DE69533065T2

DE69533065T2 - Kompaktes Extrem-Weitwinkel-Objektiv mit sehr grosser Öffnung für UV

Info

Publication number: DE69533065T2
Application number: DE69533065T
Authority: DE
Inventors: H. John HIRS; M. Anthony NICOLI; L. Warren CLARK
Original assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Current assignee: BAE Systems Information and Electronic Systems Integration Inc
Priority date: 1994-06-20
Filing date: 1995-06-19
Publication date: 2005-05-12
Anticipated expiration: 2015-06-20
Also published as: EP0769156B1; EP0769156A1; IL113908A; IL113908A0; EP0769156A4; DE69533065D1; US5504618A; WO1995035521A1

Description

Die Erfindung betrifft ein Linsensystem und insbesondere ein sechs Elemente umfassendes Abbildungslinsen-System, das ein extrem weites Gesichtswinkelfeld mit großer Apertur aufweist. Bei einer speziellen Ausführungsform ist das Linsensystem sehr kompakt und dient zur Abbildung von Zielen bzw. Objekten im ultravioletten Bereich.
Hintergrund der Erfindung
Verschiedene bekannte Linsensysteme besitzen ein großes Gesichtsfeld. Beispielsweise beschreibt das US-Patent 3,884,556 für Jihee Nakigawa, mit dem Titel „retrofocus wideangle lense system" ein kompaktes Weitwinkel-Linsensystem mit Retrofokus, bei dem Aberrationen unter Verwendung einer Linse mit positivem Meniskus und großer Brechkraft als erster Linse, Linsen mit negativem Meniskus als zweiter und dritter Linse und einer dicken positiven Linse als vierte Linse korrigiert werden.
Das US-Patent 4,145,116 für Yoshitsugi Ikeda, mit dem Titel „Large Aperature Ultra Wide Angle Photographic Lens System" beschreibt ein fotografisches Linsensystem mit großer Apertur und ultraweitem Winkel mit einem Linsendurchmesser, der klein genug ist, um mit Filtern kompatibel zu sein, die für eine Verwendung mit anderen Linsensystemen konstruiert sind, und das die Korrektur von verschiedenen Aberrationen erlaubt.
Das US-Patent 4,394,073 für Koichi Wakamiya, mit dem Titel „Compact Wide Angle Lens" beschreibt eine kompakte Weitwinkellinse, die nacheinander von der Gegenstandsseite her folgende Bestandteile umfasst: eine erste Komponente, bei der es sich um eine Linse mit positivem Meniskus handelt, deren konvexe Oberfläche der Objektseite zugewandt ist, eine zweite Komponente, bei der es sich um eine bikonkave Linse handelt, eine dritte Komponente, bei der es sich um eine positive Linse handelt, deren Oberfläche mit stärkerer Krümmung der Objektseite zugewandt ist, eine vierte Komponente, bei der es sich um eine positive Linse handelt, und eine fünfte Komponente, die eine Linse mit negativem Meniskus ist und deren konvexe Oberfläche der Bildseite zugewandt ist. Die kompakte Weitwinkellinse besitzt eine Gesamtlänge, die so kurz wie ihre Brennweite ist und hat dennoch eine kleine rückwärtige Linsenapertur.
Nagakawa schafft ein kompaktes Retrofokus-Weitwinkel-Linsensystem. Ikeda offenbart ein fotografisches Linsensystem mit großer Apertur und ultraweitem Winkel. Wakamiya beschreibt ein kompaktes Weitwinkellinsensystem, das eine Reihe von Linsen umfasst. Nakagawa, Ikeda und Wakamiya beziehen sich alle auf die Verwendung von Weitwinkel linsen, um Aberrationen zu korrigieren oder kompaktere Kamera-Konstruktionen zu ermöglichen.
Die US-Patentschrift 4,331,390 beschreibt ein monozentrisches, zwei Elemente umfassendes, katadioptrisches System, das eine Kombination von reflektierenden und beugenden Oberflächen verwendet, um ein Weitwinkelgesichtsfeld (50°) und eine Lichtstärke von f/0,6 zu erzielen. Es beschreibt kein kompaktes Linsensystem auf der Basis einer Vielzahl von optisch transmissiven Elementen.
Das Dokument EP 0 384 377 beschreibt ein optisches Weitwinkel-Sensorsystem, das eine einzige Linsen-Halbkugel verwendet. Das Dokument beschreibt keine Linse, die aus einer Vielzahl von optisch transmissiven Elementen gebildet wird, die auf einer optischen Achse ausgerichtet sind. Es wird nur ein einziges, kugeliges refraktives Element verwendet.
Die vorliegende Erfindung lehrt zum ersten Mal und im Gegensatz zum Stand der Technik den Aufbau eines einzigen im UV-Bereich abbildenden Linsensystems, das in der Lage ist, ein Ziel in einem Winkelbereich von bis zu 9° zu erkennen, wobei ein kompaktes Linsensystem verwendet wird, das extrem weitwinkelig ist, eine sehr große Apertur besitzt und für Sonnenlicht undurchlässig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Es wird ein Linsensystem geschaffen, das eine extrem weitwinkelige, eine sehr große Apertur besitzende, kompakte, im UV-Bereich arbeitende Abbildungs-Linsenanordnung umfasst.
Ein Linsensystem, das gemäß der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, kann auch für Sonnenlicht undurchlässig ausgebildet werden. In einem Beispiel sind die Länge und der Durchmesser des Linsensystems ungefähr 13,7 × 10,2 cm und die Diagonale der quadratischen Bildebene ist 40 mm. Das Linsensystem wird in vier Ausführungsformen geschaffen, von denen jede aus einer Reihe von Sub-Linsenelementen besteht, die aus verschiedenen Materialien hergestellt sind, zu denen Quarzglas, Polyvenylalkohol, Farbglasfilter, Saphir- und Nickelsulfat gehören. Das Linsensystem umfasst weiterhin Filterelemente, die in Kombination das Linsensystem im Bandbereich des Sonnenlichtes lichtundurchlässig machen.
