SE446132B - "ogonlins"-system for infrarott ljus - Google Patents

Description

l0 l5 20 25 35 40 8005564-5 2 Det har tidigare i den brittiska patentansökningen 23075/77 föreslagits att anordna ett "ögonlins"-system för ett icke-Gallileiskt optiskt afokalt infrarödsystem, även betecknat som ett afokalt infrarödteleskop, vilket “ögonlins"-system omfattar ett bakre linselement med I positiv effekt som har en bakre yta vilken är konvex eller konkav och en främre yta vilken är konvex, och ett främre linselement, vilket är av konkavkonvexform med en bakre yta vilken är konvex och en främre yta vil- ken är konkav, varvid krökningsradien för den konvexa bakre ytan är större än den för den konkava främre ytan, men det främre elementets tjocklek är sådan att en positiv effekt erhålles.

I nämnda patentansökning och i föreliggande beskriv- ning användes uttrycket “ögonlins“ fastän den slutliga bilden inte ses av det mänskliga ögat utan exempelvis avsöks över en infraröddetektorgrupp, och termen skall uppfattas i enlighet med detta. Vidare anses i nämnda patentansökning och i föreliggande beskrivning systemets framsida vara vänd mot den scen eller det föremål, från vilket infrarödstrâlningen härrör, medan systemets baksida anses vara vänd mot utgångspupillen. När uttrycken främre och bakre användes speciellt i relation till element i systemet och till ytorna hos dessa element skall de tolkas på samma sätt. _ Ett "ögonlins“-system, som är beskrivet i den brittiska patentansökningen 23075/77, kan medge hög korrektion av både verkligheten och utgångspupillbilden för synfält upp till omkring 60° i avsökningsrummet, men utanför denna vin- kel kan pupillaberrationer bli allt för stora. Under vissa förhållanden föreligger en fordran på ännu större synfält, exempelvis omkring 700 eller större.

Enligt denna uppfinning åstadkommes ett "ögonlins"- -system för användning i ett icke-Gallileiskt optiskt afokalt infrarödsystem eller afokalt infrarödteleskop, vilket "ögonlins"-system omfattar minst tre linselement innefattande ett bakre positivt element med en bakre yta, vilken är antingen konvex eller konkav, och en främre yta vilken är konvex, och ett par element vilka är anordnade på avstånd från men nära varandra för att mellan sig bilda lO l5 20 25 30 35 40 s 8005564-3 \ en gaslins, varvid det bakre elementet i paret har en konvex bakre yta och det främre elementet i paret har en konkav främre yta, och varvid elementparet i kombina- tion med den mellanliggande gaslinsen har positiv effekt.

Vidare åstadkommes enligt uppfinningen ett "ögonlins"- -system för användning i ett icke-Gallileiskt optiskt afokalt infrarödsystem eller afokalt infrarödteleskop, vilket “ögonlins"-system omfattar minst tre linselement innefattande ett bakre positivt element med en bakre yta som varken är konvex eller konkav, och en främre yta som är konvex, och ett par element vilka är anordnade på av- stånd från men nära varandra för att mellan sig avgränsa en gaslins, varvid det bakre elementet i paret har en konvex bakre yta och det främre elementet i paret har en konkav främre yta vars krökningsradie är mindre än den hos den konvexa bakre ytan hos det bakre elementet i paret, och varvid elementparet i kombination med den däremellan befintliga gaslinsen har positiv effekt.

Företrädesvis är det bakre elementet i paret positivt medan det främre elementet i paret är negativt. Gaslinsen mellan elementparet är företrädesvis negativ. Det bakre elementet i paret har företrädesvis konkavkonvexform med en konkav främre yta vilken företrädesvis har större krökningsradie än dess konvexa bakre yta. Det främre ele- mentet i paret har även företrädesvis konkavkonvexform med en konvex bakre yta vilken företrädesvis har större krökningsradie än dess konkava främre yta. Gaslinsen mellan elementen i paret är därför företrädesvis begränsad baktill av en främre konkav yta hos det bakre elementet i paret och framåt av en bakre konvex yta hos det främre elementet i paret, varvid den bakre konvexa ytan hos det främre elementet i paret har större krökningsradie än den främre konkava ytan hos det bakre elementet i paret.

