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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Objektivsystem für thermische Infrarot-Sichtsysteme. Insbesondere
bezieht sich die Erfindung auf ein Objektivsystem, vorgesehen, um
in einer thermischen Infrarot-Kamera verwendet zu werden, um die
Infrarot-Bildausgabe durch die Szene (Bänder: MWIR 3–5 µm, LWIR
8–14 µm) auf
einer Matrix von Sensoren des „Focal
Plane Array" (FPA)
Typs zu fokussieren. Das Objektivsystem gemäß dieser Erfindung wurde entwickelt
insbesondere zur Verwendung mit ungekühlten Sensoren (UFPA), z.B.
resistiven, ferroelektrischen, thermoelektrischen Bolometern usw.
Das Objektiv gemäß dieser
Erfindung kann auch mit gekühlten
Sensoren (fotoleitfähigen
oder fotovoltaischen Sensoren, usw.) Verwendung finden.
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Mit
einem FPA 320 × 240
Pixelsensor, dessen aktive Flächenabmessungen
gleich 16 × 12
mm und dessen Pixelabmessungen 50 × 50 µm sind, sollen die Abmessungen
des von dem Objektiv erzeugten Bildpunkts kleiner als 50 µm sein.
Normalerweise weisen thermische Infrarotstrahlungsobjektive ein Paar
von Linsen auf, welche aus Halbleitermaterial hergestellt sind,
wie z.B. Germanium, Silizium, Zinkarsenid, usw. Diese Materialien
sind extrem kostspielig und erfordern hochpräzise Bearbeitung. Normalerweise
werden drei Linsen benötigt,
um die nötige
Auflösung
mit einer Germaniumlinse zu erhalten. Alternativ ist zumindest eine
Oberfläche
einer Linse asphärisch,
was erhöhte
Herstellungskosten mit sich bringt. 1 in den
beigefügten
Zeichnungen veranschaulicht ein thermisches Infratrot-Objektivsystem gemäß dem Stand
der Technik, welches eine erste asphärische Germaniumlinse L1 einsetzt,
mit einem Durchmesser von 65 mm und eine zweite sphärische Germaniumlinse
L2 mit einem Durchmesser von 32 mm. Diese Linsen fokussieren die
thermische Strahlung auf einen UFPA-Typ-Sensor S. 2 stellt
den Prozentsatz an Energie in einem Pixel des Sensor S gemäß der halbe
Länge des
Pixels dar. Die durchgezogen gezeichnete Kurve bezieht sich auf
ein zentrales Pixel des Sensors S, während die gestrichelt gezeichnete
Kurve sich auf ein Pixel bezieht, welches an einem Außenbereich
des Sensors angeordnet ist. Die Kurven, welche zu den Pixeln gehören, welche
in dazwischen liegenden Positionen angeordnet sind, zwischen dem
zentralen Bereich und den Außenbereichen,
sind zwischen den zwei Extremkurven, die in der Grafik in 2 dargestellt
sind, enthalten. 2 zeigt, dass, betrachtet man
ein Pixel, dessen Dimensionen 50 × 50 µm sind (halbe Länge des
Pixels ist 25 µm),
der Prozentsatz der Energie in jedem Pixel des Sensors S höher als
90% ist. Die Grafik in 2 wurde erhalten mit einer Blendenzahl
F (Verhältnis zwischen
der effektiven Brennweite und dem Durchmesser der Eintrittspupille)
gleich 1,2, mit einem Sichtfeld (FOV) von 12 × 9° und einer Gesamtobjektivlänge von
106 mm. Das Problem dieser bekannten Lösung stellen seine sehr hohen
Kosten dar. Ähnliche
Leistung und Kosten werden erhalten mit zwei Linsen, hergestellt
aus einem andere Halbleitermaterial, z.B. ZnSe oder Calcogenid (AMTIR1,
AMTIR3, usw.).
