DE3138818A1 - Afokales linsenfernrohr - Google Patents

Description

- 5 Beschreibung:

Die Erfindung befaßt sich mit einem afokalen Linsenfernrohr mit den Merkmalen gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobachtungssystemen, welche im englischen Sprachgebrauch unter der Abkürzung "FLIR" (forward l_ooking ,infrared systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren entstanden, welche in solchen Systemen verwendbar sind. Es sind schon verschiedene Fernrohre für "FLIR"-Systerne vorgeschlagen worden, von denen einige auch verhältnismäßig kompakt sind, doch bedingt die aus Gründen der praktischen Handhabung

Ib geborene Forderung nach .äußerst kompaktem Aufbau, insbesondere nach einer sehr geringen Gesamtlänge des Fernrohrs zugleich die Forderung nach einer geringen Pupillenaberration. Dies war ohne einen erheblichen optischen und mechanischen Aufwand beim Aufbau eines Linsenfernrohrs bislang nicht zu erreichen. Man hat daher schon katadioptrische Fernrohre entwickelt, welche den geforderten

kompakten Aufbau besitzen, doch sind diese im Aufbau zugleich recht komplex und haben den weiteren Nachteil, daß im Zentrum Verdunkelung auftritt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr kompaktes und im Aufbau dennoch einfaches, im infraroten Bereich arbeitendes Linsenfernrohr zu schaffen.

IU Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Linsenfernrohr mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Weil das erfindungsgemäße Fernrohr ein Linsenfernrohr ist, tritt im Zentrum der Öffnung keine Verdunkelung auf.

Weil bis auf eine Linse alle Linsen i.w. sphärische brechende Oberflächen besitzen, ist ihre Hersteilung recht einfach, und auch die eine asphärische Linse weicht mit einer oder beiden überflächen nur so wenig von der wahren Kugelflächengestalt ab, daß auch sie noch einfach herzustellen ist.

Das (Tele-)Objektiv kann farbkorrigierend ausgebildet werden, indem man die V-Zahl (Abbesche Zahl) der sekundären Objektivlinse niedriger als • jene der primären Objektiviinse wählt; und indem man den Brechungsindex dieser sekundären Objektivlinse kleiner wählt als jenen der primären Objektivlinse, kann das Fernrohr extrem kompakt aufgebaut werden und über einen weiten Vergrößerungsbereich nahe der durch Beugung bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden.

Die farbkorrigierende Linse des Objektivs besteht vorzugsweise aus einem Chalkogenidglas wie dem von der Fa. ßarr & Stroud Limited unter der Bezeichnung BSI vertriebenen Chalkogenidglas, wohingegen die übrigen Linsen aus üermanium bestehen können. Alle diese Materialien besitzen für das Spektralband im Wellenlangenbereich zwischen 3 .um und 13,Um eine brauchbare Durchlässigkeit. Andere gut geeignete Materialien für die farbkorrigierende Objektivlinse sind in Tabelle IV aufgeführt.

Die farbkorrigierende Linse kann relativ zu den übrigen Linsen unverschieblich angeordnet sein;

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vorzugsweise kann sie jedoch entlang der optischen Achse verschoben werden; der Vorteil dieser Anordnung Liegt darin, daß dadurch der Einfluß von Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann; ohne eine solche Kompensation würden Schwankungen der Umgebungstemperatur die Lage des im Innern des Fernrohrs erzeugten reellen Bildes verschieben. Ferner erlaubt die Verschiebbarkeit der farbkorrigierenden Linse des Objektivs eine

Justierung des Brennpunktes des Fernrohrs ohne jedoch vom afokalen Charakter des Fernrohrs abzugehen, falls das im Innern des Fernrohrs erzeugte reelle Bild nicht von hoher Qualität sein muß. Zweckmäßigerweise benutzt man zur BrennpunktJustierung eine farbkorrigierende Linse mit geringer Brechkraft, weil dann bei einer Verschiebung dieser
Linse nur eine minimale Änderung des Vergrößerungsfaktors des Fernrohrs auftritt.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Kompensation des Einflusses von Schwankungen der Umgebungstemperatur erreicht werden, indem man für die
Halterungen der Linsen wenigstens zwei unterschiedliche Werkstoife mit wesentlich verschiedenen

