DD250784A1 - OPTICAL ARRANGEMENT WITH RADIAL AND AXIAL TEMPERATURE COMPENSATION - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation und kann in den Faellen, wo optische Systeme hohen Temperaturbelastungen ausgesetzt sind, eingesetzt werden. Die Aufgabe, keine relative axiale und radiale Abweichung der optischen Bauelemente bei veraenderten Temperatureinfluessen zuzulassen und gleichzeitig fotoelektrische Empfaenger geringer Schaerfentiefe spannungsarm lagezufixieren, wird geloest, indem die optischen Bauelemente in eine Hohlzylinderkombination an einer Strebenkonstruktion eingefuegt sind, deren Materialkonstanten so gewaehlt sind, dass auftretende Laengenausdehnungen gegensinnig kompensiert werden.The invention relates to an optical arrangement with radial and axial temperature compensation and can be used in the cases where optical systems are exposed to high temperature loads. The task of allowing no relative axial and radial deviation of the optical components under changed temperature influences and simultaneously low-stress position fixation photoelectric receiver low shear depth is solved by the optical components are inserted into a hollow cylinder combination on a strut construction, the material constants are chosen so that occurring length expansions be compensated in opposite directions.
Description
Hierzu 1 Seite ZeichnungFor this 1 page drawing
Die Erfindung kann bei optischen Systemen eingesetzt werden, die hohen Temperaturbelastungen im Anwendungsfall oder beim Transport ausgesetzt sind. Anwendungsfälle sind bei der Fernerkundung der Erde, Satellitenbilderfassungssystemen, Geodäsie oder Laserwegmeßsystemen gegeben.The invention can be used in optical systems that are exposed to high temperature loads in the application or during transport. Applications are given in the remote sensing of the earth, satellite imaging systems, geodesy or Laserwegmeßsystemen.
Bekannt sind optische Systeme, die mittels Abbildungsspiegeln eine Abbildung von einem bevorzugt telezentrischen Strahlengang in eine konjugierte Bildebene derart realisieren, daß ein visueller oder elektronischer Empfänger die Bildinformation auswerten kann bzw. eine weitere optische Signalabbildung ankoppelbar ist.Optical systems are known which realize an image of a preferably telecentric beam path in a conjugate image plane by means of imaging mirrors in such a way that a visual or electronic receiver can evaluate the image information or a further optical signal image can be coupled.
In US-PS 4226501 ist eine Lösung beschrieben, bei der ein telezentrischer Strahlengang durch eine konzentrische, mittige Bohrung eines Sekundärspiegels auf einen konvex gewölbten Primärspiegel fällt, von diesem auf den Sekundärspiegel reflektiert und dann in eine Zwischenebene abgebildet wird.In US-PS 4226501 a solution is described in which a telecentric beam path through a concentric, central bore of a secondary mirror falls on a convexly curved primary mirror, is reflected by this on the secondary mirror and then imaged in an intermediate plane.
Des weiteren sind Anordnungen bekannt, bei denen die Abbildung auf einen konkav gewölbten Primärspiegel ohne Mittenbohrung realisiert wird, von einem Sekundärspiegel abgebildet und nochmals auf den Primärspiegel reflektiert wird, der den Strahl in eine zur Objektebene konjugierte Bildebene abbildet, wie in DE-PS 2230002 und DE-OS 2410924 beschrieben.Furthermore, arrangements are known in which the image is realized on a concave curved primary mirror without a central bore, imaged by a secondary mirror and reflected again on the primary mirror, which images the beam in an object plane conjugate image plane, as in DE-PS 2230002 and DE-OS 2410924 described.
Bekannt sind.auch Anordnungen, die zusätzliche Bauelemente im Strahlengang aufweisen, um die optische Abbildung zu beeinflussen, z. b. asphärische Linsen in DE-OS 3439297 oder sphärische Linsen in EP 0080566, wobei die optische Abbildung durch einen optisch transparenten Primärspiegel erfolgt.Are also bekannt.auch arrangements having additional components in the beam path to influence the optical imaging, for. b. Aspherical lenses in DE-OS 3439297 or spherical lenses in EP 0080566, wherein the optical imaging is performed by an optically transparent primary mirror.
