NL8101329A - Collimatorlensstelsel. - Google Patents

Description

ï -1- VO 17½

Collimatorlens stels el.

De uitvinding heeft betrekking op een oculair of collima-torlensstelsel ten gebruike bij een telescooop of een microscoop.

De opkomst van "voorwaarts kijkende infrarood stelsels" 5 (bekend onder de afkorting FLIR) met hoog rendement heeft geleid tot de vraagmaT| afocale telescopen met hoog rendement, die geschikt zijn ' óm té worden toegepast bij het FLIR-stelsel.

Teneinde dit te verkrijgen is een oculair lensstelsel met hoog rendement en een complimentair objectief lensstelsel met hoog 10 rendement nodig. Er zijn reeds verschillende typen van dergelijke oculair lensstelsels voorgesteld, doch de in de praktijk gestelde eis tot compactheid (d.w.z. een klein f-getal) heeft geleid tot de eis van geringe veld- en pupilaberraties.

De uitvinding voorziet in een oculair- of collimatorlens-15 stelsel, gevormd door drie lenselementen met optische sterkte, die op een gemeenschappelijke optische as zijn gecentreerd en bestemd zijn voor het opnemen van straling in het infrarode golflengtegebied uit een reëel beeld en het verschaffen van een bundel evenwijdige stralen bij een uittreedpupil, waarbij elk lenselement een positieve sterkte 20 heeft en bestaat uit een materiaal, dat in het infrarode golflengtegebied een nuttige spectrale doorlaatband bezit, waarbij het brekings-oppervlak van het lenselement bij het reële beeldvlak is en de vijf andere brekingsvlakken van de lenselementen in hoofdzaak sferisch zijn.

Omdat het lens stelselvolgens de uitvinding slechts drie 25 lenselementen omvat, is het stelsel optisch en mechanisch eenvoudig, waar vijf brekingsvlakken in hoofdzaak sferisch zijn en het andere bre-kingsvlak vlak is, kunnen de lenselementen gemakkelijk worden vervaardigd en kan het stelsel zodanig worden ingericht, dat het reële beeld zich in het vlakke brekings vlak bevindt, hetgeen van voordeel kan zijn; 30 omdat het oculair stelsel kan worden ontworpen met kleine pupilaberraties en een bij breking beperkte werking over het veld, kan het stelsel aan een geschikt objectief lensstelsel. worden bevestigd voor het verschaffen van een compacte afocale telescoop met hoog rendement.

Het, het dichtst bij het reële beeldvlak gelegen lens-35 element kan uit zinkselenide bestaan, terwijl elk van de andere twee lenselementen kan bestaan uit germanium (dat een Y-waarde van 1182 en een brekingsindex van i+,003 heeft), welke materialen alle een nuttige 8101329 -2- ?'* -c spectrale doorlaatband in het infrarode golflengtegebied van 3-13 micron bezitten. Het, het dichtst bij het reële beeld gelegen lenselement tan ook worden vervaardigd uit een van de andere in tabel III vermelde materialen, die alle doorlaatbanden in het gebied van 3-13 micron be-5 zitten. Indien evenwel het reële beeld bij of in een van de vlakken van het genoemde lenselement is gelegen, is het van belang, dat de homogeniteitskwaliteit van het materiaal waaruit het lenselement is ' vervaardigd, voldoende is om ervoor te zorgen, dat een optische werking met hoog rendement wordt verkregen. De drie lenselementen kunnen 10 star worden gemonteerd, waarbij het oculair stelsel ongevoelig is voor matig grote omgevingstemperatuurvariaties. Echter kan elke combinatie van een of twee of drie lenselementen langs de optische as beweegbaar zijn, tengevolge waarvan het stelsel kan worden gecompenseerd ten aanzien van grote omgevingstemperatuurvariaties. Wanneer het gewenst is 15 in het stelsel een raster op te nemen, kan dit worden ondersteund door een planparallelle plaat (met een optische sterkte 0) gelegen bij het reële beeld van het stelsel-, hetzij in aanraking met hetzij dicht bij het lenselement met het vlakke brekingsoppervlak. Dit vereenvoudigt de centrering van het "(raster ten opzichte van de lenselementen van 20 het stelsel. Een dergelijk raster kan ook worden ondersteund door het platte oppervlak van het lenselement, dat het dichtst bij het reële beeld is gelegen.