Wärmeausdehnungskoeffizienten einsetzt; man spricht dann von einer passiven mechanischen Temperaturkompensation. Die farbkorrigierende Linse kann entiang der optischen Achse verschieblich aan, sie kann aber auch relativ zu den anderen Linsen in einer

solchen Lage fest angeordnet sein, welche dem Fernrohr einen festen Brennpunkt verleiht, vorzugsweise den hyperfokalen Brennpunkt (für die Nah/Unendlicheinstellung des Fernrohrs). 10

Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau eines erfindungsgemäßen Fernrohrs,

Figur 2 zeigt stark vergrößert die Gestalt einer asphärischen brechenden Oberfläche der primären Objektivlinse des Fernrohrs aus Fig. 1,

Figur 3 zeigt schematisch den Aufbau eines zweiten erfindungsgemäßen Fernrohrs, welches i.w. ein anders aufgebautes Okular als das Fernrohr aus Fiy. 1 besitzt, und

Figur 4 zeigt stark vergrößert die Gestalt der dsphärischen brechenden Oberfläche der primären üb jekt.1 vlinse des zweiten Fern

Das in I-'i<j. 1 dar ije-.iU: L 1 te l-'ernrohr 9 besteht aus einem Objektiv lu und aus einem Okular 11,welche auf einer gemeinsamen optischen Achse 12 angeordnet sind- Das Fernrohr S* ist ein afokales Linsenfernlü rohr, welches in seinem Innern mit der aus dem üegenstandsraum 14 einfallenden Strahlung ein

bildet
reelles Bild 13/ Das Objektiv 10 ist ein TeIeob|(ikl Lv und be:; Loht <iu:; einer L^Jr i rrüir 1 inse D und aus einet Sekundär linse C, von denen die letztere

Ib negative Brecher art besitzt (also eine Zerstreuungslinse ist) und. f arbkorrigierend wirkt, wohingegen die Primär linse D positive Brechkraft besitzt, also eine Sammellinse ist- Die Sekundärlinse C besitzt die brechenden Oberflächen 5 und 6, die Primärlinse D besitzt die brechenden Oberflächen 7 und B. Das Okular 11 besteht aus zwei Sammellinsen A und B mit den brechenden Oberflächen 1 und 2 bzw. ,i und 4. Die Linsen A und B einerseits sowie die Linsen t' und D andererseits bilden je—

wells ein System mit festem Brennpunkt (Fixfokussystem), sodaß aus parallelen Lichtstrahlen, welche aus dem Gegenstand:;! aurn 1Ί kommend durch eine im Gegenstandsraum 1Λ gelegene Ein-tri ttspupil Ie hindurchtreten und auf das Objektiv lü auftreffen, im Innern des Fernrohrs 9 ein umgekehrtes, reelles Zwischenbild 13 erzeugt, die vom Zwischenbild 13 ausgehende Strahlung vom Okular 11 gesammelt und in ein Bündel paralleler Lichtstrahlen umgewandelt wird, welche im Bildraum 15 die Austrittspupille 0 des Fernrohrs 9 bilden. Die Brechkraft der vier Linsen A, B, C und ü und die Abstände zwischen ihnen sind derart gewählt, daß das Zwischenbild 13 zwischen den brechenden Oberflächen 5 und 3 liegt.

Die brechenden Oberflächen 1 bis 6 und 8 sind jeweils i.w. sphärisch, d.h. ihre Abweichungen von der idealen sphärischen Gestalt sind allenfalls so groß, daß sie nach dem üblichen fachlichen

2ü Verständnis des Begriffs von sphärischen Linsen noch als sphärisch bezeichnet werden können. Hingegen ist die brechende Oberfläche 7 asphärisch.

