SE429381B - Termiskt afokalt infrateleskop av galilean-konstruktion - Google Patents

Description

tillsatsanordning.

Uppfinningen avser ett termiskt afokalt infrarödteleskop av Galilean-konstruk- tion vilket känneteoknas därav att den positiva linsen är gjord av kisel, att den negativa linsen är gjord av germanium och att förhållandet mellan kisellinsens brännvidd och germaniumlinsens brännvidd ligger i området 2-3.

Förhållandet mellan brännvidderna kan vara huvudsakligen lika med det inversa förhållandet mellan spridningarna för kisel och germanium.

Ett sådant afokalt teleskop kan sättas på den termiska avbildningsanordningen för att åstadkomma förstoring med ett givet förhållande eller, då det är omkastat, att åstadkomma den inversa förstoringen för samma förhållande.

Utföringsformer av uppfinningen kommer nu att beskrivas såsom exempel med hän- visning till ritningarna, där fig 1 visar ett avfokalt infrarödteleskop med en för- storing av X2,24, fig 2 visar teleskopet enligt fig 1 omkastat för att ge en försto- ring av X1/2,24, fig 5 visar beräknade funktionskurvor för teleskopet enligt fig 1, fig 4 visar beräknade funktionskurvor för teleskopet med det omkastade läget enligt fig 2, fig 5 visar ett annat afokalt infrarödteleskop med en förstoring av X2 nor- malt och X1/2, då det är omkastat, och fig 6 visar beräknade funktionskurvor för teleskopet enligt fig 5 i X2-läget.

I fig 1 visas ett reversibelt afokalt infrarödteleskop avsett att användas inom våglängdsområdet 3 till 5 mikron i läget för förstoringen X2,24. Teleskopet är visat i samverkan med en termisk avbildningsanordning 8 som utnyttjar en avsökande pyra- midspegeltrumma 3 som är anordnad att rotera omkring en axel 4 som är vinkelrät mot ritníngens plan och som skär teleskopets axel 5. I planet som innehåller axlarna 4 och 5 ligger de plana pyramidala fasettytorna 6 på trumman i 450 mot axeln 5 då de genom trummans rotation föres genom detta plan. Således kommer infrarödstrâlning som är parallell med axeln 5 att reflekteras upp från ritningens plan in i infraröd- objektivet 7 som har en öppning på 28 mm och som leder ett sådant parallellt strål- knippe till en brännfläck på en ej visad rad av infraröddetektorer, varvid radens längdriktning är parallell med axeln 5. Den termiska avbildningsanordningens 8 funk- tion när det gäller att analysera infrarödbilden och rekonstruera en synlig bild, som svarar mot densamma, är konventionell och kommer inte att närmare beskrivas bortsett från konstaterandet av det faktum att en sådan parallellstrâlavsökning är önskvärd då den ger lätta tillverkningstoleranser vad gäller de relativa avstånden mellan teleskop,trumma och objektiv. ' Teleskopet omfattar en positiv konkav-konvex lins 1 av monokristallint kisel av N-typ med en resistivitet som är större än 10 ohmcm och en negativ lins 2 av mono- krístallínt germanium av N-typ med en resistivitet som är större än 5 ohmcm. Båda _ linsernas ytor har ett enkelt skikt av antireflexionsbeläggning för att minimera reflektion vid 4,8 mikron. De båda linsernas dimensioner är givna i följande ta- 3 ?2fißF:f-4 bell, varvid inga asfäriska ytor användes.

Lins Yta Radie mm. Tjocklek el. Material Frivinkel- avstånd mm. öppning mm. 1 H1 152.3 15-5 Kisel 105-0 konvex R2 243.8 konkav Gap 49-7 Luft 2 RB 641.3 4.5 Germanium 38.5 konvex R4 118.5 konkav Öppning 30.3 28.0 "Stop" Vid användning är förstoringen X2.24 given genom förhållandet mellan de båda linsernas brännvidder för ett afokalt teleskop. Det parallella ingångsstrålknippet har en diameter av 62.8 mm medan utgångsstrålknippet är 28 mm i diameter och bestämt av infrarödobjektivets 7 diameter.

