CH656013A5 - Afokales linsenfernrohr mit zwei vergroesserungseinstellungen. - Google Patents

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem afokalen Linsenfernrohr mit den Merkmalen gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Mit der Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobach-tungssystemen, welche im englischen Sprachgebrauch unter der Abkürzung «FLIR» (/orward /ooking mfrared systems) bekannt sind, ist ein Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren entstanden, welche in solchen Systemen verwendbar sind. Bei vielen Anwendungen von «FLIR»-Systemen werden insbesondere Fernrohre mit zwei unterschiedlichen Gesichtsfeldern im Gegenstandsraum, d.h. mit zwei Vergrösserungen benötigt. Es sind schon verschiedene Fernrohre für «FLIR»-Systeme vorgeschlagen worden, doch bedingt die aus Gründen der praktischen Handhabung geborene Forderung nach kompaktem Aufbau, insbesondere nach einer geringen Gesamtlänge des Fernrohrs zugleich die Forderung nach einer geringen Pupillenaberration. Dies war ohne einen erheblichen optischen und mechanischen Aufwand beim Aufbau eines Lihsenfernrohrs bislang nicht zu erreichen. Man hat daher schon katadioptri-sche 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.

Die Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein kompaktes und im Aufbau einfaches, im infraroten Bereich arbeitendes Linsenfernrohr mit zwei Vergrösserungseinstellungen zu schaffen.

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

Weil das erfindungsgemässe Fernrohr ein Linsenfernrohr ist, tritt bei beiden Vergrösserungseinstellungen im Zentrum keine Verdunkelung auf.

Mit nur acht Linsen, von denen fünf für die Einstellung mit starker und sechs für die Einstellung mit schwacher Vergrösserung benutzt werden, und mit einer einzigen Vorrichtung zum wechselseitigen Einführen der Linsensysteme für starke bzw. schwache Vergrösserung in den Lichtweg des Fernrohrs ist das optische System des erfindungsgemässen Fernrohrs sowohl optisch als auch mechanisch einfach; weil bis auf eine Linse alle Linsen i.w. sphärisch brechende Oberflächen besitzen, ist ihre Herstellung recht einfach, und auch die eine asphärische Linse weicht mit einer oder beiden Oberflächen 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 Objektivlinse wählt, und indem man den Brechungsindex dieser sekundären Objektivlinse kleiner wählt als jenen der primären Objektivlinse, kann das Fernrohr extrem kompakt aufgebaut werden und in beiden Vergrösserungseinstellungen über einen weiten Ver-grösserungsbereich nahe der durch Beugung bestimmten Leistungsgrenze eingesetzt werden.

Die farbkorrigierende Linse des Objektivs besteht vorzugsweise aus einem Chalkogenidglas wie dem von der Fa. Barr & Stroud Limited unter der Bezeichnung BS1 vertriebenen Chal-

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kogenidglas, wohingegen die übrigen sieben Linsen aus Germanium bestehen können. Alle diese Materiahen besitzen für das Spektralband im Wellenlängenbereich zwischen 3 um und 13 Um eine brauchbare Durchlässigkeit. Andere geeignete Materialien für die farbkorrigierende Objektivlinse sind in Tabelle VI aufgeführt.

Die farbkorrigierende Linse kann relativ zu den übrigen Linsen unverschieblich angeordnet sein; vorzugsweise kann sie jedoch entlang der optischen Achse verschoben werden; der Vorteil dieser Anordnung liegt darin, dass dadurch bei beiden Vergrösserungseinstellungen der Einfluss von Schwankungen der Umgebungstemperatur kompensiert werden kann; ohne eine solche Kompensation würden Schwankungen der Umgebungstemperatur die Lage der bei den beiden Vergrösserungseinstellungen im Innern des Fernrohrs erzeugten reellen Bilder verschieben. Ferner erlaubt die Verschiebbarkeit der farbkorri-gierenden Linse des Objektivs eine Justierung der beiden Brennpunkte des Fernrohrs (wodurch jedoch nicht vom afokalen Charakter des Fernrohrs abgegangen wird), falls die beiden reellen Bilder im Innern des Fernrohrs nicht von hoher QuaUtät sein sollten. 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 Werkstoffe mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten einsetzt; man spricht dann von einer passiven mechanischen Temperaturkompensation. Die farbkorrigierende Linse kann entlang der optischen Achse verschieblich sein, sie kann aber auch relativ zu den anderen Linsen in einer solchen Lage fest angeordnet sein, welche dem Fernrohr zwei feste Brennpunkte verleiht, vorzugsweise die hyperfokalen Brennpunkte für die Nah/Unendlicheinstellung des Fernrohrs.

