DE19543598A1 - Optische Systeme - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Mehrfach- Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung und insbesondere, jedoch nicht notwendigerweise optische Teleskope mit untereinander austauschbaren Linsenmechanismen, welche es ermöglichen, die Vergrößerung und die Gesichtsfeldgröße zu verändern.

Viele optische Teleskope müssen mit veränderlicher Vergrößerung arbeiten, um einen Wechsel zwischen einer Betriebsart mit schwacher Vergrößerung und weitem Gesichtsfeld und einer Betriebsart mit starker Vergrößerung und engem Gesichtsfeld zu ermöglichen. Ein bequemer Weg zum Erreichen dieses Ziels ist es, die Objektiv- und Okularlinse in Bezug zueinander feststehend zu halten und die Änderung der Einstellung durch die Bewegung von Zwischenlinsen zu bewirken. Im Fall von Zoomteleskopen wird ein Zwischenlinsenelement entlang der optischen Achse des Teleskops bewegt, um eine Brennweitenverstellung zu bewirken. Jedoch ist diese Art von Anordnung unbefriedigend für stabilisierte Teleskope, zum Beispiel Wärmebildteleskope, die so gestaltet sind, daß sie ins Innere eines kardanisch aufgehängten stabilisierten Kopfes passen, da eine Bewegung der Zwischenlinse bewirkt, daß sich der Schwerpunkt verschiebt, was Störungen des Gleichgewichts verursacht. Zusätzlich neigt das System dazu, zu lang zu werden, wenn Korrekturen optischer Aberrationen vorgenommen werden. Außerdem ist es schwierig, Verschiebebewegungen schnell durchzuführen, während eine genaue Zentrierung der Zwischenlinse in Bezug zur optischen Achse aufrechterhalten wird.

Um die oben beschriebenen Nachteile zu beseitigen, sind Linsensysteme entwickelt worden, die von ausbalancierten Drehmechanismen Gebrauch machen, welche es gestatten, verschiedene Linsen mit der optischen Achse in eine Linie zu schwenken. Ein derartiges Gesichtsfeldveränderungssystem ist der Teleconverter oder Galilei-Teleskop, der in den afokalen Raum vor dem Hauptteleskop geschwenkt werden kann. Diese Anordnung ist jedoch unter gewissen Umständen unbefriedigend, da der Teleconverter nicht zwischen der Objektiv- und der Okularlinse angeordnet ist und somit das Teleskop verlängert wird.

Ein verbessertes Teleskop macht Gebrauch von einer als "Bravaislinse" bekannten Einrichtung, bei der das Objekt und das Bild am Bravaispunkt zusammenfallen. Bei einem Doppel- Gesichtsfeld-Teleskop, welches eine Bravaislinsenanordnung verwendet, ist die Anordnung um eine zur optischen Achse senkrechte Achse drehbar und in einer Zwischenstellung zwischen der Okular- und der Objektivlinse angebracht.

Mehrfach-Gesichtsfeld-Teleskope können durch kaskadenförmige Anordnungen von Bravaislinsen oder anderen Linsensystemen erreicht werden. Jedoch sind derartige Systeme nicht besonders kompakt und benötigen komplizierte und sperrige Motoren und/oder Getriebe.

Es ist ein Ziel der vorliegenden Erfindung, einige der Nachteile der bekannten Mehrfach-Gesichtsfeld-Teleskope zu beseitigen oder mindestens abzuschwächen. Insbesondere ist es ein Ziel der vorliegenden Erfindung, ein kompaktes Dreifach- Gesichtsfeld-Teleskop bereitzustellen.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Dreifach-Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung zur Verwendung in einem optischen System mit einer optischen Achse bereitgestellt, wobei die Vorrichtung ein Karussell oder einen Revolver umfaßt, der so angeordnet ist, daß er um eine Drehachse drehbar ist, welche unter einem anderen Winkel als 0 oder 90 Grad zur optischen Achse verläuft, sowie eine Mehrzahl von optischen Komponenten, die auf dem Revolver angebracht und mit jeweils einer von einer Mehrzahl von Revolverachsen ausgerichtet sind, d. h. mit diesen fluchten, wobei die Revolverachsen durch jeweils entgegengesetzte Paare von Flächen einer platonischen Form hindurchtreten, wobei der Revolver um die Drehachse gedreht werden kann, um eine beliebige der Revolverachsen im wesentlichen mit der besagten optischen Achse auszurichten.

