DE3120625A1 - Afokales linsenfernrohr - Google Patents
Afokales linsenfernrohrInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem afokalen Linsenfernrohr mit
Zoom-Objektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Zoom-Objektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein derartiges Fernrohr kompakt und kurz mit minimalem Übermaß der primären Objektivlinse zu bauen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Fernrohr mit den im
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Fig. 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen
Fernrohrs bei drei verschiedenen Vergrößerungen, und
Fig .2 und 3 zeigen· in graphischer Darstellung die relative
Lage der beweglichen Komponenten des Fernrohrs in Abhängigkeit von der Vergrößerung des Fernrohrs
.
Das in Fig. 1 dargestellte Fernrohr 20 enthält ein Okular 19 aus zwei feststehenden Linsen A und B und ein Objektiv 18 aus
vier Linsen C,D,E und F, von denen die Linse F feststehend angeordnet
ist, die Linsen D und E miteinander gekoppelt und gemeinsam entlang eines ersten Weges verschiebbar sind und die
Linse C entlang eines zweiten Weges verschiebbar ist. Die Linsen A bis F sind auf einer gemeinsamen optischen Achse 17 angeordnet
und besitzen brechende Oberflächen 1 bis 12 von im wesentlichen sphärischer Gestalt. Das Objektiv 18, welches im infraroten Wellenlängenbereich
zwischen 3 .um und 13 um hinreichend durchlässig ist, empfängt Strahlung aus dem Gegenstandsraum 16 und erzeugt
daraus ein innerhalb des Fernrohrs 20 gelegenes reelles Bild I. Das Okular 19, welches ebenfalls im infraroten Wellenlängenbereich
hinreichend durchlässig ist, sammelt die vom reellen Bild I ausgehenden Strahlen und überträgt sie durch eine Pupille
0 hindurch in den Bildraum S.
Die Linse E besteht aus einem Material mit geringerem Brechungsindex
als die übrigen Linsen, besitzt negative Brechkraft und eine V-Zahl von wenigstens 120. Die V-Zahl wird auch als Abbesche Zahl
bezeichnet. Sie berechnet sich als das Verhältnis des um 1 verminderten Brechungsindexes bei 10 .um zur Differenz des Brechungsindexes
bei 8,5 ,um und des Brechungsindexes bei 11,5 ,um:
η (10,Um) - 1
V =
η (8,5 ,um)- η (11,5,
um)
Die Linse E wirkt deshalb relativ zu den anderen drei Objektivlinsen
C,D und F farbkorrigierend. Vorzugsweise besteht zu
diesem Zweck die Linse E aus einem Chalkogenidglas mit der Bezeichnung BSI. BSI ist eine Handelsbezeichnung der Fa. Barr
& Stroud Limited für ein Chalkogenidglas mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen, während alle übrigen
Linsen aus Germanium bestehen.
Um auch dicke Strahlenbündel verkraften zu können, ist die Linse D eine Linse mit positiver Brechkraft und hat eine ausgeprägte
Meniskusgestalt. Die Linsen D und E sind miteinander verbunden und gemeinsam entlang der optischen Achse 17 verschieblich; zwischen
dem Verschiebeweg und dem Vergroßerungsfaktor besteht der in Fig. dargestellte nichtlineare Zusammenhang (Kurve G); in Fig.2 ist auf
der Abszissenachse der Abstand zwischen den brechenden Oberflächen 10 und 11 und auf der Ordinatenachse der Vergroßerungsfaktor aufgetragen;
eine entsprechende Verschiebung der Linse C über deren eigenen Verschiebeweg entlang der optischen Achse 17 bewirkt eben-
falls eine nichtlinear vom Verschiebeweg abhängende Änderung des Vergrößerungsfaktors; die Kurve H in Fig. 3 zeigt diesen Zusammenhang,
wobei auf der Abszissenachse der Abstand- zwischen den brechenden Oberflächen 4 und 5 und auf der Ordinatenachse der
Vergrößerungsfaktor angegeben ist. Vorzugsweise ist die Beweglichkeit
der Linse C derart begrenzt, daß sie nicht durch das innere reelle Bild I hindurch bewegt werden kann und dies begrenzt - wie
in den Zeichnungen dargestellt, den maximalen Vergrößerungsfaktor auf den Wert XlO. Wenn jedoch das Material, aus welchem die Linse C
besteht, frei von Inhomogenitäten ist, dann kann diese Linse C sogar durch die Fläche des reellen Bildes I hindurchbewegt und dadurch
der Vergrößerungsfaktor gesteigert werden. Zu diesem Zweck kann man die Linse C z.B. aus Zinkselenid herstellen, welches gewöhnlich
weniger inhomogen ist als Germanium.
