DE2458720A1 - Vorrichtung zum kippen eines feldes in optischen systemen - Google Patents

Description

"Vorrichtung zum Kippen eines Feldes in optischen Systemen".

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur Änderung der Feldneigung in bezug auf die optische Achse in optischen Systemen.

Die Tatsache, dass in einem optischen System ein z.B₀ flaches Feld nicht quer -auf der optischen Achse steht, kann die Leistungen eines Systems beträchtlich einschränken. Dadurch kann es beim Entwerfen optischer Geräte, ..Jbsi denen das Feld eine schräge Lage in bezug auf die optische Achse einnimmt, wünschenswert sein, dass dieses PeId senk-

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recht zu der genannten Achse angeordnet wird.

Ein praktisches Beispiel ist die binokulare Beobachtung von Gegenständen, wobei das Gegenstands feld eine symmetrische und zugleich eine schräge Lage in bezug auf jede der Achsen der beiden optischen Wege einnimmt. .

Das Umgekehrte kann sich auch ergeben; das Gegenstandsfeld kann in erster Linie senkrecht zu der optischen Achse gerichtet sein und es kann erwünscht sein, dass die Abbildung des Feldes eine schräge Lage in bezug auf die Normale zu der genannten Achse einnimmt, und zwai- im Zusammenhang mit der von dem System erfüllten besonderen Funktion.

Im allgemeinen kann sich das Problem ergeben, dass ein Bildfeld vorliegt, das in bezug auf die optische Bildachse eine schräge Lage einnimmt, und zwar auf eine Weise, die von der Weise verschieden ist, in der das Gegenstandsfeld eine schräge Lage in bezug auf die entsprechende optische Achse einnimmt.

Im Nachstehenden kennzeichnet sich die !Neigung des Feldes, das der Einfachheit halber annahmeweise flach ist, durch den Winkel, den die Normale zu der Ebene mit der optischen Achse einschliesst, und die Erfindung bezweckt, Mittel zu schaffen, mit deren Hilfe in den optischen Systemen eine Änderung

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dieses Winkels erhalten wird, wenn von dem Gegenstandsraum zu dem Bildraum übergegangen wird, oder umgekehrt. Diese Winkeländerung wird als "Kippen des Feldes" bezeichnet .

Die Erscheinung des Kippens des Feldens ist eine allgemeine Erscheinung in der Optik ujid tritt notwendigerweise bei der bekannten Technik auf, obgleich dies im allgemeinen nicht ausdrücklich erwähnt wird.

So schliesst in einem der einfachsten optischen Systeme, das in Fig. 1 dargestellt ist, das Gegenstandsfeld BAC einen Winkel i mit der Normalen η bei A in bezug auf die Achse AA' in der Zeichnungsebene ein, während die Abbildung B¹A¹C desselben einen im allgemeinen von i verschiedeneil Winkel i¹ mit der Normalen n¹ bei A¹ in bezug auf dieselbe Achse einschliesst. Es ist bekannt, dass in erster Annäherung i und i¹ durch die Beziehung i^! = gl verknüpft sind, wobei g die Vergrösserting der !Linse L ist, die den konjugierten Punkten A und A¹ entspricht.

Diese Beziehung zeigt deutlich an, dass eine der Grossen i und .i' nicht· gleich Null sein kann, wenn dies für die andere nicht der Fall ist, es sei denn, dass die Vergrösserung g selber Null ist, was die Voraussetzung ergibt, dass, wenn das

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Feld nicht im Unendlichen liegt, die Stärke des Objektivs unendlich ist, Ein derartiges System ist offenbar insbesondere nicht dazu imstande, ein anfänglich schräges Feld quer zu der Normalen i¹ = 0 zu setzen.

Übrigens macht das Erhalten einer gegebenen Neigung i', also tatsächlich einer ebenfalls schrägen Anoi-dnung, eine genaue Vergrösserung des Feldes notwendig, was unerwünscht seih kann. Die Folgen wären für jede andere einachsige weniger schematische Optik gleich. Eine derartige Optik schafft, ausgenommen für die Nachteile, dass von dieser Optik Aberrationen in die Bilderzeugung eingeführt zu werden drohen, nur eine Lösung von Kippen unter bestimmten gegebenenfalls störenden Bedingungen, oder schafft gar keine Lösung, insbesondere wenn es sich um den wichtigen Fall der senkrechten Orientation des Feldes in bezug auf die optische Achse handelt.

Unter den anderen optischen Elementen, die eine Feldkippung herbeiführen können, sei das strahlungsbrechende Prisma erwähnt^

Die bekannte Technik erwähnt die Anwendung des strahlungsbrechenden Prismas in optischen Vorrichtungen, aber diese Anwendung wird durch eine andere Eigenschaft des Prismas begründet, die darin

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besteht, dass die Ablenkung eine's Bündels herbeigeführt wird. Obgleich Ablenkung und Kippung gleichzeitig auftreten, ist es bemerkenswert, dass nur die Ablenkungserscheinung benutzt wird, während die Kipperscheinung nie ausbenutzt worden ist und unbekannt zu sein scheint, obwohl sie bisweilen störend gewesen sein soll. Auch ist es bemerkenswert, festzustellen, dass der Fachmann, der die Nachteile der durch das Prisma herbeigeführten Kippung erfährt und sich ihnen anpasst, im allgemeinen diese Kippung unter sehr besonderen Bedingungen benutzt, die in bezug auf die von einem Gegenstandsfeld eingenommene Lage gegenüber dem genannten" Prisina besonders störend sind: zum Erhalten eines genau anastigmatischen Bildfeldes muss die Ebene des Gegenstandsfeldes durch die brechende Rippe des Prismas gehen. Diese Bedingung macht es demzufolge erforderlich, die Lage des Prismas in der Praxis mit der des Gegenstandsfeldes zusammenfallen zu lassen, wodurch ein Prisma nicht verwendet werden kann, wenn dieses Zusammenfallen wegen der Art des zu lösenden" Problems unmöglich ist. Dies ist z.B. der Fall, wenn das Gegenstandsfeld zwei optischen Systemen gemeinsam sein muss, deren Achsen sich in der Mitte des Feldes treffen* für jede dieser Achsen ist dann die Neigung des Feldes als verschieden vorausgesetzt und das