Weitere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich für den Fachmann aus der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen, den Ansprüchen und der Zeichnung, in deren Figuren gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Um die Erfindung zu erläutern, werden unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung vier bevorzugte Ausführungsbeispiele beschrieben; in der Zeichnung zeigen:
1 ein Linsenschema einer Ausführungsform der Erfindung,
2 ein Linsenschema einer anderen Ausführungsform der Erfindung,
3 ein Linsenschema noch einer anderen Ausführungsform der Erfindung, und
4 ein Linsenschema einer weiteren Ausführungsform der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
1 zeigt eine Ausführungsform des Abbildungs-Linsensystems gemäß der Erfindung. Zwar wird die Erfindung hier im folgenden unter Bezugnahme auf spezielle Ausführungsbeispiele beschrieben, doch ist klar, dass dies aus Erläuterungszwecken geschieht und dass die Erfindung nicht durch diese Beschreibung eingeschränkt ist. Die erste Linse 10 dient als Eintrittslinse des Linsensystems 100. Das Gesichtsfeld des Linsensystems 100 erstreckt sich vom optischen Strahl 22 bis zum optischen Strahl 32. Die optische Achse wird durch die Achsenlinie 12 angedeutet. Das Linsensystem 100 umfasst fünf Linsen- und Filterelemente, eine Reihe von zwischenliegenden Schichten, die verschiedenen optischen Funktionen dienen, und ein Detektorfenster 60. Die erste Linse 10 hat einen ersten Radius von ungefähr 19,93 cm und einen zweiten Radius von ungefähr 2,80 cm mit einer Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 3,05 mm. Die erste Linse 10 besteht aus Quarzglas und besitzt bezogen auf die Natrium-D-Linie einen Brechungsindex von ungefähr 1,4584.
Das nächste Element, die zweite Linse 20, kann einen ersten Radius von ungefähr –97,54 cm und einen zweiten Radius von ungefähr –4,48 cm besitzen. Die zweite Linse 20 kann weiterhin so konstruiert sein, dass sie eine Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 3,73 cm besitzt. Die zweite Linse 20 kann ebenfalls im wesentlichen aus Quarzglas bestehen. Das optische Element 28 ist aus Polyvenylalkohol mit 2,3-Dihydro-5,7-dimethyl-1-H-1,4-diazitin-perchlorat und 6-chloro-2,3-dihydro-5,7-dimethyl-1-H-1,4-diazepin-perchlorat hergestellt. Das optische Element 28 kann an der dritten Linse 30 befestigt sein. Die dritte Linse 30 kann im wesentlichen farbiges Filterglas wie z. B. Hoya UH330 umfassen, das von Hoya Optics Inc., Californien, bezogen werden kann.
Die vierte Linse 40, die die nächste Linse in der optischen Reihenfolge ist, hat einen ersten Radius von ungefähr 6,52 cm, einen zweiten Radius von ungefähr –11,66 cm und einen Durchmesser durch die optische Mitte von ungefähr 2,73 cm. Die vierte Linse 40 kann auch im wesentlichen aus Quarzglas bestehen. Die fünfte Linse 50 kann im we sentlichen aus Nickelsulfat, Hexahydrat bestehen und einen ersten Radius von ungefähr 3,26 cm und einen zweiten unendlich großen Radius besitzen. Die fünfte Linse 50 kann vorteilhafterweise optisch mit einem Fenster 60 aus Quarzglas über ein Kopplungsfluid 52 verbunden sein. In einer bevorzugten Ausführungsform kann das Kopplungsfluid FC70, d. h. eine fluor-inerte, elektronische Flüssigkeit sein, die von der 3m-Corporation, St. Paul, Minnesota, USA bezogen werden kann.
Wie in 1 dargestellt, sind die Strahlen 22, 24, 26 einer ersten Gruppe zu einander parallel und fallen auf den oberen Teil der Vorderseite der ersten Linse 10 mit negativem Meniskus. In ähnlicher Weise fällt eine zweite Gruppe von Strahlen 32, 34, 36 auf den unteren Teil der Vorderseite der ersten Linse 10 ein. Die Strahlen treten durch die Linsen 10, 20, 30, 40, 50 und das optische Element 28 zum Fenster 60 hindurch. Die Linsen 10, 20, 30, 40 und 50 arbeiten so, dass die erste Gruppe von Strahlen 22, 24, 26 auf den unteren Teil des Fensters 60 trifft. In ähnlicher Weise trifft die zweite Gruppe von Strahlen 32, 34, 36 auf den oberen Teil des Fensters 60. Eine dritte Gruppe von Strahlen 14, 16 verläuft parallel zur Achsenlinie 12. Die Strahlen 14, 16 konvergieren zum zentralen Teil des Fensters 60 hin.
Das Linsensystem 100 aus 1 ergibt einen Unschärfefleck am Ausgang, der sich mit dem Feldwinkel ändert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert dann, wenn sich der Feldwinkel von der optischen Achse weg ändert, von ungefähr 18° bis 9°.