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Eine
bekannte Lösung,
welche eine bedeutende Kostenreduktion gestattet, ist in 3 dargestellt
und hergestellt von Raytheon TI. Diese Lösung verwendet ein Silizium-Schutzfenster
W mit einem Durchmesser von 65 mm, eine gedruckte Calcogenid-Glaslinse
L1 mit einem Durchmesser von 70 mm und eine flache, spritzgegossene
hochdichte Polyethylen-Fresnel-Linse mit einem Durchmesser von 36,5
mm. Die Linse fokussiert das Bild auf einen Sensor S. Mit einer
gegebenen Blendenzahl von 1,2, einem Sichtfeld von 12 × 9° und einer
Gesamtlänge von
98,4 mm bietet dieses bekannte Objektiv eine Grafik wie sie in 4 dargestellt
ist, für
den Prozentsatz an Energie in dem Pixel gemäß der halben Länge das
Pixels. In 4 zeigt, wie oben beschrieben, die
gestrichelte Linie die Kurve, die zu einem äußeren Pixel gehört, und
die durchgezogene Linie zeigt die Kurve, die zu einem zentralen
Pixel gehört,
und die zu den dazwischen liegenden Pixeln gehörenden Kurven sind zwischen
den zwei extremen Kurven, dargestellt in 4, enthalten.
Diese Lösung
erlaubt eine enthaltene Energie von 90° im meisten Bereich des Blickfelds.
Der Prozentsatz an Energie in einem Pixel fällt auf Werte von 70% in äußeren Pixeln
ab.
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Abgesehen
davon, dass diese Lösung
beträchtlich
kosteneffektiver ist im Vergleich zu der, welche zwei Germaniumlinsen
einsetzt, sind die Kosten des Objektivs immer noch außerordentlich
hoch für viele
Arten von Anwendungen.
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WO-A-9819196
offenbart ein Infrarot-Objektivsystem, welches einen Linsensatz
aufweist, der eine oder mehrere Brechungslinsen einschließt. Die Brechungslinsen
können
entlang einer optischen Achse positioniert sein, um Infrarotstrahlung
zu empfangen. Der Linsensatz kann gestaltet sein, um Infrarotstrahlung
einer Szene an einer Bildebene zu fokussieren. Ein Athermalisierungselement
kann entlang der optischen Achse in optischer Verbindung mit dem
Linsensatz positioniert sein. Das Athermalisierungselement kann
ein Infrarot-Ubertragungselement beinhalten, welches ein Brechungsmuster
trägt. Das
Infrarot-Übertragungselement
kann ein Infrarot übertragendes
Polymer aufweisen. Das Brechungsmuster kann temperaturinduzierte
Anderungen in einer Fokuslänge
des Linsensatzes kompensieren, um eine Infrarotstrahlung der Szene
im Fokus an der Bildebene zu halten.
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Die
Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Objektiv für thermische Infrarot-Sichtsysteme vorzusehen
mit hoher Auflösung
und Kosten, die deutlich niedriger sind bezüglich derer der oben beschriebenen
bekannten Lösungen.
Eine weitere Aufgabe dieser Erfindung ist es, ein Objektiv für Infrarotanwendungen
vorzusehen, dessen Gewicht deutlich niedriger ist als das der bekannten
Lösungen.
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Gemäß dieser
Erfindung wird diese Aufgabe erreicht durch ein Objektiv, dessen
Merkmale im Hauptanspruch beschrieben sind.
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Diese
Erfindung wird besser erklärt
werden durch die folgenden detaillierten Beschreibungen mit Bezugnahme
auf die beigefügten
Zeichnungen als nicht beschränkendes
Beispiel, wobei:
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1, 2 und 3, 4,
oben beschrieben, zwei Objektivsysteme gemäß des Standes der Technik und
die jeweiligen Auflösungsgrafiken
darstellen,
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5 eine
perspektivische schematische Ansicht ist, welche eine erste Form
einer Ausführungsform
des Objektivsystems gemäß dieser
Erfindung darstellt,
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6 eine
schematische Seitenansicht des Objektivsystems, gezeigt in 5,
ist,
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7 eine
schematische Seitenansicht, ähnlich
zu 6, ist, welche eine zweite Form einer Ausführungsform
eines Objektivsystems gemäß dieser
Erfindung darstellt, und
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8 eine
Grafik ist, welche die Auflösung eines
Objektivsystems gemäß dieser
Erfindung darstellt.