Es sind auch Spiegelabbildungen bekannt, die'in einem optischen Bauelement integriert sind, derart, daß Primärspiegelflächen auf der konvexen Rückseite durch ringförmige Spiegelflächen gebildet und Sekundärspiegel durch zentrische, mittige Konkavflächen gebildet werden, wie z.B. in DE-PS 2927515 beschrieben bzw. in ähnlicher Weise bei einem optischen Körper für ein Lidar-System realisiert und z.B. in DE-OS 3110981 beschrieben.There are also known mirror images integrated in an optical device such that primary mirror surfaces on the convex backside are formed by annular mirror surfaces and secondary mirrors are formed by central, central concave surfaces, such as e.g. in DE-PS 2927515 or similarly realized in an optical body for a lidar system and e.g. described in DE-OS 3110981.
Ebenso sind Spiegelobjektive mit unterschiedlich einstellbaren Brennweiten bekannt, bei denen der Sekundärspiegel mindestens zwei voneinander getrennte Spi'egelbolzen aufweist und axial verstellbar ist, wie in DE-OS 3016175 dargestellt.Likewise, mirror objectives with differently adjustable focal lengths are known, in which the secondary mirror has at least two mutually separate Spi'egelbolzen and is axially adjustable, as shown in DE-OS 3016175.
DE-PS 3328518 beschreibt ein Spiegelsystem mit sphärischen Primär- und planen Sekundärspiegeln.DE-PS 3328518 describes a mirror system with spherical primary and planar secondary mirrors.
Spiegelobjektive mit partiell transparenten Sekundärspiegeln sind aus GB-PS 8024210 bekannt, ebenso solche mit gekoppelten Spiegeln, wobei diese transparente und reflektierende Flächen aufweisen, aus US-PS 41 88091 und US-PS 41 96967.Mirror lenses with partially transparent secondary mirrors are known from GB-PS 8024210, as well as those with coupled mirrors, these having transparent and reflective surfaces, from US-PS 41 88091 and US-PS 41 96967.
Bekannt sind auch Fokussieranordnungen für Spiegelteleskope aus DD-WP GO 2 B/2419 662, bei denen der Primärspiegel relativ zum Sekundärspiegel bzw. zu einem Empfänger justierbar gestaltet ist.Also known are focusing arrangements for reflecting telescopes from DD-WP GO 2 B / 2419 662, in which the primary mirror is designed to be adjustable relative to the secondary mirror or to a receiver.
Die Halterung der Spiegel in diesem System basiert auf Mitteln, mit denen die Spiegel durch radial und tangential auf deren Rand wirkende Kräfte positioniert werden. Eine solche Lösung ist auch in DE-OS 2903804 beschrieben.The mounting of the mirrors in this system is based on means by which the mirrors are positioned by forces acting radially and tangentially on their edges. Such a solution is also described in DE-OS 2903804.
Bekannt sind weiter Kompensationsanordnungen zur Lagefixierung der Spiegel aus JP 56-209310, FR-PS 2428852, DD-WP GO2 B/257524, DD-WP 221 505, DD-WP GO2 B/2503747, US-PS 41 47413, bei denen bei Temperaturänderung eine Kompensation der auftretenden Zug- und Druckkräfte auf die optischen Bauelemente erreicht und eine quasi-konstante Zentrierung bewirkt wird. Axial wirkende temperaturkompensierte Anordnungen sind beispielsweise in US-PS 41 65918, US-PS 41 90325 und teilweise in CH-PS 3853/81 sowie DE-PS 2714449 beschrieben, wobei komplizierteFurther compensation arrangements are known for fixing the position of the mirror from JP 56-209310, FR-PS 2428852, DD-WP GO2 B / 257524, DD-WP 221 505, DD-WP GO2 B / 2503747, US-PS 41 47413, in which at Temperature change compensates the tensile and compressive forces occurring on the optical components and a quasi-constant centering is effected. Axial-acting temperature-compensated arrangements are described for example in US-PS 41 65918, US-PS 41 90325 and partially in CH-PS 3853/81 and DE-PS 2714449, wherein complicated
Ausgleichsmechanismen eine Wärmeausdehnung kompensieren. Es werden größtenteils unsymmetrische Kugelführungen verwendet, auf denen Kompensationselemente relative Lageänderungen erfahren können. Abstandsstäbe zwischen Spiegelbauelementen, die als Los- bzw. Festlager dienen, finden ebenfalls Verwendung.Compensation mechanisms compensate for thermal expansion. For the most part, asymmetrical ball guides are used on which compensation elements can undergo relative changes in position. Spacer bars between mirror components which serve as loose or fixed bearings are also used.
