DE102014117275A1

DE102014117275A1 - Weitwinkelobjektiv

Info

Publication number: DE102014117275A1
Application number: DE102014117275.2A
Authority: DE
Inventors: Bertram Achtner
Original assignee: Airbus DS Optronics GmbH
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 2014-11-25
Filing date: 2014-11-25
Publication date: 2016-05-25
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: GB2532840A; GB2532840B; GB201515919D0; DE102014117275B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Weitwinkelobjektiv (1) für den infraroten Spektralbereich, mit zwei entlang einer optischen Achse (A) angeordneten Linsengruppen (2, 3) mit mehreren Linsen (22, 24, 26, 28, 32, 34) und einer Detektoreinheit (4), wobei in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite eine objektseitige Linsengruppe (2) eine negative Brechkraft und eine bildseitige Linsengruppe (3) eine positive Brechkraft aufweist. Erfindungsgemäß ist der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und der Quotient aus dem Abstand L vom ersten Linsenscheitel der einem Objekt am nächsten liegenden Linse (22) bis zur Bildebene und der Brennweite f kleiner als 15.

Description

Die Erfindung betrifft ein Weitwinkelobjektiv gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Für den infraroten Spektralbereich sind bereits Weitwinkelobjektive bekannt, welche als Vorsatzoptik zur Nachrüstung oder Ergänzung von bestehenden Abbildungsoptiken dienen. Vorrangiger Zweck derartiger Systeme ist, beispielsweise bei schlechten Sichtverhältnissen oder auch bei Nacht große Gesichtsfelder erfassen zu können.
Aus der Druckschrift EP 1 533 638 B1 ist ein optisches Infrarot-Abbildungssystem bekannt, welches aus einer objektseitigen vorderen Linsengruppe mit negativer optischer Stärke, einer mittleren Linsengruppe und einer bildseitigen hinteren Linsengruppe mit positiver optischer Stärke aufgebaut ist. Das Linsenmaterial der ersten Linse der vorderen Linsengruppe besteht aus Zinksulfid, Zinkselenid, Arsentrisulfid oder Amtir-1 mit einem Brechungsindex von etwa 2,0 bis 3,0. Bevorzugt beträgt der Brechungsindex des Linsenmaterials 2,2 bis 2,6. Die mittlere Linsengruppe weist einen Brechungsindex von etwa 1,35 bis 2,0 und die hintere Linsengruppe einen Brechungsindex von etwa 2,0 bis 3,0 auf. Ein im Anschluss an die Linsenoptik angeordneter Infrarotdetektor empfängt den Lichtstrahl der hinteren Linsengruppe, wobei sich die Pupille des optischen Abbildungssystems zwischen der hinteren Linsengruppe und dem Detektor befindet. Bereits durch derartige Infrarot-Abbildungssysteme lassen sich vergleichsweise kompakte Bauformen realisieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Weitwinkelobjektiv hinsichtlich einer kompakten Bauweise weiterzuentwickeln.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den in Anspruch 1 genannten Merkmalen gelöst. Die weiteren rückbezogenen Ansprüche betreffen vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der Erfindung.
Die Erfindung schließt ein Weitwinkelobjektiv für den infraroten Spektralbereich ein, mit zwei entlang einer optischen Achse angeordneten Linsengruppen mit mehreren Linsen und einer Detektoreinheit, wobei in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite eine objektseitige Linsengruppe eine negative Brechkraft und eine bildseitige Linsengruppe eine positive Brechkraft aufweist. Erfindungsgemäß ist der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und der Quotient aus dem Abstand L vom ersten Linsenscheitel der einem Objekt am nächsten liegenden Linse bis zur Bildebene und der Brennweite f kleiner als 15.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass modulare Weitwinkelobjektive mit hoher Öffnung für den infraroten Spektralbereich, insbesondere in einem Bereich von 3,5 bis 5,0 μm, zunehmend kompakt aufgebaut werden können. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter negativer Brechkraftwirkung einer Linsengruppe verstanden, dass die Linsengruppe auf einfallende Strahlengänge zerstreuend wirkt, wohingegen unter positiver Brechkraftwirkung einer Linsengruppe verstanden wird, dass die Linsengruppe auf einfallende Strahlengänge sammelnd wirkt.
