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Periskop mit Vorderpupille und auf die Kühlumhüllung aufgesetztem
optischem Element Die vorliegende Erfindung betrifft -eine Periskopvorrichtung mit
vorn liegender Pupille zur Beobachtung von Bereichen hoher Temperatur, in denen
sich Teilchen bewegen, die Wirbelbewegungen hoher Geschwindigkeit durchführen. Optische
Geräte zur Beobachtung von Bereichen hoher Temperatur, in deren Umgebung sich heiße
Teilchen bewegen, sind bereits bekannt. Es ist auch bekannt, die rohrförmig ausgebildete,
aus einer Metallhülse bestehende Fassung einer solchen optischen Vorrichtung vorn
durch ein Abedeckelement zu verschließen, in dessen Zentrum eine Glasschutzscheibe
angeordnet ist. Es ist ferner kannt, daß die üblichen optischen Vorrichtungen, wie
etwa Periskope oder Endoskope, die dazu bestimmt sind, in Milieus mit hoher Temperatur
eingetaucht zu werden, Kühlhülsen aufweisen, in denen gegebenenfalls eine Kühlflüssigkeit,
wie beispielsweise Wasser umläuft, wobei diese Hülsen von den Fassungen der vorstehend
genannten optischen Vorrichtungen durch einen ringförmigen freien Raum getrennt
sind, der für das Hindurchströmen eines Luftstromes vorbehalten ist, der insbesondere
die Ventilatoren der Vorderfläche ihrer Objektive sicherstellt.
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Es ist andererseits bekannt, daß in den Milieus, in denen die genannten
Objektive dem Auftreffen von festen Teilchen ausgesetzt sein können, vorzugsweise
eine sehr kleine Sichtöffnung der genannten Objek-
tive vorgesehen wird, um
zu verhüten, daß die festen Teilchen auf eine große Oberfläche der Vorderseite der
ersten Linse der genannten Objektive auftreffen können, und um weiter zu verhüten,
daß die optischen Elemente, die die vorstehend genannten Vorrichtungen darstellen,
sich erhitzen können, was geschehen würde, wenn ein beträchtlicher Durchlaß den
Hltzestrahlungen gestatten würde, in das Innere der Kühlhülsen einzudringen.
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Es ist außerdem bekannt, daß es vorteilhaft ist, wenn ein großes Beobachtungsfeld
erzielt werden soll, Objektive mit Vorpupille zu verwenden, bei denen vorzugsweise
diese Pupille so nahe wie möglich an der Sehöffnung angeordnet ist, wobei diese
öffnung üblicherweise an der Vorderseite der Kühlhülsen angeordnet ist.
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Bei diesen bekannten Bauweisen liegt die Pupille im allgemeinen beträchtlich
vom ersten optischen Element des Objektivs entfernt, was zum Erreichen eines ausgedehnten
Gesichtsfeldes die Verwendung von Linsen großer Abmessungen notwendig macht, die
schwierig in Fassungen kleinen Durchmessers einbaubar sind.
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Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, eine Periskopvorrichtung
anzugeben, die einerseits eine große Apertur aufweist und andererseits wirkungsvoll
gekühlt werden kann. Zur Lösung dieser Aufgabe wird eine Periskopvorrichtung der
oben angegebenen Art vorgeschlagen, die dadurch gekennzeichnet ist, daß auf der
Höhe der Sichtöffnung der Vorrichtung koaxial zur Sichtachse ein aufgesetztes optisches
Element mit Hilfe eines Tragrings im Zentrum eines Verschlußorgans angeordnet ist,
das mit einer Kühlhülse zusammenwirkt und selbst aus sehr gut wärmeleitendem Material
besteht, daß der Tragring von Längsöffnungen durchbohrt ist, die das Hindurchtreten
von Luft gestatten, und daß zwischen zueinander parallelen konischen Teilen des
Verschlußorgans und des aufgesetzten optischen Elements ein Raum ringförmigen Querschnitts
für den Durchtritt der Luft frei gelassen ist und daß das optische Element vorn
ein stumpfkegeliges Rundprofil aufweist und daß die Kegelstumpfoberfläche vom mit
dem am Ausgang des aufgesetzten optischen Elements versetzten Bild der Eingangspupille
des Objektivs der Periskopvorrichtung zusammenfällt.
