NO813396L - Afokalt refraktorteleskop - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår afokale refraktorteleskoper. Fremkomsten av langtrekkende, infrarøde systemer

med høy ytelse (vanlig kjent under bokstavordet FLIR =

Forward Looking Infrared Systems) har ført til et behov for høyytelses- afokale teleskoper som er egnet for benyttelse sammen med FLIR-systemet. Det er tidligere blitt foreslått forskjellige former for sådanne -teleskoper av hvilke noen er noenlunde kompakte, men det praktiske behov for ekstrem kompakthet (dvs. meget kort total lengde) har pålagt et behov for lave pupillaberrasjoner som har vist seg vanske-

lig å oppnå uten betydelig optisk og mekanisk kompleksitet i et refraktorsystem. Katadioptriske teleskopsystemer med. den nødvendige grad av kompakthet er blitt konstruert, men disse har en tendens til å være komplekse og lider dessuten av sentral formørkelse, hvilket er uheldig.

Ifølge oppfinnelsen er det tilveiebrakt et afo-

kalt refraktorteleskop som er dannet av et akromatisk telefoto-objektivsystem med fast fokus og et okularsystem med fast fokus som er innrettet på en felles optisk akse og er innrettet til å tilveiebringe et indre, reelt bilde, idet objektivsystemet er dannet av et primærlinseelement og et sekundærlinseelement og okularsystemet er dannet av minst to linseelementer, idet hvert av teleskopets linseelementer er fremstilt av et materiale med et effektivt spektralpassbånd i det infrarøde bølgelengdeområde og har brytningsfla-

ter som skjærer den optiske akse, hvilket teleskop er kjennetegnet ved at minst én av primærobjektivlinseelementets brytningsflater er asfærisk og hver av brytningsflå-

tene av teleskopets andre linseelementer er i hovedsaken sfærisk, idet den asfæriske flate har bare en liten grad av asfærisitet, idet sekundærobjektivlinseelementet har negativ styrke og har en brytningsindeks som er lik eller lavere enn brytnirigsindeksen for primærobjektivlinseelemen-

tet som' har positiv styrke, idet teleskopet har et indre f-tall i luftrommet mellom, primær- og sekuhdær-objektivlinse-elementene på mindre enn 1,5.

På grunn av at teleskopet ifølge oppfinnelsen er

av refraktortypen, forekommer ingen formørkelse av åpningen,

og da alle bortsett fra ett av linseelementene har bryt-ningsf later som er i hovedsaken sfæriske, idet den eller de ikke-sfæriske flater har en asfærisk profil som oppviser bare en liten avvikelse fra en sfærisk profil, er linseele- • mentene lette å fremstille.

Objektivsystemet kan væré fargekorrigert ved å gjøre sekundærobjektivlinseelementets sprednings- eller V-verdi mindre enn for primærobjektivlinseelementet, og teleskopet kan gjøres ytterst kompakt med en ytelse nær diffraksjonsgrensen over et stort forstørrelsesområde ved å gjøre sekundærobjektivlinseelementets brytningsindeks mindre enn. brytningsindeksen for primærobjektivlinseelementet.

Objektivsystemets fargekorrigerende linseelement

kan være et chalcogenidglass, såsom det som selges av Barr and Stroud Limited under deres betegnelse "Type 1

Chalcogenide Glass", mens hvert av teleskopets andre linseelementer kan være fremstilt av germanium, idet begge disse materialer har et effektivt spektralpassbånd ett eller

annet sted i det infrarøde bølgelengdeområde fra 3 til 13 ym. Alternativt kan.det fargekorrigerende linseelement være fremstilt av hvilket som helst annet optisk materiale som oppviser passende fysiske egenskaper. Tabell IV angir-noen av de mest egnede, optiske materialer.

