DE2824113A1

DE2824113A1 - Optisches system fuer infrarot-wellenlaengen

Info

Publication number: DE2824113A1
Application number: DE19782824113
Authority: DE
Inventors: Philip John Rogers
Original assignee: Pilkington PE Ltd
Current assignee: Qioptiq Ltd
Priority date: 1977-06-01
Filing date: 1978-06-01
Publication date: 1978-12-14
Also published as: GB1594966A; SE7806162L; FR2393333A1; NL7805937A; US4199217A; FR2393333B1

Description

TER MEER . MÜLLER . STEINMEISTER Pilkincrton P.E. Ltd.

BESCHREIBUNG

■ I- I I —II— _t

Die Erfindung betrifft ein optisches System für Infrarot-Wellenlängen gemäß dem Oberbegriff des Hauptanspruehs. Die Erfindung befaßt sich im einzelnen mit einem nichtfokussierenden, nicht-gallilei¹sehen System dieser Art.

Nicht-fokussierende optische Systeme, d.h. Systeme mit einer unendlichen Brennweite und damit ohne feststellbare Fokussierungs-Wirkung sind als solche bekannt und werden in verschiedenen Zusammenhängen verwendet. Die Erfindung bezieht sich auf ein derartiges System, das insbesondere unter Bedingungen verwendet werden kann, bei denen es erforderlich ist, eine Infrarot-Strahlung einer entfernten Quelle, die auf ein optisches System trifft, is Durchmesser zu redizieren. Diese Reduzierung des Strahldurchmessers ermöglicht ein verhältnismäßig kleines, sehr schnelles, reflektierendes Abtast- oder Aufnahmesystem zur Durchführung der erforderlichen Abtastung des Sichtfeldes über eine Abbildungslinse und Detektorreihe.

Ein optischer Abtastkopf mit einer Drehung mit konstanter Winkelgeschwindigkeit wird für einen parallel gerichteten Strahlungsausschnitt verwendet, um die Scharfeinstellung oder Bündelung über das Sichtfeld beizubehalten und eine Bildverzerrung auf ein Minimum zu bringen. Zum Verhindern einer Vignettierung ist es wesentlich, daß die Austritte-Pupille oder -öffnung des nicht-fokussierenden Systems alt der in Betrieb befindlichen Facette, die jeweils die Reflektierung vornimmt, zusammenfällt. Zur Ermittlung eines guten realen Sichtfeldes und zur weitgehenden Verringerung der Anzahl von Facettten auf dem Abtast-Kopf ist ein weites Gesichtsfeld in dem Bildraum des nicht-fokussierenden Systems erforderlich. Das nicht-fokussierende optische System muß daher in der Lage sein, einen weiten Feldvinkel des Bildraumes an einer äußeren Austritts-Öffnung Stt bilden, die in einem geeigneten Abstand hinter dem letiten op-

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tischen Element des Systems liegt.

Im übrigen ist der Raum, in dem das nicht-fokussierende System einzupassen ist, üblicherweise sehr begrenzt, so daß die Länge kompakt sein muß. Weiterhin sollte die Bildqualität, die durch das System erzielt wird, in der Nähe der Grenze liegen, die durch Beugungserscheinungen gesetzt wird, da diese Qualität wegen der langen Wellenlängen der Infrarot-Strahlung nicht besonders hoch ist.

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Die Erfindung befaßt sich mit einem nicht-gallilei¹sehen, nicht-fokussierenden, optischen Infrarot-System, das gelegentlich auch als Teleskop bezeichnet wird.

Die Erfindung ergibt sich im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Die Erfindung erstreckt sich auf eine Anzahl von optischen Systemen der eingangs genannten Art, die eine kompakte Länge aufweisen und beugungs-begrenzte Bildqualitäten über einen weiten Sichtfeldbereich in einer Position bieten, die für die Arbeitsweise einer Abtast-Einrichtung geeignet ist. Ein nicht-gallilei'sches, nicht-fokussierendes Teleskop entspricht einem herkömmlichen Teleskop insofern, als ein Objektiv-Linsensystem ein reales Bild der Infrarot-Quelle liefert, das sodann durch ein Okular-System erfaßt oder "gesehen" wird. Das Okular-System liefert ein parallelgerichtetes, vergrößertes Bild der Quelle, das an einer realen Austritts- "Pupille" oder -öffnung außerhalb des TeIeskop-Systems sichtbar ist. Es sei darauf hingewiesen, daß der Ausdruck "Okular" im vorliegenden Zusammenhang verwendet wird, obwohl das letzte Bild nicht durch das menschliche Auge gesehen wird, sondern beispielsweise über eine Detektorreihe abgetastet wird.

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Das Okular-System des erfindungsgemäßen optischen Systems umfaßt zwei Linsen-Elemente, wobei das rückwärtige Linsen-

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Element eine positive Brennkraft oder Vergrößerungskraft und eine rückwärtige Oberfläche aufweist, die entweder konvex oder konkav ist, während die vordere Oberfläche konvex ist. Das vordere Linsen-Element ist meniskus-förmig mit einer konvexen rückwärtigen Oberfläche und einer konkaven vorderen Oberfläche, wobei der Krümmungsradius der konvexen rückwärtigen Oberfläche größer als derjenige der konkaven vorderen Oberfläche ist, die Dicke des vorderen Linsen-Elements jedoch so gewählt wird, daß sich eine positive Vergrößerungskraft ergibt.