Das Linsensystem 100 weist ein extrem weites Gesichtsfeld (±60°), eine große Apertur, eine kompakte Größe und einen Aufbau auf, der für Sonnenlicht optisch undurchlässig ist. Die Erfindung sorgt auch für eine UV-Abbildung und überträgt Richtungsinformation eines Objekts bzw. Ziels von bis zu innerhalb 9° und einer Unschärfefleck-Gleichförmigkeit. Das kompakte Linsensystem 100 wird zum Teil dadurch erzielt, dass die Anzahl von optischen Elementen auf 5 begrenzt wird, von denen nur vier eine Brechkraft besitzen. Bei einer nützlichen Ausführungsform sind die Länge und der Durchmesser des optischen Aufbaus 13,72 × 10,16 cm und die Brenn- oder Bildebene ist ein Quadrat mit einer Diagonalen von 40 mm.
Das Linsensystem 100 arbeitet im ultravioletten Bereich, bei dem es sich um einen Spektralbereich handelt, mit dem schwierig zu arbeiten ist, da nur eine begrenzte Anzahl von optischen Materialien zur Verfügung stehen, die brauchbare UV-Spektraleigenschaften besitzen. Aufgrund der kompakten Größe, des extremen Gesichtsfeldes (fov) und der großen Apertur bildet die optische Konstruktion kein scharfes Bild, wie dies für eine fotografische Linsenkonstruktion typisch ist.
Tabelle 1 gibt die Werte der bevorzugten Abmessungen der Ausführungsform 1 der vorliegenden Erfindung wieder. Wie in 1 dargestellt, stellt r den Krümmungsradius für die betreffende Seite eines Elementes dar; d ist der Abstand, bei dem es sich entweder um die Dicke eines Elementes oder die Entfernung zwischen den Elementen handelt. Zusätzlich gibt Tabelle 1 den Brechungsindex n_d in Verbindung mit der bevorzugten Material-Zusammensetzung einer jeden Linse wieder.
Tabelle 1
2 zeigt eine andere Ausführungsform des Abbildungs-Linsensystems der Erfindung. Die erste Linse 110 dient als Eintrittslinse des Linsensystems 200. Das Gesichtsfeld des Linsensystems 200 erstreckt sich vom optischen Strahl 122 bis zum optischen Strahl 132. Die optische Achse wird durch die Achsenlinie 112 dargestellt. Das Linsensystem 200 umfasst fünf Linsen- und Filterelemente und eine Reihe von Zwischenschichten, die verschiedenen optischen Funktionen dienen. Die erste Linse 110 kann vorteilhafterweise einen ersten Radius von ungefähr 6,73 cm und einen zweiten Radius von ungefähr 2,59 cm mit einer Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 3,05 mm besitzen. Die erste Linse 110 besteht aus Quarzglas und hat einen auf die Natrium-D-Linie bezogenen Brechungsindex von 1,4584.
Das nächste Element, die zweite Linse 120, besitzt einen ersten Radius von ungefähr –56,39 cm und einen zweiten Radius von ungefähr –4,80 cm. Sie kann eine Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 2,02 cm besitzen und kann im wesentlichen aus Quarzglas bestehen. Das optische Element 128 kann aus Polyvenylalkohol bestehen und kann an der dritten Linse 130 befestigt sein, die aus farbigem Filterglas (Hoya UH330) besteht. Die vierte Linse 140, die in der optischen Reihenfolge als nächste kommt, besitzt einen ersten Radius von ungefähr 10,93 cm und einen zweiten Radius von ungefähr –7,30 cm und einen Durchmesser durch die optische Mitte von ungefähr 2,01 cm.
Die vierte Linse 140 kann ebenfalls im wesentlichen aus Saphir bestehen. Die fünfte Linse 150 kann aus Nickelsulfat bestehen und einen ersten Radius von ungefähr 3,40 cm und einen zweiten Radius ∞ besitzen, Bei diesem Beispiel ist sie optisch mit einem Fenster 160 aus Quarzglas durch ein Kopplungsfluid 152 verbunden.
Wie in 2 gezeigt, verlaufen die Strahlen 122, 124, 126 einer ersten Gruppe zu einander parallel und fallen auf den oberen Teil der Vorderseite der ersten Linse 110 mit negativem Meniskus auf. In ähnlicher Weise fällt eine zweite Gruppe von Strahlen 132, 134, 136 auf den unteren Teil der Vorderseite der ersten Linse 110 auf.
Die Strahlen verlaufen durch die Linsen 110, 120, 130, 140, 150 und das optische Element 128 zum Fenster 160. Wie in 1 arbeiten die Linsen 110, 120, 130, 140 und 150 so, dass die erste Gruppe von Strahlen 122, 124, 126 auf den unteren Teil des Fensters 160 trifft. In ähnlicher Weise trifft die zweite Gruppe von Strahlen 132, 134, 136 auf den oberen Teil des Fensters 160. Eine dritte Gruppe von Strahlen 114, 116 verläuft parallel zur Achsenlinie 112. Die Strahlen 114, 116 konvergieren zum zentralen Teil des Fensters 160. Anders als in 1 erreichen jedoch die erste und die zweite Gruppe von Strahlen das Fenster 160 nicht in der gleichen Reihenfolge, in der die Strahlen auf die Linse 110 auffallen. Beispielsweise tritt in der ersten Gruppe der Strahl 122 als äußerster Strahl und Strahl 124 als Mittelstrahl ein. Am Fenster 160 ist jedoch der Strahl 122 der äußerste Strahl und der Strahl 124 ist der innerste Strahl der ersten Gruppe.
Das Linsensystem 200 aus 2 führt zu einem Unschärfefleck am Ausgang, der mit dem Feldwinkel variiert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert der Unschärfefleck dann, wenn der Feldwinkel von der optischen Achse weg variiert, von ungefähr 18° bis 9°.
