DE19501884B4

DE19501884B4 - Optische Anordnung

Info

Publication number: DE19501884B4
Application number: DE19501884A
Authority: DE
Inventors: Rolf Dr. Sand; Alfons Abele
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Hensoldt Optronics GmbH
Priority date: 1994-02-03
Filing date: 1995-01-23
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2015-01-24
Also published as: DE19501884A1

Abstract

Optische Anordnung mit Objektiv (1), schräger Planplatte (2) und Okular (3) mit torischer Fläche (311), dadurch gekennzeichnet, daß die torische Fläche (311) in einem Hauptschnitt von der Kreisform abweicht und so zugleich auf Astigmatismus und Koma der Anordnung korrigierend wirkt.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Anordnung mit Objektiv, schräger Planplatte und Okular mit torischer Fläche.

Schräg in einem optischen Strahlengang stehende Planplatten, wie sie z.B. als teildurchlässige Spiegel zur physikalischen Strahlenteilung gebraucht werden, erzeugen im transmittierten Strahlengang Astigmatismus. Dieser kann durch eine torische Fläche korrigiert werden, wie z.B. in US 4 412 723 als Stand der Technik angegeben, und auch in Naumann, Schröder „Bauelemente der Optik", München 1983, Seiten 152 und 161.

US 4 968 874 beschreibt eine derartige Anordnung mit einer Korrekturlinse mit zwei torischen oder zylindrischen Flächen. Der zweite Torus dient zum bewussten Erzeugen eines Astigmatismus für Autofokus-Regelzwecke.

Bei höheren Ansprüchen an die Bildqualität wird es bedeutend, dass eine schräg stehende Planplatte auch Koma verursacht (vgl. US 4 412 723 ). Durch einen einfachen Torus kann dies nicht korrigiert werden.

Aus US 4 801 183 A , US 4 079 247 A und US 4 731 527 A sind optische Anordnungen bekannt, die ein Objektiv, eine schräge Planplatte und ein Okular aufweisen. Jedoch ist aus keiner dieser Druckschriften ein Okular mit einer torischen Fläche, die in einem Hauptschnitt von der Kreisform abweicht, bekannt gemäß dem Gegenstand des geltenden Anspruchs 1.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße optische Anordnung anzugeben, bei der auch Koma hoch korrigiert ist.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass die torische Fläche in einem Hauptschnitt von der Kreisform abweicht und so zugleich auf Astigmatismus und Koma korngierend wirkt.

Vorteilhafte Ausführungsformen zeigen die torische Fläche als erste Fläche des Okulars nach der schrägen Planplatte, weisen ergänzend eine rotationssymmetrische asphärische Fläche auf, oder haben ein aus drei Meniskuslinsen aufgebautes Okular.

Der von der Kreisform abweichende Hauptschnitt der torischen Fläche ist bevorzugt ein Ellipsoid, dessen kleine Hauptachse auf der optischen Achse liegt, wobei das Ellipsoid am besten zusätzliche Deformationskonstanten vierter, sechster und achter Ordnung aufweist.

Die Erfindung findet primär Anwendung für infrarote Strahlung, wobei in der Bildebene ein Infrarotdetektor angeordnet ist. Dabei kann die Anordnung für Wellenlängen von 8μm bis 12μm achromatisiert sein und das Objektiv kann bispektral für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung sein, wobei die schiefe Planplatte das sichtbare Licht reflektiert. Die Anordnung ist dann z.B. für ein kombiniertes Tag- und Nachtsichtgerät geeignet.

Bevorzugt ist der Infrarot-Strahlengang afokal und hat er eine fünffache Vergrößerung.

Näher erläutert wird die Erfindung mittels der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel:

1 zeigt einen Linsenschnitt eines Ausführungsbeispiels;

2 zeigt ein Spot-Diagramm eines Ausführungsbeispiels;

3 zeigt ein Spot-Diagramm einer Anordnung ohne torische Korrekturfläche.