De uitvinding zal thans nader worden toegelicht onder verwijzing naar de tekening, waarin men bij wijze van voorbeeld een uit-25 voeringsvorm volgens de uitvinding vindt.

Zoals aangegeven in de tekening, omvat een telescoop 20 een objectief stelsel 21 en een oculair stelsel 22, die op een gemeenschappelijke optische as 23 zijn gecentreerd. De telescoop 20 is van het afocale brekingstype en vormt inwendig een reëel beeld I van stra-30 ling, die de telescoop vanuit de objectruimte 0 binnentreedt. Het objectief stelsel 21 omvat een primair lenselement F met positieve sterkte, een secundair lenselement E met negatieve sterkte en een tertiair lenselement D met negatieve sterkte. Het lenselement E is kleurcorrec-tief en veroorzaakt bij koppeling met het lenselement D een focussering 35 en thermische compensatie door beweging langs de optische as 23. Het oculair stelsel 22 omvat lens element en A, B en C met positieve sterkte, die een stationair focusseringsstelsel vormen evenals de elementen D, E en F, zodat het objectief stelsel 21 een bundel evenwijdige stra- 8101329 .- * -3- len uit een in de object ruimte 0 gevormde ingangspupil opneemt en het oculair stelsel 22 straling uit een door het objectief stelsel 21 gevormd omgekeerd reëel beeld I opvaagt en een bundel evenwijdige stralen levert, die een uittreedpupil 0 in de beeldnimte E vormen. De 5 optische sterkte van de verschillende lenselementen A, B, C, D, E, F en de afstand tussen de brekingsvlakken 1-12 daarvan, zijn zodanig gekozen» dat het.beeld.I. is .gelegen bij het oppervlak 6, dat vlak is terwijl alle andere brekingsvlakken in hoofdzaak sferisch zijn, d.v.z. dat indien zij niet echt sferisch zijn zij in de betekenis, die in de 10 techniek aan dit woord wordt gegeven ’’sferisch" zijn.

De telescoop 20 is bestemd voor gebruik in het infrarode golflengtegebied (d.w.z. 8-13 micron) en derhalve zijn de brekingsindices van de lenselementen betrekkelijk groot. Teneinde bij het inwendige reële beeld I een optische werking met hoog rendement te ver-15 krijgen, bestaat het lenselement C bij voorkeur uit een optische materiaal met kleine materiaalhomogeniteiten, zoals zinkselenide (CVD in vacuo aangebracht), dat een brekingsindex van 2,1+1 heeft, bestaande lenselementen A, B, D en F uit een materiaal, dat bij 10 micron een golflengte van tenminste h heeft, bijv. germanium waarvan 20 de brekingsindex i+,003 is, en bestaat het lenselëment Ξ uit een Chalco-genide glas van het type 1 van Barr en Stroud, waarvan de brekingsindex 2,1+9 is (alle gemeten bij een temperatuur van 20°C en bij een golflengte van 10 micron). Deze materialen (welke geschikt zijn om van een aati-reflectie bekleding te worden voorzien) verschaffen ook 25 een overdracht van tenminste 60# van invallende straling in het gebied van 8,5-11,5 micron, wanneer een anti-reflectie bekleding aanwezig is. Derhalve kunnen alle brekingsvlakken in de telescoop van een anti-reflectie bekleding worden voorzien.

