DE69809880T2

DE69809880T2 - Objektiv mit konstanter brennweite im sichtbaren- und im ir-bereich

Info

Publication number: DE69809880T2
Application number: DE69809880T
Authority: DE
Inventors: R. Noyes
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1997-09-04
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2003-09-25
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: IL129304A0; WO1999012067A1; CA2267692A1; CA2267692C; IL129304A; DE69809880D1; EP0935772B1; EP0935772A1; ES2187060T3; US5864436A

Description

TECHNISCHES GEBIET

Die vorliegende Erfindung betrifft ein optisches Linsensystem, wie es in der Präambel von Anspruch 1 definiert ist. Ein Linsensystem dieser Art ist in der EF-A- 0340647 offenbart. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Brechungs-Objektivlinsensystem, das im wesentlichen frei von Aberrationen im sichtbaren Spektrumsbereich ist und das eine Konstruktions-Brennweite bei einer vorbestimmten, augenverträglichen Infrarotwellenlänge aufweist, welche im wesentlichen dieselbe ist wie die Konstruktionsbrennweite im sichtbaren Bereich. Ein solches Linsensystem ist besonders wertvoll für die Verwendung in einem augenverträglichen Laser-Entfernungsmesser.

HINTERGRUND

Bei einer einfachen Brechungslinse ist die Brennweite f durch die Krümmungen und die Dicke der Linse sowie durch den Brechungsindex n des optischen Materials bestimmt, aus dem die Linse hergestellt ist. Der Brechungsindex sämtlicher bekannten optischen Werkstoffe ist jedoch nicht konstant, sondern ändert sich mit der Wellenlänge, wobei kürzere Wellenlängen (höhere Frequenzen) in einem höheren effektiven Brechungsindex resultieren. Diese Erscheinung ist als "Dispersion" des Brechungsindex bekannt und wird typischerweise durch die Abbe'sche V-Zahl (anders auch als "inverse relative Dispersion" bekannt) beschrieben. Eine beispielsweise Definition der V-Zahl für optische Gläser, welche im sichtbaren Spektrumsbereich verwendet werden, ist:
Vd = (nd - 1)/(nF/nC),
worin nd der Brechungsindex bei einer bestimmten, zwischenliegenden (gelb-grün) sichtbaren Wellenlänge "d" (587,56 nm) ist, nF der Brechungsindex bei einer vorbestimmten kurzen (blauen) sichtbaren Wellenlänge "F" (486,13 nm) ist, und nC der Brechungsindex bei einer vorbestimmten langen (roten) sichtbaren Wellenlänge "C" (66,27 nm) ist. Analog kann die V-Zahl auch für andere Spektren und andere Wellenlängen definiert werden.
Als Erbebnis der Dispersion oder Streuung des Brechungsindex fokusiert eine einfache Linse nur eine einzige Wellenlänge und erfährt ein chromatische Aberration bei sämtlichen anderen Wellenlängen. Es ist bekannt, daß eine Linse aus mehr als einem Element aufgebaut werden kann, wobei jedes Element aus einem unterschiedlichem Material mit unterschiedlichen Brechungseigenschaften gefertigt ist. Durch geeignete Auswahl des Werkstoffes jedes Elementes, des Krümmungsradius jeder Oberfläche und des Abstandes zwischen benachbarten Oberflächen ist es möglich, verschiedene optische Eigenschaften, beispielsweise die Bildfeldkrümmung, die Verzerrung und chromtische Aberrationen zu manipulieren. Da unterschiedliche optische Materialien nicht nur unterschiedliche Brechungsindizes, sondern auch unterschiedliche relative Dispersioscharakteristiken oder Streucharakteristiken haben, können die Dispersionseffekte (chromatische Aberration erster Ordnung) der kombinierten Elemente in wirksamer Weise über einen Bereich von Wellenlängen einander aufheben. Bekannte Linsenkonstruktionen enthalten somit "achromatische Linsen", welche dieselbe konstruktionsgemäße Brennweite an beiden Enden des sichtbaren Spektrums (beispielsweise F und C) haben und nur leichte Abweichungen (Abweichungen zweiter Ordnung) von der konstruktionsgemäßen Brennweite über das gesamte sichtbare Spektrum hinweg haben.
Eine andere Maßnahme der Einflußnahme auf die Brechungsindex-Streucharakteristiken eines optischen Materials ist die "partielle relative Dispersion" (die P-Zahl), welche die Linearität der Streuung oder der Dispersion relativ zu der Wellenlänge bemißt:
PC,s = (nC - ns)/(nF - nC)
worin "C" und "F" die oben angegebenen Definitionen haben und "s" sich auf die Fraunhofer'sche "s"-Linie (852,11 nm) bezieht, obgleich die P-Zahl auch für andere Spektren und andere Wellenlängen definiert werden kann. Für die Mehrzahl optischer Materialien, welche im sichtbaren Bereich des Wellenlängenbandes verwendbar sind, ist die Beziehung zwischen der V-Zahl und der P-Zahl durch dieselbe lineare Beziehung annäherbar (die "Normallinie"), so daß die V-Zahl eines gegebenen Materials leicht aus ihrer P-Zahl annäherbar ist, und umgekehrt. Schott-Kronglas, Type K5 und Flintglas, Type F2, können als die beiden Punkte verwendet werden, welche die genannte Normallinie definieren. Optische Materialien, für welche die normale lineare Beziehung nicht gültig ist, werden als solche mit "anomaler Dispersion" bezeichnet. Die Glasart Type FK ist ein Beispiel für ein anomales Glas, das oberhalb der Normallinie legt, während das Glas der Type KzF ein anomales Glas ist, das unter jener Linie liegt.