Nachteilig bei allen zitierten Lösungen ist der Umstand, daß, bedingt durch die konzeptionelle Notwendigkeit der Spiegelanordnungen, entweder ein bestimmtes axiales Gebiet ausgeblendet wird und damit Bildinformationen bzw. Apertur verloren gehen oder daß ein Lichtstrahl, der axial auf das Cassegrain-System auftrifft, vom Sekundärspiegel ausgeblendet und nicht in die Zwischenbildebene abgebildet wird.A disadvantage of all cited solutions is the fact that, due to the conceptual necessity of the mirror assemblies, either a specific axial area is hidden and thus lost image information or aperture or that a light beam which impinges axially on the Cassegrain system, from the secondary mirror hidden and not mapped to the intermediate image plane.
In bestimmten Fällen ist nur eine geringe Apertur abbildbar bzw. übertragbar.In certain cases, only a small aperture can be imaged or transferred.
Abbildungssysteme mit transparenten bzw. teiltransparenten optischen Bauelementen sind problematisch hinsichtlich der Extinktion. Eine gleichzeitige radiale und axiale Kompensation ist ungenügend verwirklicht und Kompensationsmaßnahmen in axialer Richtung bestehen nur darin, daß die Abweichung von einer definierten Zwischenbildebene bei Temperaturveränderung klein gehalten wird.Imaging systems with transparent or partially transparent optical components are problematic in terms of extinction. A simultaneous radial and axial compensation is insufficiently realized and compensation measures in the axial direction consist only in that the deviation from a defined intermediate image plane is kept small with temperature change.
Nicht kompensiert wird die Abweichung zwischen den Bauelementen. Erreicht wird nur eine Bildebenenkompensation, die jedoch mit einer nicht kompensierten Bildgüteschrift verbunden ist.The deviation between the components is not compensated. Only an image plane compensation is achieved, which is, however, associated with an uncompensated visualization of image quality.
Ziel der Erfindung ist es, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden.The aim of the invention is to overcome the disadvantages of the prior art.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optische Anordnung anzugeben, deren optische Bauelemente bei Temperaturänderung keine relative axiale und radiale Abweichung ausführen und gleichzeitig ein fotoelektrischer Empfänger geringer Schärfentiefe spannungsarm lagefixiert ist.The invention has for its object to provide an optical arrangement whose optical components perform no relative axial and radial deviation with temperature change and at the same time a photoelectric receiver low depth of field is low-voltage fixed in position.
Diese Aufgabe löst eine optische Anordnung mit radialer und axialer Temperaturkompensation erfindungsgemäß dadurch, daß,.This object is achieved by an optical arrangement with radial and axial temperature compensation according to the invention in that.