Die Linse E besitzt vorzugsweise einen bei 200C und bei einer
Wellenlänge von 10 .um gemessenen Brechungsindex von mindestens 2,45, wohingegen die übrigen Linsen jeweils einen Brechungsindex
von nicht weniger als 4,0 aufweisen. Mit Vorteil kann ferner jede der brechenden Oberflächen 1 bis 12 mit einer reflexmindernden
Beschichtung versehen sein. Die Linsen D und E lassen sich unabhängig von der Linse C verschieben, um die Brennweite des Fernrohrs
zu verstellen oder den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur,
auf die Brennweite kompensieren zu können.
Tabelle I enthält ein Bemessungsbeispiel für ein Fernrohr mit
dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. An diesem Bemessungsbeispiel
sieht man, daß das Fernrohr in der Tat recht kompakt ist bei
einer Blendenzahl am Ort des reellen Bildes I von 2,51 über den gesamten Vergroßerungsbereich von X3 bis XlO, wobei das Fernrohr bis nahe an die durch Beugungseffekte bestimmte Leistungsgrenze eine sehr hohe Abbildungsgüte über das gesamte Gesichtsfeld und bei praktisch allen Vergrößerungen aufweist. Tabelle II enthält Angaben über die Abbildungsgüte des Fernrohres.
dem in Fig. 1 gezeigten Aufbau. An diesem Bemessungsbeispiel
sieht man, daß das Fernrohr in der Tat recht kompakt ist bei
einer Blendenzahl am Ort des reellen Bildes I von 2,51 über den gesamten Vergroßerungsbereich von X3 bis XlO, wobei das Fernrohr bis nahe an die durch Beugungseffekte bestimmte Leistungsgrenze eine sehr hohe Abbildungsgüte über das gesamte Gesichtsfeld und bei praktisch allen Vergrößerungen aufweist. Tabelle II enthält Angaben über die Abbildungsgüte des Fernrohres.
Das Fernrohr gemäß Tabelle I läßt wenigstens 60% der im Wellenlängenbereich
von 8 .um bis 13 um einfallenden Infrarotstrahlung durch und der Durchmesser der Pupille 0 (d.i. die Austrittspupille
des Fernrohrs 20) ist über ofen gesamten Vergroßerungsbereich konstant,
wohingegen die Eintrittspupille /3 des Objektivs in Größe und Lage
vom Vergrößerungsfaktor abhängt; bei den Vergrößerungsfaktoren X3
und X7 ist die Eintrittspupille /3 virtuell.
Die Kurve G in Fig. 2 verläuft annähernd exponentiell, d.h.
- 10 -
wenn der Vergrößerungsfaktor ausgehend vom kleinsten Vergrößerungsfaktor X3 erhöht wird, dann erfordert die Erhöhung zunächst einen
großen, bei Annäherung an die stärkste Vergrößerung XlO schließlich aber nur noch einen recht kleinen Verschiebeweg der Linsen D und E.
In der Kurve H in Fig. 3 kommt ein annähernd kubischer Zusammenhang zwischen dem Verschiebeweg der Linse C und dem Vergrößerungsfaktor zum Ausdruck, wobei die kubische Abhängigkeit ungefähr bei
einem Vergrößerungsfaktor von X6,5 ihren Ausgang nimmt. Je kompakter das Fernrohr ist, d.h. je höher die Blendenzahl (f-Zahl) des Fernrohrs
ist, desto ausgeprägter ist der kubische Charakter der Kurve H.