Platonische Formen für die Zwecke der obigen Vorrichtung umfassen Würfel, Oktaeder, Dodekaeder. Während diese Formen regelmäßig sein können, behält man im Kopf, daß die Regelmäßigkeit nicht wesentlich ist und Winkel- oder Maßstabsverzerrungen möglich sind, während dieselbe grundlegende Topologie aufrechterhalten wird.

Bevorzugt ist der Winkel, welchen die Drehachse mit der optischen Achse einschließt, größer als 10°, und bevorzugter größer als 40°, um eine derartige Anordnung von Motoren und Getrieben zum Drehen des Revolvers zu ermöglichen, daß sie die Optik nicht stören.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung sind die optischen Komponenten auf den Flächen eines Würfels angebracht, wobei die Mitte dieses Würfels im Ursprung von drei orthogonalen Achsen angeordnet ist. Vorzugsweise fällt die Drehachse des Revolvers mit einer Diagonalen des Würfel zusammen, d. h. sie schließt einen Winkel von 54,7° mit der optischen Achse ein, so daß durch aufeinanderfolgende Drehungen um 120° jeweils eine der orthogonalen Achsen in Ausrichtung mit der optischen Achse geschwenkt werden kann.

Optische Komponenten, die in Bezug zur optischen Achse feststehend sind, können so innerhalb des Revolvers enthalten sein, daß der Revolver um sie herum gedreht werden kann. Dort, wo der Revolver drehbar an einer Achse angebracht ist, können diese feststehenden optischen Komponenten an der Achse befestigt sein.

Die optischen Komponenten der vorliegenden Erfindung können Linsen oder andere Vorrichtungen, wie beispielsweise Polarisationsfilter, Spiegel, Hologramme, usw. sein.

Die Veränderungsvorrichtung kann so gestaltet sein, daß sie über einen beliebigen geeigneten Teil des elektromagnetischen Spektrums arbeitet, zum Beispiel im sichtbaren oder infraroten Bereich.

Eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Dreifach-Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung zur Verwendung in einem optischen System mit einer optischen Achse bereit, wobei die Vorrichtung einen Revolver umfaßt, der so angeordnet ist, daß er um eine Drehachse drehbar ist, welche unter einem anderen Winkel als 0 oder 90 Grad zur optischen Achse verläuft, sowie eine Mehrzahl von optischen Komponenten, die auf dem Revolver angebracht sind und mit jeweils einer von drei im wesentlichen orthogonalen Achsen ausgerichtet sind, wobei der Revolver um die Drehachse gedreht werden kann, um eine beliebige der drei orthogonalen Achsen im wesentlichen mit der optischen Achse auszurichten.

Eine zweite Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt ein optisches Teleskop bereit, umfassend eine Okularlinse und eine Objektivlinse, die mit einer optischen Achse ausgerichtet sind, sowie eine Dreifach-Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung gemäß dem obigen ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung, welche eine Zwischenstellung zwischen der Okularlinse und der Objektivlinse einnimmt, wobei die besagten optischen Komponenten mindestens zwei Paare von optischen Linsen umfassen, wobei jedes Paar mit einer anderen der orthogonalen Achsen ausgerichtet ist und ein anderes Gesichtsfeld liefert.

Eine dritte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt eine Mehrfach-Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung zur Verwendung in einem optischen System mit einer optischen Achse bereit, wobei die Vorrichtung einen mehrflächigen Revolver umfaßt, der so angeordnet ist, daß er um eine Drehachse drehbar ist, welche unter einem anderen Winkel als 0 oder 90 Grad zur optischen Achse verläuft, sowie mindestens zwei Paare von optischen Komponenten, wobei jede dieser Komponenten auf einer entsprechenden Fläche des Revolvers für eine Drehung mit diesem angebracht ist, wobei die optischen Komponenten jedes Paars dazwischen einen optischen Pfad festlegen, der durch eine Drehung des Revolvers um die Drehachse mit der optischen Achse ausgerichtet werden kann, und wobei die mindestens zwei optischen Pfade einander schneiden.

Der Revolver kann eine beliebige regelmäßige platonische Form aufweisen, z. B. die Form eines Würfels, eines Oktaeders oder eines Dodekaeders. Die Drehachse kann durch die Mitten von entgegengesetzten Flächen des Revolvers hindurchtreten oder kann durch entgegengesetzte Ecken hindurchtreten.

