DE102006004490A1

DE102006004490A1 - Vorsatzoptik

Info

Publication number: DE102006004490A1
Application number: DE102006004490A
Authority: DE
Inventors: Jörg Dr. Baumgart
Original assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Current assignee: Diehl BGT Defence GmbH and Co KG
Priority date: 2005-12-22
Filing date: 2006-02-01
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2026-02-02
Also published as: GB2433608A; FR2895525B1; DE102006004490B4; FR2895525A1; GB0625217D0; GB2433608B

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorsatzoptik (10, 48) für eine Abbildungsoptik (46) für den infraroten Spektralbereich, wobei die Vorsatzoptik (10, 48) ein Linsensystem umfasst, welches in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite zwei Linsengruppen (12, 14) umfasst. Dabei hat die objektseitige Linsengruppe (12) eine negative Wirkung und die bildseitige Linsengruppe (14) eine positive Wirkung auf einen einfallenden Strahlengang. Weiterhin besitzt die bildseitige Linsengruppe (14) eine geringere Brechkraft als die objektseitige Linsengruppe (12) und der bildseitige Brennpunkt der objektseitigen Linsengruppe (12) fällt mit dem objektseitigen Brennpunkt der bildseitigen Linsengruppe (14) zusammen. Zudem ist das Design des Linsensystems derart ausgestaltet, dass sich seine Austrittspupille (42) auf der Bildseite der bildseitigen Linsengruppe (14) befindet. DOLLAR A Weiterhin betrifft die Erfindung Abbildungsmodule (44) mit einer Abbildungsoptik (46) für den infraroten Spektralbereich und mit der zuvor beschriebenen Vorsatzoptik (48).

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorsatzoptik für eine Optik für den infraroten Spektralbereich. Weiterhin betrifft die Erfindung Abbildungsmodule mit einer solchen Vorsatzoptik.

Aus der Fotografie und der Videotechnik für den für das menschliche Auge sichtbaren Spektralbereich sind so genannte Weitwinkel-Konverter-Optiken bekannt. Diese werden als Vorsatzoptik vor ein bestehendes Kamerasystem montiert, um dadurch das durch das Kamerasystem erfassbare Gesichtsfeld zu vergrößern. Die Weitwinkel-Konverter-Optik stellt dabei einen Aufsatz für das Objektiv des Kamerasystems dar, mit dem die effektive Brennweite des Kamerasystems verkürzt wird, um einen breiteren Bildwinkel und damit „mehr Motiv" auf den Film zu bekommen.

In der EP 0 595 153 B1 ist beispielsweise ein Weitwinkel-Konverter für ein Zoomobjektiv offenbart, der aus zwei Linsen besteht, mit dem sich eine afokale Vergrößerung von über 0,8 erzielen lässt.

Auch für den infraroten Spektralbereich sind Weitwinkel-Konverter als Vorsatzoptik zur Nachrüstung oder Ergänzung von bestehenden Abbildungsoptiken von Interesse, um beispielsweise auch bei schlechten Sichtverhältnissen oder nachts große Gesichtsfelder erfassen zu können.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorsatzoptik für eine Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich anzugeben, mit der ein großes Gesichtsfeld erfassbar ist und die eine einfache Ankopplung an die nachfolgende, weitgehend unbe kannte Abbildungsoptik ermöglicht, ohne dass dabei ein Eingriff in die Abbildungsoptik erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird für eine Vorsatzoptik für eine Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Vorsatzoptik ein Linsensystem umfasst, welches in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite zwei Linsengruppen umfasst, wobei

a. die objektseitige Linsengruppe eine negative Wirkung und die bildseitige Linsengruppe eine positive Wirkung auf einen einfallenden Strahlengang hat,
b. die bildseitige Linsengruppe eine geringere Brechkraft als die objektseitige Linsengruppe hat,
c. der bildseitige Brennpunkt der objektseitigen Linsengruppe mit dem objektseitigen Brennpunkt der bildseitigen Linsengruppe zusammenfällt und
d. das Design des Linsensystems derart ausgestaltet ist, dass sich auf der Bildseite des Linsensystems eine Austrittspupille befindet.