Das Fernrohr 9 ist zur Benutzung im infraroten

We LLenLänqenbereich, insbesondere für den Bereich von 1 bis 13 um, ausgelegt und infolgedessen sind die ürechungsindices der verschiedenen Linsen relativ hoch, und zur Erzielung einer hohen optischen 'j Güte i;.t die Linse C iarbkorrigierend, besitzt negative Brechkraft und einen niedrigeren Brechungsindex äL.i die Linse D. Für den Wellenlängenbereich von 8 bis 13 um erreicht man dies dadurch, daß man als Werkstoff für die Linsen A, B' und D Germanium

lü mit einem Brechungsindex von 4,00322 und für die Linse C als Werkstoff vorzugsweise ein Chalkogenid-Glas wie das von Barr ά Stroud unter der Bezeichnung BS 1 vertriebene Chalkogenidglas (ein Glas mit Arsen, ^elen und Germanium als wesentlichen Bestand-

Ib teilen) mit einem Brechungsindex von 2,49158 verwendet; die angegebenen Brechungsindices gelten für eine Wellenlänge von 10 um und eine Temperatur von 20⁰C. In diesem Fall besitzt die Sekundärlinse C eine V-Zahl von V = 152. Die V-Zahl, auch als Abbesche Zahl bekannt, ist ein Maß für die Dispersion des Werkstoffs; sie ist definiert als das Verhältnis des um Eins verminderten Brechungsindexes bei 10 .um zur Differenz der Brechungsindices

bei 8,5 um und 11,5 um:
_{2b v} η (lU/Um; - 1

η (8,5 urn) - η (11,5 um)

Weitere geeignete Materialien für die Linse C sind in der TabeLle IV aufgeführt.

Die oben genannten Materialien für die Linsen lassen sich mit einer Antireflexbeschichtung versehen, una wenn man dies tut, erhält man ein Kernrohr, welches im Bereich zwischen 8,5,um und 11,5 um wenigstens 6b '/■., der einfallenden Strahiunysmenge durchtreten läßt. Im Gegensatz zu den übrigen Linsen ist die Sekundärlinse C vorzugsweise entlang der optischen

lü Achse 12 verschieblich gelagert; diese Verschieblichkeit erlaubt es, Verschiebungen der Lage des reellen Bildes 13 zu kompensieren, welche durch Schwankungen der Umgebungstemperatur - typisch im Bereich aischen -1U°C und ιbü°C - hervorgerufen werden können- Andererseits kann das Fernrohr 9 bei festeingestellter Lage des Bildes 13 auf entfernt liegende Objekte eingestellt werden, insbesondere auf solche im Entfernungsbereich zwischen 50 m und Unendlich.

Es ist aber auch möglich, sämtliche Linsen, also auch die Sekundärlinse C, unverschieblich zu montieren. Ln diesem Fall kann man dennoch den Einfluß von Umgebungstemperaturschwankungen im Bereich von

-40°C bis ι70⁰C unter Beibehaltung konstanter Brennpunktlage kompensieren und eine gute Abbildungsqudlität des Fernrohrs 20 erreichen, indem man das Tragwerk für die Linse D in geeiqneter Weise gestaltet und dafür einen Werkstoff oder Werkstoffe wählt, welche einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen (ein Beispiel ist ultrahochmolekulares Polyäthylen, im englischen Sprachgebrauch als "UHMPE" be-

IU zeichnet, abgeleitet von ultra high molecular weight p_olye_thylene), wohingegen für einen großen Teil des Tragwerks für die restlichen Linsen des Fernrohrs ein Werkstoff oder Werkstoffe mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B.

Aluminium, gewählt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt 23 . 10 /⁰C, jener von UHMPE liegt etwa zwischen 125 . 10"⁶/°C und 225 . 1U~⁶/°C. Obwohl durch einen solchen Aufbau das Fernrohr nur einen festliegenden Brennpunkt erhält, bewirkt er doch, daß die Sekundärlinse C nicht verschoben werden muß und folglich auch keine aktive Verschiebemechanik für diese Linse C benötigt wird.

