DE3300728C2 - Ein im infraroten Spektralbereich arbeitendes optisches Beobachtungssystem - Google Patents
Ein im infraroten Spektralbereich arbeitendes optisches BeobachtungssystemInfo
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Description
Die Erfindung geht von einem im infraroten Wellen
längenbereich arbeitenden Beobachtungssystem mit den
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen
Merkmalen aus.
Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobach
tungssystemen, welche im englischen Sprachgebrauch
unter der Abkürzung "FLIR" (forward looking infrared
systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an Hochleistungs
fernrohren entstanden, und es wurden eine ganze An
zahl von afokalen Fernrohren entwickelt, deren Auf
lösungsvermögen durch Beugungserscheinungen begrenzt
ist. Einige der bislang entwickelten afokalen Fern
rohre besitzen zwei Vergrößerungseinstellungen, und
in einigen Fällen hat man besondere Mühe darauf ver
wandt, afokale Fernrohre möglichst kompakt, d. h. mit
möglichst geringer Gesamtlänge und mit geringer
Pupillenaberration zu erhalten und sie dabei gleich
zeitig im optischen wie im mechanischen Aufbau so ein
fach wie möglich zu belassen.
In verschiedenen Formen von FLIR-Beobachtungssystemen
ist aus dem praktischen Betrieb die Forderung entstan
den, das Fernrohr hinter einem z. B. in einem Schott
angebrachten Fenster anzuordnen, so daß es vor be
lastenden Umgebungseinflüssen wie z. B. hohem Druck
geschützt ist. Unter solchen Einsatzbedingungen kann
es auch geboten sein, das Fenster kuppelartig auszu
bilden und das heißt, daß es optische Brechkraft be
sitzt. Man hat festgestellt, daß ein solches Fenster
mit optischer Brechkraft die Leistungsfähigkeit eines
dahinter angeordneten afokalen Fernrohrs so stark her
absetzen kann, daß sich das FLIR-Beobachtungssystem
praktisch als unbrauchbar erweist.
Aus der GB-PS 1 539 581 ist ein Infrarot-Fernrohr mit einem zwei
linsigen Teleobjektiv bekannt, welches unmittelbar hinter einem
kuppelartigen Fenster betrieben wird. Ob und wie durch das Fenster
hervorgerufene etwaige Abbildungsfehler behoben werden, ist der
GB-PS 1 539 581 nicht zu entnehmen. Erst hinter dem Objektiv be
findet sich im Strahlengang ein feststehender Spiegel und noch
weiter hinten ein Scanner. Diese Anordnung hat zur Folge, daß
die primäre Objektivlinse auf einer besonderen Getriebeanordnung
montiert werden muß, welche sich mit der doppelten Geschwindig
keit des Spiegels bewegt. Diese Getriebeanordnung erfordert viel
Platz und führt Bauteile in das Beobachtungssystem ein, die es
anfällig machen für ein totales Versagen.
Aus der GB-2 072 871 A ist ein afokales Infrarot-Fernrohr bekannt
mit einem zweilinsigen achromatischen Objektiv, dessen Linsen
sämtlich sphärisch und auf einer gemeinsamen optischen Achse ange
ordnet sind. Die Primärlinse des Objektivs ist eine Sammellinse
und die Sekundärlinse ist eine Zerstreuungslinse mit einem ge
ringeren Brechnungsindex als die Primärlinse. Das Fernrohr ist
in sich optimiert und in seiner Leistungsfähigkeit beugungsbe
grenzt. Irgendwelche Anpassung an ein äußeres Fenster sind nicht
offenbart.
Aus der US-PS 3,825,315 ist ein Infrarot-Fernrohr mit variabler
Brennweite bekannt, bei welchem die Primärlinse des Objektivs
aus nicht genannten Gründen parabolisch ist.
Aus der US-PS 2,588,414 ist es bekannt, daß man in Fernrohren
oder dergleichen optischen Systemen Pupillenaberationen durch
den Einsatz von asphärischen Linsen begegnen kann. Hinweise auf
Infrarot-Fernrohre und deren Verwendung hinter einem optischen
Fenster sind nicht offenbart.
Aus der US-PS 4,009,393 ist eine optische Zielverfolgungsein
richtung für Flugkörper bekannt, in welcher wie bei der GB-PS
1 539 581 das Objektiv unmittelbar einem Fenster benachbart an
geordnet ist und die sphärische Aberration einer asphärischen
IR-Objektivlinse durch ein passend gewähltes konzentrisches
Meniskusfenster kompensiert wird. Das ist zwar ohne weiteres
möglich, wenn das Fenster und das Objektiv dicht benachbart
sind, nicht aber, wenn das Fenster und das Objektiv einen
größeren Abstand voneinander haben, z. B. weil ein Scanner
spiegel eingefügt ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein FLIR-
Beobachtungssystem mit einem Fernrohr mit Ablenkspiegel zu schaffen,
welches bei Anordnung hinter einem Fenster mit
optischer Brechkraft zuverlässig arbeitet.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Beobachtungssystem
mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen
stand der Unteransprüche.
Das Fenster kann entweder positive oder negative
Brechkraft besitzen, aber in beiden Fällen kann die
durch das Fenster in das FLIR-Beobachtungssystem ein
geführte sphärische Aberration durch das Fernrohr
objektiv kompensiert werden, welches wegen des ge
eignet ausgewählten Grades der Abweichung seiner
asphärischen Linsenoberfläche(n) von der sphärischen
Gestalt eine umgekehrt wirkende und daher kompensierende
sphärische Aberration einführt. Wenn beide brechenden
Oberflächen der Primärlinse des Objektivs asphärisch
sind, dann verteilt sich die insgesamt wirksame
Asphärizität des Fernrohrs auf zwei Linsenoberflächen,
von denen jede dann nur eine viel geringe Abweichung
von der sphärischen Gestalt aufweisen muß als im Falle,
daß nur eine Oberfläche der Primärlinse des Objektivs
asphärisch ist.