Da die Linsensysteme für die starke sowie für die schwache Vergrösserung nicht gleichzeitig auf die optische Achse ausgerichtet sein können, müssen sie alternativ auf die optische Achse ausgerichtet werden können. Dies kann man natürlich auf unterschiedliche Weise erreichen. Am einfachsten ist die Verwendung eines Karussels, in welchem die beiden Linsensysteme für starke und für schwache Vergrösserung unter einem Winkel von 90° auf einem einzigen Träger ausgerichtet sind, welcher um 90° um einen festen Angelpunkt verdreht werden kann, sodass jeweils eine der beiden Linsensysteme mit der optischen Achse des Fernrohrs fluchtet und das jeweils andere der beiden Linsensysteme sich in einer abseitigen Parkstellung befindet.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen erläutert.

Figur 1 zeigt schematisch den Aufbau des Fernrohrs und zwar in einer die Diagonale des Gesichtsfeldes enthaltenden Ebene,

Figur 2 zeigt das Fernrohr aus Fig. 1 längsgeschnitten in einer vertikalen Ebene, und

Figur 3 zeigt die Gestalt einer asphärischen brechenden Oberfläche der primären Objektivlinse des Fernrohrs.

Das in Figur 1 dargestellte Fernrohr 20 besteht aus einem Objektiv 21, aus einem Kollimator 22, aus einem Linsensystem 23 für die starke Vergrösserung (oben) und aus einem Linsensystem 24 für die schwache Vergrösserung, welche auf einer gemeinsamen optischen Achse 19 angeordnet sind, die Linsen-systeme 23 und 24 jeweils nicht gleichzeitig, sondern alternativ. Das Fernrohr 20 ist vom Aufbau her ein afokales Linsenfernrohr und wenn das Linsensystem 23 für die starke Vergrösserung auf der gemeinsamen optischen Achse 19 angeordnet ist, dann erzeugt das Fernrohr 20 in seinem Innern ein reelles Bild

25, und wenn das Linsensystem 24 für schwache Vergrösserung auf der gemeinsamen optischen Achse 19 angeordnet ist, dann erzeugt das Fernrohr 20 in seinem Innern an anderer Stelle ein reelles Bild 26, und zwar werden beide Bilder 25 und 26 mit der 5 aus dem Gegenstandsraum 17 in das Fernrohr 20 eintretenden Strahlung erzeugt. Das Objektiv 21 ist ein Teleobjektiv und besteht aus einer Primärlinse H und aus einer Sekundärlinse G, von denen die Primärlinse H positive Brechkraft besitzt, also eine Sammellinse ist, wohingegen die Sekundärlinse G negative io Brechkraft besitzt, also eine Zerstreuungslinse ist, und auch farbkorrigierend ist. Die Sekundärlinse G wird durch die brechenden Oberflächen 13 und 14, die Primärlinse H durch diè brechenden Oberflächen 15 und 16 begrenzt. Der Kollimator 22 besteht aus einer einzelnen Linse mit positiver Brechkraft wel-15 che die brechenden Oberflächen 1 und 2 aufweist. Das Linsensystem 23 für starke Vergrösserung besteht aus zwei Linsen B und C, jeweils mit positiver Brechkraft, welche durch die brechenden Oberflächen 3 und 4 bzw. 5 und 6 begrenzt werden. Das Linsensystem 24 für schwache Vergrösserung besteht aus 20 drei Linsen D, E und F, welche durch die brechenden Oberflächen 7 und 8, bzw. 9 und 10, bzw. 11 und 12 begrenzt werden; die beiden äusseren Linsen D und F dieses Linsensystems 24 besitzen positive Brechkraft, die mittlere Linse E hingegen negative Brechkraft. Die Linse A für sich genommen, die Linsen B 25 und C gemeinsam, die Linsen D, E und F gemeinsam und die Linsen G und H gemeinsam bilden jeweils Systeme mit fester Brennweite*, so dass Strahlenbündel, die von zwei verschiedenen im Gegenstandsraum 17 gebildeten Eintrittspupillen herkommend in das Objektiv 21 eintreten, entweder nach Érzeu-30 gung des reellen, inversen Bildes 25 vom Linsensystem 23 für starke Vergrösserung gesammelt und an den Kollimator 22 weitergeleitet werden, oder aber vom Linsensystem 24 für schwache Vergrösserung, in dessen Innern das reelle inverse Bild 26 liegt, gesammelt und an den Kollimator 22 weitergeleitet wer-35 den, wobei in beiden Fällen aus dem Kollimator 22 ein paralleles Strahlenbündel austritt; diese beiden parallelen Strahlenbündel bilden im Bildraum 18 eine Austrittspupille 0 und stimmen bis auf kleine Unterschiede, welche auf optische Aberrationen zurückgehen, überein. Die Brechkraft der Linsen A, B., C, D, 40 E, F, G, H und die Abstände zwischen diesen verschiedenen Linsen sind so aufeinander abgestimmt, dass im Falle starker Vergrösserung das Bild 25 zwischen den brechenden Oberflächen 5 und 13, und bei schwacher Vergrösserung das Bild 26 zwischen den brechenden Oberflächen 8 und 9 liegt. 45 Die brechenden Oberflächen 1 bis 14 und 16 sind jeweils i.w. 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 Linsen noch als sphärisch bezeichnet werden können. Hingegen ist so die brechende Oberfläche 15 asphärisch.

