CH656012A5

CH656012A5 - Afokales linsenfernrohr.

Info

Publication number: CH656012A5
Application number: CH6463/81A
Authority: CH
Inventors: Iain Alexander Neil
Original assignee: Barr & Stroud Ltd
Priority date: 1980-10-08
Filing date: 1981-10-08
Publication date: 1986-05-30
Also published as: BE890655A; US4479695A; IN154125B; DE3138818A1; SE453868B; FR2491635B3; IT1172851B; IT8168234A0; SE8105942L; NO813396L; NL8104194A; FR2491635A1

Description

Die Erfindung befasstsich mit einem afokalen Linsenfernrohr mit den Merkmalen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobach-55 tungssystemen, welche im englischen Sprachgebrauch unter der Abkürzung «FLIR» (/brward /ooking m fra red systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren entstanden, welche in solchen Systemen verwendbar sind. Es sind schon verschiedene Fernrohre für «FLIR»-60 Systeme vorgeschlagen worden, von denen einige auch verhältnismässig kompakt sind, doch bedingt die aus Gründen der praktischen Handhabung geborene Forderung nach äusserst kompaktem Aufbau, insbesondere nach einer sehr geringen Gesamtlänge des Fernrohrs zugleich die Forderung 65 nach einer geringen Pupillenaberration. Dies war ohne einen erheblichen optischen und mechanischen Aufwand beim Aufbau eines Linsenfernrohrs bislang nicht zu erreichen. Man hat daher schon katadioptrische Fernrohre entwickelt,

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welche den geforderten kompakten Aufbau besitzen, doch sind diese im Aufbau zugleich recht komplex und haben den weiteren Nachteil, dass im Zentrum Verdunkelung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr kompaktes und im Aufbau dennoch einfaches, im infraroten Bereich arbeitendes Linsenfernrohr zu schaffen.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Linsenfernrohr mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.

Weil das erfindungsgemässe Fernrohr ein Linsenfernrohr ist, tritt im Zentrum der Öffnung keine Verdunkelung auf.

Weil bis auf eine Linse alle Linsen i.w. sphärische brechende Oberflächen besitzen, ist ihre Herstellung recht einfach, und auch die eine asphärische Linse weicht mit einer oder beiden Oberflächen nur so wenig von der wahren Kugelflächengestalt ab, dass auch sie noch einfach herzustellen ist. Das (Tele-)Objektiv kann farbkorrigierend ausgebildet werden, indem man die V-Zahl (Abbesche Zahl) der sekundären Objektivlinse niedriger als jene der primären Objektivlinse wählt; und indem man den Brechungsindex dieser sekundären Objektivlinse kleiner wählt als jene der primären Objektivlinse, kann das Fernröhr extrem kompakt aufgebaut werden und über einen weiten Vergrösserungsbe-reich nahe der durch Beugung bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden.

Die farbkorrigierende Linse des Objektivs besteht vorzugsweise aus einem Chalkogenidglas wie dem von der Fa. Barr & Stroud Limited unter der Bezeichnung BS1 vertriebenen Chalkogenidglas, wohingegen die übrigen Linsen aus Germanium bestehen können. Alle diese Materialien besitzen für das Spektralband im Wellenlängenbereich zwischen 3 (am und 13 (im eine brauchbare Durchlässigkeit. Andere gut geeignete Materialien für die farbkorrigierende Objektivlinse sind in Tabelle IV aufgeführt.

Die farbkorrigierende Linse kann relativ zu den übrigen Linsen unverschieblich angeordnet sein; vorzugsweise kann sie jedoch entlang der optischen Achse verschoben werden; der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass dadurch der Einfluss von Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann; ohne eine solche Kompensation würden Schwankungen der Umgebungstemperatur die Lage des im Innern des Fernrohrs erzeugten reellen Bildes verschieben. Ferner erlaubt die Verschiebbarkeit der farbkorri-gierenden Linse des Objektivs eine Justierung des Brennpunktes des Fernrohrs ohne jedoch vom afokalen Charakter des Fernrohrs abzugehen, falls das im Innern des Fernrohrs erzeugte reelle Bild nicht von hoher Qualität sein muss. Zweckmässigerweise benutzt man zur Brennpunktjustierung eine farbkorrigierende Linse mit geringer Brechkraft, weil dann bei einer Verschiebung dieser Linse nur eine minimale Änderung des Vergrösserungsfaktors des Fernrohrs auftritt.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Kompensation des Einflusses von Schwankungen der Umgebungstemperatur erreicht werden, indem man für die Halterungen der Linsen wenigstens zwei unterschiedliche Werkstoffe mit wesentlich verschiedenen Wärmeausdehnungskoeffizienten einsetzt; man spricht dann von einer passiven mechanischen Temperaturkompensation. Die farbkorrigierende Linse kann entlang der optischen Achse verschieblich sein, sie kann aber auch relativ zu den anderen Linsen in einer solchen Lage fest angeordnet sein, welche dem Fernrohr einen festen Brennpunkt verleiht, vorzugsweise den hyperfokalen Brennpunkt (für die Nah/Unendlicheinstellung des Fernrohrs).

