DE844357C

DE844357C - Lens for radiation pyrometer

Info

Publication number: DE844357C
Application number: DEP12657D
Authority: DE
Inventors: Heinz Dr Phil Gruess
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1948-10-02
Filing date: 1948-10-02
Publication date: 1952-07-21

Description

Objektiv für Strahlungspyrometer An Strahlungspyrometern ist es hekannt, durch Verstellen des Objektivs zu erreichen, daß der Ge- G genstand, der anvisierte strahlende Körper, in einer hestimmten Ebene des Pyrometers scharf abgebildet wird. Bei optischen Pyrometern wird in dieser Ebene die Helligkeit des Bildes mit der Helligkeit eines Vergleichskörpers verglichen, bei Gesamtstrahlungspyrometern wird ein Strahlungsempfänger, etwa in Gestait eines Thermoelements, mit einem an der Lötstelle befindlichen Strahlungsauffallgl)lättchen voll ausgeleuchtet, so daß die entstehende Ulertemperatur des Blättchens unabhängig von der Größe des Gegenstands und daher auch des entstandenen Bilds wird Es hat sich jedoch gezeigt, daß die Temperaturmessung mit derartigen Strahlungspyrometern noch einen Fehler in Abhängigkeit von der Entfernung des Gegenstands aufweist, der sich folgendermaßen erklärt.Lens for radiation pyrometers It is known from radiation pyrometers by adjusting the lens to achieve that the object that was aimed at radiating bodies, is shown in focus in a certain plane of the pyrometer. In the case of optical pyrometers, the brightness of the image is in this plane with the Brightness of a reference body is compared with total radiation pyrometers a radiation receiver, for example in the form of a thermocouple, with one on the Radiation incident gl) pads located at the soldering point are fully illuminated so that the resulting ulertemperature of the leaflet regardless of the size of the object and therefore also of the resulting image. However, it has been shown that the temperature measurement with such radiation pyrometers still an error depending on the distance of the subject, which is explained as follows.

Die Gleichung für die Bildgröße B in der Bildentfernung b lautet: Blb = G/g, worin G die Gegenstandsgröße und g die Gegenstandsentfernung zum Objektiv darstellt. The equation for the image size B at the image distance b is: Blb = G / g, where G is the object size and g is the object distance to the lens represents.

In Verbindung mit der Gleichung I/t = I/b + I/g, worin f die Brennweite der Linse darstellt, ergibt sich B= f .G. g-f Die Energiedichte J, mit der ein einzelner Punkt des Gegenstands in der Bildebene abgebildet wird, ist umgekehrt proportional dem Quadrat der Bildvergrößerung worin a der räumliche Offnungswinkel des Strahlenkegels bedeutet. Dieser Öffnungswinkel, den ein einzelner Punkt des Gegenstands zur Objektivlinse vom Durchmesser D aufweist, ist a = #/2 D2 t g2.In connection with the equation I / t = I / b + I / g, where f is the focal length of the lens, we get B = f .G. gf The energy density J with which a single point of the object is imaged in the image plane is inversely proportional to the square of the image magnification where a is the spatial opening angle of the cone of rays. This opening angle, which a single point of the object has to the objective lens of diameter D, is a = # / 2 D2 t g2.

Unter Vernachlässigung der Glieder höherer Ordnung wird daher die Energiedichte in der Bildebene Bei Brennweiten, die nicht mehr gegenüber der Gegenstandsweite zu vernachlässigen sind, weist daher die Energiedichte in der Bildebene eine Abhängigkeit von der Entfernung des Gegenstands auf. Um die Meßgenauigkeit für derartige Strahlungspyrometer zu erhöhen, ist es daher gemäß der Erfindung zweckmäßig, die Einstellung auf scharfe Abbildung des Gegenstands in der Bildebene nicht, wie bisher, mit konstanter Objektivbrennweite durchzuführen, sondern dem Objektiv durch Kombination mehrerer Linsen eine veränderliche Brennweite zu erteilen, und zwar derart, daß durch dieselbe Linsenverstellung sowohl die Abbildung des Strahlers unabhängig von dessen Entfernung eine konstante Energiedichte erhält, als auch die resultierende Bildabstandsänderung kompensiert wird.Therefore, neglecting the higher order terms, the energy density in the image plane becomes In the case of focal lengths that are no longer negligible compared to the object distance, the energy density in the image plane therefore depends on the distance to the object. In order to increase the measurement accuracy for such radiation pyrometers, it is therefore expedient according to the invention not to carry out the setting for a sharp image of the object in the image plane, as before, with a constant lens focal length, but to give the lens a variable focal length by combining several lenses. namely in such a way that both the image of the radiator, regardless of its distance, receives a constant energy density through the same lens adjustment, and the resulting change in image distance is compensated for.