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Die Tabelle 1 enthält detaillierte Angaben über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Fernrohrs gemäß Fig. 1. Die Tabelle I gibt für jede brechende Oberfläche den '> Kr iimmunqiii uü ί υ:, nowit· ti i ti öl 1 iiuncjswei te an, letztere auch für die Austrittspupille 0 , deren Lage als Bezugspunkt gewählt ist, von dem ausgehend die (entlang der optischen Achse 12 gemessenen) Abstände zwischen aufeinanderfolgenden

IU brechenden Oberflächen sowie zwischen der Austrittspupille Φ und der ihr benachbarten brechenden Oberfläche 1 angegeben sind. Ferner ist noch angegeben, welche Materialien jeweils den Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden brechenden Ober-

Ib flächen ausfüllen und wie stark die brechenden Oberflächen gekrümmt sind. So hat z.B. die brechende Oberfläche 5 einen Krümmungsradius von -300,77 mm, wobei das Minuszeichen angibt, daß der Krümmungsmittelpunkt - in der Ansicht der Fig. 1 - auf der rechten Seite der brechenden Oberfläche 5 liegt; die brechende Oberfläche 5 ist von der - in bezug auf die Lage der Austrittspupille 0 vorhergehenden brechenden Oberfläche 4 durch einen 82,32 mm

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breiten Luftspalt getrennt, besitzt eine ÖffnungsweiLe von /?,ov mm (Durchmesser) und ist von der nachfolgenden brechenden Überfläche 6 durch /,b mm des Chalkogenidglases BSI getrennt, b

Das arjphär i;;che Profil der brechenden Oberfläche 7 ist in Figur 2 dargestellt, und zwar sind die p.ii.il li'l /.in opt ι.·.c-lion Arhst; 12 <j<;ineri.^c;enen Ab:.lande zwischen dem aspharIschen Profil sowie der am lü besten angepaßten Kugelfläche und einer als Bezugsfläche dienenden Kugelfläche '/'um den Faktor 75<J vergrößert dargestellt. Die Gestalt des asphärischen Profils genügt der Gleichung

lh (1) ζ . c 1 - τ/ 1 - c (c.h² + b . h⁴+g.

worin

ζ den entlang der optischen Achse 12 gemessenen

Abstand vom Scheitelpunkt der brechenden Ober-2u fläche /, welcher zugleich Scheitelpunkt der Uezutjsl-lache Ί' sowie der am besten angepaßten Kugelfläche ist,

c das Krümmungsmaß mit c - l/R und R = -2Ü4,98mm als dem Krümmungsradius der sphärischen Bezugs 2b fläche /',

-Yl-

h den radialen Abstand senkrecht von der

optischen Achse 12/maximal 7Ü,69 mm), b den asphärischen Koeffizienten erster

Ordnung U -2,54 . lü"⁹),
g den asphärischen Koeffizienten zweier

Ordnung (> f 2,45 . lü~^1J), und ... Tenne höherer Ordnung bezeichnet, weiche vernachlässigt werden können«,

lü Die am besten angepaßte Kugelfläche ist jene Kugelfläche, von welcher die asphärische Fläche 7 die geringste Abweichung aufweist. Die Tabelle III enthält berechnete Werte tür den Abstand zwischen der asphärischen Oberfläche und der am besten angepaßten Kugelfläche für unterschiedliche Abstände h von der optischen Achse 12 sowie den Krümmungsradius der am besten angepaßten Kugelfläche. Wie man sieht, ist das Maß der Abweichung der asphärischen Fläche 7 von der Kugelflächenform nur gering.

Dieses Fernrohr weist einen Vergrößerungsfaktor von X 9,0 auf und besitzt im Luftspalt zwischen den beiden Linsen C und D eine innere Blendenzahl von 0,92. Im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 .um und 11,5um

ist das Fernrohr farbkorrigiert und bei verstellbarer Sekundärlinse C des Objektivs IU ist eine Kompensation von I.her rn i sfhen Ki. nf 1 üssen über den Temperaturbereich von - 1U°C bis hinauf zu +b(J^uc: b sowie eine Scharfeinstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von SU m bis Unendlich möglich. In der Praxis kann häufig eine Verschlechterung der Abbildequaiität hingenommenwerden, sodaß das Fernrohr dann sogar mit Brennweiten zwischen 5 m und

Iv Uiiend I ich betrieben und der Temperaturbereich, in welchem eine Kompensation von thermischen Einflüssen er ίο Igt, aut den Bereich von -4ü°C bis t7u^üC erweitert werden kann. Alternativ kann man aber sowohl die Linse <: als auch die übrigen Li nsen A, B und U unverschieblich anbringen; dies führt zu einem Fernrohr mit einem festen Brennpunkt (Fixfokusanordnung); dabei läßt sich eine Kompensation von thermischen Einflüssen durch passive Maßnahmen im Temperaturbereich zwischen

2u -4U°i_ und ι /u°C bei minimaler Ver-

• schlechterung des Gesamtverhaltens des Fernrohrs erreichen. Daten zur Illustration der Abbildequalität dieses Fernrohrs sind für eine Entfernungs-

einstellung von ca. 700 m in der labeile II angegeben.

