DE69314215T2

DE69314215T2 - Optisches System zur wiederholten Abbildung

Info

Publication number: DE69314215T2
Application number: DE69314215T
Authority: DE
Inventors: Chungte W Chen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-04-07
Filing date: 1993-04-07
Publication date: 1998-01-29
Anticipated expiration: 2013-04-08
Also published as: IL105334A; ES2107621T3; US5287218A; EP0565355A3; DE69314215D1; IL105334A0; JPH0627382A; EP0565355A2; EP0565355B1

Description

Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet

Die vorliegende Erfindung betrifft optische Systeme mit wiederholter Abbildung und insbesondere ein katatrioptisches optisches System mit wiederholter Abbildung, das aus reflektiven, refraktiven sowie diffraktiven optischen Elementen besteht.

2. Erörterung

Optische Systeme mit wiederholter Abbildung bestehen im allgemeinen aus zwei optischen Modulen, nämlich einer Objektiv-Gruppe sowie einer Ablenkgruppe. Die Objektiv- Gruppe ist vor der Zwischenbildebene angeordnet und die Ablenk-Gruppe hinter dem Zwischenbild. Optische Systeme mit wiederholter Abbildung sind wesentliche optische Bestandteile zahlreicher optischer Sensoren. Ebenso haben optische Systeme mit wiederholter Abbildung einzigartige Eigenschaften. Einige dieser Eigenschaften sind die bessere Unterdrückung von außeraxialer Strahlung, die hundertprozentige Kälteabschirmung, wobei der Kältestopp direkt neben der Detektoranordnung angeordnet ist, und eine zugängliche Eingangspupille.
Zwei Beispiele für gängige optische Systeme mit wiederholter Abbildung sind alle reflektiven Anastigmate mit drei Spiegeln sowie katadioptrische optische Systeme. Anastigmatische Systeme mit drei Spiegeln, vgl. WO-A-88/05552, umfassen im allgemeinen zwei Konkavspiegel und einen Konvexspiegel. Aus diesem Grund haben zwei der beiden Spiegel eine positive Brennstärke und einer eine negative Brennstärke. Der Vorteil der Anastigmate mit drei Spiegeln ist deren einfacher optischer Aufbau, der Farbfehler im wesentlichen ausschließt und der im allgemeinen im Vergleich zu refraktiven optischen Systemen relativ geringe Kostenaufwand bei der Herstellung. Leider ist eine Vignettierung oder eine zentrale Verdeckung, ohne dabei den Bereich des Gesichtsfeldes zu beeinträchtigen, schwer zu vermeiden. Das Vignettierungsproblem ist für den dritten Spiegel besonders schwerwiegend. Um sowohl Ausgangspupille als auch Bildebenen von Reflektionen der Strahlung durch den zweiten Spiegel freizuhalten, bevor sie auf den dritten Spiegel auftreffen, muß entweder die Sichtlinie von der optischen Achse versetzt oder der dritte Spiegel absichtlich geneigt werden. Daher ist das gesamte Gesichtsfeld begrenzt.
Bei einem katadioptrischen System treten zwar weniger Vignettierungs- und Verdeckungsfehler auf, sie sind im allgemeinen jedoch komplizierter. Die Komplikationen sind auf die erforderliche Korrektur der Farbfehler zurückzuführen. Um das Problem der Farbfehler abzuschwächen, wird die Brennstärke jedes refraktiven optischen Elements reduziert. In vielen Fällen ist die Brennstärke der refraktiven optischen Element-Gruppe im Vergleich zur Brennstärke des reflektiven optischen Elements unbedeutend.
Eine Farbfehlerkorrektur bei infraroten optischen Systemen ist in der EP-A-0 441 206 beschrieben.
Dementsprechend weisen anastigmatische optische Systeme mit drei Spiegeln Vignettierungs- und Beobachtungsprobleme auf, während katadioptrische optische Systeme aufgrund der Korrektur von Farbfehlern komplizierter sind. Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches System zur Verfügung, das die obengenannten Probleme überwindet.

