DE3108345A1 - "linsensystem fuer ein ir-objektiv" - Google Patents
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Description
Die Erfindung befaßt sich mit Linsensystemen für Objektive von Teleskopen, welche in einem im Infrarotbereich liegenden Spektralband
durchlässig sind.
Das Aufspüren und Erkennen von Gegenständen über weite Entfernungen
hinweg mit optischen Geräten, welche Bilder im infraroten Spektralbereich
entwerfen, steht und fällt mit der Qualität des Teleskopobjektivs,
welches außerdem kompakt und preiswert in der Herstellung sein soll. Es sind für den Infrarotbereich geeignete Objektive bekannt,
deren Linsen aus Germanium in einer optischen Anforderungen
genügenden Qualität bestehen. Germanium besitzt einen hohen Brechungsindex und einen im Vergleich zu optischen Materialien, welche im
sichtbaren Licht verwendet werden, niedrigen Dispersionskoeffizienten,
Die Gestalt und die räumliche Verteilung der Brechkraft hat man bei den Linsen in bekannter Weise so gewählt, daß eine chromatische
Aberration kompensiert wird. Besonders wünschenswert ist die Ausbildung des Objektivs nach Art eines Teleobjektivs wegen seiner geringen
Gesamtlänge; doch hat man gefunden, daß dadurch die chromatische Aberration des Linsensystems verstärkt und folglich die Breite des
übertragbaren IR-Spektralbandes eingeschränkt wird. Die chromatische
Aberration hat ihre Ursache in der zwar kleinen, aber spürbaren Dispersion des Germaniums. Zu der chromatischen Aberration tritt als
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weitere Schwierigkeit hinzu, daß wegen des hohen Temperaturkoeffizienten
des Brechungsindexes von Germanium bei spürbaren Änderungen der Umgebungstemperatur eine Wanderung der Bildfläche
aus ihrer vorbestimmten Lage heraus auftritt. Deshalb muß eine Hilfseinrichtung vorgesehen werden, mit deren Hilfe die Wanderung
der Bildfläche kompensiert werden kann, sobald diese ein solches-Außmaß
erreicht, daß unter den gegebenen Arbeitsbedingungen merkliche Abbildungsfehler entstehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Linsensystem in Teleobjektivanordnung auf preiswerte Art und Weise
als Attiromaten im Infrarot-Spektralbereich auszubilden.
Die Aufgabe ist gemäß der Erfindung gelöst durch ein Linsensystem
mit den im Patentanspruch 1 angegebenen Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Weil die effektive Brennweite des Linsensystems größer ist als der entlang der optischen Achse gemessene Abstand zwischen der
Bildfläche und der von dieser am weitesten entfernt liegenden brechenden Linsenoberfläche, auf welche die Strahlung als erstes
auftrifft, hat das Linsensystem den Aufbau eines Teleobjektivs;
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mit nur drei Linsen ist das System optisch und mechanisch einfach,
und weil das Linsensystem sowohl auf monochromatische als auch auf chromatische Aberration kompensiert ist, kann in einem beachtlichen
Wellenlängenband das Linsensystem den durch einsetzende Beugungseffekte begrenzten Arbeitsbereich ausnutzen.
Zweckmäßigerweise ist die mittlere der drei Linsen eine Zerstreuungslinse und besteht aus einem Chalkogenid-Glas (Chalkogene sind die
Elemente der VI. Hauptgruppe des periodischen Systems). Die der Bildfläche benachbarte Linse kann eine Sammellinse oder eine Zerstreuungslinse
sein und aus Germanium oder aus einem Chalkogenid-Glas bestehen. Die beiden sekundären Linsen können auch aus demselben
Chalkogenid-Glas bestehen; alternativ können sie auch aus unterschiedlichen Chalkogenid-Glassorten bestehen, wobei dann die
mittlere Linse einen höheren Dispersionskoeffizienten besitzt als die der Bildfläche benachbarte Linse.
