NO157518B - Teleskopobjektivsystem. - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår teleskopobjektivsysterner som

har et nyttig eller effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde.

Oppdagelsen og gjenkjennelsen av objekter på

lange avstander ved benyttelse av termisk avbildningsutstyr avhenger i siste instans av kvaliteten av teleskopobjektiv-systemet som for praktiske formål må være kompakt og økono-misk å fremstille. Tidligere kjente objektivsystemer for dette formål har benyttet linseelementer som er fremstilt av germanium av optisk kvalitet som har høy brytningsindeks og, sammenliknet med materialer som benyttes for det synlige spektrum, lav spredningskoeffisient. Linseelementenes form og styrkefordeling er blitt valgt på kjent måte for å kompensere for monokromatisk aberrasjon. Telelinsetypen i objektivsystemet, som er særlig ønskelig på grunn av sin korte totale lengde, viser seg å fremheve systemets kroma-tiske aberrasjon, og begrenser dermed det bølgebånd av infrarød stråling som med hell kan overføres. Kromatisk aberrasjon oppstår på grunn av den lille, men betydnings-

fulle spredning i germaniummaterialet. I tillegg til pro-blemet med kromatisk aberrasjon oppstår et billedflate-forskyvningsproblem på grunn av den høye termiske koeffisient for brytningsindeksen for germanium. Dette betyr at betyd-ningsfulle variasjoner i omgivelsestemperatur forårsaker at billedflaten forskyver seg fra sin konstruksjonsposisjon,

og det eksisterer et behov for å tilveiebringe en mekanisme som kan kompensere for denne forskyvning dersom den forårsaker forringelse av avbildningsytelsen under driftsforhold.

Formålet med oppfinnelsen er å tilveiebringe

et forbedret teleskopobjektivsystem som er av telelinsetype og er akromatisk i det infrarøde bølgelengdeområde, og hvor systemet er gjort kompakt ved utvelgelse av spesielle materialer, krumningsradier og avstander eller separasjoner mellom brytningsflater.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et teleskopobjektivsystem som er dannet av en primærlinse som har et eneste linseelement innrettet på en felles optisk akse med en sekundærlinse som har to linseelementer som danner en dublett, idet linseelementenes form og styrkefordeling er tilpasset for å kompensere for monokromatisk aberrasjon i systemet, idet hvert linseelement er dannet av et materiale som har et effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølge-lengdeområde, og sekundærlinsens linseelementer har brytningsflater som skjærer den optiske akse og er i hovedsaken sfæriske, idet systemet har en plan billedflate, primærlinsen har positiv styrke og sekundærlinsen har negativ styrke for å tilveiebringe en effektiv brennvidde som er større enn den aksiale avstand mellom billedflaten og den distale brytningsflate, idet den distale brytningsflate er dannet av primærlinseelementet som er fremstilt av germanium, idet minst ett av sekundærlinsens to linseelementer er fremstilt av et chalkogenid-glass, slik at systemet er akromatisk i det infrarøde bølge-lengdeområde, hvilket system er kjennetegnet ved de trekk som er angitt i de etterfølgende krav 1, 2 og 3.

Man vil legge merke til at da systemets effektive brennvidde er større enn den aksiale avstand mellom billedflaten og den brytningsflate på hvilken strålingen opprinnelig faller inn, er systemet av telefotografisk form eller telelinsetype. Med bare tre linseelementer er systemet videre optisk og mekanisk enkelt, og på grunn av kompensasjonen for både monokromatisk og kromatisk aberrasjon kan ytelsen nærme seg diffraksjonsgrensen over et vesentlig bølgebånd.

Det midtre av de tre linseelementer har hensiktsmessig negativ styrke og er laget av et chalkogenidglass. Linseelementet nær billedflaten kan ha positiv eller negativ styrke og være laget av et chalkogenidglass. Hvert av sekundærlinsens to linseelementer kan være laget av det samme chalkogenidglass. Alternativt kan sekundærlinsen være dannet med forskjellige chalkogenidglass, idet det midtre linseelement av de tre ele-menter har lavere spredningskoeffisient enn linseelementet nær billedflaten.

