DE69109984T2 - Optisches System mit grossem Blickfeld und grosser Öffnung, insbesondere für den Nachtsichtkanal eines Episkops und mit einem solchen optischen System ausgerüstetes Episkop. - Google Patents

Description

• Der Bereich der folgenden Erfindung betrifft vergrößernde optische Linsen und insbesondere binokulare optische Systeme, die dafür vorgesehen sind, in den Nachtsichtweg eines Beobachtungssystems zwischen eine Lichtverstärkungsröhre und die Augen eines Beobachters eingesetzt zu werden.
• Die Erfindung findet ihre Anwendung insbesondere bei Beobachtungsgeräten gepanzerter Fahrzeuge und insbesondere bei Episkopen für Kampfpanzer.
• Das optische System der Erfindung findet jedoch selbstverständlich jedesmal dort Anwendung, wo eine optische Umgebung angetroffen wird, die derjenigen entspricht, die später weiter ausgeführt wird.
• In dem speziellen Fall von gepanzerten Fahrzeugen verfügt der Fahrer im allgemeinen für die Tagsicht über wenigstens ein herkömmliches optisches Episkop, welches Tagsichtweg genannt wird und einen Eingangsreflektor umfaßt, der die Lichtstrahlen aufnimmt, sowie einen Ausgangsreflektor, der die Lichtstrahlen für den Fahrer wiederherstellt. Je nach Art des Episkops kann der Weg der Lichtstrahlen zwischen den beiden Reflektoren direkt sein oder mehrere Umlenkungen erfahren.
• Der Tagsichtweg gewährleistet eine optimale Sicht, so lange die Beleuchtung ausreichend ist. Dagegen ermöglicht sie nicht das Fahren in der Nacht. Es ist nämlich nicht möglich, wenigstens nicht in der Kampfstellung, in das Fahrzeug integrierte Beleuchtungsmittel zu verwenden. Es ist somit notwendig, einen elektronischen Nachtsichtweg zu verwenden, der den Fahrer ein erkennbares Bild der Umgebung wiederherstellt und beispielsweise ein Objektiv, eine Lichtverstärkungsröhre sowie ein Binokular umfaßt.
• Die bekannten Episkope weisen jedoch zu große Abmessungen auf, als daß sie an eine Ausrüstung zur Tag- und Nachtsicht angepaßt werden können. Abgesehen von dem Hauptnachteil, daß sie dem Fahrer des Panzers ein tieferliegendes Bild liefern, als es die Tagsicht-Episkope bereitstellen, verwenden sie den gesamten erhältlichen Platz zwischen dem Auge des Fahrers und der Panzerung, wodurch das Zwischensetzen eines Tagsichtweges verhindert wird.
• Da ein Episkop leicht durch ein anderes ersetzbar sein muß, beispielsweise im Falle einer Zerstörung oder bei einer schlechten Funktion oder einfach, um die Wartungsvorschriften auszuführen, weist es im allgemeinen die Form einer kompakten Baugruppe auf, welche alle das Episkop bildenden Elemente umfaßt (Reflektor zum Umlenken der optischen Bündel, mechanischer Rahmen für den Nachtsichtweg, Objektive, Lichtverstärkungsröhre, Reflektoren für den Tagsichtweg, etc....)
• Um einem solchen Episkop die kleinstmöglichen Abmessungen zu geben, können verschiedene Mechanismen verwendet werden.
• Ein Mechanismus, der einen Übergang von einer Betrachtung durch den Tagsichtweg zu einer Betrachtung durch den Nachtsichtweg ermöglicht, ist beispielsweise in der französischen Patentanmeldung Nr. 90 07838 beschrieben, welche betrifft: "Bâti mécanique articulé, notamment pour épiscope, et épiscope monté dans un tel bâti". Der Übergang von einem visuellen Betrachtungsweg zu einem anderen wird bei einem minimalen Raumerfordernis mittels eines kompakten Mechanismus zum Steuern des Verschwenkens eines Reflektors erzielt, der die Lichtstrahlen selektiv zu dem einen oder anderen Weg leiten.
• Hinsichtlich derselben Aufgabe ist es auch interessant, über eine Verminderung der Größe der Binokulare nachzudenken, mit denen die Episkope versehen sind. Bei einem Episkop ist nämlich das Binokular gegenüber dem Anwender angebracht, weshalb es einen relativ erheblichen Raum einnimmt. Die Einschränkung des Platzbedarfes kann somit erzwingen, daß das optische System insbesondere einen abgewinkelten Teil umfaßt, welcher den vertikal aus der Verstärkungsröhre austretenden Lichtstrahlen ermöglicht, horizontal in Richtung der Augen des Anwenders abgelenkt zu werden.
• Abgesehen von der Beschränkung des Raumbedarfes muß die Konzeption eines Binokulars für ein Episkop mit den weiteren Elementen der optischen Kette kompatibel sein. Somit müssen die Binokulare aus Gründen des Baukastenprinzips und aus ökonomischen Gründen an die Abmessungen von vorhandenen Verstärkungsröhren angepaßt werden können und insbesondere an diejenigen der Episkope, mit denen die Kampfpanzer der Typen Leclerc, AMX 30 oder T (Handelsnamen) versehen sind.
• Die Konzeption eines optischen Systems des Nachtsichtweges eines Episkops erfordert also die Wahl eines Paares aus Verstärkungsröhre und Binokular.
