wie z.B. Scanner, Abbilder, Detektoren, Kompasse, elektronische Karten oder ähnliches. Die vorliegende Erfindung sieht auch afokale Vergrößerungen vor, die höher sind, als die, die früher auf diesem Gebiet der Technik benutzt werden konnten.
Das lichtbrechende, rückabbildende, afokale Infrarotteleskop gemäß der vorliegenden Erfindung ist in Anspruch 1 definiert.
Aus der folgenden Beschreibung und den abhängigen Ansprüchen, in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen, werden andere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung für den Fachmann erkennbar.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den begleitenden Zeichnungen zeigt:
Figur 1 eine schematische Ansicht einer ersten Position des optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung mit der Schaltlinse, die paarweise vollständig aus dem optischen Strahl entfernt ist, um das Teleskop mit der höchsten Vergrößerung zu erhalten.
Figur 2 eine schematische Ansicht der vorliegenden Erfindung mit einem ersten Paar von Schaltlinsen in dem optischen Strahl, um das Teleskop mit der Zwischenvergrößerung zu erhalten.
Figur 3 eine schematische Ansicht, wie die aus Figur 2, mit einem zweiten Paar von Schaltlinsen in dem optischen Strahl, um das Teleskop mit der geringsten Vergrößerung zu erhalten; das erste Paar von Schaltlinsen wurde aus dem optischen Strahl zurückgezogen.

Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform

Wenn man zu den Figuren 1 bis 3 zurückkehrt, wird ein lichtbrechendes, rückabbildendes, afokales Infrarotteleskopsystem veranschaulicht und mit dem Bezugszeichnen 10 gekennzeichnet. Das System 10 enthält eine Gruppe von Objektivlinsen 12, eine Gruppe von Okularlinsen 14 und eine Gruppe von Schaltlinsen 16. Die Linsengruppen fokusieren und rekollimatisieren anschließend den Strahl 18 und bilden eine Austrittspupille in der Ebene 20. Klappspiegel bzw. Faltspiegel 22, 24 und 26 funktionieren auch so, daß sie den Strahl klappen bzw. falten, um ein kompaktes System zu liefern. Im optischen Weg sind im Anschluß an die Austrittspupille 20 der Scanner, der Abbilder und die Detektor-/Dewar-Anordnungen angebracht, die herkömmliche Elemente in scannenden, abbildenden Infrarotsystemen sind.
Die Gruppe von Objektivlinsen 12 enthält zwei Linsen. Die Linse 30 definiert eine optische Achse 32 und ist vorzugsweise eine positive Konvex-/Konkavlinse. Die Linse 34 ist auf der Achse angeordnet und eine negative Bikonkavlinse. Beide Linsen haben einen bestimmten Krümmungsradius auf ihren Vorder- und Rückflächen, eine bestimmte Dicke in ihren Scheitelpunkten und bestimmte Aperturgrößen auf ihren Vorder- und Rückflächen. Die Objektivlinsen sind auch in bezug auf das System 10 stationär angeordnet.
Die Gruppe von Okularlinsen 14 enthält ein Paar Linsen 36 und 38. Die Linse 36 ist im allgemeinen eine positive Konkav-/Konvexlinse mit einer Beugungsoberfläche auf der Konkavfläche Die Linse 38 ist eine positive Konvex/Konkavlinse. Die zwei Okularlinsen rekollimatisieren die Strahlung, die von den Objektivlinsen fokusiert wird, und sie bilden die Eintrittspupille auf eine Austrittspupille in 20 wieder ab. Die Beugungsoberfläche erlaubt chromatische Dispersion in dem thermalischen, infraroten Spektralband, um derart gesteuert zu werden, daß seitliche chromatische Aberration korrigiert wird, die von Natur aus in einem vereinfachten Okular dieser Art vorhanden ist. Dies eliminiert die Kosten, die Größe und das Gewicht einer komplexeren, herkömmlichen Okularkonstruktion. Die Okularlinsen sind auch in bezug auf das System 10 stationär angeordnet.
Die Gruppe von Schaltlinsen 16 ist am besten in den Figuren 2 und 3 dargestellt. In Figur 2 ist ein Zwischenvergrößerungsmodus gezeigt. In Figur 3 ist ein weites Blickfeld dargestellt.
Die Gruppe von Schaltlinsen 16 enthält vier Linsen 40, 42, 44 und 46. Die Linsen 40 und 42 und 44 und 46 funktionieren als Linsenpaare in dem Zwischen-, beziehungsweise dem Weitblickfeldvergrößerungsmodus. Das Linsenpaar 40 und 42 wird in einer Reihe mit dem Strahl 18 selektiv bewegt, um Strahlung von der Objektivlinse 30 zu empfangen. Die Linse 40 ist eine negative Bikonkavlinse, die zwischen den Klappspiegeln 22 und 24 angeordnet ist. Die Linse 42 ist eine positive Konvex-/Konkavlinse mit einer Beugungsoberfläche auf der Konkavseite. Die Linse 42 ist zwischen dem Klappspiegel 24 und der zweiten Linse 34 der Objetivgruppe angeordnet. Die Linsen 40 und 42 sind auf einer Achse angeordnet und haben einen bestimmten Krümmungsradius auf ihren Vorder- und Rückflächen. Die Linsen 40 und 42 haben auch eine bestimmte Dicke in ihren Scheitelpunkten und eine bestimmte Aperturgröße auf ihren Vorder- und Rückflächen.
Figur 3 zeigt einen Weitblickfeldvergrößerungsmodus. In diesem Fall wurden die Linsen 40 und 42 aus dem Strahl 18 des Systems herausgedreht. Die Linsen 44 und 46 sind in den Strahl 18 hineingedreht, wie man in Figur 3 sieht. Die Linse 44 ist eine negative Plan-/Konkavlinse mit einer Beugungsoberfläche auf der Konkavseite. Die Linse 44 ist zwischen der Objektivlinse 30 und dem ersten Klappspiegel 22 angeordnet. Die Linse 44 ist auch auf der optischen Achse 32 angeordnet. Die Linse 46 ist eine positive Konvex/Konkavlinse mit einer Beugungsoberfläche auf ihrer Konkavfläche. Die Linse 46 ist zwischen dem Klappspiegel 24 und der Objektivlinse 34 angeordnet. Die Linsen 44 und 46 haben einen bestimmten Krümmungsradius auf ihren Vorder- und Rückflächen. Die Linsen haben auch eine bestimmte Dicke in ihren Scheitelpunkten und eine bestimmte Aperturgröße an ihren Vorder- und Rückflächen.
Die optischen Beugungsoberflächen können binäre, optische Elemente sein, die im allgemeinen durch fotolithografische Verfahren hergestellt werden, oder sie können echte Fresnel'sche Phasenplatten sein, die präzise mit Diamant maschinell gefertigt werden. Um optionale Leistung zu erzeugen, hat das binäre, lichtbrechende, optische Element im allgemeinen die Form einer Fresnel'schen Phasenplatte mit Treppenstufenannäherungen zu den wirklich erwünschten, periodischen, phasenverändernden Projektionen. Weitere Details über binäre, optische Flächen können in den Veröffentlichungen gefunden werden: G Swanson und W. Veldkamp, "Infrared Applications Of Diffractive Optical Elements", SPIE Veranstaltung, Band 883, Blatt-Nr. 22, 1988; und D Shafer und T. Mchugh, "Binary Optics Dexign Surprise For The 1990's", SPIE Konferenzveranstaltung, Orlando Florida, März 1989.
Eine Beugungsoberfläche kann auch präzise mit Diamant maschinell gefertigt werden. Bei diesem Typ einer Beugungsoberfläche ist die Oberfläche der Projektionen eine weichere Annäherung an den gewünschten Fresnel'schen Phasenschirm im Gegensatz zu den Treppenstufenprojektionen der fotolithografischen Oberflächen.
Die Schaltlinsen 40 bis 46 in der oben beschriebenen Anordnung, bewirken, daß die fokale Länge der Gruppe von Objektivlinsen verringert wird, während ihre fokale Ebene an derselben Stelle beibehalten wird, wie in dem Schmalblickfeldvergroßerungsmodus, wie in Figur 1 zu sehen ist. Dies erlaubt dem Blickfeld des Teleskopes weiter zu werden, wenn die Linsenpaare in und aus dem Strahl bewegt werden. Somit rekollimatisiert das gleiche Okular die Strahlung, ohne bei jedem Vergrößerungswechsel erneut angeordnet werden zu müssen.
Die vorliegende Erfindung in Figur 1 sieht eine Ausführungsform eines schmalen Blickfeldes mit 16-facher Vergrößerung vor. Wenn das Schaltlinsenpaar 40 und 42 in den Strahl bewegt wird, ist die Vergrößerung 6-fach mit einem Zwischenblickfeld. Das Linsenpaar 44 und 46 liefert ein 1- fach vergrößerndes, weites Blickfeld. Das System hat eine einzige Beugungsoberfläche in dem Schmalblickfeldvergrößerungsmodus, ein Paar von Beugungsoberflächen in dem Zwischenblickfeld und drei Beugungsoberflächen in dem weiten Blickfeld.
Eine genaue Beschreibung für eine teleskopische Systemkonfiguration wird in folgender Tabelle gegeben. Tabelle 1 Optische Vortschrift
* Beugungsgitterabstand = Beugungsgitterkoeffizient/p
mit p= x²+y²
alle Messung sind in Inches
positiv ist nach rechts
Es soll vermerkt werden, das die obige Vorschrift ein Beispiel für Illustrationszwecke ist und in keiner Weise so aufgefaßt werden soll, daß sie die vorliegende Erfindung einschränkt.
In dem Zwischenvergrößerungsmodus korrigiert die Beugungsoberfläche der Gruppe von Schaltlinsen die axiale, chromatische Aberration. In dem Weitblickfeldmodus korrigieren die Beugungsoberflächen der Gruppe von Schaltlinsen sowohl die axiale, als auch die seitliche chromatische Aberration.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß die Erfindung große Vergrößerungsbereiche in einem kompakten Volumen mit einer nahen, durch Beugung begrenzten Abbildungsqualität erlaubt. Die vorliegende Erfindung liefert auch in einem schmäleren Blickfeld eine höhere Vergrößerung als derzeitige Systemkonstruktionen, während sie eine Wirkungsweise mit einem sehr niedrigen Vergrößerungsmodus für ein weites Blickfeld genauso wie für ein Zwischenblickfeld erlaubt, ohne daß die Gruppe von Okularlinsen erneut positioniert werden muß.
Dieses optische System kann für den Einbau in derzeitige Systeme vorgesehen werden, um die hohen Endvergrößerungsfähigkeiten ohne wesentlichen Neuaufbau für Konstruktionszwecke zu erhöhen. Die vorliegende Erfindung sieht auch ein nachvorne gerichtetes Infrarotteleskop vor, das drei koaxiale, nachvorne gerichtete Infrarotblickfelder ermöglicht.
Während es augenscheinlich ist, daß die bevorzugte Ausführungsform sehr gut kalkuliert ist, um die oben angeführten Ziele zu erfüllen, ist auch erkennbar, daß in der vorliegende Erfindung eine Modifikation, eine Variation, eine Änderung und ein Abänderung möglich sind, ohne vom Umfang der untergeordneten Ansprüche abzuweichen.