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsge-mässen Fernrohrs,

Figur 2 zeigt stark vergrössert die Gestalt einer asphärischen brechenden Oberfläche der primären Objektivlinse des s Fernrohrs aus Fig. 1,

Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten erfin-dungsgemässen Fernrohrs, welches i.w. ein anders aufgebautes Okular als das Fernrohr aus Fig. 1 besitzt, und

Figur 4 zeigt stark vergrössert die Gestalt der asphärischen io brechenden Oberfläche der primären Objektivlinse des zweiten Fernrohrs.

Das in Fig. 1 dargestellte Fernrohr 9 besteht aus einem Objektiv 10 und aus einem Okular 11, welche auf einer is gemeinsamen optischen Achse 12 angeordnet sind. Das Fernrohr 9 ist ein afokales Linsenfernrohr, welches in seinem Innern mit der aus dem Gegenstandsraum 14 einfallenden Strahlung ein reelles Bild 13 bildet. Das Objektiv 10 ist ein Teleobjektiv und besteht aus einer Primärlinse D und aus 20 einer Sekundärlinse C, von denen die letztere negative Brechkraft besitzt (also eine Zerstreuungslinse ist) und farbkorrigierend wirkt, wohingegen die Primärlinse D positive Brechkraft besitzt, also eine Sammellinse ist. Die Sekundärlinse C besitzt die brechenden Oberflächen 5 und 6, die Primärlinse 25 D besitzt die brechenden Oberflächen 7 und 8. Das Okular 11 besteht aus zwei Sammellinsen A und B mit den brechenden Oberflächen 1 und 2 bzw. 3 und 4. Die Linsen A und B einerseits sowie die Linsen C und D andererseits bilden jeweils ein System mit festem Brennpunkt (Fixfokussystem), so dass aus 30 parallelen Lichtstrahlen, welche aus dem Gegenstandsraum 14 kommend durch eine im Gegenstandsraum 14 gelegene Eintrittspupille hindurchtreten und auf das Objektiv 10 auftreffen, im Innern des Fernrohrs 9 ein umgekehrtes, reelles Zwischenbild 13 erzeugt, die vom Zwischenbild 13 ausge-35 hende Strahlung vom Okular 11 gesammelt und in ein Bündel paralleler Lichstrahlen umgewandelt wird, welche im Bildraum 15 die Austrittspupille 0 des Fernrohrs 9 bilden. Die Brechkraft der vier Linsen A, B, C und D und die Abstände zwischen ihnen sind derart gewählt, dass das Zwischenbild 13 40 zwischen den brechenden Oberflächen 5 und 3 liegt.

Die brechenden Oberflächen 1 bis 6 und 8 sind jeweils i.w. sphärisch, d.h. ihre Abweichungen von der idealen sphärischen Gestalt sind allenfalls so gross, dass sie nach dem üblichen fachlichen Verständnis des Begriffs von sphärischen 4S Linsen noch als sphärisch bezeichnet werden können. Hingegen ist die brechende Oberfläche 7 asphärisch.

Das Fernrohr 9 ist zur Benutzung im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere für den Bereich von 3 bis 13 |im, so ausgelegt und infolgedessen sind die Brechungsindices der verschiedenen Linsen relativ hoch, und zur Erzielung einer hohen optischen Güte ist die Linse C farbkorrigierend,

besitzt negative Brechkraft und einen niedrigeren Brechungsindex als die Linse D. Für den Wellenlängenbereich von 8 bis 55 13 (im erreicht man dies dadurch, dass man als Werkstoff für die Linsen A, B und D Germanium mit einem Brechungsindex von 4,00322 und für die Linse C als Werkstoff vorzugsweise ein Chalkogenid-Glas wie das von Barr & Stroud unter der Bezeichnung BS 1 vertriebene Chalkogenidglas (ein Glas 60 mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen) mit einem Brechungsindex von 2,49158 verwendet; die angegebenen Brechungsindices gelten für eine Wellenlänge von 10 (im und eine Temperatur von 20°C. In diesem Fall besitzt die Sekundärlinse C eine V-Zahl von V = 152. Die 65 V-Zahl, auch als Abbesche Zahl bekannt, ist ein Mass für die Dispersion des Werkstoffs; sie ist definiert als das Verhältnis des um Eins verminderten Brechungsindexes bei 10 um zur Differenz der Brechungsindices bei 8,5 (im und 11,5 p.m:

5

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y _ n (10 p.m) - 1

n (8,5 (im) - n (11,5 um)

Weitere geeignete Materialien für die Linse C sind in der Tabelle IV aufgeführt.