Under vissa förhållanden, särskilt de då en mycket stor korrektion av pupillaberrationer erfordras, är “ögonlins“-systemet företrädesvis förbundet med en positiv fältlins anbragt nära den mellanbild som bildas i det optiska systemet eller teleskopet. Denna mellanbild bildas företrädesvis i ett gasrum mellan fältlinsen och det främre elementet i elementparet. Fältlinsen är företrädesvis be- ,._........-.-.__.-_-_.__,__:_.....-...-. ._ ..... 10 15 20 25 30 35 40 aoossszl-a 4 / lägen nära det främre elementet för att bilda en gaslins som begrïezas av den främre ytan hos detta främre element och den bakre ytan hos fältlinsen. Denna gaslins är före- trädesvis negativ och kan ha samma form som gaslínsen mellan elementen i elementparet.

Denna uppfinning åstadkommer vidare ett icke-Gallileiskt optiskt afokalt infrarödsystem eller afokalt infrarödteleskop omfattande ett objektivlinssystem i kombination med ett "ögonlins"-system som beskrivits ovan. Objektivlinssystemet ooh "ögonlins"-systemet kan vara utformade för att åstad- komma god avbildning oberoende, eller om detta inte är erforderligt kan “ögonlins"-systemet vara utformat att kompensera återstående aberrationer från objektivlins- systemet. De verksamma elementen i objektivlinssystemet kan exempelvis alla vara refrakterande element eller också kan som ett annat exempel objektivlinssystemet vara ett katadioptriskt system innefattande reflekterande verksamma element.

Linselementen kan bestå av germanium för våglängds- bandet 8 - l3 mikron, eller också kan man använda en kombination av kisel och germanium för vâglängdsbandet 3 - 5,5 mikron. Lämpligen är utrymmena mellan elementen upptagna av luft, varvid de ovannämnda gaslinserna är luftlinser. Företrädesvis har de krökta refrakterande ytorna hos alla elementen sfärisk krökning.

Denna uppfinning åstadkommer vidare ett optiskt infrarödsystem omfattande ett objektivlinssystem för âstadkommande av en verklig bild från en scen eller ett föremål på avstånd, ett “ögonlins"-system av ovan angivet slag anordnat att motta infrarödstrålning från denna bild och att åstadkomma en kollimerad förstorad bild av scenen eller föremålet vid en verklig utgângspupill, och avsök- ningsanordningar verksamma vid nämnda utgångspupill för att avsöka den kollimerade förstorade bilden via avbild- ningsanordningar över infraröddetektoranordningar.

En utföringsform av ett icke-Gallileiskt optiskt afokalt infrarödsystem eller afokalt infrarödteleskop enligt uppfinningen kommer nu att beskrivas i form av exempel med hänvisning till den bifogade ritningen som är en schematisk framställning. 10 l5 20 25 30 35 40 5 8005564-3 Det på ritningen visade afokala teleskopet omfattar ett objettiviiessystem bestående av linselement l, 2 och 3, ett fältlinselement 4 och ett "ögonlins"-system bestående av ett par linselement 5 och 6 och ett bakre element 7. En planspegel 8 är anbragt i strålbanan mellan elementen 2 och 3 i objektivlinsen för att böja strål- banan genom linsen, vilken böj visas som 900. Tele- skopet har ett öppningsstopp S vid eller nära objektiv- linselementet 2. En mellanbild I bildas mellan fältlins- elementet 4 och “ögonlins"-elementet 5. Utgångspupillen i teleskopet är angiven vid P.

Vid användning träffar infrarödstrålar från en scen eller ett föremål på avstånd objektivlinssystemet och fokuseras till bildning av en verklig bild i läget I. "öoonlins"-systemet "ser" mellanbilden I och åstadkommer en koflimerad förstorad bild av scenen eller föremålet synlig vid den verkliga utgângspupillen P. Effekten är att reducera diametern hos en i teleskopet infallande infrarödstråle.