Ein derartiges Okular-System dient als Weitwinkel- oder Petzvall-Linse. Die Korrektur-des Astigmatismus kann an der rückwärtigen Oberfläche des vorderen Linsen-Elements vorgenommen werden. Die vordere Oberfläche des vorderen Linsen-Elements kann sowohl zur Korrektur der Feldkrümmung als auch als Feldlinsenoberfläche verwendet werden, indem sie nah an das Bild gesetzt wird, das durch ein Objektiv-Linsensystem geliefert wird, mit dem das Okular-System verbunden ist. Eine derartige Feldlinsen-Oberfläche ermöglicht es, die Größe der Objektiv-Linse auf einem Durchmesser zu halten, der nur geringfügig über dem Durchmesser liegt, der zur übertragung des gesamten Axialstrahls ohne nennenswerte Vignettierung der achs-fernen Strahlen notwendig ist. Das Objektiv-Linsensystem umfaßt normalerweise eine Vignettierungs-Begrenzung, die eine etwa kreisförmige Austrittsöffnung in einer geeigneten Position für alle Punkte des Gesichtsfeldes begrenzt. Obwohl eine sphärische Aberration und ein Koma u.U. nicht vollständig in dem Okular-System korrigiert werden, können sie durch Auslegung des Objektiv-Linsensystems ausgeglichen werden.

Das Okular-System kann so ausgelegt werden, daß es das thermische Wellenband von 8 - 13|im oder das Wellenbad von 3 - 5,5μΐη abdeckt. Vorzugweise bestehen die beiden Elemente aus demselben Material, das zweckmäßigerweise Germanium für den Wellenbereich von 8 - 13μπι oder Silicium für den

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Wellenbereich von 3 - 5,5μΐη Ist.

Die Dicke des vorderen Elements in dem Okular-System, die bewirkt, daß das Element trotz des größeren Krümmungsradius der konvexen rückwärtigen Oberfläche eine positive Brennkraft oder Vergrößerungskraft aufweist/ ist wesentlich größer, als es für die mechanische Stabilität notwendig ist. Diese Dicke liegt vorzugsweise bei 0,35 - 0,45 des absoluten Wertes des Krümmungsradius der rückwärtigen Oberfläche, kann jedoch größer gewählt sein bis zu der Einschränkung der übertragung, oder auch geringer und etwa bei 0,30 liegen, wobei sich ein kleines Austrittssichtfeld ergibt.

üblicherweise wird ein Okular-System der Erfindung eine beugungs-begrenzte Bildqualität an der äußeren Austrittsöffnung von dtwa 10mm Durchmesser über einen weiten Winkel von etwa 60° aufweisen. Wenn eine wesentlich größere Austrittsöffnung erforderlich ist, kann eine zusätzliche Meniskus-Linse mit negativer Vergrößerungswirkung und einer konkaven rückwärtigen Oberfläche zwischen den beiden Elementen und dicht angrenzend an das rückwärtige Linsen-Element angeordnet werden, so daß die Korrektur der sphärischen Aberration in bekannter Weise verbessert wird.

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Die Erfindung liefert ein nicht-gallilei'sches, nichtfokussierendes optisches System für Infrarot-Wellenlängen mit einem Okular-System, das in Kombination mit einem Objektiv-Linsensystem verwendet werden kann. Es gibt eine Anzahl von Objektiv-Linsensystemen, mit denen das Okular-Linsensystem kombiniert werden kann, so daß sich unterschiedliche Teleskoptypen ergeben, wie die folgenden Beispiele zeigen:

a Stark vergrößernde, achromatisierte Infrarot-Teleskope,

b schwach vergrößernde, nicht-achromatisierte Infra-809850/0922

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rot-Telesokope, die ein einfaches,, konisches asphärisches Element verwenden können,

(c) Kontinuierliche Zoom-Infrarot-Teleskope,

(d) Zweipositions-Infrarot-Teleskope, die zwischen starker und schwacher Vergrößerung durch Austausch einzelner innerer optischer Elemente unigeschaltet werden können,

(e) zusammengesetzte Infrarot-Systeme, die wenigstens zwei Teleskope umfassen, deren eines ein Zoom oder ein umschaltbares System sein kann, wobei eine Entdrehungs-Optik (beispielsweise zur Aufhebung des Bilddrehungseffektes eines Panorama-Abtastspiegeis vor dem optischen System) in der parallelgerichteten Strahlung zwischen den beiden Teleskopen angeordnet ist.

