DE3300728A1

DE3300728A1 - Ein im infraroten spektralbereich arbeitendes optisches beobachtungssystem

Info

Publication number: DE3300728A1
Application number: DE19833300728
Authority: DE
Inventors: Iain Alexander Neil
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1982-01-14
Filing date: 1983-01-12
Publication date: 1990-10-31
Anticipated expiration: 2003-01-13
Also published as: GB2152227A; FR2564991A1; FR2564991B1; IT1161453B; US4695119A; IT8367026A0; GB2152227B; DE3300728C2

Description

Die Erfindung geht von einem im infraroten Wellenlängenbereich arbeitenden Beobachtungssystem mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen aus.

Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobachtungssystemen, welche im englischen Sprachgebrauch unter der Abkürzung "FLIR" (forward looking infrared systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an Hochleistungsfernrohren entstanden, und es wurden eine ganze Anzahl von afokalen Fernrohren entwickelt, deren Auflösungsvermögen durch Beugungserscheinungen begrenzt ist. Einige der bislang entwickelten afokalen Fernrohre besitzen zwei Vergrößerungseinstellungen, und in einigen Fällen hat man besondere Mühe darauf verwandt, afokale Fernrohre möglichst kompakt, d. h. mit möglichst geringer Gesamtlänge und mit geringer Pupillenaberration zu erhalten und sie dabei gleichzeitig im optischen wie im mechanischen Aufbau so einfach wie möglich zu belassen.

In verschiedenen Formen von FLIR-Beobachtungssystemen ist aus dem praktischen Betrieb die Forderung entstanden, das Fernrohr hinter einem z. B. in einem Schott angebrachten Fenster anzuordnen, so daß es vor belastenden Umgebungseinflüssen wie z. B. hohem Druck geschützt ist. Unter solchen Einsatzbedingungen kann es auch geboten sein, das Fenster kuppelartig auszubilden und das heißt, daß es optische Brechkraft besitzt. Man hat festgestellt, daß ein solches Fenster mit optischer Brechkraft die Leistungsfähigkeit eines dahinter angeordneten afokalen Fernrohrs so stark herabsetzen kann, daß sich das FLIR-Beobachtungssystem praktisch als unbrauchbar erweist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein FLIR- Beobachtungssystem mit einem Fernrohr zu schaffen, welches bei Anordnung hinter einem Fenster mit optischer Brechkraft zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beobachtungssystem mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Das Fenster kann entweder positive oder negative Brechkraft besitzen, aber in beiden Fällen kann die durch das Fenster in das FLIR-Beobachtungssystem eingeführte sphärische Aberration durch das Fernrohrobjektiv kompensiert werden, welches wegen des geeignet ausgewählten Grades der Abweichung seiner asphärischen Linsenoberfläche(n) von der sphärischen Gestalt eine umgekehrt wirkende und daher kompensierende sphärische Aberration einführt. Wenn beide brechenden Oberflächen der Primärlinse des Objektivs asphärisch sind, dann verteilt sich die insgesamt wirksame Asphärizität des Fernrohrs auf zwei Linsenoberflächen, von denen jede dann nur eine viel geringe Abweichung von der sphärischen Gestalt aufweisen muß als im Falle, daß nur eine Oberfläche der Primärlinse des Objektivs asphärisch ist.

Die gemeinsame optische Achse der optischen Elemente des erfindungsgemäßen Beobachtungssystems kann geknickt sein, und zu diesem Zweck ist gemäß dem Patentanspruch 2 zwischen dem Fenster und der Primärlinse des Objektivs vorzugsweise ein Umlenkspiegel vorgesehen, der das Beobachtungssystem periskopisch macht. Wenn der Umlenkspiegel so angeordnet ist, daß der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt der beiden brechenden Fensteroberflächen auf der Spiegeloberfläche liegt, dann kann der Umlenkspiegel auch als Kippspiegel ausgebildet werden, welcher um eine durch den genannten Krümmungsmittelpunkt der Fensteroberflächen gehende Achse verschwenkbar ist (Anspruch 3); damit wird es infolge der gewählten Gestalt und Lage von Fenster und Umlenkspiegel ohne signifikante Verschlechterung der optischen Leistungsfähigkeit des Beobachtungssystems möglich, Strahlung aufzufangen, die durch verschiedene, auf oder neben der optischen Achse des Beobachtungssystems liegende Eintrittspupillen einfällt.

Im Rahmen der Erfindung können Fernrohre mit nur einer Vergrößerungseinstellung aber auch solche mit zwei Vergrößerungseinstellungen verwendet werden. Bei Verwendung eines Fernrohrs mit zwei Vergrößerungseinstellungen kann in der Einstellung mit starker Vergrößerung allerdings nur in engem begrenztem Rahmen eine optische Abtastung durch den kippbaren Spiegel erfolgen als in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung, weil man in den beiden Einstellungen am Fenster unterschiedliche Öffnungsweiten für die eintretenden Strahlenbündel benötigt.

Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungssystem hat den Vorteil, sowohl im optischen wie auch im mechanischen Aufbau recht einfach zu sein, weil das Fernrohrobjektiv aus nur zwei Linsen besteht, von denen eine sphärische brechende Oberfläche besitzt, wohingegen die andere Objektivlinse entweder eine sphärische und eine asphärische oder zwei asphärische Linsenoberflächen besitzt, wobei in beiden Fällen der Grad der Abweichung von der Kugelflächengestalt relativ klein ist. Auch das Fenster mit seinen beiden konzentrischen brechenden Oberflächen ist optisch einfach aufgebaut, und der gegebenenfalls vorhandene Umlenkspiegel besitzt nur eine einzige, ebene Spiegelfläche. Die brechenden Bauelemente des optischen Systems müssen natürlich für das infrarote Licht im interessierenden Spektralband durchlässig sein; der Umlenkspiegel besteht zweckmäßigerweise aus Aluminium, welches durch Diamantläppen (diamont fly-cutting) bearbeitet und anschließend mit einer Oberflächenbeschichtung (z. B. aus Magnesiumfluorid) versehen wurde, um eine dauerhafte Spiegelfläche mit hohem Reflexionsvermögen zu erhalten.

Das Fernrohrobjektiv wird vorzugsweise farbkorrigierend ausgebildet, indem man für die Sekundärlinse des Objektivs ein Material mit dafür geeigneter Dispersion wählt. Ein Maß für die Dispersion ist dessen V-Zahl, auch als Abbesche Zahl bekannt. Zur Erzielung der farbkorrigierenden Eigenschaft des Objektivs soll die V-Zahl der Sekundärlinse kleiner sein als jene der Primärlinse. Als Material für die farbkorrigierende Linse eignet sich vor allem Zinkselenid, insbesondere ein Zinkselenid, welches chemisch durch Niederschlagen aus der Dampfphase gewonnen wurde, ein Verfahren, welches im englischen Sprachgebrauch mit der Abkürzung "CVD" (chemical vapour deposition) bezeichnet wird und zu einem sehr homogenen Material führt, wohingegen die übrigen Linsen des Fernrohrs und auch das Fenster zweckmäßigerweise aus Germanium bestehen; die genannten Materialien sind für infrarotes Licht im Spektralband zwischen 3 µm und 13 µm hinreichend durchlässig. Weitere geeignete Materialien für die farbkorrigierende Linse sind in Tabelle VI aufgeführt; es können aber auch nicht genannte Materialien eingesetzt werden, wenn sie entsprechende physikalische Eigenschaften besitzen.

Die farbkorrigierende Linse kann relativ zu den übrigen Fernrohrlinsen unverschieblich angebracht werden, doch wird sie vorzugsweise entlang der optischen Achse des optischen Systems verschieblich angeordnet; dies macht es möglich, bei dem erfindungsgemäßen FLIR- Beobachtungssystem den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur zu kompensieren, welcher sich in einer Verschiebung der Lage des im Fernrohr erzeugten reellen Zwischenbildes äußert. Darüber hinaus kann die Verschieblichkeit der farbkorrigierenden Linse auch dazu benutzt werden, die Brennweite des optischen Systems zu justieren (ohne dabei von dem afokalen Charakter des optischen Systems abzugehen), falls das reelle Zwischenbild im Fernrohr nicht von optimaler Güte sein sollte. Am leichtesten gelingt das, wenn die farbkorrigierende Linse nur geringe Brechkraft besitzt, weil ihre Verschiebung dann nur mit minimalen Änderungen des Vergrößerungsfaktors des Fernrohrs verknüpft ist.

Alternativ oder auch zusätzlich kann man bei dem FLIR-Beobachtungssystem den Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur dadurch kompensieren, daß für die Rahmenkonstruktion des optischen Systems, in welche die optischen Bauelemente eingesetzt werden, wenigstens zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten auswählt, die sich in der Weise ergänzen, daß sich die auftretenden Wärmedehnungen selbsttätig ausgleichen; man spricht dann von passiver mechanischer Temperaturkompensation. Wenn man die farbkorrigierende Linse nicht verschieblich anordnet, dann ordnet man sie bei Verwendung eines Fernrohrs mit zwei Vergrößerungseinstellungen mit Vorteil an einer solchen Stelle an, welche dem Fernrohr zwei feste, insbesondere die hyperfokalen Brennweiten verleiht.