Udo besehr Leberit; Ket rir olu we ι :> L eine sehr hohe AbbiIdegüte über wenigstens zwei Drittel des gesamten Gesichtsfeldes auf, wobei zur Akkommodation von Pupillenaberationen die primäre Apertur (Durchmesser) des Objektivs um weniger als 8,1 % vergrößert ist. Das Fernrohr bewirkt bei maximalem Gesichtsfeldwinkel eine Verzeichnung (Winkelabweichung) von ledig! ich e 1,4a. wobei das positive Vorzeichen eine mit zunehmendem Gesichtsfeldwinkel zunehmende Vergr öiier un«j beze Lehne I. , Da.s beschriebene Fernrohr genügt diesen Anforderungen und erreicht

Ib die beschriebene optische Güte ohne eine Vignettierung auf irgendeiner der brechenden Linsenoberflachen und ohne Auftreten eines merklichen "Narzißmus-Effektes" (d.i. ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbilds des Beobachters selbst im Gesichtsfeld).

2Ü Obendrein besitzt das Fernrohr eine sehr geringe Gesamtlänge. Obwohl zur Beschreibung der brechenden Oberfläche 7 in der Gleichung (1) nur zwei asphärische Koeffizienten angegeben wurden, können aber, wenn dies zweckmäßig ist, auch weitere asphärische Koeffizienten höherer Ordnung eingeführt werden.

Das erfindunysgemäße Fernrohr kann auch mit dem Ziel unterschiedlich yroßer Gesichtsfelder und Durchmesser der Austrittspupille im Bildraum optimiert werden, sodaß es zusammen mit unterschiedlichen Detektorsystemen - mit oder ohne Abtastmechanismen (Scanner) - verwendet werden kann.

Das durch die Angaben in den Tabellen I bis III definierte Fernrohr kann maßstäblich verändert und optimiert werden, um einen weiten Vergrößerungsbereich zu verwirklichen, wobei die grundlegende Konfiguration des Linsensystems erhalten bleibt.

Im Okular 11 kann die der Austrittspupille 0 benachbarte Linse A durch zwei oder mehr Linsen ersetzt werden. Damit kann die Abbildungsqualität des Fernrohrs insgesamt noch etwas verbessert und im Okular 11 noch ein verbesserter Aberrationsausgleich erzielt werden.
20

Figur Λ zeigt als zweites Ausführungsbeispiel ein solches Fernrohr, in welchem im Vergleich zur Figur 1 die Linse A durch zwei sphärische Linsen A· und A¹¹ mit den brechenden Oberflächen 1' und 2¹ bzw. I¹' und 2¹¹ ersetzt wurde. Die grundlegende

Konfiguration der übrigen Linsen B, C und D blieb wie in I-'iy. J. Daten über Gruße, Art, Abstand und Krümmung der Linsen A¹, A'¹, B, C und D enthält Tabelle V, Angaben über die Fernrohrgüte enthält Tabelle VI,und Tabelle VII beschreibt das Profil der asphärischen brechenden überfläche 7 für das zweite Ausführungsbeispiel; die in der zugehörigen Fig. 4 dargestellten Abstände zwischen dem asphärischen Profil der Oberfläche 7 sowie der am besten IU angepaßten Kugelfläche und der als Bezugsflache dienenden Kugelfläche 7' sind aus Gründen der Deutlichkeit um den Faktor 200U vergrößert dargestellt. Die asphärische Oberfläche 7 wird auch im zweiten Beispiel durch die Gleichung (1) beschrieben, wobei jedoch die Parameter die folgenden Werte annehmen:

R - -193,38 mm,

ο i. h 4* 68,954 mm,

b ■ -2,07.1ο"⁹,

g - i2,93.10~¹³,

und alle Koeffizienten höherer Ordnung sind Null. Dieses zweite Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Fernrohrs besitzt im Luftspalt zwischen den Linsen D und C eine innere Blerobnzahl von nur U,89.