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Prisma, das notwendigerweise beiden Systemen gemeinsam sein musste, wie dies auch .für das Feld der- Fall ist, kann nicht zwei unvereinbare Funktionen'erfüllen.

Diese Bemerkung trifft insbesondere für die Systeme mit binokularen Beobachtungen vom Lupentyp zu, die aus der Natur zwei symmetrische optische? Wege enthalten und den Gegenstand der vorliegenden Erfindung bilden. Aus dieser Neigung ergibt sich für die Systeme dieser Art als Funktion des beobachteten Punktes ein veränderlicher Einstellungsfehler,, der sich für den Beobachter wegen der Symmetrie der beiden Wege in Anpassungsänderungen äussert, die für jedes Auge entgegengesetzt sind, wobei, von einem Auge zu dem anderen gehend, ein Punkt des Feldes vor oder hinter· der Gegenstandsbrennebene liegt. Dieser Fehler ist für den Beobachter nur zulässig, wenn er innerhalb einer bestimmten Grenze bleibt, die eine Funktion des Scheinfeldes der Instrumente ist, was dazu führt, dafür verhältnismässig geringe Werte einziihalten.

Im Gegensatz zu der bekannten Technik bezieht sich die Erfindung auf das Beherrschen des Kippproblems eines Feldes in der Optik sowie auf Verfahren und Mittel, die diese Kippung durch ihre systematische und beachsichtigte Einführung in optische Instrumente hervorrufen. Die genannten Verfahren und Mittel werden derart entworfen, dass ihre ' 509826/0888

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Anwendung nicht auf einige Sonderfälle beschränkt bleibt.

Zu diesem Zweck strebt die Erfindung verschiedene Ziele an. Znsbesondere soll eine Feldkippung erzielt werden, ohne dass übrigens die "Vergrösserung des Instruments g-eändert oder beeinflusst -wird. Weitex-hin. bezweckt die Erfindung, die Xippung derart verlaufen zu lassen, dass es möglich wird, ein anfänglich schräg in bezug auf die optische Achse angeordnetes Feld wieder senkrecht zu dieser Achse zu setzen.

Ausserdem bezweckt die Erfindung, als

Mittel zur Feldkippung ein Element zu schaffen, das sich nicht in der Nähe des genannten Feldes zu befinden braucht» wodurch es, im Gegensatz zu der genannten bekannten Technik, möglich -wird, ein und dasselbe Feld für verschiedene optische Systeme oder optische liege zu verwenden, die ,je ein geeignetes kippbares Element enthalten können.

Um diese Zwecke zu erreichen, wird nach der Erfindung ein strahlungsbrechendes Prisma verwendet. Die Erfindung widmet der durch dieses Prisma herbeigeführten Kippung besondere Aufmerksamkeit, wobei sie sich der Ablenkung bedient, die unvermeidlich mit der genannten Kippung gepaart ist und die also nicht die einzige benutzte Eigenschaft ist, die in der bekannten Technik betrachtet wird, sondern

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welche Eigenschaft zusammen mit dem durch die Kippung herbeigeführten Effekt benutzt wird.

Die Erfindung bestimmt die Betriebsbedingungen dieses Prismas, für das der Begriff "Kippung" genau definiert wird, welche Kippung danach Gegenstand einer Ausführungsform sein kann und benutzt werden kann.

Das nach der Erfindung^ verwendete Prisma

kann eine Brechungszahl aufweisen, die höher oder niedriger· als die des Mediums ist, in dem es angeordnet ist. Es kann insbesondere aus einem Glasprisma in Luft oder umgekehrt aus einem Luftprisma in Glas bestehen.

Das Medium, in dem das Prisma angeordnet ist, kann eine Brechungszahl aufweisen, die am Eingang des Prismas anders als an dessen Ausgang ist. Obgleich bei allen Theorien und Betrachtungen, die zu der Erfindung geführt haben, von einem flachen Feld ausgegangen wurde, weil das verwendete Prisma selber keine Feldkrümmung einführt, bezieht sich die Erfindung auch auf und findet Anwendung für Gegenstandsf eltder in Form einer gekrümmten Oberfläche, deren Krümmung in dem Bild auf eine, Weise erhalten bleibt, die von der Kippung, unabhängig ist.

Wie nachstehend erläutert wird, führt die Erfindung schliesslich zu einer Vorrichtung zum Kip-

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pen eines Feldes, bei der ein strahlungsbrechendes Prisma mit einem kleinen Spitzenwinkel in der GrössenOrdnung Von höchstens -~ Radian verwendet wird und < die Eintrittspupille im Unendlichen liegt oder sehr weit entfernt ist, sich das Feld in einem endlichen beliebigen Abstand von dem Prisma befindet und dei" Einfallswinkel des Bündels an den Winkel grenzt, der der minimalen Ablenkung entspricht, die durch das Prisma herbeigeführt wird.

Das Prisma nach der Erfindung ist z.B. ein Luftprisma in Glas oder ein Glasprisma in Luft.

