DE19943371A1

DE19943371A1 - Optik für ein Beobachtungsinstrument mit Zitterkompensation

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Publication number: DE19943371A1
Application number: DE19943371A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Yano
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1998-09-10
Filing date: 1999-09-10
Publication date: 2000-03-16
Anticipated expiration: 2019-09-11
Also published as: DE19943371C2; US6198575B1; JP2000089104A

Abstract

Eine Optik für ein Doppelfernrohr (10) enthält ein Objektivsystem (OL), ein Aufrichtesystem (PS) und ein Beobachtungssystem (EP). Das Objektivsystem (OL) enthält eine erste Linse (L1) mit positiver Brechkraft, eine zweite Linse (L2) und eine dritte Linse (L3), die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind. Mindestens eine Fläche der ersten Linse (L1) ist asphärisch. Von der zweiten und der dritten Linse (L2, L3) hat eine positive Brechkraft, während die andere negative Brechkraft hat. Die erste Linse (L1) ist zur Bildstabilisierung senkrecht zur optischen Achse bewegbar.

Description

Die Erfindung betrifft eine Optik für ein Beobachtungsinstrument wie z. B. ein Doppelfernrohr oder ein terrestrisches Fernrohr, das mit einem Zitterkompensati onssystem ausgestattet ist.

In der Vergangenheit wurden Doppelfernrohre entwickelt, die Zitterkompensati onssysteme haben, die das Zittern oder Schwingen des betrachteten Bildes in folge der Handzitterbewegung des Benutzers verhindern. Die Japanische Offen legungsschrift HEI6-43365 beschreibt ein Zitterkompensationssystem eines Dop pelfernrohrs, das für jedes Fernrohr ein Prisma mit variablem Scheitelwinkel ver wendet. Fig. 37 zeigt ein Beispiel für ein Fernrohrsystem, bei der die Anordnung der optischen Komponenten der in der vorstehend genannten Veröffentlichung beschriebenen Anordnung entspricht. Diese Optik enthält eine zweiteilige Linsen komponente als Objektiv 1, ein Prisma 2 mit variablem Scheitelwinkel als Kom pensationselement, ein Aufrichtesystem 3 und ein Okular 4. Schwingt die Optik infolge der Handzitterbewegung des Benutzers, so wird der Scheitelwinkel des Prismas so angesteuert, daß das Bild stabilisiert wird.

Da jedoch bei einem solchen Aufbau das Prisma in dem konvergenten Licht an geordnet ist, tritt bei Änderung des Scheitelwinkels des Prismas 2 starke Dezen trierungskoma auf. Fig. 38 zeigt die axiale Koma im Standardzustand, in dem der Scheitelwinkel des Prismas 2 0° beträgt. Dagegen zeigt Fig. 39 die axiale Koma, wenn das Prisma 2 bei einer Kippung der Optik um 1° zur Bildstabilisierung an gewinkelt ist. Das von dem Benutzer betrachtete Bild wird durch die Dezentrie rungskoma verschlechtert, wenn das Prisma zur Kompensation der Bildschwin gung angewinkelt wird. Zwar zeigen die Fig. 38 und 39 die Komaänderung an Hand eines speziellen Beispiels, es gilt jedoch allgemein, daß Kompensationssy steme, die ein Prisma mit variablem Scheitelwinkel verwenden, verstärkt Dezen trierungskoma erzeugen.

Ein weiteres Beispiel eines für ein Doppelfernrohr bestimmten Zitterkompensati onssystems liefert die Japanische Offenlegungsschrift HEI6-308431. Das dort be schriebene Doppelfernrohr verwendet eine Kompensationsvorrichtung, die vor den Objektivsystemen des Doppelfernrohrs angebracht ist. Durch diese Anord nung kann die Dezentrierungskoma bei angewinkeltem Kompensationsprisma verringert werden. Da jedoch im allgemeinen in einem Fernrohrsystem die erste Linse des Objektivsystems den größten Durchmesser hat und die Kompensati onsvorrichtung vor dieser Linse angeordnet ist, ist die Abmessung der Kompen sationsvorrichtung groß, wodurch auch die Abmessung des Doppelfernrohrs ins gesamt ansteigt.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Optik für ein Beobachtungsinstrument mit Zit terkompensation anzugeben, die das Auftreten von Dezentrierungskoma verhin dert, ohne daß die Abmessung des Kompensationssystems vergrößert werden muß.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Optik mit den Merkmalen des An spruchs 1.

Durch den Aufbau nach Anspruch 1 wird die Erzeugung von Dezentrierungskoma bei der Kompensation der Bildschwingung verhindert, da die erste Linse des Ob jektivsystems zur Kompensation bewegt wird. Da bei der Erfindung das Kompen sationselement Teil des Objektivsystems ist, kann die Abmessung des Beobach tungsinstrumentes kleiner als bei herkömmlichen Instrumenten gehalten werden, in denen objektseitig des Objektivsystems ein zusätzliches Prisma angeordnet ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung.

