DD289675A7

DD289675A7 - Hochgeoeffnetes langbrennweitiges objektiv fuer den infraroten spektralbereich

Info

Publication number: DD289675A7
Application number: DD29289286A
Authority: DD
Inventors: Juergen Noffke; Guenter Dresler; Reinhard Mueller
Original assignee: Carl Zeiss Jena Gmbh,De
Priority date: 1986-07-22
Filing date: 1986-07-22
Publication date: 1991-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft ein hochgeoeffnetes langbrennweitiges thermisch kompensiertes Infrarotobjektiv und ist besonders fuer die Abbildung waermestrahlender Objekte aus groszer Entfernung geeignet. Ziel der Erfindung ist ein IR-Objektiv fuer den Spektralbereich von 3 bis 13 mm mit einer relativen OEffnung von 1:1,6 und einem Bildfeldwinkel 2 s7, welches in einem breiten Temperaturbereich einsetzbar ist. Als Aufgabe ergibt sich daraus, die grosze OEffnung bei einer ueber den gesamten Spektralbereich guten chromatischen Korrektur ohne den Einsatz von Asphaeren zu realisieren und dabei eine solche Auswahl der eingesetzten Medien zu treffen, dasz die Temperaturabhaengigkeit der optischen Parameter weitgehend kompensiert wird. In drei Tabellen sind vorteilhafte Ausfuehrungsvarianten mit ihren Konstruktionsdaten angegeben. Fig. 1

Description

Hierzu 1 Seite Zeichnung

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein thermisch kompensiertes langbrennweitiges Objektiv für den infraroten Spektralbereich, das Mr den Bereich von 3 bis 13pm chromatisch korrigiert ist.

Das Objektiv ist für die Abbildung von wärmestrahlenden Objekten aus großer Entfernung geeignet und kann insbesondere bei Geräten der Wärmebildtechnik eingesetzt werden.

Charakteristik der bekannten technischer, Lösungen

Die Beobachtung wärmestrahlender Objekte aus großer Entfernung erfolgt in zwei durch die natürlichen Bedingungen gegebenen Spektralbereichen, die als IR-Fenster bezeichnet werden. Diese Fenster reichen von ca. 3 bis 5,5μ und von ca. 8 bis

Eine Spezifik der Übertragung von Wärmestrahlung ist deren geringe Intensität, die bei größeren Übertragungsstrecken noch durch Absorption und Streuung der Erdatmosphäre gedämpft wird.

Für die in diesen beiden Spektralbereichen eingesetzten Objektive ist wegen der geringen Strahlungsintensitäten ein großes Öffnungsverhältnis anzustreben. Um ohne Objektivwechsel in beiden infraroten Spektralbereichen arbeiten zu können, ist es darüber hinaus erforderlich, derartige Objektive für den gesamten Spektralbereich von 3 bis 13pm chromatisch zu korrigieren. Die Forderung nach einem hohen Öffnungsverhältnis widerspricht derjenigen nach einer guten chromatischen Korre'^'on über den gesamten Spektralbereich. Dies kommt beispielsweise in den Erfindungsbeschreibungen DE-OS 3008343, DE-OS 3108345 und GB-PS 1478115 zum Ausdruck, in denen hochgeöffnete IR-Systeme beschrieben werden, die deshalb nur in einem der beiden IR-Fenster genutzt werden können. Lösungen 'ür IR-Objektive, die im gesamten Spektralbereich von 3 bis 13 \xm chromatisch korrigiert sind, werden in der Erfindungsbuschreibung zum Patent G02B/264928-1 und in der Patentanmeldung G02B/283814-0 angegeben. Bei beiden Lösungen wird aber nur ein Öffnungsverhältnis von 1:1,8 realisiert, so daß energieschwache Objektive nicht in jedem Fall aufgefaßt werden können.

