DE3726355A1 - Bifokales optisches infrarotsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein bifokales optisches Infrarotsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, also mit der Möglichkeit, die Brennweite, die Temperaturfokussierung und die Fokussierung auf eine endliche Entfernung zu ändern.

Ein derartiges System ist aus dem Aufsatz "Design and implementation of a continuous zoom FLIR optical system", erschienen in SPIE, Vol. 131 Practical Infrared Optics (1978), bekannt. In der Einleitung dieses Aufsatzes ist auf Seite 24 ein bifokales, im Infraroten arbeitendes System abgebildet und beschrieben. Bei diesem bifokalen System wird die lange Brennweite, für die folglich das Gesichtsfeld kleiner ist, mittels einer Germaniumlinse erhalten, hinter der sich ein oszillierender Spiegel befindet, der eine Abtastung ermöglicht. Zur Umschaltung des Systems auf eine kurze Brennweite zur Erzielung eines breiteren Gesichtsfeldes werden zwischen die zwei vorstehend genannten Elemente drei zusätzliche Linsen eingeschwenkt. Für ein System, das nur zwei Brennweiten erfordert und bei dem von einem Zoomobjektiv wegen dessen komplizierteren Aufbaus und seines größeren Volumens kein Gebrauch gemacht werden soll, ist dieser Vorschlag vorteilhaft, da nicht auf zwei getrennte optische Systeme zurückgegriffen werden muß.

Indessen besteht die nachdrückliche Forderung, solche Systeme kompakter und einfacher auszubilden. Dieser Forderung vermag das bekannte System nicht zu genügen, da es einen erheblichen Raum zwischen den für die lange Brennweite erforderlichen optischen Elemente benötigt, um die zusätzliche Linsengruppe für die kurze Brennweite einfügen zu können. Auch bedarf es einer umfangreichen Mechanik zur Einfügung oder zum Einklappen der zusätzlichen Linsengruppe.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der einleitend angegebenen Gattung kompakter und einfacher als das bekannte System auszubilden.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Diese Lösung hat also den Vorteil, daß für die lange Brennweite nur drei Linsen benötigt werden und daß nur die mittlere Linse z. B. mittels eines einfachen Motors verschoben zu werden braucht, um auf die kurze Brennweite umzuschalten und die Temperaturfokussierung sowie die Scharfstellung auf eine endliche Entfernung aufrecht zu erhalten.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1a zeigt schematisch das optische System in einer ersten Stellung entsprechend einer langen Brennweite.

Fig. 1b zeigt das optische System in einer zweiten Stellung entsprechend einer kurzen Brennweite.

Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Systems.

Das in den Fig. 1a und 1b dargestellte, bifokale, optische System umfaßt drei Linsen L 1, L 2, L 3. Die erste Linse L 1, die eine Sammellinse ist, ist feststehend angeordnet und stellt ein Objektiv dar, dessen Brennpunkt mit F 1 bezeichnet ist. Die zweite Linse L 2, die eine Zerstreuungslinse ist, ist beweglich angeordnet und erzeugt ein bei F 2 liegendes Bild des Brennpunktes F 1; sie konjugiert den Punkt F 2 und den Brennpunkt F 1. Die dritte Linse L 3, eine Sammellinse, ist feststehend angeordnet und konjugiert den Brennpunkt F 2 und den Punkt F, der der Brennpunkt des gesamten optischen Systems ist.

Die Linse L 2 hat zwei Stellungen, in denen sie die Punkte F 1 und F 2 konjugiert. In der in Fig. 1a dargestellten Stellung für die lange Brennweite LF hat die Linse L 2 eine Vergrößerung γ, während sie in der in Fig. 1b gezeichnete Stellung für die kurze Brennweite SF eine Vergrößerung 1/γ erzeugt, so daß die folgende Beziehung gilt:

