DE69325783T2

DE69325783T2 - Achromatisches und apochromatisches Prismenelement aus Prisma und Gittern

Info

Publication number: DE69325783T2
Application number: DE69325783T
Authority: DE
Inventors: Chungte W. Chen
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1992-12-11
Filing date: 1993-12-10
Publication date: 1999-11-18
Anticipated expiration: 2013-12-11
Also published as: US5625499A; JPH06265704A; EP0601873A1; JP2908211B2; EP0601873B1; DE69325783D1

Description

Zusammenhang mit verwandten Anmeldungen

Die gegenwärtige Erfindung enthält Material, das mit der parallel anhängenden US-Patentanmeldung mit dem Titel "A Grism (Grating-Prism Combination)" mit dem Aktenzeichen 07/993 344 (EP-A-0 602 992) verwandt ist, die an denselben Zessionar übertragen wurde wie gegenwärtige Anmeldung.

Hintergrund der Erfindung

1. Technisches Gebiet

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Reduzierung von Aberrationen in optischen Systemen und genauer gesagt auf ein einfaches und kompaktes optisches Element, das die Kombination eines Gitters und eines Prismas verwendet.

2. Erläuterung

Das Prisma ist seit langem eine der optischen Grundkomponenten in vielen optischen Systemen. Es ist eine sehr grundsätzliche optische Komponente für viele Anwendungen wie bei der Änderung der Strahlrichtung, bei Zoom-Elementen, anamorphischer Aberrationskorrektur, Sichtlinienkorrektur usw. Die Anwendungen schließen auch Infrarotsysteme (FLIR), Head-up-Displays (HUD), an Helmen befestigte Systeme (HMD), Laser-Radar, kommerzielle Kinematographie usw. ein. Unglücklicherweise begrenzen die allgemeinen Dispersionscharakteristika eines Prismas seine Anwendungen. D. h. wegen der Veränderung des Brechungsindex und der Dispersion mit der Wellenlänge sind Prismen häufig nicht hilfreich bei Anwendungen, die einen breiten Spektralbereich von optischer Strahlung umfassen. Diese Dispersionscharakteristika führen zu optischen chromatischen Abberationen, d. h. eine Abweichung des abbildenden Systems von dem idealen Verhalten tritt auf, wenn ein Strahl durch ein System tritt. Insbesondere weisen Prismen chromatische Abberationen auf, was zu einer Veränderung des Brechungsindex mit der Wellenlänge führt. Chromatische Abberation führt zu einer deutlichen Verschlechterung der Bildqualität eines optischen Systems.
Jedoch hat die Abberation einer optischen Komponente sowohl einen positiven als auch einen negativen Beitrag, und falls diese Beiträge ausgeglichen werden können, kann die gesamte Abberation des Systems tolerierbar klein sein. Zum Beispiel nutzen achromatische und apochromatische Prismen diesen Ansatz aus. Achromatische Prismen bestehen aus einem Paar von Prismen mit unterschiedlichen Dispersionskoeffizienten und unterschiedlichen Prismenwinkeln. Apochromatische Prismen verwenden normalerweise zwei Paare von Prismen mit wenigstens drei unterschiedlichen Glasmaterialien. Während diese Ansätze es versuchen, die positiven und negativen Beiträge zur chromatischen Abberation auszugleichen, haben sie dennoch eine Anzahl von Nachteilen. Zum Beispiel ist die sich ergebende chromatische Abberation normalerweise größer als erwünscht. Auch sind sowohl achromatische als auch apochromatische Prismen wegen der verschiedenen Prismenkomponenten und -materialien normalerweise groß, kompliziert und teuer.
Es wäre deshalb wünschenswert, achromatische Prismen und apochromatische Prismen anzugeben, die einen vereinfachten Aufbau aufweisen. Es wäre ferner wünschenswert, achromatische und apochromatische Prismen anzugeben, die eine verbesserte Leistung mit äußerst kleinen verbleibenden chromatischen und anamorphen Aberrationen aufweisen.
Prismen- und Gitterkombinationen sind aus der WO-A- 93/21548 und der US-A-5101458 bekannt. Die WO-A-95/21548, die nur gemäß Artikel 54(3) EPÜ zitiert wird, offenbart ein Gitter- Prismensystem mit:
einer achromatischen Prismeneinrichtung, umfassend ein erstes Prisma, das Lichtenergie über die Gesamtheit eines gegebenen Spektralbandes überträgt, wobei das erste Prisma erste und zweite Flächen aufweist, die in einem ersten Prismenwinkel A&sub1; angeordnet sind, sowie ein zweites Prisma aufweist, das Energie über die Gesamtheit des Spektralbandes überträgt, wobei das zweite Prisma erste und zweite Flächen aufweist, die in einem zweiten Prismenwinkel A&sub2; angeordnet sind und
ein Gitter auf einer der Flächen des ersten und zweiten Prismas, wobei das Gitter eine vorbestimmte Gitterkonstante hat.
Unter Berücksichtigung des Vorhergehenden hebt sich ein Gitter-Prismensystem gemäß der gegenwärtigen Erfindung gegenüber diesem Stand der Technik dadurch ab, daß das erste und das zweite Prisma und das Gitter eine apochromatische Korrektur bewirken, indem sie zusammenwirken, um den Winkel von wenigstens drei Farben innerhalb eines Design-Spektralwellenlängenbandes derart verändern, daß die primäre und sekundäre Winkelspreizung für das gegebene Spektralband ungefähr Null ist.
Die zahlreichen Vorteile der gegenwärtigen Erfindung werden den Fachleuten beim Lesen der folgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnung deutlich, in der:
Fig. 1 ein Schema eines Prismas ist, das sowohl die primäre als auch die sekundäre Winkelspreizung für seine Strahlabweichung zeigt;
Fig. 2 ein Schema eines ausschließlich brechenden achromatischen Prismas ist;
Fig. 3 ein Schema eines refraktiven/diffraktiven achromatischen Gitter-Prismas zur Verwendung in einem System gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist;
Fig. 4 ein Schema eines apochromatischen refraktiven/diffraktiven Gitter-Prismas gemäß der gegenwärtigen Erfindung ist und
Fig. 5 ein Diagramm eines anamorphischen Gitter-Prismas gemäß der gegenwärtigen Erfindung mit veränderbarer Brechkraft ist.

Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführung

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in der ein typisches Prisma 10 mit einem Prismenwinkel 11 (A) zwischen einer ersten bzw. einer zweiten Fläche 12, 14 dargestellt ist. Der Strahlablenkwinkel 15 (δ) ist definiert als die Winkeldifferenz zwischen dem auf das Prisma einfallenden Lichtstrahl und dem aus dem Prisma hervorgehenden Lichtstrahl für eine mittlere Wellenlänge 16 (λd) des Lichtes des Spektralbandes. Die primäre Winkelspreizung 17 (Δ) ist definiert als die Ausgangswinkeldifferenz zwischen der kurzen Wellenlänge 18 (λF) und der langen Wellenlänge 20 (λc). Die sekundäre Winkelspreizung 22 ( ) ist definiert als die Ausgangsbrechungswinkeldifferenz zwischen der langen Wellenlänge 20 (λc) und der mittleren Wellenlänge 16 (λd).
In einem achromatischen Prisma gibt es definitionsgemäß keinen primären Winkelspreizfehler. Ein apochromatisches Prisma ist definiert als ein Prisma mit keinen primären und keinen sekundären Winkelspreizfehlern. Obwohl ein apochromatisches Prisma keine primären und sekundären Winkelfehler aufweist, hat es dennoch resultierende chromatische Winkelfehler für die Wellenlängen, die von den drei Design-Wellenlängen abweichen. Diese verbleibenden chromatischen Winkelfehler sind häufig die hauptsächliche chromatische Abberation, die die Verwendung des Prismas für bestimmte Anwendungen beschränkt.
Fig. 2 zeigt ein achromatisches Prisma 24 mit den Prismenwinkeln 26 und 28 (A&sub1; und A&sub2;), den Brechungsindices 30 und 32 (Nd1 und Nd2) für die mittlere Wellenlänge 16 (λd), den Abbeschen Zahlen V&sub1; und V&sub2;, den Teildispersionskoeffizienten P&sub1; und P&sub2; für das Spektralband von der kurzen Wellenlänge 18 (λF) zur langen Wellenlänge 20 (λc). Falls der Strahlablenkwinkel 15 (δ) und die sekundäre spektrale Winkelspreizung 22 ( ) wie in Fig. 2 gezeigt sind, erfüllt ein achromatisches Prisma die folgenden Bedingungen:
A&sub1; = (1/V&sub1; - V&sub2;)(V&sub1;/nd1 - 1)δ (1)
A&sub2; = (1/V&sub1; - V&sub2;)(V&sub2;/nd2 - 1)δ (2)
&epsi; = (P&sub1; - P&sub2;/V&sub1; - V&sub2;)δ (3)
Nunmehr bezugnehmend auf Fig. 3 ist ein "Grisma" (Gitter- Prisma) 34 zur Verwendung in einem System gemäß der gegenwärtigen Erfindung gezeigt. Im wesentlichen ist ein Grisma eine Kombination eines Gitters und eines Prismas. Somit besteht das Grisma 34 in Fig. 3 aus einem Prisma 36 und einem Gitter 38. Bei dieser Ausführung ist das Gitter 38 an der ersten Fläche 40 des Prismas 36 befestigt. Im Hinblick auf weitere Details bzgl. Grismen und ihr Design sei auf die gleichfalls anhängige US- Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen Nr. 07/993 344 (EP-A-0 602 992) mit dem Titel "A Grism (Grating - Prism Combination)" Bezug genommen. Für ein Beugungsgitter wie das eine 38 in Fig. 3 reduzieren sich die Abbesche Zahl (Vq) und der Teil- Dispersionskoeffizient (Pg) auf die folgenden Gleichungen:
Vg = λd/λf - λc < 0 (4)
Pg = λd - λc/λf - λc (5)
Deshalb sind für ein achromatisches Grisma 34 die Lösung des Prismenwinkels 11 (A) erster Ordnung, die Gitterkonstante T und die sekundäre Winkelspreizung 22 ( ):
A = (1/V&sub1; - Vg)(V&sub1;/nd1 - 1)δ (6.a)
T = (V&sub1; - Vg/Vg)δλd (6.b)
= (P&sub1; - Pg/V&sub1; - Vg)δ (7)
