DE2704359A1

DE2704359A1 - Optisches system

Info

Publication number: DE2704359A1
Application number: DE19772704359
Authority: DE
Inventors: William Thomas Moore; Michael Terrence Sweeney
Original assignee: Rank Organization Ltd
Current assignee: Rank Organization Ltd
Priority date: 1976-02-02
Filing date: 1977-02-02
Publication date: 1977-08-04
Also published as: FR2339873A1; GB1567604A; US4234240A; NL7701121A; FR2339873B3

Description

270A359

31. Januar 1977 10016/Dr.v.B/Ro.

The Rank Organisation Limited 11 Hill Street, London WlX 8AE / England

Optisches System.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches System gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Insbesondere betrifft die Erfindung Maßnahmen zur Verringerung von Störeffekten, die durch Reflexionen an Linsenoberflächen in thermischen oder IR-Abbildungssystemen verursacht werden.

Ein optisches System, bei dem Probleme durch Reflexionen an inneren Oberflächen auftreten können, ist beispielsweise in der DT-OS 2 605 837 bekannt. Es handelt sich dabei um eine IR-Abtasteinrichtung, bei der eine Szene mittels eines rotierenden Polygons und eines hin- und herschwenkenden Spiegels abgetastet wird. Das optische System der bekannten Abtasteinrichtung enthält eine plankonvexe Linse L2, deren ebene Fläche dem rotierenden Polygon zugewandt ist. An dieser ebenen Fläche wird in der Mitte der Abtastung, wenn die Strahlen senkrecht auf die Linsenfläche auftreffen, über das Abtastsystem von einem Strahlungsdetektor der Abtastvorrichtung ausgehende Energie auf den Strahlungsdetektor selbst reflektiert. Während der übrigen Zeit der Abtastung wird an der ebenen Linsenfläche Energie vom Gerätekörper reflektiert.

In vielen optischen Systemen sind die reflektierten Energien vom Strahlungsdetektor bzw. Gerätekörper im wesentlichen

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gleich. Bei manchen Einrichtungen, insbesondere Abbildungssystemen für Wärme- oder IR-Strahlung, die mit einem gekühlten Detektor arbeiten, können die erwähnten Energien ziemlich verschieden sein, was dann zur Folge hat, daß der Mitte des erzeugten Bildes ein heller oder öfters ein dunkler Fleck überlagert ist.

Diese Störungen können bis zu einem gewissen Grade jedoch nicht vollständig durch eine hochwertige Antireflexbeschichtung der störenden Linsenflächen verringert werden, erforderlichenfalls unter zusätzlicher Verwendung von optischen Filtern mit Bandfilter- oder Tiefpaßfilter-Charakteristik oder dgl., die die Wellenlänge der reflektierten Strahlung auf den Bereich einschränken, in dem die Antireflexbeschichtung wirksam ist. Es ist auch möglich, aber im allgemeinen nicht erwünscht, die Reflexionen elektronisch zu korrigieren.

Da außerdem die Stärke des Effektes davon abhängt, bis zu einem welchen Grade der Fokus bei der Reflexion erhalten bleibt, kann es vorkommen, daß eine Linse eine solche Gestalt hat, daß die reflektierte Strahlung defokussiert und die Strahlungsdichte der reflektierten Energie dadurch auf einen annehmbaren Wert herabgesetzt wird.

Die obenerwähnten Maßnahmen stellen jedoch alle keine wirklich zufriedenstellende Lösung des geschilderten Problems dar.

Der vorliegenden Erfindung liegt dementsprechend die Aufgabe zugrunde, die Wirkung von Reflexionen an Oberflächen eines optischen Systems möglichst weitgehend auszuschalten.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung durch die im Patentanspruch 1 gekennzeichneten Maßnahmen gelöst.

Bei dem optischen System gemäß der Erfindung liegt also der Krümmungsmittelpunkt der optischen Fläche, an der unerwünschte Reflexionen auftreten können, oder das durch andere optische Flächen oder Elemente des optischen Systems erzeugte

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Bild des Krümmungsmittelpunktes in oder nahe bei einer energiebegrenzenden Apertur des optischen Systems oder eines Bildes dieser Apertur.