Die erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektive haben zudem ein großes Objektfeld, das bis zu 180° betragen kann. Je größer dabei das Sehfeld ist, das durch ein optisches System auf einen Detektor abgebildet wird, desto kleiner muss die Brennweite f sein. Gekühlte Infrarotdetektoren bestehen meist aus einem sogenannten Focal Plane Array (FPA) Strahlungsdetektor, einem Filter, einer Kaltlichtblende und einem Fenster. Diese Baugruppen sind entlang der optischen Achse hinter dem Linsensystem angeordnet. Der Bereich zwischen dem Fenster und dem FPA steht für die konstruktive Ausgestaltung der Optik nicht zur Verfügung. Mit anderen Worten: In diesem Bereich können außer dem vorhandenen Filter keine weiteren optisch wirksamen Elemente eingebracht werden. Für die Objektivausführung hat dies zur Folge, dass die Schnittweite s' des Objektivs mindestens so lang sein muss, wie die Baulänge des Detektors. Die Schnittweite s' ist die Distanz vom Scheitelpunkt des hintersten Linsenelements bis zur Bildebene.
Bei einem Weitwinkelobjektiv für einen gekühlten Infrarotdetektor ist der Quotient s'/f größer als 1. Je größer jedoch dieser Quotient ist, desto komplexer ist das zugehörige optische System. Prinzipiell lässt sich eine kompakte Bauweise auch aus dem Quotienten L/f charakterisieren. L bezeichnet die Länge vom ersten Linsenscheitel bis zur Bildebene für einen gestreckten Aufbau. Mit anderen Worten: Es werden alle Linsendicken und Luftabstände betragsmäßig addiert. Je kleiner L/f ist, desto kompakter ist die Bauweise.
Die erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektive haben vorzugsweise mindestens eine Apertur von f/2.0 oder kleiner. Durch eine geeignete Brechkraftverteilung und Auswahl der Linsenmaterialien ergibt sich eine entsprechend hohe Bildfeldebnung. Auch sind die erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektive aufgrund des geringen Längenausdehnungskoeffizienten des verwendeten Fassungsmaterials athermal.
Ein besonderer Vorteil der Erfindung ist, dass eine kompakte Bauweise der Optik mit reduziertem Raumbedarf realisierbar ist.
In bevorzugter Ausgestaltung kann der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und kleiner als 4,5 sein. Mit diesem bevorzugten Auswahlintervall lassen sich konstruktiv alle Objektivvarianten mit besonders kompakter Bauweise realisieren.
Vorteilhafterweise kann der Quotient aus Abstand L vom ersten Linsenscheitel der einem Objekt am nächsten liegenden Linse bis zur Bildebene und der Brennweite f größer als 12 und kleiner als 15 sein. Mit diesem bevorzugten Auswahlintervall lassen sich insbesondere in Verbindung mit einem Quotienten aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und kleiner als 4,5 konstruktiv besonders kompakte Objektive fertigen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann zumindest eine Linse aus Silicium oder Saphir bestehen. Weitere Linsenmaterialien können Zinksulfid, Zinkselenid, Calziumfluorid oder Chalcogenide sein. Jedenfalls sind alle Linsenmaterialien für eine Verwendung geeignet, die eine ausreichend geringe Temperaturabhängigkeit der Brechzahl und eine ausreichend hohe Transmission bei erhöhter Temperatur aufweisen.
Des Weiteren kann vorteilhafterweise die einem Objekt am nächsten liegende erste Linse der objektseitigen Linsengruppe aus Saphir oder Silicium bestehen. Diese Materialien sind sehr hart und äußerst beständig gegenüber Umwelteinflüssen.
Bevorzugt kann die erste Linse der objektseitigen Linsengruppe eine sphärische Formgebung aufweisen.
Des Weiteren bevorzugt kann die objektseitige Linsengruppe ausschließlich aus Linsen mit negativer Brechkraft bestehen.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann die bildseitige Linsengruppe ausschließlich aus Linsen mit positiver Brechkraft bestehen.
Vorteilhafterweise kann die objektseitige Linsengruppe aus drei oder vier Linsen bestehen. Bei diesen Linsen kann es sich um Meniskuslinsen handeln, welche in entsprechend geringem Abstand zueinander in Folge angeordnet werden können. Dadurch kann die Optik insgesamt besonders kompakt gehalten werden.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die bildseitige Linsengruppe aus zwei Linsen bestehen.
Des Weiteren können vorteilhafterweise die beiden Linsengruppen aus insgesamt fünf oder sechs Linsen bestehen. Durch eine entsprechende Kombination der Linsen können beispielsweise Aberrationen oder Öffnungsfehler zumindest teilweise korrigiert bzw. kompensiert werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann bei den Linsengruppen zumindest eine Fläche einer Linse eine asphärische Formgebung aufweisen. Eine geeignete Kombination von Linsen mit sphärischer und asphärischer Formgebung kann sowohl herstellungstechnisch wie auch preislich günstig sein. Eine sphärische Formgebung ist aus geometrischen Erwägungen einfacher und damit bereits preisgünstiger herstellbar.
