DE69103081T2 - Zoomlinse. - Google Patents

Description

• Zoomlinsen werden gewöhnlich in Verbindung mit anderen optischen Elementen verwendet, um eine variable Vergrößerung bei zum Beispiel optischen Infrarotwellenlängen zu schaffen. Falls sie mit einem geeigneten Objektiv und einem Okular verwendet werden, wird ein Teleskop gebildet. Zoomlinsen neigen dazu, recht komplex zu sein, wobei gewöhnlich vier oder mehr Elemente erforderlich sind, von denen eines oder mehrere bewegbar sein können. Eine derartige Linse hat den Nachteil von Kosten und Gewicht.
• Es ist ein Ziel der Erfindung, eine einfache Zoomlinse für eine Verwendung bei Infrarotwellenlängen und für monochromatisches Licht innerhalb des sichtbaren Spektrums zu schaffen.
• Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zoomlinse wie in Anspruch 1 definiert geschaffen.
• Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben, in welchen:
• Figur 1 ein schematisches Diagramm einer einfachen Form eines Teleskops ist, das die Erfindung enthält; und
• Figur 2 eine Schnittansicht eines Elements der Zoomlinse ist.
• Nach nunmehr Figur 1 besteht ein Teleskop in seiner einfachsten Form aus einer Okularlinse 10 und einer Objektivlinse 11, die auf einer gemeinsamen optischen Achse 12 angeordnet sind. Zwischen der Bildebene der Objektivlinse 11, die schematisch bei 13 gezeigt ist, und der Okularlinse 10 befindet sich ein Paar von Elementen, das den Zoomlinsenaufbau 14 bildet, ebenfalls auf der optischen Achse 12. Der Aufbau 14 umfaßt ein Paar von ähnlichen Linsenelementen 15 und 16, von denen jedes eine konvexe Oberfläche und eine konkave Oberfläche besitzt. Die zwei konkaven Oberflächen liegen einander gegenüber und die zwei konvexen Oberflächen liegen am weitesten außen. Die zwei konvexen Oberflächen sind asphärisch, wie später beschrieben wird.
• Die Linsenelemente 15 und 16 sind auf einer schematisch bei 17 gezeigten Tragevorrichtung angebracht, die parallel zur optischen Achse 12 entlang einer Spur oder einer Führung 18 zwischen zwei konjugierten Positionen bewegbar ist, die in einem durchgezogenen bzw. gestrichelten Umriß gezeigt sind. In beiden Positionen entwirft die Zoomlinse ein Bild des Objektivbilds bei 13 in einer zweiten Bildebene 19. Die Tragevorrichtung 17 ist mittels beispielsweise eines Motors 110 bewegbar, der eine Führungsschraube 111 antreibt. Eine feine Justierung der Position der Tragevorrichtung 17 wird für Fokussierzwecke verwendet.
• Wie oben erwähnt, sind die äußersten Oberflächen der Linsenelemente 15 und 16 asphärisch. Figur 2 zeigt einen Schnitt durch das Zentrum eines der Linsenelemente. Die Gestalt der äußeren Oberfläche 21 entlang eines Radius von der optischen Achse 12 ist definiert durch die Entfernung Z von der Linsenoberfläche zu einer Tangente 20, und zwar in bezug auf eine radiale Entfernung y von der optischen Achse. Die Beziehung kann ausgedrückt werden als die Reihe:
• wobei c = Basiskrümmung (=1/Basiskrümmungsradius) und k = konische Konstante.
• Zum Beispiel bezeichnet 0< k< -1 einen Ellipsoid.
• Wie aus Figur 2 zu erkennen ist, wird die asphärische Oberfläche 21 gebildet, indem die Abmessung Z über ihren Wert für die bei 22 gezeigte sphärische Basisoberfläche reduziert wird. Dies reduziert die sphärische Aberration, die andernfalls durch die stark gekrümmte Oberfläche hervorgerufen werden würde. Die konkave oder innere Oberfläche des Linsenelements kann sphärisch sein.
• Da die beschriebene Zoomlinse für eine Verwendung bei Infrarotwellenlängen gedacht ist, sind normale optische Glasmaterialien nicht geeignet. Germanium wird gewöhnlich für Wellenlängen zwischen 8 und 12 um verwendet. Andere Materialien sind geeignet oder können geeignet werden für eine Verwendung bei diesen und anderen Wellenlängen zwischen 1 und 14 um. Im sichtbaren Spektrum ist die Zoomlinse der vorliegenden Erfindung lediglich für eine Verwendung mit monochromatischem Licht geeignet.
• Die Anordnung zum Bewegen der Zoomlinse ist nicht ausführlich beschrieben worden, da viele verschiedene Anordnungen verwendet werden können. Die Zoomlinse ist nicht verwendbar in Positionen zwischen den konjugierten Positionen, um eine kontinuierlich variable Vergrößerung zu ergeben. Während der Vergrößerungsbereich von vielen Faktoren abhängt, beeinträchtigt deren Mehrzahl die Gesamtabmessungen des Teleskops, mit welchem die Zoomlinse verwendet wird. Ein Bereich von wenigstens 4:1 ist mit der beschriebenen Zoomlinse möglich.
• Da die Linse aus Germanium hergestellt ist, ist eine Variation des Brennpunkts mit der Wellenlänge sehr klein im 8 - 12 um-Bereich, und es ist nicht notwendig, irgendeine Form von Farbkorrektur vorzusehen, wie es für das sichtbare Spektrum nötig wäre.
• Es wird einzusehen sein, daß die Linsenelemente 15 und 16 lediglich positive Elemente sein müssen. So könnten plan-konvexe oder andere positive Elemente verwendet werden. Konkav-konvexe Elemente wie beispielsweise die Elemente 15, 16 besitzen Vorteile geringeren Gewichts und geringerer Aberrationen gegenüber anderen Formen positiver Linsenelemente und werden daher bevorzugt.
• Insbesondere wirkt der Luftspalt zwischen den zwei konkaven Oberflächen als eine "negative Luftlinse", die bekanntermaßen eine Feldkrümmungskorrektur in der Art einer Doppel- Gauss-Linse erlaubt. Jedoch erfordert die Doppel-Gauss-Linse normalerweise zwischen vier und acht Elemente, wenn sie für eine Verwendung bei mehreren Wellenlängen innerhalb des sichtbaren Spektrums und von Nah-Infrarotbereichen des Spektrums entworfen ist, wobei Glaselemente verwendet werden.
• Wie bereits erwähnt, sind die Hauptvorteile der den Gegenstand der Erfindung bildenden Zoomlinse die Einsparungen in Gewicht und Kosten gegenüber denjenigen bekannter Zoomlinsen-Anordnungen. Zusätzlich werden auch optische Verluste reduziert.