Die Erfindung befaßt sich im übrigen mit einem optischen Infrarot-System mit einem Objektiv-Linsensystem zur Erzeugung eines realen Bildes einer Infrarot-Strahlung von einem entfernten Bild oder Gegenstand und einem Okular-Systera, wie es oben beschrieben wurde, zur Aufnahme der Infrarot-Strahlung des Bildes und zur Bildung einer parallelgerichteten, vergrößerten Ansicht des Bildes oder Objektives an einer realen Austritts-Öffnung sowie einer Abtasteinrichtung, die an der Austritts-Öffnung angeordnet ist und das parallelgerichtete, vergrößerte Bild über eine Abbildungseinrichtung und einen Infrarot-Detektor abtastet.

Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der beigefügten Zeichnung näher erläutert.

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Flg. 1

Fig. 2

ist eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines infrarotoptischen Systems;

ist eine schematische Darstellung eines nicht-gallilei¹sehen, nicht-fokuö-809850/8922

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sierenden Infrarot-Teleskops mit niedriger oder mittlerer Vergrößerung zur Verwendung im Zusammenhang mit dem System der Fig. 1; 5

Fig.3, 5 u.6 zeigen eine schamatische Darstellung eines

nicht-gallilei'sehen, nicht-fokussierenden Infrarot-Teleskops mit zwei Vergrößerungsmöglichkeiten zur Verwendung im Zusammenhang mit dem System der

Fig. 1;

Fig. 4 ist eine schematische Darstellung eines nicht-gallilei¹sehen, nicht-fokussierenden Infrarot-Teleskops mit starker

Vergrößerung zur Verwendung im Zusammenhang mit Fig. 1.

In Fig. 1 ist schematisch ein nicht-gallilei'sches, nichtfokussiertes, optisches Infrarot-System oder Teleskop generell mit 1 bezeichnet. Es umfaßt ein Objektiv-Linsensystem oder eine Linse 2 und ein Okular-Linsensystem oder eine Linse 3. Die Objektiv-Linse 2 nimmt Infrarot-Strahlung von einem entfernten Bild oder Gegenstand auf und fokussiert diese zur Erzeugung eines realen Bildes in der Position I. Die Okular-Linse 3 erfaßt dieses Bild I und erzeugt eine parallel-gerichtete, vergrößerte Darstellung des Bildes oder Gegenstandes, die auf einer realen Austritts-Position oder Lichtöffnung im Bereich P von außerhalb des Teleskops sichtbar ist. Es ist erkennbar, daß der Effekt eintritt, daß der Durchmesser eines parallelen Infrarot-Strahlenbündels, das in das Teleskop einfällt, verringert wird.

Ein optischer Abtastkopf 4 mit einer Anzahl von reflektierenden Facetten 5 wird mit konstanter Winkelgeschwindig- - keit um eine feste Achse gedreht, die senkrecht zur Zei-

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chenebene in Fig. 1 liegt. Der Abtastkopf 5 wird sd eingestellt, daß die jeweils eingesetzte Facette 5 mit der Austritts-Öffnung in der Position P zusammenfällt. Wenn der Abtast-Kopf gedreht wird, gibt die jeweilige Facette die parallele Strahlung über eine Abbildungslinse 6 an eine Infrarot-Detektor-Einheit 7 ab, wobei aufeinander folgende Abtastungen durch aufeinander folgende Facetten durchgeführt werden, die die Position P der Austrittsöffnung passieren.

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Fig. 2 veranschaulicht eine Ausführungsform eines nichtfokussierenden Teleskops 1. Es umfaßt eine vordere, positive Objektiv-Linse 10, die der Objektiv-Linse 2 der Fig. 1 entspricht, mit einer vorderen konvexen Oberfläche R1 und einer hinteren konkaven Oberfläche R2 eines asphärischen Kegelschnittes. Hinter der Objektiv-Linse 10 liegt ein Okular-Linsensystem E, das der Okular-Linse 3 in Fig. 1 entspricht und zwei Elemente 11 und 12 umfaßt. Das vordere Element weist eine konkave vordere Oberfläche R5 und eine konvexe rückwärtige Oberfläche R6 auf, wobei der Krümmungsradius der rückwärtigen konvexen Oberfläche R6 größer als derjenige der vorderen konkaven Oberfläche R5 ist. Die axiale Dicke "d5" des Elements 11 ist so gewählt, daß dieses Element trotz des Verhältnisses der Krümmungsradien eine positive Wirkung ausübt. Daher ist die Dicke größer, als es für die mechanische Stabilität notwendig ist, und vorzugsweise liegt das Verhältnis ^c- zwischen -0,35 und -0,45. Das rückwärtige Element 12 weist eine positive Wirkung auf und ist mit einer vorderen konvexen Oberfläche R7 sowie einer rückwärtigen konvexen Oberfläche R8 versehen.