Die Erfindung kann bei Vorrichtungen ge» mässder bekannten Technik zur Änderung der Feldneigung zu der optischen Achse verwendet werden.

Eine besondere Anwendung der. Erfindung betrifft die Vorrichtungen für die binokulare Beobachtung mit zwei verschiedenen optischen Wegen, bei denen das Gegenstandsfeld notwendigerweise zu jeder der optischen Achsen verschieden geeignet ist.

Die Erfindung schafft insbesondere einen neuen Typ einer binokularen Lupe.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand physischer und technischer Betrachtungen und der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 die durch ein aus einer Linse bestehendes optisches System herbeigeführte Kippung,

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Fig. 2 die durch ein nach der Erfindung verwendetes Prisma herbeigeführte Kippung,

Fig. 3 eine bekannte binokulare Lupe,

Fig. k eine erste Ausführungsform einer
binokularen Lupe nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine zweite Ausführungsform einer binokularen Lupe nach der Erfindung.

Die wesentlichen optischen Eigenschaften des strahlungsbrechenden Prismas, wie"Ablenkung,
Mindestablenkung, Astigmatismus eines schmalen
Lichtbündels, Vergrösserung, Dispersion usw., wurden bereits ausführlich in Veröffentlichungen auf
dem Gebiet der Optik auseinandergesetzt und beschrieben. In diesen Veröffentlichungen ist jedoch von der Kippung eines Feldes nicht die Rede. Dies
ist darauf zurückzuführen, dass der Begriff "Kippung" selten sinnvoll ist, weil das von einem strahlungsbrechenden Prisma erzeugte Bild im allgemeinen Astigmatismus aufweist und eigentlich nicht mehr von einem einzigen Bildfeld, sondern von zwei Bildfeldern die Rede ist: das sagittale Feld und das
meridionale Feld. Weiter weisen diese beiden Felder im allgemeinen nicht mehr die gleiche Krümmung als das Gegenstandsfeld und nicht die gleiche Neigung zu der gebrochenen optischen Achse auf, so dass Kippung eigentlich ein unbestimmter Begriff und weiter

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eine Grosse ist, die sich als Punktion der Betriebsbedingungen ändert.

Die Erfindung bezweckt zunächst, diesem Be- .' griff einen richtigen Inhalt zu erteilen. Die Vorrichtung nach der Erfindung muss also ein Bild des Gegen-Standsfeldes erzeugen, das an erster Stelle für alle Punkte des Feldes -und für einen beliebigen Abstand dieser Punkte von dem Gegenstand nahezu frei von Astigmatismus sein muss.

Dazu besteht -eine erste Massnahme nach Aev Erfindung darin, dass bewirkt wii'd, dass das Prisma mit einer Eintrittspupxlle im Unendlichen derart arbeitet, dass die·Hauptstrahlen zueinander und somit zu der optischen Achse (die,einfach ein besonderer Haixptstrahl ist) parallel sind, wobei der Einfallswinkel der genannten Strahlen andererseits" derartig ist, dass dieser der minimalen Ablenkung des genannten Prismas entspricht.

Eine zweite Massnahme betrifft den Brechungswinkel des Prismas. Diese Massnahme wird infolge der Tatsache notwendig, dass der Astigmatismusabstand A eines schamlen Lichtbündels, das von einem Prisma für einen Punkt des Feldes gebrochen wird, durch zwei Terme nach der nachstehenden Gleichung ausgedrückt werden kann:

A = F.χ - G.e ' ( 1) .

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In dieser Gleichung sind F und G Funktionen, in denen die Brechungszahlen des Prismas sowie des dieses Prisma umgebenden Mediums und weiter der Einfallswinkel des Bündels auf die Flächen des Prismas vorkommen, während χ und e den Abstand des Gegenstandspunktes von dem Prisma bzw. den Abstand darstellen, den das Bündel in dem Prisma für den genannten Gegenstandspunkt durchläuft.

Da das Prisma bei minimaler. Ablenkung arbeitet, ist F=O für jeden Punkt des Feldes, und der Astigmatismus kann nur von e abhängen. Indem nach der Erfindung ein kleiner brechender Prismawinkel gewählt wird, ist e in jedem Punkt klein, gleich wie das Prodtikt' G.e, weil G \K> 1 ist. Es sei also angenommen, dass man für das Prisma Betriebsbedingungen bei einer minimalen Ablenkungen mit Astigmatismus 0 für jeden Punkt des Feldes und unabhängig von der Lage des Feldes inbezug auf das Prisma erhalten hat, wobei sich das genannte Feld dann nach der Erfindung in einem beliebigen Abstand von dem genannten Prisma befinden kann.

Eine Ausführungsform des Verfahrens nach der Erfindung zum Erhalten einer Kippung des Feldes ist schematisch in Fig. 2 .dargestellt. Diese Figur ermöglicht es atisserdem, die erhaltene Kippung zu berechnen.