Die Linse, welche erfindungsgemäß bewirkt, daß das Linsensystem zu
einem Achromaten wird, kann aus Chalkogenidgläsern unterschiedlicher
Zusammensetzung bestehen;geeignete Chalkogenid-Glassorten sind jene,
welche von der Fa. Barr & Stroud unter den Bezeichnungen BSA, BSI oder BS2,von der Fa. Texas Instruments Inc. (U.S.A.) unter den Bezeichnungen
TI20 oder TI 1173, und von der Fa. Amorphous Materials Inc. in Garland (Texas, U.S.A.) unter der Bezeichnung AMTIR-I in den
Handel gebracht werden.
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Soweit die Gruppe der beiden sekundären Linsen eine Sammellinse umfaßt, besteht diese bevorzugt aus einem kristallinen Halogenid-Werkstoff,
welcher einen positiven Temperaturkoeffizienten des Brechungsindexes besitzt, um dadurch das Linsensystem unempfindlich
gegen TemperaturSchwankungen zu machen.
Für den Zweck der Erfindung geeignete Halogenid-Werkstoffe mit
einem im Infrarotbereich liegenden Durchlassigkeitsbereich sind die von der Fa. Harshaw Chemical Co., 6801 Cochran Road, Selon
(Ohio, U.S.A.) unter den Bezeichnungen KRS5 und KRS6 in den Handel
gebrachten Werkstoffe. Bei einem Linsensystem mit derart ausgewählter, aus Halogenid-Werkstoff bestehender Linse werden die
drei Linsen des Systems vorzugsweise in festen Abständen untereinander fest angeordnet, wobei Abstandsstücke zwischengefügt werden,
die einen korrekt angepaßten Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen,
z.B. Abstandsstücke aus Dural ·) , um zu verhindern, daß sich die Bildfläche unter Temperatureinflüssen verschiebt und eine Bildverschlechterung
bewirkt. Die Erfindung kann dies im Temperaturbereich zwischen -300C und +500C zuverlässig verhindern.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten
Zeichnungen schematisch dargestellt und werden nachfolgend erläutert.
·) eine aushärtbare Aluminium-Knetlegierung vom Typ AlCuMg
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Fig. 1 zeigt ein Linsensystem mit relativ flacher
mittlerer Linse,
Fig. 2 zeigt ein Linsensystem, bei dem die Linse,
welche der Bildfläche benachbart ist, relativ flach ist, und
Fig. 3 zeigt ein Linsensystem, bei dem die beiden der
Bildfläche benachbarten Linsen relativ flach sind.
In allen drei Figuren umfaßt das Linsensystem 10 des Objektivs drei
durch Luftzwischenräume voneinander getrennte Linsen A,B und C,
die auf einer gemeinsamen optischen Achse 11 angeordnet sind. Am Ort 12 liegt eine ebene Bildfläche. Die Linse A stellt die
primäre Linse des Objektivs dar und die beiden anderen Linsen B und C bilden gemeinsam das sekundäre Linsensystem des Objektivs. Jede
der beiden sekundären Linsen B und C besitzt sphärische brechende Oberflächen 13 bis 16, welche - von der Biidebene 12 kommend nacheinander
von der optischen Achse 11 durchsetzt werden. Die brechenden Oberflächen 17 und 18 der primären Linse A können
sphärisch oder asphärisch sein. Strahlung, die vom Gegenstand 0 ausgeht, trifft auf die brechende Oberfläche 18 auf, wird dann
durch die Linsen A,B und C gebrochen und erzeugt in der Bildebene 12 ein Bild.
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Erfindungsgemäß bestehen die drei Linsen A,B und C aus
Werkstoffen, welche für ein im infraroten Wellenlangenbereich
gelegenes Band des Spektrums hinreichend durchlässig sind, und zwar insbesondere bei Wellenlängen zwischen 8 und 13.um, und
die effektive Brennweite des Objektivs 10 ist größer als der entlang der optischen Achse 11 gemessene Abstand zwischen der
Brechungsfläche 18 am Eingang des Objektivs 10 und der Bildfläche
12, d.h. das Objektiv 10 ist ein Teleobjektiv.