Bei Verwendung eines Fernrohrs mit zwei Vergrößerungseinstellungen können die beiden Linsensysteme für starke sowie für schwache Vergrößerung nicht gleichzeitig in der Flucht der optischen Achse liegen, sondern sie müssen so montiert werden, daß sie alternativ in den Strahlengang eingefügt werden können. Um dies zu erreichen, sind verschiedene Wege gangbar; bevorzugt wird die Anordnung der beiden Linsensysteme für starke und schwache Vergrößerung auf einer Art von Karussel, wo sie auf einem gemeinsamen Träger montiert sind und zwischen ihren Achsen einen Winkel von 90° einschließen; der Träger kann um eine ortsfeste Achse um 90° hin und her verschwenkt werden und bringt dadurch abwechselnd das Linsensystem für starke bzw. jenes für schwache Vergrößerung mit der gemeinsamen optischen Achse des FLIR-Beobachtungssystems fluchtend in den Strahlengang, und bringt das jeweils andere Linsensystem in eine außerhalb des Strahlengangs liegende Position.

Der gegebenenfalls vorgesehene kippbare Umlenkspiegel kann nach Wahl entweder oszillieren oder rotieren. Die dazu geeigneten Antriebe sind bei optisch- mechanischen Abtastern (Scannern) an sich bekannt. Der größtmögliche, praktisch noch sinnvolle Abtastwinkel ist jener, bei dessen Überschreiten eine deutliche Vignettierung der einfallenden Strahlung am Umlenkspiegel oder am Fenster einsetzt.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen dargestellt und wird anhand der weiter hinten folgenden Tabellen erläutert.

Fig. 1 zeigt ein afokales FLIR-Beobachtungssystem mit zwei Vergrößerungseinstellungen, welche aus Gründen der Übersichtlichkeit getrennt dargestellt sind, mit einem Sehfeldwinkel - in der Diagonale des Sehfeldes gemessen - von 46,4°,

Fig. 2 zeigt das optische System gemäß Fig. 1 mit gekipptem Umlenkspiegel und mit einem Sehfeldwinkel - in der Vertikale des Sehfeldes gemessen - von 26,5°, und

Fig. 3 zeigt das Profil einer asphärischen Linsenoberfläche des in Fig. 1 und 2 dargestellten optischen Systems.

Fig. 1 zeigt ein FLIR-Beobachtungssystem in zwei Vergrößerungseinstellungen, nämlich in der oberen Teilfigur bei starker und in der unteren Teilfigur bei schwacher Vergrößerung. Es enthält ein Fernrohr 20 in Kombination mit einer Anordnung 30 aus einem ebenen Umlenkspiegel I und einem das einfallende Licht brechenden Fenster J. Das Fernrohr 20 ist ein Linsenfernrohr und enthält ein Objektiv 21, einen Kollimator 22, ein Linsensystem 23 für starke Vergrößerung und ein Linsensystem 24 für schwache Vergrößerung. Der Kollimator 22, das Objektiv 21 und das jeweils in den Strahlengang eingeschwenkte Linsensystem 23 bzw. 24 liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse 19. Die beiden Linsensysteme 23 und 24 können nicht gleichzeitig auf dieser optischen Achse 19 liegen, sondern nur alternativ. Wenn das Linsensystem 23 für starke Vergrößerung in den Strahlengang des Fernrohrs 20 eingeschwenkt ist, dann wird im Innern des Fernrohrs 20 aus den aus dem Gegenstandsraum 17 kommenden, durch das Fenster J einfallenden und das Objektiv 21 durchquerenden Strahlen an der Stelle 25 ein reelles Zwischenbild erzeugt, bei der Einstellung mit schwacher Vergrößerung ein solches an der Stelle 26.

Das Fenster J ist durch zwei sphärische, konzentrische brechende Oberflächen 28 und 29 begrenzt, deren gemeinsamer Krümmungsmittelpunkt auf der durch den Umlenkspiegel I abgeknickten optischen Achse 19 liegt, und zwar gerade auf der reflektierenden Oberfläche 27 des Umlenkspiegels I. Wie Fig. 1 zeigt, ist die optische Achse 19 um 90° abgeknickt. Die Anordnung 30 aus Fenster J und Umlenkspiegel I bildet ein Fixfokus- System, welches die aus dem Gegenstandsraum 17 kommenden, durch eine virtuelle Eintrittspupille hindurchtretenden Strahlenbündel auffängt; die Lage der Eintrittspupille hängt einmal von der gewählten Vergrößerungseinstellung ab; sie kann darüber hinaus auf oder neben der optischen Achse liegen, je nach der Orientierung des Spiegels I. Fig. 2 zeigt den Spiegel I nicht wie in Fig. 1 in 45°-Lage zur optischen Achse 19, sondern aus dieser Lage herausgekippt, und zwar in der Einstellung mit starker Vergrößerung (obere Darstellung in Fig. 2) um 5° und in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung (untere Darstellung in Fig. 2) um 10°. Weil das Fenster J Brechkraft besitzt, führt es in das FLIR-Beobachtungssystem eine merkliche sphärische Aberration ein (ferner auch - wenn auch in wesentlich geringerem Ausmaß - eine chromatische Aberration), welche die Abbildequalität des FLIR-Beobachtungssystems zunichte machen würde, wenn die Erfindung hier nicht einen Ausgleich schaffen würde durch einen besonderen Aufbau des Fernrohrobjektivs 21, wodurch das Fernrohr 20 seinen beim Stand der Technik üblichen afokalen Charakter verliert und dessen Auflösungsvermögen nicht durch Beugungserscheinungen begrenzt wird, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.

