CH654932A5 - Linsensystem fuer ein ir-objektiv. - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit Linsensystemen für Objek- BSA, BS 1 oder BS2, von der Fa. Texas Instruments Inc.

tive von Teleskopen, welche in einem im Infrarotbereich lie- (U.S. A.) unter den Bezeichnungen TI20 oder TI 1173, und genden Spektralband durchlässig sind. von der Fa. Amorphous Materials Inc. in Garland (Texas,

Das Aufspüren und Erkennen von Gegenständen über U.S.A.) unter der Bezeichnung AMTIR-1 in den Handel weite Entfernungen hinweg mit optischen Geräten, welche «0 gebracht werden.

Bilder im infraroten Spektralbereich entwerfen, steht und Soweit die Gruppe der beiden sekundären Linsen eine fällt mit der Qualität des Teleskopobjektivs, welches aus- Sammellinse umfasst, besteht diese bevorzugt aus einem kri-serdem kompakt und preiswert in der Herstellung sein soll. stallinen Halogenid-Werkstoff, welcher einen positiven Tem-Es sind für den Infrarotbereich geeignete Objektive bekannt, peraturkoeffizienten des Brechungsindexes besitzt, um deren Linsen aus Germanium in einer optischen Anforde- 65 dadurch das Linsensystem unempfindlich gegen Temperaturrungen genügenden Qualität bestehen. Germanium besitzt Schwankungen zu machen.

einen hohen Brechungsindex und einen im Vergleich zu opti- Geeignete Halogenid-Werkstoffe mit einem im Infrarotbe-

schen Materialien, welche im sichtbaren Licht verwendet reich liegenden Durchlässigkeitsbereich sind die von der Fa.

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Harshaw Chemical Co., 6801 Cochran Road, Selon (Ohio, U.S.A.) unter den Bezeichnungen KRS5 (Thallium-Bromid-Iodid) und KRS6 (Thallium-Bromid-Chlorid) in den Handel gebrachten Werkstoffe. Bei einem Linsensystem mit derart ausgewählter, aus Halogenid-Werkstoff bestehender Linse werden die drei Linsen des Systems vorzugsweise in festen Abständen untereinander fest angeordnet, wobei Abstandsstücke zwischengefügt werden, die einen korrekt angepassten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen, z.B. Abstandsstücke aus Dural*), um zu verhindern, dass sich die Bildfläche unter Temperatureinflüssen verschiebt und eine Bildverschlechterung bewirkt. Es ist möglich, dies im Temperaturbereich zwischen -30°C und +50°C zuverlässig zu verhindern.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend erläutert.

Fig. 1 zeigt ein Linsensystem mit relativ flacher mittlerer Linse,

Fig. 2 zeigt ein Linsensystem, bei dem die Linse, welche der Bildfläche benachbart ist, relativ flach ist, und

Fig. 3 zeigt ein Linsensystem, bei dem die beiden der Bildfläche benachbarten Linsen relativ flach sind.

In allen drei Figuren umfasst das Linsensystem 10 des Objektivs drei durch Luftzwischenräume voneinander getrennte Linsen A, B und C, die auf einer gemeinsamen optischen Achse 11 angeordnet sind. Am Ort 12 liegt eine ebene Bildfläche. Die Linse A stellt die primäre Linse des Objektivs dar, und die beiden anderen Linsen B und C bilden gemeinsam das sekundäre Linsensystem des Objektivs. Jede der beiden sekundären Linsen B und C besitzt sphärische brechende Oberflächen 13 bis 16, welche - von der Bildebene 12 kommend - nacheinander von der optischen Achse 11 durchsetzt werden. Die brechenden Oberflächen 17 und 18 der primären Linse A können sphärisch oder asphärisch sein. Strahlung, die vom Gegenstand 0 ausgeht, trifft auf die brechende Oberfläche 18 auf, wird dann durch die Linsen A, B und C gebrochen und erzeugt in der Bildebene 12 ein Bild.

Erfindungsgemäss bestehen die drei Linsen A, B und C aus Werkstoffen, welche für ein im infraroten Wellenlängenbereich gelegenes Band des Spektrums hinreichend durchlässig sind, und zwar insbesondere bei Wellenlängen zwischen 8 und 13 |xm, und die effektive Brennweite des Objektivs 10 ist grösser als der entlang der optischen Achse 11 gemessene Abstand zwischen der Brechungsfläche 18 am Eingang des Objektivs 10 und der Bildfläche 12, d.h. das Objektiv 10 ist ein Teleobjektiv.