Bei allen drei Figuren ist die primäre Linse A eine Sammellinse (positive Brechkraft) und besteht aus Germanium in einer
für optische Zwecke geeigneten Qualität. Im Beispiel gemäß Fig. 1 besteht auch die Linse C aus Germanium, ist jedoch eine
Zerstreuungslinse (negative Brechkraft); bei der Linse B hingegen handelt es sich um eine Zerstreuungslinse (negative Brechkraft)
aus Chalkogenid-Glas. Im Beispiel gemäß Fig. 2 ist die Linse B eine aus Germanium bestehende Zerstreuungslinse (negative Brechkraft),
während die Linse C eine Zerstreuungslinse (negative Brechkraft) aus einem Chalkogenid-Glas ist. Im Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 3 ist die Linse B eine Zerstreuungslinse aus einem Chalkogenid-Glas und die Linse C ist eine Sammellinse (positive
Brechkraft), welche entweder aus einem Chalkogenid-Glas oder aus einem kristallinen Halogenidmaterial besteht.
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Die Linsensysteme 10 in den Beispielen der Fig. 1 und 2 sind wegen der verwendeten Chalkogenidglaslinse B bzw. C Achromate,
denn Chalkogenidgläser zeigen eine stärkere Dispersion als Germanium. Wenn im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 die beiden
sekundären Linsen B und C beide aus Chalkogenidglas bestehen, dann werden die Materialien dafür aus Gründen der Effektivität
hinsichtlich ihrer Dispersionen vorzugsweise derart gewählt, daß unter Vermeidung jeglicher chromatischer Abarratrm (im maßgebenden
Spektralbereich) die Gesamtlänge des Linsensystems des Objektivs 10 möglichst klein wird.
In allen drei Figuren ist die aus Chalkogenid-Glas bestehende
Linse relativ klein und relativ flach (d.h. ihre brechenden Oberflächen besitzen einen großen Krümmungsradius). Der Vorteil
dieser Bemessung liegt darin, daß bekannte Chalkogenid-Gläser mit sehr großer Oberfläche i.d.R. über diese große Oberfläche
optisch nicht homogen sind, sondern einen örtlich variierenden Brechungsindex aufweisen.
Nachfolgend werden nun vier besondere Ausführungsbeispiel der
in den Fig. 1-3 dargestellten Objektive beschrieben,wobei die Linsen
aus Germanium oder Chalkogenid-Glas bestehen und die brechenden
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Linsenoberflachen sämtlich sphärisch sind.
Beispiel 1 befaßt sich mit der in Fig. 1 dargestellten Linsenanordnung.
Die Linsen A und C bestehen aus Germanium, die Linse B aus einem von Barr & Stroud Limited hergestellten Chalkogenid-Glas
mit der Bezeichnung BS l.*Die effektive Brennweite beträgt 375 mm, die hintere Brennweite des Linsensystems 10 beträgt 157,4 mm,
und die Krümmungsradien der brechenden Oberflächen 13 bis 18 sowie
deren entlang der optischen Achse 11 gemessene Abstände untereinander, beginnend an der brechenden Oberfläche 18 und fortschreitend
in Richtung auf die Bildfläche 12 zu, sind - in mm gemessen - in der nachstehenden Tabelle angegeben:
| Fläche Nr. | Abstand | Radius |
| 18 | - | 208,3 |
| 17 | 14,1 | 283,7 |
| 16 | 108,5 | 1262,3 |
| 15 | 8,0 | 482,8 |
| 14 | 0,5 | 59,9 |
| 13 | 5,6 | 53,1 |
• Ein Glas, welches Arsen, Selen und Germanium als wesentliche
Bestandteile enthält.
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Liegt der Krümmungsmittelpunkt auf der der Bildfläche 12 zugewandten
Seite der Linsen A,B,C, so erhält der Krümmungsradius ein
positives Vorzeichen; liegt der Krummungsmittelpunkt jedoch auf der entgegengesetzten Seite der Linsen A,B,C, dann erhält der
Krümmungsradius ein negatives Vorzeichen (vergl. Beispiel 2).