Zum besseren Verständnis der vorliegenden Erfindung, und um zu zeigen, wie dieselbe ausgeführt werden kann, wird nun anhand von Beispielen auf die begleitenden Zeichnungen Bezug genommen, in denen:

Fig. 1 die Idee veranschaulicht, welche einem Dreifach- Gesichtsfeldveränderungsmechanismus zugrunde liegt;

Fig. 2 einen Dreifach-Gesichtsfeldveränderungsmechanismus eines optischen Teleskops zeigt; die

Fig. 3 und 4 in einem Detailschnitt die drei Gesichtsfelder zeigen, die mit dem Mechanismus der Fig. 2 erhältlich sind; die

Fig. 5 und 6 ausführlich die drei Gesichtsfelder zeigen, die mit einer zweiten Ausführungsform der Erfindung erhältlich sind; und die

Fig. 7 bis 9 die drei Gesichtsfelder zeigen, die mit einer dritten Ausführungsform der Erfindung erhältlich sind.

Fig. 1 veranschaulicht die zugrundeliegende Idee hinter einem kompakten Dreifach-Gesichtsfeldveränderungsmechanismus. Ein Würfel 1 (bei dem die sechs Flächen des Würfels mit den Buchstaben a bis f gekennzeichnet sind, welche in Fig. 1 in oder nahe den Flächenmitten dargestellt sind) ist um eine Achse 2 drehbar angebracht, welche durch seine hintere, obere, linke Ecke 3 und seine vordere, untere, rechte Ecke 4 hindurchtritt. Eine feststehende optische Achse 5 wird durch eine Linie festgelegt, welche durch die Mitten sowohl der vorderen Fläche a und der hinteren Fläche b des Würfels hindurchtritt. In der in Fig. 1 dargestellten Ausbildung tritt die feststehende optische Achse unter einem rechten Winkel zu den Flächen a und b durch deren Mitten hindurch.

Wenn der Würfel um 120° um die Drehachse 2 gedreht wird, so daß die Fläche c die vordere Fläche liefert, und die Fläche d die hintere Fläche liefert, tritt die feststehende optische Achse 5 durch die Mitten der Flächen c und d hindurch. Wenn der Würfel um weitere 120° gedreht wird, tritt entsprechend die feststehende optische Achse 5 unter einem rechtem Winkel durch die Mitten der Flächen e und f hindurch. Unter Bezugnahme auf die x-, y-, z-Koordinatenachsen (welche drei zueinander orthogonale, in Bezug zum Würfel feststehende Achsen darstellen), wie in Fig. 1 gezeigt, kann durch eine geeignete Drehung um die Drehachse 2 eine beliebige dieser drei orthogonalen Achsen mit der feststehenden optischen Achse 5 ausgerichtet werden.

Durch Ausnutzung der in Fig. 1 veranschaulichten Idee ist es möglich, ein beliebiges von drei optischen Systemen in einer Linie mit einer feststehenden optischen Achse zu positionieren. Unter Bezugnahme auf Fig. 2 ist dort ein Gesichtsfeldveränderungs-Teleskop 6 dargestellt, welches eine Okularlinse 7 und eine Objektivlinse 8 umfaßt, die beide in Bezug zu einer durch die Mitten beider Linsen hindurchtretenden optischen Achse 9 feststehend sind. Zwischen der Okularlinse 7 und der Objektivlinse 8 ist ein Revolver 10 angeordnet, welcher die Form eines Würfels aufweist, der zwischen einem Paar Halterungen 11, 12 montiert ist, welche an der oberen, hinteren, linken Ecke und an der vorderen, unteren, rechten Ecke des Würfels angebracht sind. Diese Halterungen gestatten es, den Würfel um eine Achse 13 zu drehen, die mit einer Diagonalen des Würfels zusammenfällt und die einen Winkel von 54,736° mit der optischen Achse 9 einschließt.

Eine Linse 14 ist in jeder Fläche des Würfels angebracht. Jedes Linsenpaar auf entgegengesetzten Flächen des Würfels ist so angeordnet, daß es eine vorbestimmte Vergrößerung liefert, wenn es mit der optischen Achse 9 ausgerichtet ist. Durch Drehen des Revolvers um die Drehachse 13 kann ein beliebiges der drei Linsenpaare mit der optischen Achse ausgerichtet werden, was die Auswahl von einer beliebigen von drei Betriebsarten gestattet.