Es wird zwar nicht immer möglich sein, diese Maßnahmen bei allen störenden Linsenflächen eines optischen Systems anzuwenden, wenn sie jedoch bei denjenigen Linsenflächen angewendet wird, die sonst am meisten zu den unerwünschten Reflexionen beitragen, läßt sich eine beträchtliche Verbesserung der Bildqualität erreichen. Diese Verbesserung resultiert daraus, daß die Stärke der reflektierten Strahlung von der oder den Oberflächen, auf die die erfindungsgemäßen Maßnahmen angewendet worden sind, über einen beträchtlichen Teil des Gesichtsfeldes im wesentlichen konstant bleibt.

Im folgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer in den Fig. 1, 3 und 4 der DT-OS 2 605 837 beschriebenen Einrichtung; anhand dieser Figur wird unten das der Erfindung zugrundeliegende Problem erläutert;

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines optischen Systems gemäß einer ersten Ausfuhrungsform der Erfindung;

Fig. 2A eine schematische Darstellung eines Teiles des Systems gemäß Fig. 2, aus der ersichtlich ist, wie bei dem optischen System gemäß Fig. 2 die Einflüsse unerwünschter Reflexionen verringert werden und

Fig. 3, 4 und 5 schematische Darstellungen weiterer Ausführungsform der Erfindung.

In Fig. 1 ist ein Teil der aus der DT-OS 2 605 837 bekannten optischen Abtasteinrichtung dargestellt, wobei die vertikale Linie S das Abtastsystem dieser Einrichtung symbolisiert, auf dessen rotierendes Polygon durch eine Linse L2 ein Bild der Apertur oder Eintrittspupille des Systems abgebildet wird.

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Die Eintrittspupille oder Systemapertur wird durch die Apertur der nichtdargestellten Objektivlinse gebildet. Die optischen Elemente, die die abgetastete Strahlung auf einen Detektor D fokussieren, sind durch eine Linse R symbolisiert. Die ausgezogen gezeichneten Linien 1 stellen den Verlauf der Strahlung von der Mitte des abgetasteten Gesichtsfeldes, also von auf der Achse gelegenen Punkten dar, während die gestrichelten Linien den Verlauf der Strahlung von außeraxialen Punkten des Gesichtsfeldes darstellen. Der Detektor D ist zwar in zwei Stellungen dargestellt, in denen er von der paraxialen bzw. außeraxialen Strahlung getroffen wird, in Wirklichkeit ist der Detektor selbstverständlich stationär; die beiden unterschiedlichen Stellungen, die in der Fig. 1 dargestellt sind, sollen nur die Abtastwirkung des Abtastsystems symbolisieren, die als scheinbare Bewegung des Detektors bezüglich der vor der Abtastanordnung fest angeordneten optischen Bauteile angesehen werden kann.

Anhand der Fig. 1 ist leicht einzusehen, wie sich die reflektierte Strahlung in Abhängigkeit von dem abgetasteten Gesichtsfeldpunkt ändert. Bei Abtastung der paraxialen Punkte stammt die von einer ebenen Oberfläche X der Linse L2 reflektierte Strahlung 1' offensichtlich in erster Linie vom Detektor D. Bei der Abtastung außeraxialer Punkte stammt die reflektierte Strahlung 2* dagegen vom Körper des Gerätes.

Fig. 2 zeigt eine dem System gemäß Fig. 1 entsprechende Ausführungsform der Erfindung, bei dem die Einflüsse der unerwünschten Reflexionen von der Fläche X der Linse L2 erheblich verringert sind. In Fig. 2 bedeuten wieder S das aus einem rotierenden Polygon und einem hin- und herschwenkenden Spiegel bestehende Abtastsystem, R die Optik, die die abgetastete Strahlung auf den Detektor D fokussiert, Ll die Objektivlinse des Systems und L2 die Linse, die die Eintrittspupille oder Apertur A der Objektivlinse Ll auf die Seiten des Polygons abbildet. Alle diese Komponenten haben die gleichen Funktionen wie die

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entsprechenden Komponenten in den Fig .1,3 und 4 der DT-OS 2 605 837 und hinsichtlich weiterer Einzelheiten dieser Abtasteinrichtung wird auf diese Veröffentlichung verwiesen.