Het oculair stelsel 22 is matig ongevoelig voor foeusse-30 ringsveranderingen, die een gevolg zijn van het objectief stelsel 21 en een degradatie van de optische werking, welke wordt geïnduceerd door omgevingstemperatuurveranderingen, meer in het bijzonder binnen het gebied van -i+0°C tot +T0°C.

Een voorbeeld van de telescoop 20, welke is voorzien van 35 het objectief lensstelsel 21 en het oculair lensstelsel 22, is gedetailleerd omschreven in tabel I, waarin de kromtestraal van elk brekingsvlak wordt opgegeven tezamen met de openingsdiameter van elk 8101329 *v -c -u- vlak en van de pupil 0, waarvan de positie wordt gebruikt als een referentie ten opzichte waarvan de afstand van de opeenvolgende bre-kingsvlakken wordt bepaald, tezamen met de aard van het materiaal, dat voor een dergelijk schei dings interval relevant is. Zo heeft bijv.

5 het oppervlak 2 een kromtestraal van -117,35 mm, waarbij het negatieve teken aangeeft, dat het kromtemiddelpunt aan de rechterzijde van het <··. . oppervlak 2 is, gelegen j, het „oppervailk. is over een dikte van 8,05.. mm. . „ . .

bij germanium gescheiden van het voorafgaande vlak, nr.1, in de . richting van de pupil 0, het oppervlak heeft een openings diameter van 10 57,7^ mm en is van het daaropvolgende oppervlak, nr.3, gescheiden over een afstand van 30,30 mm in lucht. Deze telescoop levert een •vergroting van X7 en het oculair stelsel 22 heeft een effectieve brandpuntsafstand van bij benadering b5,50 mm en bij het reële beeld I een benaderd f-getal van 2,9b.

15 Het gedetailleerde in tabel I omschreven oculair stelsel is een stelsel behorende tot een schaar, welke zodanig kan worden uitgevoerd, dat in beeldruimte E een vol veld tot bij benadering 80° en een pupïldiameter, groter dan 15,5 mm kan worden verkregen.

Door het oculair stelsel met een faktor in het gebied van 0,01 tot 10 20 te vergroten of te verkleinen kan een toename of afname in de effectieve brandpuntsafstand worden verkregen. Het oculair stelsel, dat boven is beschreven, vertoont een zeer goede werking over het grootste gedeelte van het veld bij het reële beeld I, zoals blijkt uit tabel II en werkt met de kleine pupilaberraties daarvan op een geschikte wijze 25 samen met een objectief lensstelsel 21, zoals boven is beschreven, voor het verschaffen van een compacte afocale telescoop met hoog rendement. Opgemerkt wordt, dat tengevolge van de kromtestralen van de oculair lensvlakken 1 en 3 het-oculair stelsel 22, wanneer dit wordt bekleed met een laag met grote overdracht en kleine reflectie, zoals 3Q Barr % Stroud ARG3, met een FLIE-stelsel kan worden gecombineerd zonder dat een waarneembaar narcissus effekt wordt geïntroduceerd. Verder treedt bij geen van de brekingsvlakken van de lens elementen vignettering op.

8101 329 -5-

ΤΑΒΕΙι I

Bij 20°C

Lens opper- afstand kromtestraal materiaal openingsdiameter _vlak_______

Ingangs— 0 0 vlak lucht 15 »50 5 pupil x A 1 U6,63 -25^,02 lucht 55,5¾ 2 8,05 -117,35 Ge 57,7¾ 'B ' ’ 3 30,30 ?Ml lucht 56,12 ¾ 22,91 38,10 Ge 38,23 10 C 5 12,92 113,5¾ lucht 36,96 6 3,50 vlak ZnSe 36,56 (cvd) D 7 113,02 ^2,57 lucht ¾8,85 8 5,09 -^9,89 Ge 53,93 15 E 9 0,005 262,13 lucht 57,93 10 7,39 201,68 As/Se/Ge 58,11 (BS1) F 11 10^36 -228,09 lucht 123,58 12 12,00 -169,06 Ge 128,56 20 x maximale veldhoek hij ingangspupil = ¾6,30·