Im Rahmen der vorliegenden Anmeldung wird unter negativer Wirkung einer Linsengruppe verstanden, dass die Linsengruppe auf einfallende Strahlengänge zerstreuend wirkt, wohingegen unter positiver Wirkung einer Linsengruppe verstanden wird, dass die Linsengruppe auf einfallende Strahlengänge sammelnd wirkt.

In einem ersten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass mit einem Galileo-Teleskop vergrößerte Abbildungen einer Objektszene gemacht werden können und dass die Vergrößerung eines Galileo-Teleskops von dem Verhältnis von Objektiv- zu Okularbrennweite abhängt, d. h. vom Verhältnis der Brennweite einer Linsengruppe mit positiver Wirkung zur Brennweite einer Linsengruppe mit negativer Wirkung. Ein Galileo-Teleskop sorgt nämlich für eine Vergrößerung des Sehfeldwinkels, also dem Winkel, den die äußersten, von einem betrachteten Gegenstand kommenden Strahlen miteinander bilden.

Weiterhin geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass durch Modifikation der Brennweiten der beiden Linsengruppen eines Galileo-Teleskops eine Variabilität im Sehfeld von 0 bis 180° möglich ist, wodurch das Galileo-Teleskop einfach an diverse Anforderungsprofile hinsichtlich Vergrößerung anpassbar ist.

In einem dritten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass bei einem inversen Galileo-Teleskop – also einem Linsensystem gemäß den zuvor angeführten Merkmalen a, b und c – ein unter einem steilen Winkel in dieses eintretender Abbildungsstrahlen gang unter einem flachen Winkel aus diesem wieder austritt. Ein Linsensystem nach Art eines inversen Galileo-Teleskops ermöglicht also die Erfassung eines großen Gesichtsfeldes. Je nach Wahl der Brennweiten einer objektseitigen und bildseitigen Linsengruppe eines solchen Linsensystems, lässt sich über das Linsensystem in Kombination mit einer nachfolgenden Abbildungsoptik eine starke oder gemäßigte Weitwinkeloptik realisieren.

In einem nächsten Schritt geht die Erfindung von der Erkenntnis aus, dass Blenden oder Austrittspupillen, die sich innerhalb eines Linsensystems befinden, zu extremen Beeinträchtigungen der Abbildungsqualität für eine nachfolgende Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich führen können. Jede Blende oder das Bild einer Blende stellt nämlich im infraroten Spektralbereich eine Strahlungsquelle dar. Kommt diese innerhalb eines Linsensystems zu liegen und vignettiert, also beschränkt sie ein durch das Linsensystem hindurch tretendes Strahlenbündel, so wird sie ebenfalls über die Linsen des Linsensystems abgebildet und kann zu Verfälschungen und Beeinträchtigungen des mit der nachfolgenden Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich betrachteten Gesichtsfelds führen, da sie dieses beispielsweise überstrahlt und abdeckt. Zudem kann Beugung an solchen Blenden entstehen, wodurch sich eine Verschlechterung des Punktbilds ergibt.

In einem weiteren Schritt geht die Erfindung von der Überlegung aus, dass eine frei zugängliche Austrittspupille, die sich auf der Bildseite eines Linsensystems befindet, es erlaubt, diese beispielsweise mit einer konkreten, d. h. physischen Blende zusammenfallen zu lassen. Dadurch können definierte radiometrische Verhältnisse geschaffen werden, wodurch ein wesentlich verbessertes Streulichtverhalten erzielbar ist, das für qualitativ hochwertigere Abbildungen bei Vorschaltung einer Vorsatzoptik mit einem solchen Linsensystem vor eine Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich sorgt. Eine Ankopplung einer derartigen Vorsatzoptik an eine nachfolgende Abbildungsoptik wird dadurch wesentlich vereinfacht, da es möglich ist, die Austrittspupille mit einer Blende dieser Abbildungsoptik zusammenfallen zu lassen.

Im Idealfall wird darauf geachtet, dass die Austrittspupille der Vorsatzoptik mit der Eintrittspupille der nachfolgenden Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich zusammenfällt, um optimale radiometrische Verhältnisse zu schaffen.

