NL8101076A - Telescoopobjectiefstelsel. - Google Patents

Description

·* VO 1639

Titel : Telescoopobjeetiefstelsel.

De uitvinding heeft betrekking op een telescoopobjectiefstelsel met een nuttige, spectrale doorlaatband in het infrarode golflengtege-bied.

Het detecteren en onderkennen van objecten op grote afstand on-5 der gebruik van een thermische afbeeldinrichting hangt uiteindelijk af van de kwaliteit van het telescoopobjectiefstelsel, dat om praktische redenen compact dient te zijn en op een economische wijze dient te worden vervaardigd. Bij de bekende object ief stelsels voor dit doel is gebruik gemaakt van lenselementen, bestaande uit germanium met optische 10 kwaliteit, dat een grote brekingsindex heeft en in vergelijking met materialen, die voor het zichtbare spectrum worden toegepast, een kleine dispersiecoëfficient bezit. De vorm en sterkteverdeling van de lenselementen wordt op een bekende wijze zodanig gekozen, dat monochroma-tische aberratie wordt gecompenseerd. Het blijkt, dat de telefotovorm 15 van het object ief stelsel, welke bijzonder gewenst is in verband met de korte totale lengte daarvan, de chromatische aberratie van het stelsel accentueert, waardoor de golfband van infrarode straling, die met succes kan worden overgedragen, wordt beperkt. De chromatische aberratie doet zich voor in verband met de kleine, doch significante dispersie 20 van het germanium. Haast het chromatische-aberratieprobleem doet zich een beeldvlakverschuivingsprobleem voor tengevolge van de grote thermische coëfficiënt van de brekingsindex van germanium. D.w.z., dat significante variaties in de omgevingstemperatuur veroorzaken, dat het beeldvlak uit de ontwerppositie daarvan wordt verschoven en er een me-25 chanisme nodig is, dat deze verschuiving kan compenseren indien de verschuiving tijdens het bedrijf tot een verslechtering van de afbeeld-verking leidt.

De uitvinding beoogt te voorzien in een verbeterd telescoopobjectiefstelsel, dat een telefotovorm heeft en in het infrarode golf-30 lengtegebied achromatisch is.

Daartoe voorziet de uitvinding in een telescoopobjectiefstelsel, voorzien van een primaire lens met een enkel lenselement, dat op een gemeenschappelijke optische as is gecentreerd met een tweede lens met twee lenselementen, waarbij de vorm en de sterkteverdeling van de lenselemen-35 ten zodanig is, dat een ionochramatische aberratie van het stelsel wordt 8101076 ^ Λ - 2 - gecompenseerd, en waarbij elk lenselement bestaat uit een materiaal, dat in bet infrarode golflengtegebied een nuttige, spectrale doorlaat-band bezit, terwijl de lenselementen van de secundaire lens brekings— vlakken, welke de optische as snijden, bezitten, die in hoofdzaak sfe-5 riseh zijn, waarbij het stelsel een planair beeldvlak bezit en een • effectieve brandpuntsafstand, heeft, welke groter is dan de axiale afstand tussen het beeldvlak en het verwijderde vlak. van de brekingsvlak-ken, waarbij dit verwijderde brekingsvlak'wordt gevormd door het primaire lenselement,·dat een. positieve sterkte heeft en uit germanium 10 bestaat, waarbij tenminste een van de twee lenselementen van de secundaire lens uit een zodanig chalcogenide glas bestaat, dat het stelsel in het infrarode golflengtegebied achromatisch is. .

Er wordt op gewezen, dat omdat de effectieve brandpuntsafstand van het stelsel groter is dan de axiale afstand tussen .het beeldvlak en 15 het brekingsvlak, dat initieel door de straling wordt getroffen, het stelsel een telefotovorm heeft, het stelsel met slechts drie lenselementen elektrisch en mechanisch eenvoudig is en in verband met de compensatie van zowel monochromatische als chromatische aberratie de werking de brekingsgrens over een grote golfband kan naderen.