Einzelne Beispiele eines nicht-fokussierenden Teleskops gemäß der Ausführungsform der Fig. 2 weisen numerische Daten auf, die unten in den Beispielen 1 und 2 wiedergegeben sind. Diese Beispiele sind so ausgelegt, daß sie über eine spektrale Bandbreite von 8 - 13μπι arbeiten, wobei die

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drei Linsen-Elemente 10,11 und 12 aus Germanium bestehen. Beispiel 1 bezieht sich auf ein System mit geringer Vergrößerung (x4), während Beispiel 2 eine mittlere Vergröße-" rung (x7J betrifft.
5

BEISPIEL 1

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

	10	R1	+137	10	+ 96,	8552	d5	5121	4,826
						940
15		R2		,620	(asphärisch)		100,910
						998
	11	R5		- 24,	8452	0	= 13,328
			+
		R6		- 31,	24,425
20	12	R7	—	154,	4,237

	Durchmesser	R8	523,
25	des Elements	= 40,

öffnungsbegrenzung : auf R1
Verhältnis d5/R6 = - 0,423
R2 ist ein Kegelschnitt, €. = +1,4545 Gesamtlänge = 147,75

Maximale WinkelverZerrung 0,4%.

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-12- 2 82 4M

BEISPIEL 2

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

3	10	R1	•	R7	+ 158,899	d5 »	- 30,6295	8,084

		R2	R8	+220,147 (asphärisch)	+ 135,115	170,229
10
	11	R5	- 24,4958	- 555,493	■ 11,517

		R6	24,478

15	12	4,025

2Q Dicke des Elements 10 = 70,0

öffnungsbegrenzung: auf R1

Verhältnis d5/R6 = -0,376

R2 ist ein Kegelschnitt, £ « +1,28 Gesamtlänge = 218,33
Maximale Winkelverzerrung 0,9%.

In Beispiel 1 und 2 ist der Wert von "£" in Bezug auf den Kegelschnitt der Oberfläche R2 definiert durch die Gleichung:

1 + ,/1 - £c² s²' wobei C die Krümmung darstellt,

S² = γ² + z²

X, Y und Z sind Koordinaten in Bezug auf zueinander senk rechte Achsen.

Fig. 3 veranschaulicht eine andere Ausführungsfona eines nicht-fokussierenden Systems mit umschaltbaren Linsen-Ele-

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menten, die zwei Vergrößerungsmöglichkeiten ergeben. Diese Ausführungsform umfaßt eine positive Objektiv-Linse 10 in Meniskus-Form, deren vordere Oberfläche im wesentlichen wie in Fig. 2 konvex gestaltet ist, während im Gegensatz zu Fig. 2 in Fig. 3 die rückwärtige Oberfläche R2 kugelförmig, und nicht asphärisch ausgebildet ist. Diese Ausführungsform umfaßt weiterhin ein Okular-System E, das aus Elementen 11 und 12 besteht, wie sie im wesentlichen in Verbindung mit Fig. 2 beschrieben worden sind.

10

Die Umschaltelemente, die gestrichelt in einer versetzten Axialposition gezeigt sind, umfassen einerseits eine einzelne Meniskus-Linse 13 mit konkaver vorderer Oberfläche, die zwischen den Elementen 10 und 11 liegt und eine starke Vergrößerung liefert, und andererseits eine Anordnung von drei Meniskus-Linsen 14,15 und 16, die auf der vorderen Seite konvex ausgebildet sind und anstelle der Meniskus-Linse 13 zwischen den Elementen 10 und 11 liegen und eine niedrige Vergrößerungseinstellung liefern. Ein bestimmtes Beispiel eines Teleskops gemäß Fig. 3 mit einer doppelten Vergrößerungseinstellung ist numerisch unten in den Beispielen 3 und 3A wiedergegeben. Diese Beispiele sind so ausgelegt, daß sie in einer spektralen Bandbreite von 8 13μπι arbeiten. Die Elemente 10,11 und 12 bestehen ebenso aus Germanium wie die Elemente 14,15 und 16 (Beispiel 3), während das Element 13 (Beispiel 3A) aus Zink-Selenid besteht. In Beispiel 3, das sich auf eine niedrige Vergrößerung bezieht (x4), ist die Oberfläche der Umschaltelemente 14,15 und 16 auf der vorderen und rückwärtigen Seite mit R3* - R8* gekennzeichnet. In Beispiel 3A, das sich auf starke Vergrößerung bezieht (x13), wird die vordere und rückwärtige Oberfläche des Umschaltelements 13 mit R3 und R4 bezeichnet.

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- 14 BEISPIEL

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25 30 35

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

	R1	+ 232,320	11,092
10
	R2	+ 347,032	42,183

	R3*	+ 50,6698*	7,747
14
	R4*	+ 41,1863*	135,700

	R5*	+ 319,835*	4,572
15
	R6*	+ 756,749*	1,281

	R7*	+ 43,7905*	4,572
16
	R8*	+ 55,2969*	43,607

	R5	- 27,1326	d5 = 15,992
11
	R6	- 37,4608	0,426

	R7	+ 109,814	5,389
12
	R8	- 417,132

* = Umschaltelement

Durchmesser des Elements 10 = 153,0

öffnungsbegrenzung : 118,9 hinter R4*, Durchmesser * 21,9

Verhältnis d5/R6 = -0,427

Gesamtlänge = 272,56

Maximale WinkelverZerrung 3,8%.

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Pi.lkington P.E. Ltd.

