CH657924A5

CH657924A5 - Okular.

Info

Publication number: CH657924A5
Application number: CH2738/81A
Authority: CH
Inventors: Iain Alexander Neil
Original assignee: Barr & Stroud Ltd
Priority date: 1980-04-26
Filing date: 1981-04-27
Publication date: 1986-09-30
Also published as: DE3112689A1; NL186880C; BE888169A; IT8167484A0; NL8101329A; IN154154B; SE8102186L; NO157155B; NO157155C; SE451038B; NL186880B; IT1143536B; US4398786A; FR2481470A1; FR2481470B1; NO811400L

Description

Die Erfindung befasst sich mit einem Okular mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Die Einführung von Hochleistungs-Infrarotbeobachtungs-systemen, welche unter der Abkürzung FLIR bekannt sind, hat einen Bedarf an afokalen Hochleistungsfernrohren geweckt, welche in solchen FLIR-Systemen verwendbar sind.

Um diesem Bedarf gerecht zu werden, benötigt man Hoch-leistungsokulare 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.

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

Weil das erfindungsgemässe Okular nur drei Linsen 45 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 so Linsenoberfläche liegt, was von Vorteil ist; es weist eine geringe Pupillenaberration auf und kann über das Gesichtsfeld bis nahe an die durch Beugung bestimmte Leistungsgrenze betrieben werden ; es kann deshalb mit einem geeigneten Objektiv zu einem kompakten Hochleistungsfernrohr 55 zusammengebaut werden.

Die Linse, welche der Bildfläche, in der das reelle 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 60 einer V-Zahl (auch als Abbesche Zahl bezeichnet) von 1182 bestehen. Alle diese Materialien besitzen im infraroten Wellenlängenbereich zwischen 3 um und 13 [xm eine brauchbare Durchlässigkeit. Alternativ kann die Linse, welche der Fläche, in der das reelle Bild liegt, am nächsten liegt, auch 65 aus einem der Materialien bestehen, welche die Tabelle III aufgeführt sind; auch diese Materialien sind im Wellenlängenbereich zwischen 3 |xm und 13 [im hinreichend durchlässig.

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Wenn jedoch das reelle Bild auf oder dicht vor der genannten Linse liegt, dann sollte die Homogenität des 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 Einfluss von Änderungen der Umgebungstemperatur ist. Um den Einfluss 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 Gitters 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 reellen Bild am 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 O 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 Brechkraft (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 aus den drei Linsen A, B und C mit positiver Brechkraft, welche ebenso wie die Linsen D, E und F ein System mit festem Brennpunkt bilden; demgemäss empfängt das Objektiv 21 parallele Strahlen von einer im Gegenstandsraum O liegenden Eintrittspupille und das Okular 22 sammelt die vom umgekehrten reellen Bild, welches vom Objektiv in der Ebene I entworfen wird, ausgehende Strahlung und formt daraus ein Bündel paralleler Strahlen, welche eine im Bildraum H liegende Austrittspupille 0 bilden. Die Brechkraft der Linsen A 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 sind, dass sie in der Fachsprache noch als sphärisch bezeichnet wird.

Das dargestellte Fernrohr 20 ist zur Verwendung im infraroten Wellenlängenbereich bestimmt, d.h. im Bereich etwa zwischen 8 und 13 jim; 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. aus Zinkselenid (CVD im Vakuum abgeschieden), welches einen Brechungsindex von 2,41 besitzt; die Linsen A, B, D und F bestehen aus einem Werkstoff, welcher bei einer Wellenlänge von 10 um einen Brechungsindex von mindestens 4 aufweist, z.B. aus Germanium mit einem Brechungsindex von 4,003. Die Linse E schliesslich besteht aus einem von Barr & Stroud Limited hergestellten Material mit der Bezeichnung «BS 1 » ; es handelt sich bei BS1 um ein Chalkogenid-Glas mit Arsen, Selen s und Germanium als wesentlichen Bestandteilen, dessen Brechungsindex 2,49 beträgt. Die angegebenen Brechungssin-dizes gelten stets für eine Temperatur von 20°C und für eine Wellenlänge von 10 (im. Diese Materialien können mit einer reflexmindernden Beschichtung versehen sein (und sind es io vorzugsweise auch) und lassen, sofern sie reflexmindernd beschichtet sind, 60% der im Wellenlängenbereich zwischen 8.5 und 11,5 p.m auftreffenden Strahlung durchtreten.

Das Okular 22 ist recht unempfindlich gegen Brennweitenänderungen des Objektivs 21 und gegen schädliche Schwan-15 kungen der Umgebungstemperatur, welche typisch im Bereich von —40°C bis +70°C auftreten.

Die Tabelle I enthält die genauen Daten eines bevorzugten Ausführungsbeispiels eines Fernrohrs 20 mit dem in der Zeichnung dargestellten Aufbau. Tabelle I enthält von jeder 20 brechenden Oberfläche 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 25 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 Krüm-30 mungsradius 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 bre-35 chenden 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 40 Abstand von 30,3 mm auf. Dieses Fernrohr 20 mit den in Tabelle I angegebenen Daten besitzt den Vergrösserungs-faktor X7 ; die effektive Brennweite seines Okulars 22 beträgt 45,50 mm, und die Blendenzahl am Ort der Bildebene I beträgt ungefähr 2,94.