Das Fernrohr 20 ist zur Benutzung im infraroten Wellenlängenbereich, insbesondere für den Bereich von 3 bis 13 [o.m, ausgelegt und infolgedessen sind die Brechungsindices der verschiedenen Linsen relativ hoch, und zur Erzielung einer hohen opti-55 sehen Güte ist die Linse G farbkorrigierend, besitzt negative Brechkraft und einen niedrigeren Brechungsindex als die Linse H. Für den Wellenlängenbereich von 8 bis 13 (im erreicht man dies dadurch, dass man als Werkstoff für die Linsen A, B, C, D, E, F und H Germanium mit einem Brechungsindex von 60 4,00322 und für die Linse G als Werkstoff vorzugsweise ein Chalkogenid-Glas, wie das von Barr & Stroud unter der Bezeichnung BS 1 vertriebene Chalkogenidglas (ein Glas mit Arsen, Selen und Germanium als wesentlichen Bestandteilen) mit einem Brechungsindex von 2,49158 verwendet; die angege-65 benen Brechungsindices gelten für eine Wellenlänge von 10 |im

* Fixfokussysteme

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und eine Temperatur von 20°C. In diesem Fall besitzt die Sekundärlinse G 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 (im zur Differenz der Brechungsindices bei 8,5 (xmund 11,5 um:

_ - n (10 p.m) -1 n (8,5 jxm) - n (11,5 um)

Weitere geeignete Materialien für die Linse G sind in der Tabelle VI aufgeführt.

Die oben genannten Materialien für die Linsen lassen sich mit einer Antireflexbeschichtung versehen, und wenn man dies tut, erhält man ein Fernrohr, welches sowohl in der Betriebsweise mit starker Vergrösserung als auch in jener mit schwacher Vergrösserung im Bereich zwischen 8,5 (im und 11,5 um wenigstens 65% der einfallenden Strahlungsmenge durchtreten lässt. Im Gegensatz zu den übrigen Linsen ist die Sekundärlinse G vorzugsweise entlang der optischen Achse 19 verschieblich gelagert; diese Verschieblichkeit erlaubt es, Verschiebungen der Lage der beiden reellen Bilder 25 und 26 zu kompensieren, welche durch Schwankungen der Umgebungstemperatur — typisch im Bereich zwischen —10°C und + 50°C — hervorgerufen werden können. Andererseits kann das Fernrohr bei festeingestellten Lagen der Bilder 25 und 26 auf entfernt liegende Objekte eingestellt werden, insbesondere auf solche im Entfernungsbereich zwischen 50 m und Unendlich für die Betriebsweise mit starker Vergrösserung und zwischen 10 m und Unendlich für die Betriebsweise mit schwacher Vergrösserung.