Die Fig. 3 und 4 veranschaulichen den Fall, wo der Mechanismus aus Fig. 2 so angeordnet ist, daß Betriebsarten mit x15, x5, x5/6-Vergrößerung bereitgestellt werden. Insbesondere zeigt Fig. 3 die einander über lagerten Strahlenverläufe für den x15-Pfad (Weg 1) und für den x5/6- Pfad (Weg 3), während Fig. 4 überlagerte Strahlenverläufe für den x5-Pfad (Weg 2) und für den x15-Pfad (Weg 1) zeigt. Die beiden Strahlengänge in jeder der Fig. 3 und 4 sind im rechten Winkel zueinander gezeichnet, um zu veranschaulichen, daß sich die auf dem Revolver angebrachten optischen Komponenten 19 bis 23, welche in einem beliebigen der drei Wege angeordnet sind, nicht mit den Strahlen eines beliebigen der anderen Wege überlagern.

Die "feststehenden" Komponenten des Systems der Fig. 3 und 4 umfassen eine Objektivlinse 15 und ein zweiteiliges Okular 16, das mit der hauptsächlichen optischen Achse 17 ausgerichtet ist. Die innerhalb des strichpunktierten Kreises 18 in der Mitte des Schaubilds dargestellten Komponenten sind für eine Drehung um die Drehachse auf dem Revolver angebracht. Die folgende Tabelle bezeichnet die optischen Komponenten mit den in den Fig. 3 und 4 angegebenen Bezugsziffern und gibt an, auf welcher Fläche des Würfels, a bis f (unter Bezugnahme auf Fig. 1), sie angebracht sind:

Aus Fig. 2 und aus den Fig. 3 und 4 wird ersichtlich, daß der Abstand zwischen der Objektivlinse und der Okularlinse nur geringfügig größer als die Länge einer Diagonale des Würfels zu sein braucht, um es zu ermöglichen, daß sich der Würfel zwischen der Objektiv- und der Okularlinse frei drehen kann. Die in den Fig. 2 bis 4 dargestellte Ausführungsform liefert daher ein sehr kompaktes Dreifach-Gesichtsfeld- Teleskop. Es wird auch ersichtlich, daß diese Revolveranordnung die Größe einer optischen Komponente maximiert, welche ohne eine Störung der mit einer anderen der orthogonalen Achsen ausgerichteten optischen Komponenten zwischen der Objektivlinse und der Okularlinse angebracht werden kann. Zum Beispiel kann eine Linse verwendet werden, welche einen Durchmesser aufweist, der gleich der Länge einer Seite des Würfels ist.

In den Fig. 5 und 6 ist ein System mit einer Linse 24 dargestellt, die innerhalb des Revolvers auf der Drehachsenhalterung montiert ist, welche entlang einer Diagonalen des Revolvers verläuft, so daß die Linse 24 im wesentlichen in einer zur optischen Achse 17 senkrechten Ebene liegt. Der Revolver (d. h. die Komponenten innerhalb strichpunktierten Rings) können daher um die in der Mitte angebrachte Linse 24 gedreht werden, welche in Bezug zur Objektivlinse 15 und zum zweigeteilten Okular 16 feststehend bleibt. Es wird angemerkt, daß sich in der Betriebsart mit starker Vergrößerung (Weg 1) keine auf dem Revolver angebrachten Komponenten im optischen Pfad befinden. Diese Anordnung trägt dazu bei, in der Betriebsart mit starker Vergrößerung eine Ziellinie beizubehalten.

Die Fig. 7 bis 9 zeigen eine Abwandlung des Systems der Fig. 5 und 6, bei welcher die in der Mitte angebrachte feststehende Linse 24 durch einen in der Mitte angebrachten feststehenden ebenen Planspiegel 25 ersetzt worden ist, der unter einem Winkel von 45 Grad zur optischen Achse angeordnet ist. Die Fig. 7 bis 9 zeigen jeweils die Wege 1 bis 3 des Systems. Das System schließt eine Hilfsobjektivlinse 26 ein, die in Bezug zur Hauptobjektivlinse 15 außerhalb befestigt ist.

Für den Fachmann wird ersichtlich, daß innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung verschiedene Abwandlungen an den oben beschriebenen Ausführungsformen vorgenommen werden können. Zum Beispiel kann der Revolver verwendet werden, um andere optische Komponenten als Linsen, zum Beispiel Polarisationsfilter oder Spiegel anzubringen. Der Mechanismus kann auch in anderen optischen Systemen als in Teleskopen verwendet werden.