Den maximala upplösningsbara spatialfrekvensen vid raden av detektorer är 10 perioder/mm som är bestämt genom detektoravstånden på 0,050 mm mellan närliggande detektorer. I fig 3 är modulationsöverföringsfunktionen (Modulation Transfer Func- tion, M.T.F.) för teleskopet visad såsom funktion av den spatiella frekvensen i cyk- ler per mm för tre bildfältsvinklar både i den saggitala riktningen (s), som är vi- sad med streckade linjer i alla kurvor, och den tangentiella riktningen (T), som är visad genom heldragna linjer, i diagrammet (a). Det visade MTF-värdet är en viktad summa av fem monokromatiska M.T.F.-värden enligt följande: Xåëlängd Viktfaktor. 3.60 mikron 0.15 4.10 " 0.40 4.50 " 0.70 4.74 " 1.00 4.95 " 0.70 Detta simulerar en EOOOK svart målkropp vid 2000 meter med antagande att de- tektorerna "spärrar" vid 4,8 mikron. Dessa M.T.F.-värden förutsätter att objektiv- linsen, som användes för att alstra bilden på detektorerna, inte inför någon väsent- lig försämring av funktionen.

Den maximala bildfältsvinkeln i objektrummet är_iÉ.O°. Den motsvarande rörel- sen av en fasettyta i pyramidtrumman är_:11.2° och förhållandet mellan dessa två vinklar är 2.24, teleskopets förstoring.

Den kromatiska restaberrationen är en bråkdel av en våglängd. Den sfäriska restaberrationen minskar då gapet mellan linselementen ökar. Vid det i denna utfö- ringsform valda gapet är restaberrationerna så små att systemet är brytningsbegrän- sat med 0,95 M.T.F. vid tio perioder per mm. Primär koma och astigmatism korrigeras genom att välja linsernas form, men koma av högre ordningstal förhindrar perfekt korrektion så att vid 5° från axeln n.r.r.-värdet är 0,90 (s) och 0,72 (T). En viss förbättring kan erhållas genom refokusering och genom att acceptera en liten funktionsförsämring på axeln, såsom är visat i fig 3 (d). Fig 5 (b),(c) och (d) vi- sar variationen i M.T.F.-värdet vid två fläckfrekvenser, 4 perioder per mm och 10 perioder per mm, som funktion av fokus.

I fig 2 är teleskopet visat omkastat i förhållande till den termiska avbild- ningsanordningen 8. Förstoringen är nu X1/2.24 medan ingångsstrålknippsdiametern är .reducerad till 12,5 mm och den maximala objektrumbildfältsvinkeln är ökad till 1250. Med en sådan reducerad strålknippsdiameter blir de axiella aberrationerna försumbara och högre ordningens koma reduceras till ett lågt värde. Den ökade bild- fältsvinkeln och ändringen i öppnings-fstopp"-läget inför en signifikant nivå på primär astigmatism och vid 250 från axeln vid optimal fokus är M.T.F. vid 10 peri- oder per mm 0,90 (s) och 0,75 (T). Fig 4 ger samma information som fíg 3 men för förstaringen X1/2,24. Bilafältsvinkiarna 1 fig 4 (a) är 17,5° och 25°. s och T såsom i föregående exempel. Fig 4 (b) (c) och (d) visar samma information som mot- svarande figurer i fig 3, varvid de båda fläckfrekvenserna är 5 perioder per mm och 10 perioder per mm. I detta omkastade läge eller X1/2,24-läget inför teleskopet en nivå av 12% av "pincushion“-distorsion.

Fig 5 visar ett andra reversibelt afokalt infrarödteleskop som också är avsett för användning tillsammans med en termisk avbildningsanordning, varvid den avsökande spegeln 9 bara är visad schematiskt. Materialet, beläggningarna, våglängdsområdet och M.T.F.-beräkningarna är desamma som vid teleskopet enligt fig 1 och 2. De båda linsernas dimensioner i detta teleskop är givna i följande tabell. ~:| '33 CI) flïï Zfï 3) fi I *år Lins Yta Radie mm Tjocklek eller Material Frivinkel- avstånd mm- ögpning mm. 1 R1 130.546 101.6 konvex 10.50 kisel f 0.10 R2 255.882 konkav 98-4 44.19 :_O.50 luft 2 R3 501.540 konvex 5.00 43.6 :Q.1O germanium R4 118.713 41.4 konkav Öppning "stop" 30.51 luft Ytterligare detaljer vad gäller dimensioner och uppförande är givna i följande uppställning.