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Bei einer Ausführungsform der Erfindung besteht das aufgesetzte optische
Element aus einer dicken Scheibe mit parallelen Flächen, die nach vorn zu ein stumpfkegeliges
Rundprofil aufweist, dessen Kegelabstufung in der Nähe der Mitte des Vorderteiles
des Verschlußorgans liegt, so daß die Eingangspupille des Objektivs noch weiter
nach vorn auf die Höhe des stumpfkegelig abgeschnittenen Teiles des genannten
komplementären
optischen Elementes verlagert ist. Jedoch wird bei dieser Ausführungsform das Gesichtsfeld
nicht vergrößert und hängt noch vom Durchmesser der ersten Linse des Objektivs des
Periskops ab.
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Bei einer anderen Ausführungsform behält das aufgesetzte optische
Element die gleiche Form an seinem vorderen Teil, weist aber hinten eine kugelige
Konvexität auf, deren Mittelpunkt mit dem der abgeschnittenen flachen Oberfläche
des aenannten aufgesetzten optischen Elementes zusammenfällt. Ein solches aufgesetztes
optisches Element gestattet es dann, das Gesichtsfeld im Verhältnis zu dem
beträchtlich zu erweitern, das dem Durchmesser der ersten Linse des Objektivs des
Periskops entspricht.
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So weist, im Gegensatz zu den bekannten Verfahren, die darin bestehen,
einfach die Sichtöffnung des Objektivs zu verringern und die Eingangspupille dieses
Objektivs so nahe als möglich an dem vorderen Teil der Kühlhülse anzubringen, die
Fassung nach der vorliegenden Erfindung ein Verschlußorgan auf, das vor dem Objektiv
montiert wird und als Träger für ein aufgesetztes optisches Element dient, wobei
das genannte Verschlußorgan von ringförmigen Leitungen durchbohrt ist, die das Hindurchtreten
eines Luftstromes zwischen der Kühlhülse und der Fassung des Objektivs gestatten,
wobei der genannte Luftstrom dann um den stumpfkegeligen Teil des aufgesetzten optischen
Elementes fließt, um ein Luftpolster vor diesem zu schaffen, der jegliches Schleudem
von festen Teilchen auf diese Vorderseite verhindert.
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Diese stumpfkegelige Anordnung, bei der das aufgesetzte optische Element
an der Vorderseite des Verschlußorgans das optische Element des Objek-
tivs
fast vollständig abdeckt, das der zu beobachtenden Zone zugewendet ist, gestattet
es, die Nachteile eines wirbenden Ausströmens der Luft zu verhindern, die bei den
früheren Ausführungsformen beobachtet wurden, bei denen die auf der Höhe der Sichtöffnung
des Objektivs austretende Luft senkrecht zur Achse dieser öffnung gerichtet war
und daher auf der Höhe dieseröffnung einer beträchtlichenUmleitung unterlag.
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In der Tat gestattet die verhältnismäßig große Dicke des Verschlußorgans,
das das aufgesetzte optische Element umgibt, eine bessere Führung der Luft um das
genannte Element und sichert ein laminares Abfließen, ohne daß, wie bei gewissen
anderen Vorrichtungen, ein zweiter Luftkanal in der Achse der Sichtöffnung vorgesehen
werden muß, um jeg-
liche Möglichkeit des Schleuderns von festen Teilchen
auf die Vorderseite des Kopfobjektivs zu verhüten.