Utgångspupillen P sammanfaller med den verksamma eller i funktion befintliga fasettytan hos ett optiskt avsökningshuvud (ej visat) som har ett flertal reflek- terande fasetter och som roteras med konstant vinkelhastig- het. Allt eftersom huvudet roterar, kommer varje fasettyta att avkänna den kollimerade strålningen via en avbildande lins (ej visad) över en infraröddetektorgrupp (ej visad), varvid efter varandra följande avsökningar utförs av efter varandra följande fasetter som passerar genom utgångs- pupilläget på i och för sig känt sätt. Detta avkännings- arrangemang visas och beskrivs schematiskt i den tidigare omnämnda brittiska patentansökningen 23075/77.

För enkelhetens skull betecknas den ände av teleskopet, vilken vid användning är vänd mot scenen eller föremålet och mottar den infallande strålningen, framsidan, medan den ände, som är vänd mot utgångspupillen P, betecknas som baksidan. Hänvisningar till främre och bakre i relation till linselement och deras respektive refrakterande ytor skall tolkas på samma sätt.

Det främre linselementet l hos objektivlinssystemet är ett positivt enkelt bikonvexelement med konvexa fram- V N _..-_... _..... 10 l5 20 25 30 35 40 8005564-3 s och baksidor Rl och R2. Linselementet 2, vilket är anbragt på litet avstånd från elementet l, är ett enkelt negativt konkavkonvexelement, som är konkavt framåt och har en konkav främre yta R3 och en konvex bakre yta R4. Det bakre elementet 3 i objektlinssystemet, vilket mottar strålning som släpps igenom öppningsstoppet S genom reflektion från spegeln 8, är ett positivt enkelt konkavkonvexelement som är konvext framåt och har en konvex främre yta R5 och en konkav bakre yta R6.

Fältlinselementet 4 är ett enkelt positivt element som visas som plankonvext med en främre plan yta R7 och en bakre konvex yta R8. Detta fältelement 4 kan emellertid ha andra former och den främre ytan R7 kan alternativt vara konkav eller konvex och den bakre ytan R8 kan alter- nativt vara plan eller konkav.

Det främre elementet 5 i elementparet 5 och 6 i "ögonlins"-systemet är ett enkelt negativt konkavkonvex- element som är konkavt framåt med en konkav främre yta R9 och en konvex bakre yta Rl0 med större krökningsradie än den främre ytan R9. Elementet 5 är anordnat på ganska ringa avstånd från fältelementet 4 för att bilda en negativ gaslins, lämpligen luftlins, mellan ytorna R8 och R9 (mellan- bilden I är belägen i detta utrymme). Det bakre elementet 6 i elementparet 5 och 6 är ett enkelt positivt konkavkonvex- element som är konkavt framåt med en främre konkav yta Rll med större krökningsradie än dess bakre konvexa yta Rl2.

Elementet 6 kan vara något tjockare än elementet 5, exempel- vis omkring 6 - 8 gånger tjockare. Krökningsradien hos den främre konkava ytan R9 hos elementet 5 är kortare än krökningsradien hos den bakre konvexa ytan Rl2 hos elemen- tet 6. Elementen 5 och 6 är anbragta på kort avstånd från varandra för att bilda en negativ gaslins, lämpligen luft- lins, mellan ytorna Rl0 och Rll, varvid krökningsradien hos den konvexa ytan Rl0 är större än krökningsradien hos den konkava ytan Rll. Kombinationen av elementparet 5 och 6 med luftlinsen (eller annan gaslins) mellan dem har positiv effekt. Det bakre elementet 7 hos "ögonlins"- -systemet är ett enkelt positivt element med en konvex främre yta Rl3 och visas som konkavkonvext, konvext mot framsidan med en konkav bakre yta Rl4. Den bakre ytan Rl4 l0 15 20 25 m 35 40 8ÛO5564'3 kan emel?e~tid alternativt vara konvex så att elementet 7 blir bikonvext.

Elementen l till 7 är naturligtvis alla av infraröd- genomsläppligt material och är företrädesvis alla av samma material. Detta kan vara germanium om teleskopet skall arbeta med strålning i våglängdsbandet 8 - l3 mikron. En kombination av germanium och kisel kan användas för att arbeta med strålning inom våglängdsbandet 3 - 5,5 mikron.

Utrymmena mellan elementen upptas av gas och lämpligen luft. Företrädesvis har alla ytorna Rl till Rl4 sfärisk kräkning.