ein modifiziertes Cassegrain-System eine hohlzylindrische Halterung aufweist, an der der Primärspiegel fast spannungslos lagefixiert ist, und eine weitere koaxiale hohlzylindrische Halterung stirnseitig stoffschlüssig mit der ersten Halterung verbunden und I eicht spiel end auf dieser aufgebracht ist, wobei die Abmessungen und Ausdehnungskoeffizienten so gewählt sind, daß bei Temperaturänderung die Längenausdehnung des ersten Hohlzylinders durch die Längenausdehnung des zweiten Hohlzylinders kompensiert wird, so daß an einer bestimmten Stelle keine relative axiale Abstandsänderung zwischen den optischen Bauelementen auftritt und an dieser Stelle an mindestens einer in radialer Richtung angebrachten Strebe, die durch den ersten Hohlzylinder durch eine Bohrung hindurch ragt, eine weitere Strebe stoffschlüssig so angebracht ist, daß bei Temperaturänderung die Ausdehnung der Strebe durch die Ausdehnung in Gegenrichtung von der zweiten Strebe, an der der Sekundärspiegel befestigt ist, kompensiert wird. Die Anordnung ist erfindungsgemäß charakterisiert, daß ein Fotoempfänger mit der Hohlzylinderkombination derart verbunden ist, daß mehrere hintereinander angeordnete sensible Empfängerschichten in axialer Richtung vorhanden sind, die diskret auswertbar sind.a modified Cassegrain system has a hollow cylindrical holder to which the primary mirror is fixed in position almost without tension, and a further coaxial hollow cylindrical holder materially connected frontally with the first holder and I eicht play end is applied to this, the dimensions and expansion coefficients are chosen in that, when the temperature changes, the length extension of the first hollow cylinder is compensated by the longitudinal extent of the second hollow cylinder, so that no relative axial change in distance between the optical components occurs at a certain point and at this point at least one strut attached in the radial direction, which passes through the first Hollow cylinder protrudes through a hole, another strut is firmly bonded so that when the temperature changes the extension of the strut by the extension in the opposite direction of the second strut, at the secondary mirror fastened gt is, is compensated. The arrangement is characterized according to the invention that a photoreceiver is connected to the hollow cylinder combination in such a way that a plurality of sensitive receiver layers arranged one behind the other are present in the axial direction, which can be evaluated discretely.
Der Empfänger liegt dabei vorteilhaft zentrisch zur Systemachse an einer mechanischen Anlagefläche an und ist an der Gegenseite mit einem quasi-elastischen, die Kontur des Empfängers begrenzenden Halterungselement lagegesichert und in radialer Richtung ebenfalls durch ein elastisches Halterungselement lagefixiert.The receiver is advantageous centric to the system axis on a mechanical contact surface and is secured against position on the opposite side with a quasi-elastic, the contour of the receiver limiting support member and also fixed in position in the radial direction by an elastic support member.
Dieses Halterungselement in radialer Richtung ist ebenfalls der Kontur des Empfängers angepaßt.This support member in the radial direction is also adapted to the contour of the receiver.
Der Sekundärspiegel ist an einer konzentrischen, optisch transparenten Planplatte befestigt, und die Planplatte wird an der Strebenkombination gehaltert. Der Sekundärspiegel weist auf einer Seite eine Spiegelschicht auf, auf der Gegenseite ist an mindestens zwei Streben ein fotoelektrischer Empfänger angeordnet, der einen vorzugsweise kleinen Laserstrahl- bzw. Lichtstrahldurchmesser quasi-axial erfaßt, wobei der Empfänger nur auf die Zustände „Signal vorhanden" bzw. „Signal nicht vorhanden anspricht".The secondary mirror is attached to a concentric, optically transparent flat plate, and the plane plate is supported on the strut combination. The secondary mirror has a mirror layer on one side, on the opposite side of at least two struts a photoelectric receiver is arranged, which detects a preferably small laser beam or light beam diameter quasi-axially, the receiver only to the states "signal present" or "Signal does not exist".
Der fotoelektrische Empfänger wird an den Streben in einem definierten Abstand vor dem Sekundärspiegel gehaltert, die Streben zeigen in axialer Richtung, und der Empfänger ist vorzugsweise eine hochempfindliche Fotodiode.The photoelectric receiver is supported on the struts at a defined distance in front of the secondary mirror, the struts are in the axial direction, and the receiver is preferably a high sensitivity photodiode.