Die oben genannten Materialien für die Linsen lassen sich mit einer Antireflexbeschichtung versehen, und wenn man dies tut, erhält man ein Fernrohr, welches im Bereich zwischen 8,5 (im und 11,5 (im wenigstens 65% der einfallenden Strahlungsmenge durchtreten lässt. Im Gegensatz zu den übrigen Linsen ist die Sekundärlinse C vorzugsweise entlang der optischen Achse 12 verschieblich gelagert; diese Verschieblichkeit erlaubt es, Verschiebungen der Lage des reellen Bildes 13 zu kompensieren, welche durch Schwankungen der Umgebungstemperatur — typisch im Bereich zwischen — 10°C und +50°C — hervorgerufen werden können. Andererseits kann das Fernrohr 9 bei festeingestellter Lage des Bildes 13 auf entfernt liegende Objekte eingestellt werden, insbesondere auf solche im Entfernungsbereich zwischen 50 m und Unendlich.

Es ist aber auch möglich, sämtliche Linsen, also auch die Sekundärlinse C, unverschieblich zu montieren. In diesem Fall kann man dennoch den Einfluss von Umgebungstemperaturschwankungen im Bereich von -40°C bis +70°C unter Beibehaltung konstanter Brennpunktlage kompensieren und eine gute Abbildungsqualität des Fernrohrs 20 erreichen, indem man das Tragwerk für die Linse D in geeigneter Weise gestaltet und dafür einen Werkstoff oder Werkstoffe wählt, welche einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen (ein Beispiel ist ultrahochmolekulares Polyäthylen, im englischen Sprachgebrauch als «UHMPE» bezeichnet, abgeleitet von ultra high molecular weight jraly ethylene), wohingegen für einen grossen Teil des Tragwerks für die restlichen Linsen des Fernrohrs ein Werkstoff oder Werkstoffe mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. Aluminium, gewählt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt 23 • 10~6/°C, jener von UHMPE liegt etwa zwischen 125 • 10"6/°C und 225.10_6°C. Obwohl durch einen solchen Aufbau das Fernrohr nur einen festliegenden Brennpunkt erhält, bewirkt er doch, dass die Sekundärlinse C nicht verschoben werden muss und folglich auch keine aktive Verschiebemechanik für diese Linse C benötigt wird.

Die Tabelle I enthält detaillierte Angaben über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Fernrohrs gemäss Fig. 1. Die Tabelle I gibt für jede brechende Oberfläche den Krümmungsradius sowie die Öffnungsweite an, letztere auch für die Austrittspupille 0, deren Lage als Bezugspunkt gewählt ist, von dem ausgehend die (entlang der optischen Achse 12 gemessenen) Abstände zwischen aufeinanderfolgenden brechenden Oberflächen sowie zwischen der Austrittspupille 0 und der ihr benachbarten brechenden Oberfläche 1 angegeben sind. Ferner ist noch angegeben, welche Materialien jeweils den Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden brechenden Oberflächen ausfüllen und wie stark die brechenden Oberflächen gekrümmt sind. So hat z.B. die brechende Oberfläche 5 einen Krümmungsradius von -300,77 mm, wobei das Minuszeichen angibt, dass der Krümmungsmittelpunkt - in der Ansicht der Fig. 1 - auf der rechten Seite der brechenden Oberfläche 5 liegt; die brechende Oberfläche 5 ist von der - in bezug auf die Lage der Austrittspupille 0 vorhergehenden - brechenden Oberfläche 4 durch einen 82,32 mm breiten Luftspalt getrennt, besitzt eine Öffnungsweite von 72,09 mm (Durchmesser) und ist von der nachfolgenden brechenden Oberfläche 6 durch 7,5 mm des Chalkogenidglases BS1 getrennt.