Die Einrichtung gemäß der vorliegenden Fig. 2 unterscheidet sich von der bekannten Einrichtung darin, daß die Form der Linse L2 derart gewählt ist, daß die reflektierte Strahlung in einem großen Abtastwinkel Strahlung vom Detektor enthält und nicht nur bei paraxialen Abtastwinkeln. Dies wird dadurch erreicht, daß man den Krümmungsradius der Oberfläche X der Linse L2 so wählt, daß der Krümmungsmittelpunkt dieser Fläche bei oder in der Nähe des Bildes der Objektivapertur beim Abtastsystem liegt, bei Fig. 2 also beispielsweise zwischen aen Punkten P und Q. Bei diesem und den folgenden Ausführungsbeispielen wird angenommen, daß die Objektivapertur A die die Energie begrenzende Apertur oder Eingangspupille des Systems ist.

Bei dieser Anordnung gibt es für jeden Bild- oder Betrachtungswinkel von demjenigen, der dem paraxialen Strahlungsbündel 1 entspricht bis zu demjenigen, der dem außeraxialen Strahlungsbündel 2 entspricht, das gerade noch den Krümmungsmittelpunkt der Fläche X einschließt, welcher bei einer der Extremlagen P oder Q befindlich angenommen wird, immer ein Strahl, der vom Detektor ausgeht und nach Reflexion an der Fläche X zur Linse L2 wieder zurück zum Detektor gelangt.

Dies ist in Fig. 2A für denjenigen Fall genauer dargestellt, daß sich der Krümmungsmittelpunkt an der Stelle Q befindet. Das Strahlungsbündel 1' stellt die beim Betrachtungs- oder Bildwinkel Null vom Detektor ausgehende paraxiale oder achsparallele Strahlung dar, während das Strahlungsbündel 2¹ die außeraxiale Strahlung repräsentiert die vom Detektor ausgeht, wenn der Feld- oder Abtastwinkel einen derartigen Wert hat, daß der Punkt Q gerade noch innerhalb des Querschnittes des Strahlungsbündels 2¹ liegt. Man sieht, daß in jedem Falle ein Strahl nach Q und damit zum Detektor reflektiert wird. Dasselbe

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gilt für alle Feld- oder Abtastwinkel zwischen den beiden betrachteten Winkeln, ein Strahl wird immer zum Detektor zurückgelangen. Zumindest in dem Teil des betrachteten Bildes, der innerhalb der durch den dem Strahlungsbündel 2¹ entsprechenden Winkel definierten Grenzen liegt, wird daher die Intensität der reflektierten Strahlung konstant bleiben. Man sieht aus Fig. 2A auch deutlich, daß der Winkelbereich, in welchem immer ein Strahl zum Detektor reflektiert wird und damit der Bereich des erzeugten Bildes, in dem die Einflüsse der Reflexion an der Fläche X konstant sind, um so größer sein wird, je näher der Punkt Q an der Bildebene der Objektivapertur liegt.

auch
Das gleiche Prinzip läßt sich^uf die konkave Oberfläche

der Linse Ll anwenden, hier ist es jedoch das durch die Linse L2 entworfene Bild des Krümmungsmittelpunktes der Linse Ll, das zwischen den Punkten P und Q liegen soll. Bei Erfüllung dieser Bedingung wird die Reflexion von der Linse Ll in einem großen Bereich des vom System erzeugten Bildes im wesentlichen konstant.