Die gemeinsame optische Achse der optischen Elemente
des erfindungsgemäßen Beobachtungssystems ist ge
knickt, und zu diesem Zweck ist
zwischen dem Fenster und der Primärlinse
des Objektivs ein Umlenkspiegel vorge
sehen, der das Beobachtungssystem periskopisch macht.
Wenn der Umlenkspiegel so angeordnet ist, daß der
gemeinsame Krümmungsmittelpunkt der beiden brechenden
Fensteroberflächen auf der Spiegeloberfläche liegt,
dann kann - wie vorgesehen - der Umlenkspiegel auch als Kippspiegel ausge
bildet werden, welcher um eine durch den genannten
Krümmungsmittelpunkt der Fensteroberflächen gehende
Achse verschwenkbar ist; damit wird es
infolge der gewählten Gestalt und Lage von Fenster
und Umlenkspiegel ohne signifikante Verschlechterung
der optischen Leistungsfähigkeit des Beobachtungs
systems möglich, Strahlung aufzufangen, die durch
verschiedene, auf oder neben der optischen Achse des
Beobachtungssystems liegende Eintrittspupillen ein
fällt.
Im Rahmen der Erfindung können Fernrohre mit nur einer
Vergrößerungseinstellung aber auch solche mit zwei Ver
größerungseinstellungen verwendet werden. Bei Ver
wendung eines Fernrohrs mit zwei Vergrößerungsein
stellungen kann in der Einstellung mit starker Ver
größerung allerdings nur in enger begrenztem Rahmen
eine optische Abtastung durch den kippbaren Spiegel
erfolgen als in der Einstellung mit schwacher Ver
größerung, weil man in den beiden Einstellungen am
Fenster unterschiedliche Öffnungsweiten für die ein
tretenden Strahlenbündel benötigt.
Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungssystem hat den
Vorteil, sowohl im optischen wie auch im mechanischen
Aufbau recht einfach zu sein, weil das Fernrohr
objektiv aus nur zwei Linsen besteht, von denen eine
spährische brechende Oberfläche besitzt, wohingegen
die andere Objektivlinse entweder eine sphärische und
eine asphärische oder zwei asphärische Linsenoberflächen
besitzt, wobei in beiden Fällen der Grad der Ab
weichung von der Kugelflächengestalt relativ klein ist.
Auch das Fenster mit seinen beiden konzentrischen
brechenden Oberflächen ist optisch einfach aufgebaut,
und der gegebenenfalls vorhandene Umlenkspiegel be
sitzt nur eine einzige, ebene Spiegelfläche. Die
brechenden Bauelemente des optischen Systems müssen
natürlich für das infrarote Licht im interessierenden
Spektralband durchlässig sein; der Umlenkspiegel be
steht zweckmäßigerweise aus Aluminium, welches durch Dia
mantläppen (diamond fly-cutting) bearbeitet und anschließend
mit einer Oberflächenbeschichtung (z. B. aus Magnesium
fluorid) versehen wurde, um eine dauerhafte Spiegel
fläche mit hohem Reflexionsvermögen zu erhalten.
Das Fernrohrobjektiv wird vorzugsweise farbkorrigierend
ausgebildet, indem man für die Sekundärlinse des Ob
jektivs ein Material mit dafür geeigneter Dispersion
wählt. Ein Maß für die Dispersion ist dessen V-Zahl,
auch als Abbesche Zahl bekannt. Zur Erzielung der
farbkorrigierenden Eigenschaft des Objektivs soll
die V-Zahl der Sekundärlinse kleiner sein als jene der Primärlinse.
Als Material für die farbkorrigierende Linse eignet
sich vor allein Zinkselenid, insbesondere ein Zink
selenid, welches chemisch durch Niederschlagen aus
der Dampfphase gewonnen wurde, ein Verfahren, welches
im englischen Sprachgebrauch mit der Abkürzung "CVD"
(chemical vapour deposition) bezeichnet wird und zu
einem sehr homogenen Material führt, wohingegen die
übrigen Linsen des Fernrohrs und auch das Fenster
zweckmäßigerweise aus Germanium bestehen; die genannten
Materialien sind für infrarotes Licht im Spektralband
zwischen 3 µm und 13 µm hinreichend durchlässig.
Weitere geeignete Materialien für die farbkorrigierende
Linse sind in Tabelle VI aufgeführt; es können aber
auch nicht genannte Materialien eingesetzt werden,
wenn sie entsprechende physikalische Eigenschaften be
sitzen.
Die farbkorrigierende Linse kann relativ zu den übrigen
Fernrohrlinsen unverschieblich angebracht werden,
doch wird sie vorzugsweise entlang der optischen Achse
des optischen Systems verschieblich angeordnet; dies
macht es möglich, bei dem erfindungsgemäßen FLIR-
Beobachtungssystem den Einfluß von Schwankungen der
Umgebungstemperatur zu kompensieren, welcher sich in
einer Verschiebung der Lage des im Fernrohr erzeugten
reellen Zwischenbildes äußert. Darüberhinaus kann
die Verschieblichkeit der farbkorrigierenden Linse
auch dazu benutzt werden, die Brennweite des optischen
Systems zu justieren (ohne dabei von dem afokalen
Charakter des optischen Systems abzugehen), falls
das reelle Zwischenbild im Fernrohr nicht von opti
maler Güte sein sollte. Am leichtesten gelingt das,
wenn die farbkorrigierende Linse nur geringe Brech
kraft besitzt, weil ihre Verschiebung dann nur mit
minimalen Änderungen des Vergrößerungsfaktors des
Fernrohrs verknüpft ist.