Det akromatiserende linseelement kan være et chalkogenidglass, såsom det som selges av Barr & Stroud Limited under betegnelsen BSA, BS1 eller BS2.

Der hvor sekundærlinsen har et linseelement med positiv styrke, kan dette hensiktsmessig være laget av et haloid-kjfystallmateriale som har-, en positiv varmekoef f isient for å gjøre materialet atermisk. Passende haloidkrystall-materialer med et passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde er materialtypene KRS5 og KRS6 som begge selges av det ameri-kanske firma Harshaw Chemical Co. Med dette arrangement er linseelementene fortrinnsvis fast montert i forhold til hver-andre med mellom elementene anbrakte monteringsmellomlegg med de riktige varmeutvidelseskoeffisienter, f.eks. dural-underlag, for å hindre billedposisjonsbevegelse slik at billed-forringelse ikke opptrer for temperaturvariasjoner i området fra -30° til +50°C.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende

i forbindelse med et utførelseseksempel under henvisning til tegningen, hvis ene figur viser et system i hvilket de to linseelementer nær billedflaten begge er forholdsvis flate.

På figuren omfatter objektivsystemet 10 tre luftad-skilte linseelementer A, B, C som er innrettet på en felles optisk akse 11. En plan billedflate er dannet ved 12. Elementet A utgjør primærlinsen, og elementene B og C utgjør til sammen systemets sekundærlinse. Hvert sekundærlinseelement B, C har sfæriske brytningsflater som skjærer aksen 11, idet brytningsflåtene er betegnet 13, 14, 15, 16, ordnet i rekke-følge i retning bort fra billedflaten 12. Primærlinseelementets A brytningsflater 17, 18 kan være sfæriske eller asfæriske. Stråling fra objektrommet er således innfallende på flaten 18 og brytes av linseelementene A, B og C for å danne et bilde ved flaten 12.

Som nevnt er hvert av linseelementene A, B og C fremstilt av et materiale som har et nyttig eller effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde, særlig i området 8-13 ^un, og systemets effektive brennvidde er større enn den aksiale avstand mellom brytningsflaten 18 og billedflaten 12, dvs. systemet 10 har telefotografisk form. Linseelementet A har positiv styrke (dvs. er konvergerende) og er fremstilt av germanium av optisk kvalitet, linseelementet B er fremstilt av et chalkogenidglass og har negativ styrke,

og elementet C har positiv styrke og kan være enten et chalkogenidglass eller et haloidkrystallmateriale.

I det tilfelle hvor det benyttes to chalkogenidglass-elementer, er disse mest effektive når spredningene til de to glass er sammenpasset for å sikre minimal totallengde av systemet 10 samtidig med oppnåelsen av fullstendig akromati-sering. Man vil også legge merke til at det linseelement som er fremstilt av chalkogenidglass, er forholdsvis lite og forholdsvis flatt (dvs. brytningsflåtene har stor krumningsradius). Dette er fordelaktig idet kjente chalkogenidglass ikke opp-viser optisk homogenitet av brytningsindeksen over meget store overflatearealer.

Det skal i det følgende gis tre spesielle eksempler på objektivsystemer i hvilke linseelementene er enten germanium eller chalkogenidglass og alle brytningsflater er sfæriske.

Eksempel 1

Linseelementent A er germanium og hvert av linseelementene B og C er chalkogenidglass av typen BS1. Den effektive brennvidde er normalisert til 1,00, baklengs-brennvidden er 0,3994 og separasjonen og krumningsradien av brytnings-flatene er gitt i den etterfølgende tabell idet det leses fra overflaten 18 i retning av billedflaten 12 (normaliserte dimensjoner):

Eksempel 2

Linseelementet A er germanium, linseelementet B er chalkogenidglass av typen BSA og linseelementet C er chalkogenidglass av typen BS1. Den effektive brennvidde er 375 mm, baklengs-brennvidden er 138,178 mm og separasjonen og krumningsradien av brytningsflaténe er gitt i den etterfølgende tabell idet det leses fra overflaten 18 i retning av billedflaten 12 (dimensjoner i mm):