Claims (9)

1. Eine Zoomlinse (14) zur Verwendung in einem Infrarotteleskop (10, 11) und zum Schaffen einer Vergrößerung, die auf einen von zwei vorbestimmten Werten einstellbar ist, und mit einem Paar von positiven Linsenelementen (15, 16), die relativ zueinander fixiert sind und von denen jedes eine asphärische Oberfläche besitzt, wobei das Paar von Linsenelementen (15, 16) zwischen zwei konjugierten Positionen bewegbar ist, um die Vergrößerung zwischen zwei im Teleskop geformten Bildebenen zu variieren.

2. Eine Linse wie in Anspruch 1 beansprucht, worin die Linsenelemente (15, 16) mit den asphärischen Oberflächen am weitesten außen angeordnet sind.

3. Eine Linse wie in Anspruch 1 oder 2 beansprucht, worin die positiven Linsenelemente (15, 16) konkav-konvexe Elemente sind, wobei sich die konkaven Oberflächen gegenüberliegen.

4. Eine Linse wie in Anspruch 1, 2 oder 3 beansprucht, in welcher die innersten Oberflächen des Paars von Linsenelementen (15, 16) sphärisch sind.

5. Eine Linse wie in einem der Ansprüche 1 bis 4 beansprucht,

worin die positiven Linsenelemente (15, 16) identisch sind.

6. Eine Linse wie einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welcher die Linsenelemente (15, 16) aus einem Material hergestellt sind, das für Strahlung im Bereich von 1 bis 14 um durchlässig ist.

7. Eine Linse wie in Anspruch 6 beansprucht, in welcher die Linsenelemente (15, 16) aus einem Material hergestellt sind, das für Strahlung im Bereich von 8 bis 12 um durchlässig ist.

8. Eine Linse wie in Anspruch 7 beansprucht, in welcher das Material Germanium ist.

9. Eine Linse wie in einem der vorhergehenden Ansprüche beansprucht, in welcher das Paar von Linsenelementen (15, 16) auf einer Tragevorrichtung für eine Bewegung parallel zur optischen Achse des Teleskops (10, 11) angebracht ist.