Durch Bilden einer Brechungslinse aus mindestens drei unterschiedlichen Materialien, welche mindestens eines mit "anomalen Dispersionseigenschaften" umfassen, ist es möglich, unabhängig die Brennpunktposition an einem zwischenliegenden Punkt im Spektrum von Interesse zu manipulieren, wodurch eine sogenannte apochromatische Linse oder "Prozess"-Linse möglich wird, deren optische Eigenschaft bei drei Wellenlängen optimiert ist (beispielsweise F, d, und C), und welche chromatische Aberrationen der zweiten Ordnung minimal macht. Apochromatische Brechungslinsensysteme, welche mindestens ein Element verwenden, das aus einem Glas gefertigt ist, das anomale Streueigenschaften oder Dispersionseigenschaften hat, sind auch für die Verwendung im 8-12-um-Infrarotbereich bekannt (Carl Zeiss) und sind bekannt für die gleichzeitige Fokussierung von Infrarotstrahlung über einen Bereich von 3 bis 13 um auf eine gemeinsame Brennebene (Texas Instruments).
Da viele Gläser für Verwendung in dem sichtbaren Spektrumsbereich mit normalen Dispersionseigenschaften verfügbar sind, steht im Handel Software zur Verfügung, welche die Größen n und V als unabhängige Variablen behandelt, welche kontinuierlich manipuliert werden können, bis eine optimale Konstruktion erreicht ist, wobei die bekannte feste lineare Beziehung zwischen V und P verwendet wird, um n für jede interessierende Wellenlänge zu errechnen, so daß die Auswahl eines bestimmten Glases (oder eines anderen optischen Materials) hinausgeschoben werden kann, bis die Optimalwerte für n und V errechnet worden sind. In anderen Wellenlängen-Bandbereichen ist die verfügbare Auswahl jedoch bedeutend begrenzter (beispielsweise bei 10 um existieren praktisch nur etwa 6 Materialen), und eine solche Konstruktionslösung ist nicht durchführbar. Selbst in dem sichtbaren Wellenlängenband bestehen darüber hinaus nur verhältnismäßig wenige verfügbare Auswahlmöglichkeiten mit anomalen Dispersionseigenschaften. Dies hat zur Folge, daß es praktisch nicht durchführbar ist, den Brechungsindex und die Dispersion als kontinuierliche Variable zu behandeln, und wenn eine anomale Dispersion verwendet wird, um eine chromatische Aberration der zweiten Ordnung minimal zu machen, so muß die besondere Dispersionseigenschaft (oder die spezielle Glastype) durch den Konstrukteur der Linse bezeichnet werden, bevor das Optimierungsprogramm in der Lage ist, den effektiven Index für andere Wellenlängen zu errechnen.
In einem typischen Laser-Entfernungsmesser ist die Sichtlinie (LOS) eines Strahlenwegs hoher Qualität der visuellen Optik, welche zur Lokalisierung und Identifizierung des Zielobjektes verwendet wird, mit der Sichtlinie eines zweiten optischen Weges ausgerichtet, der einem Laser augenverträglicher Frequenz zugeordnet ist, um den Abstand zum Zielobjekt zu bestimmen. Im Gebrauch muß jeder der beiden Sichtlinienwege von ihrer jeweiligen Nominalposition gesteuert werden, so daß sie beide mit Bezug auf eine von außen definierte System-Ziellinie ausgerichtet sind, beispielsweise dem Lauf einer Waffe oder dem Ursprung einer zweidimensionalen Anzeige. Da nur der visuelle optische Strahlengang für die Verwirklichung der Systemziellinie verwendet wird, werden die beiden Sichtlinien in einer Art und Weise gleichsinnig manipuliert, welche sicherstellt, daß beide Sichtlinien-Strahlenwege die selbe Abweichung von ihrem Nominalwert haben. In einem bekannten optisch-mechanischen System zur Schaffung gleicher Sichtlinienabweichung für sowohl den visuellen optischen Strahlengang als auch für den optischen Laserstrahlengang steuerte ein paar drehbarer dünner achromatischer Prismen (Keile) die Sichtlinie in gleicher Weise für den visuellen Strahlengang und für den Laserstrahlengang. Achromatische Zweikomponententeile oder -Prismen (Chromglas-Flintglas), waren erforderlich, da einfache Keile verursachten, daß der visuelle optische Strahlengang und der optische Laserstrahlengang die gemeinsame Ziellinie verloren, wenn die Keile manipuliert wurden. Darüber hinaus beeinflußte eine Drehung des einen Keiles relativ zu dem anderen sowohl die Größe als auch die Richtung der Ziellinie und war für den Benutzer verwirrend, der an die unabhängige Modulation der Cartesischen Koordinaten (x-y-Koordinaten) der Ziellinie gewöhnt ist.

