DE3886232T2 - Infrarotteleskop mit zweifacher Vergrösserung. - Google Patents

Description

• Diese Erfindung betrifft Verbesserungen an oder bzgl. Infrarotteleskopen und genauer gesagt an Infrarotteleskopen mit zweifacher Vergrößerung.
• Normalerweise haben Infrarotteleskope eine Zoom-Einrichtung, die eine Variation der Vergrößerung von beispielsweise x 5 bis x 20 oder mehr bietet. Die Entwicklungsgeschichte solcher Teleskope ist durch das Ziel in Form von zunehmender Kompaktheit charakterisiert gewesen, so daß fortschrittliche Konstruktionen im allgemeinen dazu tendiert haben, die axiale Länge des Teleskops unter Beibehaltung oder sogar Verbesserung der optischen Funktionseigenschaften zu verringern. Eine solche Konstruktion ist in der UK-PS 2 126 370 B gezeigt, die eine mechanisch kompensierte Zoomlinse beschreibt, die eine zwischen einem ersten niedrigen Wert und einem zweiten höheren Wert einstellbare Vergrößerung aufweist, wobei die Linse eine feste vordere Linsenkomponente, die bei der höheren Vergrößerung eine unterkorrekte sphärische Aberration dritter und fünfter Ordnung erzeugt, eine Zerstreuungslinsenkomponente, die relativ zu der vorderen Linsenkomponente bewegbar ist und die bei der höheren Vergrößerung eine kompensierende überkorrekte sphärische Abberation dritter und fünfter Ordnung erzeugt, eine Sammellinsenkomponente, die relativ zu der vorderen Linsenkomponente und der Zerstreuungslinsenkomponente bewegbar ist, und eine hintere Linsenkomponente aufweist, die relativ zu der vorderen Linsenkomponente fest ist.
• Die in der UK-PS 2 126 370 B beschriebene brennpunktlose Teleskoplinse weist typischerweise eine axiale Länge von ungefähr 380 mm auf, wodurch sie eine für ein solches Zoom-Teleskop besonders kompakte Konfiguration verkörpert.
• Die vorliegende Erfindung hat eher die Bereitstellung eines Teleskops mit zweifacher Vergrößerung als eines Zoom-Teleskops zur Aufgabe, welches, selbst verglichen mit dem Zoom-Teleskop aus der UK-PS 2 126 370 B, ebenfalls ungewöhnlich kompakt ist. Der vorliegenden Erfindung steht teilweise die Erkenntnis zu, daß bei einigen Anwendungen, bei denen keine Zoom-Voraussetzung, jedoch eine zweifache Vergrößerung erforderlich ist, eine beträchtliche Kompaktheit und Vereinfachung der Konstruktion durch die Verwendung nur eines einzelnen Linsenelements zur Bereitstellung der Fokussierung des Teleskops bei den beiden geforderten Vergrößerungen, jedoch nicht speziell zwischen den beiden Vergrößerungen, erreicht werden kann.
• Gemäß der Erfindung ist ein kompaktes Infrarot-Transmissionsteleskop mit zweifacher Vergrößerung bereitgestellt, das entweder auf einen festen ersten Vergrößerungswert oder auf einen festen zweiten Vergrößerungswert einstellbar ist, wobei das Teleskop eine vordere Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine hintere Linsengruppe mit positiver Brechkraft, eine Augenlinsengruppe und ein einzelnes zwischen der vorderen Linsengruppe und der hinteren Linsengruppe angeordnetes bewegbares Linsenelement umfaßt, wobei das bewegbare Linsenelement negative Brechkraft aufweist und entlang der optischen Achse des Teleskops von einer ersten Position, an der das Teleskop den ersten Vergrößerungswert aufweist, zu einer zweiten Position, an der das Teleskop den zweiten Vergrößerungswert aufweist, axial bewegbar ist und wobei das Teleskop an Zwischenpositionen zwischen den ersten und zweiten Positionen des bewegbaren Linsenelements wesentlich defokussiert ist.
• Um optische Aberrationen bei beiden Vergrößerungswerten zu kompensieren, kann die vordere Linsengruppe ein erstes Linsenelement mit positiver Brechkraft und ein zweites Linsenelement mit negativer Brechkraft aufweisen.