Ein Vergleich der Tabellen II und VII zeigt, daß das zweite Kernrohr noch bessere Ergebnisse liefert als das erste Fernrohr.

Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Angaben in den Tabellen I bis VII sämtlich für eine Temperatur von 20⁰C gelten und daß die angegebene Blendenzahl vom Ausdruck (2 . sin Θ) abgeleitet ist, worin θ der halbe Konuswinkel des Kegels ist, welchen die Axialstrahlen nach der Brechung durch die Linse, auf welche sie auftreffen, bilden.

Bei den beiden beschriebenen Fernrohren ist lediglich jeweils die brechende Oberfläche 7 asphärisch. Gleich gute Fernrohre kann man aber auch erhalten, wenn man stattdessen nur die brechende Oberfläche 8 oder auch die beiden brechenden Oberflächen 7 und 8 asphärisch gestaltet. Letzteres hat den Vorteil, daß die Asphärizität auf beide brechenden Oberflächen 7 und 8 aufgeteilt werden kann, sodaß die

2ü Abweichungen von der idealen Kugelfläche bei beiden wesentlich geringer ausfallen kann als bei der allein asphärischen überfläche 7 in den beiden Ausführungsbeispielen (Tabellen III oder VI).

- 2 3 -

Bei den erfindungsgemäßen Fernrohren kann durch maßstäbliche Veränderung ohne Änderung der grundsätzlichen Konfiguration des Linsensystems für Faktoren im Bereich zwischen 0,5 und 35 jede gewünschte Vergrößerung eingestellt werden, und die Größe des Gesichtsfeldes sowie der im Bildraum gelegenen Austrittspupille 0 Können unabhängig vergrößert oder verkleinert werden.

- 24 Tabelle I

Linse	brechende Oberfläche	Abstand (mm >	Krümmungs radius (mm)	Material	Öffnungsweite (mm Durch messer )
Aus- tritis- pupüle Φ ·	0	O	plan	Luft	15 ,30
A	1 2	25,34 4,25	-199,20 - 66,25	Luft Germa nium	37,61 38,41
B	i 4	O,SO 11,94	;2'J,3b 22,88	Luft Germa nium	34,42 23,29
C	5 6	82,32 7,50	-300,77 -1799,70	Luft As/Se/Ge (BSI)	72,09 ■ 76,40
D	T & 8	59,07 15,71	-204,98 -141,40	Luft Germa nium	141,37 148,11

• Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille -· 46,40

$Γ Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil

- 25 Tabelle II

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Große	abgebildeten Punktes im Gegen-	Lliradiant)	des Gesichts-	,081
eines durch das Fernrohr	Standsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung			,.105
feides (in Mi	bei monochromatischen Licht der Wellen länge 10,0 um	bei chromatischen Licht mit Wellenlängen von 8,5 ,um bis 11,5 um *	,113
Gesichtsfeld	üf Üb 3	0	,145
nur axiale Strahlen	0,071	0
1/2	0,073	0
3/4	U, 101	0
vollständig

Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 .um, 1Ü,Ü um und 11,5 um .

- 26 Tabelle III

Abstand von der optischen	Abweichung von der idealen
Achse senkrecht zu dieser	Kugelfläche u-
(mm)	(/Um) ^
0,00	0,00
2,83	-0,03
5,65	-0,10
8,48	-0,22
11,31	-0 , 39
14 ,14	-0,59
16,1Jb	-0,82
l'J, r>	-1,07
2 2, b .>	-1,3J
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
5 3,72	-1,79
56,55	-1,47
59,37	-1,11
62, 2u	-0,75
65,t)l	-0,41
b7,8b	-0,14
70,68	0,00
Krümmungsradius der am besten angepaßten Kugelfläche -
-204 ,.7094 mm

Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der aspharischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von der optischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepaßten Kugelfläche- Das negative Vorzeichen bedeutet, daß von der Linse mit der Gestalt der am besten angepaßten Kugelfläche zur Bildung der aspharischen Oberfläche Material abgetragen wurde.