In ähnlicher Weise wie das Linsensystem aus 1 besitzt das Linsensystem 200 ein extrem weites Gesichtsfeld (±60°), eine große Apertur, eine kompakte Größe und einen für Sonnenlicht optisch undurchlässigen Aufbau. Es ergibt eine UV-Abbildung, die eine Richtungsinformation eines Objekts oder Zieles bis zu 9° aufweist und eine Unschärfefleck-Gleichförmigkeit zwischen 2 bis 1. In ähnlicher Weise wird das kompakte Linsensystem 200 teilweise dadurch erzielt, dass die Anzahl der optischen Elemente auf 5 begrenzt ist, von denen nur 4 eine Brechkraft besitzen. Bei einem Beispiel sind die Länge und der Durchmesser der optischen Konstruktion 10,16 × 8,51 cm und die Bildebene ist ein Quadrat mit einer Diagonalen von 40 mm. Die optische Konstruktion umfasst mehrere Filterelemente. Die Gesamt-Durchlassbandbreite aller dieser Elemente in Kombination bewirkt, dass das System in dem gewünschten vorbestimmten Spektralbereich, in diesem Fall im unltravioletten Bereich filtert.
Tabelle 2 gibt die Größen für die bevorzugten Abmessungen der Ausführungsform 2 der vorliegenden Erfindung wieder. Wie in 2 gezeigt, stellt r den Krümmungsradius für die gegebene Seite des Elementes dar und d den Abstand, bei dem es sich entweder um die Dicke eines Elementes oder den entsprechenden Zwischenraum zwischen Elementen handelt. Zusätzlich gibt Tabelle 2 den Brechungsindex n_d in Verbindung mit der bevorzugten Material-Zusammensetzung einer jeden Linse wieder.
Tabelle 2
3 zeigt eine weitere Ausführungsform des Abbildungs-Linsensystems der Erfindung, das funktional dem aus 1 ähnlich ist. Die erste Linse 210 dient als Eintrittslinse des Linsensystems 300. Das Gesichtsfeld des Linsensystems 300 erstreckt sich vom optischen Strahl 222 bis zum optischen Strahl 232. Die optische Achse ist durch die Achsenlinie 212 dargestellt. Das Linsensystem 300 umfasst fünf Linsen- und Filterelemente und eine Reihe von Zwischenschichten, die verschiedenen optischen Funktionen dienen. Die erste Linse 210 kann einen ersten Radius von ungefähr 8,61 cm und einen zweiten Radius von ungefähr 2,30 cm mit einer Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 4,11 mm besitzen. Die erste Linse 210 kann in vorteilhafter Weise aus Quarzglas bestehen und einen auf die Natrium-D-Linie bezogenen Brechungsindex von 1,4584 besitzen.
Das nächste Element, die zweite Linse 220, kann einen ersten Radius von ungefähr 10,65 cm und einen zweiten Radius von –4,20 cm besitzen. Sie kann eine Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 2,07 cm besitzen und kann im wesentlichen aus Quarzglas bestehen. Die dritte Linse 240 folgt als nächste in der optischen Reihe und kann einen ersten Radius von ungefähr 6,70 cm, einen zweiten Radius von –6,70 cm und einen Durchmesser durch die optische Mitte von ungefähr 2,50 cm besitzen. Die dritte Linse 240 kann auch im wesentlichen aus Nickelsulfat bestehen.
Die vierte Linse 250 kann im wesentlichen aus Quarzglas bestehen und einen ersten Radius von 3,19 cm und einen zweiten Radius ∞ aufweisen. Das optische Element 252 kann aus Polyvenylalkohol bestehen und kann an der fünften Linse 260 befestigt sein, die aus einem farbigen Filterglas (Hoya UH330) besteht. Die fünfte Linse 260 und das daran befestigte optische Element 252 können mit der vierten Linse 250 durch ein Kopplungsfluid gekoppelt sein.
Wie in 3 dargestellt, besteht eine erste Gruppe aus zueinander parallelen Strahlen 222, 224, 226, die auf den oberen Teil der Vorderseite der ersten Linse 210 mit negativem Meniskus fallen. In ähnlicher Weise fällt eine zweite Gruppe von Strahlen 232, 234, 236 auf den unteren Teil der Vorderseite der ersten Linse 210.
Die Strahlen verlaufen durch die Linsen 210, 220, 240, 250 und 260 zum Fenster 270. Wie in 1 arbeiten die Linsen 210, 220, 240, 250 und 260 so, dass die erste Gruppe von Strahlen 222, 224, 226 auf den unteren Teil des Fensters 270 trifft. In ähnlicher Weise treffen die Strahlen 232, 234, 236 der zweiten Gruppe auf den oberen Teil des Fensters 270. Eine dritte Gruppe von Strahlen 214, 216 verläuft parallel zur Achsenlinie 212. Die Strahlen 214, 216 konvergieren zum zentralen Teil des Fensters 270. Anders als in 1 erreichen jedoch die erste und die zweite Gruppe von Strahlen das Fenster 270 nicht in der gleichen Reihenfolge, in der diese Strahlen auf die Linse 210 auftreffen. Beispielsweise treten in der ersten Gruppe der Strahl 222 als äußerster Strahl und Strahl 224 als Mittelstrahl ein. Dennoch ist am Fenster 270 der Strahl 222 der äußerste Strahl und der Strahl 224 konvergiert mit dem Strahl 226, um die innersten Strahlen der ersten Gruppe zu bilden.
Das Linsensystem 300 aus 3 liefert einen Unschärfefleck am Ausgang, der sich mit dem Feldwinkel ändert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ändert sich dann, wenn sich der Feldwinkel von der optischen Achse weg ändert, der Unschärfefleck von ungefähr 18° bis 9°.
Tabelle 3 gibt die Werte für die bevorzugten Abmessungen der Ausführungsform 3 der vorliegenden Erfindung wieder. Wie in 3 gezeigt, stellt r den Krümmungsradius für die gegebene Seite eines Elementes dar und d den Abstand, bei dem es sich entweder um die Dicke eines Elementes oder die Entfernung zwischen Elementen handelt. Zusätzlich gibt Tabelle 3 den Brechungsindex n_d in Bezug auf die bevorzugte Material-Zusammensetzung in jeder Linse wieder.