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In dieser Figur bezeichnet CSD einen Hauptsclmitt durch das die Kippung herbeiführende Prisma. Es sei angenommen, dass dieses Prisma eine Brechungszahl aufweist, die grosser als die des umgebenden Mediums ist. S ist die Spitze dieses Hauptschnittes. Die Eintrittspupille des Prismas liegt im Unendlichen in Richtung der Mittelstrahlen R₁ und R_p des sehr" schmalen Lichtbündels, das infolge des Prismas der minimalen Ablenkung unterworfen wird, welche Strahlen in der Zeichnungsebene liegen." R₁ geht durch die Spitze S des Prismas. BC ist die Schnittlinie mit der Zeichnungsebene eines flachen Gegenstandsfeldes senkrecht zu den Mittelstrahlen R₁ und R .' Die vom Prisma erzeugten Bilder B¹ und C¹ der Gegenstandspunkte B und C befinden sich fluchtrecht zu den Strahlen R' und R', die von der Austrittsfläche SD des Prismas gebrochen werden. Da BC zu R₁ und R senkrecht ist, weist das Feld entsprechend der angewandten Terminologie eine Neigung gleich Null auf. Dagegen ist die Neigung des Bildes B¹C dieses Feldes zu den gebrochenen Strahlen nicht gleich Null. Der Winkel

den B¹C¹ mit der gemeinsamen Normalen zu R'

und R' einschliesst, ist dann gerade die angestrebte Neigungsänderung, d.h. der Winkel, über den das Gegenstandsfeld BC in bezug auf einen beliebigen der Mittelstrahlen, d.h. auch in bezug auf die op-

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tische Achse gekippt ist. Für den Wert dieses Winkels wird leicht, indem seine Grosse seiner Tangente gleich gesetzt wird, gefunden:

/3 = (n-i)A (2),

wobei A den Spitzenwinkel des Prismas und η das Verhältnis der Brechungszahl des Prismas zu der des umgebenden Mediums darstellt.

Es ist bemerkenswert, dass festgestellt werden kann, dass diese Kippung immer grosser als die minimale Ablenkung /\ = (-ri-i)A ist, die durch das Prisma herbeigeführt wird, und dass der Drehsinn des Feldes dem der Krümmung entgegengesetzt ist, "wie mit den Pfeilen 21 und 22 angedeutet ist. Nach der Erfindung wird durch die Kombination des Drehsinns des Feldes und der Ablenkung also ein Effekt zum Erhalten einer Änderung der Neigung des Feldes zu der optischen Achse erhalten.

Andererseits ist es klar, dass die Kippung /~> sich nicht ändert, wenn sich der Punkt B über den Strahl R verschiebt, d.h. wenn das Gegenstandsfeld zu der optischen Achse nicht mehr senkrecht ist, mit anderen Worten: die Kippung' ist von der Lage des Gegenstandsfeldes in bezug auf das Prisma unabhängig.

Weiter kann nach dem Prinzip der Umkehr des Lichtweges in Erwägung gezogen werden, dass die

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Funktionen des Gegenstandes und des Bildes verwechselt werden können, wodurch nachgewiesen wird, dass nach der Ex-findung ein schräg Gegenstandsfeld B'C¹ in der Richtung BC in eine senkrechte Lage in bezug a^if die optische Achse gesetzt werden kann.

Nach einer Weiterbildung kann bei dem Verfahren ein Luftprisma in Glas verwendet werden. Die Gegenstands- und Bildfelder sind dann in Glas angeordnet und die auftretende Kippung wird dann dux-ch dieselbe Gleichung gegeben, in der η dann die Brechungszahl des das Luftprisma umgebenden Glases darstellt.

Die Erfindung schafft eine Ausführungsform des Verfahrens, bei der die Brechungszahl des umgebenden Mediums am Eingang des Prismas von der am Ausgang desselben verschieden ist. Die Formel. dux-ch die der Astigmatismus dargestellt ist, ist dann verwickelter, aber es gib± immer einen bestimmten Einfallswinkel der optischen Achse in bezug auf die Eintrxttsflache des Prismas, für den der Astigmatismus gering und von dem Abstand des Feldes von der Eintrxttsflache unabhängig ist, während ausser— dem eine Kippung des Feldes auftritt.

Das Kippverfahx-en nach der Erfindung, das sich der Einfachheit halber in der vorliegenden Beschreibung annahmeweise' nur auf flache Felder . "509826/0888-

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bezieht, umfasst auch gekrümmte Felder. Unter den obenerwähnten Betriebsbedingungen führt das Prisma nämlich in dieser Hinsicht keine Feldkrümmung ein, Das Verfahren nach der Ei-findung ermöglicht es also, dass ein gekrümmtes Feld kippt, wobei die anfängliche Krümmung des Gegenstandsfeldes erhalten bleibt.

Die Erfindung bezieht sich weiterhin auf die Anwendung dieses Verfahrens zum Kippen eines Feldes für den Fall, dass die Neigung des genannten Feldes nicht geändert wird.

Nach der Erfindung kann für ein gleiches zu lösendes optisches Problem oder ein gleiches Instrument das Kippen praktisch ohne Beeinträchtigung des Bildes mehrere Male durch wiederholte Durchführung des beschriebenen Verfahrens erfolgen.

Der Vorteil des Kippens eines Feldes in Instrumenten kann darin bestehen, dass das Feld derart wieder in senkrechte Lage in bezug auf die optische Achse gesetzt wird, dass das scheinbare Nutzfeld des Gegenstandes vergrössert wird.

Dies ist z.B. der Fall in den Instrumenten oder Vorrichtungen mit zwei optischen Wegen zur binokularen Beobachtung von Gegenständen, bei denen sich das Gegenstandsfeld in einer schrägen Lage in bezug auf jede der optischen Achsen der beiden Wege befindet, .

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Ohne dass dadurch die Erfindung auf die allgemeinen Anwendungen der Vorrichtung₊__insbesondere der. Vorrichtung zut binokularen Beobachtung, beschränkt wird, wird nun die' Anwendung der Vorri.eh.tung mit einer Lupe vom binokularen Typ beschrieben.