• Es sind also für Nachtsichtwege von Episkopen Binokulare bekannt, die mit Verstärkungsröhren 20/30 mm gekoppelt sind, beispielsweise die Verstärkungsröhre XX 1380 von Philips (geschützte Marke).
• Jedoch ist das von diesen Binokularen gebotene Sichtfeld nicht ausreichend breit, um für das Fahren eines gepanzerten Fahrzeugs und insbesondere eines Kampfpanzers einen ausreichenden Komfort bereitzustellen.
• Es sind auch Arten von Binokularen bekannt, die an weit verbreitete Verstärkungsröhren 25/25 mm des Typs MX 9644/UV angepaßt sind, wobei die Kopplung zwischen der Verstärkungsröhre und dem Binokular mit Hilfe einer Gruppe von vergrößernden Fasern 25/46 mm erzielt ist.
• Der Hauptnachteil dieser Art von Binokular besteht darin, daß das Vergrößerungsverhältnis, welches notwendig ist, um das Bild auf einen ausreichenden Durchmesser zu bringen, 1,6 beträgt, was eine Verminderung der Öffnung der Faser am Ausgang hervorruft, was mit einer großen Öffnung des Binokulars inkompatibel ist. Dies führt zu einer Verdunkelung des mittleren Bereiches des Sehfeldes bei einer normalen Stellung der Augen des Beobachters und zu einem Kontrastverlust aufgrund der Fasern. Außerdem weist diese Lösung für die meisten Anwendungen zur Tagund Nachtsicht zu große Abmessungen auf.
• Eine dritte Art von an Episkope angepaßten Binokularen findet ihre Anwendungen in den Röhren 25/40 mm des Typs TH 9311 von Thomson (geschützte Marke). Diese Röhren sind sehr gut an die Kriterien Abmessungen und Bildqualität angepaßt, sie weisen jedoch den Nachteil auf, daß sie hohe Herstellungskosten aufweisen.
• Andererseits ist die amerikanische Patentschrift Nr. 3 922 072 von Rogers bekannt, welche optische Konfigurationen für Nachtsichtgeräte betrifft, wobei das Bild auf einem "Phosphor"-Bildschirm, üblicherweise eine Verstärkungsröhre gebildet und von Linsen verstärkt wird. Die beschriebenen optischen Konfigurationen weisen drei Linsengruppen auf, die alle Sammellinsen sind. Die erste Gruppe, die vordere Gruppe genannt wird, ist durch eine Brennweite gekennzeichnet, die zwischen 3 F und 12 F liegt, wobei F die Brennweite der entsprechenden Konfiguration ist, die zweite Gruppe, welche mittlere Gruppe genannt wird, weist eine Brennweite zwischen 1,6 F und 2 F auf, und die dritte Gruppe, die hintere Gruppe genannt wird, weist eine Brennweite zwischen 1 F und 1,7 F auf. Die dritte Gruppe ist durch einen positiven Meniskus gebildet, der nach vorne konvex ist und dessen hintere Seite einen unendlichen Radius haben kann, was bedeutet, daß sie eben ist.
• Die ausgeführten Konfigurationen ermöglichen jedoch nicht, eine ausreichend kleine Öffnungszahl zu erhalten, so daß der Beobachter seine Augen in einem beschränken Bereich des Raumes anordnen muß.
• Es ist außerdem notwendig, eine radikal neue optische Konfiguration zu entwickeln, da es nicht möglich ist, den Effizienzbereich von vorhandenen Konfigurationen durch einfache quantitative Veränderungen auszudehnen. Es werden nämlich für eine gegebene optische Konfiguration die Grenzen des Arbeitsbereichs erreicht, sobald man eine Grenzgröße der Linse erreicht.
• Die vorliegende Erfindung hat insbesondere zum Ziel, diese Nachteile zu vermeiden.
• Genauer gesagt besteht ein erstes Ziel der vorliegenden Erfindung darin, eine neue optische Konfiguration eines Binokulars zu schaffen, welche insbesondere in einem Nachtsichtweg für ein Episkop verwendet werden kann, um die Bildübertragung von dem Ausgang an dem Bildschirm einer Lichtverstärkungsröhre bis zu den Augen des Verwenders zu gewährleisten.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine solche optische Konfiguration für Binokulare bereitzustellen, die gleichzeitig ein großes Sichtfeld und eine große Öffnung aufweist.
• Ein weiteres Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Binokular mit verminderten Abmessungen bereitzustellen. Das Binokular muß zusätzlich ein abgewinkeltes Glas aufweisen, dessen Funktion darin besteht, die von der Lichtverstärkungsröhre stammenden, vertikalen Strahlen zu dem Augenglas mit im wesentlichen horizontaler Achse umzulenken.
• Ein zusätzliches Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine optische Konfiguration zu erhalten, welche der normalen Stellung der Augen des Beobachters von ungefähr 100 mm von dem Augenglas entspricht. Auf diese Weise sind die Pupillen von dem ersten Diopter entfernt, wodurch das Vorhandensein eines einklappbaren Reflektors möglich ist, der das Umlenken des Bildes zu einem der Wege (beispielsweise dem Tagsichtweg) ermöglicht, wenn dieser Weg gewählt ist.