Zusammenfassung der Erfindung

Gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung wird ein System der in Anspruch 1 genannten Art zur Verfügung gestellt, das die vorteilhaften Eigenschaften reflektiver und refraktiver optischer Systeme beibehält, aber andererseits deren Nachteile eliminiert. Die vorliegende Erfindung stellt ein optisches System zur Verfügung, das aus reflektiven, refraktiven und diffraktiven optischen Elementen besteht. Dieses System vereint in sich nicht nur die Vorteile reflektiver optischer Systeme, wie ein weites Gesichtsfeld, eine weite spektrale Bandbreite und einen geringen Kostenaufwand, sondern hat außerdem den Vorteil katadioptrischer optischer Systeme, wie Kompaktheit und lange Betriebsabstände zur Vereinfachung des Aufbaus der Fokalebenenschnittstelle.
Die vorliegende Erfindung kombiniert reflektive, refraktive und diffraktive optische Elemente in einem gemeinsamen optischen System mit wiederholter Abbildung, das die positiven Eigenschaften jedes einzelnen Systems beibehält und deren negative Eigenschaften vermeidet. Die Herstellung des vorliegenden Systems ist einfach und ermöglicht ein weites Gesichtsfeld sowie eine weite spektrale Bandbreite. Das System ist sehr kompakt und kostengünstig. Dementsprechend sind optische Sensoren, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung gebaut werden, kompakt, weisen eine bessere Bildqualität auf, sind leichter zu integrieren und kostengünstiger.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung umfaßt das optische System mit wiederholter Abbildung ein erstes und ein zweites optisches Modul. Das erste Modul ist ein Objektiv mit einem ersten Spiegel. Der erste Spiegel formt einen Strahl, der ein Bild des beobachteten Objekts enthält. Das Objektiv erzeugt ein Zwischenbild des beobachteten Objekts. Das zweite Modul ist eine Ablenkung, die aus einem zweiten Spiegel und einem refraktiven und diffraktiven optischen Element besteht. Der Strahl, der auf den zweiten Spiegel auftrifft, geht durch die refraktiven und diffraktiven optischen Elemente hindurch und bildet das Zwischenbild auf einer Bildebene ab.

Kurzbeschreibung der Zeichnung

Fachleute auf diesem Gebiet werden die zahlreichen Vorteile der vorliegenden Erfindung nach Durchsicht der folgenden Beschreibung und unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erkennen.
Fig. 1 ist eine schematische Seitenansicht eines optischen Systems gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 ist eine schematische Draufsicht des optischen Systems aus Fig. 1.
Fig. 3 ist eine schematische Darstellung von H-tanU-Kurven des in Fig. 1 und 2 dargestellten optischen Systems.
Fig. 4 ist eine schematische Darstellung von H-tanU-Kurven des in Fig. 1 und 2 dargestellten optischen Systems, ohne diffraktives optisches Element zur Korrektur von Farbfehlern.
Fig. 5 ist eine schematische Seitenansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