ZUSAMMENFASSUNG

Die obigen Probleme werden gemäß der Erfindung durch ein Objektivlinsensystem mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
In einer Objektivlinse, welche gemäß der Lehre der vorliegenden Erfindung konstruiert ist, ist die Brennweite im wesentlichen bei zwei Wellenlängen gleich. Eine liegt innerhalb des sichbaren Spektrums und eine liegt in einem bestimmten Infrarot-Spektrumsbereich. Vorzugsweise ist das Infrarot-Spektrum ein augenverträgliches IR-Spektrum, das um 1,54 um zentriert ist und die Linse ist im wesentlichen über den gesamten sichtbaren Spektrumsbereich (0,45 um - 0,70 um) achromatisch und ist für andere monochromatische Aberrationen (Sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus, Bildfeldkrümmung und Verzerrung) gut korrigiert. Eine solche Linse ist besonders gut geeignet für die Verwendung als Objektiv eines augenverträglichen Laser-Entfernungssuchers.
Durch Schaffung einer optischen Linse, welche bei den optischen Strahlungsgängen (Strahlengang im sichtbaren Bereich und im Laserbereich) gemeinsam ist und die Eigenschaft hat, daß sie im wesentlichen dieselbe Brennweite und im wesentlichen dieselbe winkelmäßige Abweichung für beide optischen Strahlengänge bei Linsendezentrierung bietet, kann dann praktisch ein Mechanismus in die optisch-mechanische Konstruktion eingefügt werden, um die x- und y-Dezentrierung der Objektivlinse einzustellen, um eine entsprechende x- und y-Einstellung der Systemziellinie zu erreichen.
Vorzugsweise ist die Objektivlinse ein dreiteiliges System, das zwei positive (konvergente) Linsen und eine negative (divergente) Linse enthält, wobei nur die divergente Linse eine anomale Dispersion aufweist. Eine spezifische Ausführungsform ist ein zusammengekittetes dreiteiliges System, bei welchem das vordere Linsenelement bikonvex ist und aus Kronglas mit einem hohen Brechungsindex (n) und einer mittel hohen inversen relativen Dispersion (V) gefertigt ist; das hintere Element ist im wesentlichen plankonvex und ist aus Kronglas mit relativ niedrigem Brechungsindex und relativ hoher inverser Dispersion gefertigt; das mittlere Linsenelement ist bikonkav und ist aus Flintglas mit anomaler Dispersion und mit einem Brechungsindex gefertigt, der zwischen demjenigen des vorderen und demjenigen des hinteren Linsenelementes liegt, wobei eine inverse relative Dispersion dieses Elementes vorgesehen ist, welche im wesentlichen unterhalb derjeniger der beiden anderen Elemente liegt, und wobei die partielle relative Dispersion von der "Normallinie" um mindestens das zweifache und vorzugsweise das sechsfache des Abstandes beabstandet ist, der den Normalgläsem zugeordnet ist, aus denen die beiden konvergenten Elemente hergestellt sind.
In einer beispielsweisen Ausführungsform ist das optische Material mit der anomalen Dispersion ein KzFSN4-Glas, die effektive Appertur ist f/4, 5, und die konstruktionsgemäße Brennweite ist 256,54 mm (10,1000 Zoll) sowohl bei 0,587 um als auch 1,54 um.
In einer anderen beispielsweisen Ausführungsform, welche gegenwärtig bevorzugt wird, ist das anomale optische Material ein Glas der Type Schott KzFS1 oder HoyaADF10. Beide optische Strahlengänge enthalten einen gemeinsamen dicken, aus Glas gefertigten Pentaprisma-Strahlaufspalter in beiden LOS-Strahlengängen, welcher das Bild im Strahlengang des sichtbaren Spektrumsbereichs reflektiert und invertiert, und welcher ein nicht invertiertes Bild im Infrarot-Strahlengang überträgt; Das Pentaprisma hat einen Brechungsindex, welcher niedriger ist, und eine inverse relative Dispersion, welche höher ist, als diejenigen Werte der Gläser, welche das Dreielementsystem bilden. Der Strahlengang im sichtbaren Bereich enthält auch ein visuelles Filter zum Schutz des Benutzers gegen mögliche schädliche Strahlung außerhalb des sichtbaren Spektrumsbereichs. Die effektive Brennweite ist 274,37 mm (10,802 Zoll) unter Mittelwertbildung über den sichtbaren Spektrumsbereich und ist 275,18 mm (10,334 Zoll) bei einer Wellenlänge von I,54 um.
Gemäß den verfahrensmäßigen Aspekten der Erfindung können, wenn einmal die grundsätzliche Konstruktion gewählt ist, die Krümmung, die Dicke, der Abstand und die Wahl der Materialien für die einzelnen Elemente, sowie der Ort und die Krümmung der Bildebene weiter optimiert werden, um die Schärfe des Bildes (Minimierung des Verwirrungskreises) maximal zu machen und die Verzerrung über das gesamte sichtbare Spektrum und über das gesamte Gesichtsfeld minimal zu gestalten. Die einzigen zusätzlichen Beschränkungen bestehen darin, daß die Differenz zwischen den effektiven Brennweiten der beiden Strahlengänge nicht über ein bestimmtes Maximalmaß hinaus variieren und daß die optische Eigenschaft innerhalb annehmbarer Grenzen bleibt, wenn die Konstruktion sich innerhalb Toleranzen verändert, die leicht durch bekannte Herstellungstechniken eingehalten werden können.
Die der Erfindung zugrunde liegenden Gedanken sind auch auf Linsensysteme anwendbar zu betrachten, die mehr als drei Elemente haben oder die Luftraum zwischen benachbarten Elementen vorsehen.