Das Objektiv 21 ist ein Teleobjektiv und besteht aus einer Primärlinse H und einer Sekundärlinse G. Die Primärlinse H ist eine Sammellinse (d. h. sie besitzt positive Brechkraft) mit den brechenden Oberflächen 15 und 16. Die Sekundärlinse G ist eine Zerstreuungslinse (d. h. sie besitzt negative Brechkraft) mit den beiden brechenden Oberflächen 13 und 14 und ist farbkorrigierend. Der Kollimator 22 besteht aus einer einzelnen Sammellinse A mit den beiden brechenden Oberflächen 1 und 2.

Das Linsensystem 23 für starke Vergrößerung besteht aus zwei Sammellinsen B und C mit den brechenden Oberflächen 3 und 4 bzw. 5 und 6. Das Linsensystem für schwache Vergrößerung besteht aus drei Linsen D, E und F mit den brechenden Oberflächen 7 und 8 bzw. 9 und 10 bzw. 11 und 12. Die Linsen D und F sind Sammellinsen, wohingegen die Linse E eine Zerstreuungslinse ist. Die Linse A bildet ein Fixfokussystem, die Linsen B und C bilden gemeinsam ein Fixfokussystem, die Linsen D, E und F bilden gemeinsam ein Fixfokussystem, und auch die Linsen G und H bilden gemeinsam ein Fixfokussystem, so daß das Fenster J, der Spiegel I und das Objektiv 21 Strahlenbündel empfangen, welche durch die jeweilige virtuelle Eintrittspupille im Gegenstandsraum 17 hindurchgetreten sind, diese Strahlenbündel an das Linsensystem 23 für starke Vergrößerung bzw. 24 für schwache Vergrößerung weiterleiten, welche aus diesen Strahlenbündeln ein umgekehrtes, reelles Zwischenbild 25 (im Falle starker Vergrößerung) bzw. 26 (im Falle schwacher Vergrößerung) erzeugen, wobei die vom Zwischenbild 25 bzw. 26 ausgehenden Strahlen auf den Kollimator 22 treffen, aus welchem sie als paralleles Strahlenbündel austreten, welches für beide Vergrößerungseinstellungen mit Ausnahme geringer Unterschiede in den optischen Aberrationen das gleiche ist und durch eine Austrittspupille Φ hindurchtritt, welche im Bildraum 18 durch die Strahlen der austretenden Strahlenbündel gebildet wird. Die Brechkraft und die Abstände der Linsen A, B, C, D, E, F, G, H und J sind so gewählt und aufeinander abgestimmt, daß bei starker Vergrößerung das Zwischenbild 25 zwischen den brechenden Oberflächen 5 und 13 und bei schwacher Vergrößerung das Zwischenbild 26 zwischen den brechenden Oberflächen 8 und 9 liegt.

Die brechenden Oberflächen 1 bis 14 und 16 und 28 und 29 sind sämtlich im wesentlichen sphärisch, d. h. ihre Abweichungen von der idealen sphärischen Gestalt sind allenfalls so groß, daß sie nach dem üblichen fachlichen Verständnis des Begriffs von sphärischen Linsen noch als sphärisch bezeichnet werden können. Hingegen hat die Oberfläche 15 ein asphärisches Profil und die reflektierende Oberfläche 27 ist i.w. plan, d. h. ihre Abweichungen von der idealen Ebenflächigkeit sind allenfalls so groß, daß die reflektierende Oberfläche 27 nach dem üblichen fachlichen Verständnis von planen Oberflächen noch als plan bezeichnet werden kann.

Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungssystem ist auf die Verwendung im Infrarotbereich, und zwar im Spektralband zwischen 3 µm und 13 µm (Wellenlänge) ausgelegt, und deshalb sind die Brechungsindizes der Linsen verhältnismäßig groß; um dennoch eine hinreichend hohe Leistungsfähigkeit (Abbildungsgüte) zu erreichen, ist die Linse G eine farbkorrigierende Zerstreuungslinse mit einem niedrigeren Brechungsindex, als ihn die Linse H hat. Für die Verwendung des FLIR-Beobachtungssystems im Spektralbereich zwischen 8 µm und 13 µm kann man das dadurch verwirklichen, daß man die Linsen A, B, C, D, E, F, H und J aus Germanium mit einem Brechungsindex von 4,00322 und die Linse G aus Zinkselenid mit einem Brechungsindex von 2,40653 (jeweils gemessen bei 20°C und bei einer Wellenlänge von 10 µm) herstellt. Die Linse G hat dann eine V-Zahl von

V = 77.