- 15 -

10 15 20

	Oberfläche	BEISPIEL 3A	Axiale Dicke /
Element		Krümmungsradius	Trennung
	R1
		+ 232,320	11,092
10	R2
		+ 347,032	66,271
	R3
		- 662,447*	7,784
13	R4
		- 923,191*	165,608
	' R5
		- 27,1326	d5 = 15,992
11	R6
		- 37,4608	0,426
	R7
		+ 109,814	5,389
12	R8
	- 417.132

25 30 35

* = Umschaltelement

Durchmesser des Elements 10 = 153,0

öffnungsbegrenzung 78,2 hinter R4, Durchmesser =44,0

Verhältnis d5/R6 = - 0,427

Gesamtlänge = 272,56

Maximale Winkelverzerrung 5,3%.

Fig. 4 veranschaulicht eine weitere Ausführungsform eines nicht fokussierenden Systems mit starker Vergrößerung. Diese Ausführungsform umfaßt eine vordere Objektiv-Linse 10, die im wesentlichen dem Element 10 der vorangegangenen Ausführungsform entspricht und eine Meniskus-Linse mit konvexer vorderer Oberfläche darstellt. Hinter der Linse 10 ist eine Linse 13 angeordnet, die eine Meniskus-Linse mit konkaver vorderer Oberfläche darstellt und im wesentlichen dem EIe-

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TER MEER · MÜLLER ■ STEINMEISTER Pilkington P.E. Ltd.

ment 13 in der Einstellung mit hoher Vergrößerung der Fig. 3 entspricht. Hinter der Linse 13 ist ein Okular-System E angeordnet, das zwei Elemente 11 und 12 umfaßt, wie es bei den vorangegangenen Ausführungsformen der Fall ist, ausgenommen, daß für einen Betrieb im Bandbreitenbereich von 3 - 5,5μπι die rückwärtige Oberfläche R8 des rückwärtigen Elements 12 konkav, und nicht konvex ausgebildet ist. Das Element 12 gemäß Fig. 4 ist daher eine Meniskus-Linse mit konvexer vorderer Oberfläche, die für einen Betrieb in der erwähnten Bandbreite geeignet ist. Es kann jedoch auch die Ausführungsform der Fig. 4 mit einer bi-konvexen rückwärtigen Linse 12 im Bandbreitenbereich von 8 - 13um verwendet werden.

Spezielle Beispiele eines Teleskopes gemäß Fig. 4 sind zahlenmäßig in den Beispielen 4 bis 7 erfaßt. Beispiel 4 bezieht sich auf einen Betrieb bei einer Bandbreite von 8 bis 13μπι und somit auf ein bi-konvexes Linsenelement Alle Linsen-Elemente bestehen aus Germanium. Bei Beispiel 4 beträgt die Vergrößerung 13. Die Beispiele 5 bis 7 befassen sich mit Bandbreiten von 3 - 5,5μΐη, so daß die Linse 12 als Meniskus-Linse ausgebildet ist. In diesen Beispielen bestehen die Elemente 10,11 und 12 aus Silicium. Das Linsen-Element 13 besteht bei Beispiel 5 aus Magnesiumoxyd, im Beispiel 6 aus Stronthium-Titanat, im Beispiel 7 aus Saphir. Bei den Beispielen 5 bis 7 beträgt die Vergrößerung 15.

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BEISPIEL

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

	R1	+ 273,033	13,539
10
	R2	+ 393,043	127,252

	R3	- 209,721	6,499
13
	R4	- 222,152	155,791

	R5	- 31,1832	d5 = 16,079
11
	R6	- 39,2747	21,585

	R7	+ 126,376	5,416
12
	R8	- 622,503

Durchmesser des Elements 10 = 155,3 öffnungsbegrenzung : 69,8 hinter R4, Durchmesser 36,6 Verhältnis d5/R6 = -0,409 Gesamtlänge = 346,16 Maximale Winkelverzerrung 2,5%.

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10

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BEISPIEL

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

	R1	+ 290,577	d5 =	- 38,3368	14	,071
10
	R2	+ 436,038	+ 56,7623	45	,357

	R3	- 610,068	+ 144,445	10	,318
13
	R4	- 765,398	302	,167

	R5	- 30,7293	15	,447
11
	R6	14	,586

	R7	7	,504
12
	R8

20

Durchmesser des Elements 10 = 158,0 öffnungsbegrenzung : 31,4 hinter R4, Durchmesser = 113,8 Verhältnis d5/R6 = -0,403 Gesamtlänge = 409,45 Maximale Winke!verzerrung 1,6%.

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BEISPIEL

Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

	R1	+ 274	,979	d5 =	,7431	13,341
10
	R2	+ 412	,696	,2955	43,716

	R3	- 611	,839	,549	9,783
13
	R4	- 692	,004	287,429

	R5	- 27	,6715	15,204
11
	R6	- 35	9,459

	R7	+ 54	7,115
12
	R8	+ 133

20

Durchmesser des Elements 10 = 158,1 öffnungsbegrenzung: 35,5 hinter R4, Durchmesser = 111,9 Verhältnis d5/R6 = 0,425 Gesamtlänge = 386,05 Maximale Winkelverzerrung 2,1%.