Alternativ oder auch zusätzlich kann man bei dem
FLIR-Beobachtungssystem den Einfluß von Schwankungen
der Umgebungstemperatur dadurch kompensieren, daß
für die Rahmenkonstruktion des optischen Systems,
in welche die optischen Bauelemente eingesetzt werden,
wenigstens zwei Werkstoffe mit unterschiedlichen
Wärmeausdehnungskoeffizienten auswählt, die sich in
der Weise ergänzen, daß sich die auftretenden Wärme
dehnungen selbsttätig ausgleichen; man spricht dann
von passiver mechanischer Temperaturkompensation.
Wenn man die farbkorrigierende Linse nicht verschieb
lich anordnet, dann ordnet man sie bei Verwendung eines
Fernrohrs mit zwei Vergrößerungseinstellungen mit
Vorteil an einer solchen Stelle an, welche dem Fern
rohr zwei feste, insbesondere die hyperfokalen
Brennweiten verleiht.
Bei Verwendung eines Fernrohrs mit zwei Vergrößerungs
einstellungen können die beiden Linsensysteme für
starke sowie für schwache Vergrößerung nicht gleich
zeitig in der Flucht der optischen Achse liegen,
sondern sie müssen so montiert werden, daß sie
alternativ in den Strahlengang eingefügt werden
können. Um dies zu erreichen, sind verschiedene
Wege gangbar; bevorzugt wird die Anordnung der
beiden Linsensysteme für starke und schwache Ver
größerung auf einer Art von Karussell, wo sie
auf einem gemeinsamen Träger montiert sind und
zwischen ihren Achsen einen Winkel von 90° ein
schließen; der Träger kann um eine ortsfeste
Achse um 90° hin und her verschwenkt werden und
bringt dadurch abwechselnd das Linsensystem für
starke bzw. jenes für schwache Vergrößerung mit der
gemeinsamen optischen Achse des FLIR-Beobachtungs
systems fluchtend in den Strahlengang, und bringt
das jeweils andere Linsensystem in eine außerhalb
des Strahlengangs liegende Position.
Der gegebenenfalls vorgesehene kippbare Umlenkspiegel
kann nach Wahl entweder oszillieren oder rotieren.
Die dazu geeigneten Antriebe sind bei optisch
mechanischen Abtastern (Scannern) an sich bekannt.
Der größtmögliche, praktisch noch sinnvolle Ab
tastwinkel ist jener, bei dessen Überschreiten eine
deutliche Vignettierung der einfallenden Strahlung
am Umlenkspiegel oder am Fenster einsetzt.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
ist in den beigefügten schematischen Zeichnungen
dargestellt und wird anhand der weiter hinten
folgenden Tabellen erläutert.
Fig. 1 zeigt ein afokales FLIR-Beobachtungs
system mit zwei Vergrößerungseinstellungen,
welche aus Gründen der Übersichtlichkeit
getrennt dargestellt sind, mit einem Seh
feldwinkel - in der Diagonale des Sehfeldes
gemessen - von 46,4°,
Fig. 2 zeigt das optische System gemäß Fig. 1
mit gekipptem Umlenkspiegel und mit einem
Sehfeldwinkel - in der Vertikale des
Sehfeldes gemessen - von 26,5°,
und
Fig. 3 zeigt das Profil einer asphärischen
Linsenoberfläche des in Fig. 1 und 2
dargestellten optischen Systems.
Fig. 1 zeigt ein FLIR-Beobachtungssystem in zwei Ver
größerungseinstellungen, nämlich in der oberen Teil
figur bei starker und in der unteren Teilfigur bei
schwacher Vergrößerung. Es enthält ein Fernrohr 20 in
Kombination mit einer Anordnung 30 aus einem ebenen
Umlenkspiegel I und einem das einfallende Licht
brechenden Fenster J. Das Fernrohr 20 ist ein Linsen
fernrohr und enthält ein Objektiv 21, einen Kollimator
22, ein Linsensystem 23 für starke Vergrößerung und ein
Linsensystem 24 für schwache Vergrößerung. Der Kolli
mator 22, das Objektiv 21 und das jeweils in den
Strahlengang eingeschwenkte Linsensystem 23 bzw. 24
liegen auf einer gemeinsamen optischen Achse 19. Die
beiden Linsensysteme 23 und 24 können nicht gleich
zeitig auf dieser optischen Achse 19 liegen,
sondern nur alternativ. Wenn das Linsensystem 23
für starke Vergrößerung in den Strahlengang des
Fernrohrs 20 eingeschwenkt ist, dann wird im Innern
des Fernrohrs 20 aus den aus dem Gegenstandsraum 17
kommenden, durch das Fenster J einfallenden und
das Objektiv 21 durchquerenden Strahlen an der Stelle
25 ein reelles Zwischenbild erzeugt, bei der Ein
stellung mit schwacher Vergrößerung ein solches
an der Stelle 26.