Die V-Zahl ist ein Maß für die Dispersion des optischen Werkstoffs; sie ist im vorliegenden Fall definiert als das Verhältnis des um Eins verminderten Brechungsindexes bei 10 µm zur Differenz der Brechungsindizes bei 8,5 µm und 11,5 µm:

Der Umlenkspiegel I besteht aus Aluminium, welches durch Diamantläppen (diamond fly-cutting) bearbeitet ist. Diese genannten Materialien lassen sich mit einer reflexmindernden Beschichtung versehen, und wenn das tut, kann man ein FLIR-Beobachtungssystem erreichen, welches im Spektralbereich zwischen 8,5 µm und 11,5 µm in beiden Vergrößerungseinstellungen wenigstens 60% des einfallenden Lichtes durchtreten läßt.

Weil die Objektivlinse G einen geringeren Brechungsindex hat als die Linse H und weil ihre eine Oberfläche 15 asphärisch ist, kann man einfach dadurch, daß man den Grad der Abweichung der Oberfläche 15 von der wahren Kugelflächenform variiert, die Eigenschaften des Fernrohrs 20 so ändern, daß das Fernrohr 20 für sich genommen nicht afokal wird und in seiner Leistungsfähigkeit nicht durch Beugung begrenzt ist, und in der Tat ist es sogar verhältnismäßig leicht zu erreichen, daß das Fernrohr 20 für sich genommen weit genug davon entfernt ist, in seiner Leistungsfähigkeit durch Beugung beeinträchtigt zu werden, so daß die durch das Fenster J in das FLIR-Beobachtungssystem eingeführte sphärische Aberration über einen weiten Bereich von Fensterkrümmungen kompensiert werden kann, so daß das FLIR-Beobachtungssystem als Ganzes ein afokales System bildet, welches bis zu der durch Beugungseffekte bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden kann.

Die Objektivlinse G ist vorzugsweise entlang der optischen Achse 19 verschieblich angeordnet, wohingegen die übrigen Linsen A, B, C, D, E, F, H und J unverschieblich sind. Die Verschieblichkeit der Linse G ermöglicht es, Verschiebungen der Lage der Zwischenbilder 25 und 26 zu kompensieren, welche durch Schwankungen der Umgebungstemperatur, insbesondere im Bereich zwischen -10°C und +50°C hervorgerufen werden. Außerdem kann das FLIR-Beobachtungssystem bei unverändert bleibender Lage der Zwischenbilder 25 und 26 auf entfernt liegende Objekte scharf eingestellt werden, insbesondere auf solche im Entfernungsbereich zwischen 40 m und unendlich bei starker Vergrößerung und zwischen 8 m und unendlich in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung.

Alternativ kann man alle Linsen A, B, C, D, E, F, G, H, J ortsfest montieren. Tut man dies und verwendet man für das Tragwerk der Linsen E, F und H einen Werkstoff oder Werkstoffe mit hohem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie z. B. ein ultrahochmolekulares Polyäthylen (im englichen Sprachgebrauch unter der Abkürzung "UHMPE" für ultra high molecular weight polyethylene, bekannt, thermischer Ausdehnungskoeffizient ungefähr (125 bis 225) · 10^-6 °C^-1) und für das Tragwerk für die übrigen optischen Bauelemente des Systems einen Werkstoff oder Werkstoffe mit relativ geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten wie z. B. Aluminium (thermischer Ausdehnungskoeffizient ungefähr 23×10^-6 °C^-1); dann läßt sich auch auf diese Weise das FLIR-Beobachtungssystem hinsichtlich Schwankungen der Umgebungstemperatur zwischen -40°C und +70°C selbsttätig kompensieren unter Beibehaltung der Brennweite und bei guter optischer Leistungsfähigkeit. Obwohl man dadurch nur zwei feste Brennweiten beim FLIR-Beobachtungssystem erhält, wird man doch der Notwendigkeit enthoben, die Objektivlinse G verschieblich anzuordnen und spart die dazu nötigen aktiven Verschiebemechanismen.