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Schließlich verhütet die Vorrichtung nach der Erfindung wegen der
besonders guten Wärmeleitfähigkeit des Metalls, das das Verschlußorgan in Berührung
mit der Wandung der Kühlhülsen bildet, und wegen der beträchtlichen Entfernung zwischen
dem Objektiv des Gerätes und auf der Vorderfläche des aufgesetzten optischen Elementes
jegliches Erhitzen des Objektivs der Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung.
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Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung er-,geben sich aus der
nachstehenden Beschreibung zweier in den schematischen Zeichnungen dargestellt'
ter Ausführunasformen.
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Fig. 1 ist ein diametraler Schnitt durch eine erste
Ausführungsform der optischen Vorrichtung nach der Erfindung, die vom ein aufgesetztes
optisches Element aufweist, das aus einer Scheibe mit paralleler Flächen besteht;
F i g. 2 ist ein diametraler Schnitt durch einc andere Ausführungsform mit
vergrößertem Feld einei optischen Einrichtung nach der Erfindung, wobei ah aufgesetztes
optisches Element ein Diopter mit hinterer konvexer Fläche vorgesehen ist.
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Die optische Vorrichtung nach F i g. 1 umfaß1 eine Kühlhülse
1, in deren Innerem eine Kühlflüssigkeit in den Hohlräumen2 umläuft.
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Ein Verschlußorgan 3 aus einem gut wärmeleitenden Metall ist
auf ein Innengewinde 4 aufgeschraubt, das auf der Hülse 1 vorgesehen ist.
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Das aufgesetzte optische Element5 ist mit Hilft eines Ringes
6 montiert, der seinerseits selbst aul ein Innengewinde 7 des Verschlußorgans
3 aufgeschraubt ist.
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Wie in Fi g. 1 gezeigt, ist der Ring 6 mit Verbindungsöffnungen
8 durchbohrt, die das Hindurchtreten der entlang dem Hohlraum 9 geblasenen
Lufi zwischen die Kühlhülse 1 und die, Fassung 10 de, optischen Gerätes
in Richtung der Pfeile U zu dem Hohlraum 12 gestatten, der sich zwischen
dem Verschlußorgan 3 un dem Ring 6 befindet. Diese Lufi verläuft danach
entsprechend dem Weg der Pfeile 13# um den ringförmigen konischen Raum 14
zu erreichen, der das zusätzliche optische Element 5 vor dem Verschlußorgan
3 trennt und um dann vor dem aufgesetzten optischen Eement 5 ein Polster
aus Kühlluft zu bilden, die in Richtung der Pfeile 15 abfließt, Die Kühlung
der optischen Elemente, die in der Fassung 10 montiert sind, wird
auf diese Art und Weise gleichzeitig wie die des optischen Zusatzelementes
5
sicherstellt, was verhütet, daß Hitzestrahlungen sich zur Fassung
10 und den darin befindlichen optischen Elementen fortpflanzen.
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Es ist selbstverständlich, daß das Verschlußorgan 3
nicht nur
durch die Luftströme, gekühlt wird, die nach den Pfeilen 13 und
15 verlaufen, sondern daß es auch durch Wärmeleitfähigkeit gekühlt wird,
da es selbsi mit den Kühlhülsen 1 in Berührung steht, #die von dei unter
Druck stehenden Flüssigkeit bei 2 gekühli werden.
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Das Luftpolster, das sich vor dem aufgesetzter optischen Element
5 befindet, verhütet außerdem jeg-
liches Schleudern von festen Teilchen
auf den Vorderteil 16 geringer Oberfläche des genannten optischen Elementes,
was verhütet, daß dieses langsam undurchsichtig wird.