Von Vorteil ist es, wenn die Austrittspupille einen Durchmesser aufweist, der gleich oder größer als der Durchmesser einer in Richtung von Objektseite zu Bildseite ersten Linse der Abbildungsoptik ist. Auch bei weitgehend unbekannten Abbildungsoptiken ist zumeist der Durchmesser der ersten Linse derselbigen durch Draufsicht ermittelbar. Dadurch kann eine Anbindung der Vorsatzoptik an eine nachfolgende Abbildungsoptik erreicht werden, die sicherstellt, dass die Austrittspupille den Strahlengang der Abbildungsoptik nicht vignettiert. Eine Vignettierung durch die Austrittspupille im infraroten Spektralbereich würde nämlich bewirken, dass die Austrittspupille sich als eine die Abbildung verfälschende Strahlungsquelle auswirkt, die das eigentliche abzubildende Gesichtsfeld überstrahlt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der objektseitigen Linsengruppe und der bildseitigen Linsengruppe eine Anzahl von Faltelementen angeordnet. Unter einer Anzahl von Faltelementen wird hierbei verstanden, dass es sich um ein einzelnes oder mehrere Faltelemente handeln kann. Da die Distanz zwischen der objektseitigen und bildseitigen Linsengruppe aufgrund der Brennweiten der beiden Linsengruppen variabel gestaltet werden kann, können in diesem Zwischenraum Faltelemente eingebracht werden. Bei den Faltelementen kann es sich beispielsweise um Prismen, Umlenkspiegel, Gitter oder dergleichen handeln. Durch die Faltelemente kann je nach gewünschtem Anwendungszweck eine Änderung der Richtung des Abbildungstrahlengangs als auch, falls erforderlich bzw. gewünscht, das Ausblenden eines bestimmten Spektralbereichs ermöglicht werden.

Geschickt ist es, wenn es sich bei einem Faltelement um ein Prisma handelt. Durch ein Prisma kann auf kleinem Weg eine komplexe, zweifache Ablenkung eines Abbildungsstrahlengangs erreicht werden. Dadurch kann bei beengten Raumverhältnissen ein vorhandener Bauraum in Längs- und Querrichtung effektiv ausgenutzt und eine kompakte Vorsatzoptik geschaffen werden.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn es sich bei dem Prisma um ein Bauernfeind-Prisma handelt. Das Bauernfeind-Prisma gehört zur Gruppe der Reflexionsprismen, welche in ihrer Wirkungsweise der Kombination mehrerer ebener Spiegel entsprechen. Das Bauernfeind-Prisma ist ein Umlenkprisma mit konstanter Ablenkung, d. h. der Ablenkwinkel ist hierbei unabhängig von einer Prismendrehung. Je nach geometrischer Auslegung des Bauernfeind-Prismas lässt sich eine Ablenkung des Abbildungsstrahlengangs um einen definierten Winkel realisieren. Zudem handelt es sich bei einem Bauernfeind-Prisma um ein nicht dispersives Winkel. Dadurch ist der Winkel der Strahlablenkung nicht von der Wellenlänge der einfallenden Strahlung abhängig. Auch weist ein Bauernfeind-Prisma gegenüber einem einfachen Umlenkprisma eine deutlich kleinere Baugröße auf, wodurch kein wertvoller Bauraum verschwendet wird und die Vorsatzoptik kompakt gehalten werden kann.

Von Vorteil ist es, wenn die objektseitige Linsengruppe und/oder die bildseitige Linsengruppe in Richtung von Objektseite zu Bildseite eine erste Linse mit negativer und eine zweite Linse mit positiver Wirkung umfasst. Dadurch, dass es sich bei der objektseitigen Linsengruppe und/oder der bildseitigen Linsengruppe um ein Doublet aus zwei Linsen handelt, kann bei geschickter Wahl der Ausgestaltung der negativen und positiven Linse zueinander eine gegenseitige Kompensation ihrer Abbildungsfehler realisiert werden, ohne dass dafür weitere Linsen erforderlich sind. Dies ermöglicht eine Einsparung von Kosten und eine kompakte Bauweise der Vorsatzoptik wegen reduzierten Raumbedarfs. Zudem kann gezeigt werden, dass ein optisches System, welches spiegelsymmetrisch um eine Öffnungsblende angeordnet ist, frei von den Abbildungsfehlern Koma, Verzeichnung und Farblängsfehler ist. Auch bei einem leichten Bruch dieser Symmetrie können diese drei Abbildungsfehler weitgehend eliminiert werden.