Das asphärische Profil der brechenden Oberfläche 7 ist in Figur 2 dargestellt, und zwar sind die parallel zur optischen Achse 12 gemessenen Abstände zwischen dem asphärischen

Profil sowie der am besten angepassten Kugelfläche und einer als Bezugsfläche dienenden Kugelfläche 7' um den Faktor 750 vergrössert dargestellt. Die Gestalt des asphärischen Profils genügt der Gleichung

(1) z-c = 1— ^ 1 -c (c-H2 + b • h4 + g • h6 + ...)

worin io z den entlang der optischen Achse 12 gemessenen Abstand vom Scheitelpunkt der brechenden Oberfläche 7,

welcher zugleich Scheitelpunkt der Bezugsfläche 7'

sowie der am besten angepassten Kugelfläche ist, c das Krümmungsmass mit c = 1/R und R = -204,98 mm is als dem Krümmungsradius der sphärischen Bezugsfläche 7',

h den radialen Abstand senkrecht von der optischen Achse

12 maximal 70,69 mm),

b den asphärischen Koeffizienten erster Ordnung 20 (=-2,54.10-«),

g den asphärischen Koeffizienten zweiter Ordnung

(= +2,45 • 10"13) und ... Terme höherer Ordnung bezeichnet, welche vernachlässigt werden können.

25

Die am besten angepasste Kugelfläche ist jene Kugelfläche, von welcher die asphärische Fläche 7 die geringste Abweichung aufweist. Die Tabelle III enthält berechnete Werte für den Abstand zwischen der asphärischen Ober-30 fläche und der am besten angepassten Kugelfläche für unterschiedliche Abstände h von der optischen Achse 12 sowie den Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche. Wie man sieht, ist das Mass der Abweichung der asphärischen Fläche 7 von der Kugelflächenform nur gering. 35 Dieses Fernrohr weist einen Vergrösserungsfaktor von X 9,0 auf und besitzt im Luftspalt zwischen den beiden Linsen C und D eine innere Blendenzahl von 0,92. Im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 ^m und 11,5 [im ist das Fernrohr farb-korrigiert und bei verstellbarer Sekundärlinse C des Objek-40 tivs 10 ist eine Kompensation von thermischen Einflüssen über den Temperaturbereich von — 10°C bis hinauf zu + 50°C sowie eine Scharfeinstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von 50 m bis Unendlich möglich. In der Praxis kann häufig eine Verschlechterung der Abbildequalität hinge-45 nommen werden, so dass das Fernrohr dann sogar mit Brennweiten zwischen 5 m und Unendlich betrieben und der Temperaturbereich, in welchem eine Kompensation von thermischen Einflüssen erfolgt, auf den Bereich von —40°C bis +70°C erweitert werden kann. Alternativ kann man aber so sowohl die Linse C als auch die übrigen Linsen A, B und D unverschieblich anbringen; dies führt zu einem Fernrohr mit einem festen Brennpunkt (Fixfokusanordnung); dabei lässt sich eine Kompensation von thermischen Einflüssen durch passive Massnahmen im Temperaturbereich zwischen -40°C 55 und +70°C bei minimaler Verschlechterung des Gesamtverhaltens des Fernrohrs erreichen. Daten zur Illustration der Abbildequalität dieses Fernrohrs sind für eine Entfernungseinstellung von ca. 700 m in der Tabelle II angegeben.

Das beschriebene Fernrohr weist eine sehr hohe Abbilde-60 güte über wenigstens zwei Drittel des gesamten Gesichtsfeldes auf, wobei zur Akkommodation von Pupillenaberationen die primäre Apertur (Durchmesser) des Objektivs um weniger als 8,1% vergrössert ist. Das Fernrohr bewirkt bei maximalem Gesichtsfeldwinkel eine Verzeichnung (Winkel-65 abweichung) von lediglich +1,4% wobei das positive Vorzeichen eine mit zunehmendem Gesichtsfeldwinkel zunehmende Vergrösserung bezeichnet. Das beschriebene Fernrohr genügt diesen Anforderungen und erreicht die beschriebene

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optische Güte ohne eine Vignettierung auf irgendeiner der brechenden Linsenoberflächen und ohne Auftreten eines merklichen «Narzissmus-Effektes» (d.i. ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbilds des Beobachters selbst im Gesichtsfeld). Obendrein besitzt das Fernrohr eine sehr geringe Gesamtlänge. Obwohl zur Beschreibung derbrechenden Oberfläche 7 in der Gleichung (1) nur zwei asphärische Koeffizienten angegeben wurden, können aber, wenn dies zweckmässig ist, auch weitere asphärische Koeffizienten höherer Ordnung eingeführt werden. Das erfindungsgemässe Fernrohr kann auch mit dem Ziel unterschiedlich grosser Gesichtsfelder und Durchmesser der Austrittspupille im Bildraum optimiert werden, so dass es zusammen mit unterschiedlichen Detektorsystemen - mit oder ohne Abtastmechanismen (Scanner) - verwendet werden kann.