Vorteilhafterweise können bei den Linsengruppen höchstens vier Flächen eine asphärische Formgebung aufweisen.
In bevorzugter Ausgestaltung kann die Austrittspupille der beiden Linsengruppen mit einer Kaltlichtblende der Detektoreinheit zusammenfallen.
Des Weiteren kann vorteilhafterweise der Durchmesser der Austrittspupille der beiden Linsengruppen zumindest so groß sein, wie der Durchmesser einer Kaltlichtblende der Detektoreinheit.
Vorteilhafterweise kann bei den Linsengruppen zumindest eine Linse austauschbar sein. Auf diese Weise ist das Objektiv modular aufgebaut. Beispielsweise können die ersten beiden der einem Objekt am nächsten liegenden Linsen der objektseitigen Linsengruppe ausgetauscht werden. Das Material Saphir besitzt beispielsweise einen Brechungsindex n < 2. Silicium hingegen hat einen Brechungsindex n > 3. Damit kann das Objektiv mit wenigen Änderungen an unterschiedliche Einsatzszenarien angepasst werden.
In bevorzugter Ausgestaltung kann bei den Linsengruppen zumindest eine Linse entlang der optischen Achse verschiebbar sein. In Verbindung mit einem Linsentausch kann eine Vielfalt kompakter Weitwinkelobjektive realisiert werden.
Die Petzval-Summe 1 / R' des Weitwinkelobjektivs kann größer als –0,01 und kleiner als 0,01, insbesondere größer als –0,005 und kleiner als 0,005 sein.
Vorteilhaft ist es, wenn die Petzval-Summe des Weitwinkelobjektivs gering ist. Durch die Brechkraftverteilung und die Auswahl der Linsenmaterialien bei dem erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektiv kann sich eine nahezu perfekte Bildfeldebnung einhergehend mit einem kleinen Wert der Petzval-Summe ergeben. Die Petzvalsumme 1 / R' ist dabei wie folgt definiert:
wobei R' der Petzval-Radius, k die Anzahl der Flächen, n die Brechzahl vor der brechenden Fläche, n' die Brechzahl nach der brechenden Fläche und r der Radius der brechenden Fläche ist. Für die Petzval-Summe bei den erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektiven kann somit gelten: –0,01< 1 / R' < 0,01.
Weitere vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den nachfolgend anhand der Zeichnungen prinzipmäßig beschriebenen Ausführungsbeispielen.
Es zeigen:
1 eine Schemazeichnung zur Linsen- und Detektoranordnung eines erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektivs mit einem Linsensystem aus sechs Linsen, und
2 eine Schemazeichnung zur Linsen- und Detektoranordnung eines erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektivs mit einem Linsensystem aus fünf Linsen.
1 zeigt eine Schemazeichnung zur Linsen- und Detektoranordnung eines erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektivs 1 mit einem Linsensystem aus sechs Linsen. Die erste objektseitige Linsengruppe 2 besteht aus vier objektseitigen Linsen 22, 24, 26, 28, welche bei diesem Ausführungsbeispiel alle eine negative Brechkraft aufweisen. Die zweite bildseitige Linsengruppe 3 besteht aus zwei bildseitigen Linsen 32, 34 mit einer positiven Brechkraft. Die Baukomponenten der Detektoreinheit 4 umfassen ein Fenster 42 und eine Kaltlichtblende 44 mit Filterwirkung, welche mit der Austrittspupille der beiden Linsengruppen 2, 3 zusammenfällt. Ein Detektor 46 ist als FPA (Focal Plane Array) am bildseitigen Ende entlang der optischen Achse A positioniert.
Bei dem beispielhaft ausgeführten Weitwinkelobjektiv nach 1 gilt für die Quotienten s'/f = 4,09 und L/f = 13.47. Diese Werte liegen in einem besonders bevorzugten Bereich, bei dem der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und kleiner als 4,5 und der Quotient aus Abstand L vom ersten Linsenscheitel bis zur Bildebene und der Brennweite f größer als 12 und kleiner als 15 ist.
Derartige bevorzugte Werte für die Quotienten s'/f = 4,09 und L/f = 13.47 werden beispielsweise mit der in der Tabelle 1 aufgeführte Linsenfolge mit den genannten Materialien erzielt. Hierbei besteht die erste Linse 22, welche einem Objekt am nächsten liegt, wahlweise aus den Materialien Saphir oder Silicium. Tabelle 1: Linsenabfolge mit Materialauswahl