Claims

1. Lichtbrechendes, rückabbildendes, afokales Infrarotteleskop (10) mit:

einer Gruppe von Objektivlinsen (12;36,34) zum Empfangen und Fokusieren kollimierter Strahlung im thermalischen Infrarotband eines betrachteten Objektes;

einer Gruppe von Okularlinsen (14;36,38), die Strahlung von der Gruppe der Objektivlinsen empfängt, wobei die Gruppe von Okularlinsen die Strahlung wieder kollimiert und eine Austrittspupille (20) bildet; und

einer Gruppe von Schaltlinsen (16;40,42,44,46), die in bezug auf die Gruppe von Objektivlinsen (12) für den Empfang und den Durchlaß der Strahlung positioniert sind, um die Vergrößerung und das Blickfeld des Teleskopes (10) zu ändern,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Gruppe von Schaltlinsen (16) eine erste Gruppe von Linsen (40,42), welche zumindest eine Beugungsoberfläche für die Korrektur der chromatischen Aberration besitzen, und eine zweite Gruppe von Linsen (44,46) umfaßt, welche zumindest zwei Beugungsoberflächen für die Korrektur der chromatischen Aberration besitzen, wobei jede der ersten und zweiten Gruppe von Linsen angeordnet ist, um selektiv auf der optischen Achse der Gruppe der Objektivlinsen positioniert zu sein, damit eine unterschiedliche Vergrößerung und ein unterschiedliches Blickfeld bereitgestellt ist.

2. Teleskop gemäß Anspruch 1, worin zumindest eine Linse (36) in der Gruppe von Okularlinsen (14) eine Beugungsoberfläche für die Korrektur der chromatischen Aberration aufweist.

3. Teleskop gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, worin das Teleskop (10) drei Blickfelder bereitstellt.

4. Teleskop gemäß Anspruch 1, worän die Gruppe von Objektivlinsen (12) ein Objektivlinsenpaar (30,34) aufweist,

die Gruppe von Schaltlinsen (16) zwischen diesem Objektivlinsenpaar (30,34) angebracht ist und drei Blickfelder bereitstellt und,

die Gruppe von Okularlinsen (14) ein Okularlinsenpaar (36,38) aufweist, wobei eine der Okularlinsen (36) eine Beugungsoberfläche für die Korrektur der chromatischen Aberration aufweist.

5. Teleskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter umfassend eine Vielzahl von Klappspiegeln (22,24,26), um das Teleskop (10) kompakt zu halten.

6. Teleskop gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, worin eine der Beugungsoberflächen

ein Beugungsgitter

eine binäre, fotolitografische Beugungsoberfläche oder

eine mit Diamant maschinell gefertigte Präzisionsbeugungsoberfläche ist.