Das durch die Angaben in den Tabellen I bis III definierte Fernrohr kann massstäblich verändert und optimiert werden, um einen weiten Vergrösserungsbereich zu verwirklichen, wobei die grundlegende Konfiguration des Linsensystems erhalten bleibt.

Im Okular 11 kann die der Austrittspupille 0 benachbarte Linse A durch zwei oder mehr Linsen ersetzt werden. Damit kann die Abbildungsqualität des Fernrohrs insgesamt noch etwas verbessert und im Okular 11 noch ein verbesserter Aberrationsausgleich erzielt werden.

Figur 3 zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein solches Fernrohr, in welchem im Vergleich zur Figur 1 die Linse A durch zwei sphärische Linsen A' und A" mit den brechenden Oberflächen 1' und 2' bzw. 1" und 2" ersetzt wurde. Die grundlegende Konfiguration der übrigen Linsen B, C und D blieb wie in Fig. 1. Daten über Grösse, Art, Abstand und Krümmung der Linsen A', A", B, C und D enthält Tabelle V, Angaben über die Fernrohrgüte enthält Tabelle VI, und Tabelle VII beschreibt das Profil der asphärischen brechenden Oberfläche 7 für das zweite Ausführungsbeispiel; die in der zugehörigen Fig. 4 dargestellten Abstände zwischen dem asphärischen Profil der Oberfläche 7 sowie der am besten angepassten Kugelfläche und der als Bezugsfläche dienenden Kugelfläche 7' sind aus Gründen der Deutlichkeit um den Faktor 2000 vergrössert dargestellt. Die asphärische Oberfläche 7 wird auch im zweiten Beispiel durch die Gleichung (1) beschrieben, wobei jedoch die Parameter die folgenden Werte annehmen:

die Abweichungen von der idealen Kugelfläche bei beiden wesentlich geringer ausfallen kann als bei der allein asphärischen Oberfläche 7 in den beiden Ausführungsbeispielen (Tabellen III oder VI). Bei den erfindungsgemässen Fern-s röhren kann durch massstäbliche Veränderung ohne Änderung der grundsätzlichen Konfiguration des Linsensystems für Faktoren im Bereich zwischen 0,5 und 35 jede gewünschte Vergrösserung eingestellt werden, und die Grösse des Gesichtsfeldes sowie der im Bildraum 15 gelegenen Austritts-lo pupille 0 können unabhängig vergrössert oder verkleinert werden.

Tabellen I, II und III entsprechen denjenigen gemäss Patentanspruch 7.

Tabellen V, VI und VII entsprechen denjenigen gemäss is Patentanspruch 8.

Tabelle I

20

30

40

Linse brechende Oberfläche

Abstand (mm)

Krümmungsradius (mm)

Material

Öffnungsweite (mm Durchmesser)

Austrittspupille

0*

■0

0

plan

Luft

15,30

A

1

2

25,34 4,25

-199,20 - 66,25

Luft Germanium

37,61 38,41

B

3

4

0,50 11,94

29,36 22,88

Luft Germanium

34,42 23,29

C

5

6

82,32 7,50

-300,77 -1799,70

Luft

As/Se/Ge

72,098 76,40

D

7'^ 8

59,07 15,71

-204,98 -141,40

Luft Germanium

141,37 148,11

* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,40°. ¥■ Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil.

R = -193,38 mm, 45

o^H^ 68,954 mm,

b = -2,07-10~9,

g= +2,93-10-'3,

und alle Koeffizienten höherer Ordnung sind Null. Dieses 50 zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Fernrohrs besitzt im Luftspalt zwischen den Linsen D und C eine innere Blendenzahl von nur 0,89. Ein Vergleich der.Tabellen II und VII zeigt, dass das zweite Fernrohr noch bessere Ergebnisse liefert als das erste Fernrohr. 55

Es sei noch daraufhingewiesen, dass die Angaben in den Tabellen I bis VII sämtlich für eine Temperatur von 20°C gelten und dass die angegebene Blendenzahl vom Ausdruck (2 • sin 0)_ 1 abgeleitet ist, worin 0 der halbe Konuswinkel des Kegels ist, welchen die Axialstrahlen nach der Brechung durch die Linse, auf welche sie auftreffen, bilden.