Element [Bezugszeichen] Material

22 Saphir oder Silicium

24 Silicium

26 Silicium

28 Silicium

32 ZnS

34 ZnS

42 Silicium

44 Silicium
2 zeigt eine Schemazeichnung zur Linsen- und Detektoranordnung eines weiteren erfindungsgemäßen Weitwinkelobjektivs 1 mit einem Linsensystem aus fünf Linsen. Die erste objektseitige Linsengruppe 2 besteht aus drei objektseitigen Linsen 22, 24, 28, welche bei diesem Ausführungsbeispiel alle eine negative Brechkraft aufweisen. Die zweite bildseitige Linsengruppe 3 besteht aus zwei bildseitigen Linsen 32, 34 mit einer positiven Brechkraft. Bei der Detektoreinheit 4 fällt die Position für die Kaltlichtblende 44 mit der Austrittspupille der beiden Linsengruppen 2, 3 zusammen. Der eigentliche Detektor 46 ist wiederum als FPA am bildseitigen Ende entlang der optischen Achse A positioniert.
Für das Weitwinkelobjektiv nach 2 gilt: s'/f = 3,99 und L/f = 13.47. Diese Werte liegen wiederum in dem bereits genannten besonders bevorzugten Bereich, bei dem der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und kleiner als 4,5 und der Quotient aus Abstand L vom ersten Linsenscheitel bis zur Bildebene und der Brennweite f größer als 12 und kleiner als 15 ist.
Beispielsweise kann die in der Tabelle 2 aufgeführte Linsenfolge mit den genannten Materialien angeordnet werden. Hierbei besteht die erste Linse 22, welche einem Objekt am nächsten liegt, aus Saphir. Tabelle 2: Linsenabfolge mit Materialauswahl