Bei allen drei Figuren ist die primäre Linse A eine Sammellinse (positive Brechkraft) und besteht aus Germanium in einer für optische Zwecke geeigneten Qualität. Im Beispiel gemäss Fig. 1 besteht auch die Linse C aus Germanium, ist jedoch eine Zerstreuungslinse (negative Brechkraft); bei der Linse B hingegen handelt es sich um eine Zerstreuungslinse (negative Brechkraft) aus Chalkogenid-Glas. Im Beispiel gemäss Fig. 2 ist die Linse B eine aus Germanium bestehende Zerstreuungslinse (negative Brechkraft), während die Linse C eine Zerstreuungslinse (negative Brechkraft) aus einem Chal-kogenid-Glas ist. Im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 ist die Linse B eine Zerstreuungslinse aus einem Chalkogenid-Glas und die Linse C ist eine Sammellinse (positive Brechkraft), welche entweder aus einem Chalkogenid-Glas oder aus einem kristallinen Halogenid-Material besteht.

Die Linsensysteme 10 in den Beispielen der Fig. 1 und 2 sind wegen der verwendeten Chalkogenid-Glaslinse B bzw. C

Achromate, denn Chalkogenid-Gläser zeigen eine stärkere Dispersion als Germanium. Wenn im Ausführungsbeispiel gemäss Fig. 3 die beiden sekundären Linsen B und C beide aus Chalkogenid-Glas bestehen, dann werden die Materia-5 lien dafür aus Gründen der Effektivität hinsichtlich ihrer Dispersionen vorzugsweise derart gewählt, dass unter Vermeidung jeglicher chromatischer Abarration (im massgebenden Spektralbereich) die Gesamtlänge des Linsensystems des Objektivs 10 möglichst klein wird.

io In allen drei Figuren ist die aus Chalkogenid-Glas bestehende Linse relativ klein und relativ flach (d.h. ihre brechenden Oberflächen besitzen einen grossen Krümmungsradius). Der Vorteil dieser Bemessung liegt darin, dass bekannte Chalkogenid-Gläser mit sehr grosser Oberfläche ls i.d.R. über diese grosse Oberfläche optisch nicht homogen sind, sondern einen örtlich variierenden Brechungsindex aufweisen.

Nachfolgend werden nun vier besondere Ausführungsbeispiele der in den Fig. 1-3 dargestellten Objektive beschrieben, 20 wobei die Linsen aus Germanium oder Chalkogenid-Glas bestehen und die brechenden Linsenoberflächen sämtlich sphärisch sind.

Beispiel 1 befasst sich mit der in Fig. 1 dargestellten Linsen-25 anordnung. Die Linsen A und C bestehen aus Germanium, die Linse B aus einem von Barr & Stroud Limited hergestellten Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS 1.* Die effektive Brennweite beträgt 375 mm, die hintere Brennweite des Linsensystems 10 beträgt 157,4 mm, und die Krüm-30 mungsradien derbrechenden Oberflächen 13 bis 18 sowie deren entlang der optischen Achse 11 gemessenen Abstände untereinander, beginnend an der Oberfläche 18 und fortschreitend in Richtung auf die Bildfläche 12 zu, sind - in mm gemessen - in der nachstehenden Tabelle angegeben:

40

Fläche Nr.

Abstand

Radius

18

208,3

17

14,1

283,7

16

108,5

1262,3

15

8,0

482,8

14

0,5

59,9

13

5,6

53,1

*) eine aushärtbare Aluminium-Knetlegierung vom Typ AICuMg

*Ein Glas, welches Arsen, Selen und Germanium als wesentliche Bestandteile enthält.

50

Liegt der Krümmungsmittelpunkt auf der der Bildfläche 12 zugewandten Seite der Linsen A, B, C, so erhält der Krümmungsradius ein positives Vorzeichen; liegt der Krümmungsmittelpunkt jedoch auf der entgegengesetzten Seite der 55 Linsen A, B, C, dann erhält der Krümmungsradius ein negatives Vorzeichen (vergi. Beispiel 2).

