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Bildwandler- und -verstärkervorrichtung mit optischem Beobachtungs-System
Die Erfindung bezieht sich auf Bildwandlervorrichtungen, die aus einer Bildverstärkerröhre
und einem vergrößernden binokularen optischen System zur Beobachtung des Fluoreszenzbildschirmes
der Bildverstärkerröhre bestehen.
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In der folgenden Beschreibung umschließt der Begriff Bildverstärkerröhre
alle Arien von Vakuumröhren mit Fotokathoden zur Umwandlung eines sichtbaren oder
unsichtbaren Strahlenbildes in ein Elektronenbild und den Bildschirm für die Rückübertragung
eines derartigen Elektronenbildes in ein sichtbares Bild größerer Helligkeit als
der des ursprünglichen Strahlenbildes.
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Die binokulare Betrachtung hat den Vorteil, daß der Beobachter nicht
so schnell ermüdet. Es bestand daher schon immer das Bestreben, Bildverstärkervorrichtungen
mit geeigneten Einrichtungen für die binokulare Betrachtung zu versehen. Dabei ergibt
sich jedoch folgende Schwierigkeit: In der Praxis ist es erforderlich, daß die Vergrößerung
des optischen Systems für Beobachtungen des Fluoreszenzbildes - im folgenden einfach
Betrachtungssystem genannt - verhältnismäßig groß ist, d. h. zwischen etwa 10- und
20fach liegt, da man einerseits den Fluoreszenzschirm klein halten will, andererseits
jedoch gleichzeitig dem gesamten Instrument, beispielsweise einem Infrarotteleskop,
eine Winkelvergrößerung geben möchte, die wenigstens gleich 1 ist. Je kleiner das
Fluoreszenzbild ist, desto größer ist der Vergrößerungsfaktor des Bildverstärkers.
Darüber hinaus ist eine Winkelvergrößerung des gesamten Instruments unter 1 nicht
wünschenswert, damit nicht allzu viele Bildeinzelheiten verlorengehen.
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Andererseits ist es infolge der auch verhältnismäßig geringen Helligkeit
des zu beobachtenden Fluoreszenzbildes wünschenswert, den Pupillendurchmesser des
an die Dunkelheit adaptierten Auges voll auszunutzen. Darüber hinaus ist es für
einige Anwendungen, wie beispielsweise für Infrarotteleskope bei feldmäßigem Gebrauch
oder in bewegten Fahrzeugen, erforderlich, noch größere Austrittspupillen des Instruments,
beispielsweise bis zu 10 oder 15 mm, zu haben.
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Bis jetzt konnte noch keine befriedigende Lösung für das Problem der
binokularen Beobachtungen von Bildverstärkerschirmen gefunden werden, welche die
obigen Bedingungen völlig befriedigt. Es leuchtet ein, daß für die erforderliche
Vergrößerung binokulare Mikroskope verwendet werden müssen. Im allgemeinen haben
die bekannten Typen von binokularen Mikroskopen jedoch zu kleine Austrittspupillen,
falls eigene Objektive-für die beiden Instrumentenhälften verwendet werden. Im Falle
der Verwendung eines einzigen gemeinsamen Objektivs sind diese Mikroskope mit einer
'Einrichtung zur Bildaufspaltung versehen, wodurcli jedes Okular nur die Hälfte
des zur Verfügung stehenden und vom Objektiv durchgelassenen Lichtes erhält. Bei
der konventionellen Mikroskopie sind diese Nachteile von untergeordneter Bedeutung,
da dabei für die Beobachtung immer genügend Licht zur Verfügung steht.
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Um die beschriebenen Schwierigkeiten zu beseitigen, sind binokulare
Bildversfu"rkereinrichtungen oft aus zwei Hälften gebaut worden, von denen jeder
eine Bildverstärkerröhre, ein `vor dieser- Röhre angeordnetes Objektiv und ein einäugiges
Mikroskop hinter der Röhre enthält. Zusätzlich zu den hohen Kosten und dem Raumbedarf
derartiger Instrumente sind sie mit dem Nachteil behaftet, daß zwei Bildverstärker
der gleichen Art; selbst bei Einstellung auf maximale Bildgenauigkeit,' selten Bilder
von genau gleichen Dimensionen wiedergeben. Darüber hinaus ist es schwierig,- dis
beiden Bilder so einzustellen, daß sie gleiche Lagen und Helligkeiten aufweisen,
so daß sich eine zufriedenstellende Verschmelzung der beiden Bilder nur sehr selten
erreichen läßt.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Bildverstärkervorrichtung mit
einer Bildverstärkerröhre und einem vergrößernden binokularen optischen System zur
Beobachtung des Fluoreszenzbildschirmes des Bildverstärkers. Erfindungsgemäß wird
das vergrößernde
binokulare optische System als binokulares Mikroskop
mit folgenden Teilen aufgebaut: a) ein Objektiv mit einer relativen Apertur von
mindestens 1/1, dessen Brennebene gegenstandsseitig mit dem Fluorreszenzschirm zusammenfällt;
b) zwei Objektive, deren absolute Apertur der Hälfte der absoluten Apertur des Objektivs
unter a) ist und die im Lichtweg des Objektivs unter a) angeordnet sind, wobei ihre
Achsen parallel zueinander verlaufen; c) zwei Okulare, von denen jedes das Licht
von einem der beiden Objektive unter b) erhält und die in Pupillenabstand angeordnet
sind; d) eine Vorrichtung zwischen den Objektiven unter b) und den Okularen zur
Einstellung der optischen Objektivachsen auf Pupillenabstand.