Konstruksjonene ifølge de beskrevne eksempler kan, liksom tidligere kjente hel-germaniumkonstruksjoner, bare holdes i fokus over et temperaturområde ved hjelp av vesentlig aksial bevegelse av primær- eller sekundærlinsen. En vesentlig forbedring av den termiske stabilitet av billeflaten 12 kan imidlertid oppnås ved å fremstille linseelementet C av haloidkrystallmateriale (hvilket er et kommersielt tilgjengelig, infrarødtoverførende materiale). Dette tillater at linseelementene kan monteres fast og innbyrdes adskilt med et materiale med normal varmeutvidelse. I eksemplene 1 og 2 erstatter således KRS5-materialet BSl-materialet, og da KRS5-materialet er mindre spredende enn BSl-materialet, må også linseelementet B ha redusert spredning og er hensiktsmessig chalkogenid-glass av typen BS2.

Eksempel 3

I dette spesielle eksempel, som er kompensert for dural-mellomlegg, er den effektive brennvidde normalisert til 1,00, baklengs-brennvidden er 0,4934 og separasjonen og krumningsradien av brytningsflåtene er angitt i den etterføl-gende tabell idet det leses fra overflaten 18 i retning av fokal- eller billedflaten 12 (normaliserte dimensjoner):

I hvert av de tre eksempler som er angitt foran, kan dimensjonene reduseres innenfor grenser som er bestemt av diffraksjonsgrensen for 10 ym-bølgelengden og de optiske materialers homogenitet. Eksemplene er blitt optimalisert for relative åpninger eller aperturer mellom f/2 og f/3 og et synsfelt på ca. 6°, og benyttes hensiktsmessig med åpningsdiametre på opp til 250 mm når ytelsen ligger nær diffraksjonsgrensen. Slik det er vanlig med linsekonstruk-sjoner, kan den relative åpning forbedres ved benyttelse av en asfærisk flate på primærlinseelementet A, i hvilket tilfelle en relativ åpning som overskrider f/1,5, og åpningsdiametre opp til 500 mm er mulige uten ytelsesforringelse.

Egenskaper til de germaniummaterialer og haloid-krystallmaterialer som er nevnt i det foregående, er spesifi-sert i Tabell 1. Tabell 2 spesifiserer de tilsvarende egenskaper til forskjellige chalkogenidglass som er tilgjenge-lige, i handelen.

Claims (3)

1. Teleskopobjektivsystem som er dannet av en primærlinse som har et eneste linseelement (A) innrettet på en felles optisk akse (11) med en sekundærlinse som har to linseelementer (B, C) som danner en dublett, idet linseelementenes (A, B, C) form og styrkef ordeling er tilpasset til å kompensere for monokromatisk aberrasjon i systemet, idet hvert linseelement (A, B, C) er dannet av et materiale som har et effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde, og sekundærlinsens linseelementer (B, C) har brytningsflater (13, 14, 15, 16) som skjærer den optiske akse (11) og er i hovedsaken sfæriske, idet systemet (10) har en plan billedflate (12), primærlinsen (A) har positiv styrke og sekundærlinsen (B, C) har negativ styrke for å tilveiebringe en effektiv brennvidde som er større enn den aksiale avstand mellom billedflaten (12) og den distale brytningsflate (18), idet den distale brytningsflate (18) er dannet av primærlinseelementet (A) som er fremstilt av germanium, idet minst ett av sekundærlinsens to linseelementer (B, C) er fremstilt av et chalkogenid-glass, slik at systemet er akromatisk i det infrarøde bølgelengdeområde, KARAKTERISERT VED at begge linseelementer (B, C) i sekundærlinsen er fremstilt av chalkogenid-glass med en brytningsindeks på ca. 2,4916 og en' spredningskoeffisient på 0,00660, idet krumningsradien av de respektive brytningsflater og separasjonene mellom suksessive brytningsflater som angitt fra den distale brytningsflate, i normaliserte enheter, er som følger: idet positiv krumningsradius indikerer et krumningssentrum som ligger på billedplansiden av krumningsflaten og omvendt.