Tabelle 3
4 zeigt noch eine weitere Ausführungsform des Abbildungs-Linsensystems der Erfindung, das ebenfalls ähnlich wie das System aus 1 arbeitet. Die erste Linse 310 dient als Eintrittslinse des Linsensystems 400. Das Gesichtsfeld des Linsensystems 400 erstreckt sich vom optischen Strahl 322 bis zum optischen Strahl 332. Die optische Achse wird durch die Achsenlinie 312 dargestellt. Das Linsensystem 400 umfasst fünf Linsen- und Filterelemente und eine Reihe von Zwischenschichten, die verschiedenen optischen Funktionen dienen. Die erste Linse 310 kann einen ersten Radius von ungefähr 6,81 cm und einen zweiten Radius von ungefähr 2,34 cm mit einer Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 3,05 mm aufweisen. Die erste Linse 310 kann aus Quarzglas bestehen und einen auf die Natrium-D-Linie bezogenen Brechungsindex von 1,4584 aufweisen.
Das nächste Element in diesem Ausführungsbeispiel, die zweite Linse 320, kann einen ersten Radius von ungefähr –15,30 cm und einen zweiten Radius von ungefähr –3,62 cm besitzen. Sie kann eine Dicke durch das optische Zentrum von ungefähr 2,65 cm aufweisen und ebenfalls im wesentlichen aus Quarzglas bestehen. Das optische Element 328 besteht aus Polyvenylalkohol und kann an der dritten Linse 330 befestigt sein, die aus einem farbigen Filterglas besteht.
Die vierte Linse 340 ist die nächste in der optischen Reihenfolge und kann einen ersten Radius von ungefähr 6,63 cm, einen zweiten Radius von ungefähr –6,63 cm und einen Durchmesser durch das optische Zentrum von ungefähr 2,26 cm besitzen. Die vierte Linse 340 kann ebenfalls aus Quarzglas bestehen. Die fünfte Linse 350 kann vorzugsweise aus Nickelsulfat hergestellt sein einen ersten Radius von 3,23 cm und einen zweiten Radius ∞ besitzen. Sie kann optisch mit einem Fenster 360 aus Quarzglas durch ein Kopplungsfluid 352 verbunden sein.
Wie in 4 gezeigt, fällt eine erste Gruppe aus zueinander parallelen Strahlen 322, 324, 326 auf den oberen Teil der Vorderseite der ersten Linse 310 mit negativem Meniskus. In entsprechender Weise fällt eine zweite Gruppe von Strahlen 332, 334, 336 auf den unteren Teil der Vorderseite der ersten Linse 310.
Die Strahlen treten durch die Linsen 310, 320, 330, 340 und 350 hindurch und gelangen zum Fenster 360. Wie in 1 arbeiten die Linsen 310, 320, 330, 340 uns 350 so, dass die erste Gruppe von Strahlen 322, 324, 326 auf den unteren Teil des Fensters 360 auftrifft. In entsprechender Weise treffen die Strahlen 332, 334, 336 der zweiten Gruppe auf den oberen Teil des Fensters 360. Eine dritte Gruppe von Strahlen 314, 316 ist parallel zur Achsenlinie 312. Die Strahlen 314, 316 konvergieren zum zentralen Teil des Fensters 360. Anders als in 1 erreichen jedoch die erste und die zweite Gruppe von Strahlen das Fenster 360 nicht in der gleichen Reihenfolge, in der diese Strahlen auf die Linse 310 auftreffen. Beispielsweise treten in der ersten Gruppe der Strahl 322 als äußerster Strahl und Strahl 324 als Mittelstrahl ein. Dennoch ist am Fenster 360 der Strahl 322 der mittlere Strahl und der Strahl 324 der innerste Strahl der ersten Gruppe.
Das Linsensystem 400 aus 4 führt zu einem Unschärfefleck am Ausgang, der sich mit dem Feldwinkel ändert. Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung variiert dann, wenn sich der Feldwinkel von der optischen Achse weg ändert, der Unschärfefleck von ungefähr 18° bis 9°.
Tabelle 4 gibt die Werte für die bevorzugten Abmessungen der Ausführungsform 4 der vorliegenden Erfindung wieder. Wie in 4 gezeigt, stellt r den Krümmungsradius für die gegebene Seite eines Elementes dar und d den Abstand, bei dem es sich entweder um die Dicke eines Elementes oder die Entfernung zwischen Elementen handelt. Zusätzlich gibt Tabelle 4 den Brechungsindex n_d in Verbindung mit der bevorzugten Material-Zusammensetzung einer jeden Linse wieder.
Tabelle 4
Die Eintrittsöffnung ist als der Durchmesser des nominellen Lichtbündels definiert, das den Detektor für jedes optische Linsensystem oder jede Ausführungsform auf der Achse erreicht. Dieser Durchmesser variiert für jede der vier Ausführungsformen. Die Energiemenge, die jedem Detektor auf der Achse erreicht, ausgenommen die Filtermaterialabsorption, ist proportional zur Fläche oder zum Quadrat des Durchmessers des Lichtbündels, d. h. bei der Ausführungsform 1 ist der Aperturdurchmesser ungefähr 3,56 cm. Daher ist die Fläche π × r² oder π(1,778 cm)² oder 9,93 cm². Die Fläche der Ausführungsform 4 ist π(1,5875 cm)² oder 7,91 cm². Die Bedeutung dieser Aperturgrößen ergibt sich, wenn man bedenkt, dass andere Linsensysteme mit extrem weitem Winkel Aperturdurchmesser von nur etwa 2,54 bis 5,08 mm besitzen. Ihre Lichtenergie-Flächen sind dann 0,19 cm² bis 0,84 cm². Es ist daher offensichtlich, dass die verschiedenen Ausführungsformen der Erfindung 10 bis 50 mal mehr Energie auf der Achse übertragen, bevor eine Filterung erfolgt, als andere typische Extremweitwinkel-Systeme.