Ferner kann der Brechungsindex (n) als eine Funktion der Wellenlänge approximiert werden als:
n = A&sub1; + A&sub2;λ&supmin;² + A&sub3;λ&supmin;&sup4; + A&sub4;λ² + A&sub5;λ&sup4; + .... (8)
Für die oben abgeleiteten Gleichungen faßt Tabelle 1 die Abbesche Zahl (V) und den Teil-Dispersionskoeffizienten (P) für zwei wohlbekannte Brechungsmaterialien (BK7 und F2) für ein Beugungsgitter zusammen.
Das sekundäre winkelmäßige Winkelabweichungsverhältnis Spreizung-zu-Strahl, /δ, ist wichtig, da es die chromatische Abberation im Verhältnis zur Brechkraft des Prismas angibt. Demnach wäre ein gewünschtes sekundäres winkelmäßiges Abweichungwinkelverhältnis Spreizung-zu-Strahl ein Verhältnis, das nahe Null ist.
Von Gleichung (3) und Tabelle 1 ergibt sich das sekundäre winkelmäßige Winkelabweichungsverhältnis Spreizung-zu-Strahl, /δ, für ein BK7-F2-achromatisches Prisma zu 4,964 · 10&supmin;&sup4;. In ähnlicher Weise ist das sekundäre winkelmäßige Winkelabweichungsverhältnis Spreizung-zu-Strahl für ein achromatisches BK7-Gitter-Prisma -1,5826 · 10&supmin;³. Es sei darauf hingewiesen, daß das Vorzeichen des sekundären winkelmäßigen Winkelabweichungsverhältnisses Spreizung-zu-Strahl, /δ, für ein herkömmliches achromatisches Grisma zu dem eines refraktiven/diffraktiven achromatischen Grismas entgegengesetzt ist. Entgegengesetzte Vorzeichen bei der sekundären Winkelspreizung 22 zwischen einem vollständig refraktiven Prisma und einem refraktiven/diffraktiven Grisma kann die sekundäre chromatische Abberationskorrektur perfekt machen. Ferner ist die Größe des sekundären winkelmäßigen Winkelabweichungsverhältnisses Spreizung-zu-Strahl, /δ, für ein refraktives/diffraktives achromatisches Grisma erheblich größer als die ein es vollständig refraktiven achromatischen Prismas.
Die Kombination eines klassischen achromatischen Prismas und eines Grismas (wobei die sekundäre Winkelspreizung 22 des Prismas und des Grismas entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen) führt zu einer Prismengesamtordnung, die apochromatisch ist.
Deshalb ist für einen gegebenen Ablenkwinkel die erforderliche Prismaleistung für ein refraktives/diffraktives apochromatisches Prisma geringer als für diejenige eines vollständigen refraktiven apochromatischen Prismas (die Prismaleistung zeigt die Fähigkeit des Prismas zur Veränderung des Ablenkwinkels an). Demnach sind die durch refraktive/diffraktive apochromatische Grismen erzeugten Abberationen viel geringer als diejenigen von vollständigen refraktiven Prismen.
Es sei nun wieder auf Fig. 3 Bezug genommen, in der bei einer bevorzugten Ausführung das refraktive/diffraktive achromatische Grisma 34 einen Prismenwinkel 11 von zehn Grad und eine Gitterfrequenz von 38 von 212,401 Linien pro Inch (1 inch = 25,4 mm) hat. Der Ablenkwinkel 15 beträgt 15,558 Grad mit einer sekundären Winkelspreizung 22 von 0,008 Grad.