• Die bewegbare Linsenelement-Komponente kann geeigneterweise zum Korrigieren von Aberrationsbeiträgen, die von der vorderen Linsengruppe bei jedem der Vergrößerungswerte resultieren, beispielsweise in bikonkaver Form ausgebildet sein.
• Die hintere Linsengruppe kann geeigneterweise ein achromatisierendes Linsenelement enthalten, wie beispielsweise ein Zerstreuungslinsenelement, das aus Zink-Selenid-Material bestehen kann. Die hintere Linsengruppe kann weiterhin insgesamt vier Linsenelemente umfassen, wovon die ersten beiden, gefolgt von einem achromatisierenden Zerstreuungslinsenelement und dann einem vierten Zerstreuungslinsenelement, positive Brechkraft aufweisen, wobei das vierte Zerstreuungslinsenelement die Kontrolle über die Eintrittspupillenposition realisieren kann, um auf diese Weise die Anforderung an den Eintrittslinsendurchmesser zu minimieren. Alternativ dazu kann das achromatisierende Linsenelement aus Zink-Selenid das zweite Linsenelement der hinteren Linsengruppe oder sogar das erste Linsenelement der Linsengruppe bilden.
• Die Augenlinsengruppe kann insgesamt positive Brechkraft aufweisen und drei Linsenelemente umfassen.
• Die gesamte Teleskopkonstruktion kann, mit Ausnahme des achromatisierenden Linsenelements in der hinteren Linsengruppe, das, wie festgestellt, geeigneterweise aus Zink-Selenid-Material bestehen kann, im wesentlichen aus Germanium-Material bestehen.
• Das Teleskop kann durch Veränderung der axialen Extrempositionen des einzelnen Linsenelements zur Scharfeinstellung athermalisiert werden. Alternativ dazu können die vordere Linsengruppe oder die hintere Linsengruppe oder möglicherweise beide zu Athermalisierungszwecken bewegbar sein.
• In dieser Beschreibung sind die Ausdrücke "vordere" und "hintere" in dem Sinn verwendet, daß der vordere Teil der Linse in Richtung Objekt und der hintere Teil der Linse in Richtung Austrittspupille liegt. Weiterhin wird klar erkannt sein, daß obwohl die ganze Zeit der Ausdruck "Auge" verwendet ist, das letzte Bild tatsächlich nicht von dem menschlichen Auge gesehen wird, da es im infraroten Bereich des Spektrums liegt, jedoch beispielsweise über eine Infrarotdetektor-Anordnung gescannt wird.
• Die Linse kann insbesondere derart konstruiert sein, daß sie innerhalb des 8 bis 12 um-Wellenbandes arbeitet, und die Materialien der Linsenelemente sind entsprechend ausgewählt, um eine brauchbare Transmission der Strahlung bei den geforderten relevanten Wellenlängen aufzuweisen. Die Räume zwischen den körperlichen Elementen sind vorzugsweise durch Gas, geeigneterweise durch Luft, ausgefüllt, und die brechenden Oberflächen der Linsenkomponenten weisen vorzugsweise eine sphärische Krümmung auf. Die gesamte Länge des Aufbaus der Linsengruppen kann 220 mm oder noch weniger betragen.
• Ausschließlich beispielsweise werden nun zwei bevorzugte Ausführungen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in denen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführung eines Infrarotteleskops mit zweifacher Vergrößerung ist, das zum Erreichen einer x 10-Vergrößerung eingestellt ist,
• Fig. 2 eine schematische Darstellung der Ausführung aus Fig. 1 ist, die jedoch zum Erreichen einer x 5-Vergrößerung eingestellt ist,
• Fig. 3 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführung der Erfindung ist, die zum Erreichen einer x 10- Vergrößerung eingestellt ist, und
• Fig. 4 eine schematische Darstellung der Ausführung aus Fig. 3 ist, die jedoch zum Erreichen einer x 3,5-Vergrößerung eingestellt ist.