Fig. 3 zeigt eine weitere Ausführungsform der Erfindung, welche eine Abwandlung der gemäß Fig. 2 darstellt. Die meniskusförmige Einzellinse L2 in Fig. 2 ist in Fig. 3 durch zwei Linsen L2 und L3 ersetzt. Dies kann in der Praxis erforderlich sein um genügend große Gesichtsfeldwinkel zu erreichen. Die konkaven Oberflächen der Linsen L2 und L3 sind in diesem Falle so gekrümmt, daß der Krümmungsmittelpunkt von L3 und das durch L3 erzeugte Bild des Krümmungsmittelpunktes von L2 in oder in der Nähe des (bei S liegend angenommenen) Bildes der Objektivapertur A liegt. Außerdem kann das durch die Linsen L2 und L3 erzeugte Bild des Krümmungsmittelpunktes der konkaven Oberfläche von Ll in oder in der Nähe des Bildes der Objektivapertur liegen. Auf diese Weise läßt sich die Wirkung der Reflexionen an allen drei konkaven Oberflächen wesentlich verringern.

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Das gleiche Prinzip läßt sich auch auf konvexe Linsenoberflächen im System anwenden, z.B. die konvexen Oberflächen der Linsen Ll, L2 und L3. In diesem Falle wird das Bild der Krümmungsmittelpunkte der konvexen Oberflächen von Ll, L2 und L3 durch die verschiedenen dazwischenliegenden Linsenflächen in oder in der Nähe von S liegen. Selbstverständlich wird es im allgemeinen kaum möglich sein, das vorliegende Prinzip auf alle störenden Linsenoberflächen eines Systems anzuwenden, da dies gewöhnlich mit den für die normale Funktion des Systems erforderlichen Konstruktionsbedingungen kollidiert. Man sollte das Prinzip jedoch soweitgehend wie es mit den Konstruktionsbedingungen vereinbar ist anwenden und auf alle Fälle bei denjenigen Linsenflächen, bei denen die störensten Reflexionen auftreten.

Beispielsweise wird es im Falle der Fig. 3 praktisch nicht möglich sein, die Krümmung aller sechs Oberflächen der Linsen Ll, L2 und L3 in der beschriebenen Weise hinsichtlich eines konstanten Beitrages der Reflexion zu bemessen. Man wird in diesem Falle daher nur die konkaven Flächen von Ll, L2 und L3 in der beschriebenen Weise ausbilden. Da bei einem praktischen Instrument jedoch Ll und L2 oder Ll und L3 asphärische Linsen sind (um Bildfehler zu korrigieren), sollte es möglich sein, die konvexen Oberflächen dieser Linsen so zu krümmen, daß sich in mindestens einem Teil des Gesichtsfeldes eine konstante Reflexion ergibt.

Fig. 4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung, das Fig. 3 entspricht mit der Ausnahme, daß die asphärische Linse L₁ durch ein "Fernrohr"- oder "Teleobjektiv"-Paar L4 und L5 ersetzt wurde. Hinsichtlich der Krümmung der verschiedenen Linsenflächen gelten hier die gleichen Gesichtspunkte wie sie in Verbindung mit Fig. 3 diskutiert wurden.

Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem an die Stelle der beschriebenen Objektivlinsensysteme ein Konkavspiegel Ml, dessen Mitte eine öffnung aufweist, in der

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die Linsen L2 und L3 angeordnet sind, und einen Konvexspiegel Λ2 ersetzt worden sind. Zusätzlich kann noch eine schwache Linse oder Korrekturplatte L6 vorgesehen sein. Die Spiegel ill und M2 können asphärisch sein und bei M2 kann es sich um eine Spiegellinse, insbesondere einen Mangin-Spiegel handeln.

Bei allen beschriebenen Ausführungsforroen liegen die Krümmungsmittelpunkte oder die Bilder der Krümmungsmittelpunkte der verschiedenen Linsenflächen, bei denen eine im wesentlichen konstante Reflexion erforderlich ist, in oder in der Nähe des Bildes der energiebegrenzenden Apertur oder Eingangspupille des Systems. Dies hat seinen Grund darin, daß die energiebegrenzende Apertur die Objektivapertur ist und sich an der Strahlungseintrittsseite des Systems befindet. Wenn sich jedoch die energiebegrenzende Apertur innerhalb des Systems befindet, können die Krümmungsmittelpunkte derjenigen Linsenflächen, die eine für eine konstante Reflexion bemessene Krümmung haben und vor der energiebegrenzenden Apertur liegen, sich in oder in der Nähe der tatsächlichen Apertur und nicht in oder in der Nähe des Bildes dieser Apertur befinden.

