SE453868B - Icke fokuserande refraktorteleskop - Google Patents

Description

453 868 10 15 20 25 30 if och att tivt förstärkt och har ett brytningsindex lika med eller lägre 'än brytningsindex för det primära objektivlins- elementet, vilket är positivt förstärkt, och att tele- skopet har ett inre f-nummer i luftrummet mellan det det sekundära objektivlinselementet är nega- primära och det sekundära objektivlinselèmentet mindre än 1,5.

Emedan teleskopet enligt föreliggande uppfinning är av refraktortyp finns ingen förmörkelse av bländaröpp- ningen och med samtliga utom ett av linselementen med brytningsytor som är i huvudsak sfäriskaoch sfäriska ytan eller ytorna har en icke-sfärisk profil med enbart en liten avvikelse från en sfärisk profil, är linselementen enkla att framställa.

Det objektiva systemet kan vara färgkorrigerat genom att göra det spridande V-värdet för det sekundära objektiv- linselementet mindre än det för det primära objektivlins- elementet och teleskopet kan vara gjort extremt kompakt med en prestanda nära diffraktionsgränsen över ett brett område av förstoringar genom att göra brytningsindex för detsekundära objektivlinselementet mindre än det för det primära objektivlinselementet.

Det färgkorrigerande linselementet för objektivsystemet kan vara av glas av kalkogenid, t ex såsom sålt av Barr and Stroud Limited under deras benämning “Type 1 Chal- cogenide Glass", medan vart och ett av de övriga lins- elementen i teleskopet kan vara framställt av germanium.

Samtliga dessa material har en effektiv spektral band- pass någonstans i det infraröda våglängdsområdet av 3-13 mikron. Alternativt kan det färgkorrigerande lins- elementet vara framställt av något annat optiskt mate- rial, som har lämpliga fysikaliska karakteristika. Efter- följande tabell IV anger nägra av de mest lämpliga optis- ka materialen. 10. 15 20 25 30 453 868 šï Det färgkorrigerande linselementet kan vara fast anord- nat relativt de.andra linselementen men lämpligen är det rörligt längs den optiska axeln med följd att teleskopet kan kompenseras för ändringar i omgivande temperatur som framkallar växlingar i läget för realbilden bildad i teleskopet. Dylik rörelse för det färgkorrigerande lins- elementet kan även utnyttjas för att variera teleskopets fokus (utan att avvika från dess s k "icke-fokus"-natur) föresatt att realbilden bildad i teleskopet icke behöver ha hög kvalitet. Detta uppnås lämpligen när det färgkorri- gerande linselementet har låg optisk effekt emedan mini- mal förstoringsändring alstras när detta element förflyt- tas.

Alternativt kan teleskopet kompenseras för ändringar 1 omgivande temperatur genom konstruktionen av linselemen- tets omgivande ramverk genom att använda material av vilka två har väsentligt skilda termiska expansionskoef- ficienter (dvs passiv mekanisk atermalisering). Det färg- korrigerande linselementet kan vara rörligt längs den optiska axeln eller kan det vara fast monterat relativt de andra linselementen vid ett läge som ger teleskopet en fixerad fokus, typiskt hyperfokuserande fokus.

Utföringsformer av uppfinningen är i det följande närma- re beskrivna med hänvisning till bifogade schematiska rit- ningar och till tabeller.