Wie Fig. 2 zeigt, können die Linsensysteme 23 für starke und 24 für schwache Vergrößerung abwechselnd in den Strahlengang des Fernrohrs 20 eingeführt werden, indem man sie auf einem Karussel befestigt, welches die beiden Linsensysteme 23 und 24 um eine Achse X verschwenkt, welche quer zur optischen Achse 19 zwischen den Linsen A und G sowie D und E liegt. Der Umlenkspiegel I ist um eine Achse verschwenkbar, welche durch den Krümmungsmittelpunkt R der Fensteroberflächen 28 und 29 hindurchgeht. Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungssystem ist äußerst kompakt aufgebaut und besitzt in der Einstellung mit starker Vergrößerung im Luftspalt zwischen den Linsen G und H eine innere Blendenzahl (engl.: internal f-number) von weniger als 1,5; deshalb, und wegen der Erstreckung des Sehfeldes im Bildraum 18 von 38,1° in der Horizontale × 26,5° in der Vertikale und 46,4° in der Diagonale können die Linsensysteme 23 und 24 sehr leicht in der vertikalen Ebene gedreht werden. Dies hat den Vorteil, daß der maximale Öffnungswinkel der Strahlenbündel und die Öffnungsweiten der Linsen B, C, D, E und F verringert werden, was zusammengenommen den kompakten Aufbau des Systems erleichtert. Der Umlenkspiegel I kann im horizontalen, vertikalen, diagonalen oder in jedem sonstigen Sehfeld gedreht werden, je nach den Vorgaben des jeweiligen Verwendungszwecks des Systems, doch ist für einen vorgegebenen maximalen Drehwinkel des Umlenkspiegels I das vertikale Sehfeld am kleinsten und führt zu einer minimalen Aperturfläche auf der Spiegeloberfläche 27. Fig. 1 zeigt das FLIR-Beobachtungssystem mit dem 46,4°-Sehfeld, Fig. 2 hingegen mit 26,5°-Sehfeld im Bildraum.

Die Tabellen I und II enthalten detaillierte Angaben über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines FLIR- Beobachtungssystems, und zwar Tabelle I für den Fall starker Vergrößerung und Tabelle II für den Fall schwacher Vergrößerung. Die Tabellen I und II geben für jede brechende Oberfläche den Krümmungsradius sowie die Öffnungsweite (Durchmesser) an, letztere auch für die Austrittspupille Φ, deren Lage als Bezugspunkt gewählt ist, von dem ausgehend die (entlang der optischen Achse 19 gemessenen) Abstände zwischen den benachbarten brechenden bzw. reflektierenden Oberflächen sowie zwischen der Austrittspupille Φ und der ihr benachbarten brechenden Oberfläche 1 angegeben sind. Ferner ist noch angegeben, welche Materialien jeweils den Raum zwischen je zwei benachbarten Oberflächen ausfüllen. So hat z. B. die brechende Oberfläche 11 einen Krümmungsradius von -34,67 mm, wobei das Minuszeichen angibt, daß der Krümmungsmittelpunkt - in der Ansicht der Fig. 1 und 2 - auf der linken Seite der Oberfläche 11 liegt; diese ist durch einen 11,30 mm breiten Luftspalt von der - wenn man von der Austrittspupille Φ ausgeht - vorhergehenden brechenden Oberfläche 10 getrennt, besitzt eine Öffnungsweite von 52,22 mm (Durchmesser), und ist von der nachfolgenden brechenden Oberfläche 12 durch 6,20 mm Abstand in Germanium getrennt. Die Summe der Abstände in Tabelle 1 stimmt überein mit der Summe der Abstände in Tabelle II. Die Koordinaten der Schwenkachse X sind 64,3 mm Abstand von der Austrittspupille Φ entlang der optischen Achse 19 nach rechts, sowie 3,6 mm Abstand von der optischen Achse 19 nach unten hin, jeweils bezogen auf die Darstellung in Fig. 2.

Fig. 3 zeigt die Gestalt des asphärischen Profils der brechenden Oberfläche 15, wobei die parallel zur optischen Achse 19 gemessenen Abstände zwischen der asphärischen Oberfläche 15 und der daran am besten angepaßten Kugelfläche einerseits und der vorgegebenen sphärischen Oberfläche 15′ um den Faktor 1000 vergrößert dargestellt sind. Die Gestalt des asphärischen Profils der brechenden Oberfläche 15 kann durch die nachfolgende Gleichung (1) beschrieben werden:

Dann bedeuten:

Z = der parallel zur optischen Achse 19 gemessene Abstand von Punkten der asphärischen Oberfläche 15 von der ihrem Scheitel anliegenden Tangentialebene,
c = 1/r mit r = -177,51 mm als dem Krümmungsradius der als Bezugsfläche vorgegebenen brechenden Oberfläche 15′,
h = der in radialer Richtung gemessene Abstand der Oberflächenpunkte der asphärischen Oberfläche 15 von der optischen Achse 19 (maximal 49,65 mm),
b = -1,23 · 10^-8 der asphärische Koeffizient erster Ordnung,
g = +3,74 · 10^-12 der asphärische Koeffizient zweiter Ordnung, und
. . . bedeutet Therme höherer Ordnung, die vernachlässigbar sind.

Die am besten angepaßte Kugelfläche ist jene Kugelfläche, von welcher die asphärische Oberfläche 15 am geringsten abweicht. Die Tabelle V enthält berechnete Werte des Abstandes der asphärischen Oberfläche 15 von der am besten angepaßten Kugelfläche für verschiedene Achsabstände h und gibt auch den Krümmungsradius der am besten angepaßten Kugelfläche an. Man sieht, daß das Maß der Abweichung von der Kugelgestalt in der Tat sehr gering ist.