Die Objektivlinsen C bis F können ausgehend von den Maßen in Tabelle
I maßstäblich verändert und dadurch unterschiedliche Vergrößerungsbereiche und unterschiedliche minimale und maxima]e Vergrößerungsfaktoren verwirklicht werden. Derartige Veränderungen ziehen auch
Änderungen der Blendenzahl· zwischen den Linsenoberflächen 6 und 7 nach sich, und je kompakter das Objektiv 18 gerät, desto ausgeprägter
ist die Nichtlinearität der Kurve H.
Die Kurven in Fig. 2 und 3 sind bei allen Vergrößerungen unter Zugrundelegung
von Paraxialstrahlen für eine Brennpunktentfernung von
1000 m ermittelt worden, d.h. das untersuchte Fernrohr 20 war praktisch afokal.
| Linse | brechende Ober fläche Nr. |
Abstände (in mm) bei Vergrößerungs- der Linsenober- faktor flächen unterein ander |
- Krümmungs radius (mm) • · · |
Material | Maximale Öff- ' nung (mm Durchmesser) |
| Aus- tritts- pu- pille· |
0 jedem | plan | Luft | 15,30 | |
| A | 1 2 |
33,29 ·· jedem 5,00 jedem |
-64,39 -52,00 |
Luft Ge |
43,00 44,60 |
| B | 3 4 |
17,50 jedem 33,32 jedem |
66,72 45,97 |
Luft Ge |
48,30 31,50 |
| C | 5 | -117,96 | Luft | 73,50 | |
| 6 | '66,00 X3rl ] | -79,60 | Ge | 77,00 | |
| 35,42 · X7r0 j | |||||
| J.6, 93 X9.7 J | |||||
| 10,02 jedem |
Fortsetzung der Tabelle auf Seite 12
• maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46, 4°
·· Abstand der Oberfläche 1 von der Austrittspupille 0 '*·. negatives Vorzeichen zeigt an, daß der Krümmungsmittelpunkt auf jener Seite der jeweiligen Linse liegt,
auf der auch die Austrittspupille 0 liegt
σ cn ro
cn
| D | 7 | 240,46 X3,l" 193,53 X7t0 210,27 Χ9,7^ |
-72,30 | Luft | 90,00 98,00 |
| E | 8 | -82,25 | Ge | 106,50 109,00 |
|
| F | 9 10 |
8,00 jedem | 1301,07 843,67 |
Luft BSI |
168,00 174,00 |
| 11 | 0,50 jedem 15,30 jedem |
-334,75 | Luft | ||
| 12 | -249,09 | Ge | |||
| '30,60 X3,l' 108,12 X7r0 109,86 X9.7 |
|||||
| 16,00 jedem |
CD CD NJ
| Ungefähre quadratische Mittelwerte | der scheinbaren Größe eines durch | das | bei monochromatischem | Licht | bei chromatischem Licht | von 8,5,um | 3/4 |
| Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandraum bei unterschiedlicher Aus | von 9.6,um Gesichtsfeld: |
bis 11, 5,um * Gesichtsreid: |
/ | ||||
| nutzung des Gesichtsfeldes. | Achsial- halb | 3/4 | Achsial- halb | 0,086 ) | |||
| Vergrößerung | strahlen | strahlen | 0,526 V Ψ | ||||
| 0,059 0,058 | 0,075 | 0,069 0,070 | 0,900J | ||||
| 0,305 0,373 | 0,524 | 0,306 0,375 | |||||
| 0,559 0,726 | 0,899 | 0,560 0,727 | |||||
| X9,7 | 109,8 f / | ||||||
| X7,0 | |||||||
| X3,l | 81,9 91,3 | 97,4 | 81,9 91,5 | ||||
| für das innen | |||||||
| liegende reelle | |||||||
| Bild |
• bestimmt aus gleich gewichteten Messungen bei den Wellenlängen 8,5 ,um,
9,6,um und 11,5,um
#f in milliradiant φ in ,um
OO
K) CD CO
cn
Claims (8)
1. Afokales Zoom-Linsenfernrohr (20) mit einem achromatischen
Objektiv (IB) mit veränderlicher Vergrößerung und mit einem
Okular (19) mit fester Brennweite, welche derart auf einer gemeinsamen optischen Achse (17) angeordnet sind, daß im Innern des Fernrohrs
(20) ein reelles Bild (I) entsteht, wobei das Objektiv (18) aus vier Linsen (C,D,E,F) und das Okular
(19) aus zwei Linsen (A,B) besteht und alle sechs Linsen (A bis F)
aus einem Material bestehen, welches im infraroten Wellenlängenberehh
ein Spektralband mit brauchbarer Durchlässigkeit aufweist,