• Die vorliegende Erfindung hat auch zum Ziel, eine optische Grundkonfiguration für ein Binokular mit einem Nachtsichtweg bereitzustellen, die dem folgenden Lastenheft Rechnung trägt:
• - Eingangsfeld größer oder gleich 45º;
• - Vergrößerung größer oder gleich 0,9;
• - Öffnung des Binokulars ausreichend groß, in der Größenordnung von 100 mm, damit der Eindruck verhindert wird, daß durch eine Schießscharte betrachtet wird (der Standardabstand der Augen kann beispielsweise zu in der Größenordnung von 64 mm bestimmt werden);
• - die Brennweite muß in der Größenordnung von 40 mm (für einen Bildschirm mit einem Durchmesser von 30 mm) betragen, was eine sehr geringe Blendenzahl erfordert, um dem Wert des Durchmessers der Eingangspupille Rechnung zu tragen;
• - das abgedeckte Feld muß von guter Qualität sowie breit sein, wenigstens gleich 15º in der Betrachtungsebene des Anwenders. Damit das Gehirn des Betrachters das Bild in der binokularen Betrachtung rekonstruieren kann, ist es notwendig, daß das Bild jedes Auges im wesentlichen identisch ist. Das abgedeckte Feld muß somit einen wesentlichen Prozentsatz des Feldes in dem mittleren Bereich des Bildes abdecken;
• - das Vorhandensein eines abgewinkelten Glases muß ermöglichen, die aus der Verstärkungsröhre austretenden Strahlen zu den Augen des Anwenders abzulenken, beispielsweise um 90º. Das Vorhandensein einer solchen Ablenkung führt zu zusätzlichen Abmessungen und ruft Aberrationen außerhalb der Achse hervor.
• Diese Ziele sowie weitere, die sich nachfolgend ergeben, werden mittels einer optischen Konfiguration eines Binokulars erreicht, welches aus zwei Gruppen besteht, nämlich einer vorderen Gruppe und einer hinteren Gruppe, wobei "vorne" die Seite des Beobachters und "hinten" die Einlaßseite von Lichtbündeln bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Gruppe aus einem vorderen Teil und einem hinteren Teil besteht, wobei der vordere Teil durch eine bikonvexe Sammellinse sowie einen nach vorne konkaven Meniskus gebildet ist, und daß die hintere Gruppe durch eine verklebte Doppellinse mit ebener hinterer Seite gebildet ist, die eine konvexe Sammellinse umfaßt, die mit einer Zerstreuungslinse verklebt ist, wobei die Linsen der verklebten Doppellinse unterschiedliche und komplementäre Streuungen aufweisen, um die chromatische Aberration zu kompensieren, wobei die Brennweite der Doppellinse zwischen 0,85 F und 1,05 F beträgt, wobei F die Brennweite des Binokulars ist.
• Diese für die Erfindung wesentliche Anordnung ermöglicht, die Strahlen in dem abgedeckten Feld passieren zu lassen, ohne Aberrationen außerhalb der Achse hervorzurufen.
• Vorzugsweise ist der Krümmungsmittelpunkt der vorderen Seite der Doppellinse auf der optischen Achse angeordnet, so daß er annäherungsweise auf die Bilderzeugungsebene zentriert ist.
• Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung betragen die Brechungsindizes der konvexen Sammellinse und der Zerstreuungslinse zwischen etwa 1,75 und 1,95.
• Gemäß einer vorteilhaften Ausführüngsform der vorliegenden Erfindung besteht der hintere Teil aus einer bikonvexen Linse.
• Vorzugsweise sind die bikonvexe Sammellinse und der konkave Meniskus des vorderen Teiles durch eine Luftschicht voneinander getrennt.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind die bikonvexe Sammellinse und der konkave Mechanismus des vorderen Teiles miteinander verklebt, um eine Doppellinse zu bilden.
• Vorteilhafterweise weist die bikonvexe Linse des hinteren Teiles eine ebene hintere Seite auf.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der hintere Teil durch ein Glasplättchen mit ebenen und parallelen Seiten gebildet, das mit einem nach vorne konvexen Meniskus kombiniert ist, der zwischen dem vorderen Teil und dem Glasplättchen angeordnet ist.
• Vorzugsweise ist der hintere Teil abgewinkelt.
• Das Vorhandensein einer Abwinkelung in dem optischen System gemäß der Erfindung ermöglicht, die in das Binokular eintretenden Lichtstrahlen abzulenken, insbesondere in dem Fall, daß diese vertikal in das Binokular eintreten und abgelenkt werden müssen, so daß sie horizontal vorliegen. Dies ist der Fall, der üblicherweise in einem Episkop angetroffen wird, bei dem der Fahrer die vertikal aus einer Lichtverstärkungsröhre austretenden Lichtstrahlen horizontal betrachtet.
• Vorteilhafterweise wird das optische System gemäß der Erfindung auf eine Verstärkungsröhre für einen Nachtsichtweg eines Episkops angewendet, bei dem eine optische Verbindung zwischen dem Ausgangsschirm der Lichtverstärkungsröhre und dem System durch ein Bündel von Lichtleitfasern am Ausgang der Verstärkungsröhre gewährleistet ist, auf das die Doppellinse aufgeklebt wird.
• Das Verkleben der Doppellinse verhindert das Vorhandensein einer Luftschicht mit dem Brechungsindex 1, was eine Totalbrechung der Strahlen mit mittlerem Brechungsindex und somit ein eingeschränkteres abgedecktes Feld erzeugen würde. Das Verkleben ermöglicht also, die Öffnung der Fasern künstlich zu erhöhen.
• Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung betragen die Streuungen der Brennweiten der vorderen Gruppe und der hinteren Gruppe zwischen ungefähr 1,75 F und 2,5 F beziehungsweise 0,85 F und 1,05 F.