Bei den beiden beschriebenen Fernrohren ist lediglich jeweils die brechende Oberfläche 7 asphärisch. Gleich gute Fernrohre kann man aber auch erhalten, wenn man stattdessen nur die brechende Oberfläche 8 oder auch die beiden brechenden Oberflächen 7 und 8 asphärisch gestaltet.

Letzteres hat den Vorteil, dass die Asphärizität auf beide bre- 0,00 chenden Oberflächen 7 und 8 aufgeteilt werden kann, so dass 2,83

Tabellen

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes (in Milliradiant)

Gesichtsfeld bei monochromatischen Licht der Wellenlänge 10,0 um bei chromatischen Licht mit Wellenlängen von 8,5 pm bis 11,5 um*

nur axiale

0,053

0,081

Strahlen

'A

0,071

0,105

3A

0,073

0,113

vollständig

0,101

0,145

60 * Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 |im, 10,0 um und 1,5 |im.

Tabelle III

Abstand von der optischen Achse senkrecht zu dieser (mm)

Abweichung von der idealen Kugelfläche (|im) *

0,00 -0,03

656 012

Tabelle ///.(Fortsetzung)

Tabelle V

Abstand von der optischen Achse

Abweichung von der idealen

Linse brechende

Abstand

Krümmungs

Material

Öffnungs senkrecht zu dieser (mm)

Kugelfläche (um) *

Oberfläche

(mm)

radius (mm)

weite (mm

Durch

5,65

-0,10

5

messer)'1'

8,48

-0,22

11,31

-0,39

Austritts

■0

0

plan

Luft

15,30

14,14

-0,59

pupille

16,96

-0,82

0*

19,79

-1,07

10

22,62

-1,33

A"

1"

19,52

-199,20

Luft

32,80

25,45

-1,58

2"

4,18

-100,08

Germa

33,92

28,27

-1,83

nium

31,10

-2,05

33,93

-2,23

15 A'

1'

8,50

-476,45

Luft

36,54

36,76

-2,36

2'

3,75

-110,89

Germa

36,87

39,58

-2,44

nium

42,41

-2,45

45,24

-2,39

B

3

0,50

30,79

Luft

33,16

48,06

-2,26

20

4

12,77

23,01

Germa

21,71

50,89

-2,06

nium

53,72

-1,79

56,55

-1,47

C

5

74,06

-286,13

Luft

66,69

59,37

-1,11

6

7,50

-7621,95

As/Se/Ge

70,97

62,20

-0,75

25

65,03

-0,41

D

7'#

61,95

-193,98

Luft

137,91

67,86

-0,14

8

15,71

-135,64

Germa

144,82

70,68

0,00

nium

Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche = -204,7094 mm

30

— * frf»eirïitcfplHu/ink(»1 ari H<»r AtictrittcniirMÜp s A6

¥• Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von der optischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepassten Kugelfläche. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass von der Linse mit der Gestalt der am besten angepassten Kugelfläche zur Bildung der asphärischen Oberfläche Material abgetragen wurde

+ wie bei dieser Vergrösserung benötigt ¥■ Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil

Tabelle VI

40

Tabelle IV

Material

Brechungsindex "

V-Zahl ¥>

45

BS2 "

2,85632

248

BSA "

2,77917

209

TI 1 173 2>

2,60010

142

AMTIR3'

2,49745

169

BS1 »

2,49158

152

TI 2021

2,49126

144

ZnSe

2,40653

77

KRS 54)

2,37044

260

CsJ

1,73933

316

CsBr

1,66251

176

KJ

1,62023

137

50

Gesichtsfeld bei monochromatischen Licht der Wellenlänge 10,0 um bei chromatischen Licht mit Wellenlängen von 8,5 |xm bis 11,5 (im *

nur axiale

0,040

0,075

Strahlen

Vi

0,044

0,093

3A

0,052

0,108

vollständig

0,089

0,140

* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 (im, 10,0 Jim und 11,5 um.

Tabelle VII

55 Abstand von der optischen Achse senkrecht zu dieser (mm)

Abweichung von der idealen Kugelfläche (um) *

gemessen bei 10 (im für den Wellenlängenbereich von 8,5 um bis 11,5 |im Chalkogenidgläser, welche von der Firma Barr & Stroud Limited vertrieben werden; (Chalkogene sind die Elemente der VI. Hauptgruppe des periodischen Systems)

Chalkogenidgläser, welche von der Firma Texas Instruments Inc. (USA) vertrieben werden ein Chalkogenidglas, welches von der Firma Amorphous Materials Inc. in Garland (Texas, USA) vertrieben wird ein kristalliner infrarotdurchlässiger Halogenidwerkstoff, welcher von der Firma Harshaw Chemical Co. in Selon (Ohio, USA) vertrieben wird.