Das FLIR-Beobachtungssystem weist bei starker Vergrößerungseinstellung einen Vergrößerungsfaktor von X 6,0 und bei schwacher Vergrößerungseinstellung einen solchen von X 1,9 auf und besitzt in der Einstellung mit starker Vergrößerung im Luftspalt zwischen den Linsen G und H eine innere Blendenzahl von 1,00. Im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 µm und 11,5 µm ist das System farbkorrigiert und bei verschiebbarer zweiter Linse G des Objektivs 21 ist in der Einstellung mit starker Vergrößerung eine Scharfeinstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von 40 m bis unendlich und in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung eine Scharfeinstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von 8 m bis unendlich möglich; eine Kompensation von thermischen Einflüssen ist in beiden Vergrößerungseinstellungen über den Temperaturbereich von -10°C bis hinauf zu +50°C bei minimaler Verschlechterung der Abbildequalität möglich. In der Praxis kann häufig eine weitergehende Verschlechterung der Abbildequalität hingenommen werden, und wenn man das tut, dann kann bei dem FLIR-Beobachtungssystem bei starker Vergrößerungseinstellung eine Scharfeinstellung sogar auf Objekte im Entfernungsbereich zwischen 8 m und Unendlich und bei schwacher Vergrößerungseinstellung zwischen 4 m und unendlich erfolgen, und der Temperaturbereich, in welchem eine Kompensation von thermischen Einflüssen erfolgen kann, kann in beiden Vergrößerungseinstellungen auf den Bereich von -40°C bis +70°C erweitert werden. Wie weiter vorne beschrieben, kann man die Linse G aber alternativ auch ortsfest anordnen und erhält so zwei feste Brennweiten, und eine Kompensation thermischer Einflüsse bei minimaler Verschlechterung der Abbildequalität kann dann im Temperaturbereich von -40°C bis +70°C durch passive Maßnahmen erreicht werden. Daten zur Illustration der Abbildequalität des FLIR- Beobachtungssystems sind in den Tabellen III und IV angegeben, von denen die erste die Daten für die Einstellung mit starker Vergrößerung und für eine Scharfeinstellung auf eine Entfernung von ungefähr 2500 m angibt, wohingegen die letztere die Daten für die Einstellung mit schwacher Vergrößerung und für eine Scharfeinstellung auf eine Entfernung von ungefähr 111 m angibt.

In der Einstellung mit starker Vergrößerung weist das FLIR-Beobachtungssystem eine hohe Abbildegüte über wenigstens zwei Drittel des gesamten Sehfeldes auf, wobei zur Akkommodation von Pupillenaberrationen die primäre Apertur (Durchmesser) des Fernrohrobjektivs um lediglich 12,4% vergrößert ist. In der Einstellung mit schwacher Vergrößerung weist das System eine hohe Abbildegüte über wenigstens zwei Drittel des gesamten Sehfeldes auf. In den Einstellungen mit starker bzw. schwacher Vergrößerung weist das System bei maximalem Sehfeldwinkel eine Verzeichnung (Winkelabweichung) von nur +1,2% bzw. +1,5% auf, wobei das positive Vorzeichen eine mit zunehmendem Sehfeldwinkel zunehmende Vergrößerung bezeichnet.

Insbesondere in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung konvergieren bei dem FLIR-Beobachtungssystem die Strahlenbündel unter Bildung einer minimalen, in der Nachbarschaft des Fensters J liegenden Querschnittsfläche, wie die Fig. 1 und 2 in ihren unteren Darstellungen zeigen. Infolgedessen kann das Sehfeld des FLIR-Beobachtungssystems durch Drehung des Spiegels I wesentlich vergrößert werden, ohne daß dadurch eine Vignettierung oder ein "Narzißmus- Effekt" auftreten (unter dem Narzißmus-Effekt versteht man ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbildes des Beobachters im Sehfeld).

Das durch die Angaben in den Tabellen I bis V definierte FLIR-Beobachtungssystem kann maßstäblich verändert und optimiert werden, um einen weiten Bereich von starken und schwachen Vergrößerungen zu erhalten, wobei das Verhältnis zwischen der jeweiligen starken und schwachen Vergrößerung typisch im Bereich zwischen 6 : 1 und 2 : 1 liegt und die grundlegende Konfiguration des optischen Systems beibehalten wird. Obwohl zur Beschreibung der Gestalt der asphärischen Linsenoberfläche 15 nur zwei asphärische Koeffizienten zum Einsetzen in die Gleichung (1) angegeben wurden, können natürlich - wenn gewünscht - auch weitere asphärische Koeffizienten höherer Ordnung berücksichtigt werden. Das FLIR-Beobachtungssystem kann ferner mit dem Ziel unterschiedlich großer Sehfelder und Durchmesser der Austrittspupille im Bildraum optimiert werden, so daß es in Verbindung mit unterschiedlichen Detektorsystemen - welche mit oder ohne Abtastmechanismen (Scanner) arbeiten - verwendet werden kann.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Angaben in den Tabellen I bis VI für eine Temperatur von 20°C gelten und daß die angegebenen Blendenzahlen vom Ausdruck (2 · sin R ) ^-1 abgeleitet sind, worin R der halbe Konuswinkel jenes Kegels ist, den die Axialstrahlen nach der Brechung durch die Linse bilden, auf welche die Axialstrahlen auftreffen.