Die Veränderung der Objektivbrennweite in Abhängigkeit von der Gegenstandsentfernung geschieht dabei zweckmäßig durch Veränderung der gegenseitigen Entfernung zweier Linsen, die gemeinsam das Objektiv bilden. Dabei wird gemäß der oben abgeleiteten Gleichung zur Aufrechterhaltung einer konstanten Energiedichte des Bildes mit wachsehder Gegenstandsentfernung ein Anwachsen der Brennweite des Objektivs erforderlich. The change in the focal length of the lens depending on the distance to the object is done appropriately by changing the mutual distance between two Lenses that together make up the lens. It is derived according to the above Equation for maintaining a constant energy density of the image with increasing Object distance an increase in the focal length of the lens is required.

Dieses Anwachsen der Brennweite hat naturgemäß ein Anwachsen des Bildabstands, gerechnet von der Hauptebene des Objektivs zur Folge. Bei der praktischen Verwirklichung des Erfindungsgedankens zeigt sich, daß dieses Anwachsen des Bildabstands mit zunehmender Gegenstandsentfernung, die bei konstanter Brennweite bestehende Verkleinerung des Bildabstands fast völlig genau kompensiert, so daß ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Einrichtung darin besteht, daß das Bild unabhängig von der Entfernung des Strahlers eine von der Hauptebene des Objektivs praktisch konstante Entfernung aufweist, eine gesonderte Einstellung des Objektivs auf die richtige Entfernung sich daher meist erübrigt.This increase in the focal length naturally has an increase in the image distance, calculated from the main plane of the lens. In the practical implementation the inventive concept shows that this increase in the image distance with increasing Object distance, the existing reduction of the Image distance compensated almost completely exactly, so that a further advantage of the invention The device is that the image is independent of the distance of the radiator has a practically constant distance from the principal plane of the objective, a Separate adjustment of the lens to the correct distance is therefore usually the case unnecessary.