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Mit
Bezugnahme auf die 5 und 6 ist ein
Objektiv gemäß der ersten
Form einer Ausführungsform
dieser Erfindung durch Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das
Objektiv 10 weist eine äußere Einfassung 12 mit
zwei Fresnel-Linsen L1 und L2 auf, von denen jede aus gegossenem
Kunststoffmaterial hergestellt ist, bevorzugt hochdichtes Polyethylen (HDPE).
Die Linsen L1 und L2 weisen beide einen positiven Fokus und eine
verringerte Dicke auf, bevorzugt im Bereich von 0,5 bis 1 mm. Jede
Linse L1, L2 besteht aus zwei gekrümmten Oberflächen, getrennt
durch eine reduzierte Dicke, so dass sie eine Halbschale ausbilden.
Die verringerte Dicke stellt eine hohe Infrarotstrahlungstransmittanz
(60% für LWIR über eine
Dicke von 0,5 mm) sicher. Die innere Oberfläche der Halbschale, nämlich die
Oberfläche, welche
näher an
den Zentren der Krümmung
der zwei gekrümmten
Oberflächen
ist, stellt einen Satz von Mikroreliefs 14 (6)
dar, eine Rotationsymmetrie bezüglich
der Achse der Linse darstellend. Die Form der gekrümmten Oberflächen, die
Verteilung der Mikroreliefs und der Abstand zwischen den zwei Fresnel-Linsen
L1 und L2 ist optimiert, um eine Aberration an der Bildebene, welche
den FPA-Typ-Sensor enthält,
zu minimieren. Die Form der gekrümmten Oberflächen ist
allgemein asphärisch,
aber sie erzeugt keine erhöhten
Herstellungskosten, da die Linsen durch Spritzgießen erhalten
werden.
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7 stellt
ein Objektivsystem dar, in welchem die zwei Linsen L1 und L2 das
Bild direkt auf den FPA-Sensor fokussieren. 5 und 6 stellen
eine Form einer Ausführungsform
dar, in welcher das Objektivsystem auch mit einer zusätzlichen
Linse L3 ausgestattet ist, hergestellt entweder aus Halbleitermaterial
(Ge, Si, ZnSe, ZnS, usw.) oder Glas (z.B. Calcogenid, AMTIR-1, AMTIR-3,
usw.), angeordnete nahe der Bildebene. Die Nähe der Bildebene minimiert
die Abmessungen der Linse L3 (25 mm im gezeigten Beispiel), was
wiederum Vorteile hinsichtlich der Kosten bezüglich der Lösung vorsieht, welche zwei
Germaniumlinsen mit verhältnismäßig großem Durchmesser
einsetzt. In einer bevorzugten Form der Ausführungsform ist die Linse L3
eine konkav-flache ZnSe-, ZnS- oder AMTIR-Linse mit einer sphärischen Krümmung auf der ersten oder zweiten Oberfläche.
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In
einer hier nicht dargestellten Variante kann die Linse L3 eine Fresnel-Linse
sein, z.B. flach, hergestellt aus gegossenem Kunststoffmaterial.
In einer zusätzlichen
Variante, die hier nicht gezeigt ist, kann die Linse L3 durch ein
reflektierendes optisches Element ersetzt werden, bevorzugt hergestellt
aus gegossenem Kunststoffmaterial und ausgestattet mit einer reflektierenden
Beschichtung, z.B. Aluminium, mit einer Fokusleistung, geeignet
für eine
richtige restliche Aberration des Systems.
