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In Objektiven für den infraroten Spektralbereich, umfassend die Wellenlängenbereiche von ca. 3 µm bis ca. 5,5 µm (kurzwelliger IR-Bereich) und ca. 7µm bis ca. 14µm (langwelliger IR-Bereich) werden spezielle optische Materialen eingesetzt, die den Nachteil besitzen, dass deren optische Parameter stark von der Temperatur abhängen.
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Einerseits ist die Brechzahl dieser Materialien mit einem Betrag zwischen 2,4 und 4,2 weitaus stärker von der Temperatur abhängig als die 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.
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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 brechenden 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.
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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.
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Die Anzahl der verfügbaren Materialien, die für den IR-Bereich geeignet sind, sind 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.
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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.
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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.
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Das optische System kann auch als gefasstes System gerechnet werden, dass heißt insbesondere die Längenänderungen der Fassung entlang der optischen Achse des optischen Systems innerhalb werden in die Berechnung des optischen Systems eingeschlossen, sodass der Korrekturzustand für die Abbildung temperaturunabhängig erhalten bleibt.
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Eine zweite mögliche Variante, insbesondere für optische Systemen 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.
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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.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde ein kompaktes IR-Objektiv aus nur einem Material, bevorzugt Germanium, zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einem IR-Objektiv gemäß Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind aus den hierauf rückbezogenen Unteransprüchen zu entnehmen.
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Es ist auch die Aufgabe der Erfindung, eine IR-Kamera mit einem solche IR-Objektiv zu schaffen. Diese Aufgabe wird mit einer IR-Objektiv gemäß Anspruch 5 gelöst.
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Nachfolgend soll die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen beschrieben werden. Hierbei zeigen
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1a ein vereinfachtes Optikschema einer IR-Objektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
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1b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 1a,
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2a ein vereinfachtes Optikschema eines IR-Objektiv gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,
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2b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 2a,
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3a ein vereinfachtes Optikschema IR-Objektiv gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel,
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3b eine perspektivische Ansicht eines IR-Objektives gemäß 3a,
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4a eine Prinzipdarstellung für eine IR-Kamera in Draufsicht, mit einem IR-Objektiv gemäß 2, einem Detektor und einer Fassung und
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4b eine Prinzipdarstellung für eine Kamera gemäß 4a in perspektivischer Ansicht.
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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 aufweist, nämlich eine Eintrittsfläche 2, eine Austrittsfläche 3 und wenigstens eine erste reflektierende Fläche 4.1, eine außerhalb des monolithischen Körper 1 liegende reelle Gesamtbrennebene 1.2, in die eine Sensorfläche 7.1 angeordnet werden kann, und eine am monolithischen Körper 1 angeordnete Aperturblende 5.
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Indem wenigstens eine der optisch wirksamen Flächen als eine optische Freiformfläche ausgeführt ist, die so ausgelegt ist, dass sie die Wirkung mehrerer sphärischen und/oder asphärischen 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 rotationssymmetrischen Flächen gegeben sind.
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Indem nur wenige optisch abbildende Flächen benötigt werden kann der monolithische Körper klein gehalten werden und ist somit auch leichter. Bei der Herstellung einer IR-Kamera erweist sich der Vorteil eines Monolithen in dem wesentlich geringerem Beschichtungsaufwand und der verringerten Montage- und Justagezeit, da nur ein Körper justiert und in das Gesamtsystem montiert werden muss.
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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.
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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 dessen Volumen 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.
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Auf diese Weise kann ein IR-Objektiv 7 von drei oder mehr rotationssymmetrischen Linsen durch einen monolithischen Körper 1 ersetzt werden. Zwar kann ein passives Nachfokussieren jetzt nur noch über eine Fassung 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.
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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.
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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.
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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 nachgeordnetem IR-Detektors 7, relativ zur Eintrittsfläche 2.
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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.
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Drei konkrete Ausführungsbeispiele für IR-Objektive werden nachfolgend erläutert. Bei den Draufsichten wurden die optisch wirksamen Flächen als Volllinien und die optisch nicht wirksamen Flächen als Strichlinien dargestellt. Die optisch wirksamen Flächen sind 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 der Aperturblende 5 an.
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Ein IR-Objektiv gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 1a und 1b, ist aus Germanium, weist eine Eintrittsfläche 2 und eine Austrittsfläche 3 auf die beide optische Freiformflächen darstellen, sowie eine erste reflektierende Fläche 4.1, die als Asphäre ausgebildet ist, eine zweite reflektierende Fläche 4.2; die teilweise der Eintrittsfläche 2 überlagert ist. 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 teilweise Überlagerung einer brechenden Fläche, wie der Eintrittsfläche 2 mit einer reflektierenden Fläche, wie hier der zweiten reflektierenden Fläche 4.2, muss die Oberfläche mit einer Antireflex-Schicht versehen sein. 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.
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Ein IR-Objektiv gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 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 hier auf der Oberflächenseite der Austrittsfläche 3 und begrenzt diese körperlich.
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Ein IR-Objektiv gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel, gezeigt in den 3a und 3b ist aus Chalkogenidglas. 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 ersten reflektierenden Fläche 4.1 und begrenzt diese körperlich.
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Entsprechend einer üblichen Anwendung eines IR-Objektives, welches auf Grund der großen Entfernung von IR-Strahlung abgebenden Objekten hochgeöffnet ist und 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.
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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.
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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.
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In den 4a und 4b sind in einer Prinzipskizze die erfindungswesentlichen Merkmale einer IR-Kamera, nämlich ein monolithischer Körper 1, wie im zweiten Ausführungsbeispiel anhand der 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 l1 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 l2 in Richtung der optischen Achse 1.1 auf. An seinem freien Ende ist eine Referenzfläche 6.2.1 ausgebildet zu welcher der IR-Detektors 7 mit einer definierten Entfernung justiert fixiert ist.
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Im Idealfall ist das IR-Objektiv vollständig thermisch kompensiert (athermalisiert), dass heißt die Brennebene 1.2 hat eine stabile Raumlage gegenüber der Austrittsfläche 3. Die Längen l1, l2 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.
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Die Fassung kann allerdings auch einen Teil der thermischen Kompensation für das IR-Objektiv übernehmen, wenn dieses nicht vollständig thermisch kompensiert ist. Die Längen l1, l2 der beiden Dehnungskörper 6.1, 6.2 sind dann so dimensioniert, dass sich ihre eigenen Längenänderungen und die verbleibende Längenänderung der Gesamtbrennweite aufheben.
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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.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- monlithischer 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 Dehungskörper
- 6.2
- zweiter Dehungskörper
- 6.2.1
- Referenzfläche
- 7
- IR-Detektor
- 7.1
- Sensorfläche
- 8
- Strahlenbündel
- l1
- erste Länge
- l2
- zweite Länge
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DD 289675 A7 [0003, 0007]