Die zwei Brennweiten, also die lange Brennweite LF und die kurze Brennweite SF; entsprechen zwei Endstellungen eines mechanischen Zoomobjektivs des Typs +-+ (konvergent, divergent, konvergent), dessen Linse L 2 die Variolinse wäre und dessen Linse L 3 die Kompensationslinse wäre, die der Forderung zu genügen hätte, daß sie in den beiden Grenzwerten des Brennweitenbereiches die gleiche Stellung einnimmt. Nichtsdestoweniger muß unterstrichen werden, daß eine genauere Untersuchung des optischen Systems in seiner Funktion als Zoomobjektiv ergibt, daß es nicht möglich ist, den Brennweitenbereich von SF bis LF kontinuierlich zu überstreichen. Nur ein erster Brennweitenbereich um SF herum und ein zweiter um LF herum können durch gleichzeitige Verschiebung von L 2 und L 3 überstrichen werden. Ein bifokales optisches System nach dem vorliegenden Vorschlag hat zahlreiche Vorteile. Der Aufbau nach Art eines langbrennweitigen Teleobjektivs vermindert die Baulänge erheblich. Eine einfache translatorische Verschiebung der Linse L 2 längs der optischen Achse ermöglicht die Änderung der Brennweite, die Temperaturfokussierung und die Fokussierung auf eine endliche Entfernung. Die Verschiebung von L 2 kann beispielsweise mittels einer elektromechanischen Vorrichtung erfolgen, die von einer programmierbaren digitalen Steuervorrichtung so gesteuert wird, daß sich im Brennpunkt F ein scharfes Bild für die zwei Brennweiten ergibt, unabhängig davon, welche Temperatur herrscht und welche Entfernung das Objekt hat. Des weiteren liegt die Eintrittspupille bei der langen Brennweite nahe der Linse L 1, so daß für diese ein kleiner Durchmesser gewählt werden kann. Bei der kurzen Brennweite wird die Eintrittspupille vorderseitig oder eintrittsseitig maximal begrenzt oder unterdrückt, was bei Verwendung des optischen Systems beispielsweise für eine Kamera die Benutzung eines kleinen Eintrittsfensters ermöglicht. Außerdem läßt sich auf der Grundlage des vorliegenden Vorschlages leicht ein bifokales System verwirklichen. Hierzu braucht nur zusätzlich zu der Linse L 2 die Linse L 3 verschoben zu werden. Eine solche Ausführungsform ist jedoch nicht für beliebige Brennweiten zwischen SF und LF möglich, sondern nur für Werte, die nahe bei SF oder bei LF liegen, weil - wie gesagt - eine Funktionsweise als Zoomobjektiv im gesamten Bereich von SF bis LF nicht realisierbar ist.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele des optischen Systems beschrieben, dessen optisches Schema in Fig. 2 wiedergegeben ist.

Erstes Beispiel

Bifokales System mit einem Öffnungswinkel von 5° bei der langen Brennweite und einem Öffnungswinkel von 30° bei der kurzen Brennweite. Es handelt sich um ein bifokales Objektiv zur Verwendung in einem modularen Infrarotsystem und mit den in der nachfolgenden Tabelle aufgelisteten Eigenschaften:

Bei einer bevorzugten Ausführungsform des drei Linsen umfassenden optischen Systems haben zwei der sechs Oberflächen dieser Linsen eine asphärische Form, wobei die eine konisch ist und die andere eine allgemeine asphärische Fläche hat.

Die Konstruktionsdaten für die lange Brennweite sind mit Bezug auf die Fig. 2 die folgenden:

worin "Radius" den Krümmungsradius der betreffenden Oberfläche, "Anschließende Dicke" den einzuhaltenden Abstand zwischen der betreffenden und der nächstfolgenden Fläche, gemessen längs der optischen Achse, sowie "Durchmessser" den Außendurchmesser der betreffenden Fläche bezeichnen und "Radius", "Anschließende Dicke" und "Durchmesser" in Millimetern angegeben sind.

Die Berechnung der Meridiane der asphärischen Flächen Nummer 3 und Nummer 6 in bezug auf ein Achsensystem xoy, bei dem o der Scheitelpunkt der Fläche und ox die optische Achse ist, geschieht nach folgender Beziehung:

hierin sind X der Ordinatenwert und Y der Abzissenwert oder die Höhe,

die Krümmung des Meridians im Scheitelpunkt (R= Krümmungsradius), K der Konizitätskoeffizient und α _i die allgemeinen Asphärizitätskoeffizienten. Die Oberflächen Nummer 3 und Nummer 6 haben dann die folgenden Konstruktionsdaten:

Oberfläche Nummer 3

R = 128,347
K = -0,90065 × 10^-1
α _i = 0; i = 2, . . . , 5

Oberfläche Nummer 6

R = 1324,277
K = -0,93814 × 10⁴
α₂ =  0,47838 × 10^-6
α₃ = -0,11655 × 10^-8
α₄ =   0,14168 × 10^-11
a₅ = -0,63864 × 10^-15