Es ist aber auch möglich, sämtliche Linsen, also auch die Sekundärlinse G, unverschieblich zu montieren. In diesem Fall kann man dennoch den Einfluss von Umgebungstemperaturschwankungen im Bereich von —40°C bis +70°C unter Beibehaltung konstanter Brennpunktlagen kompensieren und eine gute Abbildungsqualität des Fernrohrs 20 erreichen, indem man das Tragwerk für die Linsen E, F und H in geeigneter Weise gestaltet und dafür einen Werkstoff oder Werkstoffe wählt, welche einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen (ein Beispiel ist ultrahochmolekulares Polyäthylen, im englischen Sprachgebrauch als «UHMPE» bezeichnet, abgeleitet von wltra high molecular weight Polyethylene), wohingegen für das restliche Tragwerk des Fernrohrs ein Werkstoff oder Werkstoffe mit niedrigem Wärmeausdehnungskoeffizienten, z.B. Aluminium, gewählt werden. Der Wärmeausdehnungskoeffizient von Aluminium beträgt 23 . 10"6/°C, jener von UHMPE liegt etwa zwischen 125 . 10"6/°C und 225 . 10"6/°C. Obwohl durch einen solchen Aufbau das Fernrohr nur zwei festliegende Brennpunkte erhält, bewirkt es doch, dass die Sekundärlinse G nicht verschoben werden muss und folglich auch keine aktive Verschiebemechanik für diese Linse G benötigt wird.

Wie die Figur 2 zeigt, können das Linsensystem 23 für die starke Vergrösserung und jenes für die schwache Vergrösserung 24 dadurch alternativ auf der mit den übrigen Linsen A, G, H gemeinsamen optischen Achse 19 angeordnet werden, dass man die beiden Linsensysteme 23 und 24 auf eine Art Karussel montiert, welches die beiden Linsensysteme 23 und 24 um einen Punkt X verschwenkt. Weil das erfindungsgemässe Fernrohr ausserordentlich kompakt ist und in der Einstellung mit starker Vergrösserung im Luftspalt zwischen den Linsen G und H eine innere Blendezahl (engl.: internal f-number) von weniger als 1,5 besitzt, und weil das Gesichtsfeld im Bildraum 18 horizontal 38,1° vertikal 26,5° und diagonal 46,4° beträgt, lassen sich die beiden Linsensysteme 23 und 24 sehr leicht in der senkrechten Ebene verschwenken. Dies hat den Vorteil, dass der maximale Öffnungswinkel der Strahlenbündel und die lichten Öffnungen der Linsen B, C, D, E und F verringert werden können, was wiederum die kompakte räumliche Anordnung erleichtert.

Figur 1 zeigt das Fernrohr mit dem 46,4° Gesichtsfeldwinkel, Figur 2 hingegen mit dem 26,5° Gesichtsfeldwinkel im Bildraum 18.

Die Tabellen I und II enthalten detaillierte Angaben über ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemässen Fernrohrs, 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 Fläche den Krümmungsradius sowie die Öffnungsweite an, letztere auch für die Austrittspupille 0, deren Lage als Bezugspunkt gewählt ist, von dem ausgehend die (entlang der optischen Achse 19 gemessenen) Abstände zwischen aufeinanderfolgenden brechenden Oberflächen sowie zwischen der Austrittspupille 0 und der ihr benachbarten brechenden Fläche 1 angegeben sind. Ferner ist noch angegeben, welche Materialien jeweils den Raum zwischen zwei aufeinanderfolgenden brechenden Oberflächen ausfüllen und wie stark die brechenden Oberflächen gekrümmt sind. So hat z.B. die brechende Oberfläche 11 einen Krümmungsradius von —38,10 mm, wobei das Minuszeichen angibt, dass der Krümmungsmittelpunkt — in der Ansicht der Fig. 1 und 2 — auf der rechten Seite der brechenden Oberfläche 11 liegt; die brechende Oberfläche 11 ist von der — in bezug auf die Lage der Austrittspupille 0 vorhergehenden — brechenden Oberfläche 10 durch einen 10,32 mm breiten Luftspalt getrennt, besitzt eine Öffnungsweite von 59,36 mm (Durchmesser) und ist von der nachfolgenden brechenden Oberfläche 12 durch 6,87 mm Germanium getrennt. Die Summe der Abstände in Tabelle I stimmt überein mit der Summe der Abstände in Tabelle II. Die Koordinaten des Angelpunktes X sind 67,7 mm Abstand von der Austrittspupille 0 nach links entlang der optischen Achse 19 gemessen, sowie 3,6 mm Abstand von der optischen Achse 19 in Richtung nach unten gemessen, jeweils bezogen auf die Darstellung in Figur 2.

