DE3112689A1

DE3112689A1 - Okular

Info

Publication number: DE3112689A1
Application number: DE19813112689
Authority: DE
Inventors: Iain Alexander Kelvingrove Glasgow Scotland Neil
Original assignee: Thales Optronics Ltd
Current assignee: Thales Optronics Ltd
Priority date: 1980-04-26
Filing date: 1981-03-31
Publication date: 1981-12-24
Also published as: SE451038B; NL8101329A; BE888169A; NO157155C; FR2481470A1; NL186880C; FR2481470B1; IT8167484A0; IN154154B; NO811400L; NL186880B; CH657924A5; US4398786A; NO157155B; SE8102186L; IT1143536B

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einem Okular oder einem Kollimatorlinsensystem mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen zur Verwendung in einem Mikroskop oder in einem Fernrohr.

Die einführung von Hochleistungs-lnfrarotbeobachtungssystemen, welche unter der Abkürzung FLlR (forward looking infrared systems) bekannt sind, hat einen Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren geweckt, welche in solchen FLIH-Systemen verwendbar sind.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, benötigt man Hochleistungsokulare und daran angepaßte Hochleistungsobjektive. Es sind hierzu schon verschiedene Ausführungsformen von Okularen vorgeschlagen worden, doch die aus Gründen der praktischen Handhabung geborene Forderung nach einem kompakten Aufbau (d.h. nach kleinen Blendenzahlen) zieht die Forderung nach geringer Gesichtsfeld- und Pupillenaberration nach sich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Okular zu schaffen, welches allen diesen Forderungen gerecht wird.

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

Weil das erfindungsgemäße Okular nur drei Linsen besitzt, ist es im optischen wie im mechanischen Aufbau einfach; mit fünf sphärischen und einer planen Linsenoberfläche sind die drei Linsen auch einfach herzustellen und das Linsensystem kann derart angeordnet werden, daß das reelle Bild, welches beobachtet werden soll, auf der einen planen Linsenoberfläche liegt, was von Vorteil ist; es weist eine geringe Pupillenaberration auf und kann über das Gesichtsfeld bi· nahe an die durch Beugung bestimmte Leistungsgrenze betrieben werden; es kann deshalb mit einem geeigneten Objektiv zu einem kompakten Hochleistungsfernrohr zusammengebaut werden.

Die Linse, welche der Bildfläche, in der das »eile Bild liegt, am nächsten liegt, besteht vorzugsweise aus Zinkselenid, während die anderen beiden Linsen vorzugsweise aus Germanium mit einem Brechungsindex von 4,003 und mit einer V-Zahl (auch als Abbesche Zahl bezeichnet) von 1182 bestehen. Alle diese Materialien besitzen im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 3,um und 13.um eine brauchbare Durchlässigkeit. Alternativ kann die Linse, welche

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der Fläche, in der das reelle Bild liegt, am nächsten liegt, auch aus einem der Materialien bestehen, welche in Tabelle III aufgeführt sind; auch diese Materialien sind im Wellenlängenbereich zwischen 3,um und 13 ,um hinreichend durchlässig.

Wenn jedoch das reelle Bild auf oder dicht vor der genannten Linse liegt, dann sollte die Homogenität der. Materials, aus dem die Linse besteht, so gut wie möglich sein, um eine hohe Abbildungsgüte zu erreichen.

Alle drei Linsen können fest angeordnet werden, da das Gesamtsystem ziemlich unempfindlich gegen den Kinfluß von Änderungen der Umgebungstemperatur ist. Um den Kinfluß von solchen Temperaturänderungen auf die Abbildungsgüte in einem größeren Temperaturbereich zu kompensieren, können jedoch eine, zwei oder alle drei Linsen entlang der optischen Achse verschieblich angeordnet sein.