Beispiel 2 befasst sich mit der in Fig. 2 dargestellten Linsenanordnung. Die beiden Linsen A und B bestehen aus Germa-60 nium, während die Linse C aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS1 besteht. Die effektive Brennweite beträgt (normiert) 1,00, die hintere Brennweite beträgt 0,393 und die Krümmungsradien derbrechenden Oberflächen 13 bis 18 und deren Abstände untereinander sind- wie im Bei-65 spiel 1 bei der brechenden Oberfläche 18 beginnend und in Richtung auf die Bildfläche 12 fortschreitend - in der nachstehenden Tabelle angegeben. Alle Massangaben in diesem Beispiel sind auf die effektive Brennweite normiert.

654 932

4

Fläche Nr.

Abstand

Radius

18

0,5011

17

0,0400

0,6291

16

0,2538

0,1549

15

0,0150

0,1382

14

0,1000

-0,4366

13

0,0200

-0,5156

Beispiel 3 befasst sich mit dem in Fig. 3 dargestellten Linsensystem. Die Linse A besteht aus Germanium, wohingegen die beiden Linsen B und C aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS1 bestehen. Die effektive Brennweite beträgt (normiert) 1,00, die hintere Brennweite beträgt 0,3994 und die Krümmungsradien derbrechenden Oberflächen 13 bis 18 und ihre entlang der optischen Achse 11 gemessenen Abstände untereinander sind - beginnend bei der brechenden Oberfläche 18 und in Richtung auf die Bildfläche 12 zuschreitend - in der nachstehenden Tabelle angegeben. Alle Massangaben in diesem Beispiel sind auf die effektive Brennweite normiert.

Fläche Nr. Abstand Radius im Beispiel der Fig. 3 alternativ vorgesehen - die Linse C aus einem handelsüblichen, für infrarotes Licht durchlässigen kristallinen Halogenid-Material herstellt. Dadurch wird es möglich, die Linsen unverschieblich zu montieren und durch s einen Werkstoff mit gewöhnlicher Wärmeausdehnung auf Abstand zu halten. In den Zahlenbeispielen 3 und 4 zu dem in Fig. 3 dargestellten Linsensystem kann man in Ausführung dieser Lehre anstelle einer Linse C aus dem Chalkogenid-Glas BS1 eine solche aus dem Halogenid-Material mit der io Bezeichnung KRS5 einsetzen, und weil KRS5 eine geringere Dispersion aufweist als BS 1, benötigt man für die Linse B ebenfalls ein Material mit geringerer Dispersion; geeignet für die Linse B ist das von Barr & Stroud Limited hergestellte Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS2.

ls Nachfolgend wird noch ein besonderes Beispiel 5 angegeben, bei dem der Einfluss von Abstandhaltern aus Dural *) kompensiert ist. Die Massangaben sind auf den Wert der effektiven Brennweite zu 1,00 normiert. Die hintere Brennweite beträgt dann 0,4934, und die Krümmungsradien der bre-20 chenden Oberfläche 13 bis 18 und deren entlang der optischen Achse 11 gemessenen Abstände untereinander sind -beginnend bei der brechenden Oberfläche 18 und fortschreitend in Richtung auf die Bildfläche 12 zu - in der nachstehenden Tabelle angegeben:

25 eine aushärtbare Aluminium-Knetlegierung vom Typ AICuMg

Beispiel 4 befasst sich ebenfalls mit dem in Fig. 3 dargestellten Linsensystem. Die Linse A besteht aus Germanium, die Linse B besteht aus einem von Barr & Stroud Limited hergestellten Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BSA, und die Linse C besteht aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS1. Die effektive Brennweite beträgt 375 mm, die hintere Brennweite beträgt 138, 178 mm, und die Krümmungsradien derbrechenden Oberflächen 13 bis 18 sowie deren Abstände untereinander sind - beginnend bei der brechenden Oberfläche 18 und fortschreitend in Richtung auf die Bildfläche 12 - in der nachstehenden Tabelle angegeben. Alle Massangaben in diesem Beispiel sind in mm.

Fläche Nr.