Das Fenster J ist durch zwei sphärische, konzentrische,
brechende Oberflächen 28 und 29 begrenzt, deren ge
meinsamer Krümmungsmittelpunkt auf der durch den
Umlenkspiegel I abgeknickten optischen Achse 19 liegt, und
zwar gerade auf der reflektierenden Oberfläche 27 des
Umlenkspiegels I. Wie Fig. 1 zeigt, ist die optische
Achse 19 um 90° abgeknickt. Die Anordnung 30 aus
Fenster J und Umlenkspiegel I bildet ein Fixfokus-
System, welches die aus dem Gegenstandsraum 17 kommen
den, durch eine virtuelle Eintrittspupille hindurch
tretenden Strahlenbündel auffängt; die Lage der Ein
trittspupille hängt einmal von der gewählten Ver
größerungseinstellung ab; sie kann darüberhinaus
auf oder neben der optischen Achse liegen, je nach der
Orientierung des Spiegels I. Fig. 2 zeigt den Spiegel
I nicht wie in Fig. 1 in 45°-Lage zur optischen Achse
19, sondern aus dieser Lage herausgekippt, und zwar
in der Einstellung mit starker Vergrößerung (obere
Darstellung in Fig. 2) um 5° und in der Einstellung
mit schwacher Vergrößerung (untere Darstellung in
Fig. 2) um 10°. Weil das Fenster J Brechkraft be
sitzt, führt es in das FLIR-Beobachtungssystem eine
merkliche sphärische Aberration ein (ferner auch
- wenn auch in wesentlich geringerem Ausmaß - eine
chromatische Aberration), welche die Abbilde
qualität des FLIR-Beobachtungssystems zunichte
machen würde, wenn die Erfindung hier nicht einen
Ausgleich schaffen würde durch einen besonderen
Aufbau des Fernrohrobjektivs 21, wodurch das Fern
rohr 20 seinen beim Stand der Technik üblichen
afokalen Charakter verliert und dessen Auflösungs
vermögen nicht durch Beugungserscheinungen begrenzt
wird, wie nachfolgend noch erläutert werden wird.
Das Objektiv 21 ist ein Teleobjektiv und besteht
aus einer Primärlinse H und einer Sekundärlinse G.
Die Primärlinse H ist eine Sammellinse (d. h. sie
besitzt positive Brechkraft) mit den brechenden
Oberflächen 15 und 16. Die Sekundärlinse G ist eine
Zerstreuungslinse (d. h. sie besitzt negative Brech
kraft) mit den beiden brechenden Oberflächen 13
und 14 und ist farbkorrigierend. Der Kollimator 22 besteht
aus einer einzelnen Sammellinse A mit den beiden
brechenden Oberflächen 1 und 2.
Das Linsensystem 23 für starke Vergrößerung besteht
aus zwei Sammellinsen B und C mit den brechenden
Oberflächen 3 und 4 bzw. 5 und 6. Das Linsensystem
für schwache Vergrößerung besteht aus drei Linsen
D,E und F mit den brechenden Oberflächen 7 und 8
bzw. 9 und 10 bzw. 11 und 12. Die Linsen D und F
sind Sammellinsen, wohingegen die Linse E eine
Zerstreuungslinse ist. Die Linse A bildet ein Fix
fokussystem, die Linsen B und C bilden gemeinsam
ein Fixfokussystem, die Linsen D, E und F bilden
gemeinsam ein Fixfokussystem, und auch die Linsen G
und H bilden gemeinsam ein Fixfokussystem, so daß
das Fenster J, der Spiegel I und das Objektiv 21
Strahlenbündel empfangen, welche durch die jeweilige
virtuelle Eintrittspupille im Gegenstandsraum 17
hindurchgetreten sind, diese Strahlenbündel an das
Linsensystem 23 für starke Vergrößerung bzw. 24 für
schwache Vergrößerung weiterleiten, welche aus
diesen Strahlenbündeln ein umgekehrtes, reelles
Zwischenbild 25 (im Falle starker Vergrößerung) bzw.
26 (im Falle schwacher Vergrößerung) erzeugen wobei
die vom Zwischenbild 25 bzw. 26 ausgehenden
Strahlen auf den Kollimator 22 treffen, aus welchem
sie als paralleles Strahlenbündel austreten, welches
für beide Vergrößerungseinstellungen mit Ausnahme
geringer Unterschiede in den optischen Aberrationen
das gleiche ist und durch eine Austrittspupille Φ
hindurchtritt, welche im Bildraum 18 durch die Strahlen
der austretenden Strahlenbündel gebildet wird. Die
Brechkraft und die Abstände der Linsen A, B, C, D, E, F,
G, H und J sind so gewählt und aufeinander abgestimmt,
daß bei starker Vergrößerung das Zwischenbild 25
zwischen den brechenden Oberflächen 5 und 13 und bei
schwacher Vergrößerung das Zwischenbild 26 zwischen
den brechenden Oberflächen 8 und 9 liegt.
Die brechenden Oberflächen 1 bis 14 und 16 und 28
und 29 sind sämtlich im wesentlichen sphärisch, d. h.
ihre Abweichungen von der idealen sphärischen Gestalt
sind allenfalls so groß, daß sie nach dem üblichen
fachlichen Verständnis des Begriffs von sphärischen Lin
sen noch als sphärisch bezeichnet werden können.
Hingegen hat die Oberfläche 15 ein asphärisches
Profil und die reflektierende Oberfläche 27 ist i.w.
plan, d. h. ihre Abweichungen von der idealen Eben
flächigkeit sind allenfalls so groß, daß die re
flektierende Oberfläche 27 nach dem üblichen fach
lichen Verständnis von planen Oberflächen noch
als plan bezeichnet werden kann.
Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungssystem ist auf
die Verwendung im Infrarotbereich, und zwar im Spektral
band zwischen 3 µm und 13 µm (Wellenlänge) ausgelegt,
und deshalb sind die Brechungsindizes der Linsen ver
hältnismäßig groß; um dennoch eine hinreichend hohe
Leistungsfähigkeit (Abbildungsgüte) zu erreichen, ist
die Linse G eine farbkorrigierende Zerstreuungslinse
mit einem niedrigeren Brechungsindex, als ihn die
Linse H hat. Für die Verwendung des FLIR-Beobachtungs
systems im Spektralbereich zwischen 8 µm und 13 µm kann
man das dadurch verwirklichen, daß man die Linsen A,
B, C, D, E, F, H und J aus Germanium mit einem Brechungs
index von 4,00322 und die Linse G aus Zinkselenid
mit einem Brechungsindex von 2,40653 (jeweils gemessen
bei 20°C und bei einer Wellenlänge von 10 µm) her
stellt. Die Linse G hat dann eine V-Zahl von
V = 77.