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- 20 BEISPIEL 7

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Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke /

Trennung

20

	R1	+ 291	,001	14,070
10
	R2	+ 434	,772	44,743

	R3	- 634	,923	10,318
13
	R4	- 735	,060	300,638

	R5	- 29	,5445	d5 * 16,072
11
	R6	- 37	,9293	10,240

	R7	+ 57	,0269	7,504
12
	R8	+ 141	,010

Durchmesser des Elements 10 » 157,9 öffnungsbegrenzung: 31,8 hinter R4, Durchmesser Verhältnis d5/R6 = - 0,424
Gesamtlänge = 403,59
Maximale Winkelverzerrung 2,1%.

113,8

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Die Dimensionseinheiten aller Beispiele sind nun, jedoch sind diese Werte relativ, so daß auch eine andere Dimensionierung gewählt werden kann. Die Linsen-Oberflächen sind kugelförmig, soweit nicht etwas anderes angegeben ist. Beispielsweise sind bei Beispiel 3, 3A und 4-7 alle Oberflächen kugelförmig, während bei Beispiel 1 und 2 eine einzige asphärische, kegelschnittförmige Oberfläche R2 verwendet wird.

In allen Beispielen ist der Durchmesser der Austritts-Pupille oder öffnung 10mm mit einem Gesamtgesichtsfeld von 60° im Bildfeld. Die nominale Position der Austrittsöffnung liegt 27 mm hinter der Oberfläche R8. Wenn eine Austritts-Öffnung mit großen Durchmesser erforderlich ist, sollte eine zusätzliche Linse mit negativer Wirkung und Meniskus-Form sowie mit einer negativen Oberfläche gegenüber der Oberfläche R7 in deren Nähe angebracht werden, so daß die Korrektur der sphärischen Aberration in an sich bekannter Weise verbessert wird. Gewünschtenfalls kann eine Feldbegrenzung die exakten Grenzen des Sichtfeldes festlegen und im mittleren Bildraum in der Nähe der Oberfläche R5 angeordnet werden.

Alle oben angegebenen Beispiele liegen bei oder in der Nähe der beugungs - begrenzten Auflösung. Die Gesamtlänge, die in den Beispielen angegeben wird, ist die gesamte Axiallänge zwischen den Oberfläche R1 und R8.

Bei den Ausführungsformen der Figuren 2 bis 4 werden dieselben Bezugsziffern R5 bis R8 zur Bezeichnung der Oberflächen der Elemente in dem Okular-System E verwendet. In jedem Falle ist der Krümmungsradius der konvexen Oberfläche R6 größer als derjenige der konkaven Oberflächen R5, d.h., R6 S R5. Die axiale Dicke d5 des Elements 11, d.h. der axia-Ie Abstand zwischen den Oberflächen R5 und R6 liegt über demjenigen Wert, der für die mechanische Stabilität erforderlich ist, und vorzugsweise beträgt das Verhältnis d5/R6

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etwa -0,35 bis -0,45. R6 wird in diesem Zusammenhang zur Bezeichnung des Krümmungsradius verwendet. Die obere Grenze dieses bevorzugten Verhältnisses kann jedoch erhöht werden bis zur Beeinträchtigung der Übertragung. 5

Es ist erkennbar, daß bei allen Beispielen, die für einen Betrieb im Bandbreitenbereich von 8 - 13[im bestimmt sind, d.h. bei den Beispielen 1 bis 4, die Elemente 11 und 12 des Okular aus Germanium bestehen und die rückwärtige dünne Linse 12 bi-konvex ausgebildet ist. Es kann jedoch auch eine rückwärtige Linse 12 mit Meniskus-Form verwendet werden, die in Richtung der Austritts-Öffnung konkav ist, und zwar auch für einen Bandbreitenbereich von 8 - 13μΐη. Bei den Beispielen, die für einen Betrieb im Bandbreitenbereich von 3 - 5,5μπι bestimmt sind, d.h. bei Beispiel 5 bis 7, sind die Elemente 11 und 12 des Okulars vorzugsweise aus Silicium hergestellt, und das rückwärtige dünne Linsen-Element 12 ist meniskus-förmig und konkav in Richtung der Austrittsöffnung.

Die Materialien der Linsen-Elemente der gegebenen Beispiele haben folgende Brechungsindizes N und Reziprokwerte der Dispersionskraft oder V-Werte:

N (10,6 μΐϋ) V (8,5 - 12,5μπι)

	N	Zink Selenide	N	Oxyd (MgO)	(10,6 μΐη)
Germanium				Titanat (SrTiO₃)	4,00119
Silicium		2,4034
Magnesium	(3,5μπι)
Strontium	3,4284
Saphir	1,68055
2,20911
1.69535

1	004	4,5
	56
V (3,0	-
289
	5


18
16
11,

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Wie zuvor erwähnt wurde, kann ein rückwärtiges Linsen-Element 12 in Meniskus-Form mit konkaver Oberfläche in Richtung der Austritts-Öffnung bei einer Bandbreite von 8 - 13μπι verwendet werden. Dies ist in den unten folgenden Beispielen 8 und 9 dargestellt, die sich auf die genannte Bandbreite beziehen.