20 Bij voorkeur heeft het middelste van de drie lenselementen een negatieve sterkte en bestaat dit uit een chalcogenide glas. Het lenselement bij het beeldvlak kan een positieve of negatieve sterkte hebben en uit germanium of een chalcogenide glas bestaan. De twee lenselementen van de secundaire lens kunnen elk uit hetzelfde chalcogenide glas be-25 staan. De secundaire lens kan ook zijn opgebouwd uit verschillende chalcogenide glazen, waarbij het middelste lenselement van de drie een kleinere dispersiecoëfficient bezit dan het bij het beeldvlak gelegen lenselement .

Het aehromat is erende lenselement kan bestaan uit een chalcogenide 30 glas, zoals· dit door Barr en Stroud Limited wordt verkocht onder de aanduiding BSA, BS1 of BS2, of èen glas, zoals dit door Texas Instruments Ine. of U.S.A. wordt verkocht onder de aanduiding TI20 of TI11T3, of een glas, zoals dit door Amorphous Materials Ine., of Garland, Texas, U.S.A., wordt verkocht onder de aanduiding AMTIR-1.

35 Waar de secundaire lens een lenselement met positieve sterkte omvat, kan dit op een geschikte wijze worden vervaardigd uit een haloge-nide kristalmateriaal, dat een positieve thermische coëfficiënt bezit, 8101076 - 3 - * < om liet stelsel athermaal te maken. Geschikte halogenide kristalmateria-len met een doorlaat hand in het infrarode golflengt egehied zijn KRS5 en KRS6, die heide op de markt worden gebracht door de Harshaw Chemical Co., 6801 Cochran Road, Selon, Ohio, U.S.A. Bij deze constructie zijn de 5 lenselementen hij voorkeur vast ten opzichte van elkaar gemonteerd onder gebruik van interelementaire afstandsorganen met de juiste thermische uitzettingscoëfficienten, bijvoorbeeld duarl steunen om een beweging van de beeldpositie te beletten, opdat bij. temperatuurvariatiés in het gebied van -30° tot +50° C geen beelddegradatie optreedt.

10 De uitvinding zal onderstaand nader worden toegelicht onder ver wijzing naar de tekening. Daarbij toont : fig. 1 een stelsel,waarin het middelste lenselement relatief vlak is; fig. 2 een stelsel, waarin het lenselement bij het beeldvlak 15 relatief vlak is; en fig. 3 een stelsel, waarin twee lenselementen bij het beeldvlak elk relatief vlak zijn.

In elk van de figuren omvat het objectief stelsel 10 drie door lucht van elkaar gescheiden lenselementen A, B, C, die op een gemeen-20 schappelijke optische as 11 zijn gecentreerd. Bij 12 bevindt zich een planair beeldvlak. Het element A vormt de primaire lens en de elementen B en C vormen tezamen de secundaire lens van het stelsel. Elk secundair lenselement B, C bezit sferische brekingsvlakken, die de as 11 snijden, waarbij de brekingsvlakken achtereenvolgens in een richting 25 vanaf het beeldvlak 12 zijn aangeduid met 13, 1^, 15 en l6. De brekingsvlakken 1T, 18 van het primaire lenselement A kunnen sferisch of asfe-risch zijn. Derhalve treft straling uit de objectruimte A het oppervlak 18 en wordt door de lenselementen A, B en C gebroken voor het vormen van een beeld bij het oppervlak 12, 30 Volgens de uitvinding bestaan de lenselementen A, B en C elk uit een materiaal, dat een nuttige, spectrale doorlaatband in het infrarode golflengtegehied, meer in het bijzonder het gebied van 8-13 micron (yUm) bezit en is de effectieve brandpuntsafstand van het stelsel 10 groter dan de axiale afstand tussen het brekingsvlak 18. en het beeldvlak 35 12, d.w.z., dat het stelsel 10 een telefotovorm heeft.

Bij elke uitvoeringsvorm heeft het lenselement. A een positieve sterkte (d.w.z. is convergent) en bestaat het element uit germanium van 8101076 • *

V

- k - optische kwaliteit. In fig. 1 "bestaat het lenselemeat C eveneens uit germanium, doch dit lenselement heeft een negatieve sterkte (d.w.z. is divergent), en is het element B vervaardigd uit een chalcogenide glas en bezit het een negatieve sterkte. In fig. 2 bestaat het lenselement B 5 uit germanium, bezit dit een negatieve sterkte en bestaat het lenselement C uit een chaleogenide glas en bezit, dit element een negatieve sterkte.