Diese Vorrichtung ist im Schnitt längs' einer ihrer Symmetrieebenen in Fig. 3 dargestellt. Die Gegenstandsebene befindet sich auf dear ebenen Oberfläche einer plankonvexen Linse 31· Sie ist in dem Krümmungsmittelpunkt O der zweiten Fläche der genannten Linse zentriert, deren Dicke z..B,. gleich dem Radius der sphärischen brechenden -Fläche 30 ist, die sie begrenzt. 5Ü stellt die Symmetrieachse des Systems dar, die durch .0 geht. Auf jeder Seite dieser .Achse befindet sich eine konvergierende brechende Fläche 32 bzw. 32 , deren optische Achse 33 bzw. 33 ₁ durch die Mitte 0 des Gegenstandes geht, wobei die optischen Achsen mit der Achse Σ einen Winkel δ einschliessen. Wach Durchgang durch diese brechende Oberfläche pflanzt sich jedes der beiden Strahlungsbündel 33 und 33-, in den Glasblöcken 37 bzw. 37₁ fort. Die Bündel werden zweimal an den Flächen 3k und 35 bzw. 34 und 35 reflektiert und fallen über die Austrittsfläche 36 bzw. 3O₁ auf das entsprechende Auge ein» Die Stäxvke -der brechenden Oberfläche ist derartig, dass für jeden

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optischen ¥eg der Gegenstandsbrennpunkt der Kombination mit der Mitte O des Gegenstandes zusammenfällt.

Das System enthält also für jedes Auge ausser Spiegeln zwei dicke plankonvexe Linsen, die einander gegenüber angeordnet und durch einen kleinen Luftspalt voneinander getrennt sind, wobei eine dieser beiden Linsen den zwei Lichtwegen des Systems gemeinsam ist.

Ein derartiges System besitzt zwei optische Achsen, die in bezug aufeinander eine schräge Lage und beide in bezug auf das Gegenstandsfeld eine schräge Lage einnehmen. Um zu vermeiden, dass ein rechteckiges Gegenstandsfeld wegen seiner Neigung in bezug auf die optische Achse jedes Weges als ein trapezförmiges Feld beobachtet wird, ist es notwendig und genügend, dass die Eintrittspupille im Unendlichen liegt. Eine erste Massnahme nach der Erfindung besteht also darin, dass die Ausgangspupille, die durch die Pupille des Auges gebildet wird, praktisch im Bildbrennpunkt der Kombination für jeden der Wege angeordnet wix'd.

Andererseits befindet sich ein Punkt, wie B-, des Gegenstandsfeldes, der in einem Abstand y von der Mitte O liegt, vor oder hinter der Gegen-r Standsbrennebene, je nachdem das System für das linke oder das rechte Auge betrachtet wird. Indem 50 9 8 26/0888

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dieser Abstands-unterschied von demselben Punkt des Feldes, dei· von jedem Auge verschieden beobachtet wird, auf einen höchstzulässigen Wert, z.B. O,'5 Diopter, beschränkt wird, kann die maximale Grosse y des halben Gegen Standsfeldes oder des scheinbaren halben Winkelfeldes (X · (nach tg <X ' = ^) ^als Funktion dei* Brennweite f des Systems bestimmt -werden. Nach Berechnung wird gefunden: ·

mit f in mm, wobei η die Brechungszahl des 'Glases der Halbkugel 31 darstellt.

i "Bei einer Brennweite von z.B» f = 30 mm kann

das Gesamtwinkelfeld 2(X ' einen Wert von 25° nicht übersteigen.

Durch die erfindungsgemässe Massnatae wird

diese Grenze des Scheinfeldes überschritten und auf

Werte in der Grössenordnung von 4o° gebracht.

Um dies zu erreichen, wird in jedem der optischen Wege ein strahlungsbrechendes Prisma mit günstigen Eigenschaften für das Kippen eines Feldes angeordnet, das unter den für den Betrieb der Vorrichtung nach der Erfindung erforderlichen Bedingungen benutzt wird. Die Brechungszahl des Prismas kann kleiner oder grosser als die Brechungszahl des umgebenden optischen Mediums sein, in dem das Prisma

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angeordnet ist, und es kann sich z.B. um ein in Glas angeordnetes Luftprisma oder um ein in Luft angeordnetes Glasprisma handeln.

Aus Gründen in bezug -auf Anastigmat!smus wird, um jede Freiheit in bezug auf die Lage des Gegenstandes gegenüber der Eintrittsflache des Prismas beizubehalten, (siehe Formel 1) der Winkel des Prismas klein, z.B. kleiner als — Radian gewählt, wobei die Eintrittspupille des Instruments zu dem Unendlichen verschoben wird, während der Einfallswinkel auf die Eintrittsflache nahezu dem der Mindestablenkung des Prismas entspricht.

Dann tritt in jedem optischen ¥eg durch Brechung an dem Prisma eine Kippung des flachen Gegenstandefeldes in bezug auf die optische Achse auf, wobei der Sinn dieser Kippung dem der Ablenkung des Bündels und der optischen Achse entgegengesetzt ist, welche Ablenkungen durch das genannte Prisma herbeigeführt werden» Durch passende ?Wahl des Spitzenwinkels des Prismas ist es möglich, dafür zu sorgen, dass die Abbildung des Gegenstandsfeldes nach Brechung im Prisma senkrecht zu der optischen „Achse gerichtet ist. Da diese Kippung des Feldes und diese senkrechte Anordnung in jedem optischen Wege auftreten, ist die Anpassung, die zur Beobachtung eines von der Mitte des Feldes entfern·^

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ten Gegenstandspunkts notwendig ist, für jedes Auge dieselbe, was zur Folge hat, dass die binokulare Beobachtung nicht mehr gestört wird und das Sehfeld vergrössert werden kann.