Såsom visat i fig. 1 är ett teleskop 9 bildat av ett objektivsystem 10 och ett okularsystem 11 liggande i linje på en gemensam optisk axel 12. Teleskopet 9 är av icke~fokuserande refraktortyp och bildar inuti en réalbild 13 av strålar som inkommer till teleskopet från objektområdet 14. Objektivsystemet 10 är telefoto och bildat av ett primärt linselement D och ett sekundärt linselement C, varvid det senare är negativt förstärkt (dvs divergent) och färgkorrigerande, medan det först- 10 15 20 25' 30 35 453 868 gfi nämnda är positivt.förstärkt (dvs konvergent). Elementet C har brytningsytor.5, 6 och elementet D har brytnings- 'ytor 7, 8. Okularsystemet 11 är bildat av positivt för- stärkta linselement A, B med respektive brytningsytor 1, 2 och 3, 4. Elementen A och B bildar tillsammans ett fixerat fokussystem och elementen C och D bildar även ett fixerat fokussystem, så att objektivsystemet 10 accepterar en knippe parallella strålar från en ingângspupill bildad i-objektområdet 14 och okularsystemet 11 hopsamlar strål- ning frán den inverterade realbilden 13 bildad av objek- tivsystemet 10 och alstrar en knippe parallella strålar som bildar en utgångspupill ø i bildomrâdet 15. Den op- tiska effekten av och avståndet mellan de olika linsele- menten A, B, C, D är så anordnade, att bilden 13 ligger mellan brytningsytorna 5 och 3.

Brytningsytorna 1, 2, 3, 4, 5, 6 och 8 är alla i huvudsak sfäriska, dvs de är icke helt sfäriska men de är "sfäriska" i dess betydelse inom detta tekniska område, medan ytan 7 genom att ha en. asfärisk profil är icke-sfärisk.

Teleskopet 9 är konstruerat för användning i detinfra~ röda våglängdsområdet (dvs 3-13 mikron) och följaktligen är brytningsindex för linselementen relativt stora men i syfte att åstadkomma tillräckligt hög optisk prestanda är linselementet C färgkorrigerande, negativt förstärkt och har en lägre brytningsindex än elementet D. Detta uppnås för 8-13 mikronomrâdet genom att göra Jinselemen- ten A, B och D.av germanium, vars brutningsindcx är 4,00322, och linselementet C av kalkogenid olas av typ "Barr and Stroud Type 1", vars brytningsindex är 2,49158 mätt vid en våglängd av 10 mikron och vid en temperatur av 20°C. I detta fall har elementet C en spridningskapa- citet, eller V-värde, av 152, där V-värdet är definierat såsom förhållandet av brytningsindex vid 10 mikron minus 1 till brytningsindex vid 8,5 mikron minus brytningsin- 'dex vid 11,5 mikron. Dessa material som är lämpade att 10 15 20 25 30 453 868 If vara antireflekterande belagda ger när så belagda ett teleskop med åtminstone 65% överföring av infallande strålning i området 8,5 - 11,5 mikron.

Linselementet C är företrädesvis rörligt längs den optis- ka axeln 12, medan de andra linselementen A, B och C icke är rörliga, och detta ger kompensation för teleskopet mot rörelser hos bilden 13 påkallad av omgivande temperatur- förändringar typiska inom området -10°C - +50°C. Alterna- tivt kan för ett fixerat läge för bilden 13 teleskopet vara fokuserat på avlägsna objekt, typiskt inom området so m till oändligheten. . ' Alternativt kan linselementet C och de andra linselemen- ten A, B och D vara fast monterade. Genom lämplig konstru- ering avdet omgivande ramverket som stöder linselementet D och pansionskoefficienter, såsom t ex ett polyetylen med ultrahög molekularvikt (vanligen känd genom akronymen "UHMPE")|och genom att konstruera stor del av återståen- de teleskopramverket och använda material som ger rela- tivt lâga termiska expansionskoefficienter, såsom t ex aluminium (termisk expansionskoefficient för aluminium f 23 x 1o"6, UHMPE -1125-225 x 1o'6),är det möjligt att kompensera teleskopet för omgivande temperaturändringar över området -4o°c till +7o°c och samtiaigt bibehålla konstant fokus och god optisk prestanda. Ehuru detta endast ger ett teleskop med en enda fixerad fokus elimi- använda material som ger höga termiska ex- nerar det behovet av någon rörelse för linselementet C och följaktligen de aktiva mekanismer som förflyttar linselementet C.