Abstand

Radius

18

195,33

17

15,65

268,99

16

113,37

825,5

15

6,05

109,22

14

10,98

199,06

13

10,00

-2583,9

Wegen des hohen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindexes von Germanium lässt sich die Brennweite bei solchen unter Verwendung von Germaniumlinsen aufgebauten Linsensystemen über einen grösseren Temperaturbereich hinweg nur dadurch konstant halten, dass man die primäre Linse A oder die sekundären Linsen B und C in Richtung der optischen Achse merklich verschiebt. Eine wesentliche Verbesserung der thermischen Stabilität der Bildfläche 12 eines solchen Linsensystems erreicht man dadurch, dass man - wie

Nr. Abstand Radius

0,5117

0,0427 0,6424

0,3028 7,6224

0,016 0,3796

0,0267 0,5813

0,0267 -1,2106

Die in den fünf Beispielen angegebenen Abmessungen können massstäblich verändert werden, soweit nicht die Homogenität der optischen Materialien und - bezogen auf eine Wellenlänge von 10(j.m - einsetzende Beugungserscheinungen eine Grenze setzen. Die Beispiele sind optimiert worden für relative, auf die Brennweite bezogene Aperturen zwischen f/2 und f/3 und für ein Gesichtsfeld von ungefähr 6° und werden gewöhnlich mit Öffnungsweiten von bis zu 250 mm (Durchmesser) benutzt, nahe an der durch Beugungserscheinungen gesetzten Grenze. Wie bei der Auslegung von Linsen üblich, kann die relative Apertur durch Einsatz einer asphärischen Oberfläche auf der primären Linse A erhöht werden; in diesem Fall lassen sich ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften des Linsensystems relative Aperturen bis über f/1,5 und Öffnungsweiten bis zu 500 mm (Durchmesser) erreichen.

Optische Eigenschaften von Germanium und von kristallinen Halogenid-Materialien sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle 2 enthält entsprechende Angaben über einige handelsübliche Chalkogenid-Gläser.

Tabelle 1

Eigenschaften optischer Materialien bei einer Wellenlänge 60 von lOum

Material Brechungsindex Dispersionskoeffi- Temperaturkoeffizient zient

65 Germanium 4,0032 0,00085 —0,00474

KRS 5 2,3704 0,00385 +0,00621

KRS6 2,1768 0,01054 +0,00489*

* geschätzt

18 - 0,5926 Fläche

17 0,0427 0,7692

16 0,3948 -3,2968 18 15 0,0160 0,3825 17 14 0,0267 0,6204 16 13 0,0267 -1,5895 15 14

35 13

40

45

50

55

Tabelle 2

Eigenschaften von Chalkogenid-Gläsern bei einer Wellenlänge von 10 um

Material Brechungsindex Dispersionskoeffi- Temperaturkoeffi-

zient zient

TI 1173

2,6001

0,00705

-0,00171

Ti 20

2,4919

0,00696

-0,00174

AMTIR-1

2,4975

0,00592

-0,00170

BSA

2,7792

0,00479

0,00128

BS1

2,4916

0,00660

-0,00171

BS2

2,8563

0,00404

-0,00171*

* geschätzt

Claims (8)

654932 2 PATENTANSPRÜCHE werden, niedrigen Dispersionskoeffizienten. Die Gestalt und

1. Linsensystem (10) für das Objektiv eines Teleskops, die räumliche Verteilung der Brechkraft hat man bei den bestehend aus einer primären Linse (A) und einer Gruppe Linsen in bekannter Weise so gewählt, dass eine chroma-von zwei sekundären Linsen (B, C), wobei die Linsen (A, B, tische Aberration kompensiert wird. Besonders wünschens-C) auf einer gemeinsamen optischen Achse (11) angeordnet s wert ist die Ausbildung des Objektivs nach Art eines Teleob-sind und eine den Ausgleich von monochromatischer Aberra- jektivs wegen seiner geringen Gesamtlänge; doch hat man tion bewirkende Gestalt und Brechkraftverteilung besitzen, gefunden, dass dadurch die chromatische Aberration des dadurch gekennzeichnet, dass jede der Linsen (A, B, C) aus Linsensystems verstärkt und folglich die Breite des übertrag-einem Material besteht, welches in einem im Infrarotbereich baren IR-Spektralbandes eingeschränkt wird. Die chroma-gelegenen Spektralband durchlässig ist, dass die beiden io tische Aberration hat ihre Ursache in der zwar kleinen, aber sekundären Linsen (B, C) i. w. sphärische brechende Ober- spürbaren Dispersion des Germaniums. Zu der chromati-flächen (13 bis 16) haben, welche von der optischen Achse sehen Aberration tritt als weitere Schwierigkeit hinzu, dass (11) durchsetzt werden, dass das Linsensystem (10) eine wegen des hohen Temperaturkoeffizienten des Brechungsinebene Bildfläche (12) und eine effektive Brennweite besitzt, dexes von Germanium bei spürbaren Änderungen der Umge-welche grösser ist als der entlang der optischen Achse (11) is bungstemperatur eine Wanderung der Bildfläche aus ihrer gemessene Abstand zwischen der Bildfläche (12) und der am vorbestimmten Lage heraus auftritt. Deshalb muss eine Hilfsweitesten davon entfernt liegenden brechenden Oberfläche einrichtung vorgesehen werden, mit deren Hilfe die Wande-(18) des Linsensystems (10), wobei diese am weitesten von der rung der Bildfläche kompensiert werden kann, sobald diese Bildfläche (12) entfernt liegende brechende Oberfläche ( 18) ein solches Ausmass erreicht, dass unter den gegebenen auf der primären Linse (A) gebildet wird, welche aus Germa- 20 Arbeitsbedingungen merkliche Abbildungsfehler entstehen, nium besteht und eine positive Brechkraft besitzt, und dass Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsge-