Besonders praktisch ist es dabei, wenn der Aufbau der objektseitigen Linsengruppe quasi symmetrisch zum Aufbau der bildseitigen Linsengruppe ist bzw. mit diesem quasi übereinstimmt, also beide Linsengruppen eine erste Linse mit negativer Wirkung und eine zweite Linse mit positiver Wirkung umfassen, wobei insbesondere die ersten und die zweiten Linsen jeweils aus dem gleichen Material gefertigt sind. Dadurch lässt sich nämlich ein Linsensystem realisieren, das über einen weiten Temperaturbereich athermatisch ist. Temperaturabhängige Brechkraftänderungen können durch die Kombination einer negativen Linse mit einer positiven Linse vollkommen oder zumindest teilweise kompensiert werden. Führt die temperaturabhängige Brechkraftänderung beispielsweise zu einer Erhöhung der zerstreuenden Wirkung der negativen Linse, so führt sie zugleich auch zu einer Erhöhung der sammelnden Wirkung der zweiten Linse. Ein auf die erste Linse einfallender Abbildungsstrahlengang wird dann im Vergleich zu einem nicht der Temperaturänderung unterworfenen Linsensystem durch diese stärker zerstreut, jedoch durch die zweite Linse wiederum stärker gesammelt, so dass sich im Endeffekt – je nach Grad der Temperaturänderung – kein gravierender Unterschied zu einem nicht einer Temperaturänderung unterworfenen Linsensystem ergibt.

Weiter von Vorteil ist es, wenn zumindest eine der beiden Außenflächen der ersten Linse der objektseitigen und/oder bildseitigen Linsengruppe eine asphärische Formgebung aufweist. Mittels einer asphärischen Formgebung von Außenflächen können kontrollierte Aberrationen in das Linsensystem eingeführt werden, die beispielsweise die Aberrationen anderer optischer Elemente der Vorsatzoptik gezielt eliminieren können. Dadurch kann die optische Leistung der Vorsatzoptik verbessert werden.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weisen die beiden Außenflächen der zweiten Linse der objektseitigen und/oder der bildseitigen Linsengruppe eine sphärische Formgebung auf. Sphärische Außenflächen können geometrisch exakter und speziell mit geringerer Rauhigkeit als beispielsweise asphärische Außenflächen hergestellt werden. Dadurch können Beeinträchtigungen des Abbildungsverhaltens der Vorsatzoptik, die auf geometrischen Abweichungen der Außenflächen von der gewünschten Form und rauen Oberflächen beruhen, minimiert werden. Das eine Abbildung verfälschende Streulichtniveau kann weiter gesenkt werden. Zudem ist die Herstellung sphärischer Außenflächen einfacher und damit kostengünstiger als die Herstellung asphärischer Außenflächen.

Der Fachmann weiß, dass es zur Erzielung von guten Abbildungsqualitäten von Optiken erforderlich sein kann, in Linsengruppen Linsen mit unterschiedlicher Formgebung ihrer Außenflächen, nämlich sphärisch oder asphärisch, oder eine Linse, deren eine Außenfläche sphärisch und deren andere Außenfläche asphärisch geformt ist, zu verwenden. Denn dadurch ist es möglich, die Vorteile, welche die eine Formgebung mit sich bringt, mit den Vorteilen, die die andere Formgebung mit sich bringt, zu kombinieren. Weiterhin ist es möglich, die Nachteile, die mit einer Formgebung verbunden sind, durch die andere Formgebung zumindest teilweise zu kompensieren. Es ist dem Fachmann beispielsweise bekannt, dass durch eine Linse, die Außenflächen mit einer asphärischen Formgebung aufweist, der Öffnungsfehler, der durch eine Linse mit Außenflächen mit sphärischer Formgebung hervorruft, reduziert werden kann.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die sich gegenüberliegenden Außenflächen der ersten, negativen Linse und der zweiten, positiven Linse der objektseitigen und/oder bildseitigen Linsengruppe mit gleichen Krümmungsradien versehen. Dadurch ist es möglich eine bikonvexe, plankonvexe oder konkavkonvexe zweite Linse an einer bikonkaven, plankonkaven oder konvexkonkaven ersten Linse direkt anliegend anzuordnen. Dadurch wird die Montage und Justage der Linsen zueinander erheblich vereinfacht. Beeinträchtigungen der Abbildungsqualität der Vorsatzoptik durch Montage-/Justagefehler können dadurch weitgehend ausgeschlossen werden.