• Vorteilhafterweise wird das optische System gemäß der vorliegenden Erfindung auf ein Episkop angewendet, insbesondere bei einem gepanzerten Fahrzeug.
• Weitere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich durch das Lesen der beispielhaft und nicht einschränkend gegebenen, nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung und durch die beigefügte Zeichnung. In dieser zeigen:
• - Figur 1 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Episkop, das einen Tagsichtweg und einen Nachtsichtweg aufweist und ein optisches System gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet;
• - Figur 2 ein Schema einer optischen Kette für den Nachtsichtweg eines Episkops;
• - Figur 3 eine erste Ausführungsform einer optischen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung;
• - Figur 4 eine zweite Ausführungsform einer optischen Konfiguration gemäß der vorliegenden Erfindung, welche eine Variante der Konfiguration von Figur 3 bildet;
• - Figur 5 eine Variante der in Figur 4 dargestellten optischen Konfiguration; und
• - Figur 6 die Brennweiten des Astigmatismus der optischen Konfiguration 2 von Figur 4.
• In Figur 1 ist ein schematischer Vertikalschnitt durch ein Episkop dargestellt, welches einen Tagsichtweg und einen Nachtsichtweg unter Verwendung eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt.
• Ein Episkop 1 durchquert die Panzerung 2 eines Fahrzeugs. Das Episkop 1 umfaßt zwei unabhängige und nebeneinanderliegende episkopische Vorrichtungen 3 und 4.
• Die von dem oberen Teil des Episkops 1 empfangenen Lichtstrahlen werden in Abhängigkeit von der Stellung eines einklappbaren Reflektors 5 entweder zu der Vorrichtung 3, die Nachtsichtweg genannt wird, oder zu der Vorrichtung 4 geleitet, die Tagsichtweg genannt wird. Dieser Reflektor kann insbesondere ein Spiegel oder ein dreieckiges Prisma sein.
• Wenn die Lichtstrahlen eine ausreichende Intensität aufweisen, ist der verschwenkbare Reflektor 5 derart umgelegt, daß die Lichtstrahlen direkt in den Tagsichtweg 4 fallen.
• Gemäß einer besonderen Ausführungsform kann die erste Vorrichtung 4 zwei Reflektoren 6 und 7 umfassen, welche die in das Episkop eintretenden Lichtsignale zu einem Beobachter 8 reflektieren, üblicherweise einen Fahrer des gepanzerten Fahrzeugs.
• Die aus dem Außenraum stammenden Lichtsignale werden von dem Reflektor 6 zum Reflektor 7 reflektiert, der sie zu dem Beobachter 8 schickt.
• Wenn das Episkop in dem Tagsichtmodus arbeitet, also wenn die Lichtstrahlen zu der Vorrichtung 4 geleitet werden, kann das Episkop nicht verdreht werden. Es ist nicht notwendig, den Tagsichtweg bezüglich des Seitenwinkels zu drehen, da die bekannten gepanzerten Fahrzeuge im allgemeinen zwei seitliche Episkope zur Tagsicht aufweisen.
• Der Übergang von dem Tagsichtweg 4 zu dem Nachtsichtweg 3 wird durch Kippen des einklappbaren Reflektors 5 oberhalb des Nachtsichtweges 3 ausgeführt. Somit werden die in das Episkop eintretenden Lichtstrahlen zu der zweiten Verarbeitungsvorrichtung 3 geleitet, und sie gelangen nicht mehr zum Tagsichtweg 4.
• Der Nachtsichtweg 3 ist in der Anordnung von Figur 1 durch ein Objektiv, eine Lichtverstärkungsröhre 10 sowie ein Binokular 11 gebildet. Das Binokular 11 ermöglicht, am Ausgang des Binokulars 11 ein für die beiden Augen sichtbares Bild zu erhalten.
• Es enthält einen abgewinkelten Teil 30, der ermöglicht, die Lichtstrahlen entlang der im wesentlichen horizontalen Achse 31 in Richtung der Augen des Beobachters abzustrahlen. Die Gestaltung des Binokulars wird später weiter ausgeführt.
• Die aus dem Außenraum stammenden Lichtstrahlen werden von dem einklappbaren Reflektor 5 zum Objektiv 9 umgelenkt und von dem Lichtverstärker 10 elektronisch verstärkt, dann treten sie in das Binokular 11 ein und treten aus dem Binokular 11 aus, damit sie für den Beobachter 8 sichtbar sind.
• Der Nachtsichtweg 3 kann auch durch Infrarotauf nehiner, CCD oder anderes oder durch Lichtsignal-Verarbeitungsvorrichtungen gebildet sein. Beispielsweise kann die Verstärkungsröhre 10 durch einen Kameraaufnehmer und einen Anzeigebildschirm ersetzt werden, die von einer Aufnahmeoptik gefolgt sind oder nicht.
• Wenn sich das Episkop 1 gemäß der vorliegenden Erfindung in der Nachtsichtstellung befindet, also wenn sich der einklappbare Reflektor 5 in der aktiven Stellung befindet (Ablenkung der Lichtstrahlen zum Weg 3), kann der Betrachter 8 den Seitenwinkel des Nachtsichtweges steuern, also die Drehung um eine vertikale Achse. Es ist darauf hinzuweisen, daß im Falle einer Seitenwinkel-Verschwenkung das Objektiv 9 und die Verstärkungsröhre 10 vorteilhafterweise unbeweglich bleiben und daß nur der einklappbare Reflektor 5 und das Binokular 11 verdreht werden können. Dies ermöglicht, die allgemeinen Abmessungen des Episkops zu vermindern.