• Das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Infrarotteleskop mit zweifacher Vergrößerung weist eine allgemein mit "E" bezeichnete "Augen"-Linsenkombination und eine allgemein mit "O" bezeichnete Objektivlinsenkombination auf. Die Objektivlinsenkombination erzeugt ein mit "I" bezeichnetes reales Zwischenbild, das durch die "Augen"-Linsenkombination "gesehen" wird.
• Die Objektivlinsenkombination weist eine zweielementige Dubletten-Linse auf, deren erstes Element 1 ein mit seiner konvexen Oberfläche nach vorne liegendes Meniskuselement mit positiver Brechkraft ist. Hinter dem Element 1 befindet sich das Element 2 mit negativer Brechkraft und konvexer Meniskusform nach vorne. Die Gruppe 1, 2 weist insgesamt positive Brechkraft auf.
• Ein einzelnes Linsenelement 3 mit negativer Brechkraft und bikonkaver Form ist zur zweifachen Vergrößerung bereitgestellt und von der in Fig. 1 gezeigten Position, die eine x 10-Vergrößerung darstellt, zu der in Fig. 2 gezeigten Position, die eine x 5-Vergrößerung darstellt, bewegbar.
• Die hintere Linsengruppe dieser Ausführung der Erfindung weist vier Linsenelemente 4, 5, 6 bzw. 7 auf. Element 4 weist Meniskusform mit seiner konkaven Oberfläche nach vorne liegend auf.
• Das Element 5 weist Meniskusform mit seiner konvexen Oberfläche nach vorne liegend auf. Die Elemente 4 und 5 weisen jeweils positive Brechkraft auf. Das Element 6 weist negative Brechkraft und Meniskusform mit seiner konvexen Oberfläche nach vorne liegend auf und besteht, anders als die anderen Linsen in dem Teleskop, aus Zink-Selenid-Material, um das Teleskop zu achromatisieren.
• Das Linsenelement 7 weist negative Brechkraft und Meniskusform auf.
• Das Augenlinsensystem umfaßt ein mit seiner konkaven Oberfläche nach vorne liegendes Meniskuslinsenelement 8 mit positiver Brechkraft, ein mit seiner konvexen Oberfläche nach vorne liegendes Meniskuslinsenelement 9 mit positiver Brechkraft und ein ebenfalls mit seiner konvexen Oberfläche nach vorne liegendes Meniskuslinsenelement 10 mit positiver Brechkraft.
• Die Austrittspupille der Augenlinsengruppe ist bei 11 gezeigt. Bei gewöhnlichem Gebrauch würde die durch die Austrittspupille verlaufende Strahlung auf einen Detektor zum Detektieren einfallender Infrarotstrahlung auftreffen.
• In Fig. 2 wird erkannt werden, daß die Vergrößerung einfach durch Bewegen der einzelnen Linsenelementkomponente 3 aus der in Fig. 1 gezeigten Position nach vorne auf x 5-Vergrößerung reduziert worden ist. Folglich ist es bei dieser Konstruktion einer erfindungsgemäßen Teleskopkonfiguration abgesehen von ei nigen geringen Bewegungen der vorderen Linsengruppe 1, 2 oder der hinteren Linsengruppe 4, 5, 6 und 7 zu Athermalisierungszwecken ausschließlich erforderlich, die einzelne Linsenelementkomponente 3 zu bewegen. In der Praxis wird erkannt werden, daß das Teleskop zwischen den in Fig. 1 und Fig. 2 gezeigten Positionen wesentlich defokussiert ist. Folglich stellt die erfindungsgemäße Konstruktion einen vereinfachten und besonders kompakten Aufbau für ein Infrarotteleskop mit zweifacher Vergrößerung dar.
• Ein besonderes Beispiel einer Linse gemäß der unter Bezug auf die Fig. 1 gezeigten Ausführung weist numerische Daten wie folgt auf, wobei die brechenden Oberflächen von dem hinteren Teil des Teleskops zu dem vorderen Teil des Teleskops nacheinander mit R1 bis R20 bezeichnet sind und die axiale Dicke/Teilung zu der nächstfolgenden Oberfläche im aktuellen Abstand und die Maßeinheiten in Millimetern ausgedrückt sind. Beispiel 1 Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke/Teilung bei x 10 Gesamtbetrag:
• Es wird verstanden sein, daß die axialen Teilungen zwischen den Oberflächen R14/R15 und R16/R17 von der Vergrößerungseinstellung abhängen, d.h. von einer x 10-Vergrößerung in der Tabelle. Die entsprechenden axialen Teilungen bei der x 5-Vergrößerung betragen zwischen den Oberflächen R14/R15 ungefähr 40,99 mm und zwischen den Oberflächen R16/R17 ungefähr 16,48 mm. Folglich weist die Einzelelement-Linsenkomponente 3 eine axiale Bewegungsreichweite zwischen der x 10-Einstellung und der x 5-Einstellung von ungefähr 32,48 mm auf.
• Wie vorher festgestellt, weist das obige Beispiel Linsenelemente auf, die mit Ausnahme des achromatisierenden Elements 6, das aus Zink-Selenid hergestellt ist, alle aus Germanium hergestellt sind, obwohl, wenn gewünscht, anderes geeignetes dispersives Material, beispielsweise Chalcogenid-Glas, das mit BS1 bezeichnet wird (hergestellt durch Barr & Stroud Limited), verwendet werden könnte. Die Räume zwischen den körperlichen Linsenelementen bestehen aus Luft und die Brennweiten der Linsenelemente sind wie folgt: Element Brennweite (in Millimetern)
• Die aus den Elementen 8, 9 und 10 bestehende "Augen"-Linse E weist eine Brennweite von 15,69 auf. Die aus den Elementen 4, 5, 6 und 7 bestehende feste hintere Gruppe mit positiver Brechkraft weist eine Brennweite von 24,81 auf. Die vordere Gruppe mit positiver Brechkraft besteht aus den Elementen 1 und 2 und weist eine Brennweite von 145,15 auf.
• Die brechenden Oberflächen R1 bis R20 in obigem Beispiel weisen alle eine sphärische Krümmung auf und die Linse ist derart konstruiert, daß sie in einem 8 bis 12 um-Wellenband arbeitet.
• Von besonderer Bedeutung ist, daß das Teleskop gemäß obigem Beispiel eine gesamte Länge von vorne bis hinten, einschließlich des Abstands zu der Austrittspupille 11, von nur etwa 192 mm aufweist. Von Fachleuten wird gewürdigt sein, daß dies, selbst verglichen mit herkömmlichen Teleskopen mit zweifacher Vergrößerung, die im sichtbaren Bereich des Spektrums arbeiten, eine beträchtliche Kompaktheit der Konstruktion darstellt.
• Ein weiteres Beispiel gemäß der in den Fig. 3 und 4 gezeigten Ausführung ist von im wesentlichen gleicher Konstruktion wie das in den Fig. 1 und 2 gezeigte Beispiel-, mit der Ausnahme, daß diese zweite Ausführung dazu konstruiert ist, eine zweifache Vergrößerung zwischen x 10 und 3,5 bereitzustellen, und auch daß das achromatisierende Linsenelement aus Zink-Selenid in diesem besonderen Beispiel das mit 4, eher als das gemäß der ersten Ausführung mit 6, bezifferte Linsenelement ist. Den bei der ersten Ausführung verwendeten Bezugsziffern entsprechende Bezugsziffern sind bei der zweiten Ausführung des Beispiels verwendet.
• Die zweite Ausführung der Erfindung weist die folgenden numerischen Daten auf: Beispiel 2 Oberfläche Krümmungsradius Axiale Dicke/Teilung Gesamtbetrag:
• Die axialen Teilungen zwischen den Oberflächen R14/R15 und R16/R17 sind für die x 10-Vergrößerungseinstellung gegeben. Die entsprechenden axialen Teilungen für die x 3,5-Vergrößerungseinstellung betragen zwischen den Oberflächen R14/R15 ungefähr 48,49 mm und zwischen den Oberflächen R16/R17 ungefähr 13,63 mm. Folglich weist die Einzelelement-Linsenkomponente 3 in diesem Beispiel eine axiale Bewegungsreichweite zwischen den beiden Vergrößerungseinstellungen von ungefähr 40,89 mm auf. Die Brennweiten der jeweiligen individuellen Linsenelemente in dem zweiten Beispiel sind wie folgt Element Brennweite
• Die Brennweite der aus den Elementen 8, 9 und 10 bestehenden "Augen"-Linse E beträgt 20,56. Die Brennweite der aus den Elementen 4, 5, 6 und 7 bestehenden hinteren Gruppe beträgt 35,90. Die Brennweite der aus den Elementen 1 und 2 bestehenden vorderen Gruppe beträgt 136,41.