2. Teleskopobjektivsystem som er dannet av en primærlinse som har et eneste linseelement (A) innrettet på en felles optisk.akse (11) med en sekundærlinse som har to linseelementer (B, C) som danner en dublett, idet linseelementenes (A, B, C) form og styrkefordeling er tilpasset til å kompensere for monokromatisk aberrasjon i systemet, idet hvert linseelement (A, B, C) er dannet av et materiale som har et effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde, og sekundærlinsens linseelementer (B, C) har brytningsflater (13,

14, 15, 16) som skjærer den optiske akse (11) og er i hovedsaken sfæriske, idet systemet (10) har en plan billedflate (12). primærlinsen (<A>) har positiv styrke og sekundærlinsen (B, C) har negativ styrke for å tilveiebringe en effektiv brennvidde som er større enn den aksiale avstand mellom billedflaten (12) og den distale brytningsflate (18), idet den distale brytningsflate (18) er dannet av primærlinseelementet (A) som er fremstilt av germanium, idet minst ett av sekundærlinsens to linseelementer (B, C) er fremstilt av et chalkogenid-glass, slik at systemet er akromatisk i det infrarøde bølgelengdeområde, KARAKTERISERT VED at begge linseelementer (B, C) i sekundærlinsen er fremstilt av chalkogenid-glass, idet sekundærlinseelementet (B) nærmest primærlinsen (A) har en brytningsindeks på ca. 2,7792 og en spredningskoeffisient på 0,00479, idet sekundærlinseelementet (C) lengst fra primærlinsen (A) har en brytningsindeks på ca. 2,4916, idet krumningsradien av de respektive brytningsflater og separasjonene mellom suksessive brytningsflater som angitt fra den distale brytningsflate (18), i millimeter, er som følger: idet positiv krumningsradius indikerer et krumningssentrum som ligger på billedplansiden av brytningsflaten og omvendt.

3. Teleskopobjektivsystem som er dannet av en primærlinse som har et eneste linseelement (A) innrettet på en felles optisk akse (11) med en sekundærlinse som har to linseelementer (B, C) som danner en dublett, idet linseelementenes (A, B, C) form og styrkefordeling er tilpasset til å kompensere for monokromatisk aberrasjon i systemet, idet hvert linseelement (A, B, C) er dannet av et materiale som har et effektivt, spektralt passbånd i det infrarøde bølgelengdeområde, og sekundærlinsens linseelementer (B, C) har brytningsflater (13, 14, 15, 16) som skjærer den optiske akse (11) og er i hovedsaken sfæriske, idet systemet (10) har en plan billedflate (12), primærlinsen (A) har positiv styrke og sekundærlinsen (B, C) har negativ styrke for å tilveiebringe en effektiv brennvidde som er større enn den aksiale avstand mellom billedflaten (12) og den distale brytningsflate (18), idet den distale brytningsflate (18) er dannet av primærlinseelementet (A) som er fremstilt av germanium, idet minst ett av sekundærlinsens to linseelementer (B, C) er fremstilt av et chalkogenid-glass, slik at systemet er akromatisk i det infrarøde bølgelengdeområde, KARAKTERISERT VED at det sekundære linseelement (C) lengst fra primærlinsen (A) er fremstilt av et ha-loid-krystallmaterialé med en brytningsindeks på ca. 2,3704 og en spredningskoeffisient på 0,00385, idet det sekundære linseelement (B) nærmest primærlinsen (A) er fremstilt av chalkogenid-glass med en brytningsindeks på ca. 2,8563, idet krumningsradien av de respektive brytningsflater og separasjonene mellom suksessive brytningsflater som angitt fra den distale bryt-ningsf late (18), i normaliserte enheter, er som følger: . idet positiv krumningsradius angir et krumningssentrum som ligger på billedplansiden av brytningsflaten og omvendt.