• In Figur 2 ist ein Schema der optischen Kette für den Nachtsichtweg 3 eines Episkops dargestellt.
• Die Lichtstrahlen treten in die optische Kette des Nachtsichtweges 3 in der Richtung 12 ein und laufen durch eine Eingangspupille 13 mit dem Öffnungswinkel 2Θ in Richtung des Objektivs 9 der Brennweite f. Das Objektiv 9 der Brennweite f formt ein Bild der Umgebung mit dem Durchmesser ∅ auf der Photokatode 14 der Verstärkungsröhre 10. Die Brennweite f, das Feld 2Θ und der Durchmesser ∅ der Photokatode 14 genügen der folgenden Gleichung:
• ∅ = 2 f tgΘ (1)
• Die Verstärkungsröhre 10 umfaßt an ihrem Austritt einen Schirm 15, auf dem das Bild erscheint, dessen Leuchtdichte verstärkt wurde. Der Durchmesser des Schirms 15 beträgt 2y. Das Binokular 11 der Brennweite F formt ein Bild des Schirmes 15 der Verstärkungsröhre 10 in einem Abstand D von einer Austrittspupille 16. Dieses Bild weist eine Größe von 2y' auf, und es ist in der Ebene der Austrittspupille 16 unter einem Winkel 2Θ' betrachtbar. Es gilt die nachfolgende Gleichung:
• y' = D tgΘ' (2)
• Die Vergrößerung G des Nachtsichtweges ist definiert als:
• G = tgΘ'/tgΘ (3)
• Das Binokular 11 ist gekennzeichnet durch:
• - seine Vergrößerung gy = y'/y (4),
• - den Durchmesser seiner Austrittspupille ∅ps,
• - den Winkel 2Θ', unter welchem das Bild gesehen wird,
• - seine Brennweite F, die in guter Näherung für D » 1 bestimmt ist durch
• F y/tgΘ' (5),
• - seine Öffnungszahl, die gleich F/∅ps ist.
• Der Wert von y hängt von der verwendeten Verstärkungsröhre ab.
• Eine spezielle Anwendung der Erfindung besteht darin, eine Verstärkungsröhre 10 zu verwenden, bei der der Durchmesser der Photokatode 20 mm und 2y gleich 30 mm (Röhre 20/30) beträgt.
• Das Lastenheft des Nachtsichtweges bestimmt die Werte der Vergrößerung G, des Feldes 2Θ und des Durchmessers ∅ps der Pupille.
• Ein bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die folgenden Werte genommen werden:
• G = 0,9
• Θ > 45º
• ∅ps = 95 mm
• Außerdem wird D nah an 2 m gewählt, da die Vergrößerung G bei einer Verlagerung der Augen des Beobachters 8 weniger empfindlich für Veränderungen von D ist:
• Wenn D groß ist, gilt: G = f Vergrößerung der Röhre gy/D.
• Die Berechnung des vorangegangenen optischen Systems wird ausgehend von gegebenen Gleichung ausgeführt:
• - ausgehend von G und Θ ermöglicht die Gleichung (3), Θ' zu erhalten;
• - die Gleichung (2) ermöglicht, y' ausgehend von D und Θ' zu erhalten;
• - die Gleichung (4) ermöglicht, gy ausgehend von y und y' zu erhalten;
• - die Gleichung (5) ergibt F ausgehend von y und Θ'.
• Außerdem ermöglicht die Gleichung N = F/∅ps (6), die Öffnungszahl N ausgehend von der Brennweite F des Binokulars 11 und des Durchmessers ∅ps seiner Pupille zu erhalten.
• Diese Werte werden mit denen verglichen, die üblicherweise im Falle von Nachtsichtwegen für Episkope verwendet werden:
• - 2y zwischen 40 und 46 mm;
• - G zwischen 0,9 und 1;
• - Θ = 45º;
• - ∅ps = 85 mm.
• Die Gleichung (6) ergibt:
• N = F/∅ps = y/tgΘ' ∅ps = y/G tgΘ ∅ps
• Somit ist nach dem Lastenheft N um 20% geringer als die üblicherweise erzielten Werte, woher die Schwierigkeit stammt, die vorangegangenen Merkmale beim gleichzeitigen Anbieten einer hervorragenden Bildqualität zu vereinigen.
• Beim Vorliegen von Verzerrungen wird die Gleichung (1) zu:
• ∅ps = 2 f tgΘ (1 + X), wobei X der Prozentsatz der Verzerrung ist.
• Für X < 0 und ein gegebenes &empty;ps ist das Produkt f tg&Theta; größer, was ermöglicht, das Feld &Theta; künstlich zu erhöhen, ohne jedoch die Brennweite zu vermindern. Es ist in diesem Fall vorteilhaft, in dem Binokular 11 eine Verzerrung mit entgegengesetztem Vorzeichen einzuführen, um am Ausgang des Binokulars 11 kein zu verzerrtes Endbild zu erhalten.
• Beispielsweise wird eine sehr geringe Gesamtverzerrung (Objektiv + Röhre + Binokular) in der Größenordnung von 0,85% erhalten.
• In Figur 3 ist eine dritte Ausführungsform einer optischen Konfiguration gemäß der Erfindung dargestellt.