Beispiel 8 entspricht in den Grundzügen Fig. 4, bezieht sich jedoch auf eine Ausführungsform mit doppelter Vergrößerung und zusätzlichen Umschalt-Elementen 17 und 18, die in Fig. 5 in gestrichelten Linien gezeigt sind und zwischen die Elemente 13 und 11 zur Einstellung einer geringen Vergrößerung eingefügt werden können. Das Element 17 ist eine negative Meniskus-Linse mit konvexer vorderer Oberfläche. Die Oberflächen sind mit R5* und R6* bezeichnet, während das Element 18 konvex-eben ist und die Oberflächenbezeichnungen R7* und R8* trägt.

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	Element	Oberfläche	- 24 - BEISPIEL 8	2824113
		R1	Krümmungsradius	Axiale Dicke / Trennung
	10		+ 212,73
5		R2		8,70
			+ 289,52
		R3		80,60
	13		- 135,00
		R4		6,50
10			- 141,01
		R5*		31,50
	17		+ 35,778*
		R6*		5,02*
			+ 28,461*
15		R7*		80,48*
	18		+ 138,09*
		R8*		6,50*
			eben*
		R5		66,20
20	11		- 38,599
		R6		d5 = 13,00
			- 42,271
		R7		6,00
	12		+ 47,189
25		R8		5,20
		+ 66,390

* - Umschaltelement, dessen Einfügung eine niedrige Vergrößerung ergibt.

Durchmesser des Elements 10 = 105,0 öffnungsbegrenzung =30,0 hinter R8, Durchmesser 10,3 Verhältnis d5/R6 = -0,308 Gesamtlänge = 309,7
Maximale Winkelverzerrung =3.0% Vergrößerung : - Hoch χ 10,

Niedrig χ 3,35

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Nominaldurchmesser der Austritts-Öffnung = 10,3 mm Gesamtes Austrittsgesichtsfeld = 33,7° Nominalabstand der Austritts-Öffnung hinter R8 = 30,0 mm.

Es ist erkennbar, daß das Verhältnis d5/R6 in Beispiel 8 größer als bei den anderen Beispielen ist. Dies beruht darauf, daß bei Beispiel 8 ein geringeres Austritts-Gesichtsfeld vorgesehen ist.

Beispiel 9 betrifft ebenfalls eine Ausführungsform mit doppelter Vergrößerung, die in den Grundzügen in Fig. 6 dargestellt ist. Diese Ausführungsform umfaßt ein vorderes Element 10, wie es zuvor beschrieben worden ist, und rückwärtige Okular-Elemente 11 und 12, die ebenfalls bereits beschrieben wurden. Zwischen den Elementen 10 und ist eine negative Meniskus-Linse 19 mit konvexer vorderer Seite vorgesehen, sowie eine umschaltbare Linse 20, die gestrichelt dargestellt ist, eine positive Meniskus-Linse 21 mit konvexer vorderer Seite, eine negative Meniskus-Linse 22 mit konkaver vorderer Seite, eine positive Meniskus-Linse 23 mit konvexer vorderer Seite und ein Block 24 mit ebenen Oberflächen. Die umstellbare Linse 20 ist negativ-konkav-eben und liegt mit ihrer konkaven Oberfläche bei der Einstellung starker Vergrößerung nach vorne.

Bei niedriger Vergrößerung wird diese Linse umgedreht, so daß die konkave Oberfläche hinten liegt. Der Block 24 besteht aus Steinsalz und dient zur Korrektur einer komatischen Aberration. Die Oberflächen der Objektiv-Linse 10 sind mit R1 und R2 bezeichnet und diejenigen der Elemente 11 und 12 mit R5 - R8, wie es zuvor bereits der Fall war.

Die Oberflächen der Linse 19 sind mit R3 und R4 bezeichnet, und diejenigen der Elemente 21-23 und des Blockes 24 mit R9 - R16. Die Oberflächen des umschaltbaren Linsen-Elements 20 sind mit R5* und R6* bezeichnet.

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Element Oberfläche Krümmungsradius Axiale Didke /

Trennung

	10	R1	+ 354,323	10,940
5
		R2	+ 591,206	3,010

	19	R3	+ 250,743	8,850

10		R4	+ 222,397	166,350*

	20	R5*	- 391,172*	7,290*

		R6*	eben*	25,400*
15
	21	R9	+ 323,604	10,680

		R10	+2244,61	10,420

20	22	R11	- 256,105	9,370

		R12	- 313,762	36,210

	23	R13	+ 104,433	10,680
25
		R14	+ 126,246	68,510

	24	R15	eben	13,020

30		R16	eben	23,800

	11	R5	- 43,585	d5« 22,930

		R6	- 52,851	0,260
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	12	R7	+ 90,143	8,850

R8 + 146,991

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282A113

* = Das umschaltbare Element wird umgedreht, so daß die Luftspalten vor und hinter der Linse zwischen 26,550 und 165,200 zur Erzielung niedriger Vergrößerung veränderlich sind.
Durchmesser des Elements 10 = 135,0 öffnungsbegrenzung = 24,1 hinter R4, Durchmesser 105,4 bei starker Vergrößerung, 151,2 hinter R6*, Durchmesser 97,1 bei niedriger Vergrößerung.