Eine erste Ausführungsform der Erfindung nach diesem Prinzip ist in Fig. 4 in einem Schnitt durch eine der Symmetrieebenen des Systems dargestellt. Es wird ein Luftprisma verwendet. ^jT stellt, wie in Fig. 3» die Symmetrieachse des Systems dar, das zwei optische Wege besitzt, In dieser Figur werden die Elemente des rechten Weges, mit Ausnahme des Indexes 1, mit den gleichen Bezugsziffern wie die entsprechenden Elemente des linken >Weges bezeichnet. Wegen der Symmetrie des Systems sind der Einfachheit halber nur die Elemente des den beiden Wegen gemeinsamen Teiles und die des linken Weges genannt und beschrieben. Das System %irird durch einen Glasblock ^O gebildet, der den beiden optischen Wegen gemeinsam oLst und der mit einer ebenen Fläche 41 und zwei anderen ebenen Flächen 42 und 42.. versehen ist, die bei R eine gemeinsame brechende Rippe aufweisen. Das Gegenstandsfeld der Vorrichtung befindet sich in der ebeneli Fläche 41 . Dieses Feld BOC ist im Punkt 0 zentriert, der der Gegenstands brennpunkt ist, der .den beiden optischen Wegen gemeinsam ist. 43 bezeichnet die optische Achse, die

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einen Winkel γ mit ^>. einschliesst. 44 und 45 bezeichnen Strahlen, die von B und C herrühren und zu der optischen Achse 43 parallel sind. Diese optische Achse und diese Strahlen werden über einen Winkel A von dem Luftprisma 39 mit einem Brechungswinkel A gedreht." Dieses Luftprisma besteht aus den beiden ebenen Flächen 42 und 46, wobei 46 eine Fläche des Glasblocks 47 mit der gleichen Brechungszahl wie der Block 4O ist, von dem eine Rippe bei R praktisch mit der Rippe des Glasblocks 4θ zusammenfällt. Bei einer vorgegebenen Brennweite des Systems ermöglicht der Glasblock 4θ es, eine Neigung Ύ des.Gegenstandsfeldes zu "erhalten, die umso kleiner auf der optischen Achse jedes Weges und somit umso leichter mit dem prismatischen Element 39 korrigierbar ±it, je höher die Brechungszahl dieses Blockes ist.

Das Gegenstandsfeld BOC in dem Gegenstandsraum weist eine Neigung γ zu der optischen Achse 43 auf. Bei der Brechung im Luftprisma 39 gelangt dieses Gegenstandsfeld durch Kippen als B¹O¹C¹, das eine Abbildung von BOC ist, in eine senkrechte Lage in bezug auf die optische Bildachse 48 und die Fortsetzung der gebrochenen Strahlen 49 und 50, weil unter· Berücksichtigung der Brechungszahl η₁ des Glases der Blöcke 4θ und 47 der Winkel A des Prismas 39 derart gewählt ist, dass die genannte Kippung

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gleich der Neigung der optischen Achse zu < ist. Die Beziehung zwischen der herbeigeführten Kippung - d;h. Y - und dem Winkel A ist bei Anwendung der Formel (2) '

n?- 1

A.

"1

Nach Brechung im Prisma schliesst die optische Achse dann mit ^" den Winkel y · ein, Afobei

Dabei ist die Tatsache berücksichtigt, dass die Ablenkung ^ > die durch das genannte Luftprisma herbeigeführt wird,.durch die Gleichung:

gegeben wird-.

"\ Der Punkt O¹, der die Abbildung der Mitte 0 des Gegenstandsfeldes nach Brechung durch das Prisma ist, ist als Krümmungsmittelpunkt der brechenden Oberfläche 51 gewählt, die den Glasblock 47 begrenzt. Der optische Weg enthält ausserdem einen Glasblock 52, der dem Block 37 der Fig. 3 analog ist. Die konvexe Eintrittsfläche 53 dieses Bloclcs~ ist auf die gebrochene optisch Achse 48 zentriert, · während die Spiegel (z.B. zwei) 54 und 55, die fol-

.ν«

gen, einen Winkel —r bilden, so dass die optische

Achse nach reihenmässiger Reflexion an jedem der

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ORIGINAL INSPECTED

- 'Zk -

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genannten Spiegel zu ^ parallel wird. Diese optische Achse konvergiert mit den Strahlen kk und 45 im Punkt P, der der Bildbrennpunkt des optischen Weges und die Stelle der Pupille des Auges ist.

Ein derartiges System kann zum Korrigieren der Aberrationen mit Hilfe der üblichen Vei'fahren durch Verdopplung der brechenden Oberflächen in jedem optischen Wege verwendet werden. So können insbesondere zum Korrigieren chromatischer Aberrationen in jedem Okular die brechenden Oberflächen 56 bzw. 56 angeordnet werden, die z.B. zwei Materialien der gleichen Brechungszahl trennen, aber eine verschiedene Dispersion aufweisen, wobei die neuen brechenden Oberflächen auf je ihre respektiven Achsen zentriert sind, die von den prismatischen Elementen gebrochen werden.

Um eine geringe Brennweite und ein grosses Winkelfeld zu erhalten, wird für das Glas eine hohe Brechungszahl gewählt, was ausserdem eine Verkleinerung der Feldkrümmung ermöglicht.

Um dert; von Prisma eingeführten Astigmatismus zu der einfachsten Form zu reduzieren, muss die Kippung mit einem Prisma mit einem kleinen Spitzenwinkel A und einer hohen Brechungszahl n.. des Glases, in dem es angeordnet ist, erhalten werden.