Soweit die Anordnung eines Hitters im Okular gewünscht wird, kann dies auf einer planparallelen Platte als Träger angeordnet werden und der Träger wird mit Vorteil am Ort des reellen Bildes angeordnet, entweder in Berührung mit der planen Oberfläche der dem

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reellen Bild an nächsten liegenden Linse oder nahe bei dieser planen Linsenoberfläche. Dies erleichtert es, das Gitter auf die Okularlinsen zu zentrieren. Das Gitter kann anstatt auf eine gesonderte planparallele Platte auch unmittelbar auf die plane Oberfläche der einen Linse aufgebracht werden, welche dem reellen Bild am nächsten liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten schematischen Zeichnung eines Fernrohrs 20 beschrieben, welches ein Objektiv 21 und ein Okular 22 mit gemeinsamer optischer Achse 23 aufweist. Es handelt sich um ein afokales Linsenfernrohr, welches aus der vom Gegenstandsraum 0 kommenden Strahlung in seinem Innern ein reelles Bild formt; die Ebene I, in welcher dieses reelle Bild liegt, ist in der Zeichnung gestrichelt eingezeichnet. Das Objektiv 21 besteht aus einer primären Linse F mit positiver Brecfakraft (Sammellinse), aus einer sekundären Linse E mit negativer Brechkraft (Zerstreuungslinse) und aus einer tertiären Linse D mit negativer Brechkraft. Die Linse E ist farbkorrigierend und bewirkt im Zusammenwirken mit der Linse D durch Verschiebung entlang der optischen Achse 23 die Scharfeinstellung und die Kompensation des Einflusses der Temperatur. Das Okular 22 besteht aws den drei Linsen A,B und C mit positiver Brechkraft, welche ebenso wie die Linsen D,E und F

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ein System mit festem Brennpunkt bilden;demgemäß empfängt das Objektiv 21 parallele Strahlen von einer im Gegenstandsraum 0 liegenden Eintrittspupille und das Okular 2? sammelt die vom umgekehrten reellen Bild, welches vom Objektiv in der Kbene I entworfen wird, ausgehende Strahlung und formt daraus ein Bündel paralleler Strahlen, welche eine im Bildraum Il liegende Austrittsp up ι He 0 bilden. Die Brechkraft der Linsen Λ bis F und die Abstände zwischen ihren brechenden Oberflächen 1 bis 12 sind so gewählt, daß die Bildebene I nahe der plan ausgebildeten brechenden Oberfläche 6 der innersten Linse C des Okulars 22 liegt; die übrigen brechenden Oberflächen 1 bis 5 und 7 bis 12 sind i.w. sphärisch geformt. Unter einer sphärischen Linse ist in diesem Zusammenhang eine solche Linse zu verstehen, deren Abweichungen von der wahren sphärischen Gestalt allenfalls derart r.i.nd,daß sie in der Fachsprache noch als sphärisch bezeichnet wird.

Das dargestel1 te Fernrohr 20 ist zur Verwendung im infraroten WeIlenlangenbereich bestimmt, d.h. im Bereich etwa zwischen 8 und 13 .um; folglich sind die Brechungsindizes der Linsen A bis F relativ groß. Um in der Bildebene I ein Bild von hoher Güte zu erhalten, besteht die Linse C vorzugsweise aus einem optischen Werkstoff, welcher nur geringe Inhomogenitäten aufweist wie z.B.

schieden),

riuij Zinkselenid (CVD im Vakuum abge- · welches einen Brechungsindex von 2,41 besitzt; die Linsen A,B,D und F bestehen aus einem

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Werkstoff, welcher 'jei einer Wellenlänge von lu,uin einen Firechungsindex von mindestens 4 aufweist, z.U. aus ^f".ermenium mit einem Brechungsindex von 4,003. Die Linse [·; schließlich besteht aus einem von Barr & .">troud Limited hergestellten Material mit der Bezeichnung "B.sl"; es handelt sich bei BSI um ein Chalkogenid-Glas mit Arsen, Selen und Germanium al« wesentlichen Bestandteilen, dessen Brechungsindex 2,49 beträgt. Die angegebenen Brechungsindizes gelten stets für eine; Temperatur von 20 C und für eine Wellenlänge von 10 ,um. Diese Materialien können mit einer reflexmindernden Beschichtung versehen sein (und sind es vorzugsweise auch) und lassen, sofern sie reflexmindernd beschichtet sind, 60% der im Wellenlängenbereich zwischen 8,5 und 11,5,Um auftreffenden Strahlung durchtreten.

Das Okular 22 ist recht unempfindlich gegen Brennweitenänderungen des Objektivs 21 und gegen schädliche Schwankungen der Umgebungstemperatur, welche typisch im Bereich von -40 C bis +70 C auftreten.