Element [Bezugszeichen] Material

22 Saphir

24 Silicium

28 Silicium

32 ZnS

34 ZnS

42 Silicium

44 Silicium
Bei beiden Varianten nach 1 oder 2 ist der Brechungsindex der objektseitigen Linsengruppe 2 betragsmäßig größer als der Brechungsindex der bildseitigen Linsengruppe 3, mit Ausnahme der Komponente 22.
Die Petzval-Summe 1 / R' der Weitwinkelobjektive nach den 1 und 2 kann in vorteilhafter Weise größer als –0,01 und kleiner als 0,01, insbesondere größer als –0,005 und kleiner als 0,005 sein.
Bezugszeichenliste

1: Weitwinkelobjektiv
2: Objektseitige Linsengruppe
22, 24, 26, 28: Objektseitige Linsen
3: Bildseitige Linsengruppe
32, 34: Bildseitige Linsen
4: Detektoreinheit
42: Fenster
44: Filter mit Kaltlichtblende
46: Detektor (Focal Plane Array)
A: optische Achse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1533638 B1 [0003]

Claims

Weitwinkelobjektiv (1) für den infraroten Spektralbereich, mit zwei entlang einer optischen Achse (A) angeordneten Linsengruppen (2, 3) mit mehreren Linsen (22, 24, 26, 28, 32, 34) und einer Detektoreinheit (4), wobei in Richtung von einer Objektseite zu einer Bildseite eine objektseitige Linsengruppe (2) eine negative Brechkraft und eine bildseitige Linsengruppe (3) eine positive Brechkraft aufweist, dadurch gekennzeichnet, – dass der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 ist, und – dass der Quotient aus dem Abstand L vom ersten Linsenscheitel der einem Objekt am nächsten liegenden ersten Linse (22) bis zur Bildebene und der Brennweite f kleiner als 15 ist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus der Schnittweite s' und der Brennweite f größer als 3,5 und kleiner als 4,5 ist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Quotient aus Abstand L vom ersten Linsenscheitel der einem Objekt am nächsten liegenden Linse (22) bis zur Bildebene und der Brennweite f größer als 12 und kleiner als 15 ist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Linse (22, 24, 26, 28, 32, 34) aus Silicium oder Saphir besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die einem Objekt am nächsten liegende erste Linse (22) der objektseitigen Linsengruppe (2) aus Saphir oder Silicium besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Linse (22) der objektseitigen Linsengruppe (2) eine sphärische Formgebung aufweist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die objektseitige Linsengruppe (2) ausschließlich aus Linsen (22, 24, 26, 28) mit negativer Brechkraft besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die bildseitige Linsengruppe (3) ausschließlich aus Linsen (32, 34) mit positiver Brechkraft besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die objektseitige Linsengruppe (2) aus drei oder vier Linsen besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die bildseitige Linsengruppe (3) aus zwei Linsen besteht.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Linsengruppen (2, 3) aus insgesamt fünf oder sechs Linsen bestehen.
Weitwinkelobjektiv (1) nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Linsengruppen (2, 3) zumindest eine Fläche einer Linse eine asphärische Formgebung aufweist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Linsengruppen (2, 3) höchstens vier Flächen eine asphärische Formgebung aufweisen.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Austrittspupille der beiden Linsengruppen (2, 3) mit einer Kaltlichtblende (44) der Detektoreinheit (4) zusammenfällt.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Austrittspupille der beiden Linsengruppen (2, 3) zumindest so groß ist, wie der Durchmesser einer Kaltlichtblende (44) der Detektoreinheit (4).
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Linsengruppen (2, 3) zumindest eine Linse (22, 24, 26, 28, 32, 34) austauschbar ist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass bei den Linsengruppen (2, 3) zumindest eine Linse (22, 24, 26, 28, 32, 34) entlang der optischen Achse (A) verschiebbar ist.
Weitwinkelobjektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Petzval-Summe 1 / R' des Weitwinkelobjektivs (1) größer als –0,01 und kleiner als 0,01 ist.