In der vorangehenden Beschreibung wurde zwar lediglich davon gesprochen, die Krümmung von Linsenflächen im Hinblick auf eine konstante bzw. gleichmäßige Reflexion zu bemessen, selbstverständlich läßt sich das diskutierte Prinzip auch auf gekrümmte Spiegelflächen in einem optischen System anwenden.

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erseite

Claims

Patentansprüche

(1·) Optisches System mit mindestens einer optischen Fläche, an der unerwünschte Reflexionen auftreten, dadurch gekennzeichnet , daß der Krummungsmittelpunkt der optischen Fläche (X) oder das unter Mitwirkung anderer optischer Flächen des Systems erzeugte Bild des Krümmungsmittelpunktes in oder nahe bei einer energiebegrenzenden Apertur (S) oder eines Bildes derselben liegt.
2.) Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß es eine Abtasteinrichtung zum sukzessiven zeilenweisen Abtasten einer Szene, ein erstes optisches Teilsystem (Ll, L2) , das Strahlung von der Szene auf die Abtasteinrichtung wirft, und ein zweites optisches Teilsystem (R) das die abgetastete Strahlung auf einen Detektor (D) wirft, enthält.
3.) Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Abtasteinrichtung einen hin- und herbeweglichen Spiegel und ein rotierendes Polygon mit reflektierenden Seitenflächen enthält.
4.) Optisches System nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß das erste optische Teilsystem die energiebegrenzende Apertur auf die Abtasteinrichtung abbildet, und daß der Krümmungsmittelpunkt oder das Bild des Krümmungsmittelpunktes mindestens einer optisch wirksamen Fläche des ersten optischen Teilsystems in oder in der Nähe des bei der Abtasteinrichtung erzeugten Bildes der energiebegrenzenden Apertur liegt.
5.) Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß mindestens eine optische Fläche des ersten optischen Teilsystems eine konkave Oberfläche einer Meniskuslinse ist.

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6.) Optisches System nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die konkave Fläche (X) die längs des Strahlenganges des ersten optischen Teilsystems der Abtasteinrichtung ain nächsten gelegene gekrümmte optische Fläche ist.
7.) Optisches System nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet , daß das erste optische Teilsystem (Ll, L2 und L3 in Fig. 3) eine weitere Meniskuslinse (L2) hat, die bei der ersten Meniskuslinse (L3) angeordnet ist, und daß das durch die erste Meniskuslinse (L3) erzeugte Bild des Krüiranungsmittelpunktes der weiteren Meniskuslinse (L2) in oder in der Nähe des bei der Abtasteinrichtung entworfenen Bildes der energiebegrenzenden Apertur liegt.
8.) Optisches System nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet , daß das erste optische Teilsystem weiterhin eine Objektivanordnung enthält, welche die Strahlung von der abgetasteten Szene auf die Meniskuslinse oder Meniskuslinsen wirft.
9.) Optisches System nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet , daß die energiebegrenzende Apertur des Systems sich bei dem ersten optischen Glied der Objektivanordnung befindet.
10.) Optisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Objektivanordnung eine meniskusförmige Einzellinse enthält oder aus einer solchen besteht.
11.) Optisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Objektivanordnung ein Paar von Linsen (L4, L5 in Fig. 4) enthält, die nach Art eines Teleobjektivs oder Fernrohrs ausgebildet sind.
12.) Optisches System nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet , daß die Objektivanordnung einen

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Konkavspiegel, auf den die abzutastende Strahlung von der Szene fällt, und einen Konvexspiegel, der die empfangene Strahlung auf die Meniskuslinse oder Meniskuslinsen wirft, enthält (Fig. 5).
13.) Optisches System nach einem der Ansprüche 5 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Bild des Krünunungsmittelpunktes mindestens eines Teiles der konvexen Oberfläche mindestens einer der Meniskuslinsen in oder in der Nähe des Bildes der energiebegrenzenden Apertur bei der Abtasteinrichtung liegt.

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