Vinkelförstoring Ingångsöppningsdiameter Totalt bíldfält Våglängdsområde Vignettering Bildfëltskrökning Distorsion ("Pincushion") na 1 öppning "stop" Yta 4 Öppning "Stop" Lins 1 0/S Diameter Líns 2 O/S Diameter X2 och Xå 64.0 mm 1o° _ 5 till 5/um Noll Noll 1.s% 90.0 mm 30.3 mm 105.0 mm 46.0 mm' Fig 6 visar MTF-värdet som funktion av spatialfrekvensen för samma bildfälts- vinklar och förhållanden som fig 3 (a). Ritningen visar den stora likheten i dessa förstoringar för vilka teleskopet kan utföras och fortfarande bibehålla användbar funktion.

Bildplanets krökning för avlägsna objekt sätter en gräns för området av för- storingar för vilka konstruktionen kan användas. Denna krökning som är given genom Petzval-summan P kan i detta fall uttryckas som följer: 1 1 (1) f1n1 f2n2 där f1 är kísellinsens brännvidd, n1 är brytningsindex för kisel = 5,4, fz ' na är brytningsindex för germaníum = 4.0. är germaniumlinsens brännvidd, Teleskopets förstoring är given genom: f (2) _ 1 m,__ .fz om mengeätter in ekvation (2) i ekvation (1) erhålles 1 1 m ) P = _ (__ _ __ f1 n1 ng (3)i 1 = -~ m f1 (o.2911 --¿) således är lmölmingen o för (o.924 _31) = O' då de båda linserna* bild' e fältskrökningar tar ut varandra. Den förstöring som skulle erhållas är 1,175 vilket knappast är användbart. Följande tabell ger värden på P som funktion av m beräknade ur ekvation (3), varvid f1 antages vara normaliserad till ett.

M 1.5 2.0 2.24 2.5 5.0 3.5 P -0.075 -0.2 -0.266 -0.325 -0.45 -0.575 Över en förstoring på 3.0 blir inte bara bildplanskrökningen stor utan den ne- gativa germaniumlinsen blir kraftigt krökt och svår att tillverka. Detta skulle kun- na korrigeras genom att öka avståndet mellan linserna men detta ger ett längre och besvärligare teleskop. Under m = X2 kan det mycket väl vara prakttiskt att använda ett ej reversibelt teleskop med exempelvis m = X3 som tas bort då vidvinkelobserve- ring önskas.

Det är ett kännetecken för konstruktionen att de båda linsernas kromatiska aberrationer är i hög grad utbalanserade genom det faktum att förhållandet mellan

Claims (2)

1. n 7 ?aonsag-1 kisels och germaniums spridningar är lika med 2,4. Detta förhållande ligger inom det förstoringsområde, d.v.s. området för förhållandena mellan brännvidderna , som be- traktas såsom praktiskt. Således är linsernas styrka grovt sett det inversa förhål~ landet mellan deras spridningsfaktorer. Ett annat kännetecken för konstruktionen är att den större linsen är gjord av kisel. Detta material kostar för närvarande bara 40% av priset för germanium och således finns det dyra materialet bara i den mindre av de båda linserna, vilket så- ledes reducerar teleskopets pris. Enligt fig 1 kan reverseringen utföras genom att låta teleskopet svänga omkring en axel som är vinkelrät mot och skär axeln 5 och som passerar mellan de båda lin- serna. Mellanförstoringen,X1, erhålles därvid genom att vrida teleskopet omkring denna axel 9o° från det i fig 1 visade läget. Lämpiiga hal är därvid anoranaae i linshållaren för att göra det möjligt att erhålla den direkta, X1, vyn genom.att låta inkommande infraröd strålning passera mellan linserna. Patentkrav. 1. Termiskt afokalt infrarödteleskop av Galilean-konstruktion, k ä n n e t e c k - n a t av att den positiva linsen är av kisel, att den negativa linsen är av germanium och att förhållandet mellan kisellinsens brännvidd och germaniumlinsens brännvidd ligger i omrâdet från 2 till 3.

2. Teleskop enligt patentkravet 1, k ä n n e t e c k n a t av att förhållandet mellan brännvidderna är i huvudsak lika med det inversa förhållandet mellan kisels och germaniums spridningar. 5. Teleskop enligt patentkravet 1 eller 2, k ä n n e t e c k n a t av att det är reverserbart fäst vid en termisk infraröd betraktningsanordning.