Die erfindungsgemäße optische Anordnung ist so ausgelegt, daß breitbandiger Betrieb, inclusive UV- und IR-Bereich, möglichThe optical arrangement according to the invention is designed so that broadband operation, including UV and IR range possible
Die Erfindung soll anhand einer Zeichnung näher erläutert werden.The invention will be explained in more detail with reference to a drawing.
Die Figur zeigt die optische Anordnung im Schnitt. In einer mechanischen Basis 1 ist ein spezielles optisches System mit einer Objektivhalterung 2 eingeschraubt. Das Befestigungsgewinde 3 sichert den Kraftschluß, während ein Zentrierkegel 4 die Lagefixierung bewirkt. Im Innendurchmesser 5 der Objektivhalterung 2 befindet sich ein Hohlzylinder 6 zur Kompensation, der gleitend eingepaßt und an der vorderen Stirnfläche stoffschlüssig mit einem weiteren Hohlzylinder 7 verbunden ist.The figure shows the optical arrangement in section. In a mechanical base 1, a special optical system with a lens mount 2 is screwed. The fastening thread 3 secures the frictional connection, while a centering cone 4 causes the position fixing. In the inner diameter 5 of the lens holder 2 is a hollow cylinder 6 for compensation, which is slidably fitted and connected to the front face cohesively with another hollow cylinder 7.
Die Fügestelle 8 kann zum Beispiel durch Diffusionsschweißen realisiert werden.The joint 8 can be realized for example by diffusion welding.
Der Hohlzylinder 7 ist an der anderen Stirnfläche 9 stoffschlüssig gefügt und mit einem Kompensationsring 10 verbunden. Die Ausdehnungskoeffizienten der Materialien für die Objektivhalterung 2, die Hohlzylinder 6; 7 und den Kompensationsring 10 sind im Zusammenhang mit den Abständen zwischen den Fügestellen, Anlagestellen und Klemmstellen so gewählt, daß bei temperaturänderung der Abstand zwischen der Halterung 11 und der Position des Primärspiegels 12 konstant bleibt.The hollow cylinder 7 is joined cohesively to the other end face 9 and connected to a compensation ring 10. The expansion coefficients of the materials for the lens holder 2, the hollow cylinder 6; 7 and the compensation ring 10 are chosen in connection with the distances between the joints, abutment points and clamping points so that when temperature change, the distance between the holder 11 and the position of the primary mirror 12 remains constant.
Der Hohlzylinder 6 ist kraft- und formschlüssig über den Kompensationsring 10 und Federring 13 in der Objekthalterung 2 mit dem Klemmring 14 befestigt. Der Klemmring 14 besitzt eine plan parallele Frontglasplatte 15, die mit dsm Klebstoff ring 16 lagefixiert ist. Ein Kleber 17 sichert den Montagezustand. Der Federring 13 besitzt Aussparungen 18, die einen Federeffekt beim Anziehen des Klemmringes 14 bewirken und eine permanente Vorspannung sichern. Der Primärspiegel 12 ist mit dem Klebstoff ring 19 im Hohlzylinder 7 befestigt. Er enthält eine Bohrung 20, durch die eine Abbildung möglich ist. An seiner RückseiteThe hollow cylinder 6 is non-positively and positively secured via the compensation ring 10 and spring ring 13 in the object holder 2 with the clamping ring 14. The clamping ring 14 has a plane-parallel front glass plate 15 which is fixed in position with dsm adhesive ring 16. An adhesive 17 ensures the mounting state. The spring ring 13 has recesses 18, which cause a spring effect when tightening the clamping ring 14 and secure a permanent bias. The primary mirror 12 is attached to the adhesive ring 19 in the hollow cylinder 7. It contains a hole 20 through which a picture is possible. At his back
ist ein Zentrierring 21 gelagert, der über vier Verbindungsstößel 22 und Justiereiemente 23 verfügt, die an der Basis 1 gelagert sind, und eine Justierung des Primärspiegels 12 ermöglicht. Die Aushärtezeit des Klebstoff ringes 19 muß den gesamten Justierzeitraum andauern, und erst im montierten Zustand darf der Klebestoffring 19 aushärten. Dann kann der Zentrierring 21 entweder im Primärspiegel 12 verbleiben oder weggeschwenkt werden. Der Sekundärspiegel 24 besitzt eine Reflexionsschicht 25 und ist optisch transparent.a centering ring 21 is mounted, which has four connecting ram 22 and Justiereiemente 23, which are mounted on the base 1, and an adjustment of the primary mirror 12 allows. The curing time of the adhesive ring 19 must last the entire adjustment period, and only in the assembled state of the adhesive ring 19 may harden. Then the centering ring 21 can either remain in the primary mirror 12 or be pivoted away. The secondary mirror 24 has a reflection layer 25 and is optically transparent.