In Fig. 8 besitzt ein refraktives/diffraktives apochromatisches Grisma 42 gemäß der Erfindung ein Beugungsgitter 44 mit einer Raumfrequenz von 29,5858 Linien pro Inch, die auf die Vorderfläche 46 eines ersten Prismas 48 geätzt sind. Ein zweites Prisma 50 ist mit seiner Vorderfläche an der Rückfläche 54 des ersten Prismas 48 befestigt. Die Prismenwinkel A&sub1; und A&sub2; sind 11,1407 Grad und 4,561 Grad für das erste bzw. zweite Prisma (48,50). Das erste Prisma 48 besteht aus BK7-Material und das zweite Prisma 50 besteht aus F2-Material. Der Ablenkwinkel 15 beträgt 8,4157 Grad mit einer fast perfekten Korrektur für das sekundäre Spektrum. Zu den Vorteilen des refraktiven/diffraktiven apochromatischen Grismas 42 gegenüber einem vollständig refraktiven apochromatischen Prisma gehören: (1) eine hervorragende Sekundärfarbkorrektur mit einer sehr geringen verbleibenden Winkelspreizung für jede Wellenlänge inner halb des Design-Spektralbandes, (2) nur zwei unterschiedliche Brechungsmaterialien sind notwendig, ohne die Notwendigkeit eines speziellen Glasmaterials, und (3) die Grisma-Anordnung ist sehr einfach, und der Prismenwinkel ist klein; deshalb sind die durch die Prismaleistung erzeugten Abberationen sehr gering.
Es sei nun auf Fig. 5 Bezug genommen, in der eine andere Ausführung der gegenwärtigen Erfindung gezeigt ist. Hier ist eine anamorphe Grisma-Vorrichtung 56 mit veränderbarer Leistung gezeigt. Der Ausdruck "anamorph" bedeutet, daß unterschiedliche optische Vergrößerungen entlang von zueinander senkrechten Richtungen erreicht werden. Es versteht sich, daß die Vergrößerung eines afokalen optischen Systems durch das Verhältnis der Durchmesser seiner Eintritts- und Austrittspupillen gegeben ist. Ein refraktives Prisma, verwendet mit einer anderen als seiner minimalen Ablenkung, hat Eintritts- und Austrittsstrahlen unterschiedlicher Größe und erzeugt so eine Vergrößerung in dem Meridian, in dem es eine Ablenkung erzeugt. Somit kann ein einziges Prisma als ein anamorphes System verwendet werden. Um die Winkelabweichung zu eliminieren, werden normalerweise zwei Prismen verwendet, die so angeordnet sind, daß sich ihre Ablenkungen aufheben und ihre Vergrößerungen kombinieren. Fig. 5 zeigt ein anamorphes Grisma-Gesamtsystem 56, bestehend aus einem Grisma 58 und einem Prisma 60. Das Grisma 58 umfaßt ein Prisma 62 und ein Beugungsgitter 64, das an seiner Vorderseite befestigt ist. Da die "Vergrößerung" eines Prismas eine Funktion des Winkels ist, in dem der Strahl in das Prisma eintritt, kann eine veränderbare anamorphe Leistung durch ein Verdrehen der Prismen derart erreicht werden, daß sich ihre Abweichungen immer aufheben. Anamorphe Prismensysteme sind "fokussiert" und frei von axialem Stigmatismus, wenn sie mit parallelem Licht betrieben werden. Der Vorteil der Verwendung eines Grismas in einem anamorphen System 56 besteht darin, daß die primäre und die sekundäre chromatische Abberation gut mit einer sehr kleinen verbleibenden Abberation für seine Wellenlängen korrigiert werden kann, die von den drei Design-Wellenlängen abweichen. Ferner ist die anamorphe Prismenanordnung sehr kompakt.
Es sei erwähnt, daß der Aufbau eines Grismas nicht auf die spezielle oben gezeigte Ausführung beschränkt ist. Zum Beispiel kann das Beugungsgitter an der hinteren statt an der vorderen Fläche des Prismas befestigt sein. Ferner kann das Gitter auf die Prismenfläche geätzt sein, daran befestigt oder in irgend einer Weise gebondet sein oder lediglich neben dem Prisma plaziert werden. Für die Fachleute versteht es sich, daß andere Vorteile aus der Verwendung dieser Erfindung erhalten werden können und daß Modifikationen gemacht werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er in den Ansprüchen definiert ist.