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In
einer bevorzugten Form der Ausführungsform
ist die Blendenzahl gleich 1,2, der Durchmesser der Eintrittspupille
ist gleich 60–100
mm, die Fresnel-Linsen L1 und L2 befinden sich in einem Abstand von
50–70
mm, die Linse L3 befindet sich in einem Abstand von 40–50 mm von
der Linse L2 und die Bildebene befindet sich bei 2–10 mm von
der Linse L3.
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Das
Objektivsystem gemäß dieser
Erfindung bietet bessere Leistung mit Bezug auf die sphärischen
Germaniumlinsen, mit einer größeren Verringerung
an Kosten in anderen der verschiedenen Einheiten. Zum Beispiel bietet
für eine
Blendenzahl gleich 1,2, einen Eintrittspupillendurchmesser gleich 70
mm und einer Brennweite von 84 mm das Objektiv, welches Polyethylen-Fresnel-Linsen
gemäß dieser
Erfindung implementiert, einen Bildpunkt, der kleiner als 150 µm ist,
in einem Blickfeld von 12 × 9°, während die
Germaniumlinse einen maximalen Bildpunkt von 1400 µm erlaubt.
Das Objektivsystem gemäß dieser
Erfindung stellt eine begrenztere Transmittanz dar, niedriger als
40% für
HDPE-Linsen, verglichen mit 90% einer Germaniumlinse. Dies begrenzt
die Empfindlichkeit der thermischen Kamera, aber es beeinflusst
nicht die Auflösung.
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Durch
Optimierung der Systemparameter können Bildpunktabmessungen kleiner
als 50 µm
in einem Blickfeld von 12 × 9° erreicht
werden (siehe 8).
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Das
Material der Fresnel-Linsen L1 und L2 kann mit der Zugabe von Dotierungen,
Oxiden oder Halbleiterpulvern (z.B. Si, ZnSe, ZnS, Calcogenide, Halogenidsalze,
wie etwa NaCl, KCl, KBr, usw.) geändert werden, mit der Wirkung
eines Filterns ungewünschter
Bereiche des Spektrums und/oder einer Erhöhung der HDPE-Transmittanz.
Die Abmessung der Pulver hat so zu sein, dass minimale Streuung
im LWIR-Band erzeugt wird (z.B. durchschnittlicher Partikeldurchmesser
von 100 nm).
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Das
Objektivsystem gemäß dieser
Erfindung kann versehen sein mit einer kratzfesten Beschichtung
auf der äußeren Oberfläche der
Linse L1. Eine zusätzliche
Beschichtung kann vorgesehen sein auf den anderen optischen Oberflächen. Typischerweise erfordert
die Linse L3, welche eine hohen Brechungsidnex (2,2–4) aufweist,
eine Antireflexionsbehandlung, um die Reflektanz zu maximieren.
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Das
Gehäuse 12,
welches die Linsen L1 und L2 hält,
kann mit einer Irisblende ausgestattet sein zum Modifizieren der
Blendenzahl des Objektivs. Es kann auch eine mechanische Vorrichtung
zum Einstellen des Abstands zwischen den Linsen L1 und L2 oder zwischen
den Linsen L2 und L3 enthalten, um so eine genaue Bildfokussierung
zu gestatten. Die innere Oberfläche
des Gehäuses 12 kann
mit Blenden zur Minimierung von Reflexion von Strahlung aus Winkeln
außerhalb
des Sichtfeldes ausgestattet sein.
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Ein
grundlegender Vorteil des Objektivs gemäß dieser Erfindung bezieht
sich auf dessen Gewicht, welches in Bezug auf die bekannten Lösungen extrem
reduziert ist. Dieses Merkmal, zusammen mit seinen extrem niedrigen
Kosten, erlaubt die außerordentliche
Ausdehnung des Bereichs der Anwendung von Infrarot-Sichtsystemen.
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Natürlich können zahlreiche Änderungen
zur Konstruktion und zu Formen einer Ausführungsform der Erfindung hier
ins Auge gefasst werden, welche alle innerhalb des Kontextes des
Konzepts enthalten sind, welches diese Erfindung kennzeichnet, wie durch
die folgenden Ansprüche
definiert.