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Das große unter a) genannte Objektiv bildet das Bild des Bildschirmes
auf unendlich ab. Anschließend wird das Bild durch das binokulare Teleskop beobachtet,
das von dem unter b), c) und d) genannten Teilen gebildet wird. Es leuchtet ein,
daß die Gesamtvergrößerung des Betrachtungssystems das Produkt aus der Vergrößerung
des Objektivs a), als Tune hetrachtet_ d_ h_
und der Winkelvergrößerung des binokularen Teleskops:
ist, wobei fa, fb und fc die Brennweiten des Objektivs a), der Objektive b) bzw.
der Okulare c) sind.
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Die erfindungsgemäße Bedeutung einer großen relativen Apertur des
Objektivs a) wird aus der folgenden Betrachtung ersichtlich: Je größer die relative
Apertur des Objektvis a) ist, desto größer ist bei gegebener Brennweite die absolute
Objektivapertur, und desto größer kann auch der Durchmesser des Teleskopobjektivs
b) sein. Umgekehrt bedeutet eine große relative Apertur des Objektivs a) bei einem
gegebenen Durchmesser, daß die Brennweite klein ist und dementsprechend die Vergrößerung
groß wird. Bekanntlich erhält man die Austrittspupille eines Teleskops durch Division
der Eintrittspupille des Teleskopobjektivs durch den Vergrößerungsfaktor. Aus obigen
überlegungen folgt, daß eine große relative Apertur des Objektivs a) entweder bedeuten
kann, daß die Eintrittspupille des Teleskopobjektivs b) groß ist oder die Vergrößerung
des Teleskopteils verkleinert wird. Wenn nämlich eine bestimmte Gesamtvergrößerung
gewünscht wird, kann der Teleskopteil eine geringe Vergrößerung aufweisen, falls
die Vergrößerung des Objektivs a) entsprechend vergrößert wird. Daher erscheint
es, daß die relative Apertur des letzteren Objektvis den Durchmesser der Austrittspupille
bestimmt, der bei einer bestimmten gewünschten Gesamtvergrößerung erhalten werden
kann.
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Es sind zwar bereits binokulare Mikroskope bekanntgeworden, die aus
einem binokularen Teleskop mit zwei Objektiven verhältnismäßig geringen Durchmessers,
zwei Okularen und einer Einstelleinrichtung für die Okulare auf Pupillenabstand
sowie einem Objektiv mit großem Durchmesser bestehen, das vor den beiden Teleskopobjektiven
angeordnet ist. Bei diesen bekannten Mikroskopen hat das Frontobjektiv jedoch eine
relative Apertur, die beträchtlich unter der von der Erfindung vorgeschlagenen Apertur
liegt. Demzufolge sind diese Objektive nicht zur Lösung der erfindungsgemäßen Aufgabe
geeignet.
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Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung liegt die
Gesamtvergrößerung des optischen Systems zwischen 10- und 20fach und das Verhältnis
zwischen der Brennweite des Objektivs b) und der des Objektivs a) zwischen 2,3 und
3,2.
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Ein Beispiel der erfindungsgemäßen Vorrichtung soll an Hand der Zeichnung
näher erläutert werden. In der Zeichnung ist schematisch ein Infrarot-Teleskop mit
einer Gesamtvergrößerung von 1 dargestellt. Im Teleskopgehäuse 1 ist ein Lichtobjektiv
2 angeordnet, welches ein Infrarotbild der beobachteten Szene auf die Fotokathode
4 einer Bildwandlerröhre 3 abbildet. Diese Röhre wandelt das infrarote Bild
in bekannter Weise in ein verkleinertes sichtbares Bild auf dem Fluoreszenzschirm
5 um, welches anschließend binokular mit einer derartigen Vergrößerung beobachtet
werden soll, daß die Winkelvergrößerung des Gesamtinstruments etwa gleich 1 ist.