Det fargekorrigerende linseelement kan være fast montert i forhold til de andre linseelementer, men det er hensiktsmessig bevegelig langs den optiske akse, og som et resultat av dette kan teleskopet kompenseres for endringer i omgivelsestemperaturer som frembringer forskyvninger i posisjon av det reelle bilde som dannes inne i teleskopet. Sådan bevegelse av det fargekorrigerende linseelement kan også utnyttes til å variere teleskopets fokus eller brenn-punkt (uten å avvike fra dets såkalte "afokale" natur) forutsatt at det reelle bilde som dannes inne i teleskopet, ikke trenger å være av høy kvalitet. Dette oppnås bekvemt når det1 fargekorrigerende linseelement har lav optisk styrke, da minimal forstørrelsesendring frembringes når dette elé^-ment beveges.

Alternativt kan teleskopet kompenseres for endringer i omgivelsestemperatur ved at linsesystemets omgivende rammeverk konstrueres ved benyttelse av materialer av hvilke to har vesentlig forskjellige varmeutvidelseskoeffisienter (dvs. passiv, mekanisk a-.-t^^aiisering) .• Det fargekorrigerende linseelement kan være bevegelig langs déW i optiske akse eller det kan være fast montert i forhold til de andre linseelementer i en posisjon som forsyner teleskopet med et fast fokus, typisk ved det hyperfokale fokus.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgen-de i forbindelse•med, utførelseseksempler under henvisning til de ledsagende, skjematiske tegninger og tabeller.

Slik som vist på fig. 1, er et teleskop 9 dannet av et objektivsystem 10 og et okularsystem 11 som er innrettet på en felles optisk akse 12. Teleskopet 9 er av den afokale refraktortype og danner innvendig et reelt bilde 13. av stråling som kommer inn i teleskopet fra et objektrom 14. Objektivsystemet 10 er av telefototype og er dannet av et primærlinseelement D og et sekunda^rlinseelement C, idet sistnevnte har negativ styrke (dvs. er divergerende) og fargekorrigert, mens det førstnevnte har positiv styrke (dvs. er konvergerende). Elementet C har brytningsflater 5, 6, og elementet D har brytningsflater 7, 8. Okularsystemet 11 er dannet av linseelementer A, B med positiv styrke og med respektive brytningsflater 1, 2 og 3, 4. Elementene A og B danner sammen et system med fast fokus,

og elementene C og D danner også et system med fast fokus, slik at objektivsystemet 10 aksepterer en bunt av parallelle stråler fra en inngangspupill som er dannet i objekl-rommet 14, og okularsystemet 11 samler stråling fra det inverterte, reelle bilde 13 som dannes av objektivsystemet 10, og frembringer en bunt parallelle stråler som danner en utgangspupill 0 i billedrommet 15. Den optiske styrke av og avstanden mellom de forskjellige linseelementer A, B, C, D er anordnet slik at bildet 13 ligger mellom brytningsflåtene i 5 og 3.

Hver av brytningsflåtene 1,2,3,4,5,6 og 8

er i hovedsaken sfærisk, dvs. dersom de ikke er virkelig

sfæriske, er de "sfæriske" i teknikkens betydning, mens flaten 7 er ikke-sfærisk idet den har en asfærisk profil.

Teleskopet 9 er konstruert for benyttelse i det infrarøde bølgelengdeområde (dvs. 3 - 13 ym) og linseele-mentenes brytningsindekser er følgelig forholdsvis store, men for a tilveiebringe tilstrekkelig høy, optisk ytelse,1 1 er linseelementet C fargekorrigerende, har negativ styrke og en lavere brytningsindeks enn elementet D. For bølge-lengdeområdet 8-13 ym- oppnås dette ved å fremstille linseelementene A, B og D av germanium hvis brytningsindeks er 4,00322, og linseelementet C av chalcogenidglass av Type 1 fra Barr and Stroud Limited, hvis brytningsindeks

er 2,49158, målt ved en bølgelengde på 10 ym og ved en tem-

o

peratur på 20 C. I dette tilfelle har elementet C en spredningsevne eller V-verdi på 152, hvor V-verdien er definert som. forholdet mellom brytningsindeksen ved 10 ym minus 1 og brytningsindeksen ved 8,5 ym minus brytningsindeksen ved 11,5 ym. Disse materialer, som er egnet for å ,være. antiref leksjonsbelagt, gir et teleskop, når de er antirefleksjonsbelagt^^n overføring på minst 65 % av innfallende stråling i området 8,5 - 11,<*>5 ym.