Ett exempel på ett teleskop är angivet i tabuil 1, där É krökningsradien för varje brytningsyta är given tillsam- mans med bländardiametern för varje yta och för pupil- É len ø, vars läge användes såsom data från vilketavvi- E kelflen av successiva brytningsytor är definierad, 453 868 10 15 25 30 35 M 1 tillsammans med slaget av material relevant för dylikt Således har t ex ytan 5 en krök- ningsradie av -300,77 mm, varvid minusstrecket indike- avvikelseintervall. rar att krökningscentrum ligger på högra sidan om ytan 5. Ytan är skild av ett luftutrymme av 82,32 mm från föregående yta, nr. 4, i riktningen för pupillen ø. Ytan har en bländardiameter av 72,09 mm och den är skild från 'efterföljande yta, nr. 6, av ett avstånd av 7,5 mm i ett kalkogenid glas av typ "Barr and Stroud Type 1".

Den icke-sfäriska profilen för brytningsytan 7 är visad i fig. 2, där avvikelserna Z parallellt med den optiska axeln mellan såväl den icke-sfäriska profilen och den bäst .anpassade sfären och data-sfäriska ytan 7' är grade- rade av en faktor av 750, varvid den icke~sfäriska pro- filen är styrd av följande ekvation: z.c. = + 1 yq- c(c.H2 + B.H4 + G.n6 + ....§ ..... (1) där Z = avståndet längs den optiska axeln.

C = 1/R, varvid R = krökningsradien för ytan 7' (= -204,98 mm).

H = radiella avståndet vinkelrätt den optiska axeln' (maximalt värde = 70,69 mm).

B = icke-sfärisk koefficient av första ordningen (= -2,s4 x1o"9). icke-sfärisk koefficient av andra ordningen (= +2,4s x 1o'13). villkor av högre ordning (=0.0).

Il och den bäst ænxssæmasfären är den sfäriska yta Från vilken den icke-sfäriska profilen endast gör en liten avvikelse. Tabell III innehåller kalkylerade värden på avvikelsen mellan den icke-sfäriska profilen och den bäst anpassade sfären för olika bländawöppningshöjdnr och krökningsradien för den bäst anpassade sfären.

Detta teleskop ger en förstoring av x 9,0 och har ett inre f-nummer av 0,92 i luftrummet mellan linselementen C och D. Färgkorrigering bibehålles över omrâdet 8,5 10 15 20 25 30 453 868 .si 7 .till 11f5'mikron och med elementet C rörligt är fokuse- ring och termisk kompensation tillgänglig över områdena so»m till eandligneten respektive -1o°c till +so°cL Av bel kan området för fokus- och termisk kompensation ökas till S m till oändlighet och -40°C till 70°C. Alternativt kan linselementet C och linselementen A, B och D samtliga vara fast monterade och sålunda ge ett enda fast fokus med=termisk kompensation uppnådd medelst passiva organ een tillgänglig över emraaet -4o°c till 1o°c med mlmlmel nedsättning i total prestanda. Specifika värden på bild- kvaliteten pá detta teleskop, distans av approximativt 700 m, är givna i tabell II. när det är fokuserat vid en Det ovan beskrivna teleskopet ger hög prestanda över åt- minstone två tredjedelar av det totala fältet med en primär objektivöppningsdiameter förstorad med mindre än 8,1% för att ackomodera pupillavvikelser och vinkeldis- torsionen vid den maximala fältvinkeln är enbart omkring + 1,4%, varvid +-tecknet indikerar ökad förstoring med ökande fältvinkel. Detta uppnås även med ett teleskop som icke har någon avbländning vid någon av brytnings- ytorna hos linselementen, narcissuseffekt och har en icke inför någon noterbar kort total längd.

Ehuru enbart två icke-sfäriska koefficienter har använts för att åstadkomma den givna linslösningen kan fler (dvs nv högre ordning) icke-sfäriska koefficienter användas om så önskas. Det är även möjligt att optimera detta tele- skop på sådant sätt att det kan åstadkomma ett olika syn- fält och pupilldiameter i bildomrâdet och sålunda göra teleskopet lämpligt för användning vid olika detektor- system, vilka kan eller icke kan använda avkännjngsmeka- nismer.