• Die dargestellte Konfiguration, die Konfiguration 1 genannt wird, ist durch zwei Gruppen von Linsen gebildet:
• - eine vordere Gruppe, die durch einen vorderen Teil und einen hinteren Teil gebildet ist.
• Der vordere Teil ist auf der Seite des Beobachters 8 angeordnet und ist gebildet durch eine bikonvexe Sammellinse 20 und einen nach vorne konkaven Meniskus 21. "Vorne" ist als auf der Seite des Betrachters 8 liegend definiert, und "hinten" ist die Eintrittsseite der Lichtstrahlen. Die bikonvexe Linse 20 weist einen vorderen Radius R&sub1; und einen hinteren Radius R2 auf, wobei der vordere und der hintere Radius des Meniskus 21 mit R3 und R4 bezeichnet sind, die auf die Achse 26 zentriert sind.
• Der hintere Teil der vorderen Gruppe ist durch eine dicke, bikonvexe Linse 22 gebildet. Der vordere und der hintere Radius der bikonvexen Linse 22 sind R5 bzw. R6.
• - Eine hintere Gruppe, die durch eine verklebte Doppellinse 23, 24 mit ebener hinterer Seite gebildet ist.
• Der vordere Radius der hinteren Gruppe ist R7, und der die Trennung zwischen den beiden Elementen 23, 24 der Doppellinse bildende mittlere Radius ist R8.
• In Tabelle 1 sind die Werte der Dicken entlang jedem dargestellten Radius, die Werte der verschiedenen Radien sowie das auf jeden Radius folgende Material für die Konfiguration 1 präzisiert.
• Bei dieser Ausführungsform ist die bikonvexe Sammellinse 20 von dem nach vorne konkaven Meniskus 21 durch eine Luftschicht getrennt.
• Wie in der Tabelle ausgeführt ist, kann der hintere Radius R6 auch unendlich sein, was bedeutet, daß die hintere Seite der Linse 22 eben sein kann (in Figur 3 durchgezogen dargestellt).
• In Figur 4 ist eine Variante der Konfiguration von Figur 1 dargestellt, die einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung entspricht und Konfiguration 2 genannt wird.
• Die Konfiguration 2 besteht darin, die bikonvexe Sammellinse 20 mit dem nach vorne konkaven Meniskus 21 zu verkleben. Auf diese Weise wird eine verklebte bikonvexe Doppellinse erhalten. Es wird darauf hingewiesen, daß die hintere Seite der verklebten bikonvexen Doppellinse eben sein kann. Der verklebte Meniskus 21 kann eine ebene hintere Seite aufweisen, wie gestichelt dargestellt ist. Die Linse 22 und die Doppellinse 23, 24 sind weiterhin mit denen von Figur 1 vergleichbar, wobei jedoch die Größen der Radien und Dicken verändert sind.
• In Figur 2 sind die bei der Konfiguration 2 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendeten Dicken und Materialien präzisiert. Tabelle 1 Oberfläche Nachfolgende Dicke (mm) Radius (mm) Nachfolgendes Material Tabelle 2 Oberfläche Nachfolgende Dicke (mm) Radius (mm) Nachfolgendes Material
• In Figur 5 ist eine Variante der in Figur 4 dargestellten Konfiguration 2 dargestellt.
• Der vordere Teil der vorderen Gruppe und die hintere Gruppe sind identisch mit dem in der Konfiguration 2 von Figur 4 dargestellten, jedoch sind die Abmessungen der Linsen verändert.
• Die Variante besteht darin, einen nach vorne konvexen Meniskus 51 und ein Glasplättchen 52 mit ebenen und parallelen Seiten zu verwenden, welches den hinteren Teil 22 der vorderen Gruppe bildet.
• Die nachfolgenden Tabellen 3 und 4 geben Beispiele der optischen Konfiguration entsprechend der Geometrie von Figur 5, die Konfiguration 3 bzw. Konfiguration 4 genannt werden. Tabelle 3 Oberfläche Nachfolgende Dicke (mm) Radius (mm) Nachfolgendes Material Tabelle 4 Oberfläche Nachfolgende Dicke (mm) Radius (mm) Nachfolgendes Material
• Der verklebte Meniskus 21 kann eine ebene hintere Seite aufweisen, wie dies gestrichelt dargestellt ist.
• Es wird darauf hingewiesen, daß die Konfigurationen 1, 2, 3 und 4 keine erschöpfende Aufzählung der möglichen Anordnungen eines Binokulars gemäß der vorliegenden Erfindung sind und das sich dem Fachmann leicht weitere Konfigurationen ergeben, ohne daß der Bereich der Erfindung verlassen wird.
• Im Falle einer Anwendung einer Konfiguration gemäß der Erfindung in einem Nachtsichtweg eines Episkops ist es vorteilhaft, unter den das Binokular bildenden Linsen eine abgewinkelte Linse anzuordnen. Eine abgewinkelte Linse hat zur Aufgabe, die vertikal aus einer Lichtverstärkungsröhre austretenden Lichtstrahlen zu den Augen des Anwenders umzulenken.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht darin, den hinteren Teil der vorderen Gruppe des Binokulars abzuwinkeln. Somit befindet sich die hintere Gruppe auf der Achse der Verstärkungsröhre, und der hintere Teil der vorderen Gruppe lenkt die Lichtstrahlen um 90º um und richtet sie zum vorderen Teil der vorderen Gruppe, also in Richtung des Anwenders. In den Figuren 3 und 4 wäre somit die Linse 22 und in Figur 5 das Glasplättchen 52 abgewinkelt.