Die Anordnung der 1 besteht aus einem Objektiv (1) mit drei Linsen (11, 12, 13), der unter 45° zur optischen Achse angeordneten Planplatte (2), dem aus drei Meniskuslinsen (31, 32, 33) bestehenden Okular (3) und dem Infrarotdetektor (4) in der Bildebene B. Die Anordnung ist für unendliche Gegenstandsweite ausgelegt.
Das Objektiv (1) ist bispektral für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung von 8μm bis 12μm Wellenlänge jeweils als Achromat ausgebildet. Die erste Linse (11) ist dazu aus ZnS, die zweite Linse (12) aus KCl und die dritte Linse (13) aus BaF₂ gefertigt. In der Mitte eingebaut ist die hygroskopische Eigenschaft des KCl unproblematisch. Die Öffnungszahl des Objektivs (1) ist k=3.
Die Planplatte (2) aus Germanium ist durch geeignete Beschichtung als dichroitischer Strahlteiler ausgebildet, der das sichtbare Licht um 90° ablenkt (in der 1 nicht dargestellt) und die Infrarotstrahlung transmittiert. Zur Erzielung einer genügenden mechanischen Stabilität benötigt die Planplatte eine gewisse Dicke, im Beispiel 2,90 mm. Das bedingt aber den seitlichen Versatz des Strahlenganges und erzeugt so die Bildfehler Astigmatismus und Koma. 1 zeigt deutlich den entsprechenden asymmetrischen Strahlengang im Okular (3).
Zur Behebung dieser Bildfehler ist erfindungsgemäß die erste Fläche (311) der ersten Linse (31) des Okulars (3) eine torische Fläche, welche in einem Hauptschnitt elliptisch mit zusätzlichen Deformationen höherer Ordnung, nämlich vierter, sechster und achter Ordnung, ausgeführt ist. Durch die Zulassung von Abweichungen des Torus in einem Hauptschnitt von der Kreisform gewinnt man die nötigen Freiheitsgrade, um neben dem Astigmatismus auch die Koma korrigieren zu können.
Der Haupteffekt wird dabei durch Einführung der elliptischen Deformation erreicht, die Deformationen höherer Ordnung sind je nach konkreter optischer Anordnung, die korrigiert werden soll, von unterschiedlicher Bedeutung.
Die erste Fläche (111) der ersten Linse (11) des Objektivs (1) und die Vorderfläche (321) der zweiten Linse (32) des Okulars (3) sind in an sich bekannter Weise rotationssymmetrisch asphärisch ausgebildet zur Korrektion weiterer Bildfehler.
Zur Achromatisierung des Okulars (3) für 8μm bis 12μm Wellenlänge sind die beiden ersten Linsen (31, 32) aus Germanium, die dritte Linse (33) aus ZnSe gefertigt.
Die Linsen (31, 32, 33) des Okulars (3) sind als Meniskuslinsen ausgebildet.
Die genauen Daten des Objektivs von 1 sind der Tabelle 1 zu entnehmen.
Die asphärischen Parameter K, A, B, C beziehen sich dabei auf die Darstellung der Linsenkontur nach der Formel
Dabei ist c = 1/r die Krümmung.
Bezogen auf die Zeichenebene, welche die optische Achse der Anordnung mit dem Lot auf die schrägstehende Planplatte (2) aufspannt, liegt der rein kreisförmige Schnitt des Torus senkrecht und hat den größeren Radius aus der Tabelle.
Der abweichende Schnitt des Torus liegt in der Zeichenebene, hat den Radius 75,531 mm und die kleine Ellipsen-Hauptachse in Richtung der optischen Achse, die große Hauptachse in dazu senkrechter Richtung (y) innerhalb der Zeichenebene.
2 zeigt Spot-Diagramme der Anordnung gemäß Tabelle 1 für die objektseitigen Winkel W = 0°, 1,45° und 2,14° und 3 zeigt im Vergleich dazu das gleiche mit einer Anordnung, bei der die Fläche (311) rein sphärisch mit dem Radius r = 75,531 mm, also dem Grundradius der korrigierten Fläche gemäß der Erfindung ausgeführt ist. Man sieht, daß durch die Korrektur der Fokusfleck enger wird.
Tabelle 2 zeigt für die gleichen Bildwinkel die Zernike-Koeffizienten Z₅ – beschreibt den Astigmatismus – und Z₈ – beschreibt die Koma – für die beiden Fälle der 2 und 3 und zusätzlich für die Ausbildung der Fläche (311) als Torus mit zwei kreisförmigen Schnitten, also ohne weitere Korrekturglieder, mit dem Radius r_X = 75,63117 mm für den zweiten Hauptschnitt in der XZ – Ebene (senkrecht zur Zeichenebene).
Man sieht, daß durch Einführung des einfachen Torus der Astigmatismus – außer bei dem großen objektseitigen Winkel – reduziert wird, die Koma jedoch nicht. Unter diesen Umständen dominiert die Koma als Bildfehler und macht die Korrekturwirkung teilweise zunichte. Durch die zusätzliche Korrektur mit dem nicht kreisförmigen Schnitt des Torus wird auch die Koma reduziert und insbesondere bis zu dem großen Bildwinkel eine Verbesserung erzielt.
Die Herstellung einer erfindunggemäß vorgesehenen torischen Fläche, deren einer Hauptschnitt von der Kreisform abweicht und elliptisch mit Korrekturen höherer Ordnung ausgebildet ist, ist mit den bekannten Mitteln des Asphärenschleifens zu realisieren.
Die in den Figuren und Tabellen dargestellte Ausführung ist ein Beispiel, das im Rahmen der Ansprüche vielfältig verändert und den Erfordernissen angepaßt werden kann.
Tabelle 1
Tabelle 2

Claims

Optische Anordnung mit Objektiv (1), schräger Planplatte (2) und Okular (3) mit torischer Fläche (311), dadurch gekennzeichnet, daß die torische Fläche (311) in einem Hauptschnitt von der Kreisform abweicht und so zugleich auf Astigmatismus und Koma der Anordnung korrigierend wirkt.
Optische Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Fläche (311) nach der schrägen Planplatte (2) die torische Fläche (311) des Okulars (3) ist.
Optische Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Okular (3) eine rotationssymmetrisch asphärische Fläche (321) enthält.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß das Okular (3) aus drei Meniskuslinsen (31, 32, 33) aufgebaut ist.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß der von der Kreisform abweichende Hauptschnitt der torischen Fläche (311) ein Ellipsoid ist, dessen kleine Hauptachse auf der optischen Achse liegt.
Optische Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ellipsoid zusätzliche Deformationskonstanten vierter, sechster und achter Ordnung aufweist.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß das Okular (3) für infrarote Strahlung ausgelegt ist und in der Bildebene (B) ein Infrarotdetektor (4) angeordnet ist.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß sie für Wellenlängen von 8μm bis 12μm achromatisiert ist.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektiv bispektral für sichtbares Licht und Infrarotstrahlung ist und die schiefe Planplatte (2) das sichtbare Licht reflektiert.
Optische Anordnung nach mindestens einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet, daß der Infrarot-Strahlengang afokal ist und eine fünffache Vergrößerung aufweist.