Linseelementet Cer fortrinnsvis bevegelig langs

den optiske akse 12, mens de andre linseelementer A, B og D ikke er bevegelige, og dette tillater kompensasjon av teleskopet mot bevegelser av bildet 13 indusert av endringer i omgivelsestemperaturen som typisk ligger i området

-10° C til +50° C. For en fiksert posisjon av bildet 13

kan teleskopet alternativt fokuseres på fjerntliggende objekter, typisk innenfor området 50 meter til uendelig.

Alternativt kan linseelementet C og de andre linseelementer A, B og D være fast montert. Ved å konstruere det omgivende rammeverk som understøtter linseelementet D,

på passende måte ved benyttelse av et materiale eller materialer som oppviser høye varmeutvidelseskoeffisienter, såsom' en polyethylen med ultrahøy molekylvekt (vanlig kjent under bdkstavordet "UHMPE"), og ved å konstruere mye av det' gjenværende teleskoprammeverk ved benyttelse av et materiale eller materialer som oppviser forholdsvis lave varmeut-

videlseskoeffisienter, såsom aluminium (varmeutvidelses-koeffisient for aluminium - 23 x 10 ^, UHMPE ^ 125 - 225 x 10 ) , er det mulig å kompensere teleskope^: for omgivelses-temperaturendringer over området -40° C til +70° C samtidig som det opprettholdes konstant fokus og god optisk ytelse. Selv om dette bare utstyrer teleskopet med et eneste fast ^l i fokus, eliminerer det behovet for eventuell bevegelse av linseelementet C og dermed den aktive mekanikk som beveger linseelementet C.

Ett eksempel på teleskopet 9 er angitt i Tabell I hvor krumningsradien for hver brytningsflate er gitt sammen med åpningsdiameteren av hver flate og av pupillen 0, hvis posisjon benyttes som et nullpunkt fra hvilket adskillelsen eller separasjonen av suksessive brytningsfiater defineres, sammen med beskaffenheten av det materiale som angår et sådant separasjonsintervall. Således har for eksempel flaten 5 en krumningsradius på -300,77 mm, idet minustegnet angir at krumningssentret ligger på høyre side av flaten 5; den er adskilt fra den foregående flate 4 med et luftrom på 82,32 mm i retning av pupillen 0; den har en åpningsdiameter på 72,09 mm, og den er adskilt fra den etterfølgende flate 6 med en avstand på 7,5 mm i et Barr & Stroud Type 1 chalcogenidglass.

Den asfæriske profil av brytningsflaten 7 er vist på fig. 2 hvor adskillelser . eller separasjoner Z parallelt med den optiske akse mellom både den asfæriske profil og kulen med best tilpasning og dens sfæriske nullpunkt-flate 7' er gradert med en faktor på 750. Den asfæriske profil er bestemt ved følgende likning:

hvor Z avstand langs den optiske akse

C = l/R; R = krumningsradius av flaten 7'

(= -204,98 mm),

II = radial avstand normalt på den optiske akse

(maksimumsverdi = 70,69 mm)

B =f første ordens asfærisk koeffisient (= -2,54 x 10 -9), -13 G. = andtf.e ordens asfærisk koeffisient (= +2,45 x 10 ),

.... = høyere ordens ledd (= 0,0),

og kulen med den beste tilpasning er den sfæriske flate,

fra hvilken den asfæriske profil gjør bare en liten avvikelse. Tabell III angir beregnede verdier av^separasjon mellom den asfæriske profil og kulen med best tilpasning for.forskjellige åpningshøyder, og krumningsradien for kulen"med

•li'11 best tilpasning. ''■''