Das asphärische Profil der brechenden Oberfläche 15 ist in Figur 3 dargestellt, und zwar sind die parallel zur optischen Achse 19 gemessenen Abstände zwischen dem asphärischen Profil sowie der am besten angepassten Kugelfläche und einer als Bezugsfläche dienenden Kugelfläche 15' um den Faktor 2000 vergrössert dargestellt. Die Gestalt des asphärischen Profils genügt der Gleichung

(1) z . c = 1 -]/ 1 - c (c . h2 + b . h4 + g . h6 + ...)

worin z den entlang der optischen Achse gemessenen Abstand vom Scheitelpunkt der brechenden Oberfläche 15, welcher zugleich Scheitelpunkt der Bezugsfläche 15' sowie der am besten angepassten Kugelfläche ist,

c das Krümmungsmass mit c = 1/R und R = —193,98 mm als dem Krümmungsradius der sphärischen Bezugsfläche 15',

h den radialen Abstand senkrecht von der optischen Achse (maximal 68,954 mm),

b den asphärischen Koeffizienten erster Ordnung (= —2,07 . 10"9),

g den asphärischen Koeffizienten zweiter Ordnung (= +2,93 . 1013), und

... Terme höherer Ordnung bezeichnet, welche vernachlässigt werden können.

Die am besten angepasste Kugelfläche ist jene Kugelfläche, von welcher die asphärische Fläche 15 die geringste Abweichung aufweist. Die Tabelle V enthält berechnete Werte für den Abstand zwischen der asphärischen Fläche und der am besten angepassten Kugelfläche für unterschiedliche Abstände h von der optischen Achse sowie den Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche. Wie man sieht, ist das Mass der Abweichung der asphärischen Fläche 15 von der Kugelflächenform nur gering.

Dieses Fernrohr weist bei starker Vergrösserung einen Ver-grösserungsfaktor von X 9,0 und bei schwacher Vergrösserung

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einen Vergrösserungsfaktor von X 2,5 auf und besitzt in der Einstellung mit starker Vergrösserung im Luftspalt zwischen den beiden Linsen G und H eine innere Blendzahl von 0,89. Im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 um und 11,5 um ist das Fernrohr farbkorrigiert und bei verstellbarer Sekundärlinse G des Objektivs 21 ist in der Einstellung mit starker Vergrösserung eine Scharfeinstellung auf Objektive im Entfernungsbereich von 50 m bis Unendlich und in der Einstellung mit schwacher Vergrösserung eine Scharfeinstellung auf Objekte im Entfernungsbereich von 10 m bis Unendlich möglich; eine Kompensation von thermischen Einflüssen ist in beiden Einstellungen über den Temperaturbereich von —10°C bis hinauf zu + 50°C bei minimaler Verschlechterung der Abbildequalität möglich. In der Praxis kann häufig eine weitergehende Verschlechterung der Abbildequalität hingenommen werden, so dass das Fernrohr dann sogar bei starker Vergrösserung mit Brennweiten zwischen 10 m und Unendlich bzw. bei schwacher Vergrösserung mit Brennweiten zwischen 5 m und Unendlich betrieben werden kann, und in beiden Einstellungen der Vergrösserung kann der Temperaturbereich, in welchem eine Kompensation von thermischen Einflüssen erfolgen kann, auf den Bereich von —40°C bis +70°C erweitert werden. Alternativ kann man aber sowohl die Linse G als auch die übrigen Linsen unverschieblich anbringen; dies führt zu einem Fernrohr mit zwei festen Brennpunkten; dabei lässt sich eine Kompensation von thermischen Einflüssen durch passive Massnahmen im Temperaturbereich zwischen —40°C und +70°C bei minimaler Verschlechterung des Gesamtverhaltens des Fernrohrs erreichen. Daten zur Illustration der Abbildequalität dieses Fernrohrs sind in den Tabellen III und IV angegeben, von welchen die erstere die Fernrohrdaten bei starker Vergrösserungseinstel-lung sowie bei einer Entfernungseinstellung von ca. 650 m angibt, während die zweite bei schwacher Vergrösserungseinstel-lung die Fernrohrdaten bei einer Entfernungseinstellung von ca. 55 m angibt.