Es ist erkennbar, daß die Geometrie des Revolvers von derjenigen abweichen kann, die in die Fig. 1 und 2 dargestellt ist. Zum Beispiel kann der Revolver gestreckt oder im Maßstab verändert sein, so daß er zum Beispiel die Form eines rechtwinkligen Parallelepipeds aufweist, oder er kann unsymmetrisch sein. Alternativ kann der Revolver mehr als sechs Flächen aufweisen, zum Beispiel kann er ein Oktaeder oder ein Dodekaeder sein, was es ermöglicht, mehr als drei Gesichtfeldveränderungen zu erhalten. Der Winkel, den die Drehachse mit der optischen Achse einschließt, kann sich auch von 54,736° unterscheiden. Der Winkel wird allgemein durch die Revolvergeometrie bestimmt, sollte jedoch zwischen 0° und 90° liegen.

Claims (10)

1. Mehrfach-Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung zur Verwendung in einem optischen System (6) mit einer optischen Achse (9), wobei die Vorrichtung einen Revolver (10) umfaßt, der so angeordnet ist, daß er um eine Drehachse (13) drehbar ist, welche unter einem anderen Winkel als 0 oder 90 Grad zur optischen Achse (9) verläuft, sowie eine Mehrzahl von optischen Komponenten (14), welche auf dem Revolver (10) angebracht sind und mit jeweils einer von einer Mehrzahl von Revolverachsen ausgerichtet sind, wobei die Revolverachsen durch jeweils entgegengesetzte Flächenpaare einer platonischen Form hindurchtreten, wobei der Revolver (10) um die Drehachse (13) gedreht werden kann, um eine beliebige der Revolverachsen mit der besagten optischen Achse (9) im wesentlichen auszurichten.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (13) durch die Mitten von zwei entgegengesetzten Flächen der besagten regelmäßigen platonischen Form oder durch entgegengesetzte Ecken derselben hindurchtritt.

3. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche und so angeordnet, daß eine Dreifach- Gesichtfeldveränderungsvorrichtung bereitgestellt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die besagte Mehrzahl von optischen Komponenten (14) mit jeweils einer von drei im wesentlichen orthogonalen Achsen ausgerichtet sind, so daß der Revolver (10) um die Drehachse (13) gedreht werden kann, um eine beliebige der drei orthogonalen Achsen mit der optischen Achse (9) im wesentlichen auszurichten.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel, den die Drehachse (13) mit der optischen Achse (9) einschließt, größer als 10° ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (13) einen Winkel von mehr als 40° mit der optischen Achse (9) einschließt.

6. Vorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Revolver (10) ein Würfel ist, und die optischen Komponenten (14) auf den Flächen des Würfels angebracht sind, wobei die Mitte des Würfels im Ursprung der besagten drei orthogonalen Achsen angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6 in Verbindung mit Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse (13) mit einer Diagonalen des Würfels zusammenfällt, so daß jeweils eine der orthogonalen Achsen durch aufeinanderfolgende Drehungen von 120° in Ausrichtung mit der optischen Achse (9) geschwenkt werden kann.

8. Optisches Teleskop, umfassend eine Okularlinse (16) und eine Objektivlinse (15), die mit einer optischen Achse (17) ausgerichtet sind, sowie eine Dreifach- Gesichtsfeldveränderungsvorrichtung nach einem beliebigen der Ansprüche 3 bis 7, welche eine Zwischenstellung zwischen der Okularlinse (16) und der Objektivlinse (15) einnimmt, wobei die besagten optischen Komponenten (14) mindestens zwei Paare von optischen Linsen (19 bis 23) umfassen, wobei jedes Paar mit einer anderen der orthogonalen Achsen ausgerichtet ist und ein anderes Gesichtsfeld liefert.

9. Vorrichtung nach einem beliebigen der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie optische Komponenten (24) umfaßt, welche in Bezug zur optischen Achse (9, 17) feststehend sind und innerhalb des Revolvers (10) enthalten sind, so daß der Revolver (10) um die feststehenden optischen Komponenten (24) herum gedreht werden kann.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drehachse durch eine Revolverachse (11, 12) gebildet wird, und die ortsfesten optischen Komponenten (24) an der Achse (11, 12) befestigt sind.