Die V-Zahl ist ein Maß für die Dispersion des optischen
Werkstoffs; sie ist im vorliegenden Fall definiert als
das Verhältnis des um Eins verminderten Brechungs
indexes bei 10 µm zur Differenz der Brechungsindizes
bei 8,5 µm und 11,5 µm:
Der Umlenkspiegel I besteht aus Aluminium, welches
durch Diamantläppen (diamond fly-cutting) bearbeitet ist.
Diese genannten Materialien lassen sich mit einer
reflexmindernden Beschichtung versehen, und wenn
das tut, kann man ein FLIR-Beobachtungssystem errei
chen, welches im Spektralbereich zwischen 8,5 µm und
11,5 µm in beiden Vergrößerungseinstellungen wenig
stens 60% des einfallenden Lichtes durchtreten läßt.
Weil die Objektivlinse G einen geringeren Brechungs
index hat als die Linse H und weil ihre eine Ober
fläche 15 asphärisch ist, kann man einfach dadurch, daß man
den Grad der Abweichung der Oberfläche 15 von der wahren
Kugelflächenform variiert, die Eigenschaften des
Fernrohrs 20 so ändern, daß das Fernrohr 20 für sich
genommen nicht afokal wird und in seiner Leistungs
fähigkeit nicht durch Beugung begrenzt ist, und in
der Tat ist es sogar verhältnismäßig leicht zu er
reichen, daß das Fernrohr 20 für sich genommen weit
genug davon entfernt ist, in seiner Leistungsfähigkeit
durch Beugung beeinträchtigt zu werden, so daß die
durch das Fenster J in das FLIR-Beobachtungssystem ein
geführte sphärische Aberration über einen weiten Be
reich von Fensterkrümmungen kompensiert werden kann,
so daß das FLIR-Beobachtungssystem als Ganzes ein afo
kales System bildet, welches bis zu der durch Beugungs
effekte bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden
kann.
Die Objektivlinse G ist vorzugsweise entlang der
optischen Achse 19 verschieblich angeordnet, wohin
gegen die übrigen Linsen A, B, C, D, E, F, H und J unver
schieblich sind. Die Verschieblichkeit der Linse G
ermöglicht es, Verschiebungen der Lage der Zwischen
bilder 25 und 26 zu kompensieren, welche durch
Schwankungen der Umgebungstemperatur, insbesondere
im Bereich zwischen -10°C und +50°C hervorgerufen
werden. Außerdem kann das FLIR-Beobachtungssystem
bei unverändert bleibender Lage der Zwischenbilder 25
und 26 auf entfernt liegende Objekte scharf einge
stellt werden, insbesondere auf solche im Entfernungs
bereich zwischen 40 m und Unendlich bei starker Ver
größerung und zwischen 8 m und Unendlich in der
Einstellung mit schwacher Vergrößerung.
Alternativ kann man alle Linsen A, B, C, D, E, F, G, H, J
ortsfest montieren. Tut man dies und verwendet man
für das Tragwerk der Linsen E, F und H einen Werk
stoff oder Werkstoffe mit hohem thermischem Aus
dehnungskoeffizienten wie z. B. ein ultrahochmolekulares
Polyäthylen (im englischen Sprachgebrauch unter
der Abkürzung "UHMPE" für ultra high molecular weight
polyethylene bekannt, thermischer Ausdehnungskoeffi
zient ungefähr (125 bis 225). 10-6°C-1) und für
das Tragwerk für die übrigen optischen Bauelemente
des Systems einen Werkstoff oder Werkstoffe mit
relativ geringem thermischem Ausdehnungskoeffizienten
wie z. B. Aluminium (thermischer Ausdehnungskoeffizient
ungefähr 23×10-6°C-1); dann läßt sich auch auf diese
Weise das FLIR-Beobachtungssystem hinsichtlich Schwan
kungen der Umgebungstemperatur zwischen -40°C und
+70°C selbsttätig kompensieren unter Beibehaltung der
Brennweite und bei guter optischer Leistungs
fähigkeit. Obwohl man dadurch nur zwei feste Brenn
weiten beim FLIR-Beobachtungssystem erhält, wird man
doch der Notwendigkeit enthoben, die Objektivlinse G
verschieblich anzuordnen und spart die dazu nötigen
aktiven Verschiebemechanismen.
Wie Fig. 2 zeigt, können die Linsensysteme 23 für
starke und 24 für schwache Vergrößerung abwechselnd
in den Strahlengang des Fernrohrs 20 eingeführt werden,
indem man sie auf einem Karussell befestigt, welches
die beiden Linsensysteme 23 und 24 um eine Achse X ver
schwenkt, welche quer zur optischen Achse 19 zwi
schen den Linsen A und G sowie D und E liegt. Der Umlenkspiegel I
ist um eine Achse verschwenkbar, welche durch den
Krümmungsmittelpunkt R der Fensteroberflächen 28 und
29 hindurchgeht. Das erfindungsgemäße FLIR-Beobachtungs
system ist äußerst kompakt aufgebaut und besitzt in der
Einstellung mit starker Vergrößerung im Luftspalt zwi
schen den Linsen G und H eine innere Blendenzahl (engl.:
internal f-number) von weniger als 1,5; deshalb, und
wegen der Erstreckung des Sehfeldes im Bildraum 18
von 38,1° in der Horizontale x 26,5° in der Vertikale
und 46,4° in der Diagonale können die Linsensysteme 23
und 24 sehr leicht in der vertikalen Ebene gedreht
werden. Dies hat den Vorteil, daß der maximale Öffnungs
winkel der Strahlenbündel und die Öffnungsweiten der
Linsen B, C, D, E und F verringert werden, was zusammen
genommen den kompakten Aufbau des Systems erleichtert.