In der Einstellung mit starker Vergrösserung weist das beschriebene Fernrohr eine sehr hohe Abbildegüte über wenigstens zwei Drittel des gesamten Gesichtsfeldes auf, wobei zur Akkommodation von Pupillenaberrationen die primäre Apertur (Durchmesser) des Objektivs um lediglich 5,4% vergrössert ist. Auch in der Einstellung mit schwacher Vergrösserung weist das Fernrohr über wenigstens zwei Drittel des gesamten Gesichtsfeldes eine sehr hohe Abbildegüte auf. In den Einstellungen mit starker bzw. schwacher Vergrösserung bewirkt das Fernrohr bei maximalem Gesichtsfeldwinkel eine Verzeichnung (Winkelabweichung) von lediglich +1,5% bzw. —1,0%, wobei das positive Vorzeichen eine mit zunehmendem Gesichtsfeldwinkel zunehmende Vergrösserung und das negative Vorzeichen eine mit zunehmendem Gesichtsfeldwinkel abnehmende Vergrösserung bezeichnet. In manchen Anwendungen des «FLIR»-Systems wird verlangt, dass die das Fernrohr durchsetzenden Strahlenbündel im nahen Gegenstandsraum, d.h. bei Entfernung bis zu etwa 500 mm vor der primären Objektivlinse H oder auch noch etwas darüber hinaus, auf eine vorgegebene Querschnittsfläche begrenzt werden; deshalb ist es erforderlich, dass bei der Einstellung des Fernrohrs mit schwacher Vergrösserung die Strahlenbündel im Gegenstandsraum konvergieren. Das beschriebene Fernrohr genügt diesen Anforderungen und erreicht die beschriebene optische Güte ohne eine Vignettierung auf irgendeiner der brechenden Linsenoberflächen und ohne Auftreten eines merklichen «Narzissmus-Effektes» (d.i. ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbilds des Beobachters selbst im Gesichtsfeld). Obendrein besitzt das Fernrohr eine geringe Gesamtlänge und ein kompaktes Linsensystem mit zwei Vergrösserungen. Das durch die Angaben in den Tabellen I bis V definierte Fernrohr kann massstäblich verändert und optimiert werden, um einen weiten Bereich von starken und schwachen Vergrösserungen zu verwirklichen, wobei das Verhältnis der jeweiligen starken zu den jeweiligen schwachen Vergrösserungen typisch im Bereich zwischen 6:1 und 2:1 liegt, wobei die grundlegende Konfiguration des Linsensystems erhalten bleibt. Wenn in der Einstellung mit starker Vergrösserung der Vergrösserungsfaktor hinreichend niedrig ist, so dass eine Farbkorrektur entbehrlich ist, dann kann die farbkorrigierende Linse aus Germanium bestehen. Obwohl zur Beschreibung der brechenden Oberfläche 15 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 erfindungsgemässen Fernrohr kann auch mit dem Ziel unterschiedlich grosser Gesichtsfelder und Durchmesser der Austrittspupille im Bildraum optimiert werden, sodass es zusammen mit unterschiedlichen Detektorsystemen — mit oder ohne Abtastmechanismen (Scanner) — verwendet werden kann.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass die Angaben in den Tabellen I bis VI sämtlich für eine Temperatur von 20°C gelten und dass die angegebene Blendenzahl vom Ausdruck (2 . sin 0)"1 abgeleitet ist, worin 0 der halbe Konuswinkel des Kegels ist, welchen die Axialstrahlen nach der Brechung durch die Linse, auf welche sie auftreffen, bilden.

Bei dem beschriebenen Fernrohr ist lediglich die brechende Oberfläche 15 asphärisch. Ein gleich gutes Fernrohr kann man aber auch erhalten, wenn man stattdessen nur die brechende Oberfläche 16 oder auch die beiden brechenden Oberflächen 15 und 16 asphärisch gestaltet. Letzteres hat den Vorteil, dass die Asphärizität auf beide brechenden Oberflächen 15 und 16 aufgeteilt werden kann, so dass die Abweichungen von der idealen Kugelfläche bei beiden wesentlich geringer ausfallen kann als bei der allein asphärischen Oberfläche 15 im Ausführungsbeispiel (Tabelle V).