Claims (9)

1. Ein Infrarot-Transmissionsteleskop weist eine vordere Linsengruppe (1, 2) mit positiver Brechkraft, eine hintere Linsengruppe (4, 5, 6, 7) mit positiver Brechkraft, eine Augenlinsengruppe (8, 9, 10) und eine bewegbare Linseneinrichtung zwischen der vorderen Linsengruppe und der hinteren Linsengruppe zum Verändern der Vergrößerung des Teleskops auf, dadurch gekennzeichnet, daß das Teleskop ein Teleskop mit zweifacher Vergrößerung ist, daß die bewegbare Linseneinrichtung ein einzelnes bewegbares Linsenelement (3) umfaßt, das negative Brechkraft aufweist und entlang der optischen Achse des Teleskops von einer ersten Position, an der das Teleskop einen ersten festen Vergrößerungswert aufweist, zu einer zweiten Position, an der das Teleskop einen zweiten festen Vergrößerungswert aufweist, axial bewegbar ist, und daß das Teleskop an Zwischenpositionen zwischen den ersten und zweiten Positionen des bewegbaren Linsenelements (3) weitgehend defokussiert ist.

2. Teleskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die vordere Linsengruppe ein erstes Linsenelement (1) mit positiver Brechkraft und ein zweites Linsenelement (2) mit negativer Brechkraft umfaßt.

3. Teleskop nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Linsengruppe (4, 5, 6, 7) ein achromatisierendes Linsenelement umfaßt.

4. Teleskop nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die hintere Linsengruppe vier Linsenelemente (4, 5, 6, 7) umfaßt.

5. Teleskop nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Augenlinsengruppe positive Brechkraft aufweist und drei Linsenelemente (8, 9, 10) umfaßt.

6. Teleskop nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das bewegbare Linsenelement (3) zum Korrigieren von durch die vordere Linsengruppe (1, 2) verursachter Aberration ausgebildet ist.

7. Teleskop nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es in dem 8 bis 12 um-Wellenband betreibbar ist und daß zumindest die Mehrheit seiner Linsenelemente aus Germanium-Material besteht.

8. Teleskop nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der Aufbau der Linsen des Teleskops eine gesamte Länge von weniger als 220 mm aufweist.

9. Teleskop nach einem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Position des bewegbaren Linsenelements (3) bzgl. eines Elements oder Elementen einer oder sowohl der vorderen Linsengruppe (1, 2) als auch der hinteren Linsengruppe (4, 5, 6, 7) zu Athermalisierungszwecken um einen im Vergleich zu der Bewegung der Vergrößerungsveränderung kleinen Wert variierbar ist.