Teleskopet angivet i tabellerna I-III kandhmmshmærascxh optimeras för att åstadkomma ett brett område av försto- 453 868 10 15 20 25 30 ä* si? 8 ringar med den.allmänna linsutformningen bibehållen kon- stant. Dessutom kan linselementet i okularsystemet, proximo pupillen i bíldområdet, dvs elementet A, ersät- _ tas av två eller flera linselement. Detta åstadkommer en mindre förbättring i den totala optiska prestandan och _. ger för okularsystemet en förbättrad total aberrations- balans.

Figfi 3 illustrerar ett arrangemang där linselementet A enligt fig. 1 har utbytts mot två linselement A' och A" med'respektive brytningsytor 1', 2' och 1", 2", samtliga sfäriska; De övriga linselementen har kvar sin allmänna 'utformning enligt fig. 1 och specifika värden på krök- ning och avstånd är givna i tabell V, prestandasiffror i tabell VI med närmare angivelser av den icke-sfäriska profilen 7 i tabell VII och visad i fig. 4 med avvikelser parallellt med den optiska axeln förstorade med en fak- tor av 2000 i förtydligande syfte. Den icke-sfäriska ytan 7 är i detta fall åstadkommen av den ovan angivna ekva- tionen, där R = -193,38 mm, H i området 0 till 68,954 mm, ß = ~2,o7 x1o"9, c; = +2,93 11043 ordningskoefficienter noll. Detta teleskops f-nummer i luftområdet mellan elementen D och C är 0,89 och det skall noteras att prestandavärdena givna i tabell VII och samtliga högre visar en förbättring äämfört med värdena i tabell II.

Ehuru i de beskrivna utföringsformerna endast brytnings- ytan 7 är icke-sfärisk, skall det inses att detsamma kan uppnås genom att göra endast ytan 8 icke-sfärisk eller genom att göra såväl ytan 7 som ytan 8 icke-sfä- riska, varvid det sista arrangemanget har fördelen av att den totala graden av icke-sfäriskhet kommer att för- delas proportionellt mellan de två ytorna, så att var och en av-dem då har en mycket reducerad grad av icke- sfäriskhet i jämförelse med den för ytan 7 såsom angiven i tabellen III eller tabellen VI. 453 sea" lå? Det skall även inses att utan att ändra den allmänna linsutformningen kan de beskrivna teleskopen vara dimen- sionerade för att ge vilken som helst önskad förstoring inom området 0,5 till 35 och synfältet och bildutrymmes- pupillen ø kan vara oberoende förstorad eller reducerad i storlek. Det skall noteras, att f-numret här specifi- cerat är härlatt från formeln (znsln e)"1, där e är hal- va vinkeln av konen bildad av det axiella fältknippet efter brytning från linselementet på vilket knippet är in- fallande. nata l tabellerna l-vll ar för 2o°c.