Ausführliche Beschreibung des bevorzugten Ausführungsbeispiels

Fig. 1 und 2 zeigen ein optisches System mit wiederholter Abbildung, das mit dem Bezugszeichen 10 versehen ist. Das optische System umfaßt eine Objektiv-Gruppe 12 und eine Ablenk- Gruppe 14, die den Strahl einer Strahlung eines betrachteten Objekts auf eine Bildebene 16 fokussieren. Im allgemeinen tritt die Strahlung im Pupilleneingang 18 ein und tritt durch einen Pupillenausgang 20 aus, der zwischen der Ablenk-Gruppe 14 und der Bildebene 16 angeordnet ist.
Die Objektiv-Gruppe 12 umfaßt im allgemeinen einen ersten Spiegel 22, einen zweiten Spiegel 22 sowie einen Umlenkspiegel 26. Der erste Spiegel 22 enthält eine zentrale Achse, die die Achse des optischen Systems 28 bildet. Der erste Spiegel 22 ist ein Spiegel mit positiver Brennstärke und kann ein konischer oder ein asphärischer Spiegel höherer Ordnung sein.
Der Umlenkspiegel 26 ist ein Planspiegel. Der Umlenkspiegel ist in der optischen Bahn des Strahls 30 angeordnet, um den Strahl abzulenken und das System kompakter zu machen.
Die Ablenk-Gruppe 14 umfaßt ein refraktives optisches Element 32 sowie ein diffraktives optisches Element 34. In Fig. 1 und 2 sind die refraktiven und die diffraktiven optischen Elemente ein hybrides optisches Element, so daß ein einziges Element sowohl ein refraktives als auch ein diffraktives optisches Element enthält. Die refraktiven und diffraktiven optischen Elemente sind um 8,667 Grad geneigt und hinsichtlich der optischen Achse 28 um 1,2077 Zoll versetzt. Bei einigen Anwendungen kann das hybride optische Element bezüglich der optischen Achse axial angeordnet sein.
Der Strahl der Strahlung 30 trifft auch den zweiten Spiegel 24 und wird von diesem reflektiert und auf die refraktiven und diffraktiven Elemente 32 und 34 projiziert. Während der Strahl durch die refraktiven 32 und diffraktiven 34 Elemente hindurchgeht, wird das Zwischenbild nochmals abgebildet und gelangt zur Bildebene 16. Die Bildfeldwölbung, die von dem ersten 22 und dem zweiten 24 Spiegel hervorgerufen wird, wird vom refraktiven optischen Element ausgeglichen. Das refraktive und das diffraktive optische Element haben eine positive Brennstärke. Die positive Brennstärke aller optischen Elemente sorgt daher für eine Korrektur der Bildfeldwölbung, trägt zur Verkleinerung der Gesamtgröße des Systems bei und verringert die Komplexität des Systems.
Fig. 3 stellt die H-tanU-Kurven des in Fig. 1 gezeigten Systems dar. H-tanU-Kurven werden von Fachleuten für den Aufbau optischer Systeme eingesetzt, um die geometrische Abweichung eines optischen Systems zu beschreiben. Die Kurven rechts und links entsprechen jeweils tangentialen bzw. saggitalen geometrischen Abweichungen. Die oberen, mittleren und unteren Kurven stellen jeweils geometrische Abweichungen bei Vollfeld, einem Feld von 70 % bzw. axialer Anordnung dar. Die Kurven 1, 2 und 3 in jeder H-tanU-Darstellung sind jeweils geometrische Abweichungen für Wellenlängen von 3,8 µm, 3,6 µm bzw. 4,2 µm. Je breiter die Spreizung zwischen den drei Farben ist, desto ausgeprägter ist der Farbfehler. Die H-tanU-Kurven in Fig. 3 zeigen praktisch keinen Farbfehler. Der Farbfehler, der von dem refraktiven optischen Element hervorgerufen wird, wird von dem diffraktiven optischen Element ausgeglichen. Fig. 4 zeigt die H-tanU-Kurven eines ähnlichen optischen Systems, bei dem beim Element 32 kein diffraktives optisches Element verwendet wird, um den Farbfehler zu korrigieren. Fig. 4 zeigt einen beträchtlichen Farbfehler.
Eine spezifische Vorschrift für ein optisches System mit wiederholter Abbildung in der in Fig. 1 und 2 dargestellten Konfiguration wird durch die nachfolgende Tabelle geliefert. Tabelle 1
AD und AE sind asphärische Koeffizienten vierter und sechster Ordnung.
f(p) ist die Phasengleichung des Beugungsgitters dieses diffraktiven optischen Elementes - die n-te Beugungsgitterringgrenze liegt dort, wo p der Gleichung f(p) = n genügt.
p ist die Radialkoordinate
(+) Radien haben ihr Zentrum rechts
(-) Radien haben ihr Zentrum links
(+) Dicke rechts
(+) Dezentrierung nach oben
(+) Neigung im Gegenuhrzeigersinn und in Graden
Dezentrierung vor Neigung CC = - e² = - (Exzentrizität)²
Maße sind in inch angegeben
Bezugswellenlänge = 3,8 µm Spektralbereich = 0,80 µm
Es versteht sich, daß die oben angegebene Vorschrift nur ein Beispiel zur Veranschaulichung ist und in keiner Weise so ausgelegt werden sollte, daß sie die vorliegende Erfindung einschränkt.
Fig. 5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In Fig. 5 sind der erste und der zweite Spiegel 22 und 24 wie oben beschrieben ausgebildet. Der Umlenkspiegel wurde jedoch fortgelassen. Dementsprechend wird der Strahl 30 direkt vom ersten Spiegel 22 zum zweiten Spiegel 24 reflektiert. Ferner entsteht zwischen dem ersten und dem zweiten Spiegel ein Zwischenbild.
Betrachtet man die Ablenkgruppe 14, so sind die refraktive optische Element-Gruppe 50 und das refraktive-diffraktive hybride optische Element 52 unterschiedlich. Im allgemeinen wird diese Anordnung von refraktiven und hybriden optischen Elementen für Wellenlängen im sichtbaren Bereich des Spektrums verwendet.