Die nominale Fläche der Lichtenergie varriert mit dem Feldwinkel. Die Fläche ist πr²cosθ, wobei r der Radius der Apertur auf der Achse und θ der Feldwinkel ist. Der cosθ-Effekt tritt auf, weil die Projektion der Fläche der Linsensysteme-Apertur abnimmt, wenn der Feldwinkel zunimmt. Die Lichtenergie-Fläche vor der Filterung bei 60° ist die Hälfte (cos60° = 0,5) des achsnahen Bereichs.
Der Fachmann erkennt, dass dem Stand der Technik entsprechende Weitwinkelsysteme eine Vignettierung bei von der Achse abweichenden Feldwinkeln besitzen. Diese Verluste treten zusätzlich zu den cosθ-Effekt-Verlusten auf. Die vier oben erläuterten Ausführungsformen besitzen eine Vignettierung, die klein oder sogar 0 ist, so dass die Achsabweichungsverluste auf etwa cosθ begrenzt werden.
Die Erfindung wurde hier sehr im Detail beschrieben, um den Patetierungsanforderungen gerecht zu werden und dem Fachmann die Informationen zu liefern, die erforderlich sind, um die neuen Prinzipien anzuwenden und erforderlichenfalls solche spezialisierten Komponenten zu konstruieren und zu verwenden. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass die Erfindung auch durch speziell andere Ausrüstungen und Vorrichtungen ausgeführt werden kann und dass verschiedene Abwandlungen sowohl hinsichtlich der Ausrüstungseinzelheiten als auch der Arbeitsverfahren durchgeführt werden können, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, wie er durch die Ansprüche gegeben ist.

Claims

Linsensystem (100, 200, 300, 400), das folgende Bestandteile umfasst: (a) ein optisches Gehäuse, das eine erste Linsenhalterung, eine zweite Linsenhalterung, eine erste Filterhalterung, eine dritte Linsenhalterung, eine vierte Linsenhalterung und eine Fensterhalterung umfasst, und (b) eine Vielzahl von optisch durchlässigen Elementen (10, 20, 28, 30, 40, 50, 52, 60), die an dem optischen Gehäuse montiert und auf einer optischen Achse ausgerichtet sind, wobei diese vielen optischen Elemente zusammenwirken, um Strahlung nur in einem vorbestimmten ultravioletten Band zu übertragen und ein kompaktes, optisch durchlässiges Linsensystem (100, 200, 300, 400) zu ergeben, das ein weites Gesichtsfeld mit einem F/# kleiner 1 aufweist, wobei das kompakte Linsensystem (100, 200, 300, 400) weiterhin eine quadratische Bildebene mit einer Diagonalen von wenigstens 40 mm besitzt, und wobei die Vielzahl von optischen Elementen eine erste Linse (10), die an der ersten Linsenhalterung montiert ist, wobei die erste Linse eine optische Achse (12) der ersten Linse besitzt, eine zweite Linse (20), die an der zweiten Linsenhalterung montiert ist, wobei die zweite Linse eine optische Achse (12) der zweiten Linse besitzt, die im wesentlichen mit der optischen Achse der ersten Linse zusammenfällt, ein erstes Filter (28, 30), das an der ersten Filterhalterung montiert ist, wobei das erste Filter eine optische Achse (12) des ersten Filters besitzt, die im wesentlichen mit der optischen Achse der ersten Linse zusammenfällt, eine dritte Linse (40), die an der dritten Linsenhalterung montiert ist, wobei die dritte Linse eine optische Achse (12) der dritten Linse besitzt, die im wesentlichen mit der optischen Achse der ersten Linse zusammenfällt, und eine vierte Linse (50) umfasst, die an der vierten Linsenhalterung montiert ist, wobei die vierte Linse eine optische Achse (12) der vierten Linse besitzt, die im wesentlichen mit der optischen Achse der ersten Linse zusammenfällt, wobei alle Elemente, nämlich die erste Linse, die zweite Linse, das erste Filter, die dritte Linse und die vierte Linse optisch zusammenarbeiten, um eine extrem weitwinkelige, eine sehr große Apertur besitzende, kompakte, für Sonnenlicht undurchlässige Ultraviolett-Abbildung zu liefern.
Linsensystem (100) nach Anspruch 1, bei dem das kompakte Linsensystem (100) eine Gesamtlänge von nicht mehr als 15,24 cm und einen Durchmesser über alles von nicht mehr als 10,16 cm mit einer Unschärfefleck-Größe im Bereich von 9 Grad bis 18 Grad aufweist.
Linsensystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, bei dem das kompakte Linsensystem (200, 300, 400) eine Gesamtlänge von nicht mehr als 11,43 cm, einen Durchmesser über alles von nicht mehr als 10,16 cm mit einer Unschärfefleck-Größe im Bereich von 9 Grad bis 18 Grad und ein Gesichtsfeld größer 92 Grad aufweist.
Linsensystem nach Anspruch 1, bei dem die zweite Linse (20) Quarzglas umfasst.
Linsensystem nach Anspruch 1, bei dem das erste Filter Farbfilterglas umfasst, das mit Polyvinylalkohol und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat beschichtet ist.
Linsensystem nach Anspruch 1, bei dem die Vielzahl von optischen Elementen (10, 20, 28, 30, 40, 50, 52, 60) ein Filter umfasst, das ein Farbfilterglas (30) aufweist, das mit Polyvinylalkohol (28) und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat beschichtet ist.