TABELL I Lins Yta Avvikelse Kröknings- Material Bländar~ radie diameter Ingångs- pugül* 6 O Plan Luft _ 15,30 A 1 25,34 -119,20 Luft 37,61 2 4,25 -66,25 Ge 38,41 B 0,50 29,36 Luft 34,42 4 11,94 22,88 Ge 23,29 C 82,32 -300,77 Luft 72,09 7,50 -1799,7O As/Se/Ge 76,40 (BS1), D r-á* 59,01 -2o4,9s Luft 141,37 15,71 -141,40 Ge 148,11 * Maximal fältvinkel vid ingångspupill = 46,40. %Å'Yta 7 har en icke-sfärisk profil. 453 868 :fr 31 10 "TÅšEfifi'ií Approx;.R.M.S. punktstorlekar i objektomrâdet (i milliradianer) Fält Monokromatik vid *Kromatik över 10,0 mikron 8,5 - 11,5 mikron Axfelí o,oss o,oa1 § _ 0,071 0,105 3/4 0,073 0,113 Total. 0,101 0,145 * Given som en lika avvägd samlad mätning med tre våg- längder, varvid våglängderna är 8,5, 10,0 och 11,5 mikron. 453 868 9 l.- 411 TABELL III Radiellt. avstånd vinkelrätt Djup fié hos icke-sfärisk P9? 9?*'4*?1F?-.'a¥?1ï* Pmfil ' (mm) 3 6 ' "(mikron) 0,00 0,00 2,83 -0,03 5,65 -0,10 , 8,48 -0,22 11,31 -0,39 14,14 -0,59 16,96 -0,82~ 19,79 -1,o7~' 22,62 -1,33 25,45 -1,58 28,27 -1,83 31,10 -2,05 33,93 -2,23 36,76 -2,36 39,58 -2,44 42,41 - -2,45 45,24 - -2,39 48,06 -2,26 50,89 -2,06 53,72 -1,79 56,55 ~1,47 59,37 -1,11 62,20 -0,75 65,03 -0,41 67,86 -0,14 70,68 * ' 0,00 Krökningsradie för bäst anpassad sfär - 204,7fl"4 mm fiáé Djup hos icke-sfärisk profil är definerad som avvikelse- :avståndet mellan punkter, av lika radiellt avstånd vin- kelrätt mot optiska axeln, av den icke-sfäriska profilen 'och bäst anpassad sfär- Minustecknet uttrycker avlägsnandet av linselementmateria- let från den bäst anpassade sfären för att erhålla icke-sfärisk Pïbfil. 453 868 12 "TABELL IV 1;ï * Brytninfisindex är för 10 mikron. áåöver våglängdsomrâdet 8,5 - 11,5 mikron.

Mgterial Brytningsindex * V-värde 7.

BS2 2,85632 248 BSA: 2,77917 209 fi 1173 2,soo1o 142 AMQIR 2,49745 169 BS1 2,49158 152 TI 20 2,49126 144 ZnSe 2,40653 77 KRS 5 2,37044 260 CSI 1,73933 316 CsBr 1,66251 176 KI 1,62023 137 U 453 868 é I? #1 13 TABELL V Lins Yta Avvikelse Krölmings- Material Bländar- radie diameter Ingàmß- pqfill* ø O Plan Luft 15,30 A" 1" 19,52 -199,20, ' _Luft 32,80 * ' 2" 4,18 -100,08 Ge 33,93 A, 1' 8,50 -476,45 Luft 36,54 2' 3,75 -110,89 Ge 36,87 B 0,50 30,79 Luft 33,16 4 12,77 23,01 Ge 21,71 C 74,06 -286,13 Luft 66,69 7,50 -7s21,9s As/se/Ge 70,97 (BSH D 7%? 61,95 -193,98 Luft 137,91 * Maximal fältvinkel vid ingångspupill = 46,40.

(I) Såsom erfordrad av denna förstoringsmetod. åáš Yta 7 har en icke-sfärisk profil. 453 868 å* 14 ~ àixaàfinïšr: _ _Approx. R.M.S. punktstorlekar i objektområdet (irfillnadiææm Fält Monckromatik vid ' *Kromatik över 8,5 - 10,0 mikron 11,5 mikron Axíell o,o4o o,o7s å 0,044 0,093 3/4 0,052 0,108 Total 0,089 0,140 * Given som en lika avvägd samlad mätning med tre våg-I längder, varvid våglängderna ät 8,5, 10,0 och 11,5 mikron.