Die Tabelle 1 enthält die genauen Daten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Fernrohrs 20 mit dem in der Zeichnung dargestellten Aufbau. Tabelle I enthält von jeder brechenden Ober-

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flache sowie von der Austrittspupille 0 den Krümmungsradius, die Öffnungsweite (mm Durchmesser) und den Abstand von der vorhergehenden brechenden Oberfläche bzw. von der Austrittspupille 0, wobei deren Lage willkürlich als Ausgangs- oder Nulllage gewählt ist. Ferner ist angegeben, welches Material sich zwischen einer brechenden Oberfläche und der vorhergehenden brechenden Oberfläche bzw. zwischen der Pupille 0 und der ersten brechenden Oberfläche befindet. Die Maßangaben sind in Millimetern.' So besitzt z.B. die brechende Oberfläche 2 einen Krümmungsradius von - 117,35 mm, wobei das negative Vorzeichen anzeigen soll, daß

in der Darstellung gemäß der beiliegenden Zeichnung der Krümmungsmittelpunkt auf der rechten Seite der Oberfläche 2 liegt; sie weist - gemessen entlang der optischen Achse 23 - von der vorhergehenden brechenden Oberfläche 1 einen Abstand von 8,05 mm auf und das Material zwischen den beiden Oberflächen 1 und 2 ist Germanium. Sie besitzt eine Öffnungsweite von 57,74 mm (Durchmesser) und weist von der nachfolgenden brechenden Oberfläche 3, von der sie durch Luft getrennt ist, einen Abstand von 30,3 mm auf. Dieses Fernrohr 20 mit den in Tabelle I angegebenen Daten besitzt den Vergroßerungsfaktor X7; die effektive Brennweite seines Okulars beträgt 45,50 mm, und die Blencenzahl am Ort der Bildebene I beträgt ungefähr 2,94.

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Das in Tabelle I detailliert angegebene Okular 22 gehört einer Familie von Okularen an, welche im Bildraum H ein Gesichtsfeld bis ungefähr HO (voller Blickwinkel) hinauf und einen Durchmesser der Austrittspupille von mehr als 15,5 mm aufweisen. Durch maßstäbliche Veränderung des Okulars 22 mit Maßstabsfaktoren zwischen 0,01 und 10 kann die effektive Brennweite erhöht oder verkürzt werden. Das beschriebene Okular 22 ist sehr leistungsfähig und weist über den größten Teil des Gesichtsfeldes in der Bildebene I eine hohe Abbildungsgüte auf, wie die Tabelle II zeigt; wegen seiner geringen Pupillenaberration kann es unter Bildung eines kompakten afokalen Linsenfernrohrs mit einem Objektiv 21 der angegebenen Art zusammen verwendet werden. Wegen der Wahl der Krümmungsradien der brechenden Oberflächen 1 und 3 im Okular 22 kann das Okular 22, sofern seine Linsen A, B und C mit einer hochdurchlä'ssigen Antireflexbeschichtung versehen sind, in einem FLIR-System eingesetzt werden, ohne daß ein merklicher "Narzißmus-Effekt", d.h. ein unerwünschtes Erscheinen eines Abbilds des Beobachters selbst im Gesichtsfeld, auftritt. Als Antireflexbeschichtungsmaterial ist das von Barr & Stroud Limited unter der Zeichnung ARG 3 vertriebene Material geeignet. Es tritt ferner auf keiner der brechenden Oberflächen der Linsen eine Vignettierung auf.

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Tabelle I *

crt co

Linse	Oberfläche	Abstand	Krümmungsradius	Material	Apertur (mm Durchmesser)
Austritts pupille ·*	0	0	plan	Luft	15,50
A	2	46,63 8,05	-254,02 -117,35	Luft Ge	55,54 5 7,74
B	3 4	30,30 22,91	54,61 38,10	Luft Ge	56,12 33,23
C	5 O	12,92 3,50	113,54 plan	Luft ZnSe (CVD)	36,96 36,56
D	7 g	113,02 5,09	-42,57 -49,89	Luft Ge	48,85 53,93
E	9 10	0,005 7,39	262,13 201,68	Luft As/Se/Ge (BSI)	57,93 58,11
F	11 12	104,36 12,00	-228,09 -169,06	Luft Ge	123,53 128,56

I ro

Werte für 20 C

·· maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,3°.