45 Das in Tabelle I detailliert angegebene Okular 22 gehört einer Familie von Okularen an, welche im Bildraum H ein Gesichtsfeld bis ungefähr 80° (voller Blickwinkel) hinauf und einen Durchmesser der Austrittspupille von mehr als 15,5 mm aufweisen. Durch massstäbliche Veränderung des so 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 55 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 60 22, sofern seine Linsen A, B und C mit einer hochdurchlässigen 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 65 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

Linse Oberfläche Abstand Krümmungsradius Material Apertur

(mm Durchmesser)

Austrittspupille** 0 0 plan Luft 15,50

A

1

46,63

-254,02

Luft

55,54

2

8,05

-117,35

Ge

57,74

B

3

30,30

54,61

Luft

56,12

4

22,91

38,10

Ge

38,23

C

5

12,92

113,54

Luft

36,96

6

3,50

plan

ZnSe(CVD)

36,56

D

7

113,02

-42,57

Luft

48,85

8

5,09

-49,89

Ge

53,93

E

9

0,005

262,13

Luft

57,93

10

7,39

201,68

As/Se/Ge

58,11

F

11

104,36

-228,09

Luft

123,58

12

12,00

-169,06

Ge

128,56

* Werte für 20°C ** maximaler Gesichtsfeldwinkel an der Austrittspupille = 46,3°.

Tabelle //**

Quadratische Mittelwerte der Grösse (in (im) eines durch das Fernrohr auf die Bildebene I abgebildeten Punktes, bezogen auf die Pupille 0, bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes.

Quadratische Mittelwerte der scheinbaren Grösse (in Milliradiant) eines durch das Fernrohr abgebildeten Punktes im Gegenstandsraum bezogen auf die Pupille 0 bei unterschiedlicher Ausnutzung des Gesichtsfeldes

Gesichtsfeld bei monochromatischem Licht von 9,6 .um

*bei chromatischem Licht von 8,5 Jim bis 11,5 [im*

bei monochromatischem Licht von 9,6 (im bei chromatischem Licht von 8,5 (xmbis ll,5p.m*

Nur axiale Strahlen

1/2

3/4

vollständig

36,8 39,6 46,0 55,8

39.5

41.6 48,3 58,8

0,073 0,084 0,122 0,115

0,105 0,127 0,159 0,160

* Bestimmt als Mittelwert aus gleich gewichteten Messungen bei den drei Wellenlängen 8,5 um, 9,6 (am und 11,5 um ** bei 20°C

Tabelle III

Material

Brechungsindex*

V-Wert

Ge

4,003

1182

BS2"

2,856

248

BSA u

2,779

209

TI 117321

2,600

142

AMTIR3'

2,497

169

BSI»

2,492

152

TI20 21

2,492

144

ZnSe

2,407

77

KRS54)

2,370

260

KRS64'

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 (im und 20°C.

Über den Wellenlängenbereich von 8,5-11,5 um.

" Bezeichnungen von Chalkogenidgläsern, welche von Barr & Stroud Limited vertrieben werden.

21 Bezeichnungen von Chalkogenidgläsern, welche von der Fa. Texas Instruments Inc. (USA) vertrieben werden.

Bezeichnung eines Chalkogenidglases, welches von der Fa. Amorphous Metals Inc. in Garland (Texas, USA) vertrieben wird.

41 Bezeichnungen von kristallinen, infrarotdurchlässigen Halogenidwerk-stoffen, welche von der Fa. Harshaw Chemical Co. in Selon (Ohio, USA) vertrieben werden.

B

1 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. 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 aus einem Material besteht, welches innerhalb des infraroten Wellenlängenbereichs eine spektrale Nutzbandbreite aufweist, und dass die dem reellen Bild benachbarte brechende Oberfläche (6) der dem reellen Bild benachbarten Linse (C) plan ist, 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.

2

PATENTANSPRÜCHE

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

Linse

(0) benachbarten Linsen (A, B) Brechungsindizes von nicht weniger als 4,0 bei einer Wellenlänge von 10 (im und einer Temperatur von 20°C besitzen.

5. Okular nach einem der vorstehenden Ansprüche,

s dadurch gekennzeichnet, dass die dem reellen Bild benachbarte Linse (C) aus Zinkselenid besteht, während die anderen beiden Linsen (A, B) aus Germanium bestehen.

6. Okular nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der drei io 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,

15 dadurch gekennzeichnet, dass der Krümmungsradius jeder brechenden Oberfläche zusammen mit dem Öffnungsdurchmesser jeder Oberfläche und der Ausgangspupille gegeben ist, wobei die Lage derselben als Grösse verwendet wird, von welcher die Trennung der aufeinanderfolgenden brechenden Oberflächen definiert ist, zusammen mit der Eigenschaft des Materials, welches von Bedeutung für jedes solcheTren-nungsintervall in der folgenden Tabelle ist:

Oberfläche Abstand Krümmungsradius Material Apertur

(mm Durchmesser)

20

Austrittspupille

plan

Luft

15,50

erstes Linsenelement erste Oberfläche 46,63

-254,02

Luft

55,54

zweite Oberfläche 8,05

-117,35

Ge

57,74

zweites Linsenelement erste Oberfläche 30,30

54,61

Luft

56,12

zweite Oberfläche 22,91

38,10

Ge

38,23

drittes Linsenelement erste Oberfläche 12,92

113,54

Luft

36,96

zweite Oberfläche 3,50

plan

ZnSe(CVD)

36,56

wobei die numerischen Daten in mm gegeben sind, und der negative Krümmungsradius bedeutet, dass das Zentrum der Krümmung auf der Ausgangspupillenseite der Oberfläche liegt, wobei der positive Krümmungsradius bedeutet, dass das Krümmungszentrum auf der reellen Bildseite der Oberfläche liegt.

8. Okular nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Aufbau, ausgehend vom dem durch die Tabelle bestimmten Aufbau, durch einen zwischen 0,01 und 10 liegenden Massstabsfaktor abgewandelt ist.