Der Umlenkspiegel I kann im horizontalen, vertikalen,
diagonalen oder in jedem sonstigen Sehfeld gedreht wer
den, je nach den Vorgaben des jeweiligen Verwendungs
zwecks des Systems, doch ist für einen vorgegebenen
maximalen Drehwinkel des Umlenkspiegels I das vertikale
Sehfeld am kleinsten und führt zu einer minimalen
Aperturfläche auf der Spiegeloberfläche 27. Fig. 1 zeigt das
FLIR-Beobachtungssystem mit dem 46,4°-Sehfeld, Fig. 2 hin
gegen mit 26,5°-Sehfeld im Bildraum.
Die Tabellen I und II enthalten detaillierte Angaben
über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines FLIR-
Beobachtungssystems, und zwar Tabelle I für den Fall
starker Vergrößerung und Tabelle II für den Fall
schwacher Vergrößerung. Die Tabellen I und II geben
für jede brechende Oberfläche den Krümmungsradius sowie
die Öffnungsweite (Durchmesser) an, letztere auch für
die Austrittspupille Φ, deren Lage als Bezugspunkt ge
wählt ist, von dem ausgehend die (entlang der optischen
Achse 19 gemessenen) Abstände zwischen den benachbarten
brechenden bzw. reflektierenden 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 je zwei
benachbarten Oberflächen ausfüllen. So hat z. B. die
brechende Oberfläche 11 einen Krümmungsradius von -34,67 mm,
wobei das Minuszeichen angibt, daß der Krümmungs
mittelpunkt - in der Ansicht der Fig. 1 und 2 - auf
der linken Seite der Oberfläche 11 liegt; diese
ist durch einen 11,30 mm breiten Luftspalt von der
- wenn man von der Austrittspupille Φ ausgeht - vor
hergehenden brechenden Oberfläche 10 getrennt,
besitzt eine Öffnungsweite von 52,22 mm (Durchmesser),
und ist von der nachfolgenden brechenden Oberfläche 12
durch 6,20 mm Abstand in Germanium getrennt. Die
Summe der Abstände in Tabelle I stimmt überein mit
der Summe der Abstände in Tabelle II. Die Koordinaten
der Schwenkachse X sind 64,3 mm Abstand von der Aus
trittspupille Φ entlang der optischen Achse 19 nach
rechts, sowie 3,6 mm Abstand von der optischen Achse
19 nach unten hin, jeweils bezogen auf die Dar
stellung in Fig. 2.
Fig. 3 zeigt die Gestalt des asphärischen Profils
der brechenden Oberfläche 15, wobei die parallel zur
optischen Achse 19 gemessenen Abstände zwischen der
asphärischen Oberfläche 15 und der daran am besten
angepaßten Kugelfläche einerseits und der vorgegebenen
sphärischen Oberfläche 15′ um den Faktor 1000 vergrößert
dargestellt sind. Die Gestalt des asphärischen
Profils der brechenden Oberfläche 15 kann durch die
nachfolgende Gleichung (1) beschrieben werden.
Dann bedeuten:
Z = der parallel zur optischen Achse 19 gemessene Abstand von Punkten der asphärischen Oberfläche 15 von der ihrem Scheitel anliegenden Tangential ebene,
c = 1/r mit r = -177,51 mm als dem Krümmungs radius der als Bezugsfläche vorgegebenen brechenden Oberfläche 15′,
h = der in radialer Richtung gemessene Abstand der Oberflächenpunkte der asphärischen Oberfläche 15 von der optischen Achse 19 (maximal 49,65 mm),
b = -1,23·10-8 der asphärische Koeffizient erster Ordnung,
g = +3,74·10-12 der asphärische Koeffizient zweiter Ordnung, und
. . . bedeutet Terme höherer Ordnung, die vernach lässigbar sind.
Z = der parallel zur optischen Achse 19 gemessene Abstand von Punkten der asphärischen Oberfläche 15 von der ihrem Scheitel anliegenden Tangential ebene,
c = 1/r mit r = -177,51 mm als dem Krümmungs radius der als Bezugsfläche vorgegebenen brechenden Oberfläche 15′,
h = der in radialer Richtung gemessene Abstand der Oberflächenpunkte der asphärischen Oberfläche 15 von der optischen Achse 19 (maximal 49,65 mm),
b = -1,23·10-8 der asphärische Koeffizient erster Ordnung,
g = +3,74·10-12 der asphärische Koeffizient zweiter Ordnung, und
. . . bedeutet Terme höherer Ordnung, die vernach lässigbar sind.
Die am besten angepaßte Kugelfläche ist jene Kugelfläche,
von welcher die asphärische Oberfläche 15 am geringsten
abweicht. Die Tabelle V enthält berechnete Werte des
Abstandes der asphärischen Oberfläche 15 von der am
besten angepaßten Kugelfläche für verschiedene Achsab
stände h und gibt auch den Krümmungsradius der am
besten angepaßten Kugelfläche an. Man sieht, daß das
Maß der Abweichung von der Kugelgestalt in der Tat
sehr gering ist.
Das FLIR-Beobachtungssystem weist bei starker Ver
größerungseinstellung einen Vergrößerungsfaktor von
X6,0 und bei schwacher Vergrößerungseinstellung einen
solchen von X1,9 auf und besitzt in der Einstellung mit
starker Vergrößerung im Luftspalt zwischen den
Linsen G und H eine innere Blendenzahl von 1,00.
