DE3120625C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem afokalen Linsenfernrohr mit Zoom-Objektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 39 47 084 ist bereits ein afokales Linsenfernrohr aus sechs Linsen bekannt, von denen eine (C1) einzeln und zwei (B1 und B2) als Duplett verschiebbar sind. Die beiden Linsen B1 und B2 aus der US-PS 39 47 084 kehren einander ihre konkaven Oberflächen zu. Außerdem ist die näher beim reellen Bild liegende Linse B2, nicht aber die Linse B1 farbkorrigierend. Diese farbkorrigierende Linse B2 besteht gemäß dem Stand der Technik aus ZnSe mit einer V-Zahl von ungefähr 71. Dieses aus der US-PS 39 47 084 bekannte afokale Linsenfernrohr erweist sich als nicht ausreichend kompakt, was ungünstig für die Handhabbarkeit des Linsenfernrohrs ist.

Wollte man auf der Grundlage des in der US-PS 39 47 084 geschilderten Aufbaus des Linsen-Dupletts B1/B2 versuchen, das Fernrohr kompakter zu gestalten, dann würde das eine stärkere Krümmung der Duplett-Linsen B1 und B2 erfordern; das jedoch hätte ein vergrößertes Volumen des Dupletts zur Folge, was einem kompakten Aufbau entgegenwirkt. Außerdem verträgt der in der US-PS 39 47 084 beschriebene Fernrohraufbau keine beliebig stark gekrümmten Duplett-Linsen, wenn - was ganz wichtig ist - der Strahlengang durch die Linse B2 beibehalten werden soll.

Die US-PS 40 30 805 offenbart eine vierteilige Infrarot-Objektivlinse, welche dahingehend optimiert ist, daß sie ein reelles Bild mit hoher Auflösung liefert. Das macht diese bekannte Objektivlinse zur Verwendung in einem Fernrohr ungeeignet. Für ein Fernrohr kommt es darauf an, daß man an der Austrittspupille eine hohe Auflösung erhält, und wegen der unvermeidlichen Aberrationen des Fernrohrokulars, wenn dieses wie im Fall der vorliegenden Erfindung nur aus zwei Linsen besteht, darf man deshalb am Ort des reellen Zwischenbildes im Fernrohr nur eine mäßige Auflösung haben. Der Fachmann würde deshalb die in der US-PS 40 30 805 offenbarte Objektivlinse für die Verwendung in einem gattungsgemäßen Fernrohr gar nicht erst in Erwägung ziehen, weil sie die grundlegenden Anforderungen an die Fernrohrauslegung nicht erfüllt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Fernrohr der eingangs genannten Art 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.

Erfindungsgemäß wird ein wesentlich kompakterer Fernrohraufbau dadurch erreicht, daß die beiden verschiebbaren Objektivlinsen so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie längs ihrer optischen Achse einen verschwindenden Abstand haben und daß die meniskusförmige Linse D ihre konkave Oberfläche dem reellen Bild I zukehrt.

Der kompakte Aufbau wird maßgeblich dadurch erreicht, daß die beiden verschiebbaren Objektivlinsen so ausgebildet und angeordnet sind, daß sie längs ihrer optischen Achse einen verschwindenden Abstand haben und daß die meniskusförmige Linse D ihre konkave Oberfläche dem reellen Bild I zukehrt. In der Praxis ist das für das Erreichen eines kompakten Fernrohraufbaus deshalb von Bedeutung, weil mit abnehmender Fernrohrlänge die Krümmung der brechenden Oberfläche des aus den Linsen D und E gebildeten Dupletts zunehmen muß, und das geht ohne wesentliche Volumenzunahme des Dupletts, weil die beiden Linsen D und E längs der optischen Achse keinen Abstand voneinander haben. Der kompakte Aufbau wird darüber hinaus begünstigt durch die Anordnung der farbkorrigierenden Linse neben der äußeren Objektivlinse, durch die Auswahl einer V-Zahl von mindestens 120 und auch dadurch, daß sowohl beim Duplett aus den Linsen D und E als auch bei der verschiebbaren Objektivlinse C zwischen dem Vergrößerungsfaktor und dem Verschiebeweg ein nichtlinearer Zusammenhang besteht.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend an Hand der 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 µm und 13 µm 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 Φ 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 wengistens 120. Die V-Zahl wird auch als Abbesche Zahl bezeichnet. Sie berechnet sich als das Verhältnis des um 1 verminderten Brechungsindexes bei 10 µm zur Differenz des Brechungsindexes bei 8,5 µm und des Brechungsindexes bei 11,5 µm:

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 BS1. BS1 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 Vergrößerungsfaktor besteht der in Fig. 2 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 Vergrößerungsfaktor aufgetragen; eine entsprechende Verschiebung der Linse C über deren eigenen Verschiebeweg entlang der optischen Achse 17 bewirkt ebenfalls 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 X10. 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 20°C und bei einer Wellenlänge von 10 µm 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 Vergrößerungsbereich von X3 bis X10, 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 µm bis 13 µm einfallenden Infrarotstrahlung durch und der Durchmesser der Pupille Φ (d. i. die Austrittspupille des Fernrohrs 20) ist über den gesamten Vergrößerungsbereich konstant, wohingegen die Eintrittspupille β des Objektivs in Größe und Lage vom Vergrößerungsfaktor abhängt; bei den Vergrößerungsfaktoren X3 und X7 ist die Eintrittspupille β virtuell.

Die Kurve G in Fig. 2 verläuft annähernd exponentiell, d. h. wenn der Vergrößerungsfaktor ausgehend vom kleinsten Vergrößerungsfaktor X3 erhöht wird, dann erfordert die Erhöhung zunächst einen großen, bei Annäherung an die stärkste Vergrößerung X10 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 maximale 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.

Claims (7)

1. Afokales Zoom-Linsenfernrohr (20) mit einem achromatischen Objektiv (18) 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) besteht, von denen die der ersten Linse (F) des Objektivs (18) benachbarte Linse (E) eine Meniskusgestalt hat, fest mit jener benachbarten Linse (D), welche auf ihrer der ersten Linse (F) des Objektivs (18) abgewandten Seite liegt und ebenfalls eine Meniskusgestalt hat, gekoppelt und gemeinsam mit dieser entlang eines ersten Weges und
die dem Okular (19) benachbarte Linse (C) des Objektivs (18) entlang eines zweiten Weges entlang der optischen Achse (17) verschiebbar ist, wobei
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 dem Verschiebeweg der beiden fest miteinander verbundenen Linsen (D, E) und der Änderung der Vergrößerung ein nichtlinearer Zusammenhang besteht,
und das Okular (19) aus zwei Linsen (A, B) besteht
und alle sechs Linsen (A bis F) aus einem Material bestehen, welches im infraroten Wellenlängenbereich ein Spektralband mit brauchbarer Durchlässigkeit aufweist und ihre im wesentlichen sphärisch gekrümmten brechenden Oberflächen (1 bis 12) von der optischen Achse (17) durchsetzt werden,
dadurch gekennzeichnet,
daß die farbkorrigierende Linse (E) eine V-Zahl von nicht weniger als 120, negative Brechkraft, einen geringeren Brechungsindex als die übrigen Linsen (C, D, F) des Objektivs (18) hat und die konvexe Oberfläche (9) dem reellen Bild (I) zukehrt,
wohingegen die mit der farbkorrigierenden Linse (E) fest verbundene Linse (D) ihre konkave Oberfläche (7) dem reellen Bild (I) zukehrt,
daß diese beiden Linsen (D, E) auf der optischen Achse (17) einen verschwindenden Abstand zwischen ihren einander zugewandten brechenden Oberflächen (8, 9) haben, und
daß auch zwischen dem Verschiebeweg der dem Okular (19) benachbarten Objektivlinse (C) und der Vergrößerung ein nichtlinearer Zusammenhang besteht.

2. Fernrohr nach Anspruch 1, 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.

3. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die farbkorrigierende Linse (E) des Objektivs (18) aus einem Chalkogenidglas mit der Bezeichnung BS1 besteht, d. i. ein Chalkogenidglas mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen.

4. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die der ersten Objektivlinse (F) benachbarte, farbkorrigierende Linse (E) des Objektivs (18) einen bei einer Temperatur von 20°C und einer Wellenlänge von 10 µm 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 Brechungs­ index von nicht weniger als 4,0 besitzt.

5. Fernrohr nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Aufbau mit der in der nachfolgenden Tabelle ange­ gegebenen Bemessung:

Tabelle

6. Fernrohr nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Blendenzahl (f-Zahl) am inneren reellen Bild (I) über den gesamten einstellbaren Vergrößerungsbereich den Wert 2,51 besitzt.

7. Fernrohr nach Anspruch 6, 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.