ZEICHNUNGEN

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Objektivlinse gemäß der vorliegenden Erfindung.
Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines optischen Systems für einen Laserentfernungssucher mit einer alternativen Ausführungsform des Objektivlinsensystems nach Fig. 1.

DETAILLIERTE BESCHREIBUNG

Es sei nun auf Fig. 1 Bezug genommen, in welcher ein Querschnitt entsprechend einer Mittelstrahlebene durch eine erste Ausführungsform eines Objektivlinsensystems 10 gezeigt ist, welches eine effektive Brennweite von etwa 254 mm (10 Zoll) und eine effektive Appertur von etwa f/4, 5 sowohl für eine augenverträgliche Strahlung mit einer Wellenlänge von annähernd 1,54 um als auch für das gesamte sichtbare Spektrum aufweist (d. h., für Wellenlängen, die von gut unterhalb der F-Fraunhoferlinie (486,13 nm) bis gut oberhalb der C-Fraunhoferlinie (656,27 nm) reichen). Insbesondere enthält das System 10 ein zusammengekittetes Dreielementesystem 12 oder eine Triplette 12, bestehend aus einem konvergenten ersten Linsenelement 14, einem divergenten zweiten Linsenelement 16 und einem konvergenten dritten Linsenelement 18, wobei das divergente Linsenelement 16 zwischen den beiden konvergenten Linsenelementen 14 uni 18 angeordnet ist.
In der beispielsweisen Konstruktion nach Fig. 1 ist das konvergente erste Linsenelement 14 in seiner Gestalt bikonvex mit einem Außenradius der Außenfläche 20 von 120 mm (4,725 Zoll) und einem Radius der Innenfläche 22 von -178,8 mm (-7,041 Zoll), (wobei das Minuszeichen lediglich anzeigt, daß die Oberfläche relativ zu der Fokalfläche oder Fokalebene 24 konkav ist); dieses Element ist aus einem Glas der Type SSKNS (einem Kronglas mit hohem Index) gefertigt. Das andere konvergente Linsenelement 18 ist im wesentlichen in seiner Gestalt plankonvex mit einem Radiu > der Innenfläche 26 von 48,78 mm (1,921 Zoll) und einem Radius der relativ flachen äußeren Fläche 28 von 590,3 mm (23,240 Zoll); es ist auch aus einem Kronglas gefertigt, jedoch aus einem Glas der Type SK11, welches auch normale Dispersionseigenschaften besitzt, jedoch einen wesentlich niedrigeren Brechungsindex und höhere V- und P-Konstanten als das Glas SSKNS, wie in der folgenden Tabelle festgehalten ist: TABELLE
ΔP ist die errechnete Differenz zwischen der tatsächlichen partiellen Dispersion und der errechneten partiellen Dispersion, wenn die Werte PC,s tatsächlich auf der Normallinie sind und liefert praktisch eine qualitative Messung der Dispersionseigenschaft. Es sei bemerkt, daß anomales Glas, beispielsweise KzFS1, ADF10 und/oder KzFSN4, welche für das divergierende Element des Dreielementsystems verwendet wird, einen ΔP-Wert von mindestens dem zweifachen desjeniges des Glases der Type PK7 hat (welches herkömmlicherweise als ein "normales" Glas betrachtet wird) und mehr als das sechsfache des ΔP-Wertes hat, der den Normalgläsern zuzuordnen ist, die für die beiden konvergenten Elemente des Dreielementsystems in der bevorzugten Ausführungsform verwendet werden.
Das divergente Linsenelement 16 wird zwischen die beiden konvergenten Linsenelemente 14 und 18 eingekittet und ist aus einem Flintglas hergestellt, das einen mittleren Brechungsindex und eine anomale Dispersionseigenschaft aufweist. Da es zwischen die beiden anderen Linsenelemente eingekittet ist, haben seine Oberflächen dieselbe Krümmung (denselben Krümmungsradius) wie die Oberflächen 22 bzw. 26. Die relative Dispersion (1-V) des anomalen Flintglases beträgt vorzugsweise mehr als die jeweilige relative Dispersion jedes Kronglases (d. h., eine tiefere V-Zahl), und, wie zuvor angemerkt, der Abstand von der Normallinie (ΔP) des anomalen Flintglases ist vorzugsweise mehr als das zweifache (vorzugsweise das sechsfache) desjenigen jeden Flintglases. in der beschriebenen Ausführungsform von Fig. 1 ist das anomale Flintglas das Glas der Type KzFSN4; es sind jedoch auch andere Glasarten mit anomaler Dispersion geeignet, einschließlich Schott KzFS1 (oder sein Äquivalent, nämlich HoyaADF10).