Das refraktive optische Element 50 umfaßt eine Gruppe aus vier refraktiven Linsen. Die Linsen-Gruppe umfaßt im allgemeinen mindestens zwei verschiedene Arten von üblichen Glasmaterialien, nämlich Kronglas und Flintglas. Die Linsen mit positiver Brennstärke sind aus Kronglas, die Linsen mit negativer Brennstärke sind im allgemeinen aus Flintglas. Der primäre Farblängsfehler, der von den Linsen mit positiver optischer Brennstärke hervorgerufen wird, wird durch die Kombination von negativem Flintglas und dem diffraktiven optischen Element ausgeglichen. Der sekundäre Farblängsfehler wird durch den Ausgleich der Brennstärke zwischen den optischen Elementen aus Flintglas und dem diffraktiven optischen Element korrigiert. Da die primären und die sekundären Farblängsfehler sehr gut korrigiert werden, sind die Verschiebungen zwischen primären Farbquerfehlern und sekundären Farbquerfehlern sehr gering.
Das dargestellte refraktive optische Element umfaßt eine Linse 54, eine Linse 56, eine Linse 58 und eine Linse 60.
Die Linse 54 definiert eine optische Achse, die durch den Scheitelpunkt der Linse geht. Im allgemeinen ist die Linse 54 eine konkav-konvexe Linse aus Kronglas. Die Linse 54 hat einen vorbestimmten Krümmungsradius auf der konkaven oder vorderen Oberfläche der Linse und einen vorbestimmten Krümmungsradius auf der konvexen oder hinteren Oberfläche der Linse. Ferner hat die Linse 54 eine vorbestimmte Dicke im Scheitelpunkt und eine vorbestimmte Öffnungsgröße auf der konkaven vorderen und der konvexen hinteren Oberfläche.
Die Linse 56 ist zur optischen Achse zentriert. Generell handelt es sich bei dieser Linse um eine konvex-konkave Linse aus Flintglas. Die Linse 56 hat eine vorbestimmte Krümmungsrate auf der konvexen oder vorderen Oberfläche und einen vorbestimmten Krümmungsradius auf der konkaven oder hinteren Oberfläche der Linse. Die Linse 58 hat eine vorbestimmte Dicke in ihrem Scheitelpunkt und eine vorbestimmte Öffnungsgröße auf der konvexen vorderen Oberfläche und der konkaven hinteren Oberfläche.
Die Linse 58 ist zur optischen Achse zentriert. Im allgemeinen ist die Linse 58 eine bikonvexe Linse aus Kronglas. Im allgemeinen hat die Linse 58 eine vorbestimmte Krümmungsrate auf ihrer konvexen oder vorderen Oberfläche sowie eine vorbestimmte Krümmungsrate auf der konvexen hinteren Oberfläche. Die Linse 58 hat eine vorbestimmte Dicke in ihrem Scheitelpunkt und vorbestimmte Öffnungsgrößen auf der konvexen vorderen und der konvexen hinteren Oberfläche. Im allgemeinen werden die Linsen 56 und 58 mit üblichen Mitteln aneinander befestigt und bilden ein Duplett.
Die Linse 60 ist zur optischen Achse zentriert. Im allgemeinen handelt es sich bei der Linse 60 um eine konkav-konvexe Linse aus Kronglas. Die Linse 60 hat einen vorbestimmten Krümmungsradius auf der konkaven oder vorderen Oberfläche der Linse und eine vorbestimmte Krümmungsrate auf der konvexen oder hinteren Oberfläche der Linse. Ferner hat die Linse 60 eine vorbestimmte Dicke im Scheitelpunkt und eine vorbestimmte Öffnungsgröße auf der konkaven vorderen Oberfläche und der konvexen hinteren Oberfläche.
Das hybride optische Element 52 ist zur optischen Achse zentriert. Das hybride optische Element 52 besteht aus einem refraktiven optischen Element 62 und einem diffraktiven optischen Element 72. Im allgemeinen handelt es sich beim refraktiven optischen Element 62 um eine konvex-planare Linse. Im allgemeinen hat das refraktive optische Element 62 einen vorbestimmten Krümmungsradius auf der konvexen oder vorderen Oberfläche. Das refraktive optische Element 62 hat eine vorbestimmte Dicke in seinem Scheitelpunkt und vorbestimmte Öffnungsgrößen auf der konvexen vorderen und der planaren hinteren Oberfläche.
Das diffraktive optische Element 72 ist ein Zonenplattenmuster, dessen Ringzentren generell mit der optischen Achse des refraktiven optischen Elements übereinstimmen. Das diffraktive optische Element, das Zonenplattenmuster, ist auf die zweite Oberfläche des refraktiven optischen Elements 62 aufgedruckt. Obwohl die zweite Oberfläche des refraktiven optischen Elements 62 entweder konkav, konvex oder plan sein kann, wird eine plane Oberfläche allgemein bevorzugt, um die Herstellungsprozesse des diffraktiven optischen Elements zu vereinfachen.
Die Ausgangspupille 20 ist zwischen dem zweiten Spiegel 24 und der Ablenk-Gruppe 14 angeordnet. Eine spezifische Vorschrift für ein optisches System mit wiederholter Abbildung gemäß Fig. 5 wird durch nachfolgende Tabelle geliefert: Tabelle 2
f(p) ist die Phasengleichung des Beugungsgitters dieses diffraktiven optischen Elementes - die n-te Beugungsgitterringgrenze liegt dort, wo p der Gleichung f(p) = n genügt.
p ist die Radialkoordinate
(+) Radien haben ihr Zentrum rechts
(-) Radien haben ihr Zentrum links
(+) Dicke rechts
(+) Dezentrierung nach oben
(+) Neigung im Gegenuhrzeigersinn und in Graden
Dezentrierung vor Neigung CC = - e² = - (Exzentrizität)²
Maße sind in inch angegeben
Bezugswellenlänge = 0,75 µm Spektralbereich = 0,30 µm
Es versteht sich, daß die oben angegebene Vorschrift nur ein Beispiel zur Veranschaulichung ist und in keiner Weise so ausgelegt werden sollte, daß sie die vorliegende Erfindung einschränkt.
Die Vorteile der Beispiele für die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung umfassen die Verwendung sowohl von reflektiven als auch von refraktiven optischen Systemen, deren gemeinsame Vorteile ausgenutzt und deren Unzulänglichkeiten begrenzt werden. Dementsprechend sind Sensoren, die nach der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert werden, kompakter, haben eine bessere Bildqualität und sind bei relativ geringem Kostenaufwand leichter zu integrieren.
Obwohl es offensichtlich ist, daß das bevorzugte Ausführungsbeispiel zur Erfüllung der obengenannten Aufgaben optimal berechnet ist, versteht sich, daß die vorliegende Erfindung Abänderungen und Abwandlungen zuläßt, ohne vom eigentlichen Schutzbereich und der angemessenen Bedeutung der im Anhang angefügten Patentansprüche abzuweichen.