- 27 Tabelle IV

Material	Brechungsindex ♦	V-Zahl ^=
BS2 1)	2,85632	248
BSA 1 }	2,77917	209
TI 1173 2)	2,60010	142
AMTIR 3 ]	2,49/45	169
BSI α)	2,49158	152
TI 20 2)	2,49126	144
ZnSe	2,40653	77
KRS 5 4)	2,37044	260
CsJ	1,73933	316
CsBr	1,66251	176
KJ	1,62023	137

gemessen bei 10 ,um

für den Wellenlängenbereich von 8,5 ,um bis 11,5 .um

Chalkogenidgläser, welche von der Fa. Barr & Stroud Limited vertrieben werden; (Chalkogene sind die Elemente der VI. Hauptgruppe des periodischen Systems)

Chalkogenidgläser, welche von der Fa. Texas Instruments Inc. (U.S.A.) vertrieben werden

ein Chalkogenidglas, welches von der Firma Amorphous Materials Inc. in Garland (Texas, U.S.A.) vertrieben wird

ein kristalliner infrarotdurchlässiger Halogenidwerkstoff, welcher von der Fa. Harshaw Chemical Co. in Selon (Ohio, U.S.A.) vertrieben wird.

- 28 Tabelle V

Linse	brechende übe rf i eic. he	Abstand (mm)	Kr ümtnungs— radius (mm;	Material	Öffnungsweite (mm Durch- φ messer)
Aus- tritts- DupiUe Φ '	0	' O	plan	Luft	15,30
A"	1" 2"	l1:», b2 4,18	-ly9,20 -100,08	Luft Germa nium	32,80 33,92
Α·	1' ι ·	b,50 \, Ib	-47b,4b -110,89	Luft Germa nium	36,54 36,87
B	3 4	Ü,5U 12,-77	30,79 23,01	Luft Germa nium	33,16 21,71
C	5 b	/4,06 7,50	-286,13 -7621,95	Luft As/Se/Ge (BSI)	66,69 70,97
U	/· # 8	bl/J5 Ib, 71	-I1JJ, 98 -13b,b4	Luft Germa nium	137,91 144,82

• Maximaler uesichtsfeidwirikei an der Austrittspupilie 4b,40°

^) wie bei dieser Vergrößerung benötigt Die Oberfläche 7 hat ein asphärisches Profil

- 29 Tabelle VI

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Größe	das Fernrohr	abgebildeten Punktes im Gegen-	bei monochromatischen Licht der Wellen länge 10,0 um	des Gesichts-	,075
eines durch	bei unterschiedlicher Ausnutzung	0,040		,093
Standsraum	Milliradiant)	U,044	bei chromatischen Licht mit Wellenlängen von 8,5 ,um bis 11,5 um ·	,108
feldes (in	Gesichtsfeld	0,052	0	,140
nur axiale Strahlen	0,089	0
1/2		0
3/4		0
vollständig

Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5^m, 10,0 um und 11,5 um .

-JO-Tabelle VII

Abstand von det optischen	Abweichung von der idealen
Achse senkrecht zu dieser	Kugelfläche ix.
(mrn;	(/umJ
0,00	0,00
2 , 76	-0,01
5,52	-0,05
8,2 /	-0,12
11,0 3	-0,20
13,79	-0,31
16,55	-0,42
19,31	-0,54
22,07	-0,65
24,82	-0, 76
2 7,58	-0,85
JO, 34	-0,91
3 3,10	-0,95
35,8b	-0,'>5
Uj ,b L	-0,91
41,1/	-0,83
44, IJ	-0, 72
46,89	-0,58
49,65	-0,42
52,4 1	-0,27
55, Ib	-0 ,13
57,1J^	-0,05
60,68	-0,07
63,44	-0,24
66,20	-0,61
68,95	-1,26
Krümmungsradius der am bester	angepaßten Kugelfläche =
-193,84 mm

Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Oberfläche, welche jeweils denselben Abstand von der optischen Achse aufweisen, von entsprechenden Punkten auf der am besten angepaßt«!ι Kugelfläche. l\tt· neij.il.ive Vorzeichen bedeutet, daß von der Linse mit der Gestalt der am besten angepaßten Kugelfläche zur BiLdung der asphärischen überfläche Material abgetragen wurde.

