DE3726355A1 - Bifocal optical infra-red system - Google Patents
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Abstract
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.The invention relates to a bifocal infrared optical system according to the preamble of claim 1, that is with the possibility of focal length, temperature focusing and focusing on a finite Change distance.
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.Such a system is known from the article "Design and implementation of a continuous zoom FLIR optical system ", published in SPIE, Vol. 131 Practical Infrared Optics (1978). In the introduction to this article on page 24 a bifocal infrared one System shown and described. With this bifocal System becomes the long focal length for which consequently the Field of view is smaller, by means of a germanium lens received, behind which there is an oscillating Mirror is located, which enables a scan. For Switching the system to a short focal length Achieving a wider field of vision will be between the two above three additional items Lenses swung in. For a system that only has two focal lengths requires and that of a zoom lens because of its more complicated structure and its larger size Volume should not be used, this is Proposal advantageous because not on two separate optical Systems must be used.
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.However, there is an emphatic demand for such Design systems more compact and easier. This The known system is unable to meet this requirement, since there is a significant space between those for the long Focal length required optical elements needed around the additional lens group for the short focal length to be able to insert. An extensive one is also required Mechanism for inserting or folding in the additional ones Lens group.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein System der einleitend angegebenen Gattung kompakter und einfacher als das bekannte System auszubilden.The invention has for its object a system of initially specified type more compact and simple than to train the known system.
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Anspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.According to the invention, this object is characterized by the of the specified features solved.
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.So this solution has the advantage that for the long Focal length only three lenses are needed and that only the middle lens z. B. by means of a simple motor needs to be moved to the short focal length switch and the temperature focus as well as the Focus upright for a finite distance to obtain.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Ausführungsbeispiele zeigenden Zeichnung näher erläutert.The invention is described below using the exemplary embodiments showing drawing explained in more detail.
Fig. 1a zeigt schematisch das optische System in einer ersten Stellung entsprechend einer langen Brennweite. FIG. 1a schematically illustrates the optical system in a first position corresponding to a long focal length.
Fig. 1b zeigt das optische System in einer zweiten Stellung entsprechend einer kurzen Brennweite. FIG. 1b shows the optical system in a second position corresponding to a short focal length.
Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein Ausführungsbeispiel des Systems. Fig. 2 illustrates schematically an embodiment of the system.
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.The bifocal optical system shown in FIGS . 1a and 1b comprises three lenses L 1 , L 2 , L 3 . The first lens L 1 , which is a converging lens, is arranged in a stationary manner and represents a lens whose focal point is designated by F 1 . The second lens L 2 , which is a diverging lens, is arranged movably and produces an image of the focal point F 1 lying at F 2 ; it conjugates point F 2 and focal point F 1 . The third lens L 3 , a converging lens, is fixed and conjugates the focal point F 2 and the point F , which is the focal point of the entire optical system.
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:The lens L 2 has two positions in which it conjugates the points F 1 and F 2 . In the position shown in Fig. 1a for the long focal length LF , the lens L 2 has an enlargement γ , while in the position shown in Fig. 1b for the short focal length SF it produces an enlargement 1 / γ , so that the following relationship applies :
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.The two focal lengths, ie the long focal length LF and the short focal length SF ; correspond to two end positions of a mechanical zoom lens of the type + - + (convergent, divergent, convergent), whose lens L 2 would be the zoom lens and whose lens L 3 would be the compensation lens that would have to meet the requirement that it be within the two limits of the focal length range occupies the same position. Nevertheless, it must be emphasized that a closer examination of the optical system in its function as a zoom lens shows that it is not possible to continuously scan the focal length range from SF to LF . Only a first focal length range around SF and a second around LF can be covered by simultaneously shifting L 2 and L 3 . A bifocal optical system according to the present proposal has numerous advantages. The construction in the manner of a long focal length telephoto lens significantly reduces the overall length. A simple translational displacement of the lens L 2 along the optical axis enables the focal length to be changed, the temperature focusing and the focusing to a finite distance. The displacement of L 2 can be carried out, for example, by means of an electromechanical device which is controlled by a programmable digital control device in such a way that a focal image for the two focal lengths results in the focus F , regardless of what temperature prevails and what distance the object is. Furthermore, the entrance pupil lies near the lens L 1 at the long focal length , so that a small diameter can be selected for this. With the short focal length, the entrance pupil is limited or suppressed at the front or the entrance side, which, when using the optical system, enables the use of a small entrance window for a camera, for example. In addition, a bifocal system can be easily implemented on the basis of the present proposal. For this purpose, the lens L 3 need only be displaced in addition to the lens L 2 . However, such an embodiment is not possible for any focal lengths between SF and LF , but only for values that are close to SF or LF , because - as mentioned - it is not possible to operate as a zoom lens in the entire range from SF to LF .
Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele des optischen Systems beschrieben, dessen optisches Schema in Fig. 2 wiedergegeben ist. Two exemplary embodiments of the optical system are described below, the optical scheme of which is shown in FIG. 2.