0,00

2,76

-0,01

60 5,52

-0,05

8,27

-0,12

11,03

-0,20

13,79

-0,31

16,55

-0,42

65 19,31

-0,54

22,07

-0,65

24,82

-0,76

27,58

-0,85

656 012

8

Tabelle VII (Fortsetzung)

Abstand von der optischen Achse senkrecht zu dieser (mm)

Abweichung von der idealen Kugelfläche ((im) ^

30,34

-0,91

33,10

-0,95

35,86

-0,95

38,61

-0,91

41,37

-0,83

44,13

-0,72

46,89

-0,58

49,65

-0,42

52,41

-0,27

55,16

-0,13

57,92

-0,05

60,68

-0,07

63,44

-0,24

66,20

-0,61

68,95

-1,26

Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche = -193,84 mm

* Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von deroptischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepassten Kugelfläche. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass von der Linse mit der Gestalt der am besten angepassten Kugelfläche zur Bildung der asphärischen Oberfläche Material abgetragen wurde.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

656012

2

PATENTANSPRÜCHE

1. Afokales Linsenfernrohr, gekennzeichnet durch ein aus einer Primärlinse (D) und aus einer Sekundärlinse (C) bestehendes achromatisches Tele-Objektiv (10), durch ein aus wenigstens zwei Linsen (A, B) bestehendes und mit dem Objektiv (10) auf einer gemeinsamen optischen Achse (12) angeordnetes Okular (11) mit festem Brennpunkt, in solcher Anordnung, dass von einem im Gegenstandsraum (14) liegenden Gegenstand ein im Innern des Fernrohrs (9) liegendes reelles Bild (13) erzeugt wird, wobei alle Linsen (A, B, C, D) des Fernrohrs (9), deren brechende Oberflächen (1 bis 8) von der optischen Achse (12) durchsetzt werden, aus einem Material bestehen, welches innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs eine spektrale Nutzbandbreite aufweist, und wobei wenigstens eine der brechenden Oberflächen (7,8) der Primärlinse (D) des Objektivs (10) schwach asphärisch ist mit einer maximalen asphärischen Tiefe in derselben Grössen-ordnung wie die Wellenlängen der genannten spektralen Nutzbandbreite, die brechenden Oberflächen (1 bis 6) der übrigen Linsen (A bis C) hingegen i.w. sphärisch sind, und die Sekundärlinse (C) des Objektivs (10) negative Brechkraft und einen Brechungsindex besitzt, der gleich gross oder kleiner als der Brechungsindex der positive Brechkraft besitzenden Primärlinse (D) des Objektivs (10) ist, sowie schliesslich gekennzeichnet durch eine innere Blendenzahl des Fernrohrs (9) in der Grössenordnung von 1,0 im Luftspalt zwischen der Primärlinse (D) und der Sekundärlinse (C) des Objektivs (10).
2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass beide brechenden Oberflächen (7,8) der Primärlinse (D) des Objektivs (10) asphärisch sind.
3. Fernrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der asphärischen brechenden Oberflächen (7,8) der Primärlinse (D) des Objektivs (10) der Gleichung (1) genügt, wobei die asphärischen Koeffizienten dritter und höherer Ordnung Null sind:

z • c = 1 - y 1 -c (ch2 + bh" +gh6)

mit z als dem entlang der optischen Achse (12) gemessenen Abstand eines Punktes auf der brechenden Oberfläche (7,8) vom Scheitelpunkt dieser Oberfläche,

c = r als dem Krümmungsmass und R als dem Krümmungsradius einer als Bezugsfläche dienenden sphärischen brechenden Oberfläche (7'),

h als dem radialen Abstand, im rechten Winkel zur optischen Achse (12) gemessen, eines Punktes auf der brechenden Oberfläche (7,8),

b als dem asphärischen Koeffizienten erster Ordnung und mit g als dem asphärischen Koeffizienten zweiter Ordnung.
4. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlinse (C) des Objektivs (10) einen Brechungsindex besitzt, welcher gleich gross oder kleiner als die Brechungsindices einer jeden der anderen Linsen (A, B, D) ist.
5. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Abbesche Zahl der Sekundärlinse (C) des Objektivs (10) kleiner ist als die Abbesche Zahl der Primärlinse (D) des Objektivs (10).
6. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sekundärlinse (C) des Objektivs (10) entlang der optischen Achse (12) verschieblich montiert ist.
7. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den folgenden Aufbau:

Tabelle I

10

15

20

25

Linse brechende Oberfläche

Abstand (mm)

Krümmungsradius (mm)

Material

Öffnungsweite (mm Durchmesser)

Austrittspupille

0*

•0

0

plan

Luft

15,30

A

1

2

25,34 4,25

-199,20 - 66,25

Luft Germanium

37,61 38,41

B

3

4

0,50 11,94

29,36 22,88

Luft Germanium

34,42 23,29

C

5

6

82,32 7,50

-300,77 -1799,70

Luft

As/Se/Ge

72,098 76,40

D

7' # 8

59,07 15,71

-204,98 -141,40

Luft Germanium

141,37 148,11

* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,40°.

# Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil.

30

Tabelle II

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes (in Milliradiant)

35 Gesichtsfeld bei monochromatischem Licht der Wellenlänge 10,0 Jim bei chromatischem Licht mit Wellenlängen von 8,5 (im bis 11,5 [im *

nur axiale

0,053

0,081

Strahlen

Vi

0,071

0,105

3/4

0,073

0,113

vollständig

0,101

0,145

45 * Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 um, 10,0 (im und 1,5 p.m.

Tabelle III

50 Abstand von der optischen Achse senkrecht zu dieser (mm)

Abweichung von der idealen Kugelfläche (|im) ¥=

55

0,00 2,83 5,65 8,48 11,31 14,14 16,96 so 19,79 22,62 25,45 28,27 31,10 es 33,93 36,76 39,58 42,41

0,00 -0,03 -0,10 -0,22 -0,39 -0,59 -0,82 -1,07 -1,33 -1,58 -1,83 -2,05 -2,23 -2,36 -2,44 -2,45

3

656012

Tabelle III (Fortsetzung)

Abstand von der optischen Achse

Abweichung von der idealen senkrecht zu dieser (mm)

Kugelfläche (Jim) #

45,24

-2,39

48,06

-2,26

50,89

-2,06

53,72

-1,79

56,55

-1,47

59,37

-1,11

62,20

-0,75

65,03

-0,41

67,86

-0,14

70,68

0,00

Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche = -204,7094 mm

# Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von der optischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepassten Kugelfläche. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass von der Linse mit der Gestalt der am besten angepassten Kugelfläche zur Bildung der asphärischen Oberfläche Material abgetragen wurde.
8. Fernrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den folgenden Aufbau:

Tabelle V

Linse brechende Abstand Oberfläche (mm)

Krümmungs- Material radius (mm)

Öffnungsweite (mm Durchmesser)"1'

Austritts- 0 pupille

0*

A"

D

2"

3

4

5

6

7' *

19,52 4,18

8,50 3,75

0,50 12,77

74,06 7,50

61,95 15,71

plan

-199,20 -100,08

-476,45 -110,89

30,79 23,01

-286,13 -7621,95

-193,98 -135,64

Luft

Luft Germanium

Luft Germanium

Luft Germanium

Luft

As/Se/Ge

Luft Germanium

15,30

32,80 33,92

36,54 36,87

33,16 21,71

66,69 70,97

137,91 144,82

Tabelle VI

Gesichtsfeld bei monochromatischen Licht der Wellenlänge 10,0 jim bei chromatischen Licht mit Wellenlängen von 8,5 Jim bis 11,5 p.m *

Tabelle VI (Fortsetzung)

Vi 0,044 0,093

Va 0,052 0,108

vollständig 0,089 0,140

* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 (im, 10,0 Jim und 11,5 |j.m.

Tabelle VII

Abstand von der optischen Achse senkrecht zu dieser (mm)

Abweichung von der idealen Kugelfläche (um) *

0,00 «s 2,76 5,52 8,27 11,03 13,79 20 16,55 19,31 22,07 24,82 27,58 25 30,34 33,10 35,86 38,61 41,37 30 44,13 46,89 49,65 52,41 55,16 35 57,92 60,68 63,44 66,20 68,95

40

0,00 -0,01 -0,05 -0,12 -0,20 -0,31 -0,42 -0,54 -0,65 -0,76 -0,85 -0,91 -0,95 -0,95 -0,91 -0,83 -0,72 -0,58 -0,42 -0,27 -0,13 -0,05 -0,07 -0,24 -0,61 -1,26

45

Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche = -193,84 mm

* Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von der optischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepassten Kugelfläche. Das negative Vorzeichen bedeutet, dass von der Linse mit der Gestalt der am besten angepassten Kugelfläche zur Bildung der asphärischen Oberfläche Material abgetragen wurde.

* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,60° + wie bei dieser Vergrösserung benötigt

* Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes (in Milliradiant)

nur axiale Strahlen

0,040

0,075

50