Linsensystem (100) nach Anspruch 1, bei dem: (a) die erste Linse (10) Quarzglas umfasst und einen ersten Krümmungsradius r1 = 19,93 cm, einen zweiten Krümmungsradius r2 = 2,799 cm, eine erste Dicke d1 = 3,05 mm und einen ersten Brechungsindex n_d1 = 1,4584 besitzt, (b) die zweite Linse (20) Quarzglas umfasst und einen dritten Krümmungsradius r3 = –97,54 cm, einen vierten Krümmungsradius r4 = –4,483 cm, eine zweite Dicke d2 = 3,73 cm und einen zweiten Brechungsindex n_d2 = 1,4584 besitzt; (c) das erste Filter einen Film (28) umfasst, der Polyvinylalkohol und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat umfasst und einen fünften Krümmungsradius r5 = ∞, eine dritte Dicke d3 = 0,102 mm und einen dritten Brechungsindex n_d3 = 1,48 besitzt, (d) wobei das erste Filter weiterhin ein Farbglasfilter umfasst, das einen sechsten Krümmungsradius r6 = ∞, einen siebten Krümmungsradius r7 = ∞, eine vierte Dicke d4 = 7,62 mm und einen vierten Brechungsindex n_d4 = 1,54 besitzt, (e) die dritte Linse (40) Quarzglas umfasst und einen achten Krümmungsradius r8 = 6,515 cm, einen neunten Krümmungsradius r9 = –11,66 cm, eine fünfte Dicke d5 = 2,731 cm und einen fünften Brechungsindex n_d5 = 1,4584 besitzt, (f) die vierte Linse (50) Nickelsulfat umfasst und einen zehnten Krümmungsradius r10 = 3,264 cm, einen elften Krümmungsradius r11 = ∞, eine sechste Dicke d6 = 3,150 cm und einen sechsten Brechungsindex n_d6 = 1,51 besitzt, (g) das Linsensystem weiterhin ein Fenster (60) umfasst, das aus Quarzglas besteht und einen zwölften Krümmungsradius r12 = ∞, einen dreizehnten Krümmungsradius r13 = ∞, eine siebte Dicke d7 = 5,004 mm und einen siebten Brechungsindex n_d7 = 1,4584 besitzt, und wobei jeder der zwölf Krümmungsradien um eine Achsenlinie (12) zentriert ist und wobei das Linsensystem (100) weiterhin ein Gesichtsfeld von 120°, eine Unschärfefleck-Größe von 9° bis 18°, eine Apertur von 3,56 cm, eine Brennweite von 20,19 mm, eine Gesamtlänge von 13,72 cm, ein F/# von 0,568 und einen Durchmesser von 10,16 cm besitzt.
Linsensystem (200) nach Anspruch 1, bei dem: (a) die erste Linse (110) Quarzglas umfasst und einen ersten Krümmungsradius r1 = 6,73 cm, einen zweiten Krümmungsradius r2 = 2,59 cm, eine erste Dicke d1 = 3,05 mm und einen ersten Brechungsindex n_d1 = 1,4584 besitzt, (b) die zweite Linse (120) Quarzglas umfasst und einen dritten Krümmungsradius r3 = –56,49 cm, einen vierten Krümmungsradius r4 = –4,801 cm, eine zweite Dicke d2 = 2,019 cm und einen zweiten Brechungsindex n_d2 = 1,4584 besitzt; (c) das erste Filter einen Film (128) umfasst, der Polyvinylalkohol und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat umfasst und einen fünften Krümmungsradius r5 = ∞, eine dritte Dicke d3 = 0,102 mm und einen dritten Brechungsindex n_d3 = 1,48 besitzt, (d) wobei das erste Filter weiterhin ein Farbglasfilter (130) umfasst, das einen sechsten Krümmungsradius r6 = ∞, einen siebten Krümmungsradius r7 = ∞, eine vierte Dicke d4 = 7,62 mm und einen vierten Brechungsindex n_d4 = 1,54 besitzt, (e) die dritte Linse (140) Saphir umfasst und einen achten Krümmungsradius r8 = 10,94 cm, einen neunten Krümmungsradius r9 = –7,297 cm, eine fünfte Dicke d5 = 2,012 cm und einen fünften Brechungsindex n_d5 = 1,768 besitzt, (f) die vierte Linse (150) Nickelsulfat umfasst und einen zehnten Krümmungsradius r10 = 3,404 cm, einen elften Krümmungsradius r11 = ∞, eine sechste Dicke d6 = 2,558 cm und einen sechsten Brechungsindex n_d6 = 1,51 besitzt, (g) das Linsensystem weiterhin ein Fenster (160) umfasst, das aus Quarzglas besteht und einen zwölften Krümmungsradius r12 = ∞, einen drei zehnten Krümmungsradius r13 = ∞, eine siebte Dicke d7 = 5,994 mm und einen siebten Brechungsindex n_d7 = 1,4584 besitzt, und wobei jeder der zwölf Krümmungsradien um eine Achsenlinie (112) zentriert ist und wobei das Linsensystem (200) weiterhin ein Gesichtsfeld von 120°, eine Unschärfefleck-Größe von 9° bis 18°, eine Apertur von 3,683 cm, eine Brennweite von 2,083 cm, eine Gesamtlänge von 10,16 cm, ein F/# von 0,566 und einen Durchmesser von 8,509 cm besitzt.