Eine weitere wichtige Kenngröße für den Einsatz von IR-Objektiven Ist die Abhängigkeit ihrer Übertragungseigenschaften von der Temperatur. Die meisten infrarottransparenten Medien weisen den Nachteil auf, daß ihre Eigenschaften wie Transmission, Brechzahl und linearer Ausdehnungskoeffizient viel stärker temperaturabhängig sind als es von Medien für den sichtbaren Spektralbereich bekannt ist.

Unter den praktischen Einsatzbedingungen sind die verwendeten IR-Objektive starken Temperaturänderungen ausgesetzt, die hauptsächlich infolge von Brechzahländerungen der Medien zu Brennweitenänderungen des Objektives führen. Eine weitere Folge ist die sich durch thermische Ausdehnung des Linsenmediums ändernde Geometrie der Linsen. Besonders ungünstige thermische Eigenschaften hat in diesem Zusammenhang Germanium, das darüber hinaus bei einer Temperatur oberhalb von 80°C eine schnell absinkende Transparenz aufweist.

Es sind nun zwei prinzipiell verschiedene Lösungen erarbeitet worden, IR-Objektive thermisch zu kompensieren. Der erste Weg, der sich wegen des hohen Aufwandes nicht durchsetzen konnte, ist der Einsatz von mechanischen Kompensationsmitteln. Der zweite Weg besteht in der Wahl geeigneter Medien, deren Eigenschafton eine Kompensation der durch Temperaturänderungen hervorgerufenen Systemänderungen bewirken. Diese Möglichkeit wird in der Patentanmeldung G02B/283814-0 genutzt, ohne damit aber bei steigenden Temperaturen einen Transmissionsverlust auszuschließen, da eine Germaniumlinse Verwendung findet. Ein weiterer Nachteil dieser Lösung besteht darin, daß eine Fläche asphärisch gestaltet wurdo, wodurch sich die Fertigung kompliziert gestaltet.

In G02B/264928-1 wurde innerhalb bestimmter Grenzen dufh Auswahl einer geeigneten Medienkombination eine thermische Kompensation erzielt. Durch den überwiegenden Einsatz von KRS 5 als Linsenmaterial wird hier aber der Effekt der thermischen Überkompensation erreicht, die Abstimmung der beiden gegenläufigen Temperaturgradienten ist unzureichend, so daß die thermische Kompensation nur teilweise erreicht werden kann.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist ein langbrennweitiges Objektiv für den infraroten Spektralbereich, das für den Bereich von 3 bis 13pm chromatisch korrigiert sowie über einen breiten Temperaturbereich ohne Verluste an Abbildungsqualität einsetzbar ist. Das Objektiv soll mit einem hohen Öffiiungsverhältnis von 1:1,6 ein Feld von 7° mit guter Bildqualität auszeichnen. Auf den Einsatz von Asphären soll verzichtet werden.

Wesen der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, Lösungsmöglichkeiten für ein hochgeöffnetes IR-Objektiv zu finden, das eine gute chromatische Korrektion über den gesamten Spektralbereich von 3 bis 13μητι aufweist und bei dem die Temperaturabhängigkeit der optischen Parameter kompensiert ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem hochgeöffneten langbrennweitigen Objektiv für den infraroten Spektralbereich vom Triplettyp, bei dem ein zentrales streuendes Linsenglied durch Lufträume getrennt von zwei sammelnden Linsengliedern umgeben ist, dadurch gelöst, daß die sammelnden Linsenglieder aus einem Chalkogenidglas der Brechzahl n,₀ = 2,607 und einer Abbezahlt^ = 173 oder einem Chalkogenidglas der Brechzahl n₁₀ = 2,787 und der Abbezahlt = 170 bestehen und daß das zentrale streuende Linsen^ ed zwei durch einen geringen Luftspalt getrennte Einzellinsen enthält, wobei die erste Linse eine Sammellinse aus KRS 5 ist t die zweite Linse streuende Eigenschaften besitzt und aus einem Chalkogenidglas der Brechzahl n,o = 2,4975 und der Abbezahi y,₀ =111 oder einem Chalkogenidglas der Brechzahl n₁₀ = 2,603 und der Abbezahl ^₁₀ = 108 besteht, daß das objektseitige sammolnde Linsenglied eine Brennweite vom 1,5- bis 2fachen ti.: ^esamtbrennweite V₁ das zentrale streuende Linsenglied eine negative Brennweite von betragsmäßig mehr als 1,8 · F, wobei die erste Linse des zentralen streuenden Linsengliedes eine Brennweite vom 0,39- bis 0,46 · f und die zweite Linse des zentralen streuenden Linsengliedes eine negative Brennweite von betragsmäßig dem 0,28- bis 0,33fachen von f und das bildseitige sammelnde Linsenglied eine Brennweite vom 0,8- bis 1,Ifachen von f besitzen.