In der spezifischen Ausführungsform von Fig. 1 ist die Brennweite etwa 254 mm (10 Zoll) (256,59 mm (10,100 Zoll) sowohl für die Mitte des sichtbaren Spektrums (587,56 nm) und für die augenverträgliche Infrarotstrahlung bei 1,54 um). Die effektive Apertur ist etwa f/4, 5 (4,489). Es sei bemerkt, daß die Bildfläche oder Bildebene 24 gekrümmt ist. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Bildfläche 24 einen Radius von -105,48 mm (4,152914 Zoll), und für ein Objekt in der Unendlichkeit ist sie in einem Abstand von 233,04 mm (9,175149 Zoll) von der rückwärtigen Oberfläche 28 des hinteren Linsenelementes 18 entfernt gelegen.
Beim Konstruieren des Linsensystems nach Fig. 1 wurden eine gewünschte Brennweite, eine gewünschte Apertur und eine allgemeine Linsenkonstruktionsform (beispielsweise eine zusammen gekittete Triplette) sowie eine bestimmte anomale Glastype gewählt und es wurde eine im Handel verfügbare Software (beispielsweise Zemax 5,5 von Focus Software, Inc) verwendet, um die Konstruktion zu optimieren (d. h., Variieren der Krümmung der Linsenoberflächen, Auswahl der Gläser für die nicht anomalen Linsenelemente) zur Optimierung der optischen Eigenschaft (Konfusionskreis oder Bildschärfe) bei drei Wellenlängen des sichtbaren Lichtes (wobei die Mitte des Spektrums eine Gewichtung von 1 zugeordnet erhält und das obere und das untere Ende des sichtbaren Spektrums jeweils eine Gewichtung von 0,5 zugeordnet erhält) sowie bei drei Feldwinkeln (wobei eine Gewichtung von 1 den Strahlen parallel zur Achse zugeordnet wird, eine Gewichtung von 0,5 den Strahlen bei 2,5 Grad zugeordnet wird und eine Gewichtung von 0,2 den Strahlen von 3,75 Grad zugeordnet wird).
Sobald die Software die gewählte Konstruktion optimiert hat, sollte die resultierende Konstruktion bzgl. möglicher verbesserter Eigenschaft untersucht werden, indem ein alternatives Glas ausgewählt wird und man das Optimierungsprogramm neuerlich durchlaufen läßt. Ist einmal das bestgeeignete anomale Glas in dieser Weise bestimmt worden, wobei ohnedies nur eine begrenzte Anzahl von anomalen Gläsern verfügbar ist, welche gute Transmissionseigenschaften sowohl im sichtbaren Spektrumsbereich als auch bei Infrarotwellenlängen von Interesse aufweisen, sollte die effektive Brennweite bei einer der oder bei den zwei Konstruktionswellenlängen leicht abgeändert werden, um zu bestimmen, ob eine solche Änderung eine Kompensation des Fehlens eines im Handel erhältlichen anomalen Glases kompensieren könnte, welches die besondere Kombination von optischen Eigenschaften aufweist, die erforderlich sind, um die optimale Wirkungsweise bei einer bestimmten Wellenlänge zu erreichen, wodurch eine optische Konstruktion geschaffen wird, die sogar bessere Eigenschaften aufweist. In dieser Hinsicht sei angemerkt, daß ein verhältnismäßig kleiner Unterschied in der effektiven Brennweite bei zwei Wellenlängen nur eine kleine Änderung in der Abweichung der Sichtlinie erzeugt, die diesen Wellenlängen zugeordnet sind, wenn die Linse dezentriert wird, was leichter in einer bestimmten Anwendung toleriert werden kann als die Verzerrungen und Aberrationen im sichtbaren Bereich, welche durch solch einen kleinen Unterschied in der Brennweite möglicherweise eliminiert werden können.
Schließlich sollte die resultierende optische Konstruktion bzgl. der Herstellungsmöglichkeit überprüft werden, wobei im Handel erhältliche Software eingesetzt wird, um die Effekte von Veränderungen in der Gestalt und in der Ausrichtung der verschiedenen Elemente auf die optischen Eigenschaften zu messen.
Es sei nun auf Fig. 2 Bezug genommen, in welcher gezeigt ist, wie die beispielsweise Ausführungsform von Fig. 1 modifiziert und für die Verwendung in einer Laser- Entfernungsmeßeinrichtung oder einem Laser-Entfernungsmesser optimiert werden kann. Entsprechende Elemente sind durch Anhängen eines Symbols (') an die entsprechende Bezugszahl der Ausführungsform von Fig. 1 unterschieden.
Das modifizierte Linsensystem 10' enthält nicht nur ein Drei-Elementesystem oder eine Triplette 12', sondern auch ein Fenster 30, das gegenüber allen Wellenlängen von Interesse transparent ist, ein Filter 32, das nur gegenüber Strahlung im sichtbaren Bereich transparent ist, sowie einen Pentaprismastrahlaufspalter 34 zur Aufspaltung eines gemeinsamen äußeren optischen Strahlungsweges 36, welcher zu einer externen Objektebene 40 (nicht dargestellt) führt, in einen inneren optischen Strahlungsweg 42 für sichtbare Strahlung, der zu einer inneren Bildebene 24' für sichtbare Strahlung führt, sowie einen inneren optischen Strahlenweg 44 für Infrarotstrahlung, der zu einer inneren Infrarot-Bildebene 24" führt, wobei die Infrarotstrahlung unmittelbar durch das Pentaprisma hindurchgeht und die sichtbare Strahlung durch das Pentaprisma gedreht und umgekehrt wird.