Linsensystem (300) nach Anspruch 1, bei dem: (a) die erste Linse (210) Quarzglas umfasst und einen ersten Krümmungsradius r1 = 8,6139 cm, einen zweiten Krümmungsradius r2 = 2,297 cm, eine erste Dicke d1 = 4,115 cm und einen ersten Brechungsindex n_d1 = 1,4584 besitzt, (b) die zweite Linse (220) Quarzglas umfasst und einen dritten Krümmungsradius r3 = 10,648 cm, einen vierten Krümmungsradius r4 = –4,2017 cm, eine zweite Dicke d2 = 2,0719 cm und einen zweiten Brechungsindex n_d2 = 1,4584 besitzt; (c) die dritte Linse (240) Nickelsulfat umfasst und einen fünften Krümmungsradius r5 = 6,695 cm, einen sechsten Krümmungsradius r6 = –6,695 cm, eine dritte Dicke d3 = 2,502 cm und einen dritten Brechungsindex n_d3 = 1,51 besitzt, (d) die vierte Linse (250) Quarzglas umfasst und einen siebten Krümmungsradius r7 = 3,185 cm, einen achten Krümmungsradius r8 = ∞, eine vierte Dicke d4 = 1,5794 cm und einen vierten Brechungsindex n_d4 = 1,4584 besitzt, (e) das erste Filter einen Film (252) umfasst, der Polyvinylalkohol und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat umfasst und einen neunten Krümmungsradius r9 = ∞, eine fünfte Dicke d5 = 0,102 mm und einen fünften Brechungsindex n_d5 = 1,48 besitzt, (f) wobei das erste Filter weiterhin ein Farbglasfilter (260) umfasst, das einen zehnten Krümmungsradius r10 = ∞, einen elften Krümmungsradius r11 = ∞, eine sechste Dicke d6 = 8,1331 mm und einen sechsten Brechungsindex n_d6 = 1,54 besitzt, (g) das Linsensystem weiterhin ein Fenster (270) umfasst, das aus Quarzglas besteht und einen zwölften Krümmungsradius r12 = ∞, einen dreizehnten Krümmungsradius r13 = ∞, eine siebte Dicke d7 = 5,59 mm und einen siebten Brechungsindex n_d7 = 1,4584 besitzt, und wobei jeder der zwölf Krümmungsradien um eine Achsenlinie (212) zentriert ist und wobei das Linsensystem (300) weiterhin ein Gesichtsfeld von 120°, eine Unschärfefleck-Größe von 9° bis 18°, eine Apertur von 3,05 cm, eine Brennweite von 2,103 cm, eine Gesamtlänge von 10,16 cm, ein F/# von 0,690 und einen Durchmesser von 8,128 cm besitzt.
Linsensystem (400) nach Anspruch 1, bei dem: (a) die erste Linse (310) Quarzglas umfasst und einen ersten Krümmungsradius r1 = 6,807 cm, einen zweiten Krümmungsradius r2 = 2,342 cm, eine erste Dicke d1 = 3,05 mm und einen ersten Brechungsindex n_d1 = 1,4584 besitzt, (b) die zweite Linse (320) Quarzglas umfasst und einen dritten Krümmungsradius r3 = –15,304 cm, einen vierten Krümmungsradius r4 = –3,625 cm, eine zweite Dicke d2 = 2,654 cm und einen zweiten Brechungsindex n_d2 = 1,4584 besitzt; (c) das erste Filter einen Film (328) umfasst, der Polyvinylalkohol und 2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat und 6-Chloro-2,3-Dihydro-5,7-Dimethyl-1-H-1,4-Diazepin-Perchlorat umfasst und einen fünften Krümmungsradius r5 = ∞, eine dritte Dicke d3 = 0,102 mm und einen dritten Brechungsindex n_d3 = 1,48 besitzt, (d) wobei das erste Filter weiterhin ein Farbglasfilter (330) umfasst, das einen sechsten Krümmungsradius r6 = ∞, einen siebten Krümmungsradius r7 = ∞, eine vierte Dicke d4 = 7,62 mm und einen vierten Brechungsindex n_d4 = 1,54 besitzt, (e) die dritte Linse (340) Quarzglas umfasst und einen achten Krümmungsradius r8 = 6,632 cm, einen neunten Krümmungsradius r9 = –6,632 cm, eine fünfte Dicke d5 = 2,261 cm und einen fünften Brechungsindex n_d5 = 1,4584 besitzt, (f) die vierte Linse (350) Nickelsulfat umfasst und einen zehnten Krümmungsradius r10 = 3,226 cm, einen elften Krümmungsradius r11 = ∞, eine sechste Dicke d6 = 2,718 cm und einen sechsten Brechungsindex n_d6 = 1,51 besitzt, (g) das Linsensystem weiterhin ein Fenster (360) umfasst, das aus Quarzglas besteht und einen zwölften Krümmungsradius r12 = ∞, einen dreizehnten Krümmungsradius r13 = ∞, eine siebte Dicke d7 = 5,004 mm und einen siebten Brechungsindex n_d7 = 1,4584 besitzt, und wobei jeder der zwölf Krümmungsradien um eine Achsenlinie (312) zentriert ist und wobei das Linsensystem weiterhin ein Gesichtsfeld von 120°, eine Unschärfefleck-Größe von 9° bis 18°, eine Apertur von 3,175 cm, eine Brennweite von 1,994 cm, eine Gesamtlänge von 11,30 cm, ein F/# von 0,628 und einen Durchmesser von 7,87 cm besitzt.
Linsensystem (200, 300, 400) nach Anspruch 1, das eine Gesamtlänge von nicht mehr als 11,43 cm und einen Gesamtdurchmesser von nicht mehr als 10,16 cm mit einer Unschärfefleck-Größe im Bereich von 9 Grad bis 18 Grad besitzt.
Linsensystem (200, 300, 400) nach Anspruch 12, bei dem das kompakte Linsensystem ein Sichtfeld größer 92 Grad besitzt.