Für die folgende Beschreibung soll unter dem Begriff "paraxialer Axialstrahl" ein Strahl verstanden werden, der von einem Objektpunkt auf der optischen Achse im Unendlichen stammt.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei gen:

Fig. 1 die Draufsicht auf ein Doppelfernrohr mit einer erfindungsgemäßen Optik und Darstellung eines der beiden Fernrohrsysteme,

Fig. 2 die Vorderansicht des Doppelfernrohrs nach Fig. 1,

Fig. 3 den schematischen Ausbau eines in Fig. 1 gezeigten Mechanismus,

Fig. 4 das Blockdiagramm eines Steuersystems zum Steuern des An triebsmechanismus,

Fig. 5 die Linsenanordnung eines Fernrohrsystems gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,

Fig. 6A bis 6D unterschiedliche Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 5,

Fig. 7 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 5 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 8 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 5 bei Dezentrierung der ersten Linse zur Bildstabilisierung eines Bildes bei einem Kipp winkel von 1°,

Fig. 9 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel,

Fig. 10A bis 10D unterschiedlicher Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 9,

Fig. 11 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 9 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 12 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 9 bei Dezentrierung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 13 den Linsenaufbau des Fernrohrsystems gemäß einem dritten Aus führungsbeispiel,

Fig. 14A bis 14D unterschiedlicher Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 13,

Fig. 15 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 13 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 16 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 13 bei Dezentrie rung der zweiten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 17 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel,

Fig. 18A bis 18D unterschiedliche Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 17,

Fig. 19 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 17 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 20 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 17 bei Dezentrie rung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 21 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel,

Fig. 22A bis 22D unterschiedliche Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 21,

Fig. 23 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 21 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 24 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 21 bei Dezentrie rung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 25 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel,

Fig. 26A bis 26D unterschiedliche Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 25,

Fig. 27 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 25 ohne Dezentrie rung der Linse,

Fig. 28 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 25 bei Dezentrie rung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 29 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel,

Fig. 30A bis 30D unterschiedlicher Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 29,

Fig. 31 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 29 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 32 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 29 bei Dezentrie rung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 33 die Linsenanordnung des Fernrohrsystems gemäß einem achten Ausführungsbeispiel,

Fig. 34A bis 34D unterschiedlicher Aberrationen des Fernrohrsystems nach Fig. 33,

Fig. 35 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 33 ohne Dezentrie rung einer Linse,

Fig. 36 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 33 bei Dezentrie rung der ersten Linse zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°,

Fig. 37 die Linsenanordnung eines Fernrohrsystems eines herkömmlichen Doppelfernrohrs, das ein Prisma mit veränderlichem Scheitelwinkel verwendet,

Fig. 38 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 37 bei einem Scheitelwinkel des Prismas von 0° und

Fig. 39 die axiale Koma des Fernrohrsystems nach Fig. 37 bei Anwinklung des Prismas zur Bildstabilisierung bei einem Kippwinkel von 1°.

Fig. 1 zeigt ein Doppelfernrohr 10 mit zwei optischen Fernrohrsystemen nach der Erfindung. Das Doppelfernrohr 10 enthält weiterhin ein System zum Kompensie ren der Bildschwingung bzw. des Bildzitterns, kurz Zitterkompensationssystem. Fig. 2 zeigt die Vorderansicht des Doppelfernrohrs 10. Dieses hat einen zentralen Körper 11 und zwei Griffteile 12, die links bzw. rechts mit dem Körper 11 verbun den sind. Die Griffteile 12 sind gegenüber dem Körper 11 schwenkbar, um so ih ren Abstand voneinander dem Pupillenabstand des Benutzers anzupassen. An einem hinteren Teil des zentralen Körpers 11 ist eine Dioptrieneinstellscheibe 13 angebracht.

Das Doppelfernrohr 10 hat für das rechte Auge des Benutzers das rechte Fern rohrsystem und für das linke Auge des Benutzers das linke Fernrohrsystem, die nebeneinander angeordnet sind. Da das linke Fernrohrsystem symmetrisch zu dem rechten ist, zeigt Fig. 1 nur die in dem rechten Fernrohrsystem enthaltenen Elemente, auf die im folgenden bei der Beschreibung Bezug genommen wird. In dem Doppelfernrohr 10 nach Fig. 1 wird ein erstes Ausführungsbeispiel des Fern rohrsystems verwendet. Das Fernrohrsystem besteht aus einem Objektivsystem OL zum Erzeugen eines Objektbildes, einem Aufrichtesystem PS zum Aufrichten des Bildes und einem Okular EP als Beobachtungssystem, mit dem das von dem Objektivsystem OL erzeugte und von dem Aufrichtesystem PS aufgerichtete Bild beobachtet werden kann.

Das in dem zentralen Körper 11 vorgesehene Objektivsystem OL enthält eine er ste Linse L1 mit positiver Brechkraft, eine zweite Linse L2 und eine dritte Linse L3. Die erste, die zweite und die dritte Linse L1, L2 und L3 sind in der eben ge nannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet. Mindestens eine Fläche der ersten Linse L1 ist asphärisch. Eine der zweiten und dritten Linse L2, L3 hat positive Brechkraft, während die andere negative Brechkraft hat. In diesem Ausführungsbeispiel ist die zweite Linse L2 eine positive Linse und die dritte Linse L3 eine negative Linse. Die zweite und die dritte Linse L2 und L3 sind miteinander verkittet.

Die erste Linse L1 ist an einem Antriebsmechanismus 17 montiert, der sie senk recht zur optischen Achse O des Objektivsystems OL bewegt.