ο _
und wobei die im wesentlichen sphärisch gekrümmten brechenden Oberflächen (1 bis 12) der sechs Linsen (A bis F) von der optischen
Achse (17) durchsetzt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß erstens die der ersten Linse (F) des
Objektivs (18) benachbarte Linse (E) des Objektivs (18) farbkorrigierend mit einer V-Zahl von nicht weniger als 120 gewählt ist und
negative Brechkraft sowie einen geringeren Brechungsindex als die übrigen Linsen (C,D,F) des Objektivs (18) besitzt und fest mit jener
benachbarten Linse (D), welche auf ihrer der ersten Linse (F) des Objektivs (18) abgewandten Seite liegt, gekoppelt und gemeinsam mit
dieser entlang eines ersten Weges entlang der optischen Achse (17) verschiebbar ist,
daß zweitens die dem Okular (19) benachbarte Linse (C) des Objektivs
(18) entlang eines zweiten Weges entlang der optischen Achse (17) verschiebbar ist,
und daß drittens zur Veränderung der Vergrößerung des Fernrohrs (20) im Bereich zwischen einem unteren und einem oberen Vergrößerungsfaktor Verschiebemittel vorgesehen sind, durch welche die drei
verschiebbaren Linsen (E,D,C) des Objektivs (18) gleichzeitig entlang
ihrer Verschiebewege bewegbar sind, wobei zwischen den Verschiebewegen und der Änderung der Vergrößerung ein nichtlinearer
Zusammenhang besteht.
2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jene
Linse (D) des Objektivs (18), welche zwischen der dem
Okular (19) benachbarten Linse (G) und der der ersten Objektivlinse
(F) benachbarten Linse (E) liegt, eine ausgeprägte Meniskusgestalt
besitzt und ihre konkave Oberfläche (7) dem inneren reellen Bild (I) zukehrt.
3. Fernrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die der ersten Objektivlinse (F) benachbarte farbkorrigierende
Linse (E) des Objektivs (20) aus einem Chalkogenidglas besteht, wohingegen
die übrigen Linsen (A,B,C,D,F) des Fernrohrs (20) aus Germanium (Ge) bestehen.
4. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
farbkorrigierende Linse (E) des Objektivs (18) aus einem
Chalkogenidglas mit der Bezeichnung BSI besteht, d.i. ein Chalkogenidglas
mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen.
5. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
der ersten Objektivlinse (F) benachbarte, farbkorrigierende
Linse (E) des Objektivs (18) einen bei einer Temperatur von 200C
und einer Wellenlänge von 10 ,um bestimmten Brechungsindex von nicht
weniger als 2,45 besitzt, wohingegen alle übrigen Linsen (A,B,C,D
und F) des Fernrohrs (20) aus einem Material bestehen, welches einen unter denselben Bedingungen bestimmten Brechungsindex von
nicht weniger als 4,0 besitzt.
6. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch qekennzeichnet, daß die Blendenzahl (f-Zahl) am inneren
reellen Bild (I) über den gesamten einstellbaren Vergrößerungsbereich den Wert 2,51 besitzt.
7. Fernrohr nach Anspruch "1, qekennzeichnet durch einen Aufbau
mit den in Tabelle I angegebenen Bemessungen.
8. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Verschiebeweg der dem Okular (19) benachbarten Linse (C)
des Objektivs (18) in der Weise begrenzt ist, daß diese Linse (C) sich nicht durch das innere reelle Bild (I) hindurchbewegen kann.
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Patent Citations (2)
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