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In F i g. 1 ist der Verlauf eines Lichtstrables ge-
zeigt,
und es ist daraus zu ersehen, daß die Eingangspupille der optischen Strahlen, wie
etwa des Strahles 17, anstatt sich im Innern des aufgesetzten optischen Elementes
zu befinden, um einen Wert verschoben wird, der proportional zur Stärke dv,; scheibenförmigen
optischen Elementes ist und untei Voraussetzung kleiner Strahleneingangswinkel gleicb
dem Produkt dieser Stärke mit n-1 ist, wobei n der n Brechungsindex des Materials
bezeichnet, aus den: das genannte optische Element besteht. Dadurch wirb die Eingangspupille
bis zur Oberfläche 16, d. h. fasi bis auf das Niveau der Vorderwandung des
Verschlußorgans 3, verschoben.
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Immerhin ist die Maximalneigung der Strahlen, wie etwa des
Strahles 18, der auf dieser Eingangspupillc ankommt, die gleiche wie
die der entsprechenden
Strahlen vom Typ 17, was bewirkt,
daß das Beobachtungsfeld, das von einer solchen optischen Vorrichtung zur Verfügung
gestellt wird, unter Berticksichtigung des Durchmessers der ersten Linse
19 der Vorrichtung, winkelmäßig auf einen Wert beschränkt ist, der sehr wenig
höher ist als der, der der wirksamen Neigung des Strahles 18 entspricht.
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In der Tat würden Strahlen 181, die gegenüber der Achse der
Vorrichtung sehr geneigt wären, nach zwei Brechungen am Eingang und am Ausgang des
aufgesetzten Elementes 5 als Strahlen 171 auf die Fassung
10 auftreffen und könnten die genannte Linse 19 nicht erreichen.
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Die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform wird man daher dann
mit Vorteil verwenden, wenn ein kleinerer Aperturwinkel ausreicht und eine Verschiebung
der Eintrittspupille nach vorn erwünscht ist. Das hierfür verwendete optische Element
5 ist auf Grund der planen Gestaltung seiner rückwärtigen Oberfläche einfacher
herzustellen und damit billiger als ein solches. Element mit gekrümmter rückwärtiger
Oberfläche.
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Es ist leicht zu verstehen, daß der Ring 6 aus mehreren sich
radial, verbindenden Teilen hergestellt sein kann, um zu gestatten, bequem das zusätzliche
optische Element 5 im Innern des genannten Ringes 6
zu montieren.
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Wenn nun F i g. 2 untersucht wird, dann ist die gleiche Art
einer Kühlhülse 1 wieder zu finden mit den gleichen Durchlässen der Flüssigkeit
2, dem gleichen Verschlußorgan 3, den Gewinden 4 und 7, aber das aufgesetzte
optische Organ 5a weicht von dem optischen Organ 5 dadurch ab, daß es eine
konvexe hintere Oberfläche 5 b aufweist.
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Der Befestigungsring des aufgesetzten optischen Organs 5
a ist mit 6 a bezeichnet.
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Die Fassung des Objektivs ist mit dem Bezugszeichen 10a bezeichnet.
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In F i g. 2 ist gezeigt, daß, da die Lichtstrahlen
17 a,
die, in das Objektiv eintreten, näherungsweise alle als vom Mittelpunkt
der Oberfläche aus ausgehend angesehen werden können, so daß keinerlei Brechung
der Strahlen auf der konvexen Oberfläche 5 b eintritt, da diese Strahlen
senkrecht zu dieser kugeligen Oberfläche verlaufen, die als Mittelpunkt die Mitte
der Eingangspupille 16 der optischen Vorrichtung hat, wobei diese Pupille
mit ihrem Bild zusammentrifft, das von dem konvexen Diopter 5 b gegeben
wird.