Das Objektivsystem OL erzeugt ein invertiertes Bild, das durch das Aufrichtesy stem PS in die richtige Orientierung aufgerichtet wird. Das Aufrichtesystem PS hat ein erstes Prisma PS1 und ein zweites Prisma PS2, die ein Porroprismensystem des Typs II bilden. Das erste Prisma PS1 hat zwei Reflexionsflächen zum Drehen des Bildes um 90°. Auch das zweite Prisma PS2 hat zwei Reflexionsflächen, um das Bild um weitere 90° zu drehen.

Das Okular EP hat fünf Linsengruppen L4 bis L8, durch die der Beobachter das von dem Aufrichtesystem PS aufgerichtete Bild betrachtet. Das Objektivsystem OL und das erste Prisma PS1 sind in dem Körper 11 angeordnet, während sich das zweite Prisma PS2 und das Okular EP in dem Griffteil 12 befinden.

Der Griffteil 12 ist gegenüber dem zentralen Körper 11 um die optische Achse O des Objektivsystems OL schwenkbar. Das Aufrichtesystem PS und das Okular EP werden gemeinsam mit dem Griffteil 12 geschwenkt. Der linke und der rechte Griffteil 12 schwenken in entgegengesetzte Richtungen. Der Benutzer kann dabei den Abstand zwischen dem linken und dem rechten Okular entsprechend seinem Pupillenabstand einstellen.

In dieser Beschreibung sind eine x-Achsenrichtung, im folgenden kurz x-Richtung, und eine y-Achsenrichtung, im folgenden kurz y-Richtung, bezüglich des Doppel fernrohrs 10 festgelegt. Die y-Richtung ist die Richtung, die senkrecht zu einer Ebene steht, welche die optischen Achsen O beider Fernrohrsysteme enthält. Die x-Richtung ist die Richtung, die parallel zu einer senkrecht zur optischen Achse O stehenden Ebene und senkrecht zur y-Richtung verläuft. Die x-Richtung und die y-Richtung verlaufen also senkrecht zueinander und zudem senkrecht zur opti schen Achse O.

Der Antriebsmechanismus 17 treibt die erste Linse L1 derart in x- und y-Richtung an, daß das von dem Benutzer betrachtete Bild selbst dann stabilisiert wird, wenn das Handzittern auf das Doppelfernrohr 10 übertragen wird.

In einer anfänglichen oder neutralen Position der ersten Linse L1 fällt deren opti sche Achse mit der optischen Achse O der zweiten und der dritten Linse L2, L3 zusammen.

Bewegt sich die Objektseite des Doppelfernrohrs relativ zur Okularseite durch das Handzittern in y-Richtung, so bewegt der Antriebsmechanismus 17 die erste Linse L1 derart in y-Richtung, daß die Bildposition beibehalten bleibt. Bewegt sich die Objektseite des Doppelfernrohrs 10 infolge des Handzitterns relativ zur Okular seite in x-Richtung, so bewegt der Antriebsmechanismus 17 in entsprechender Weise die erste Linse L1 derart in x-Richtung, daß die Bildposition beibehalten bleibt. In dieser Beschreibung wird der Winkel, der zwischen der optischen Achse O vor der Bewegung des Doppelfernrohrs 10 in y-Richtung und der optischen Achse O nach der Bewegung des Doppelfernrohrs in y-Richtung eingeschlossen ist, als Kippwinkel in y-Richtung bezeichnet, während der Winkel, der zwischen der optischen Achse O vor der Bewegung des Doppelfernrohrs 10 in x-Richtung und der optischen Achse O nach der Bewegung des Doppelfernrohrs 10 in x- Richtung eingeschlossen ist, als Kippwinkel in x-Richtung bezeichnet wird. Das auf das Doppelfernrohr 10 übertragene Handzittern kann durch den oder die Kippwinkel in x-Richtung und/oder durch den oder die Kippwinkel in y-Richtung dargestellt werden, so daß das Bild durch Bewegen der ersten Linse L1 in x- Richtung und/oder in y-Richtung stabilisierbar ist.

Fig. 3 zeigt ein Beispiel für den Antriebsmechanismus 17, der der Bewegung der ersten Linse L1 dient.

Der Antriebsmechanismus 17 hat einen rechteckigen Linsenrahmen 51, der die ersten Linsen L1 beider Fernrohrsysteme an an ihm ausgebildeten Öffnungen hält, sowie einen ersten Antrieb 55 zur linearen Verschiebung des Linsenrahmens 51 in y-Richtung und einen zweiten Antrieb 58 zur linearen Verschiebung des Linsenrahmens 51 in x-Richtung.

An Längsseiten des Linsenrahmens 51 ist ein Paar Führungsschienen 52 ausge bildet. Die Führungsschiene 52 hat eine Mittelschiene 52a und beiderseits dieser Mittelschiene 52a Seitenschienen 52b. Die beiden Seitenschienen 52b verlaufen senkrecht zur Mittelschiene 52a und sind in die gleiche Richtung ausgerichtet. Die Führungsschienen 52 sind so angeordnet, daß ihre Mittelschienen 52a parallel zur y-Achse verlaufen und die Enden der Seitenschienen 52b senkrecht zum Lin senrahmen 51 ausgerichtet sind.