Beispiel 2 befaßt sich mit der in Fig. 2 dargestellten Linsenanordnung.
Die beiden Linsen A und B bestehen aus Germanium, während die Linse C aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BSI besteht.
Die effektive Brennweite beträgt (normiert) 1,00 , die hintere Brennweite beträgt 0,393 und die Krümmungsradien der
brechenden Oberflächen 13 bis 18 und deren Abstände untereinander sind- wie im Beispiel 1 bei der brechenden Oberfläche 18 beginnend
und in Richtung auf die Bildfläche 12 fortschreitend - in der nachstehenden Tabelle angegeben. Alle Maßangaben in diesem Beispiel
sind auf die effektive Brennweite normiert.
| Fläche Nr. | Abstand | Radius |
| 18 | - | 0,5011 |
| 17 | 0,0400 | 0,6291 |
| 16 | 0,2538 | 0,1549 |
| 15 | 0,0150 | 0,1382 |
| 14 | 0,1000 | -0,4366 |
| 13 | 0,0200 | -0,5156 |
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Beispiel 3 befaßt sich mit dem in Fig. 3 dargestellten Linsensystem.
Die Linse A besteht aus Germanium, wohingegen die beiden Linsen B und C aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BSI
bestehen. Die effektive Brennweite beträgt (normiert) 1,00 , die hintere Brennweite beträgt 0,3994 und die Krümmungsradien der
brechenden Oberflächen 13 bis 18 und ihre entlang der optischen Achse 11 gemessenen Abstände untereinander sind - beginnend bei
der brechenden Oberfläche 18 und in Richtung auf die Bildfläche zu schreitend - in der nachstehenden Tabelle angegeben.. Alle Maßangaben
in diesem Beispiel sind auf die effektive Brennweite normiert.
| Fläche Nr. | Abstand | Radius |
| 18 | - | 0,5926 |
| 17 | 0,0427 | 0,7692 |
| 16 | 0,3948 | -3,2968 |
| 15 | 0,0160 | 0,3825 |
| 14 | 0,0267 | 0,6204 |
| 13 | 0,0267 | -1,5895 |
Beispiel 4 befaßt sich ebenfalls mit dem in Fig. 3 dargestellten
Linsensystem. Die Linse A besteht aus Germanium, die Linse B besteht
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aus einem von Barr & Stroud Limited hergestellten Chalkogenid-Glas
mit der Bezeichnung BSA und die Linse C besteht aus dem Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BSI. Die effektive Brennweite beträgt
3 75 mm, die hintere Brennweite beträgt 138, 178 mm, und die Krümmungs
radien der brechenden Oberflächen 13 bis 18 sowieu.deren Abstände
untereinander sind - beginnend bei der brechenden Oberfläche 18 und fortschreitend in Richtung auf die Bildfläche 12 - in der nachstehenden
Tabelle angegeben. Alle Maßangaben in diesem Beispiel sind in mm.
| Fläche Nr. | Abstand | Radius |
| 18 | - | 195,33 |
| 17 | 15,65 | 268,99 |
| 16 | 113,37 | 825,5 |
| 15 | 6,05 | 109,22 |
| 14 | 10,98 | 199,06 |
| 13 | 10,00 | -2583y9 |
Wegen des hohen Temperaturkoeffizienten des Brechungsindexes von
Germanium läßt sich die Brennweite bei solchen unter Verwendung
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von Germaniumlinsen aufgebauten Linsensystemen über einen größeren
Temperaturbereich hinweg nur dadurch konstant halten, daß man die
primäre Linse A oder die sekundären Linsen B und C in Richtung der optischen Achse merklich verschiebt. Eine wesentliche Verbesserung der thermischen Stabilität der Bildfläche 12 eines solchen Linsensystems erreicht man dadurch, daß man - wie im Beispiel der Fig. 3 alternativ vorgesehen - die Linse C aus einem handelsüblichen, für infrarotes Licht durchlässigen kristallinen Halogenidmaterial herstellt. Dadurch wird es möglich, die Linsen unverschieblich zu
montieren und durch einen Werkstoff mit gewöhnlicher Wärmeausdehnung auf Abstand zu halten. In den Zahlenbeispielen 3 und 4 zu dem in
Fig. 3 dargestellten Linsensystem kann man in Ausführung dieser
Lehre anstelle einer Linse C aus dem Chalkogenid-Glas BSI eine ' solche aus dem Halogenidmaterial mit der Bezeichnung KRS5 einsetzen, und weil KRS5 eine geringere Dispersion aufweist als BSI, benötigt man für die Linse B ebenfalls ein Material mit geringerer Dispersion; geeignet für die Linse B ist das von Barr & Stroud Limited hergestellte Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS2.