Bei Erfüllung dieser Bedingung erscheinen die Objektive durch das Teleskop unter
dem gleichen Winkel wie mit dem unbewaffneten Auge.
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Bei einer typischen Anordnung betrage die Brennweite des Objektvis
2 39 mm. Der Bildwandler verkleinert das Bild um den Faktor 0,375. Daraus ergibt
sich die entsprechende Brennweite des Systems Objektiv 2 - Bildwandlerröhre 3 zu:
39 - 0,375 = 15 mm, d. h., das auf dem Bildschirm der Röhre erscheinende Bild hat
eine Größe, als ob es von einem optischen Objektiv mit einer Brennweite von 15 mm
abgebildet worden wäre. Unter der Annahme, daß das System des Objektivs 2 und der
Röhre 3 das Objektiv des Infrarotteleskops bildet, wobei das Betrachtungssystem
dann als Okular beschrieben werden kann, wird es klar, daß das Betrachtungssystem
für eine Gesamtvergrößerung von 1 gleichfalls eine Brennweite von 15 mm haben muß.
Daraus ergibt sich eine Vergrößerung von
Man kann natürlich diese Vergrößerung durch eine Verringerung der Verkleinerung
der Bildwandlerröhre 3 abschwächen. Dies ist jedoch nicht erwünscht, da die Helligkeit
des Bildes auf dem Schirm 5 umgekehrt proportional zum Quadrat des Vergrößerungsfaktors
der Röhre ist. Diese Tatsache ist auch der Grund dafür, daß die Größe des Schirmbildes
im allgemeinen so weit verkleinert wird, wie dies mit anderen Erfordernissen noch
vereinbar ist.
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Ferner ist es wünschenswert, daß die Austrittspupille des verwendeten
binokularen Betrachtungssystems mindestens die Größe eines normalen, an die Dunkelheit
adaptierten Auges hat, vorzugsweise jedoch noch größer ist, und daß die Helligkeit
des Bildes nicht durch eine Bildaufspaltungseinrichtung, wie halb reflektierende
Spiegel od. dgl., abgeschwächt werden kann.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß ein Betrachtungssystem
vorgesehen ist, das
aus dem sehr lichtstarken Objektiv 6 und zwei
dahinter angeordneten Teleskophälften besteht, von denen jede einen Teil der das
Objektiv 6 verlassenden Lichtstrahlen empfängt und diesen Anteil an ein Auge weiterleitet.
Die Brennebene des Objektivs 6 auf der Gegenstandsseite fällt mit dem Bildschirm
5 zusammen, so daß die austretenden Lichtstrahlen parallel verlaufen. In der Zeichnung
sind lediglich bei einer der beiden Teleskophälften die einzelnen Teile mit Bezugsziffern
versehen und die Wege einiger Lichtstrahlen eingezeichnet. Diese Teleskophälfte
besteht aus dem Objektiv 7, einem Prismensystem zur Bildaufrichtung, von welchem
nur die beiden 45°-Prismen 8 und 9 sichtbar sind, und aus dem Okular
10,
dessen Feldlinse 11 und Augenlinse 12 eingezeichnet sind. Die 45''-Prismen
8 und 9 bilden zusammen mit einem darunterliegenden und daher in der Zeichnung nicht
sichtbaren 90°-Prisma ein Porro-Prismensystem zweiter Art. Dieses System richtet
nicht nur das Bild auf, sondern versetzt auch die optische Achse der Teleskophälfte
parallel zu sich selber, so daß die Achsen der beiden Okulare gegenseitig auf Pupillenabstand
zu liegen kommen.
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Die relative Apertur des Objektivs 6 beträgt 1/0,75 und seine Brennweite
f = 32 mm. Die Brennweite des Teleskopobjektivs 7 beträgt f = 86,5 mm, während die
relative Apertur 1/4 ist. Die Eintrittspupille ergibt sich daher zu 21,6 mm, was
der Hälfte des Objektivdurchmessers vom Objektiv 6 entspricht. Das Verhältnis der
Brennweiten der beiden Objektive 6 und 7 ist 2,7. Das Okular hat eine Brennweite
von 40 mm und eine relative Apertur von gleichfalls 1/4. Dementsprechend ergibt
sich eine Winkelvergrößerung des Teleskops von:
Die Austrittspupille berechnet sich dabei zu:
Dieser Wert ist beträchtlich größer als der Durchmesser der an die Dunkelheit adaptierten
Pupille des Auges 13.
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Die Gesamtvergrößerung des Betrachtungssystems ergibt sich zu:
Daraus folgt, daß alle Erfordernisse erfüllt werden können.