Praktisch ist es, wenn bei der objektseitigen und/oder bildseitigen Linsengruppe die erste Linse aus Germanium und die zweite Linse aus Zinkselenid gefertigt ist. Bei Germanium und Zinkselenid handelt es sich zum einen um Materialien, die für den infraroten Spektralbereich transparent sind und somit für die Realisierung einer Vorsatzoptik für den infraroten Spektralbereich einsetzbar sind. Mittels der Linse aus Germanium kann des Weite ren eine Farbkorrektur der durch die zweite Linse verursachten Farbfehler vorgenommen werden, wodurch die Abbildungseigenschaften der Vorsatzoptik verbessert werden können. Zudem ist bei Linsen aus Germanium und Zinkselenid die durch die Materialdispersion verursachte Änderung der Abbildungseigenschaften so gering, dass eine Vorsatzoptik, die auf solchen Linsen basiert, sowohl in einem Spektralbereich von 3 bis 5 μm (mittleres IR), als auch in einem Spektralbereich von 8 bis 12 μm (langwelliges IR) verwendet werden kann. Wenn die einer solchen Vorsatzoptik nachgeschaltete Abbildungsoptik nachfokussierbar ist, so kann mit dem gleichen Aufbau aus Abbildungsoptik mit Vorsatzoptik ein Betrieb in beiden Spektralbereichen erfolgen.

Unter teilweisem Verzicht auf die zuvor angeführten Vorteile ist es auch denkbar, die Linsen des Linsensystems der Vorsatzoptik aus anderen, im infraroten Spektralbereich transparenten Materialen, wie z. B. Silizium, Zinksulfid, Calciumfluorid, Magnesiumfluorid, Saphir etc. (auch Bariumfluorid, Calzit, Cäsiumbromid, Cäsiumjodid, Germanium, Kaliumbromid, Kaliumchlorid, Kaliumjodid, KRS-5 und KRS-6, Lithiumfluorid, Lithiumniobat, Lithiumtantalat, Magnesiumoxid, Natriumchlorid, Natriumfluorid, kristallinem Quarz, Rubidiumbromid, Rubidiumchlorid, Rubidiumjodid, Silberbromid, Silberchlorid, Strontiumfluorid, Thalliumbromid, Titandioxid (Rutil) YAG (Yttrium Aluminium Garnet), Zinkselenid, Zirkondioxid oder Amtir (Chalgogenidglas) möglich) zu fertigen.

Zusätzlich ist die Erfindung auf ein Abbildungsmodul gerichtet mit einer Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich, mit einer wie oben beschriebenen Vorsatzoptik und mit einem Schwenkmechanismus zum Schwenken der Vorsatzoptik vor die Abbildungsoptik und von der Abbildungsoptik weg.

Ein solches Abbildungsmodul kann beispielsweise zur Erkundung einer Umgebung, insbesondere zur Geländeerkundung und -aufklärung im militärischen Bereich, eingesetzt werden. Wenn zum Beispiel in einer Anfangsphase einer Geländeaufklärung nach bestimmten Objekten gesucht wird, ist es sinnvoll die Vorsatzoptik über den Schwenkmechanismus vor die Abbildungsoptik zu schwenken, um ein möglichst großes Gesichtsfeld erfassen und analysieren zu können. Sobald ein Objekt von Interesse gefunden ist, das näher begutachtet oder identifiziert werden soll, kann die Vorsatzoptik über den Schwenkmechanismus von der Abbildungsoptik weg geschwenkt werden und dadurch das Objekt nur über die Abbildungsoptik genauer betrachtet werden. Durch das Abbildungsmodul mit Schwenkmechanismus wird also eine so genannte Dual-Field-of-View- Optik realisiert, mit der situationsangepasst ein großes oder ein kleines Gesichtsfeld betrachtet werden kann.

Darüber hinaus ist die Erfindung auf ein Abbildungsmodul gerichtet mit einer Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich und mit einer wie zuvor beschriebenen Vorsatzoptik mit einem Faltelement zwischen ihrer objektseitigen und bildseitigen Linsengruppe, wobei die Vorsatzoptik um die optische Achse der Abbildungsoptik drehbar ist.