Für die kurze Brennweite muß die Linse L 2 um 55,17 mm zurückverfahren werden. Zweites Beispiel Bifokales System mit einem Gesichtsfeldwinkel von 6° in der langen Brennweite und von 20° in der kurzen Brennweite. Es handelt sich ebenfalls um ein bifokales Objektiv zur Verwendung in einem modularen Infrarotsystem jedoch für eine andere Anwendung. Die Eigenschaften dieses Systems sind in der nachfolgenden Tabelle angegeben: Die Konstruktionsdaten für die lange Brennweite sind mit Bezug auf die Fig. 2 nachfolgend angegeben: worin "Radius" den Krümmungsradius der betreffenden Oberfläche, "Anschließende Dicke" den einzuhaltenden Abstand zwischen der betreffenden und der nächstfolgenden Fläche, gemessen längs der optischen Achse, sowie "Durchmessser" den Außendurchmesser der betreffenden Fläche bezeichnen und "Radius", "Anschließende Dicke" und "Durchmesser" in Millimetern angegeben sind. Die asphärischen Oberflächen Nummer 3 und Nummer 6 haben folgende Konstruktionsdaten: Oberfläche Nummer 3 R = 126,275
K = -0,19486
α _i = 0, i = 2, . . . , 5

Oberfläche Nummer 6

R = -2544,18
K = -0,16171 × 10⁴
α₂ =   0,14743 × 10^-7
α₃ = -0,10147 × 10^-9
α₄ = -0,79649 × 10^-13
α₅ = -0,27033 × 10^-15

Für die kurze Brennweite muß die Linse L 2 in diesem Fall um 40,96 mm zurückverfahren werden.

Claims (4)

1. Bifokales optisches Infrarotsystem mit veränderbarer Brennweite, veränderbarer Temperaturfokussierung und veränderbarer Entfernungsfokussierung, dadurch gekennzeichnet, daß es aus drei Linsen (L 1, L 2, L 3) besteht, von denen nur eine einzige (L 2) zur Brennweitenänderung und zur Temperatur- und Entfernungsfokussierung axial verschiebbar angeordnet ist.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei (3, 6) der sechs Oberflächen der drei Linsen (L 1, L 2, L 3) asphärische Flächen sind, von denen eine konisch, die zweite eine allgemeine asphärische Fläche ist.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Linsen (L 1, L 2, L 3) gemäß der nachfolgenden Wertetabelle gefertigt und justiert sind, wobei das Wort "Radius" den Krümmungsradius der betreffenden Fläche, die Worte "Anschließende Dicke" den einzuhaltenden Abstand zwischen der betreffenden und der nachfolgenden Fläche, gemessen längs der optischen Achse, und das Wort "Durchmesser" den Außendurchmesser der betreffenden Fläche bedeuten, sowie "Radius", "Anschließende Dicke" und "Durchmesser" in Millimetern angegeben sind: und die Oberflächen 3 und Nummer 6 wie folgt definiert sind: Oberfläche Nummer 3 R = 128,347
K = -0,90065 × 10^-1
α _i = 0; i = 2, . . . , 5 Oberfläche Nummer 6 R = 1324,277
K = -0,93814 × 10⁴
α₂ =   0,47838 × 10^-6
α₃ = -0,11655 × 10^-8
α₄ =   0,14168 × 10^-11
α₅ = -0,63864 × 10^-15worin
R den Krümmungsradius im Scheitelpunkt,
K den Konizitätskoeffizienten und
α _i die allgemeinen Asphärizitätskoeffizienten bezeichnen.

4. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Linsen (L 1, L 2, L 3) gemäß der nachfolgenden Wertetabelle gefertigt und justiert sind, wobei das Wort "Radius" den Krümmungsradius der betreffenden Fläche, die Worte "Anschließende Dicke" den einzuhaltenden Abstand zwischen der betreffenden und der nachfolgenden Fläche, gemessen längs der optischen Achse, und das Wort "Durchmesser" den Außendurchmesser der betreffenden Fläche bedeuten, sowie "Radius", "Anschließende Dicke" und "Durchmesser" in Millimetern angegeben sind: und die Oberflächen 3 und Nummer 6 wie folgt definiert sind: Oberfläche Nummer 3 R = 126,275
K = -0,19486
α _i = 0, i = 2, . . . , 5 Oberfläche Nummer 6 R = -2544,18
K =   0,16171 × 10⁴
α₂ =   0,14743 × 10^-7
α₃ = -0,10147 × 10^-9
α₄ = -0,79649 × 10^-13
α₅ =   0,27033 × 10^-15worin
R den Krümmungsradius im Scheitelpunkt,
K den Konizitätskoeffizienten und
α _i die allgemeinen Asphärizitätskoeffizienten bezeichnen.