Diskussion über Infrarot-Optikdesign! Material oder großes Problem!

Die Entwicklung optischer Systeme im Infrarotbereich mag auf den ersten Blick einfach erscheinen, da ein herkömmliches Objektiv mit drei Spiegeln realisiert werden kann. Dies stellt ein vergleichsweise einfaches Design dar. Im Gegensatz dazu sind komplexe Infrarot-Zoomsysteme mit mehreren Kanälen deutlich komplexer. Die Entwicklung von Infrarotsystemen weist im Vergleich zur Entwicklung von Systemen für sichtbares Licht viele Besonderheiten auf. Insbesondere bei der Streulichtanalyse müssen die 100%ige Effizienz der Kaltblende sowie der Daffodil-Effekt und weitere Faktoren berücksichtigt werden.

Um eine 100%ige Kaltblendeneffizienz zu erreichen, muss bei der Konstruktion eine Übereinstimmung zwischen der realen Austrittspupille und dem Kaltfenster des Detektors bestehen. Außerdem muss eine Übereinstimmung zwischen der Apertur und der Blendenzahl (F-Zahl) gegeben sein, um sicherzustellen, dass die den Detektor erreichende Strahlung das Zielobjekt ist und nicht die Eigenstrahlung der Linse enthält.

Der Narzisseneffekt ist eine umgangssprachliche Bezeichnung für Kaltreflexion. Narzissen stammen aus einem griechischen Märchen, in dem eine Göttin sich im Wasser bewundert. Das vom Detektor durch das optische System zurückgesendete Bild wird hier beschrieben. Der Detektor strahlt Infrarotlicht ab, das von einer bestimmten Fläche des optischen Systems reflektiert wird und so zur Bildgebung wieder auf den Detektor gelangt. Dieses Phänomen tritt häufig bei unseren Objektiven für sichtbares Licht auf. Die folgende Analyse zeigt Streulicht von einer Handykamera. Man erkennt, dass ein Punkt auf dem Detektor vom Schutzglas davor reflektiert wird. Die beiden Flecken sind unterschiedlich groß: Das Bild ist kleiner als der nächstgelegene Airy-Fleck, der reflektierte Fleck hingegen größer. Der Detektor zeigt eine Unschärfe, die durch Newtonsche Ringe gekennzeichnet ist.

Infrarotstrahlung ist insofern ähnlich, als der Brechungsindex von Infrarotmaterialien relativ hoch ist. Dadurch lässt sich die Effizienz von Antireflexionsschichten nur schwer hoch gestalten, und es wird viel Energie reflektiert. Wenn die Infrarotstrahlung des Detektors durch das optische System rückwärts auf eine bestimmte Oberfläche trifft, ist der Winkel zwischen Licht und Oberflächennormalen sehr klein. Das Licht kehrt auf seinen ursprünglichen Weg zurück – ein Effekt, der als Narzissen-Effekt bekannt ist. Daher besteht ein hohes Risiko für Filter oder Fenster in parallelen optischen Strahlengängen von Infrarotsystemen.

Germanium ist ein häufig verwendetes Infrarotmaterial mit einem Brechungsindex von etwas über 4,0. Im MWIR-Bereich ändert sich der Brechungsindex von Germanium rapide, was zu einer starken Dispersion führt. Die Brechungsindexinhomogenität von monokristallinem Germanium liegt zwischen 0,00005 und 0,0001, die von polykristallinem Germanium zwischen 0,0001 und 0,00015.

Neben der Analyse und Anpassung der Toleranz des Brechungsindex des Materials während der optischen Konstruktion ist es bei einigen komplexen Materialien auch notwendig, den Brechungsindex des Materials tatsächlich zu messen. Dies ist ebenfalls eine der Aufgaben, die zu erledigen sind; diese Arbeit wird selbstverständlich vom Verarbeiter oder Materiallieferanten durchgeführt.

Infrarotlicht bekannter Wellenlänge wird auf einen Keil aus Infrarotmaterial gerichtet. Das Licht wird abgelenkt, tritt aus der AC-Ebene aus und misst Einfallswinkel, Austrittswinkel und Keilwinkel. Daraus lässt sich der Brechungsindex für die jeweilige Wellenlänge berechnen. Anschließend wird die Wellenlänge variiert, der Ablenkwinkel bei unterschiedlichen Wellenlängen gemessen und der Brechungsindex des Infrarotmaterials für verschiedene Wellenlängen berechnet. Die Wellenlänge der Infrarotlichtquelle wird durch einen Monochromator gefiltert und anschließend durch einen Parabolspiegel auf den Keilwinkel der Probe kollimiert. Der Winkel wird dann mit einem Infrarot-Winkelmessgerät gemessen und der Brechungsindex berechnet.

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