Ein derart ausgestaltetes Abbildungsmodul stellt einen kompakten Scanner dar, mit dem aufgrund von Strahlumlenkung durch das Faltelement und Drehung der Vorsatzoptik um eine optische Achse der Abbildungsoptik beispielsweise großräumig ein Gelände nach interessierenden Objekten abgesucht werden kann. Die Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich hingegen kann – so wie ein Detektor, auf den abgebildet wird – strukturfest angeordnet sein. Dadurch, dass nur die Vorsatzoptik drehbar sein muss, ist der gewichtsmäßige Anteil des Abbildungsmoduls, der zur Erzielung einer Scannerfunktion gedreht werden muss, gering. Dies bedeutet eine einfachere Realisierung eines Drehmechanismus, da an diesen keine so großen Anforderungen hinsichtlich gewichtsmäßiger Belastung gestellt werden müssen. Zudem können die Drehbewegungen präziser ausgeführt werden, da keine so große Masse beschleunigt und wieder abgebremst werden muss. Dadurch ist eine gute Abbildungsqualität mit einem solchen Abbildungsmodul gewährleistet.

Es ist denkbar, dass zuvor erwähnte Abbildungsmodul mit der ein Faltelement zwischen ihrer objektseitigen und bildseitigen Linsengruppe aufweisenden Vorsatzoptik nicht nur mit einem Drehmechanismus für die Vorsatzoptik auszustatten, sondern auch darüber hinaus einen Schwenkmechanismus zum Schwenken der Vorsatzoptik vor die Abbildungsoptik und von der Abbildungsoptik weg vorzusehen. Dadurch werden die Vorteile der beiden zuvor erwähnten Abbildungsmodule vereint. Ein solches Abbildungsmodul kann beispielsweise bei vorgeschwenkter Vorsatzoptik und Drehung derselbigen als Scanner betrieben werden und bei weggeschwenkter Vorsatzoptik zur detaillierten Analyse eines kleinen Gesichtsfelds eingesetzt werden.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen

1 eine Vorsatzoptik mit einer zwei Linsen umfassenden, objektseitigen Linsengruppe und einer zwei Linsen umfassenden, bildseitigen Linsengruppe und

2 ein Abbildungsmodul mit einer Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich, mit einer Vorsatzoptik mit einem Bauernfeind-Prisma zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe, und mit einem Schwenkmechanismus.