In fig. 3 bestaat het lenselement B uit een chalcogenide glas, bezit een negatieve sterkte, en heeft het element C een positieve sterkte en kan dit uit $f een chalcogenide glas of een halogenide krist almat eriaal 10 bestaan.

In het geval van de uitvoeringsvormen volgens fig. 1 en fig. 2 wordt de achromatisering van het stelsel 10 verkregen door het lenselement , dat uit chaleogenide glas bestaat, aangezien deze glassoorten meer dispersief zijn dan. germanium. In het:'ggrvai. van de uitvoeringsvorm 15 volgens fig. 3, waarbij twee chaleogenide glaselementen worden toegepast, zijn deze het meest effectief, wanneer! de .dispersies van de twee glassoorten aan elkaar zijn aangepast om een minimale totale lengte van het stelsel 10 gelijktijdig met het verkrijgen van een volledige achromatisering te verzekeren. Verder wordt opgemerkt, dat bij 20 elke uitvoeringsvorm het lenselement bestaande uit'chalcogenide glas, betrekkelijk klein en betrekkelijk vlak is (d.w.z,, dat de brekingsvlak-ken een grote kromtestraal hebben). Dit is van voordeel omdat de bekende chalcogenide glassoorten geen optische homogeniteit van de brekingsindex over zeer grote oppervlaktegebieden vertonen.

25 Thans zullen vier bepaalde voorbeelden van objectiefstelsels worden gegeven, welke verband houden met de drie beschreven uitvoeringsvormen en waarin de lenselementen of uit germanium of uit chalcogenide glas bestaan en alle brekingsvlakken sferisch zijn.

Vóórbééld 1 heeft betrekking op de uitvoeringsvorm volgens fig.

30 1; de lenselementen A en C bestaan elk uit germanium en het lenselement B bestaat uit een chalcogenide glas, op de markt gebracht door Barr en Stroud Limited onder de aanduiding BS1. De effectieve brandpuntsafstand is 375 mm, de achterwaartse brandpuntsafstand is 157Λ mm en de afstand en kromtestraal van de brekingsvlakken vindt men in de onder staande ta-35 bel, en wel vanaf het vlak 18 in de richting van het beeldvlak 12 (waarbij de afmetingen in mm zijn): 8101076 - 5 -

Afstand Straal 208,2 HM__283,7_ 108,5 1262,3 5 8,0 1*82,8 0,5 59,9 5,6 53,1

Het is duidelijk, dat vanneer de kromtestraal positief is, het kromtemiddelpunt aan de beeldvlakzijde van het brekingsvlak is gelegen. 10 Hegatieftekens leiden tot het omgekeerde.

Voorbeeld 2 heeft betrekking op de uitvoeringsvorm volgens fig. 2; de lenselementen A en B bestaan elk uit germanium en het lenselement C bestaat uit het chalcogenide glas BS1. De effectieve brandpuntsafstand is 1,00, de achterwaartse brandpuntsafstand is 0,393, en de af-15 stand en de kromtestraal van de brekingsvlakken vindt men in de onderstaande tabel, en vel beschouwd vanaf het vlak 18 in de richting van het beeldvlak 12 (waarbij de afiaetingen zijn genormaliseerd) : . —I. ..... . — . ......

Afstand Straal - 0,5011 20' 0,0400 0,6291 0,2538 0,15^9 0,0150 0,1382 ' 0,1000 I -0,4366 0,0200 | -0,5156 I ___ 4 » ----- 25 Voorbeeld 3 heeft betrekking op de uitvoeringsvorm volgens fig.