Dette teleskop frembringer en forstørrelse på

X9,0 og har et indre f-tall på 0,92 i luftrommet mellom linseelementene C og D. Fargekorreksjonen opprettholdes over bølgelengdeområdet 8,5 - 11,5 ym, og med elementet C bevegelig er fokusering og termisk kompensasjon tilgjenge-lig over områdene 50 meter til uendelig henholdsvis -10° C til +50° C. Dersom ytelsesforringelsen er akseptabel, kan fokuseringsområdet og varmekompensasjonsområdet for praktiske formål økes til 5 meter til uendelig henholdsvis -40° C til +70° C. Alternativt kan linseelementet C og linseelementene A, B og D alle være fast montert, slik at det tilveiebringes et eneste, fast fokus idet varmekompen-sasjon oppnås ved hjelp av passive midler-og er' tilgjenge-lig over området -40° C til +70° C med minimal forringelse i total ytelse. Spesifikke verdier av bildekvalitet for dette teleskop når det er fokusert på en avstand på ca. 700 meter, er angitt i Tabell II.

Det beskrevne teleskop tilveiebringer høy ytelse over minst to tredjedeler av det fullstendige felt, idet en primærobjektivåpningsdiaméter er forstørret med mindre enn 8,1 % for å ta hensyn til pupillaberrasjoner, og vinkelfor-vrengningen ved den maksimale feltvinkel er bare ca. +1,4 %, idet plusstegnet indikerer 'økende forstørrelse med økende feltvinkel. Videre oppnås dette for et teleskop som ikke har noen vignettering ved noen av linjeelementenes brytningsflater, som ikke innfører noen merkbar narcisseffekt og som har kort total lengde.

Selv om bare to asfæriske koeffisienter er blitt benyttet for å tilveiebringe den gitte linseløsning, kan flere (dvs. høyere ordens) asfæriske koeffisienter benyttes dersom dette ønskes. Det er også mulig å optimere dette teleskop på en slik måte at det kan tilveiebringe et;for skjellig synsfelt og en forskjellig pupilldiameter i billedrommet, slik at teleskopet gjøres egnet for tilkopling til forskjellige detektorsystemer som kan være i .,m■ed eller uten avsøkningsmekanismer.

Det teleskop som er angitt i tabellene I - III, kan graderes og optimeres for å tilveiebringe et vidt område av forstørrelser idet den generelle linsekonfigurasjon for-blir konstant. Dessuten kan det okularsystem-linseelement som ligger nærmest pupillen i billedrommet, dvs. elementet A, erstattes med to eller flere linseelementer. Dette tilveiebringer en liten forbedring i total, optisk ytelse og •gir okulafsystemet en forbedret, total aberrasjonsbalanse.

Fig. 3 viser arrangementet hvor linseelementet A på fig..1 er blitt erstattet av to linseelementer A' og A" som har respektive brytningsflater 1', 2' og 1", 2" som hver er sfæriske. De gjenværende linseelementer bibeholder sin generelle konfigurasjon ifølge fig. 1, og spesifikke verdier av krumning og avstand er gitt i Tabell V, ytelsestall er angitt i Tabell VI og detaljer angående den asfæriske profil 7 er gitt i Tabell VII og illustrert på fig. 4, idet adskillelser eller separasjoner parallelt med den optiske akse er forstørret med en faktor på 2000 med hen- ■ blikk på klarhet. Den asfæriske flate 7 er i dette tilfelle tilveiebrakt ved hjelp av den tidligere angitte likning ved benyttelse av R = -193,38 mm, H i området 0 til 68,954 mm, B = -2,07 x 10~<9>, G = +2,93 x IO"<13>og alle høyere ordens koeffisienter lik null. Dette teleskops f-tall i luftrommet mellom elementene D og C er 0,89, og det vil innses at de i Tabell VII angitte ytelsestall oppviser en forbedring i forhold til ytelsestallene i Tabell II.