Claims

1. Gitter-Prismen-System (42) umfassend:

eine achromatische Prismenanordnung mit einem ersten Prisma (48), das Energie über die Gesamtheit eines gegebenen Spektralbandes überträgt, wobei das erste Prisma (48) erste (46) und zweite (54) Flächen besitzt, die in einem ersten Prismenwinkel A&sub1; angeordnet sind, und mit einem zweiten Prisma (50), das Energie über die Gesamtheit des gegebenen Spektralbandes überträgt, wobei das zweite Prisma (50), erste (52) und zweite Flächen besitzt, die in einem zweiten Prismenwinkel A&sub2; angeordnet sind und

ein Gitter (44) auf einer der Flächen (46, 52, 54) des ersten und zweiten Prismas (48, 50), wobei das Gitter (44) eine vorgegebene Gitterkonstante aufweist,

wobei das erste und das zweite Prisma (48, 50) und das Gitter (44) zu einer achromatischen Korrektur gemeinsam zusammenwirken, um den Winkel von wenigstens drei Farben innerhalb eines Design-Spektralwellenlängenbandes derart zu ändern, daß die primäre und sekundäre Winkelspreizung ( ) für das gegebene Spektralband ungefähr Null ist.

2. System nach Anspruch 1, bei dem ein Prisma aus einem infrarotübertragenden optischen Material hergestellt ist.

3. System nach Anspruch 2, bei dem ein Prisma (48) aus BK7- Material hergestellt ist und das andere Prisma (50) aus F2- Material hergestellt ist.

4. System nach Anspruch 1, bei dem das erste und das zweite Prisma (48, 50) aus Glasmaterial hergestellt sind.

5. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Prismen (48, 50) hohe positive Abbesche Zahlen und das Gitter (44) eine niedrige negative Abbesche Zahl aufweisen, wodurch die sich ergebende chromatische Winkelspreizung des Gitter-Prismas (42) minimiert wird.

6. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem das Gitter (44) auf das erste Prisma (48) geätzt ist.

7. System nach irgendeinem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die zweite Fläche (54) des ersten Prismas (48) der ersten Fläche (52) des zweiten Prismas (50) benachbart ist und das Gitter (44) neben der ersten Fläche (46) auf dem ersten Prisma (48) angeordnet ist.

8. System nach Anspruch 1, bei dem das System eine anamorphe Gitter-Prisma-Einrichtung (56) mit einstellbarer Vergrößerung ist.