Im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 µm und 11,5 µm
ist das System farbkorrigiert und bei verschieb
barer zweiter Linse G des Objektivs 21 ist in der
Einstellung mit starker Vergrößerung eine Scharf
einstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von
40 m bis Unendlich und in der Einstellung mit
schwacher Vergrößerung eine Scharfeinstellung auf
Objekte im Entfernungsbereich von 8 m bis Unendlich
möglich; eine Kompensation von thermischen Einflüssen
ist in beiden Vergrößerungseinstellungen über den
Temperaturbereich von -10°C bis hinauf zu +50°C bei
minimaler Verschlechterung der Abbildequalität mög
lich. In der Praxis kann häufig eine weitergehende
Verschlechterung der Abbildequalität hingenommen
werden, und wenn man das tut, dann kann bei dein
FLIR-Beobachtungssystem bei starker Vergrößerungs
einstellung eine Scharfeinstellung sogar auf Ob
jekte im Entfernungsbereich zwischen 8 m und Unend
lich und bei schwacher Vergrößerungseinstellung
zwischen 4 m und Unendlich erfolgen, und der
Temperaturbereich, in welchem eine Kompensation von
thermischen Einflüssen erfolgen kann, kann in
beiden Vergrößerungseinstellungen auf den Bereich von
-40°C bis +70°C erweitert werden. Wie weiter vorne
beschrieben, kann man die Linse G aber alternativ
auch ortsfest anordnen und erhält so zwei feste
Brennweiten, und eine Kompensation thermischer Ein
flüsse bei minimaler Verschlechterung der Abbilde
qualität kann dann im Temperaturbereich von -40°C
bis +70°C durch passive Maßnahmen erreicht werden.
Daten zur Illustration der Abbildequalität des FLIR-
Beobachtungssystems sind in den Tabellen III und IV
angegeben, von denen die erste die Daten für die
Einstellung mit starker Vergrößerung und für eine
Scharfeinstellung auf eine Entfernung von ungefähr
2500 m angibt, wohingegen die letztere die Daten
für die Einstellung mit schwacher Vergrößerung und
für eine Scharfeinstellung auf eine Entfernung von
ungefähr 111 m angibt.
In der Einstellung mit starker Vergrößerung weist das
FLIR-Beobachtungssystem eine hohe Abbildegüte über
wenigstens zwei Drittel des gesamten Sehfeldes auf,
wobei zur Akkommodation von Pupillenaberrationen die
primäre Apertur (Durchmesser) des Fernrohrobjektivs
um lediglich 12,4% vergrößert ist. In der Einstellung
mit schwacher Vergrößerung weist das System eine
hohe Abbildegüte über wenigstens zwei Drittel des
gesamten Sehfeldes auf. In den Einstellungen mit
starker bzw. schwacher Vergrößerung weist das System
bei maximalem Sehfeldwinkel eine Verzeichnung
(Winkelabweichung) von nur + 1,2% bzw. +1,5% auf, wo
bei das positive Vorzeichen eine mit zunehmendem
Sehfeldwinkel zunehmende Vergrößerung bezeichnet.
Insbesondere in der Einstellung mit schwacher Ver
größerung konvergieren bei dem FLIR-Beobachtungs
system die Strahlenbündel unter Bildung einer mini
malen, in der Nachbarschaft des Fensters J liegenden
Querschnittsfläche, wie die Fig. 1 und 2 in ihren
unteren Darstellungen zeigen. Infolgedessen kann das
Sehfeld des FLIR-Beobachtungssystems durch Drehung
des Spiegels I wesentlich vergrößert werden, ohne
daß dadurch eine Vignettierung oder ein "Narzißmus-
Effekt" auftreten (unter dem Narzißmus-Effekt ver
steht man ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbildes
des Beobachters im Sehfeld).
Das durch die Angaben in den Tabellen I bis V
definierte FLIR-Beobachtungssystem kann maßstäblich
verändert und optimiert werden, um einen weiten
Bereich von starken und schwachen Vergrößerungen zu
erhalten, wobei das Verhältnis zwischen der je
weiligen starken und schwachen Vergrößerung typisch
im Bereich zwischen 6 : 1 und 2 : 1 liegt und die grund
legende Konfiguration des optischen Systems beibe
halten wird. Obwohl zur Beschreibung der Gestalt der
asphärischen Linsenoberfläche 15 nur zwei asphärische
Koeffizienten zum Einsetzen in die Gleichung (1)
angegeben wurden, können natürlich - wenn gewünscht -
auch weitere asphärische Koeffizienten höherer
Ordnung berücksichtigt werden. Das FLIR-Beobachtungs
system kann ferner mit dem Ziel unterschiedlich großer
Sehfelder und Durchmesser der Austrittspupille im
Bildraum optimiert werden, so daß es in Verbindung mit
unterschiedlichen Detektorsystemen - welche mit oder
ohne Abtastmechanismen (Scanner) arbeiten - verwendet
werden kann.
Es sei noch darauf hingewiesen, daß die Angaben in
den Tabellen I bis VI für eine Temperatur von 20°C
gelten und daß die angegebenen Blendenzahlen vom
Ausdruck (2·sin θ)-1 abgeleitet sind, worin θ der
halbe Konuswinkel jenes Kegels ist, den die Axial
strahlen nach der Brechung durch die Linse bilden,
auf welche die Axialstrahlen auftreffen.