Das erste Linsenglied ist vom zweiten durch einen Luftraum vom 0,08- bis 0.15fachen von Γ und das zweite vom dritten Linsenglied durch einen Luftraum vom 0,35- bis 0,48fachen von F getrennt.

Die Konstruktionsdaten verschiedener Ausführungsvarianten von Objektiven mit den vorstehend aufgeführten Merkmalen sind in den Tabellen 1,2 und 3 angegeben. Mit einem derartigen Aufbau sind hochgeöffnete langbrennweitige IR-Objektive, die für beide IR-Fenster chromatisch korrigiert sind und eine thermische Kompensation aufweisen, realisierbar. Durch den Verzicht auf Asphären ist ein derartiges Objektiv ökonomisch günstig und fertigungsfreundlich herstellbar.

Ausführungsbeispiel Die Erfindung soll an Hand von einem Schnittbild näher erläutert werden. Des zeigt die Fig. 1: das Schnittbild einer Ausführuno'svariante des erfindungsgemäßen Objektives.

Erfindungsgemäße Ausführungsvarian'.en des Objektives besitzen den gleichen prinzipiellen Aufbau. In den Tabellen 1 bis 3 sind die entsprechenden Konstruktionsdaten angegeben. Alle drei Varianten sind Objektive vom Triplettyp, bei denen ein in der Mitte angeordnetes zentrales streuendes Linsenglied durch Luftabstände getrennt von zwei sammelnden Linsengliedern umgeben ist. Die sammelnden Linsenglieder sind entsprechend der Erfindung einzeln stehende Sammellinsen, die aus einem Chalkogenidglas mit der Brechzahl nie = 2,787 und einer Abbezahlte = 170 oder aus einem Chalkogenidglas mit der Brechzahl n,o = 2,607 und einem /o = 173 bestehen. Das zentrale streuende Linsenglied ist in Form eines Luftspaltobjektives aufgebaut und besteht aus einer Sammellinse aus KRS 5 (n,₀ = 2,3707; Vi₀ - 165) und aus einer streuenden Linse aus einem Chalkogenidglas der Brechzahl n,₀ = 2,4975 und einem/₀ = 111 oder aus einem Chalkogenidglas der Brechzahl ni₀ - 2,603 und einem ^₀= 108.

Die objektseitige Sammellinse besitzt eine Brennweite vom 1,5- bit 2fachen der Gesamtbrennweite F, die bildseitige Sammellinse eine Brennweite vom 0,8- bis 1,1 fachen von F. Das zentrale streuende Linsenglied hat eine negative Brennweite, die betragsmäßig größer als das 1,8fache von F ist. Die im zentralen Linsenglied enthaltende Sammellins a net eine Bren .weite vom 0,39- bis 0,46fachen von F und die im zentralen Linsenglied enthaltene Streulinse eine negative Brennweite vom betragsmäßig 0,28- bis 0,33fachen von F. Die objektseitige Sammellinse und die erste Linse des zentralen Linsengliedes sind durch einen Luftraum vom 0,08- bis 0,15fachen von F und die zweite Linse des zentralen Linsongliedes und die bildseitige Sammellinse sind durch einen Luftraum vom 0,35- bis 0,48fachen von F getrennt. Konkrete Konstruktionsdaten sind in den Tabellen 1 bis 3 angegeben.