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Die Vorrichtung nach der Erfindung weist übrigens bestimmte Vorteile in bezug auf die Bildschärfe auf:

-■ die sphärische Aberration ist gering, weil von den beiden brechenden Oberflächen, deren Stärken einander nahezu gleich sind, die erste
aplanatisch ist;

- das Koma ist gering, weil die erste konvergierende brechende Oberfläche aplanatisch'· ist und die zweite mit einer Pupille arbeitet, die in
der Nähe ihres Ki'ümmungsmittelpunktes liegt;

- aus dem letzten Grunde sind ebenfalls der Astigmatismus und die .Feldkrümmung gering;

- die Verzerrung infolge der sphärischen Aberration der Pupille bleibt bei einem Feld von 4o° sehr gering.

Das System nach der Erfindung gestattet
dank dem Luftspalt, der die beiden kugeligen Oberflächen jedes der optischen Wege trennt, eine Regelung der Einstellung auf den Gegenstand, Eine
gleichzeitige Verschiebung der Okulare mit den '
Spiegeln in Richtung auf die optischen Achsen, die einen Winkel γ ' mit ^- einschliessen, ermöglicht¹ es ja, den zu beobachtenden Gegenstand zu entfokussieren, damit das Instrument dem Sehvermögen jedes Beobachters, der kurzsichtig oder weitsichtig ist,

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angepasst werden kann, ohne dass eine Winkelverschiebung der beiden Bilder herbeigeführt wird,, deren¹ Mitten sogar während dex" Regelung in einer festen Richtung gesehen werden.

Übrigens kann der gegenseitige Abstand der Pupillen dadurch vergröss'ert werden, dass die genannten Okulare um die Punkte Ol bzw. O¹.. über einen kleinen Winkel von z.B. weniger als 3°» gedreht werden, welcher Winkel aber genügend gross sein muss, um diesen gegenseitigen Abstand um 10 mm zu ändern. Diese Regelung führt aufs neue eine Neigung des Feldes zu den optischen Achsen ein, die aber derart gering ist, dass die binokulare Beobachtung dadurch nicht beeinträchtigt wird. Man wird auch dazu gezwungen, die Augenachsen in einem endlichen Abstand konvergieren zu lassen, aber dieser AJjstand ist grosser als 1,3 m, was somit nicht störend ist.

Bei einer Abwandlung dieser Ausführungsform wird das Luftprisina durch ein Prisma aus einem anderen Material mit einer die des Glases der Blöcke 4o und 47 erheblich unterschreitenden Brechungszahl ersetzt, welches Glas unter Berücksichtigung der Brechungszahl des das·Prisma bildenden Materials gewählt wird.

Nach einer Abwandlung dieser Ausführungs-

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form weist das Glas des Blockes 4θ eine Bi'echungszahl auf, die von der des GJ.ases des Blocks 47 verschieden ist. · . .

Eine weitere Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Glasprisma in Luft zur Herbeiführung der Kippung des Gegenstandsfeldes verwendet wird, ist im Schnitt in Fig. 5 dargestellt. "Wie das ^for— hergehende System enthält dieses System zwei zu ^ symmetrische op ti. sehe ¥ege. Wie in Fig. 4 "wird nur der linke Weg der Voi-richtung beschrieben. Auch sind die denen der Fig. 4 entsprechenden Elemente in Flg. 5 niit den gleichen Bezugszifferen bezeichnet. .

.Fig. 5 zeigt wieder den Block 4θ der· Fig. 4, gleich wie den Block 47, der nun keine gemeinsame Rippe mit 4o mehr aufweist. Zwischen den Blöcken 4o und 47 ist ein Glasprisma 6o in Luft angeordnet, wobei der Spitzenwinkel dieses Prismas ausserhalb .der Vorrichtung·liegt.

Wegen der Lage dieses Prismas 6o und der Tatsache, dass es aus Glas besteht und in Luft angeordnet ist, führt es eine Ablenkung des Bündels und eine Kippung des Gegenstandsfe°ldes herbei, beide in gleichem Sinne wie in der ersten Ausführungsform dex- Erfindung.

Der Glasblock 4θ ist z.B. derart angeordnet,

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FPIIN 7500

dass die optische Achse 43 zu der Austrittsfläche 42 dieses Blocks senkrecht ist.

Andererseits arbeitet das Prisma 6o in der Nähe der Mindestablenkung für die Richtung der optischen Achse 43 und die der Strahlen 44 und 45· Zugleich treten eine ¥inkelablenkung Δ, der optischen Achse 43 und eine Kippung des Gegenstandsfeldes BOC entgegengesetzter Richtung auf, derart, dass das Bild B¹O¹C des geminnten Gegenstandsfeldes und das Bild 48 der optischen Achse nach Brechung in dem Prisma 6o einen geraden Winkel miteinander einschliessen.

Auf der Austrittsseite des Prismas ist der Block 47 ein konvergierendes optisches System, das aus mindestens einer Linse besteht, deren optische Achse mit deroptischen Achse 48 des Systems zusammenfällt«,

Das System enthält ausserdem die Okulare 52 und 52., > die bereits in der ersten Ausführungsform beschrieben und auf gleiche Weise in bezug auf die ihnen vorangehenden Elemente positioniert sind.

Das System nach dieser zweiten Ausführungsform weist die gleichen Vorteile in bezug auf die Bildgüte auf und kann mit den gleichen Verbesserungen in bezug auf die Einstellung als Funktion der Eigenschaften der Augen des Gebrauchers dieses Systems

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versehen werden.