M 453 868 lïj 15 §§pELL'vI1 Ra&iellt.avstånd vinkelrätt Djug¥æos itke-sfärisk jmet optiska axeln práfil 0 (mm)' (fiikron) 0,00 0,00 2176 *0,01- 5,52 -0,05 53,27 -0,12 .11:03 -0,20 13,79 -0,31 , 16,55 -0,42 19,31 -0,54 22,07 -0,65 24,82 -0,76 27,58 -0,85 30,34 -0,91 33:10 -0,95 35,36 -0,95 38:61 -0,91 41:37 ~0,83 44,13 -0,72 46,89 -0,58 49,65 -0,42 52,41- ' -0,27 55,16 -0,13 57,92 -0,05 60,68 -0,07 63,44 -0,24 .§ß,2°.. __ _. _, _. _. -w 69,95 - ' 5 41,26 _ . Kiökñinqšráåiè'fÖf'Bäàt'añpaàSad sfär = 4193,R4 mm_ # Djup hos icke-sfärisk profil är definerad som avvikelse- avstândet mellan punkter, av lika radíellt avstånd vin- kelrätt mat optiska axeln, av den icke-sfäriska profilen oeh bä§t.anpassad sfär.

Mihuätecknet uttrycker avlägsnandet av linselementmate- rialet från dn bäst anpassade sfären för att erhålla icke4sfärisk profil.

Claims (7)

553 ses? fi' 16 P A T E N T K R A V

1. Icke fokuserande refraktorteleskop bildat av ett akro- matiskt telefotoobjektivsystem (10) med fixerad fokus och ett okularsystem (11) med fixerad fokus liggande i linje på en gemensam optisk axel (12) och anordnade att åstad- komma en inre realbild (13), varvid objektivsystemet (10) är bildat av ett primärt linselement (D) och ett sekundärt linsêlement (C) och okularsystemet (11) är bildat av åtmin- stone tvâ linselement (A,B), varvid vart och ett av tele- skopets linselement (A,B,C,D) är bildat av ett material med en effektiv spektral bandpass i det infraröda våglängds- pomrâdet och har brytningsytor (1,2,3,4,5,6,7,8) som skär den optiska axeln (12), k ä n n e t e c k n'a t a v att åtminstone en av brytningsytorna (7,8) för det primära objektivlinselementet (D) är icke-sfärisk och var och en av brytningsytorna (1,2,3,4,5,6) för de andra linselementen (A,B,C) hos teleskopet är i huvudsak sfärisk, varvid den icke-sfäriska ytan (7,8) är svagt icke-sfärisk, att det sekundära cbjektivlinselementet (C) är negativt förstärkt och har eU:brytningsindex lika med eller lägre än brytnings- index för det primära objektivlinselementet (D) som är positivt förstärkt, och att teleskopet har ett inre f-nummer i luftutrymmet mellan det primära och det sekundära objektiv- linselementet mindre än 1,5.

2. Refraktorteleskop enligt krav 1, k ä n n e t e c k n a t a v - att var och en av brytningsytorna (7,8) för det pri- mära objektivlinselementet (D) är icke-sfärisk.

3. Refraktorteleskop enligt krav 1 eller 2, k ä n n e - t e c k n a t a v att varje icke-sfärisk brytningsyta (7,8) satisfierar ekvationen: z.c = +1-f17- c(c.n2 + 13414 + G.H6 + (1) där Z = avståndet längs optiska axeln, 453 868 z' f.- __ 17 ä' C = 1/R, där R = krökningsradien för yta 7' H = radiella avståndet vinkelrätt mot optiska axeln, B = icke-sfärisk koefficient av första ordningen, G = icke-sfärisk koefficient av andra ordningen, .... = termer av högre ordning, varvid icke-sfäriska koefficienter av tredje och högre ordning är noll.

4.;,Refraktorteleskop enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t a v att det sekundära objektiv- linselementet (C) har ett brytningsindex lika med eller mindre än brytningsindex för vart och ett av de andra lins- elementen (A,B,D) för teleskopet.

5. Refraktorteleskop enligt något av kraven 1-3, k ä n n e t e c k n a t a v att det dispersiva V-värdet för det sekundära objektivlinselementet (C) är mindre än det dispersiva V-värdet för det primära objektivlinsele- mentet (D).

6. Refraktorteleskop enligt krav 5, k ä n n e t e c k - n a t a v att det sekundära objektivlinselementet (C) är monterat för rörelse längs den optiska axeln (12).

7. Refraktorteleskop enligt något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a t av att nämnda inre f-nummer är approximativt lika med 0,9.