TABELLE I

Linse brechen- Abstand Krüm- Material Öff-de Ober- (mm) mungs- nungs-

fläche radius weite®

(mm) (mm

Durchmesser)

Austritts-

0

0

plan

Luft

15,30

1

19,52

— 199,20

Luft

32,80

2

4,18

— 100,08

Germa

33,92

nium

3

8,50

— 476,45

Luft

36,54

4

3,75

— 110,89

Germa

36,87

nium

5

0,50

30,79

Luft

33,16

6

12,77

23,01

Germa

21,71

nium

13

74,06

— 286,13

Luft

66,69

14

7,50

—7621,95

As/Se/Ge

70,97

(BS1)

15'#

61,95

— 193,98

Luft

137,91

16

15,71

— 135,64

Germa-

144,82

nium

* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,4°

® Wie bei dieser Vergrösserungseinstellung benötigt

# Die Oberfläche 15 hat ein asphärisches Profil

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45

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TABELLE II

Linse brechen

Abstand

Krüm

Material

Öff

de Ober

(mm)

mungs

nungs-

fläche

radius

weite®

(mm)

(mm

Durch

messer)

Austritts

pupille

0

0

plan

Luft

15,30

0 *

~

A

1

19,52

— 199,20

Luft

32,80

2

4,18

100,08

Germa

33,92

nium

Ti

7

8,26

33,02

Luft

38,25

8

6,61

29,46

Germa

32,94

nium

F

9

51,99

— 60,96

Luft

51,83

10

5,34

— 74,93

Germa

57,00

nium

T7

11

10,32

— 38,10

Luft

59,36

12

6,87

— 39,70

Germa

66,28

nium

r\

13

10,19

— 286,13

Luft

79,29

14

7,50

—7621,95

As/Se/Ge

83,08

(BS1)

H

15'#

61,95

— 193,98

Luft

133,43

16

15,71

— 135,64

Germa

139,91

nium

TABELLE IV

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes (in Milliradiant)

Gesichtsfeld

Nur axiale Strahlen

1/2

3/4

vollständig

Bei monochrómati- Bei chromatischem schem Licht der Wel- Licht mit Wellen-lenlänge 10,0 längen von 8,5 |xm bis |xm 11,5 (xm*

0,311 0,318 0,365 0,347

0,312 0,340 0,378 0,381

* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 um, 9,6 um und 11,5 um.

TABELLE V

Abstand von der optischen Abweichung von der idealen Achse senkrecht zu dieser (mm) Kugelfläche (um) #

* Maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,4°

® Wie bei dieser Vergrösserungseinstellung benötigt

# Die Oberfläche 15 hat ein asphärisches Profil

TABELLEIII

Ungefähre quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegen-standsraum bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes (in Milliradiant)

Gesichtsfeld

Bei monochromatischem Licht der Wellenlänge 10,0 [im

Bei chromatischem Licht mit Wellenlängen von 8,5 um bis 11,5 p.m *

Nur axiale Strahlen

0,040

0,075

1/2

. 0,044

0,093

3/4

0,052

0,108

vollständig

0,089

0,140

0,00 2,76 5,52 8,27 11,03 13,79 16,55 19,31 22,07 24,82 27,58 30,34 33,10 35,86 38,61 41,37 44,13 46,89 49,65 52,41 55,16 57,92 60,68 63,44 66,20 68,95

0,00 —0,01 —0,05 —0,12 —0,20 —0,31 —0,42 —0,54 —0;65 —0,76 —0,85 —0,91 —0,95 —0,95 —0,91 —0,83 —0,72 —0,58 —0,42 —0,27 —0,13 —0,05 —0,07 —0,24 —0,61 —1,26

* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 um, 9,6 um und 11,5 um.

Krümmungsradius der am besten angepassten Kugelfläche = —193,84 mm

# Diese Abweichung ist definiert als der Abstand von Punkten auf der asphärischen Fläche, 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 am besten angepassten Kugelfläche zur Bildung der asphärischen Oberfläche Material abgetragen wurde.

7

656 013

TABELLE VI

Material

Brechungsindex *

V-Zahl #

BS2 1)

2,85632

248 5

BSA 1)

2,77917

209

TI 1173 2)

2,60010

142

AMTIR 3)

2,49745

169

BS1 1)

2,49158

152

TI 20 2)

2,49126

144' 10

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 )im

# für den Wellenlängenbereich von 8,5 |xm bis 11,5 |j,m

1) Chalkogenidgläser, welche von der Fa. Barr & Stroud Limited vertrieben werden; (Chalkogene sind die Elemente der 20 VI. Hauptgruppe des periodischen Systems)

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

3) ein Chalkogenidglas, welches von der Firma Amorphous Materials Ine: in Garland (Texas, U.S.A.) vertrieben wird 25