Tabelle 1 Brennweite f = 120, Schnittweite s'^:

61,5, Feldwinkel 2σ =

Radien

Dicken und Luftabstände

Πιο

Γι =	109,15	d,-	7,7
r₂ =	160,93	Ii =	15,9
r₃ =	66,55	d₂ =	11,6
r₄ =	601,20	I₁ =	0,79
rs =	888,80	d₃ =	5,2
re =	56,55	I₃ =	54,8
r? =	198,38	d₄ =	8,0

r₈ = -813,70

Tabelle 2 Brennweite f = 120, Schnittweite s' = 58,6, Feldwinkel 2σ -

2,607	173
2,3707	165
2,603	108
2,607	173

Radien

Dicken und Luftabstände

ⁿio

Γ)	Tabelle 3	111,14	137,69	d,	= 7,7	ckenur
r₂	Brennweite	158,63	100,14	I,	= 15,9	= 8,0
r₃	63,11	65,66	d₂	= 11,6	= 10,8
r₄	= 1066,0	= -5414,0	I₁	= 0,6	= 1"2,O
	= 2292,0	= -1391,0	d₃	= 5,2	= 0,6
T»	52,66	58,54	I₃	= 54,8	= 4.4
X₁	184,12	= 439,60	d₄	= 8,0	= 48,0
re	= -1 958,0	= -439,60			= 7,2

= 120,0, Schnittwoite	= 64,8, FeIi
Radien	Di₁
ri	d,
r₂	Ii
r₃	dj
U	I₂
re	d₃
r_e	I₃
T₁	d₄
U

2,607	173
2,3707	165
2,4975	111
2,607	173

2,787	170
2,3707	165
2,4975	111
2,787	170

Claims

1. Hochgeöffnetes langbrennweitiges Objektiv für den infraroten Spektralbereich vom Triplettyp, bei dem ein zentrales streuendes Linsenglied durch Lufträume getrennt von zwei sammelnden Linsengliedern umgeben ist, gekennzeichnet dadurch, daß die sammelnden Linsenglieder aus einem Chalkogenidglas der Brechzahl n₁₀ von 2,6 bis 2,8 und einer Abbeschen Zahl V₁₀ größer als 170 bestehen, wobei das objektseitige sammelnde Linsenglied eine Brennweite vom 1,5- bis 2fachen der Gesamtbrennweite und das bildseitige sammelnde Linsenglied eine Brennweite vom 0,8- bis 1,Ifachen der Gesamtbrennweite besitzt, daß das zentrale streuende Linsenglied aus zwei, durch einen geringen Luftspalt getrennte Einzellinsen besteht, wobei die erste Linse ein') Sammellinse der Brennweite 0,39 bis 0,46 der Gesamtbrennweite ist und aus einem Ma :erial der Brechzahl n₁₀ = 2,3707 und der Abbeschen Zahl Vio = 165 besteht und die zweite Linse streuende Eigenschaften besitzt und eine negative Brennweite von betragsmäßig dem 0,28- bis 0,33fachen der Gesamtbrennweite aufweist und aus einem Material der Brechzahl n₁₀ von 2,45 bis 2,65 bei einer Abbeschen Zahl von kleiner als 111 besteht, daß das zentrale streuende Linsenglied eine negative Brennweite von betragsmäßig mehr als dem 1,8fachen der Gesamtbrennweite besitzt und daß der objektseitige Luftraum eine Größe vom 0,08- bis 0,15fachen der Gesamtbrennweite und der bildseitige Luftraum eine Größe vom 0,35- bis 0,48fachen der Gesamtbrennweite aufweist.

2. Objektiv mch Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Glieder des Objektives die in Tabelle 1 angegebenen Konstruktionsdaten aufweisen.

3. Objektiv nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Glieder des Objektives die in Tabelle 2 angegebenen Konstruktionsdaten aufweisen.

4. Objektiv nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Glieder des Objektives die in Tabelle 3 angegebenen Konstruktionsdaten aufweisen.