TABEL II

Bij 20°C Benaderde effectieve licht- Benaderde effectieve licht-vlekafmetingen (in micron) vlekafmetingen (in millira-hij het reële heeld (I) dianen) in de ohjectruimte 0 betrokken op de pupil 0 betrokken op de pupil 0 25 -

Veld monochroma- x chromatisch monochroma- chromatisch tisch bij 9,6 over 8,5-11,5 tisch bij over 8,5-11,5 micron micron 9,6 micron micron x axiaal 36,8 39,5 0,073 0,105 \ 39,6 M,6 0,08¾ 0,127 30 2 ¾6,0 ¾8,3 0,122 0,159 vol 55,8 58,8 0,115 0,160 « Gegeven als een gelijkelijk gewogen geaccumuleerde meting bij drie golflengten, waarbij deze golflengten 8, 5, 9,6 en 11,5 micron zijn.

8101329 -6- ? ' '"9 *

, TABEL III

Materiaal Brekingsindex a . V-vaarde 7/ • Ge 4,003 1182 BS2 2,856 248 5 BSA 2,779 209 TI 1173 2,600 142 AMTIR 2,497 169 • b^i · *··**"“·" f52 TI20 2,492 144 10 ZnSe 2,407 77 KRS5 2,370 26Ο KRS6 2,177 95

AgCl 1,980 72

Csl 1,739 316 15 CsBr 1,663 176 - KI 1,620 137 KBr 1,526 82

HaCl 1,495 25 KC1 1,457 4o 20 : a de trekmgsindex geldt voor 10 micron Φ/ Over het golflengtegehied van 8,5-11,5 micron.

81013 2 9

Claims (7)

1. Oculair- of collimatorlensstelsel,voorzien van drie lenselementen met optische sterkte, die op een gemeenschappelijke optische as zijn gecentreerd en dienen voor het opnemen van straling in 5 het infrarode golflengtegebied ïit een reëel beeld en het verschaffen van een bundel van evenwijdige stralen bij een uittreedpupil, met het kenmerk, dat elk lenselement (A , B, C) een positieve sterkte heeft en bestaat uit een materiaal, dat in het infrarode golflengtegebied een nuttigs spectrale doorlaatband heeft, waarbij het brekingsvlak 10 (6) van het bij het reële beeld (I) gelegen lenselement (C) vlak is en de vijf andere brekingsvlakken (1, 2, 3, k, 5) van de lenselementen (A, B, C) in hoofdzaak sferisch zijn.

2. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat op of bij het vlakke brekingsvlak (6) een rooster is gemonteerd.

3. Stelsel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat een of meer van de brekings vlakken (1, 2, 3, k, 5) van een antireflectie bekleding is voorzien. Ik Stelsel., volgens een der conclusies 1-3, met het kenmerk, dat de twee lenselementen (A, B) bij de uittreedpupil (0) brekings- 20 indices bezitten, die bij een golflengte van 10 micron en een temperatuur van 20°C niet kleiner zijn dan U,0.

5. Stelsel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat het lenselement (C) bij het reële beeld (i) uit zinkselenide bestaat en de resterende lenselementen (A, B) van het stelsel (22) 25 uit germanium bestaan.

6. Stelsel volgens een der voorgaande conclusies, met het kenmerk, dat tenminste een van de lenselementen (A, B, C) langs de optische as (23) beweegbaar is ten opzichte van tenminste een ander element van de lenselementen (A, B, C) om het stelsel (22) tegen grote 30 omgevingstemperatuurvariaties te compen-seren.

7. Stelsel volgens conclusie 1, met het kenmerk, dat de parameters van het stelsel voldoen aan de in tabel I opgegeven waarden.

8. Stelsel volgens conclusie 7, met het kenmerk, dat het stelsel in het gebied van 0,01 tot 10,0 is verkleind resp. vergroot. 810132 9