Funktionsgleiche Teile werden dabei mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Tabelle 1 zeigt die Designwerte der Vorsatzoptik gemäß 2.
In 1 ist eine Vorsatzoptik 10 dargestellt, die eine objektseitige Linsengruppe 12 und eine bildseitige Linsengruppe 14 umfasst. Die objektseitige Linsengruppe 12 besteht aus zwei Linsen 16, 18, und die bildseitige Linsengruppe besteht aus zwei Linsen 20, 22. Die Linsen 16 und 20 sind aus Germanium und die Linsen 18 und 22 aus Zinkselenid gefertigt.
Bei der Linse 16 handelt es sich um eine negative und bei der Linse 18 um eine positive Linse. Wie sich der 1 entnehmen lässt, hat die objektseitige Linsengruppe 12 insgesamt eine negative Wirkung auf einen Abbildungsstrahlengang 24. Bei der Linse 20 handelt es sich um eine negative und bei Linse 22 um eine positive Linse. Die bildseitige Linsengruppe 14 hat insgesamt eine positive Wirkung auf den Abbildungsstrahlengang 24.
Die Linse 16 weist objektseitig eine konvexe, asphärische Außenfläche 26 und bildseitig eine konkave, asphärische Außenfläche 28 auf. Die Linse 18 weist sphärische Außenflächen 30, 32 auf, wobei die objektseitige Außenfläche 30 konvex und die bildseitige Außenfläche 32 konkav ist. Die Linse 20 ist bikonkav und weist objektseitig eine asphärische Außenfläche 34 und bildseitig eine sphärische Außenfläche 36 auf. Die Linse 22 ist bikonvex und weist sphärische Außenflächen 38, 40 auf. Aufgrund identischer Krümmungsradien ihrer Außenflächen 36 und 38 liegen die Linsen 20 und 22 aneinander an.
Die Vorsatzoptik 10 gemäß 1 besitzt eine Vergrößerung von einem Drittel, wodurch das Gesichtsfeld einer nachfolgenden Abbildungsoptik verdreifacht wird. Ausgelegt ist die Vorsatzoptik 10 auf ein Gesamtgesichtsfeld von 130°. Falls eine Anwendung geringe Einbußen in der Abbildungsqualität hinnehmen kann, ist auch ein größeres Gesamtgesichtsfeld realisierbar. Durch Abänderung der Brennweiten der Linsengruppen 12 und 14 ist es einem Fachmann möglich, das Gesamtgesichtfeld zu vergrößern oder bei Bedarf auch zu verkleinern.
Das Design der Vorsatzoptik 10 gemäß 1 ist so gewählt, dass sich eine auf der Bildseite der bildseitigen Linsengruppe 14 liegende, frei zugängliche Austrittspupille 42 ergibt. Nähere Design-Daten der Linsen der Vorsatzoptik 10, nämlich die Radien der Außenflächen der Linsen 16, 18, 20, 22, ihr Apertur-Radius und das Material, aus dem sie gefertigt sind, können der Tabelle 1 entnommen werden.
Die 2 zeigt ein Abbildungsmodul 44 mit einer schematisch dargestellten Abbildungsoptik 46 für den infraroten Spektralbereich und mit einer Vorsatzoptik 48. Die Vorsatzoptik 48 weist die funktionsgleichen Elemente wie die Vorsatzoptik 10 der 1 auf, jedoch ist zwischen der objektseitigen Linsengruppe 12 und der bildseitigen Linsengruppe 14 in dem vorhandenen Zwischenraum ein Bauernfeind-Prisma 50 angeordnet. Das Bauernfeind-Prisma 50 lenkt den objektseitig einfallenden Abbildungsstrahlengang 24 nach der Linse 18 zweifach um insgesamt 45 Grad auf die nachfolgende bildseitige Linsengruppe 14 um.
Es ist ersichtlich, dass die Austrittspupille 42 der Vorsatzoptik 48 mit einer ersten gestrichelt dargestellten Linse 52 der Abbildungsoptik 46 zusammenfällt. Weitere Elemente der Abbildungsoptik 46 sind der besseren Übersichtlichkeit wegen nicht dargestellt. Die Linse 52 stellt dabei zugleich die Eintrittspupille der Abbildungsoptik 46 dar. Die Durchmesser der Austrittspupille 42 und der Linse 52 sind gleich groß.
Wie durch den Pfeil 54 symbolisiert, ist die Vorsatzoptik 48 um eine optische Achse 56 der Abbildungsoptik 46 mittels eines nicht dargestellten Drehmechanismus drehbar. Ebenfalls nur schematisch angedeutet ist ein Schwenkmechanismus 58, über den die Vorsatzoptik 48 sowohl vor die Abbildungsoptik 46 – wie in 2 gezeigt – als auch von der Abbildungsoptik 46 weg schwenkbar ist.
Die exakten Design-Daten der Vorsatzoptik 48 des Abbildungsmoduls 44 können im Detail der Tabelle 1 entnommen werden. Der in der Tabelle angegebene Abstand von 0,1 mm zwischen den Linsen 20 und 22 ist in der Realität nicht vorhanden und stellt lediglich ein Simulationsartefakt dar. Die asphärischen Außenflächen 26, 34 der Linsen 16 bzw. 20 sind entsprechend der folgenden Formel für asphärische Oberflächen definiert:
r bezeichnet dabei den Radius einer Außenfläche, cv die Krümmung, cc die konische Konstante und ad, ae, af, ag die Asphärenkoeffizienten. Nicht in der Tabelle 1 angegebene Asphärenkoeffizienten betragen im vorliegenden Ausführungsbeispiel Null.
Daneben sind in Tabelle 1 auch die Neigungs- und Dezentrierungswerte für das Bauernfeind-Prisma 50 angegeben, wobei dcx, dcy und dcz die Dezentrierung der jeweiligen Reflexionsebene in die entsprechende Richtung (x, y und z) und tla, tlb und tlc die Verkippung der jeweiligen Reflexionsebene um die entsprechenden Achsen (a, b und c) – in Grad – angeben. Nicht vermerkte Werte sind wieder Null. Tabelle 1: Designdaten der Vorsatzoptik gemäß Figur 2

tla 49 Verkippung der Reflexionsebene gegenüber der vorhergehenden Fläche um a-Achse um 49 °
dcx Dezentrierung der Reflexionsebene in x-Richtung