• Das Hauptmerkmal der vorliegenden Erfindung besteht darin, daß die hintere Gruppe durch eine verklebte Doppellinse aus zwei Materialien mit sehr hohen Brechungsindizes und mit verschiedenen und komplementären Streuungen gebildet ist, um die chromatische Aberration zu kompensieren; sie besteht beispielsweise aus Flintglas und Kronglas (wobei die Streuung als Merkmal der Veränderung des Brechungsindexes in Abhängigkeit von der Wellenlänge definiert ist).
• Die Brennweite der Doppellinse 23, 24 liegt zwischen 0,85 F und 1,05 F, wobei F die Brennweite der Kombination der Linsen der optischen Konfiguration ist.
• Die Brechungsindizes der beiden Linsen der Doppellinse betragen zwischen 1,5 und 1,9 und vorzugsweise zwischen 1,75 und 1,95.
• Die Aufgabe der hinteren Doppellinse besteht darin, die Strahlen des abgedeckten Feldes durchzulassen, ohne Aberrationen auf der Achse hervorzurufen.
• Eine vorteilhafte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Sammellinse auf der optischen Achse anzuordnen, um die konvexe hintere Seite der Sammellinse der Doppellinse im wesentlichen auf die Bildebene zu zentrieren.
• Die bikonvexe Linse 24 der Doppellinse 23, 24 weist vorteilhafteweise eine ebene hintere Seite auf, so daß sie in einfacher Weise mit einer Lichtleitfasergruppe gekoppelt werden kann.
• Die in das Binokular eintretenden Lichtstrahlen können insbesondere von einer Lichtverstärkungsröhre stammen, die im wesentlichen senkrecht zu einer durch das Binokular laufenden Achse angeordnet ist. Diese Anordnung der Verbindung zwischen einer Verstärkungsröhre und dem Binokular führt jedoch zu einem weiter verminderten abgedeckten Feld, da sie nicht ermöglicht, die sehr streifend einfallenden Strahlen zu berücksichtigen. Dieser Nachteil wird teilweise durch das Verkleben der Fasern an der Doppellinse, insbesondere an der bikonvexen Linse 24 der Doppellinse, kompensiert, welches die Öffnung der Faser künstlich erhöht. Das Vorhandensein einer Luftschicht mit dem Brechungsindex 1 zwischen der Faser und der Doppellinse führt nämlich zu einer Totalbrechung der mittleren einfallenden Strahlen und somit zu einem Sperren des abgedeckten Feldes. Gemäß dieser Ausführungsform sind die Fasern, die insbesondere vergrößernde Fasern sein können, auch mit der Verstärkungsröhre durch Verkleben gekoppelt.
• Wie oben beschrieben wurde, kann in einem Episkop der Nachtsichtweg im allgemeinen frei gedreht werden, und nur der schwenkbare Reflektor 5 und das Binokular 11 sind um eine vertikale Achse drehbar. In diesem Fall ist die hintere Gruppe 23, 24 feststehend, und die vordere Gruppe 20, 21, 22 kann frei um die durch die Verstärkungsröhre laufende Achse gedreht werden.
• Es wird darauf hingewiesen, daß gemäß der vorliegenden Erfindung anstelle des Faserbündels zwischen der Verstärkungsröhre und dem Binokular auch ein einfacher Spiegel angeordnet werden kann.
• Die nachfolgende Tabelle 5 gibt die Werte und die Streuungen der Brennweiten jeder der Linsen 20 bis 24 für die vier gegebenen Konfigurationsbeispiele an. Tabelle 5 Konfiguration Streuung
• Die nachfolgende Tabelle 6 gibt die Werte und Streuungen der Brennweiten jeder vorderen und hinteren Gruppe gemäß der jeweiligen Konfiguration. Tabelle 6 Konfiguration Streuung vordere Gruppe hintere Gruppe
• Es wird darauf hingewiesen, daß in den Tabellen 5 und 6 die Streuung jeder Linse den Werten der Brennweiten dieser Linsen in den Konfigurationen 3 bzw. 4 entsprechen.
• In der nachfolgenden Tabelle 7 sind die Bereiche der Veränderung des Brechungsindex und der Reziprokwerte der Dispersionskraft jeder der Linsen 20 bis 24 für den Spektralbereich von "Phosphor" P&sub2;&sub0; angegeben. "Phosphor" P&sub2;&sub0; wird für die Austrittsbildschirme von einigen Verstärkungsröhren verwendet. Tabelle 7 Linse Brechungsindex Reziprokwert der Dispersionskraft
• Für die vier vorhergehenden Konfigurationen wurden die nachfolgenden Werte verwendet:
• - &empty;ps > = 96 mm
• - F 40 mm
• für eine Öffnung von F/0,42.
• Bei den oben genannten Konfigurationen wurde absichtlich eine sichelförmige Verzerrung eingeführt, um diejenige des Objektives des Nachtsichtweges zu kompensieren, und das binokulare Feld ist größer als oder gleich 41,5º (für D im wesentlichen gleich 2 m).
• Eines der Hauptziele der vorliegenden Erfindung besteht darin, die Aberrationen des Systems zu korrigieren, insbesondere den Astigmatismus und die Wölbung. Die Wölbung ist als das Mittel der beiden Kurven des Astigmatismus definiert, nämlich des sagittalen und des tangentialen Astigmatismus. Der Astigmatismus tritt auf, wenn sich die Brennweite für die horizontale Richtung (sagittal) von derjenigen der vertikalen Richtung (tangential) unterscheidet.