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Man kann erkennen, daß entsprechend der Neigung des Strahles
18 a, der sich bei 20 gemäß der Richtung des Strahles 17a bricht, das Beobachtungsfeld
einer optischen Vorrichtung 5 a nach F i g. 2 auf Grund
der fehlenden Brechung von links einfallender Lichtstrahlen bei Verlassen des optischen
Organs 5a an dessen hinterer Oberfläche 5 b ganz heträchtl
" ich größer ist als das bei einer Vorrichtung nach F i g. 1. Zur
Erzielung eines gleich großen Aperturwinkels wie, bei F i g. 2 beieiner Vorrichtung
nach F i g. 1 müssen daher die Linsenelemente größeren Durchmesser aufweisen
als die Linsenelemente 19 a nach F i g. 2. Im Falle der F i
g. 2 fällt die Eingangspupille 16 des Ob-
jektivs mit ihrem
Bild zusammen, das vom konvexen Diopter 5b gegeben wird, und das Organ 5a
dient nicht mehr dazu, diese Eingangspupille noch weiter nach vom zu verschieben,
ohne dadurch den Wert des Gesichtsfeldes der Vorrichtung zu verringern, sondern
im Gegenteil, beträchtlich die Größe, dieses Gesichtsfeldes zu vergrößern auf Grund
der alleinigen Brechung der Strahlen auf der Höhe der Eingangspupille
16 und der Ausschaltung jeglicher Brechung auf den konvexen Diopter, wobei,
die Achse des Strahlenbündels die konvexe Oberfläche 5 b senkrecht
zu dieser letzteren durchläuft.
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Was den Schutz der optischen Elemente anbetrifft, die sich im Inneren
der Fassung 10a befinden, geschieht dieser Schutz gegen die Hitzestrahlungen genau
in der gleichen Art und Weise wie für die Vorrichtung nach F i g. 1.
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Das gleiche gilt bezüglich des laminaren Abfließens der Luft vor der
Eingangspupille 16, wobei dieses Ab-
fließen jegliches Aufschleudern
von Teilchen auf die genannte Pupille 16 verhütet und jegliche Möglichkeit
des progressiven Undurchsichtigwerdens des optischen Elementes 5a.
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Es kann jedoch auf der konvex-en Oberfläche 5b
ein Spezialüberzug
vorgesehen werden, der die Wärmestrahlen reflektiert und insbesondere die nahen
infraroten Strahlen, wobei dieser überzug dann gegenüber der vom beobachteten Raum
stammenden Strahlung die Rolle eines infrarotreflektierenden Hohlspiegels spielt
und dabei aber die sichtbaren Strahlen hindurchtreten läßt.
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Die Wärmestrahlungen werden dann in ihrer Gesamtheit auf die Eingangspupille
zurückgeworfen, und zwar an die am besten ventilierte Stelle, was jeg-
liche
Möglichkeit der Erhitzung der Vorrichtung verhütet und es gestattet, Eingangspupillen
von größerem Durchmesser zu verwenden und demgemäß weiter geöffnete und wesentlich
hellere Objektive.
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Der Durchmesser des Verschlußorgans kann verringert werden, so daß
die Kühlhülsen sich nach vorn bis auf einen radialen Abstand des aufgesetzten optischen
Elementes verlängern, der geringer ist als bei den vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.
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Ebenso kann die Achse des Beobachtungsfeldes im Verhältnis zu der
der optischen Vorrichtung verschoben werden, indem in dieser optischen Vorrichtung
ein Prisma vorges#eh#en wird, auf dessen Oberflächen das Lichtbündel einmal oder
mehrere Male reflektiert wird.
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Die Achse dieses Bündels ist auf diese Art und Weise in der Richtung
der Achse der vorstehend beschriebenen Vorrichtung verschoben, aber das
Ob-
jektiv bleibt immer koaxial zu dem genannten aufgesetzten optischen Element.
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Bei diesen verschiedenen Ausführungsformen kann der das aufgesetzte
optische Element tragende Ring nach Belieben auf der Fassung das Objektivs angeordnet
sein oder auf der Kühlhülse der Vorrichtung oder kann als Verbindungsorgan zwischen
der genannten Fassung und der genannten Hülse dienen.-