Die Mittelschienen 52a der Führungsschienen 52 sind verschiebbar in Durch gangsbohrungen eingepaßt, die in zwei Halterungen 53 ausgebildet sind. Die zwei Halterungen 53 sind im Inneren eines Körpers 101 des Doppelfernrohrs ausgebildet.

Die Enden der Seitenschienen 52b der einen Führungsschienen sind verschieb bar in Bohrungen 51a eingesetzt, die an einer Seite des rechteckigen Linsenrah mens 51 ausgebildet sind. Die Enden der Seitenschienen 52b der anderen Füh rungsschienen 52 sind verschiebbar in Bohrungen 51a eingesetzt, die an der ent gegengesetzten Seite des Linsenrahmens 51 ausgebildet sind.

Mit dieser Anordnung ist der Linsenrahmen 51 in y-Richtung und in x-Richtung bewegbar.

Der erste und der zweite Antrieb 55, 58 sind an der Innenfläche des Körpers 101 des Doppelfernrohrs befestigt. Ein Bolzen 55a des ersten Antriebs 55 ist in y- Richtung ausfahrbar und zurückziehbar. Der Bolzen 55a liegt an einem Vorsprung 54 an, der an dem Linsenrahmen 51 zwischen den beiden ersten Linsen L1 aus gebildet ist. An den Mittelschienen 52a sind Schraubenfedern 56 vorgesehen, die den Linsenrahmen 51 gegenüber dem Körper 101 des Doppelfernrohrs 10 in Fig. 3 nach oben vorspannen.

Ein Bolzen 58a des zweiten Antriebs 58 ist in x-Richtung ausfahrbar und zurück ziehbar. Der Bolzen 58a liegt an einem Vorsprung 57 an, der an der Seite des Linsenrahmens 51 ausgebildet ist. An den Seitenschienen 52b der einen Füh rungsschiene 52 sind Schraubenfedern 59 vorgesehen, die den Linsenrahmen 51 in Fig. 3 nach rechts vorspannen.

Wird dem ersten Antrieb 55 elektrischer Strom zugeführt, um den Bolzen 55a auszufahren, so drückt dieser auf den Vorsprung 54 und bewegt so den Linsen rahmen 51 in Fig. 3 nach unten. Wird dem Antrieb 55 der elektrische Strom zu geführt, um den Bolzen 55a zurückzuziehen, so wird der Vorsprung 54 durch die Kraft der Schraubenfedern 56 in Kontakt mit dem Bolzen 55a gehalten, so daß der Linsenrahmen 51 in Fig. 3 nach oben bewegt wird.

Wird dem zweiten Antrieb 58 elektrischer Strom zugeführt, um den Bolzen 58a auszufahren, so wird in entsprechender Weise auf den Vorsprung 57 gedrückt, so daß der Linsenrahmen 51 in Fig. 3 linear nach links bewegt wird. Wird der elektri sche Strom zugeführt, um den Bolzen 58a zurückzuziehen, so bewegt sich der Linsenrahmen 51 durch die Kraft der Schraubenfedern 59 in Fig. 3 nach rechts.

Wird die erste Linse L1 in y-Richtung bewegt, so bewegt sich das Bild aus Sicht des Benutzers in vertikaler Richtung, d. h. nach oben oder nach unten. Durch An steuern des ersten Antriebs 55 kann die durch die vertikale Handzitterbewegung verursachte vertikale Bildbewegung kompensiert werden, während durch Ansteu ern des zweiten Antriebs 58 die horizontale Bildbewegung kompensiert werden kann, welche von der horizontalen Handzitterbewegung herrührt.

Der Antriebsmechanismus 17 ist mit einem Positionssensor 221 für die x-Rich tung, kurz x-Positionssensor, und mit einem Positionssensor 227 für die y-Rich tung, kurz y-Positionssensor, versehen, die ebenfalls an dem Körper 101 des Doppelfernrohrs befestigt sind. Der jeweilige Positionssensor ist beispielsweise ein optischer Sensor, der ein Lichtaussendeelement und eine positionsempfindli che Vorrichtung, kurz PSD, enthält.

Wie in Fig. 4 gezeigt, werden der erste und der zweite Antrieb 55, 58 von einer Steuerung 233 über Treiber 222 und 228 angesteuert. Die Steuerung 233 steuert die Treiber 222 und 228 auf Grundlage der Signale an, die aus einem für die ver tikale Handzitterbewegung bestimmten Sensor 150V, im folgenden als Vertikal schwingungssensor bezeichnet, aus einem für die horizontale Handzitterbewe gung bestimmten Sensor 150H, im folgenden als Horizontalschwingungssensor bezeichnet, aus dem x-Positionssensor 221 und aus dem y-Positionssensor 227 stammen.