Eine dritte Ausführungsform wird von der vor hergehenden Ausführungsform dadurch abgeleitet, dass der Glasblock hO nach Fig. 5 weggelassen wird. Die Funktion dieses Blocks ist oben bereits angegeben,, Das Weglassen kann in Erwägung gezogen werden, aber dann wird es notwendig, den ,Winkel "V* und somit den Winkel A des Glasprismas 6o erheblich zu vergrössern, wenn die Stärke und das Winkelfeld des Systems erhalten bleiben sollen. Die Leistungen dieser Ausführungsform sind in bezug auf die Grosse des Sehfeldes etwas geringer als die der"vorhergehenden Ausführungsformen, abex" die letztere Ausführungsform hat den Vorteil, dass mindestens ein Element, das schwer und umfangreich sein kann, weggelassen werden kann.

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Claims (10)

1. FPIIN 7560 5.12.7^;l·

   Patentansprüche;

   IU Vorrichtung zur Änderung der Neigung des Gegenstandsfeldes odenr des Bildfeldes zu der optischen Achse in optischen Systemen, dadurch gekennzeichnet, dass diese Vorrichtung ein strahlungsbrechendes Prisma mit einem kleinen Spitzenwinkel,

   z.B. in der GrossenOrdnung von höchstens rr Radian, enthält, wobei die Eintrittspupille im Unendlichen liegt oder sehr weit entfernt ist, sich das Feld in einem beliebigen endlichen Abstand von dem Prisma befindet und der Einfallswinkel des Bündels nahezu gleich dem der minimalen durch das Prisma herbeigeführten Ablenkung entsprechenden Winkel ist.
2. 2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma und der Einfallswinkel des Bündels derarjt beinessen sind, dass das Feld zu der optischen Achse senkrecht ist.
3. 3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungszahl des Prismas niedriger als die des umgebenden Mediums
4. 4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungszahl des Prismas höher als die des umgebenden Mediums ist.

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   ⁵·¹²·⁷⁴
5. 5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Brechungszahl des das Prisma umgebenden Mediums an dem Eingang des Prismas anders als an seinem Ausgang ist.
6. 6.. Vorrichtung nach Anspruch 3> dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein in Glas angeordnetes Luftprisma ist.
7. 7. Vorrichtung nach Anspruch k, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein in Luft angeordnetes Glasprisma ist.
8. 8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Eintrittspupille im Unendlichen liegt oder sehr weit entfernt ist, um an einer beliebigen Stelle des optischen Weges die Neigung des Feldes zu der optischen Achse ändern zu können.
9. 9· Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass sie zwei optische Wege für binokulare Beobachtung von Gegenständen enthält, die auf verschiedene Weise zu der optischen Achse jedes der Wege geneigt sind, und dass in jedem der genannte Wege ein Prisma das Feld in bezug auf die optische Achse wieder in senkrechte Lage' setzt.
10. 10. Vorrichtung nach Anspruch 9» die als eine binokulare Lupe ausgebildet ist und zwei optische Wege enthält, die in bezug auf eine Achse zueinander

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    symmetrisch sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie in jedem Wege eine im Unendlichen liegende Eintrittspupille aufweist und dass diese in der Richtung von dem im Brennpunkt der Vorrichtung angeordneten Gegenstand zu der Abbildung enthält:

    - einen zwei Wegen, gemeinsamen Glasblock mit einerseits im wesentlichen einer ebenen Eintrittsfläche, die zu der Symmetrieachse senkrecht ist und die Stelle des Gegenstandsfeldes ist, dessen Mitte mit dem Schittpunkt des Feldes mit der Symmetrieachse zusammenfällt, und mit andererseits in jedem der Wege einer ebenen Austrittsfläche, die zu der Symmetrieachse geneigt ist, und weiter in jedem optischen Wege:

    - .ein Prisma, das das Feld wieder in senkrechte Lage zu der optischen Achse setzt, eine plankonvexe Linse, dersn sphärische brechende Austrittsfläche auf das Bild zentriert ist, das das Prisma von der Mitte des Gegenstandsfeldes erzeugt,
    ein Okular mit im wesentlichen am Eingang ein

    konvergierendes Gebilde brechender Oberflächen, die auf das Bild der optischen Achse zentriert sind, das vom Prisma erzeugt wird, und

    - ein System reflektierender Spiegel, deren Winkel derart zueinander positioniert sind, dass die ·

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    2Λ58720 ⁵·¹²·

    optische Achse am Ausgang zu der Symmetrieachse des Instruments parallel ist.

    11.· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch/gekennzeichnet, dass das Prisma ein in Luf-fc angeordnetes Glasprisma ist, dessen Spitze auf die Aussenseite des Instruments gerichtet ist.

    12. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Prisma ein Luftprisma ist, dessen Spitze auf die Symmetrieachse gerichtet und das in Glas angeordnet ist, wobei das genannte Luftprisma als Eintrittsfläche die Endfläche des Glasblocks, der den beiden Wegen geraeinsam ist, und als Austrittsfläche die ebene Fläche der'plankonvexen Linse hat.

    13· Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der den beiden Wegen gemeinsame Glasblock weggelassen ist.

    14., Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass im Zusammenhang mit den Eigenschaften der Augen des Beobachters und dem gegenseitigen Abstand der Augenpupillen die Vorrichtung mit Mitteln versehen ist, mit deren Hilfe die Okulare verschoben oder je über einen, kleinen Winkel, z.B. einen Winkel von weniger als 3°» um die Abbildung gedreht werden, die das Prisma von' der Mitte des Gegenstandsfeldes erzeugt.

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