primäre Linse A oder die sekundären Linsen B und C in Richtung der optischen Achse merklich verschiebt. Eine wesentliche Verbesserung der thermischen Stabilität der Bildfläche 12 eines solchen Linsensystems erreicht man dadurch, daß man - wie im Beispiel der Fig. 3 alternativ vorgesehen - die Linse C aus einem handelsüblichen, für infrarotes Licht durchlässigen kristallinen Halogenidmaterial herstellt. Dadurch wird es möglich, die Linsen unverschieblich zu
montieren und durch einen Werkstoff mit gewöhnlicher Wärmeausdehnung auf Abstand zu halten. In den Zahlenbeispielen 3 und 4 zu dem in
Fig. 3 dargestellten Linsensystem kann man in Ausführung dieser
Lehre anstelle einer Linse C aus dem Chalkogenid-Glas BSI eine ' solche aus dem Halogenidmaterial mit der Bezeichnung KRS5 einsetzen, und weil KRS5 eine geringere Dispersion aufweist als BSI, benötigt man für die Linse B ebenfalls ein Material mit geringerer Dispersion; geeignet für die Linse B ist das von Barr & Stroud Limited hergestellte Chalkogenid-Glas mit der Bezeichnung BS2.
Nachfolgend wird noch ein besonderes Beispiel 5 angegeben, bei dem
der Einfluß von Abstandhaltern aus Dural ·) kompensiert ist.
Die Maßangaben sind auf den Wert der effektiven Brennweite zu 1,00 normiert. Die hintere Brennweite beträgt dann 0,4934 und die
Die Maßangaben sind auf den Wert der effektiven Brennweite zu 1,00 normiert. Die hintere Brennweite beträgt dann 0,4934 und die
·) eine aushärtbare Aluminium-Knetlegierung vom Typ AlCuMg
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Krümmungsradien der brechenden Oberflächen 13 bis 18 und deren entlang der optischen Achse 11 gemessenen Abstände untereinander
sind - beginnend bei der brechenden Oberfläche 18 und fortschreitend in Richtung auf die Bildfläche 12 zu - in der nachstehenden Tabelle
angegeben:
| Fläche Nr. | Abstand | Radius |
| 18 | - | 0,5117 |
| 17 | 0,0427 | 0,6424 |
| 16 | 0,3028 | 7,6224 |
| 15 | 0,016 | 0,3796 |
| 14 | 0,0267 | 0,5813 |
| 13 | 0,0267 | -1,2106 |
Die in den fünf Beispielen angegebenen Abmessungen können maßstäblich
verändert werden, soweit nicht die Homogenität der optischen Materialien und - bezogen auf eine Wellenlänge von
lO.um - einsetzende Beugungserscheinungen eine Grenze setzen.
Die Beispiele sind optimiert worden für relative, auf die Brennweite bezogene Aperturen zwischen f/2 und f/3 und für ein Gesihtsfeld
von ungefähr 6 und werden gewöhnlich mit Öffnungsweiten von
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bis zu 250 mm (Durchmesser) benutzt, nahe an der durch Beugungserscheinungen gesetzten Grenze. Wie bei der Auslegung von Linsen
üblich kann die relative Apertur durch Einsatz einer asphärischen Oberfläche auf der primären Linse A erhöht werden; in diesem Fall
lassen sich ohne Beeinträchtigung der Eigenschaften des Linsensystems
relative Aperturen bis über f/1,5 und Öffnungsweiten bis zu
500 mm (Durchmesser) erreichen.