Med ett sådant arrangemang som beskrivits ovan kan man uppnå synfält av omkring 700 eller mera (i avsöknings- rummet) innan pupillaberrationer blir allt för stora.

Luftlinsen mellan elementparet 5 och 6 möjliggör ytter- ligare kontroll av pupillaberrationer genom skillnaden i ytkrökning på vardera sidan av luftlinsen. Den bästa korrektionen av pupillaberrationer erhålles genom en luft- lins med negativ effekt, vilken är begränsad av en konvex yta Rl0 och en starkare konkav (kortare krökningsradie) yta Rll, varvid de fyra ytorna R9 till Rl2 har samma krökningstecken, dvs deras krökningscentra ligger alla på samma sida (framsidan) om elementparet. ' Effekten av luftlinsen mellan elementen 5 och 6 kan ge “ögonlinsen" ett olägligt långt utgångspupillavstånd så att det breda synfältet i avsökningsrummet skulle erfordra en "ögonlins" med mycket stor diameter. Vidare kan Petzval-krökningen hos “ögonlinsen" vara överkorri- gerad med mer än vad som erfordras för att korrigera objektivets Petzval-krökning. Dessa problem kan emellertid minskas genom den positiva fältlinsen 4 som är anbragt nära mellanbilden I mellan objektivlinssystemet och “ögonlins"-systemet. Denna fältlins bildar en annan luftlins mellan fältlinsen 4 och det främre elementet 5 hos "ögonlins"-systemet, vilken luftlins kan vara negativ och kan ha samma form som luftlinsen mellan elementparet 5 och 6. Luftlinsen mellan fältlinsen 4 och elementet 5 har även en fördelaktig inverkan på pupillaberrationer, då kombinationen av de två luftlinserna ger mycket god kontroll av både formen och läget av utgångspupillen upp -fi-.M- .___ m... Mm.. .nv-.,.f.».,--«-. ..~ . m”. -. . -usa-mm * l0 15 80Û5564-3 8 till breda vinklar från axeln av upp till 75° 1 avsöknings~ rummet.

Speciella exempel på afokala teleskop enligt den ovan beskrivna utföríngsformen har de numeriska data som anges i det följande. Dimensionsenheterna är millimeter men värdena är relativa och kan därför anges i lämplig skala.

Ytorna Rl till Rl4 har alla sfärisk krökning i vardera exemplet. Materialet 1 elementen l till 7 är germanium 1 vardera fallet, och exemplen är utformade för att täcka våglängdsbandet 8 - l3 mikron, och utrymmena mellan ele- menten är luftrum.

I 9 %aoss¿4-3 10 15 20 30 35 40 Förstoríng x 2,42 Synfält 70° i avsökníngsrum Utgångspupiïïdiameter 31 mm Exempel 1 Kröknings- Axielï Eïement 刺 radie tjocklek/separation R1 +559,792 1 8,717 R2 -2171,13 6,789 R3 -304,239 2 7,132 R4 -491,58! 137,160 R5 +188,496 3 9,880 R6 +335,513 63,315 R7 -5331,65 4 7,925 R8 -3T5,991 14,094 R9 -61,079 5 5,080 R10 -180,950 4,894 R11 -133,405 6 29,325 R12 -86,059 40,994 R13 +167,247 7' 10,302 R14 +411,769 10 15 20 25 30 35 40 8005564-3 Eïement ïïg R1 1 R2 R3 2 R4 R5 3 R6 R7 4 R8 R9 5 Rï0 R11 6 R12 R13 7 R14 Förstoríng x 2,43 10 Exempeï 2 Krökníngs- Axie11 radie tjockïek/separation +se9,ss2 ' 8,030 -2980,39 5,660 -308,818 7,030 -429,083 129,410 +192,863 8,780 +248,110 56,250 +185,853 8,020 +500,384 0 28,130 -82,657 5,460 -252,638 5,460 -127,622 41,830 -103,520 32,850 +172,984 11,500 -429,083 Synfäït 700 i avsökningsrum Utgångspupíïïdíameter 31 mm 10 15 20 25 30 35 40 8005564-3 I exempel 1 är fältlinselementet 4 konkavkonvext och är konkavt framåt med en konkav främre yta R7 och en konvex bakre yta R8, medan fältlinselementet 4 i exempel 2 är konkavkonvext och är konvext framåt med en konvex främre yta R7 och en konkav bakre yta R8. Detta beror på att i exempel 2 är utrymmet mellan ytorna R8 och R9, dvs luft- linsens axiella tjocklek, större än i exempel 1, så att fältlinsen 4 i exempel 2 är längre från mellanbilden I och har en tendens att effektivt bilda en bakre del av objektivlinssystemet och sålunda erfordrar en form som minskar infaflsvinklarna. I exempel 1 är fältlinsen 4 närmare mellanbilden I och dess form är mindre kritisk. I båda exemplen är emellertid luftlinsen mellan fältlinselementet 4 och det främre elementet 5 hos "ögonlinsen“ negativ.