Claims

1. Optisches System mit wiederholter Abbildung, mit:

- einer Objektiv-Gruppe (12) mit einem ersten (22) und einem zweiten (24) Spiegel, wobei der erste Spiegel einen Strahl einer Strahlung von einem beobachteten Objekt empfängt und projiziert, wobei ferner der zweite Spiegel so angeordnet ist, daß er den Strahl einer Strahlung vom ersten Spiegel empfängt und reflektiert, und schließlich der erste Spiegel ein Zwischenbild des beobachteten Objektes erzeugt, gekennzeichnet durch:

- eine Ablenk-Gruppe (14) mit einem refraktiven optischen Element (32) und einem diffraktiven optischen Element (34), die so angeordnet sind, daß sie den Strahl einer Strahlung von dem zweiten Spiegel empfangen, um das Zwischenbild auf einer Bildebene (16) erneut abzubilden.

2. System nach Anspruch 1, bei dem ein Umlenkspiegel (26) zwischen dem ersten Spiegel und dem zweiten Spiegel angeordnet ist, um den Strahl einer Strahlung zu dem zweiten Spiegel abzulenken.

3. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Spiegel Spiegel mit positiver Brennstärke sind.

4. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das refraktive und das diffraktive optische Element jeweils eine positive Brennstärke aufweisen.

5. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das refraktive und das diffraktive optische Element ein gemeinsames hybrides optisches Element sind.

6. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das refraktive optische Element eine Vielzahl von Linsen (54, 56, 58, 60) umfaßt.

7. System nach Anspruch 6, bei dem die Vielzahl von Linsen Linsen mit positiver und Linsen mit negativer Brennstärke umfaßt, wobei die gesamte Brennstärke der Vielzahl von Linsen positiv ist.

8. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem eine Ausgangspupille (20) zwischen der Bildebene und dem diffraktiven optischen Element angeordnet ist.

9. System nach Anspruch 7, bei dem eine Ausgangspupille zwischen dem zweiten Spiegel und dem refraktiven optischen Element angeordnet ist.

10. System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Kombination einer Gruppe von Kron-/Flintglas-Linsen und eines refraktiv-diffraktiven, hybriden optischen Elementes die primären und die sekundären Farblängsfehler korrigiert.

11. System nach einem der vorhergehenden Anspruche, bei dem die Kombination einer Gruppe von Kron-/Flintglas-Linsen und eines refraktiv-diffraktiven, hybriden optischen Elementes die primären und die sekundären Farbquerfehler korrigiert.