Verhältnis d5/R6 = -0,434
Gesamtlänge = 436,57

Maximale Winkelverzerrung = 3,7%

Vergrößerung : stark χ 6; schwach χ 2,2 Nominaler Austrittsöffnungsdurchmesser =20,0 bei starker Vergrößerung, 29,75 bei schwacher Vergrößerung Gesamter Sichtfeldwinkel am Austritt = 64,7° Nominaler Abstand der Austrittsöffnung hinter R8 = 40,95 mm.

Obwohl in Fig. 6 eine gerade Anordnung der Elemente gezeigt ist, kann die Ausführungsform des Beispiels 9 in der Praxis einen Knick hinter dem Element 19 auf v/eisen, indem ein Spiegel in bekannter Weise eingesetzt wird. Ein derartiger Knick kann den notwendigen Raum schaffen, damit das Umdrehen des umschaltbaren Elements 20 zwischen starker und schwacher Vergrößerung durch geeignete mechanische Einrichtungen erleichtert wird.

Alle Linsenelemente der Beispiele 8 und 9 bestehen aus Germanium mit Brechungsindizes N und V -. Werten, wie sie oben angegeben sind. Der Block 24 aus Steinsalz gemäß Beispiel 9 weist einen Brechungsindex von N von 1,49042 bei 10,6 um und einen V-Wert von 18,35 bei 8,5 bis 12,5 μΐη auf.

Es liegt auf der Hand, daß das oben beschriebene Okular-System, das in den Beispielen speziell mit bestimmten Objektiv-Linsensystemen verwendet wird, auch in Verbindung mit anderen Objektiv-Linsensystemen einschl. Zoom-Systemen verwendbar ist.

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Claims

PATENTANWÄLTE TER MEER - MÜLLER - STEINMEISTER D-aOOO München 22 D-4800 Bielefeld Triftstraße 4 Siekerwall 7 28241 I JMW/JB/1741 st/ge 1. Juni 1978 Pilkington P.E. Limited Prescot Road St. Helens, Lancashire England Optisches System für Infrarot-Wellenlängen PRIORITÄT: 1. Juni 1977, Großbritannien, No. 23075/77 PATENTANSPRÜCHE

1. Optisches System für Infrarot-Wellenlängen zur Ver wendung in nicht-gallilei¹sehen, nicht-fokussierenden Systemen mit einem Okular, dadurch gekennzeich-

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ORIGINAL INSPECTED

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net, daß das Okular zwei Linsen-Elemente (11,12) umfaßt, daß das rückwärtige Element (12) eine positive Vergrößerungskraft und eine konvexe oder konkave rückwärtige Oberfläche sowie eine konvexe vordere Oberfläche aufweist und daß das vordere Linsen-Element (11) meniskusförmig ausgebildet ist und eine konvexe rückwärtige Oberfläche sowie eine konkave vordere Oberfläche aufweisen, wobei dur Krümmungsradius der konvexen rückwärtigen Oberfläche größer als derjenige der konkaven vorderen Oberfläche ist und die Dicke des vorderen Elements derart gewählt ist, daß eine positive Vergrößerungskraft eintritt.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen-Elemente (11,12) aus demselben Material bestehen.

3. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen-Elemente (11,12) zur Verwendung in einem Wellenbereich von 8 - 13μπι aus Germanium bestehen.

4. Optisches System nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Linsen-Elemente zur Verwendung in einem Wellenbereich von 3 - 5,5μΐη aus Silicium bestehen.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß die Dicke des vorderen Elements (11) zwischen dem 0,35- und dem 0,45 - fachen des absoluten Wertes des Krümmungsradius der rückwärtigen Oberfläche (R6) liegt.

6. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein zusätzliches, meniskus-förmiges Linsenelement mit negativer Vergrößerungskraft und konkaver rückwärtiger Oberfläche zwischen den beiden LlQjS£n-jElemen±eiv dicht angrenzend an das

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hintere Element.

7. Optisches System nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein Objektiv-Linsensystem in Verbindung mit dem Okular-Linsensystern.

8. Optisches System nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch umschaltbare Linsen-Elemente (13, 14,15,16;17,-20).

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9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ein Objektiv-Linsensystem (2) zur Erzeugung eines realen Bildes einer Infrarot-Strahlung eines entfernten Bildes oder Gegenstandes vor dem Okular-Linsensystem (3), wobei das Okular-Linsensystem die Strahlung dieses Bildes aufnimmt und eine parallelgerichtete, vergrößerte Darstellung des Bildes oder Gegenstandes an einer realen Austrittsöffnung (P) erzeugt, und eine Abtasteinrichtung (4) an der Austrittsöffnung zur Abtastung der parallelgerichteten, vergrößerten Darstellung über eine Abbildungseinrichtung durch einen Infrarot-Detektor.

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