An der plauen Rückseite 26 ist an vier Streben 27 ein Detektor 28 befestigt, das über eine Abbildungsoptik 29 lichtoptisch angetastet werden kann.On the plauen back 26 a detector 28 is attached to four struts 27, which can be optically scanned 29 via an imaging optics.
Ein quasi-achsnaher Strahl 30 wird von der Reflexionsschicht 25 reflektiert und gelangt über eine Abbildungsoptik 29 auf den Detektor 28.A quasi-near-axis beam 30 is reflected by the reflection layer 25 and reaches the detector 28 via imaging optics 29.
Der Sekundärspiegel 24 besitzt radial wirkende Temperaturkompensationsmittel, die aus einer ringförmigen Spiegelaufnahme 31 die mit vier in der Zeichnung nicht abgestellten Stege 3 mit einem Ring 32 verbunden sind, bestehen sowie vier daran stoffschlüssig gefügten Halterungen 11.The secondary mirror 24 has radially acting temperature compensation means, which are made of an annular mirror receptacle 31 which are connected to four in the drawing not parked webs 3 with a ring 32, and four cohesively joined holders 11th
Die Abmessungen der Halterungen 11, der Spiegelaufnahme 31, der Stege sowie des Ringes 32 sind so gewählt, daß bei Temperaturänderung keine radialen Zug- oder Druckspannungen auf den Sekundärspiegel 24 ausgeübt werden.The dimensions of the brackets 11, the mirror holder 31, the webs and the ring 32 are chosen so that no radial tensile or compressive stresses are exerted on the secondary mirror 24 in temperature change.
Die Halterungen 11 sind im Hohlzylinder 6 justierbar mittels Justierschrauben 33 befestigt.The brackets 11 are adjustably mounted in the hollow cylinder 6 by means of adjusting screws 33.
Die Objektstrahlen 34 werden vom Primärspiegel 12 und der Reflexionsschicht 25 auf den Detektor 35 abgebildet. Dieser ist radial in einer Ausnehmung 36 durch den elastischen Ring 37 lagefixiert und wird axial mit einem Federelement 38 gehaltert.The object beams 34 are imaged by the primary mirror 12 and the reflection layer 25 onto the detector 35. This is radially fixed in position in a recess 36 by the elastic ring 37 and is held axially with a spring element 38.
Die axiale Position der Fläche des Empfängers 39 wird so gewählt, daß die Zwischenbildebene bei Temperaturänderungen auswertbar bleibt bzw. die Befestigung wird analog der des Primärspiegels an Kompensationselementen vorgenommen.The axial position of the surface of the receiver 39 is chosen so that the intermediate image plane remains evaluable with temperature changes or the attachment is made analogous to that of the primary mirror to compensation elements.
Erfindungsgemäß ist es auch möglich, die elektronische Auswerteeinheit der Detektorsignale über nicht dargestellte Steuerungssysteme mit den Justierschrauben 33 zu koppeln und eine entsprechende Justierung des Primärspiegels 12 zu bewirken, das gilt ebenso für den Sekundärspiegel 24.According to the invention it is also possible to couple the electronic evaluation of the detector signals via control systems, not shown, with the adjusting screws 33 and to effect a corresponding adjustment of the primary mirror 12, which also applies to the secondary mirror 24th
Claims (2)
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Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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| DD250784A1 true DD250784A1 (en) | 1987-10-21 |
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ID=5580508
Family Applications (1)
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