Ein Zahlenbeispiel ergibt für die veränderlichen Gegenstandsweiten g folgende zur energiekonstanten Abbildung notwendige Änderung der Bildbrennweite d f gegen f = 70 mm und die dabei resultierende Bildentfernung b von der Hauptebene des Objektivs gmm mm b mm b' mm Je mm (eie Restfehler mm 00 5,7 75,67 70,0 5,9 1,27 + 0,1 4000 4,2 75,6 71,2 4,5 1,31 + 0,I 3000 3,7 75,5 71,1 3,9 I,23 + 0,I 2000 2,7 75,4 72,5 2,9 1,15 - 0,0 1000 0 75,3 75,3 0 - 0 700 - 2,2 75,1 77,8 - 3,3 1,27 0 500 - 4,8 74,8 81,2 - 5,9 1,41 +0,2 300 - 10,5 74,3 91,0 --13,8 1,4I + 0,5 Es ergibt sich innerhalb einer Gegenstandsweite zwischen 700 und 7000 mm, d. h. bei einer Anderung im Verhältnis 1 : 10, beispielsweise eine Konstanz des Bildabstands von + o,28 mm. Zum Vergleich sind in der Tabelle die bei konstanter Brennweite auftretenden Bildabstände b' aufgeführt, die in dem obigen Beispiel eine Veränderung von + 3,9 mm, d. h. bei Nichtberücksichtigung einen Iqfach größeren Fehler ergeben. Außerdem ist in der Tabelle mit Je die Veränderung des Abstands der beiden das Objektiv bildenden Linsen angegeben, dessen geringer Betrag die konstruktive Verwirklichung des Erfindungsgedankens vereinfacht. Auch die geringe Veränderung des Bildabstands, die sich aus der Tabelle ergibt, läßt sich weiterhin praktisch kompensieren, dadurch, daß man bei Verwendung zweier gleicher Linsen des Objektivs durch verschieden große Vorschübe beider Linsen in Abhängigkeit von der Gegenstandsentfernung erreicht, daß die Hauptebene des Objektivs den geringen Gang der Bildentfernung b ausführt. Beträgt die Abstandsveränderung der objektnahen Linse de' und die der bildnahen Linse #e", so ergibt sich, daß zur völligen Ausmerzung des Ganges der Bildentfernung b das Verhältnis der beiden Linsenvorschübe den in der Tabelle genannten Wert aufweisen miißte. Rechnet man jedoch mit einem einheitlichen Wert des Verhältnisses der beiden Vorschübe, unabhängig von der Gegenstandsentfernung, so ergibt sich der in der Tabelle genannte Restfehler, der innerhalb weiter Grenzen der Gegellstalltlsentfernung völlig zu vernachlässigen ist. alaun kann den geringen Gang des Bildabstands praktisch auch völlig dadurch kompensieren, daß bei gleichem Vorschub beider Objektivlinsen eine geringfügige Verlagerung der Hauptebene des Objektivs durchgeführt wird. Zu diesem Zweck müssen die Brennweiten der beiden benutzten Linsen geringfügig voneinander differieren.A numerical example results in the following change in the image focal length df to f = 70 mm and the resulting image distance b from the main plane of the lens, which is necessary for energy-constant imaging, for the variable object distances g gmm mm b mm b 'mm per mm (a residual error mm 00 5.7 75.67 70.0 5.9 1.27 + 0.1 4000 4.2 75.6 71.2 4.5 1.31 + 0, I. 3000 3.7 75.5 71.1 3.9 I, 23 + 0, I. 2000 2.7 75.4 72.5 2.9 1.15 - 0.0 1000 0 75.3 75.3 0 - 0 700 - 2.2 75.1 77.8 - 3.3 1.27 0 500 - 4.8 74.8 81.2 - 5.9 1.41 +0.2 300 - 10.5 74.3 91.0 --13.8 1.4I + 0.5 It results within an object distance between 700 and 7000 mm, ie with a change in the ratio 1:10, for example a constancy of the image distance of + 0.28 mm. For comparison, the table shows the image distances b 'occurring with a constant focal length, which in the above example result in a change of + 3.9 mm, that is to say, if not taken into account, an error that is Iq times larger. In addition, the change in the distance between the two lenses forming the objective is indicated in the table, the small amount of which simplifies the structural implementation of the concept of the invention. The slight change in the image distance, which results from the table, can also be compensated in practice, in that when using two identical lenses of the objective, the main plane of the objective is achieved by means of differently large feeds of both lenses, depending on the object distance low gear of the image distance b. If the change in distance of the lens close to the object is de 'and that of the lens close to the image #e ", it follows that in order to completely eliminate the path of the image distance b, the ratio of the two lens feeds would have to have the value given in the table The value of the ratio of the two feeds, regardless of the distance to the object, results in the residual error specified in the table, which can be completely neglected within the wide limits of the distance between the images For this purpose, the focal lengths of the two lenses used must differ slightly from one another.