Bei dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen FLIR-Beobachtungssystem ist lediglich die eine Linsenoberfläche 15 asphärisch. Ein gleich gutes Beobachtungssystem kann man aber auch dann erhalten, wenn statt dessen allein die Linsenoberfläche 16 oder die die beiden Linsenoberflächen 15 und 16 asphärisch gestaltet wird. Letzteres hat den Vorteil, daß die Asphärizität auf beide Linsenoberflächen 15 und 16 aufgeteilt werden kann, so daß die Abweichungen von der idealen Kugelfläche bei beiden wesentlich geringer ausfallen kann, als wenn nur eine der beiden Linsenoberflächen 15 und 16 asphärisch wäre.

Tabelle I

Tabelle II

Tabelle III

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Größe eines durch das optische FLIR-System abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum (in Milliradiant) bei unterschiedlicher Ausnutzung des Sehfeldes

Tabelle IV

Tabelle V

Tabelle VI

Claims

1. Ein im infraroten Spektralbereich arbeitendes optisches Beobachtungssystem (nachfolgend kürzer FLIR-Beobachtungssystem genannt), gekennzeichnet durch die Kombination eines Linsenfernrohrs (20) mit einem optische Brechkraft besitzenden Fenster (J);
das Fernrohr (20) besitzt ein zweilinsiges, achromatisches Teleobjektiv (21), dessen Primärlinse (H) und Sekundärlinse (G) auf einer gemeinsamen optischen Achse (19) angeordnet sind; wenigstens eine (15) der beiden brechenden Oberflächen (15, 16) der Primärlinse (H) ist asphärisch, während die restlichen brechenden Oberflächen (13, 14, 16) im Objektiv (21) i.w. sphärisch sind; die Sekundärlinse (G) des Objektivs (21) besitzt negative Brechkraft und einen kleineren Brechungsindex als die Primärlinse (H) des Objektivs (21), welche positive Brechkraft besitzt; der Grad der Abweichung der asphärischen Oberfläche(n) (15) von der wahren Kugelflächengestalt ist derart gewählt, daß das Fernrohr (20) weder ein afokales Fernrohr noch in seiner Leistungsfähigkeit durch Beugung begrenzt ist;
das Fenster (J) wird durch zwei i.w. sphärische, konzentrische, brechende Oberflächen (28, 29) begrenzt, deren gemeinsamer Krümmungsmittelpunkt (R) auf der o.g. gemeinsamen optischen Achse (19) liegt;
Auswahl und Anordnung der optischen Bauelemente (A, B, C, D, E, F, G, H, J) des FLIR-Beobachtungssystems sind so aufeinander abgestimmt, daß sie durch das Fenster (J) in das System eingeführte sphärische Aberration durch die sphärische Aberration des Fernrohrs (20) kompensiert wird, so daß das FLIR-Beobachtungssystem als Ganzes ein afokales System ist und seine Leistungsgrenze durch Beugungseffekte bestimmt wird.

2. Beobachtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Fenster (J) und der Primärlinse (H) des Objektivs (21) ein ebener Umlenkspiegel (I) angeordnet ist, auf dessen Reflexionsfläche (27) der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt (R) der beiden Fensteroberflächen (28, 29) liegt.

3. Beobachtungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (I) um den Auftreffpunkt der optischen Achse (19) auf den Umlenkspiegel (I) drehbar ist.

4. Beobachtungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Fernrohr (20) zwei abwechselnd in den Strahlengang des Fernrohrs (20) bringbare und auf der gemeinsamen optischen Achse (19) ausrichtbare Linsensysteme (23 bzw. 24) für starke Vergrößerung bzw. für schwache Vergrößerung besitzt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß in der Einstellung mit schwacher Vergrößerung die Strahlenbündel, welche durch das Beobachtungssystem hindurchtreten, unter Bildung einer im Zwischenraum zwischen dem Fenster (J) und der ersten Linse (Primärlinse H) des Objektivs (21) gelegenen minimalen Querschnittsfläche der Strahlenbündel konvergieren.

5. Beobachtungssystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den in den Tabellen I, II und III wiedergegebenen Aufbau.