Optische Eigenschaften von Germanium und von kristallinen Halogenid-
materialen sind in Tabelle 1 angegeben. Tabelle/enthält entsprechende
Angaben über einige handelsübliche Chalkogenidgläser.
Tabelle 1 : Eigenschaften optischer Materialien bei einer
Wellenlänge von 10 .um
| Material | Brechungsindex | Dispersions koeffizient |
Temperatur koeffizient |
| Germanium KRS 5 KRS 6 |
4,0032 2,3704 2,1768 |
0,00085 0,00385 0,01054 |
-0,00474 +0,00621 +0,00489* |
130063/0700
Tabelle 2
Eigenschaften von Chalkogenid-Gläsern bei
einer 'Wellenlänge von 10 ,urn
| Material | Brechungsindex | Dispersions koeffizient |
Temperatur koeffizient |
| TI 1173 | 2,6001 | 0,00705 | -0,00171 |
| TI 20 | 2,4919 | 0,00696 | -0,00174 |
| AMTIR-I | 2,4975 | 0,00592 | -0,00170 |
| BSA | 2,7792 | 0,00479 | -0,00128 |
| BSI | 2,4916 | 0,00660 | -0,00171 |
| BS2 | 2,8563 | 0,00404 | -0,00171* |
* geschätzt
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Claims (8)
1. Linsensystem (10) für das Objektiv eines Teleskops, bestehend aus einer primären Linse (A) und einer Gruppe von
zwei sekundären Linsen (B,C), wobei die Linsen (A,B,C) auf einer
gemeinsamen optischen Achse (11) angeordnet sind und eine den Ausgleich von monochromatischer Aberration bewirkende Gestalt und
Brechkraftverteilung besitzen, dadurch gekennzeichnet, daß jede der
Linsen (A,B,C) aus einem Material besteht, welches in einem im Infrarotbereich gelegenen Spektralband durchlässig ist,
daß die beiden sekundären Linsen (B,C) i.w. sphärische brechende Oberflächen (13 bis 16) haben, welche von der optischen Achse (11)
durchsetzt werden,
daß das Linsensystem (10) eine ebene Bildfläche (12) und eine effektive Brennweite besitzt, welche größer ist als der entlang
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der optischen Achse (11) gemessene Abstand zwischen der Bildfläche
(12) und der am weitesten davon entfernt liegenden brechenden Oberfläche (18) des Linsensystems (10), wobei diese am
weitesten von der Bildfläche (12) entfernt liegende brechende Oberfläche (18) auf der primären Linse (A) gebildet wird, welche
aus Germanium besteht und eine positive Brechkraft besitzt, und daß wenigstens eine der beiden sekundären Linsen (B,C) zur
Bildung eines im Infrarotbereich achromatischen Linsensystems
(10) aus einem Chalkogenid-Glas besteht.
2. Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die mittlere der drei Linsen (B) negative Brechkraft besitzt und aus einem Chalkogenid-Glas besteht.
3. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) negative
Brechkraft besitzt und aus Germanium besteht.
4. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) positive
Brechkraft besitzt und aus einem Chalkogenid-Glas besteht.
130063/0700
5. Linsensystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden aus Chalkogenid-Glas bestehenden Linsen (ü,
C) aus demselben Chalkogenid-Glas bestehen.
6. Linsensystem nach Anspruch 2 und 4, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden aus Chalkogenid-Glas bestehenden Linsen (B,
C) aus unterschiedlichem Material bestehen, wobei die mittlere Linse
(B) einen niedrigeren Dispersionskoeffizienten besitzt als die der
Bildfläche (12) benachbarte Linse (C).
7. Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die der Bildfläche (12) benachbarte Linse (C) positive
Brechkraft besitzt und aus einem kristallinen Halogenid-Material
besteht.
8. Linsensystem nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
das kristalline Halogenid-Material KRS5 ist.
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