Zweckmäßig wird bei der Konstruktion des Objektivs für Strahlungspyrometer das übliche Verfahren zur Erzielung einer Achromasie benutzt, um eine möglichst geringe Dispersion des entstehenden Bildes zu erreichen. Da dies mit den üblichen Linsenkombinationen bei Gesamtstrahlungspyrometern nicht in dem ganzen zur Messung benutzten Frequenzgebiet erreicht werden kann, so ordnet man die dafür benutzte Zerstreuungslinse zweckmäßig in der Nähe der Bildebene an, um die für die verschiedenen Frequenzen in der Bildebene entstehenden Zerstreuungskreise nach Möglichkeit zu begrenzen. Es hat sich gezeigt, daß bis zu einer gewissen Größe die chromatische Verzerrung der Abbildung keinen meßbaren Fehler ergibt, da das Bild zur Ausmerzung unvermeidlicher Parallaxefehler beim Anvisieren des Strahlers genügend größer gemacht werden muß als das Auffangblättchen, und da in dem größten Teil des entstehenden Bildes die Energiedichte unabhängig von einer nicht punktförmigen Abbildung ist, die Energiedichte daher nur in den Randgebieten des Bildes infolge des Auftretens des Zerstreuungskreise abnimmt. Es gibt daher für jedes Verhältnis von Blättchengröße zur Bildgröße einen bestimmten größten Offnungskegel des Strahles, der ohne Dispersionsfehler zulässig ist. Um ihn bei möglichst großem Objektivdurchmesser möglichst klein zu halten, ist gemäß der Erfindung die Anordnung der Zerstreuungslinse in der Nähe des Strahlungsempfängers zweckmäßig. It is useful in the construction of the lens for radiation pyrometers the usual procedure for achieving achromatism is used to get one possible to achieve low dispersion of the resulting image. As this is with the usual Lens combinations with total radiation pyrometers not all for measurement frequency range used can be reached, the one used for it is classified Diverging lens expediently in the vicinity of the image plane to the circles of confusion arising for the various frequencies in the image plane limit if possible. It has been shown that up to a certain size the chromatic distortion of the image does not result in a measurable error, since the Image to eradicate inevitable parallax errors when aiming the emitter must be made sufficiently larger than the collecting paper, and there in the largest Part of the resulting image the energy density regardless of a non-punctiform Figure is, the energy density therefore only in the edge areas of the image as a result the occurrence of the circles of confusion decreases. There is therefore for every relationship from the size of the leaflet to the size of the image a certain largest opening cone of the jet, which is permissible without dispersion errors. Around him with the largest possible lens diameter According to the invention, the arrangement of the diverging lens is to be kept as small as possible in the vicinity of the radiation receiver.

In der Fig. 1 bedeuten I und 2 die beiden Objektivsammellinsen, deren gegenseitige Entfernung e mit wachsendem Gegenstandsabstand vergrößert wird. Die Linse I wird dabei um den Betrag A e' nach links, die Linse 2 um den Betrag d e" nach rechts verschoben, wie aus einem Vergleich mit der Fig. 2 hervorgeht. Dabei verändert sich die Brennweite des Systems von J1 annähernd um den Betrag d f auf den Wert 2, die bildseitige Hauptebene H des Objektivs wird um den sehr geringfügigen Betrag 'lsde'-e", bezogen auf die Bildebene B verschoben. Dieser Betrag entspricht dem Unterschied zwischen den Bildentfernungen b und b2. In Fig. 1, I and 2 mean the two objective collecting lenses, their mutual distance e is increased with increasing object distance. the Lens I is moved to the left by the amount A e ', lens 2 by the amount d e " shifted to the right, as can be seen from a comparison with FIG. Included the focal length of the system changes from J1 by approximately the amount d f the value 2, the image-side main plane H of the lens is around the very slight Amount 'lsde'-e ", shifted in relation to the image plane B. This amount corresponds to the difference between the image distances b and b2.

Claims

PATENT CLAIMS: I. Objective for radiation pyrometers, characterized in that that by the same lens adjustment both the image of the radiator, independently from its removal, receives a constant energy density, as well as the resulting Image distance change is compensated.

2. Lens according to claim I, characterized in that when used of two identical converging lenses (1 and 2) in the lens to compensate for the distance dependency the lens close to the object carries out the I.2 to I.3-fold path of the lens distant from the object.

3. Lens according to claim I and 2, characterized in that between the double lens objective and the radiation receiver in the vicinity of the same one Diverging lens (3) is arranged.