Nicht gezeigt sind in Fig. 2 ein Plössl-Okular, vorzugsweise in Gestalt einer Rücken-an-Rücken-Dublette zur Betrachtung des Bildes an der Bildebene 24' für sichtbare Strahlung, sowie ein ringförmiger Strahlaufspalter in dem Infrarot-Strahlengang 44. Der (nicht dargestellte) ringförmige Strahlaufspalter arbeitet mit einer Empfängeroptik zur Fokusierung der eintreffenden Infrarotstrahlung von dem Zielobjekt auf ein geeignetes Infrarot-Detektor-Untersystem (nicht dargestellt) zusammen, das bei einer augenverträglichen Wellenlänge betrieben wird, und arbeitet mit einer herkömmlichen Übertrageoptik zusammen, um den Ausgang von einem augenverträglichen Laser zu dem zu überwachenden oder zu beobachtenden Zielobjekt hin auszusenden. Die beiden optischen Wege oder Strahlengänge 42 und 44 werden bei der Herstellung auf eine gemeinsame optische Ziellinie ausgerichtet und ein geeigneter Mikrometer-Verschiebungsmechanismus ist wirkungsmäßig mit der Objektiv-Triplette 12' verbunden, um eine Verschiebung der gemeinsamen Ziellinie relativ zu dem Außengehäuse und damit relativ zu der Ziellinie der Feuerwaffe zu verschieben, auf welcher der Entfernungssucher montiert ist.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform nach Fig. 1 sind die beiden effektiven Brennweiten nur im wesentlichen identisch, wobei die effektive Brennweite, gemittelt über das sichtbare Sprektrum, 274,37 mm (10,802 Zoll) beträgt und 275,18 mm (10,834 Zoll) bei 1,54 um Wellenlänge beträgt. Dieser kleine Unterschied in den Brennweiten resultiert in einer verbesserten optischen Eigenschaft im sichtbaren Spektrumsbereich mit nur 0,03 mrad Abweichung in der Ziellinie zwischen den beiden Sichtlinien-Strahlengängen bei den maximalen, konstruktionsmäßig vorgesehenen Zielliniensteuerbereich ±10 mrad, was sehr wohl innerhalb der gewünschten Maximalabweichung von 0,10 mrad ist.
Die Ausführungsform nach Fig. 2 unterscheidet sich von Fig. 1 auch durch die Auswahl des anomalen Glases, das für das divergierende Element 16' verwendet wird, das entweder ein Glas der Type Schott KzFS1 oder sein Äquivalent (Hoya ADF10) ist. Das Kronglas, das für den Pentaprisma-Strahlaufspalter, das Fenster und den Träger für das Filter verwendet wird, ist Schott BK7. Die relevanten optischen Eigenschaften für die beiden Schott-Glasarten sind in der zuvor erwähnten Tabelle aufgeführt, aus der ersichtlich ist, daß die Eigenschaften der beiden anomalen Gläser (KzFS1 und KzFSN4) einander entsprechen und daß BK7 einen Brechungsindex hat, der wesentlich niedriger ist, und eine inverse relative Streuung und Dispersion hat, die wesentlich höher ist als die Werte der Gläser, welche die Triplette bilden.
Der Pentaprisma-Strahlaufspalter 34 reflektiert und invertiert das Bild in dem Strahlengang 42 für das sichtbare Licht und überträgt ein nichtinvertiertes Bild in dem Strahlengang 44 für Infrarotstrahlung. Das Pentaprisma hat einen Brechungsindex (n), der niedriger ist, und eine inverse relative Dispersion (V), welche höher ist als die Vierte der Gläser, welche die Triplette bilden.
Die relevanten Oberflächenkrümmungen der Elemente, welche die Objektivtriplette 12 bilden, sind folgende:
Zwar wurde eine zusammengekittete Triplette (Dreielementsystem) mit einer bestimmten Brennweite und Apertur beschrieben, welche für einen spezifischen Anwendungsfall in einer Laser-Sucheinrichtung optimiert wurde, doch ist davon auszugehen, daß dieselbe Konstruktionsmethode auch für andere Brennweiten und Aperturen anwendbar ist.
Obwohl ferner ein zusammengekittetes Dreielementsystem in der Herstellung verhältnismäßig einfach und preisgünstig ist, und ausreichende Freiheitsgrade (drei Glasarten und vier Radien) anbietet, um eine gute Korrektur zuzulassen, erkennt der Fachmann, daß andere Konstruktionen mit mehr als drei Elementen und/oder mit einem Luftraum oder mehreren Lufträumen zwischen den Elementen ebenfalls möglich ist (wodurch mehr als vier Radien und/oder mehr als drei Glasarten zugelassen werden), wobei solche Konstruktionen für bestimmte andere Anwendungsfälle vorzuziehen sein können.