Die Steuerung 233 berechnet Werte für die durch das Handzittern verursachten Bewegungen des Doppelfernrohrs in vertikaler und in horizontaler Richtung und steuert die Treiber 222 und 228 so an, daß die Antriebe 55 und 58 mit einem Wert angetrieben werden, der der Größe der durch das Handzittern verursachten Bildbewegung entspricht. Die Steuerung 223 bestimmt auf Grundlage des durch die Schwingungssensoren 150V und 150H erfaßten Bewegungswertes eine Ziel position, in der der Linsenrahmen 51 zu positionieren ist, damit die durch das Handzittern verursachte Positionsänderung des Bildes beseitigt wird. Die Steue rung 233 veranlaßt dann den Treiber, den Linsenrahmen 51 in die berechnete Zielposition zu bewegen, wobei die von den Positionssensoren 221 und 227 er faßte Position überwacht wird. Da die vorstehend erläuterte Ansteuerung konti nuierlich durchgeführt wird, aktualisiert die Steuerung 233 fortwährend die Zielpo sition, so daß die Bildschwingung infolge der Handzitterbewegung kompensiert wird.

Das Ausführungsbeispiel des Fernrohrsystems erfüllt folgende Bedingungen (1), (2) und (3):

0,5 < |tan 1°/ϕ₁| < 5,0 (Einheit: mm) (1)

|ϕ₂₃/ϕ₁₃| < 1,00 (2)

1,0 < hi/hx < 1,5 (3)

Darin bezeichnen
ϕ₁ die Brechkraft der ersten Linse,
ϕ₂₃ die zusammengesetzte Brechkraft von zweiter und dritter Linse,
ϕ₁₃ die zusammengesetzte Brechkraft des Objektivsystems,
hi die von der optischen Achse aus gerechnete Höhe eines Schnittpunktes ei nes paraxialen Axialstrahls auf der objektseitigen Fläche der zweiten Linse (hi≠0) und
hx die von der optischen Achse aus gerechnete Höhe eines Schnittpunktes des paraxialen Axialstrahls auf der dem Aufrichtesystem zugewandten Fläche der dritten Linse.

Die Bedingung (1) legt den Bereich der Dezentrierempfindlichkeit fest, die durch den Dezentrierwert der ersten Linse L1 definiert ist, der zur Stabilisierung des Bil des bei einem Kippwinkel der Optik von 1° erforderlich ist. Mit Dezentrierempfind lichkeit einer Linse ist die Wirkung auf das Bild (d. h. die Positionsänderung des Bildes und/oder die Änderung der Aberrationen) bei Dezentrierung der Linse um einen vorbestimmten Wert gemeint. Je größer die Empfindlichkeit ist, desto größer ist die Wirkung. Ist die Bedingung (1) erfüllt, so fällt die Dezentrieremp findlichkeit der ersten Linse L1 in einen Bereich, der zur Kompensation des in folge der Handzitterbewegung auftretenden Bildzitterns geeignet ist. Ist das in Bedingung (1) angegebene Verhältnis kleiner als die untere Grenze, so ist die Dezentrierempfindlichkeit für eine Ansteuerung zu hoch. Ist dagegen dieses Ver hältnis größer als die obere Grenze, so ist die Dezentrierempfindlichkeit zu ge ring, wodurch die Abmessung des Antriebsmechanismus sowie der Antriebswert der ersten Linse L1 ansteigen.

Die Bedingung (2) legt das Verhältnis der zusammengesetzten Brechkraft von zweiter und dritter Linse L2, L3 zu der zusammengesetzten Brechkraft des Objek tivsystems OL fest. Je kleiner dieses Verhältnis ist, desto leichter ist die Aberrati onskorrektion. Ist die Bedingung (2) erfüllt, so können die Aberrationen leicht kor rigiert werden. Ist das Verhältnis größer als die obere Grenze, so wird es schwie rig, sphärische Aberration und Koma zu korrigieren.

Die Bedingung (3) legt eine Winkelvergrößerung fest, wenn die zweite und die dritte Linse als afokales optisches System betrachtet werden. Ist Bedingung (3) erfüllt, so sind die Aberrationen leicht zu korrigieren. Ist jedoch das Verhältnis kleiner als die untere Grenze, so wird die dritte Linse L3 zu groß, um das Objek tivsystem kompakt zu halten. Ist das Verhältnis größer als die obere Grenze, so wird der Unterschied zwischen den Höhen hi und hx so groß, daß die Korrektion von sphärischer Aberration, axialer chromatischer Aberration und lateraler chro matischer Aberration schwierig wird.

In dem auf dem Prinzip der Linsendezentrierung arbeitenden Zitterkompensati onssystem sollte die träge Masse der Kompensationslinse so klein wie möglich sein, um die Last für den Antriebsmechanismus gering zu halten. Die Kompensa tionslinse besteht deshalb vorzugsweise aus einer Kunststofflinse, die leichter als eine Glaslinse ist.

Eine Linse mit großer sphärischer Aberration erzeugt eine große Dezentrierungs koma, wenn die Linse infolge der Bildschwingungskompensation dezentriert wird. Die sphärische Aberration der Kompensationslinse sollte deshalb so klein wie möglich sein. Da die Kompensationslinse aus einer einzelnen Linse L1 besteht, ist diese vorzugsweise eine asphärische Linse, die am Rand dicker ist als eine sphärische Linse mit gleichem axialen Krümmungsradius, um so die sphärische Aberration zu korrigieren. Unter diesem Gesichtspunkt hat die Kunststofflinse den Vorteil, daß an ihr eine asphärische Fläche nach dem Spritzgußverfahren leicht herzustellen ist.