Det skall vidare framhållas att i exempel 2 är det bakre elementet 7 i "ögonlins"-systemet konkavkonvext och konvext framåt med en konvex främre yta R13 och en konkav bakre yta Rl4¿ medan det bakre elementet 7 i exempel 2 är bikonvext med konvexa främre och bakre ytor R13 och Rl4.

De extra parametrarna som möjli99å0rts genom ett sådant arrangemang som beskrivits ovan ger möjligheten till god avbildning av ett objekt, såsom en temperatur- referens, anbragt i mellanbildsläget I mellan objektiv- linssystemet och "ögonlins"-kollimatorsystemet. I de två ovanstående specifika exemplen har "ögonlinsen" optimerats för att ge en god bild av ett föremål som anbragts i något läge runt omkretsen av den verkliga mellanbilden. Detta föremål synes sålunda längre från axeln än i verkligheten sett från avsökningsrummet, varvid axelns snedställning är över É 350. Det skall påpekas att denna särskilda fordran begränsar valet av objektivlinssystemets form eftersom objektivsystemet även måste kunna ge en rimligt god bild oberoende av "ögonlins"-systemet.

Man ser att om god avbildning inte erfordras av objektivsystemet och "ögonlins"-systemet var för.gig, kan många olika typer av objektivlinssystem användas med det beskrivna "ögonlins"-systemet eftersom antalet parametrar i "ögonlins"-systemet medger flexibilitet i l0 l5 20 25 30 35 40 soo55s4-5 “Z fråga om kompenseringför återstående aberrationer.

Ett annat speciellt exempel på ett afokalt infraröd- teleskop enligt uppfinningen har de numeriska data som anges i det följande. I detta exempel 3 består objektiv- linssystemet av ett konkavkonvexelement l som är konvext framåt, ett bikonvexelement 2 och ett bikonvexelement 3.

Elementet 3 skulle möjligen kunna betraktas som ett fält- linselement men det är beläget på något avstånd från mel- lanbilden I (och längre därifrån än fältlinselementet 4 i ovanstående exempel 2) och har en ganska stark avbildande effekt. Det identifieras därför som det bakre elementet 3 i objektivlinssystemet, och det finns inget element 4 i exempel 3. I detta exempel består “ögonlins“-systemet av ett par konkavkonvexelement 5 och 6 som är konkava framåt med en mellanliggande luftlins och ett bakre konkavkonvex- element 7 som är konvext framåt, vilket i detta särskilda exempel är beläget mycket nära det bakre elementet 6 i paret. I exempel 3 är tjocklekarna hos elementen 5 och 6 inte mycket olika men deras sammanlagda tjocklek är sådan att elementparet med den mellanliggande negativa luftlinsen tillsammans har positiv effekt, under det att den har en yttre konkav yta R9 med kortare krökningsradie än den yttre konvexa ytan Rl0. Exempel 3 åstadkommer en mindre utgångspupill P än de andra tvâ ovan lämnade exemplen och en viss nivå av återstående pupillaberration lämnas avsiktligt för att ge en elliptiskt formad utgångspupill.