Claims

1. Objektivlinsensystem für die gleichzeitige Verwendung mit sichtbarer Strahlung und mit Infrarotstrahlung, welches im wesentlichen dieselbe effektive Brennweite bei einer sichtbaren Wellenlänge und bei einer Infrarotwellenlänge hat, und welches folgendes enthält:

zwei Sammellinsenelemente (14, 18; 14', 18');

ein zweites Zerstreuungslinsenelement (16; 16);

wobei das zweite Zerstreuungslinsenelement zwischen den beiden Sammellinsenelementen (14, 18; 14', 18') angeordnet ist;

wobei die beiden Sammellinsenelemente (14, 18; 14', 18) aus einem ersten bzw. einem zweiten optischen Material gefertigt sind, die jeweilige erste und zweite normale Dispersionseigenschaften haben und der Brechungsindex (n) des ersten optischen Materials größer als derjenige des zweiten optischen Materials ist; und

wobei das Zerstreuungslinsenelement (16; 16) aus einem dritten optischen Material gefertigt ist, das eine anomale Dispersionseigenschaft hat;

dadurch gekennzeichnet, daß

die inverse relative Dispersion (V) und die partiale relative Dispersion (P) für das erste optische Material beide jeweils kleiner als für das zweite optische Material sind;

die inverse relative Dispersion (V) des dritten optischen Materials kleiner als die jeweilige inverse relative Dispersion entweder des ersten oder des zweiten optischen Materials ist; und

die partiale relative Dispersion (P) des dritten optischen Materials von der Normallinie, die durch die Normalglasarten F2 und KS definiert ist, um einen Abstand (AP) abweicht, welcher mindestens das Zweifache desjenigen ist, der jedem des ersten und zweiten optischen Materials zugeordnet ist.