Bei dem im Ausführungsbeispiel beschriebenen
FLIR-Beobachtungssystem ist lediglich die eine
Linsenoberfläche 15 asphärisch. Ein gleich gutes
Beobachtungssystem kann man aber auch dann erhalten,
wenn statt dessen allein die Linsenoberfläche 16
oder die die beiden Linsenoberflächen 15 und 16
asphärisch gestaltet wird. Letzteres hat den Vorteil,
daß die Asphärizität auf beide Linsenoberflächen
15 und 16 aufgeteilt werden kann, so daß die Ab
weichungen von der idealen Kugelfläche bei beiden
wesentlich geringer ausfallen kann, als wenn nur
eine der beiden Linsenoberflächen 15 und 16
asphärisch wäre.
Claims (3)
1. Ein im infraroten Spektralbereich arbeitendes optisches
Beobachtungssystem (nachfolgend kürzer FLIR-Beobachtungs
system genannt) mit einer Kombination eines Linsenfernrohrs
(20) mit einem optische Brechkraft besitzenden Fenster (J)
welches durch zwei sphärische brechende Oberflächen (28, 29)
begrenzt wird, deren gemeinsamer Krümmungsmittelpunkt (R) auf
einer gemeinsamen optischen Achse (19) liegt,
worin das Fernrohr (20) ein zweilinsiges Teleobjektiv (21) be sitzt, dessen Primärlinse (H) und Sekundärlinse (G) auf der gemeinsamen optischen Achse (19) angeordnet sind und die Primärlinse (H) positive Brechkraft und die Sekundärlinse (G) negative Brechkraft besitzt, wobei auf der optischen Achse (19) ferner ein ebener Umlenkspiegel (I) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (I) zwischen dem Fenster (J) und der Primärlinse (H) des Objektivs (21) angeordnet ist, daß auf seiner Reflexionsfläche (27) der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt (R) der beiden Fensterober flächen (28, 29) liegt und daß der Umlenkspiegel (I) um den Auftreffpunkt der optischen Achse (19) auf den Umlenkspiegel (I) drehbar ist, daß wenigstens eine (15) der beiden brechenden Oberflächen (15, 16) der Primärlinse (H) asphärisch ist, während die restlichen brechenden Oberflächen (13, 14, 16) im Objektiv (21) im wesentlichen sphärisch sind,
daß die Sekundärlinse (G) des Objektivs (21) einen kleineren Brechungsindex als die Primärlinse (H) besitzt,
daß der Grad der Abweichung der asphärischen Oberfläche(n) von der wahren Kugelflächengestalt derart gewählt ist, daß das Fernrohr (20) weder ein afokales Fernrohr noch in seiner Leistungsfähigkeit durch Beugung begrenzt ist,
und daß die Auswahl und Anordnung der optischen Bauelemente (A, B, C, D, E, F, G, H, J) des FLIR-Beobachtungssystems so aufeinander abgestimmt sind, daß die durch das Fenster (J) in das System eingeführte sphärische Abberation durch die sphärische Aberation des Fernrohrs (20) kompensiert wird, so daß das FLIR-Beobachtungssystem als Ganzes ein afokales System ist und seine Leistungsgrenze durch Beugungseffekte be stimmt wird.
worin das Fernrohr (20) ein zweilinsiges Teleobjektiv (21) be sitzt, dessen Primärlinse (H) und Sekundärlinse (G) auf der gemeinsamen optischen Achse (19) angeordnet sind und die Primärlinse (H) positive Brechkraft und die Sekundärlinse (G) negative Brechkraft besitzt, wobei auf der optischen Achse (19) ferner ein ebener Umlenkspiegel (I) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Umlenkspiegel (I) zwischen dem Fenster (J) und der Primärlinse (H) des Objektivs (21) angeordnet ist, daß auf seiner Reflexionsfläche (27) der gemeinsame Krümmungsmittelpunkt (R) der beiden Fensterober flächen (28, 29) liegt und daß der Umlenkspiegel (I) um den Auftreffpunkt der optischen Achse (19) auf den Umlenkspiegel (I) drehbar ist, daß wenigstens eine (15) der beiden brechenden Oberflächen (15, 16) der Primärlinse (H) asphärisch ist, während die restlichen brechenden Oberflächen (13, 14, 16) im Objektiv (21) im wesentlichen sphärisch sind,
daß die Sekundärlinse (G) des Objektivs (21) einen kleineren Brechungsindex als die Primärlinse (H) besitzt,
daß der Grad der Abweichung der asphärischen Oberfläche(n) von der wahren Kugelflächengestalt derart gewählt ist, daß das Fernrohr (20) weder ein afokales Fernrohr noch in seiner Leistungsfähigkeit durch Beugung begrenzt ist,
und daß die Auswahl und Anordnung der optischen Bauelemente (A, B, C, D, E, F, G, H, J) des FLIR-Beobachtungssystems so aufeinander abgestimmt sind, daß die durch das Fenster (J) in das System eingeführte sphärische Abberation durch die sphärische Aberation des Fernrohrs (20) kompensiert wird, so daß das FLIR-Beobachtungssystem als Ganzes ein afokales System ist und seine Leistungsgrenze durch Beugungseffekte be stimmt wird.
2. Beobachtungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich
net, daß das Fernrohr (20) zwei abwechselnd in den
Strahlengang des Fernrohrs (20) bringbare und auf der gemein
samen optischen Achse (19) ausrichtbare Linsensysteme (23
bzw. 24) für starke Vergrößerung bzw. für schwache Vergröße
rung besitzt, wobei die Anordnung so getroffen ist, daß in
der Einstellung mit schwacher Vergrößerung die Strahlenbündel,
welche durch das Beobachtungssystem hindurchtreten, unter Bil
dung einer im Zwischenraum zwischen dem Fenster (J) und der
ersten Linse (Primärlinse H) des Objektivs (21) gelegenen
minimalen Querschnittsfläche der Strahlenbündel konvergieren.
3. Beobachtungssystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeich
net durch den in den Tabellen I, II und III wiedergegebenen
Aufbau.
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