wenigstens eine der beiden sekundären Linsen (B, C) zur Bil- masses Linsensystem in Teleobjektivanordnung auf preis-dung eines im Infrarotbereich achromatischen Linsensystems werte Art und Weise als Achromaten im Infrarot-Spektralbe-(10) aus einem Chalkogenid-Glas besteht. reich auszubilden.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekenn- 25 Die Aufgabe ist gemäss der Erfindung gelöst durch ein zeichnet, dass die mittlere der drei Linsen (B) negative Brech- Linsensystem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen kraft besitzt und aus einem Chalkogenid-Glas besteht. Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung

3. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

zeichnet, dass die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) Weil die effektive Brennweite des Linsensystems grösser ist negative Brechkraft besitzt und aus Germanium besteht. 30 als der entlang der optischen Achse gemessene Abstand zwi-

4. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- sehen der Bildfläche und der von dieser am weitesten entfernt zeichnet, dass die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) liegenden brechenden Linsenoberfläche, auf welche die positive Brechkraft besitzt und aus einem Chalkogenid-Glas Strahlung als erstes auftritt, hat das Linsensystem den besteht. Aufbau eines Teleobjektivs; mit nur drei Linsen ist das

5. Linsensystem nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch 35 System optisch und mechanisch einfach, und weil das Lin-gekennzeichnet, dass die beiden aus Chalkogenid-Glas beste- sensystem sowohl auf monochromatische als auch auf chro-henden Linsen (B, C) aus demselben Chalkogenid-Glas matische Aberration kompensiert ist, kann in einem beachtbestehen. liehen Wellenlängenband das Linsensystem den durch einset-

6. Linsensystem nach den Ansprüchen 2 und 4, dadurch zende Beugungseffekte begrenzten Arbeitsbereich ausnutzen, gekennzeichnet, dass die beiden aus Chalkogenid-Glas beste- 40 Zweckmässigerweise ist die mittlere der drei Linsen eine henden Linsen (B, C) aus unterschiedlichem Material Zerstreuungslinse und besteht aus einem Chalkogenid-Glas bestehen, wobei die mittlere Linse (B) einen niedrigeren Dis- (Chalkogene sind die Elemente der VI. Hauptgruppe des persionskoeffizienten besitzt als die der Bildfläche (12) Periodischen Systems). Die der Bildfläche benachbarte Linse benachbarte Linse (C). kann eine Sammellinse oder eine Zerstreuungslinse sein und

7. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn- 45 aus Germanium oder aus einem Chalkogenid-Glas bestehen, zeichnet, dass die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) Die beiden sekundären Linsen können auch aus demselben positive Brechkraft besitzt und aus einem kristallinen Halo- Chalkogenid-Glas bestehen; alternativ können sie auch aus genid-Material besteht. unterschiedlichen Chalkogenid-Glassorten bestehen, wobei

8. Linsensystem nach Anspruch 7, dadurch gekenn- dann die mittlere Linse einen höheren Dispersionskoeffi-zeichnet, dass das kristalline Halogenid-Material Thallium- so zienten besitzt als die der Bildfläche benachbarte Linse. Bromid-Iodid ist. Die Linse, welche erfindungsgemäss bewirkt, dass das Linsensystem zu einem Achromaten wird, kann aus Chalko-

genid-Gläsern unterschiedlicher Zusammensetzung bestehen; geeignete Chalkogenid-Glassorten sind jene, 55 welche von der Fa. Barr & Stroud unter den Bezeichnungen