CO

IV) CD OO CD

Tabelle II ··

	Quadratische Mittelwerte der Größe (in ,um) eines durch das Fernrohr auf die Bildebene I abgebildeten Punktes, bezogen auf die Pupille 0, bei unter schiedlicher Ausnutzung des Gesichts feldes.	•bei chromatischem Licht von 8,5,um bis 11,5,Um* '	Quadratische Mittelwerte der schein baren Größe (ir. Milliradiant) eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bezogen auf die Pupille 55 bei unterschied licher Ausnutzjng des Gesichtsfeldes	bei chromatischem Licht von 3,5,Um bis 11,5 .um*
Gesichts feld	bei monochro matischem Licht von 9, 6.um	39,5	bei monochro matischem Licht von 9,6.um	C, 105
.\^;ur axiale Strahlen	36,8	41,6	0,073	0,127
1/2	39,6	48,3	0,034	0,159
3/4	46,0	58,8	0,122	0,160
vollständig	55,8	0,115

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

*· bei 20" C

CD CO CO

Tabelle TII

Material	Brechungsindex*	V- Wert
Ge	4,003	1132
ΒΓΣ2 1)	2,856	24 8
BiJA 1)	2,779	209
TI 1173 2)	2,600	142
/KtA¹VIR 3)	2,407	169
ar, ι i)	2,4')?	152
T120 2)	2,492	144
ZnSe	2,407	77
K K.'] 5 4)	2,370	260
Kli.'lG 4)	2,177	95
AgCl	1,980	72
CsJ	1,739	316
CsBr	1,663	176
KJ	1,620	137
KBr	1,526	82
NaCl	1,495	25
KCl	1,457	40

• gemessen bei 10 ,um und 20° C.

über den Wellenlängenbereirh von 8,S-Il,5,Um.

1) Bezeichnungen von Cha! kogenidcjlüsern, welche von Barr Ä !jtroud Limited vertrieben werden.

2) Bezeichnungen von Chalkogenidglüsern, welche von der Fa. Texas Instruments Inc:. (UJA) vertrieben werden.

3) Bezeichnung eines Chalkogenidglases, welches von der Pa, Amorphous Metals Inc.. in Gar land (Texas, WJA) vertrieben wird.

4) Bezeichnungen von kristallinen, infrarotdurchlässigen Halogenidwerkstoffen, welche von der Fa. llarshaw Chemical Co. in Hc.lon (Ohio,USA) vertrieben werden.

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Claims

Patentansprüche:

Okular aus drei Linsen (A,B,C) mit gemeinsamer optischer Achse (23) zur Verwendung im infraroten Wellenlängenbereich zur Beobachtung eines reellen Bildes und zur Umwandlung der vom reellen Bild ausgehenden Strahlen in ein Bündel paralleler Strahlen, welche eine Austrittspupille 0 bilden, dadurch gekennzeichnet, daß jede der drei Linsen (A,B,C) positive Brechkraft besitzt und aJs einem Material besteht, welches in einem brauchbaren Spektralband innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs hinreichend durchlässig ist, und daß die dem reellen Bild benachbarte brechende Oberfläche (6) der dem reellen Bild benachbarten Linse (C) plan ist,

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wohingegen die fünf übrigen brechenden Oberflächen (1 bis 5) der drei Linsen (A,B,C) im wesentlichen sphärisch sind.
2. Okular nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß auf oder neben dieser planen brechenden Oberfläche (6) ein Gitter

angebracht ist.
3. Okular nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der brechenden Oberflächen (1 bis 5) mit einem

reflexmindernden Material beschichtet ist .
4. Okular nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden der Austrittspupille (0) benachbarten Linsen (A,B) Brechungsindizes von nicht weniger als 4,0 bei einer Wellenlänge von 10 ,um und einer Temperatur von 20 C besitzen.
5. Okular nach ein^em der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die dem reellen Bild benachbarte Linse

(C) aus Zinkselenid besteht, während die anderen beiden Linsen (A,B) aus Germanium bestehen.

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6. Okular nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet _f daß wenigstens eine der drei Linsen (A,B,C)

entlang der optischen Achse (23) gegenüber wenigstens einer der anderen Linsen (A, B, C) zum Ausgleich von Einflüssen größerer Änderungen der Umgebungstemperatur verschiebbar ist.
7. Okular nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch den durch die in Tabelle I angegebenen Daten bestimmten

Aufbau.
8. Okular nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau ausgehend von dem durch Tabelle I bestimmten Aufbau

durch einen zwischen 0,01 und 10 liegenden MaßBtabsfaktor abgewandelt ist.

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