Det skall framhållas att i den efterföljande tabellen finns inga ytor R7 och R8 eftersom där inte finns något element 4. 10 15 20 25 30 35 40 E1ement lig R1 1 R2 R3 2 R4 R5 3 R6 R9 5 R10 R11 6 R12 R13 7 R14 Förstoríng + 5,0 8005564-3 13 Exempeï 3 Kröknings- Axieïï radie tjock1ek/separation +269,357 6,858 +ï13,406 45,720 +2202,662 9,144 -263,157 186,436 +699,526 8,001 -678,667 41,910 -43,336 8,001 -146,465 11,430 -63,154 12,276 -46,862 0,640 +44,034 7,620 +56,889 Synfält 72° i avsökningsrum Utgângspupilldiameter 10 mm

Claims (10)

l0 l5 20 25 im 35 40 8ÛÛ5564~3 14 I exempel 3 har, liksom i exemplen l och 2, alla de refrakterande ytorna sfärisk krökning, och alla linsele- menten består av germanium, och exemplet är avsett att arbeta i vâglängdsomrâdet 8 - l3 mikron. Det har redan tidigare anförts att för att arbeta i väglängdsomrädet 3 - 5,5 mikron kan man använda en kombination av germanium- och kisellinselement, vilken kombination är att föredra framför användningen av kisel för alla elementen, eftersom kisel enbart skulle ge en avsevärd kromatisk aberration. Speciellt skulle ett afokalt teleskop enligt den ovan beskrivna utföringsformen för arbete med infrarödstrâlning i väglängdomrâdet 3 - 5,5 mikron ha linselement 2 av germanium och de andra linselementen av kisel. 7 I den visade utföringsformen användes "ögonlins"- systemet i kombination med ett objektivlinssystem, vars verksamma element alla är refrakterande element. Det är underförstått att "ögonlins“-systemet skulle kunna användas i kombination med ett katadioptriskt objektivlinssystem omfattande reflekterande verksamma element. PATENTKRAV

1. l. "ögonlins“-system för användning i ett icke-Galli- leiskt optiskt afokalt infrarödsystem eller afokalt infra- rödteleskap, av att det omfattar minst tre linselement innefattande ett positivt bakre ele- ment (7) med en bakre yta som är antingen konvex eller kon- k ä n n e t e c k n a t kav och en främre yta som är konvex, och ett par element som är anordnade på ringa avstånd från varandra för att mellan sig bilda en gaslins, varvid det bakre elementet (6) i ele- mentparet har en konvex bakre yta och det främre elementet (5) i elementparet har en konkav främre yta, och varvid ele- mentparet i kombination med den mellanliggande gaslinsen har positiv effekt.

2. System enligt krav l, k ä n n e t e c k n a t av att den konkava främre ytan hos det främre elementet (5) i elementparet har mindre krökningsradie än den konvexa bakre ytan hos det bakre elementet (6) i elementparet.

3. System enligt krav l eller 2, k ä n n e t e c k - n a t av att det bakre elementet (6) i elementparet är l0 15 20 25 30 35 40 15 8005564-3 positivt medan det främre elementet (5) i elementparet är ne- gativt.

4. System enligt något av de föregående kraven, k ä n- n e t e c k n a t av att gaslinsen mellan elementen i ele- mentparet (5, 6) är negativ.

5. System enligt nagot av de föregående kraven, n e t e c k n a t av att det bakre elementet (6) i element- paret har konkavkonvex form med en konkav främre yta.

6. System enligt något av de föregående kraven, k ä n- n e t e c k n a t av att detfrämre elementet (5) i element- paret har konkavkonvex form med en konvex bakre yta.

7. System enligt något av de föregående kraven, k ä n- n e t e c k n a t av att det har en associerad positiv fält- lins (4) belägen nära läget för den mellanbild som uppkommer i det optiska systemet eller teleskopet.

8. System enligt krav 7, k ä n n e t e c k n a t av att det föreligger ett gasrum mellan fältlinsen (4) och det främre elementet (5) i elementparet och att mellanbildslä- k ä n- get är i detta gasrum.

9. System enligt krav 7 eller 8, n a t av att fältlinsen (4) är belägen nära det främre ele- mentet (5) i elementparet för att bilda en gaslins som be- gränsas av den främre ytan hos det främre elementet (5) och den bakre ytan hos fältlinsen (4).

10. l0. System enligt krav 9, k ä n n e t e c k n a t av att gaslinsen mellan fältlinsen (4) och det främre elemen- tet (5) är negativ. k ä n n e t e c k -