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

v

3 Blätter Zeichnungen

Claims (6)

656 013

1. Afokales Linsenfernrohr mit zwei Vergrösserungseinstellungen, gekennzeichnet durch ein aus einer Primärlinse (M) und aus einer Sekundärlinse (G) bestehendes achromatisches Objektiv (21) mit festem Brennpunkt, durch einen aus einer einzelnen Linse (A) bestehenden und mit dem Objektiv (21) auf einer gemeinsamen optischen Achse (19) angeordneten Kollimator (22) mit festem Brennpunkt, ferner durch zwei unterschiedliche Linsensysteme (23,24) mit festem Brennpunkt, nämlich eines (23) für die Einstellung mit einer ersten stärkeren Vergrösserung und ein weiteres (24) für die Einstellung mit einer zweiten schwächeren Vergrösserung, welche alternativ so angeordnet werden können, dass ihre optischen Achsen mit der optischen Achse (19) des Objektivs (21) und des Kollimators (22) zusammenfallen und ein im Innern des Fernrohrs (20) liegendes reelles Bild (25 bzw. 26) eines im Gegenstandsraum (17) liegenden Gegenstands erzeugt wird, wobei das Linsensystem (23) für die stärkere Vergrösserung aus zwei Linsen (B und C) und das Linsensystem (24) für die schwächere Vergrösserung aus drei Linsen (D, E und F) besteht und alle acht Linsen (A, B, C, D, E, F, G und H) des Fernrohrs (20), deren brechende Oberflächen (1 bis 16) — zum Teil alternativ — von der Optischen Achse (19) durchsetzt werden, aus einem Material bestehen, welches eine spektrale Nutzbandbreite innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs aufweist, und wobei wenigstens eine der brechenden Oberflächen (15, 16) der Primärlinse (H) des Objektivs (21) schwach asphärisch ist, die brechenden Oberflächen (1 bis 14) der übrigen Linsen (A bis G) hingegen i.w. sphärisch sind und die Sekundärlinse (G) des Objektivs (21) negative Brechkraft und einen Brechungsindex besitzt, der gleich gross oder kleiner als der Brechungsindex der positive Brechkraft besitzenden Primärlinse (H) des Objektivs (21) ist, sowie schliesslich gekennzeichnet durch eine innere Blendenzahl des Fernrohrs (20) von weniger als 1,5 im Luftspalt zwischen der Primärlinse (H) und der Sekundärlinse (G) des Objektivs (21) bei der Fernrohreinstellung mit der stärkeren Vergrösserung.

2. Fernrohr nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

dass beide brechende Oberflächen (15,16) der Primärlinse (H) des Objektivs (21) asphärisch sind.

2

PATENTANSPRÜCHE

3. Fernrohr nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Gestalt der asphärischen brechenden Oberflächen (15, 16) der Primärlinse (H) des Objektivs (21) der Gleichung z . c = 1 - ]/ 1 - c (ch2 + bh4 + gh6)

genügt, wobei die asphärischen Koeffizienten dritter und höherer Ordnung Null sind; mit z als dem entlang der optischen Achse (19) gemessenen Abstand eines Punktes auf der brechenden Oberfläche (15, 16) vom Scheitelpunkt dieser Oberfläche,

c = -i- als dem Krümmungsmass und R als dem Krüm-R

mungsradius einer als Bezugsfläche dienenden sphärischen brechenden Oberfläche 15',

h als dem radialen Abstand, im rechten Winkel zur optischen Achse (19) gemessen, eines Punktes auf der brechenden Oberfläche (15, 16),

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 (G) des Objektivs (21) bei einer Temperatur von 20°C und bei einer Wellenlänge von 10 p.m einen Brechungsindex besitzt, welcher gleich gross oder kleiner als die Brechungsindices einer jeden der anderen Linsen (A, B, C, D, E, F und H) ist.

5. Fernrohr nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine oder mehrere der brechenden Oberflächen (1-16) eine reflexmindernde Beschichtung tragen.

6. Fernrohr nach einem der vorangehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der stärkeren und der schwächeren Vergrösserung durch massstäbli-che Veränderung und Optimierung des Linsensystems (24) für die schwache Vergrösserung unter Beibehaltung des grundsätzlichen Aufbaus dieses Linsensystems (24) im Bereich von 6:1 bis 2:1 veränderbar ist.