Die zweite und die dritte Linse L2 und L3 können miteinander verkittet sein. In diesem Fall ist vorzugsweise die Bedingung (4) erfüllt:

-0,3 < ϕ₄/ϕ₁₃ < 0,0 (4)

worin ϕ₄ die Brechkraft der Kittfläche von zweiter und dritter Linse ist.

Da die Brechkraft ϕ₁₃ einen positiven Wert hat, nimmt die Brechkraft ϕ₄ ebenfalls einen positiven Wert an, wenn das Verhältnis größer als die obere Grenze der Bedingung (4) ist. In diesem Fall bereitet es Schwierigkeiten, die chromatische Aberration in dem über positive Brechkraft verfügenden Objektivsystem insgesamt zu korrigieren. Ist ϕ₄ so klein, daß das Verhältnis die untere Grenze der Bedin gung (4) unterschreitet, so wird die Krümmung der Kittfläche zu stark oder der Unterschied der Brechungsindizes zwischen zweiter und dritter Linse zu groß. Die starke Krümmung führt zu einer schwierigen Verarbeitung und begünstigt das Ab blättern. Der große Unterschied in den Brechungsindizes erfordert hochbrechen des Material, wodurch das Objektiv teurer wird. Ist ϕ₁₃ so klein, daß das Verhältnis kleiner als die untere Grenze der Bedingung (4) ist, so wird die gesamte Länge des Objektivsystems zu groß.

Andererseits können die zweite und die dritte Linse L2, L3 unabhängig voneinan der angeordnet sein, ohne miteinander verkittet zu sein. In diesem Fall ist vor zugsweise die Bedingung (5) erfüllt:

D₂₃/f₁₃ < 0,2 (5)

worin
D₂₃ den Abstand zwischen der objektseitigen Fläche der zweiten Linse und der dem Aufrichtesystem zugewandten Fläche der dritten Linse und
f₁₃ die Brennweite des Objektivsystems bezeichnet.

Bedingung (5) legt den Abstand zwischen der zweiten und der dritten Linse L2, L3 bezogen auf die Brennweite des Objektivsystems OL fest. Ist Bedingung (5) er füllt, so wird die Dezentrierempfindlichkeit und/oder Neigungsempfindlichkeit so klein, daß das Objektiv einfach, d. h. ohne zu hohe Genauigkeitsanforderungen herzustellen und zusammenzubauen ist. Ist dagegen das Verhältnis größer als die obere Grenze der Bedingung (5), so wird die Empfindlichkeit so hoch, daß eine sehr genaue Herstellung und Montage erforderlich sind, wodurch das In strument teurer wird.

Im folgenden werden numerische Ausführungsbeispiele der Fernrohrsysteme un ter Bezugnahme auf die Fig. 5 bis 36 erläutert.

Erstes Ausführungsbeispiel

Fig. 5 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Fernrohrsystems. Dessen numeri sche Daten sind in Tabelle 1 angeführt. Das Objektivsystem OL enthält die posi tive erste Linse L1, die positive zweite Linse L2 und die negative dritte Linse L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse, und die zweite und die dritte Linse L2, L3 sind miteinander verkittet. Die erste Linse L1 ist eine Kunststofflinse mit einer asphärischen Fläche. Die Prismen PS1 und PS2 des Aufrichtesystems PS sind in Fig. 5 als planparallele Platten dargestellt. Das Okular EP enthält die negative vierte Linse L4, die positive fünfte Linse L5, die negative sechste Linse L6, die positive siebte Linse L7 und die positive achte Linse L8.

In Tabelle 1 bezeichnet ER den Durchmesser eines Augenrings (mm), ω den hal ben Feldwinkel (Grad), Dpt die Dioptrie, r (mm) den Krümmungsradius der ent sprechenden Fläche (d. h. für asphärische Flächen den Wert am Scheitel), d (mm) den Abstand zwischen den Flächen längs der optischen Achse, nd den Bre chungsindex bei einer Wellenlänge von 588 nm und ν die Abbe-Zahl.

Tabelle 1

Die Flächen mit den Nummern 1, 10 und 13 sind asphärisch. Eine asphärische Fläche läßt sich durch folgende Gleichung ausdrücken:

worin X(h) die Durchbiegung (SAG) bezeichnet, d. h. den Abstand der Kurve von einer Tangentialebene an einem Punkt auf der Fläche, an dem die Höhe über der optischen Achse h ist. C ist die Krümmung (1/r) des Scheitels der Fläche und K die Kegelschnittkonstante. A₄, A₆ und A₈ sind Asphärizitätskoeffizienten vierter, sechster bzw. achter Ordnung. Die Kegelschnittkonstanten K und die Koeffizien ten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 2 angeführt.

Tabelle 2

Die Fig. 6A bis 6D zeigen Aberrationen dritter Ordnung des ersten Ausführungs beispiels des Fernrohrsystems: Fig. 6A zeigt die sphärischen Aberrationen bei der d-Linie (588 nm), der g-Linie (436 nm) und der C-Linie (656 nm);

Fig. 6B zeigt die laterale chromatische Aberration bei denselben Wellenlängen wie in Fig. 6A;

Fig. 6C zeigt den Astigmatismus (S. Sagittal, M: Meridional) und

Fig. 6D zeigt die Verzeichnung.