• Der Astigmatismus wird üblicherweise mittels eines Prüfbildes kontrolliert, das durch ein Netz von vertikalen oder horizontalen Streifen gebildet ist.
• In Figur 6 sind die Brennweiten des Astigmatismus der Konfiguration 2 für einen Abstand zwischen den Pupillen von 64 min angegeben.
• Das dargestellte Koordinatenkreuz enthält auf der Abszisse den Brennpunktabstand in Dioptrin der betrachteten Konfiguration und auf der Ordinate die Höhe des betrachteten Objektpunktes.
• Die Kurve 60 entspricht der Brennweite des sagittalen Astigmatismus, und die Kurve 61 der Kurve des tangentialen Astigmatismus. Der Abstand 63 entspricht dem Bereich des binokularen Betrachtens (Bereich des gleichzeitig von den beiden Augen gesehenen Feldes oder abgedecktes Feld).
• In diesem Bildbereich ist der Astigmatismus deutlich kleiner als 0,5 Dioptrin, was dem Beobachter ermöglicht, die von seinen beiden Augen gesehenen Bilder ohne Probleme verschmelzen zu lassen.
• Das Bild weist keine oder nur eine sehr geringe Wölbung auf, da es in einer Ebene betrachtet wird. Es ist dennoch möglich, Varianten mit einer größeren Wölbung zu entwickeln, um dem System den Freiheitsgrad zu geben, der zum Vermindern des Astigmatismus am Rand des Feldes notwendig ist.
• Die Brennweite eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung ist sehr gering und beträgt in der Größenordnung von 40 mm.
• Die Verteilung der Brechkraft ist für jede Gruppe die folgende:
• - vordere Gruppe: 1,75 F/2,5 F mit vorderer Teil: 6 F/13 F hinterer Teil: 2 F/3,5 F
• - hintere Gruppe: 0,85 F/1,05 F
• Die vorliegende Erfindung ist insbesondere dafür vorgesehen, in dem Nachtsichtweg von Episkopen für gepanzerte Fahrzeuge verwendet zu werden; diese Anwendung ist jedoch nicht einschränkend, das optische System gemäß der Erfindung kann auch auf anderen Gebieten verwendet werden, wo für eine Beobachtung Binokulare verwendet werden.

Claims (12)

1. Binokulares optisches System, welches aus zwei Gruppen besteht, nämlich einer vorderen Gruppe (20, 21, 22) und einer hinteren Gruppe (23, 24), wobei "vorne" die Seite des Beobachters (8) und "hinten" die Einlaßseite von Lichtbündeln bezeichnet, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Gruppe aus einem vorderen Teil (20, 21) und einem hinteren Teil (22) besteht, wobei der vordere Teil durch eine bikonvexe Sammellinse (20) sowie einen nach vorne konkaven Meniskus (21) gebildet ist, und daß die hintere Gruppe (23, 24) durch eine verklebte Doppellinse (23, 24) mit ebener hinterer Seite gebildet ist, die eine konvexe Sammellinse umfaßt, die mit einer Zerstreuungslinse verklebt ist, wobei die Linsen der verklebten Doppellinse (23, 24) unterschiedliche und komplementäre Streuungen aufweisen, um die chromatische Aberration zu kompensieren, wobei die Brennweite der Doppellinse (23, 24) zwischen 0,85 F und 1,05 F beträgt, wobei F die Brennweite des Binokulars ist.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der vorderen Seite der Doppellinse auf der optischen Achse (26) angeordnet ist, so daß er näherungsweise auf die Bilderzeugungsebene zentriert ist.

3. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Brechungsindizes der konvexen Saminellinse (23) und der Zerstreuungslinse (24) zwischen etwa 1,75 und 1,95 betragen.

4. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (22) aus einer bikonvexen Linse (22) besteht.

5. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bikonvexe Sammellinse (20) und der konkave Meniskus (21) des vorderen Teiles durch eine Luftschicht voneinander getrennt sind.

6. Optisches System nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die bikonvexe Sammellinse (20) und der konkave Meniskus (21) des vorderen Teiles miteinander verklebt sind, um eine Doppellinse zu bilden.

7. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (22) aus einer plankonvexen Linse (22) besteht, deren hintere Seite eben ist.

8. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (22) durch ein Glasplättchen (52) mit ebenen und parallenen Seiten gebildet ist, das mit einem nach vorne konvexen Meniskus (51) kombiniert ist, der zwischen dem vorderen Teil (20, 21) und dem Glasplättchen (52) angeordnet ist.

9. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der hintere Teil (22) abgewinkelt ist.

10. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, angewendet bei einer Verstärkungsröhre (10) für den Nachtsichtweg eines Episkops, bei dem eine optische Verbindung zwischen dem Ausgangsschirm (15) der Lichtverstärkungsröhre und dem System durch ein Bündel von Lichtleitfasern gewährleistet ist, die mit der Doppellinse (23, 24) und mit dem Bildschirm der Verstärkungsröhre (10) verklebt sind.

11. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Streuungen der Brennweiten der vorderen Gruppe (20, 21, 22) und der hinteren Gruppe (23, 24) zwischen ungefähr 1,75 F und 2,5 F bzw. 0,85 F und 1,05 F betragen.

12. Episkop, versehen mit einem optischen System nach einem der Ansprüche 1 bis 11.