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:Bifocal system with an opening angle of 5 ° at the long focal length and an aperture angle of 30 ° at the short focal length. It is a bifocal Lens for use in a modular infrared system and with those listed in the table below Characteristics:
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.In a preferred embodiment of the three lens optical systems have two of the six surfaces these lenses have an aspherical shape, with one is conical and the other is a general aspherical Has area.
Die Konstruktionsdaten für die lange Brennweite sind mit Bezug auf die Fig. 2 die folgenden:The design data for the long focal length are as follows with reference to Figure 2:
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.where "radius" is the radius of curvature of the subject Surface, "subsequent thickness" the one to be observed Distance between that and the next one Area measured along the optical axis, as well "Diameter" the outside diameter of the surface in question designate and "radius", "subsequent thickness" and "Diameters" are given in millimeters.
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:The calculation of the meridians of the aspherical surfaces number 3 and number 6 with respect to an axis system xoy , in which o is the vertex of the surface and ox is the optical axis, takes place according to the following relationship:
hierin sind X der Ordinatenwert und Y der Abzissenwert oder die Höhe,where X is the ordinate value and Y is the abscissa value or the height,
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:the curvature of the meridian in Vertex(R= Radius of curvature),K the conicity coefficient andα i the general asphericity coefficients. Have the surfaces number 3 and number 6 then the following design data:
R = 128,347
K = -0,90065 × 10-1
α i = 0; i = 2, . . . , 5
R = 128.347
K = -0.90065 × 10 -1
α i = 0; i = 2. . . , 5th
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 R = 1324.277
K = -0.93814 x 10⁴
α ₂ = 0.47838 × 10 -6
α ₃ = -0.11655 × 10 -8
α ₄ = 0.14168 × 10 -11
a ₅ = -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, . . . , 5For the short focal length, the lens L 2 must be moved back by 55.17 mm. Second example bifocal system with a field of view angle of 6 ° in the long focal length and of 20 ° in the short focal length. It is also a bifocal lens for use in a modular infrared system but for a different application. The characteristics of this system are given in the table below: The design data for the long focal length are given below with reference to FIG. 2: where "radius" is the radius of curvature of the surface in question, "connecting thickness" the distance to be maintained between the relevant and the next surface, measured along the optical axis, and "diameter" the outer diameter of the surface in question and "radius", "connecting thickness" and "diameter" are given in millimeters. The aspherical surfaces number 3 and number 6 have the following construction data : Surface number 3 R = 126.275
K = -0.19486
α i = 0, i = 2,. . . , 5th
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 R = -2544.18
K = -0.16171 x 10⁴
α ₂ = 0.14743 × 10 -7
α ₃ = -0.10147 × 10 -9
α ₄ = -0.79649 × 10 -13
α ₅ = -0.27033 × 10 -15
Für die kurze Brennweite muß die Linse L 2 in diesem Fall um 40,96 mm zurückverfahren werden. In this case , the lens L 2 must be moved back by 40.96 mm for the short focal length .
Claims (4)
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.3. System according to claim 1 or 2, characterized in that the three lenses (L 1 , L 2 , L 3 ) are manufactured and adjusted according to the following table of values, the word "radius" the radius of curvature of the surface in question, the words " Subsequent thickness "means the distance to be maintained between the relevant surface and the subsequent surface, measured along the optical axis, and the word" diameter "mean the outer diameter of the surface concerned, and" radius "," connecting thickness "and" diameter "are given in millimeters : and surfaces 3 and number 6 are defined as follows: surface number 3 R = 128.347
K = -0.90065 × 10 -1
α i = 0; i = 2. . . , 5 surface number 6 R = 1324.277
K = -0.93814 x 10⁴
α ₂ = 0.47838 × 10 -6
α ₃ = -0.11655 × 10 -8
α ₄ = 0.14168 × 10 -11
α ₅ = -0.63864 × 10 -15 where
R the radius of curvature at the apex,
K the conicity coefficient and
α i denote the general asphericity coefficients.
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.4. System according to claim 1 or 2, characterized in that the three lenses ( L 1 , L 2 , L 3 ) are manufactured and adjusted according to the following table of values, the word "radius" the radius of curvature of the surface in question, the words " Subsequent thickness "means the distance to be maintained between the relevant surface and the subsequent surface, measured along the optical axis, and the word" diameter "mean the outer diameter of the surface concerned, and" radius "," connecting thickness "and" diameter "are given in millimeters : and surfaces 3 and number 6 are defined as follows: surface number 3 R = 126.275
K = -0.19486
α i = 0, i = 2,. . . , 5 surface number 6 R = -2544.18
K = 0.16171 x 10⁴
α ₂ = 0.14743 × 10 -7
α ₃ = -0.10147 × 10 -9
α ₄ = -0.79649 × 10 -13
α ₅ = 0.27033 × 10 -15 where
R the radius of curvature at the apex,
K the conicity coefficient and
α i denote the general asphericity coefficients.
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