Die vertikale Achse in Fig. 6A stellt den Durchmesser des Augenrings dar, wäh rend die vertikalen Achsen in den Fig. 6B bis 6D jeweils den Winkel β angeben, den der Austrittsstrahl aus dem Okular mit der optischen Achse einschließt. Die Einheit der horizontalen Achse ist in den Fig. 6A bis 6C mm und in Fig. 6D Pro zent.

Fig. 7 zeigt an Hand eines Graphen die axiale Koma des ersten Ausführungsbei spiels des Fernrohrsystems ohne Dezentrierung der ersten Linse L1. Fig. 8 zeigt die axiale Koma für den Fall, daß die erste Linse L1 um 2,25 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem durch das Handzittern verursachten Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. Bei dem ersten Ausführungsbeispiel kann selbst bei einer Dezentrie rung der ersten Linse L1 die Koma kleiner gehalten werden als bei dem her kömmlichen Zitterkompensationssystem, das ein Prisma mit variablem Scheitel winkel verwendet.

Zweites Ausführungsbeispiel

Fig. 9 zeigt eine Optik als zweites Ausführungsbeispiel. Die numerischen Daten des zweiten Ausführungsbeispiels sind in Tabelle 3 angeführt. Das Objektivsy stem OL enthält die drei Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensa tionslinse. Die positive zweite Linse L2 und die negative dritte Linse L3 sind mit einander verkittet.

Tabelle 3

Die Flächen mit den Nummern 1, 10 und 13 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 4 angeführt.

Tabelle 4

Die Fig. 10A bis 10D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des zweiten Ausfüh rungsbeispiels des Fernrohrsystems. Fig. 11 zeigt die axiale Koma des Fernrohr systems, wenn die erste Linse L1 nicht dezentriert ist. Fig. 12 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 2,27 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als bei dem herkömmlichen Kompensationssy stem.

Drittes Ausführungsbeispiel

Fig. 13 zeigt eine Optik gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Dessen nume rische Daten sind in Tabelle 5 angeführt. Die Objektivlinse OL enthält die drei Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die positive zweite Linse L2 und die negative dritte Linse L3 sind miteinander verkittet.

Tabelle 5

Die Flächen mit den Nummern 1, 10 und 13 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 6 angeführt.

Tabelle 6

Die Fig. 14A bis 14D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des dritten Ausfüh rungsbeispiels des Fernrohrsystems. Fig. 15 zeigt die axiale Koma des Fernrohr systems, wenn die erste Linse L1 nicht dezentriert ist. Fig. 16 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse um 4,00 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem dritten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensationssystem.

Viertes Ausführungsbeispiel

Fig. 17 zeigt eine Optik gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel. Dessen nume rische Daten sind in Tabelle 7 angeführt. Das Objektivsystem OL enthält die drei Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die negative zweite Linse L2 und die positive dritte Linse L3 sind miteinander verkittet.

Tabelle 7

Die Flächen mit den Nummern 1, 10 und 13 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 8 angeführt.

Tabelle 8

Die Fig. 18A bis 18D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des vierten Ausfüh rungsbeispiels des Fernrohrsystems. Fig. 19 zeigt die axiale Koma des Fernrohr systems, wenn die erste Linse L1 nicht dezentriert ist. Fig. 20 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 1,80 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem vierten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensationssystem.

Fünftes Ausführungsbeispiel

Fig. 21 zeigt eine Optik gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel. Die numeri schen Daten sind in Tabelle 9 angegeben. Das Objektiv OL enthält die drei Lin sen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die positive zweite und die negative dritte Linse L3 sind unabhängig voneinander angeordnet, ohne miteinander verkittet zu sein.

Tabelle 9

Die Flächen mit den Nummern 2, 12 und 14 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 10 angeführt.

Tabelle 10

Die Fig. 22A bis 22D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des fünften Ausfüh rungsbeispiels des Fernrohrsystems. Fig. 23 zeigt die axiale Koma des fünften Ausführungsbeispiels, wenn die erste Linse nicht dezentriert ist. Fig. 24 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 2,00 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem fünften Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensati onssystem.

Sechstes Ausführungsbeispiel

Fig. 25 zeigt eine Optik gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel. Die numeri schen Daten sind in Tabelle 11 angeführt. Die Objektivlinse OL enthält die drei Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die positive zweite Linse L2 und die negative dritte Linse L3 sind unabhängig voneinander angeordnet, ohne miteinander verkittet zu sein.

Tabelle 11

Die Flächen mit den Nummern 2, 12 und 14 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 12 angeführt.

Tabelle 12

Die Fig. 16A bis 26D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des Fernrohrsy stems gemäß dem sechsten Ausführungsbeispiel. Fig. 27 zeigt die axiale Koma des Fernrohrsystems des sechsten Ausführungsbeispiels, wenn die erste Linse L1 nicht dezentriert ist. Fig. 28 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 1,00 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem sechsten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensationssystem.

Siebentes Ausführungsbeispiel

Fig. 29 zeigt eine Optik gemäß einem siebenten Ausführungsbeispiel. Die nume rischen Daten sind in Tabelle 13 angeführt. Das Objektivsystem OL enthält die Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die positive zweite Linse L2 und die negative dritte Linse L3 sind unabhängig voneinander angeordnet, ohne miteinander verkittet zu sein.

Tabelle 13

Die Flächen mit den Nummern 2, 12 und 14 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 14 angeführt.