Selv om bare brytningsflaten 7 er beskrevet som asfærisk i de foregående utførelser, vil det innses at den samme ytelse kunne oppnås ved å gjøre bare flaten 8 asfærisk eller ved å gjøre begge flater 7 og 8 asfæriske, idet dette siste arrangement har den fordel at den totale grad av asfærisitet vil være proporsjonert mellom de to flater slik at hver flate da vil ha en meget redusert grad av asfærisitet sammenliknet med asfærisiteten for flåten 7 slik den er angitt i Tabell TII eller Tabell VI..

Det vil også innses at det beskrevne teleskop uten å endre den generelle linsekonfigurasjon kan graderes for å gi. hvilken som helst ønsket forstørrelse innenfor området 0,5 til 35, og at synsfeltet og billedrompupilien 0 uavhen-gig kan forstørres eller reduseres i størrelse. Det skal^ij bemerkes at det her angitte f-tall er avledet fra formelen (2-sin 6) ■ hvor -9 er halve vinkelen av den konus som er dannet av den aksiale feltstråle etter brytning fra det linseelement på hvilket strålen er innfallende.

De data som er angitt i tabellene I - VII, gjel-der for 20° C.

i

Claims (8)

1. Afokalt refraktorteleskop som erj, dannet av et akromatisk telefoto-objektivsystem (10) med fast fokus og et okularsystem (11) med fast fokus som er innrettet på en felles optisk akse (12) og er tilpasset til å tilveiebringe et indre, reelt bilde (13), idet objektivsystemet (10) er dannet av et primærlinseelement (D) og et sekundærlinseelement (C) og okularsystemet (11) er dannet av minst to linseelementer (A, B)/ idet hvert av teleskopets linseelementer (A, B, C, D) er fremstilt av et materiale med et effektivt spektralpassbånd i det infrarøde bølgelengdeområde og har brytningsflater (1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) som skjærer den optiske akse (12), karakterisert ved at minst én av primærobjektivlinseelementets (D) brytningsflater (7, 8) er asfærisk og hver av brytningsflåtene (1, 2, 3, 4, 5, 6) aV teleskopets andre linseelementer (A, B, C) er i hovedsaken sfærisk, idet den asfæriske flate (7, 8) har bare en liten grad av asfærisitet, idet sekundærobjektivlinseelementet (C) har negativ styrke og har en brytningsindeks som er lik eller lavere enn brytningsindeksen for primærobjektivlinseelementet (D) som har positiv styrke, idet teleskopet har et indre f-tall i luftrommet mellom primær- og sekundærobjektivlinseelementene (D, C) på mindre enn 1,5.

2. Afokalt refraktorteleskop ifølge krav 1, karakterisert ved at hver av primærobjektivlinseelementets (D) brytningsflater (7, 8) er asfærisk.

3. Afokalt refraktorteleskop ifølge krav 1 eller 2, karakterisert ved at hver asfærisk brytningsflate (7, 8) er i overensstemmelse med den angitte likning 1, idet de tredje og høyere ordens asfæriske koeffisienter er lik null.

4. Afokalt refraktorteleskop ifølge ett av de foregående krav, karakterisert ved at sekundær-ob jektivsystemlinseelementet (C) har en brytningsindeks som er lik eller mindre enn brytningsindeksen til hvert av teleskopets andre linseelementer (A, B, D).

5. Afokalt refraktorteleskop ifølge ett av kravene 1-3, karakterisert ved at sekundærobjektiv-system-linseelementets (C)s pi ednings-V-verdi er mindre enn sprednings-V-verdien for primærobjektivsystemlinseelemen-tet (D) ..

6- Afokalt ref raktorteleskop ifølge krav 5,' "I karakterisert ved at sekundærobjektivsystem-linseelementet (C) er montert for bevegelse langs den optiske akse (12).

7. Afokalt refraktorteleskop ifølge krav 1, karakterisert ved at det er konstruert som angitt i tabellene I - III.

8. Afokalt refraktorteleskop ifølge krav 1, karakterisert ved at det er konstruert som' angitt i tabellene V - VII. i