10: Vorsatzoptik
12: objektseitige Linsengruppe
14: bildseitige Linsengruppe
16: Linse
18: Linse
20: Linse
22: Linse
24: Abbildungsstrahlengang
26: asphärische Außenfläche
28: asphärische Außenfläche
30: sphärische Außenfläche
32: sphärische Außenfläche
34: asphärische Außenfläche
36: sphärische Außenfläche
38: sphärische Außenfläche
40: sphärische Außenfläche
42: Austrittspupille
44: Abbildungsmodul
46: Abbildungsoptik für den infraroten Spektralbereich
48: Vorsatzoptik
50: Bauernfeind-Prisma
52: Linse
54: Pfeil
56: optische Achse
58: Schwenkmechanismus

Claims

Vorsatzoptik (10, 48) für eine Abbildungsoptik (46) für den infraroten Spektralbereich mit einem Linsensystem, welches in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite zwei Linsengruppen (12, 14) umfasst, wobei a. die objektseitige Linsengruppe (12) eine negative Wirkung und die bildseitige Linsengruppe (14) eine positive Wirkung auf einen einfallenden Strahlengang hat, b. die bildseitige Linsengruppe (14) eine geringere Brechkraft als die objektseitige Linsengruppe (12) hat, c. der bildseitige Brennpunkt der objektseitigen Linsengruppe (12) mit dem objektseitigen Brennpunkt der bildseitigen Linsengruppe (14) zusammenfällt und d. das Design des Linsenssystems derart ausgestaltet ist, dass sich auf der Bildseite des Linsensystems eine Austrittspupille (42) befindet.
Vorsatzoptik (10, 48) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittspupille (42) einen Durchmesser aufweist, der gleich oder größer ist als der Durchmesser einer in Richtung von Objektseite zu Bildseite ersten Linse (52) der Abbildungsoptik (46).
Vorsatzoptik (48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der objektseitigen Linsengruppe (12) und der bildseitigen Linsengruppe (14) eine Anzahl von Faltelementen angeordnet ist, wobei ein Faltelement vorzugsweise ein Prisma, insbesondere ein Bauernfeind-Prisma (50) ist.
Vorsatzoptik (10, 48) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die objektseitige Linsengruppe (12) und/oder die bildseitige Linsengruppe (14) in Richtung von Objektseite zu Bildseite eine erste Linse (16, 20) mit negativer Wirkung und eine zweite Linse (18, 22) mit positiver Wirkung umfasst.
Vorsatzoptik (10, 48) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine der beiden Außenflächen (26, 28, 34) der ersten Linse (16, 20) der objektseitigen und/oder der bildseitigen Linsengruppe (18, 20) eine asphärische Formgebung aufweist.
Vorsatzoptik (10, 48) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Außenflächen der zweiten Linse (30, 32, 38, 40) der objektseitigen und/oder der bildseitigen Linsengruppe eine sphärische Formgebung aufweisen.
Vorsatzoptik (10, 48) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die sich gegenüberliegenden Außenflächen (36, 38) der ersten Linse (20) und der zweiten Linse (22) mit gleichen Krümmungsradien versehen sind.
Vorsatzoptik (10, 48) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (16, 20) aus Germanium und die zweite Linse (18, 22) aus Zinkselenid gefertigt ist.
Abbildungsmodul (44) mit einer Abbildungsoptik (46) für den infraroten Spektralbereich, mit einer Vorsatzoptik (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und mit einem Schwenkmechanismus (58) zum Schwenken der Vorsatzoptik (48) vor die Abbildungsoptik (46) und von der Abbildungsoptik (46) weg.
Abbildungsmodul (44) mit einer Abbildungsoptik (46) für den infraroten Spektralbereich und mit einer Vorsatzoptik (48) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit einem Faltelement zwischen ihrer objektseitigen (12) und ihrer bildseitigen Linsengruppe (14), wobei die Vorsatzoptik (48) um die optische Achse (56) der Abbildungsoptik (46) drehbar ist.