3; het lenselement A bestaat uit germanium en de lenselementen B en C bestaan elk uit het chalcogenide glas BS1, De effectieve brandpuntsafstand is genormaliseerd op 1,00, de acht ervaart se brandpuntsafstand is 0,3994 en de afstand en de kromtestraal van de brekingsvlakken vindt 8101076 é η 6 ri men in de onderstaande tabel, en wel beschouwd vanaf het oppervlak 18 • in de richting van het beeldvlak 12. (waarbij de afmetingen zijn genormaliseerd) : * Afstand Straal 5 "" 0,5926 °>0^ ‘ 0,7692 ' 0,39^8 ^3,2968 ' ο,οκΓο ......0,3825 ^ 0,0267 ' 0,620¼ TQ ' 0,0267 -1,5895 l ^___—- • 'Voorbeeld heeft betrekking op de uitvoeringsvorm volgens fig. 3; het lenselement A bestaat uit germanium, het lenselement B bestaat uit het chalcogenide glas BSA en het lenselement C bestaat uit het chal-cogenide glas BS1.·' De effectieve brandpuntsafstand is 375 mm, de achter-T5 waartse brandpuntsafstand is 138,178 mm en de afstand en de kromtestraal van de brekingsvlakken vindt men in de onderstaande tabel, en wel beschouwd vanaf het, vlak 18' in de richting van het beeldvlak 12 (waarbij de afmetingen in mm zijn) :

Afstand Straal 20 ~ 195,33 15·,65 268,99 113,37 825,5 6,05 109,22 '1-0,98 199,06 25 '10,00 -2583,9

De bovenbeschreven voorbeelden kunnen evenals de reeds bekende geheel uit aluminium bestaande constructies over een temperatuur gebied slechts in focus worden gehouden door een geschikte axiale beweging van de primaire of secundaire lens. Men kan evenwel bij de uitvoerings-30 vorm volgens fig. 3 een grote verbetering in thermische stabiliteit van het beeldvlak 12'verkrijgen door het lenselement C te vervaardigen uit 8101076 -7-.

een halogenide kristalmateriaal (dat een in de hand verkrijgbaar infra-rood-overdragend materiaal is). Hierdoor kunnen de lenselementen star worden gemonteerd en van elkaar worden gescheiden door een materiaal met een normale thermische expansie. Zo wordt bij de voorbeelden 3 en 4 5 het materiaal BS1 vervangen door het materiaal KRS5, en omdat KRS5 minder dispersief is dan BS1 dient ook het lenselement B een gereduceerde dispersie te hebben en bestaat dit bij voorkeur uit het chalco-genide glas BS2.

Thans volgt een bepaald voorbeeld» voorbeeld 5, waarbij de can-· 10 pensatie plaats vindt met dural afstandsorganen, waarbij de effectieve brandpuntsafstand is genormaliseerd op 1,00, de achterwaartse brandpuntsafstand 0,^93¾ is en de afstand en de kromtestraal van de brekings-• · vlakken in de onder staande tabel is opgegeven, en wel beschouwd vanaf het vlak 18 in de richting van het brandpuntsvlak 12 (met genormaliseer-15 de afmetingen) :

Afstand Straal ! 0,5117 o, 0^27 I 0,6^2¾ 1 0,3028 ‘ 7,622¾ 20 ! 0,016 j 0,3796 _{---- I 0,0267 i 0,5813 ; 0,0267 · -1,2106 . i

In elk van de bovenstaande vijf voorbeelden kunnen de afmetingen worden gelegd binnen grenzen, welke worden bepaald door de brekingsgrens 25 voor de golflengte van 10 micron (^um) en de homogeniteit van de optische materialen. De voorbeelden zijn geoptimaliseerd voor relatieve ope-ningen tussen f/2 en f/3 en een waameemveld van ongeveer 6° en worden op een geschikte wijze gebruikt bij openingsdiameters tot 250 mm wan-neer de werking dicht bij de brekingsgrens ligt. Zoals bij een lenscon-30 struct ie gebruikelijk is, kan de relatieve apertuur worden verbeterd onder gebruik van een asferisch oppervlak bij het primaire lenselement A, in welk geval een relatieve apertuur, groter dan f/1,5 en openingsdiameters tot 500 mm mogelijk zijn zonder dat een degradatie van de werking optreedt.

8101076 » -8 -,

Eigenschappen van de bovenbesproken germanium- en halogenide-kristalmaterialen. vindt men in de onderstaande tabel 1. In tabel 2 zijn de overeenkomstige eigenschappen van verschillende chalcogenide glassoorten, die in de handel verkrijgbaar zijn, vermeld.