Tabelle 14

Die Fig. 30A bis 30D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des Fernrohrsy stems des siebenten Ausführungsbeispiels. Fig. 31 zeigt die axiale Koma des Fernrohrsystems des siebenten Ausführungsbeispiels, wenn die erste Linse L1 nicht dezentriert ist. Fig. 32 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 2,01 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem siebten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensationssystem.

Achtes Ausführungsbeispiel

Fig. 33 zeigt eine Optik gemäß einem achten Ausführungsbeispiel. Die numeri schen Daten sind in Tabelle 15 angeführt. Das Objektiv OL enthält die drei Linsen L1 bis L3. Die erste Linse L1 ist eine Kompensationslinse. Die negative zweite Linse L2 und die positive dritte Linse L3 sind unabhängig voneinander angeord net, ohne miteinander verkittet zu sein.

Tabelle 15

Die Flächen mit den Nummern 2, 12 und 14 sind asphärisch. Die Kegelschnitt konstante K und die Koeffizienten A₄, A₆ und A₈ sind in Tabelle 16 angeführt.

Tabelle 16

Die Fig. 34A bis 34D zeigen die Aberrationen dritter Ordnung des Fernrohrsy stems des achten Ausführungsbeispiels. Fig. 35 zeigt die axiale Koma des Fern rohrsystems des achten Ausführungsbeispiels, wenn die erste Linse L1 nicht de zentriert ist. Fig. 36 zeigt die axiale Koma, wenn die erste Linse L1 um 1,00 mm dezentriert ist, um das Bild bei einem Kippwinkel von 1° zu stabilisieren. In dem achten Ausführungsbeispiel kann die Koma kleiner gehalten werden als in dem herkömmlichen Kompensationssystem.

Tabelle 17 zeigt für die vorstehend erläuterten Ausführungsbeispiele die Werte der Bedingungen (1), (2), (3), (4) und (5).

Tabelle 17

Alle Ausführungsbeispiele erfüllen die Bedingungen (1), (2) und (3). Das erste bis vierte Ausführungsbeispiel, in denen die zweite und die dritte Linse L2, L3 mitein ander verkittet sind, erfüllen die Bedingung (4). Andererseits erfüllen das fünfte bis achte Ausführungsbeispiel, in denen die zweite und die dritte Linse L2, L3 nicht miteinander verkittet sind, die Bedingung (5).

Claims

1. Optik für ein Beobachtungsinstrument (10) mit Zitterkompensation, mit einem Objektivsystem (OL), einem Aufrichtesystem (PS) und einem Beobachtungs system (EP), die von der Objektseite aus betrachtet in der genannten Rei henfolge angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektivsy stem (OL) versehen ist mit
einer ersten Linse (L1) mit positiver Brechkraft und mindestens einer asphä rischen Fläche,
einer zweiten Linse (L2), die auf der dem Aufrichtesystem (PS) zugewandten Seite der ersten Linse (L1) angeordnet ist,
und einer dritten Linse (L3), die auf der dem Aufrichtesystem (PS) zuge wandten Seite der zweiten Linse (L2) angeordnet ist,
wobei eine Linse der zweiten und dritten Linse (L2, L3) positive Brechkraft und die andere negative Brechkraft hat und die erste Linse (L1) zur Zitter kompensation senkrecht zur optischen Achse des Objektivsystems (OL) be wegbar ist.

2. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingun gen (1), (2) und (3) erfüllt sind:
0,5 < |tan 1°/ϕ₁| < 5,0 (1)
|ϕ₂₃/ϕ₁₃| < 1,00 (2)
1,0 < hi/hx < 1,5 (3)
worin mit
ϕ₁ die Brechkraft der ersten Linse (L1),
ϕ₂₃ die zusammengesetzte Brechkraft von zweiter und dritter Linse (L2, L3),
ϕ₁₃ die zusammengesetzte Brechkraft des Objektivsystems (OL),
hi die von der optischen Achse aus gerechnete Höhe des Schnittpunkts eines paraxialen Axialstrahls auf der objektseitigen Fläche der zweiten Linse (L2) und
hx die von der optischen Achse aus gerechnete Höhe des Schnittpunkts des paraxialen Axialstrahls auf der dem Aufrichtesystem (PS) zuge wandten Fläche
bezeichnet ist.

3. Optik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linse (L1) eine Kunststofflinse ist.

4. Optik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeich net, daß die zweite und die dritte Linse (L2, L3) miteinander verkittet sind und folgende Bedingung (4) erfüllt ist:
-0,3 < ϕ₄/ϕ₁₃ < 0,0 (4)
worin
ϕ₄ die Brechkraft der Kittfläche von zweiter und dritter Linse (L2, L3) und
ϕ₁₃ die zusammengesetzte Brechkraft des Objektivsystems (OL) ist.

5. Optik nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite und die dritte Linse (L2, L3) unabhängig voneinander angeordnet sind und folgende Bedingung (5) erfüllt ist:
D₂₃/f₁₃ < 0,2 (5)
worin
D₂₃ der Abstand zwischen der objektseitigen Fläche der zweiten Linse (L2) und der dem Aufrichtesystem (PS) zugewandten Fläche der dritten Linse (L3) und
f₁₃ die Brennweite des Objektivsystems (OL) ist.