2. Objektivlinsensystem nach Anspruch 1, bei welchem der genannte Abstand (ΔP) von der Normallinie, welcher dem dritten optischen Material zugeordnet ist, mindestens das Sechsfache von demjenigen ist, der jedem des ersten und zweiten optischen Materials zugeordnet ist.

3. Objektivlinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Infrarotstrahlung eine augenverträgliche Strahlung ist, die eine Wellenlänge aufweist, die wesentlich größer als 1 um (Mikron) ist.

4. Objektivlinsensystem nach Anspruch 3, bei welchem die augenverträgliche Strahlung eine Wellenlänge von annähernd 1,54 um hat.

Objektivlinsensystem nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem das erste und das zweite optische Material Kronglas ist und das dritte optische Material ein Flintglas ist.

6. Objektivlinsensystem nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem der Brechungsindex (n) des dritten optischen Materials kleiner als derjenige des ersten optischen Materials und größer als derjenige des zweiten optischen Materials ist.

7. Objektivlinsensystem nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem das Zerstreuungslinsenelement (16, 16) zwischen die beiden Sammellinsenelemente (14, 18; 14', 18) einzementiert ist.

8. Objektivlinsensystem nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem die Brennweite etwa 2,54 mm (10 Zoll) beträgt und die effektive Appertur etwa f/4,5 ist.

9. Objektivlinsensystem nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, bei welchem das Linsensystem eine Bildebene (24) des sichtbaren Bereiches und eine Bildebene (24) des Infrarotbereiches definiert, und das Linsensystem weiter einen Pentaprisma-Strahlaufspalter (34) enthält, um einen gemeinsamen externen optischen Weg (36), der zu einer externen Objektebene (40) führt, in einen internen optischen Weg (42) des sichtbaren Bereiches, der zu einer internen Bildebene (24) des sichtbaren Bereiches, und einen internen optischen Weg (44) des Infrarotbereiches, der zu einer internen Bildebene (24') des Infrarotbereiches führt, aufzuspalten, wobei die Infrarotstrahlung unmittelbar durch den Pentaprisma-Strahlaufspalter (34) geht, und die sichtbare Strahlung durch den Pentaprisma-Strahlaufspalter (34) gedreht und umgekehrt wird.

10. Objektivlinsensystem nach Anspruch 9, bei welchem der Pentaprisma- Strahlaufspalter (34) aus einem vierten optischen Material gefertigt ist, das normale Dispersionseigenschaften hat, mit einer inversen relativen Dispersion (V) und einer partialen relativen Dispersion (P), welche beide größer als die entsprechenden Dispersionseigenschaften irgendeines der ersten, zweiten und dritten optischen Materialien sind.

11. Objektivlinsensystem nach Anspruch 9 oder 10, bei welchem die sichtbare Strahlung einen längeren optischen Weg durch den Pentaprisma-Strahlaufspalter (34) zurücklegt, als die Infrarotstrahlung.

12. Verfahren zur Konstruktion des Objektivlinsensystems nach irgendeinem vorausgehenden Anspruch, mit folgenden Schritten:

Auswahl einer anfänglichen Konstruktion mit einer vorbestimmten gemeinsamen Brennweite und einem vorbestimmten dritten optischen Material, das eine anomale Dispersionseigenschaft hat;

Modifizieren der anfänglichen Konstruktion durch Auswahl eines unterschiedlichen dritten optischen Materials;

Modifizieren der anfänglichen Konstruktion durch Zulassen, daß der Unterschied der effektiven Brennweiten der beiden Wege bei der sichtbaren Wellenlänge bzw. bei der Infrarot-Wellenlänge sich innerhalb eines vorbestimmten Maximalbereichs ändert;

Optimieren der so modifizierten Konstruktion zum Maximieren der Schärfe des Bildes und zum Minimieren der Verzerrung über das gesamte sichtbare Spektrum und über das gesamte Blickfeld hin;

Vergleichen der optischen Leistung der ursprünglichen Konstruktion mit der modifizierten Konstruktion; und

Feststellen, daß die optische Leistung in annehmbaren Grenzen bleibt, wenn die Konstruktion innerhalb vorbestimmter Toleranzen geändert wird.

13. Verfahren nach Anspruch 12, bei welchem der Optimierungsschritt auch eine Maximierung der Schärfe des Bildes bei der Infrarot-Wellenlänge bewirkt.