5 TABEL 1 - Eigenschappen van optische materialen bij 10 micron.

... . , Brekings- Dispersie- Thermische

Materiaal . .... ,.Ι~. . , . , index coefficient coefficient

Germanium U,0032 0,00085 -0,00^7^” KRS 5 2,370¼ 0,00385 -+0,00621 KRS 6.......'.2,1:768·. ;; . . .0,01.05¼ +0,00¼89 * 10 TABEL 2 - Eigenschappen van chalcogenide glassoorten bij 10 micron

Materiaal j Brekings- ' Dispersie- Thermische I index coëfficiënt coëfficiënt τι 1173 2,6001 0,00705 -0,00171 TI 20 2^919 0,00696 -0,0017¼ AMTIR-1 : 2^975 0,00592 -0,00170 15 BSA 2,7792 0^79 -0,001.28 BS1 2^916 0,00660 -0,00171 BS2 2,8563 0,00^¼ -0,00171 * .......1.....·' ' ' ' i.......L__—__ sc

Geschatte vaarden.

8101076

Claims (5)

1. Telescoopobj ectiefstelsel, voorzien van een primaire lens met een enkel lenselement, dat op een gemeenschappelijke optische as is gecentreerd met een secundaire lens met twee lenselementen, waarbij de vorm en de sterkteverdeling van de lenselementen zodanig is, dat een 5 monochramatische aberratie van het stelsel wordt gecompenseerd met het kenmerk, dat elk lenselement (A, B, C) bestaat uit een materiaal, dat in het infrarode golflengtegebied een nuttige spectrale doorlaatband bezit en de lenselementen (B, C) van de secundaire lens brekingsvlakken (13, 1h, 15s 16) bezitten, die de optische as (11) snijden en in hoofd-10 zaak sferisch zijn, waarbij het stelsel (10) een planair beeldvlak (12) bezit en een effectieve brandpuntsafstand heeft, welke groter is dan de axiale afstand tassen het beeldvlak (12) en het verwijderde brekingsvlak (18), waarbij dit verwijderde brekingsvlak (18) wordt gevormd door het primaire lenselement (A), dat een positieve sterkte 15 heeft en uit germanium bestaat, waarbij tenminste een van de twee lenselementen (B, C) van de secundaire lens uit een zodanig ehalcogenide glas bestaat, dat het stelsel in het infrarode golflengtegebied achroma-'?~ tisch is.

2. Stelsel volgens conclusie 1 met het kenmerk, dat het middelste 20 van de drie lenselementen (B) een negatieve sterkte heeft en uit een ehalcogenide glas bestaat.

3. Stelsel volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het, het dichtst bij het beeldvlak (12) gelegen lenselement (C) een negatieve sterkte heeft en uit germanium bestaat. 25 k. Stelsel volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het, het dichtst bij het beeldvlak (12) gelegen lenselement (C) een positieve sterkte heeft en uit ehalcogenide glas bestaat.

5. Stelsel volgens conclusie 2, b met het kenmerk, dat de twee uit ehalcogenide glas bestaande lenselementen (B, C) elk dezelfde ma- 30 teriaalspecificatie bezitten.

6. Stelsel volgens conclusie 2, U met het kenmerk, dat de twee uit ehalcogenide glas bestaande lenselementen (B,C) verschillende materiaal— specificaties hebben, waarbij het middelste lenselement (B) een kleonere dispersiecoëfficient bezit dan het, het dichtst bij het beeldvlak (12) 35 gelegen lenselement (c). ---- —i 8101076 O' - 10 - τ. Stelsël volgens conclusie 1 of 2 met het kenmerk, dat het, het dichtst hij het beeldvlak (12) gelegen lenselement een positieve sterkte heeft en uit een zodanig halogenide kristalmateriaal bestaat, dat het beeldvlak C12) bij een temperatuurverandering-stationair blijft. 5 8. Stelsel volgens conclusie 7 met het kenmerk,, dat het halogenide kristalmateriaal uit KRS 5 bestaat. ; 8101076