ι "^3>l"«

Leerseite

Claims (7)

DR. RUDOLF BAUER · DIPLl-lti'G. HELMUT HUBBUCH DIPL. PHYS. ULRICH TWELMEIER WtiSl LICHt 2Ö 3 1 IAM Lt OPfJLÜPLAl 2) D-7530 PFORZHbIM (WtST GfRMANVI β IO TJ 311 lUViHO/JO IEUGnAMMl PAIMARK Barr ά Stroud Limited, Glasgow G13 IHZ (Schottland) Groübritannien " Afokales Linsenfernrohr " Patentansprüche:

1. Afokales Linsenfernrohr, gekennzeichnet durch

ein aus einer Primärlinse (D) und aus einer Sekundärlinse (C) bestehendes achromatisches Teleobjektiv (10) mit festem Brennpunkt, durch ein aus wenigstens zwei Linsen (A, B) bestehendes und mit dem Objektiv (10) auf einer gemeinsamen optischen Achse (12) angeordnetes Okular (11) mit festem Brennpunkt, in solcher Anordnung, daß von einem im Gegenstandsraum (14) liegenden Gegenstand ein im Innern des Fernrohrs (9) liegendes reelles Bild (13) erzeugt wird,

wobei alle Linsen (A, B, C, D) des Fernrohrs (9) deren brechende Oberflächen (1 bis 8) von der

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optischen Achse (12) durchsetzt werden, aus einem Material bestehen, welches in einem brauchbaren Spektralband innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs hinreichend durchlässig ist, und wobei wenigstens eine der brechenden Oberflächen (7, BJ der Primärlinse (D) des Objektivs (10) schwach asphärisch ist, die brechenden Oberflächen (1 bis b) der übrigen Linsen (A bis C) hingegen i.w. sphärisch sind und die Sekundärlinse

lü (C) des Objektivs (10) negative Brechkraft und einen Brechungsindex besitzt, der gleich groß oder kleiner als der Brechungsindex der positive Brechkraft besitzenden Primärlinse (D) des Objektivs (IU) ist,

sowie schließlich gekennzeichnet durch eine innere Blendenzahl des Fernrohrs (9) von weniger als 1,5 im Luftspalt zwischen der Primärlinse (D) und der Sekundärlinse (C) des Objektivs (10).

2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß beide brechende Oberflächen (7, 8) der Primär linse (U) des Objektivs (10) asphärisch sind.

3. Fernrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Gestalt der asphärischen brechenden Oberflächen (7, 8) der Primärlinse (D) des Objektivs (10) der Gleichung (1) genügt, wobei die asphärischen Koeffizienten dritter und höherer Ordnung Null sind:

z. c-l-Yl-c (ch² + bh⁴ * gh⁶ ) mit

ζ als dem entlang der optischen Achse (12) gemessenen Abstand eines Punktes auf der

brechenden überfläche CJ, 8) vom Scheitelpunkt dieser Oberfläche,
c=— als dem Krümmungsmaß und R als dem

Krümmungsradius einet aiii Bezugsfläche dienen den sphärischen brechenden Oberfläche (7¹), h als dem radialen Abstand, im rechten Winkel zur optischen Achse (12) gemessen, eines Punktes auf der brechenden Oberfläche (7, 8), b als dem asphärischen Koeffizienten erster Ordnung, und mit

g als dem asphärischen Koeffizienten zweiter Ordnung.

4. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärlinse

(C) des Objektivs (IU-J einen Brechungsindex besitzt, welcher gleich groß oder kleiner als die Brechungsindices einer jeden der anderen Linsen (A, B, D) ist.

5. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die V-Zahl (Abbesche

IU Zahl) der Sekundarlinse (C) des Objektivs (10) kleiner ist als die V-Zahl der Primärlinse (D) des Objektivs (IU).

6. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Sekundärlinse

(C) des Objektivs (IU) entlang der optischen Achse (12 ) verschieblich montiert ist.

7. Fernrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den in den Tabellen I bis III wiedergegebenen Aufbau.

8- Fernrohr nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch den in den Tabellen V - VII wiedergegebenen Aufbau.