OPTICAL SYSTEM FOR A NIGHT VISION APPARATUS WITH AN IMAGE INTENSIFIER OR IMAGE CONVERTER

Abstract: 1. Optical system for a low-light-level device with image intensifier or image converter for observation of objects at short and long ranges, consisting of a high speed objective and a magnifying lens, characterized by following data to the objective : radii r1 = 30.370 r2 = 76.204 r3 = 12.805 r4 = 9.539 r5 = -10.730 r6 = 28.698 r7 = -15.815 r8 = 40.125 r9 = 51.604 r10 = 24.440 r11 = 37.218 thicknesses and separations d1 = 2.5 d2 = 0.1 d3 = 4.4 d4 = 51. +4.7 d5 = 2.7 d6 = 5.7 d7 = 0.1 d8 = 4.5 d9 = 0.1 d10 = 6.3 d11 = 13.214 types of glass LaF 21 SF 11 SF 6 LaF 21 LaF 21 LaF 21 objective fd = 22.122 1:1.4 following data of the image intensifier or image converter : r12 = r13 = 40.008 image intensiver or image converter and following data of the magnifying lens : radii r14 = -40.435 r15 = 22.270 r16 = -28.050 r17 = 51.788 r18 = -18.812 r19 = -85.698 r20 = 18.812 r21 = 15.461 r22 = 437.200 r23 = -37.767 thicknesses and separations d13 = 9.334 d14 = 2 d15 = 8.1 d16 = 0.2 d17 = 8.3 d18 = 2.5 d19 = 0.7 d20 = 5.1 d21 = 3.6 d22 = 2.5 d23 = 12.5 types of glass SFN 64 LaKN 9 LaKN 9 SFN 64 LaF 21 magnifying lens ; fe = 21.985 s'23 = -1000 PHI AP = 9 position of the exit pupil d23 = 12.5 position of the natural stop z23 = 11.0.

Description: Optisches System für Nachtsichtgerät mit Bildverstärker oder Bildwandler Die Erfindung bezieht sich auf das optische System für ein Nachtsichtgerät mit Bildverstärker oder Bildwandler zur Beobachtung naher und ferner Gegenstände, welches aus einem lichtstarken Objektiv und einer Lupe besteht. Bei Nachtsichtgeräten bildet das Objektiv den Gegenstand, welcher durch die schwache Strahlung des nächtlichen Himmels oder durch eine andere Lichtquelle beleuchtet ist, auf die Kathode der elektronischen Röhre (Bildverstärker oder Bildwandler) ab. Diese liefert auf der Anode ein verstärktes, visuell sichtbares Bild, welches mit einer Lupe betrachtet wird. Die Vergrösserung des optischen Systems ist durch das Verhältnis der Objektiv- und der Lupenbrennweite bestimmt. Für bestimmte Anwendungen, wie z.B. für Nachtsichtbrillen, ist es erwünscht, beide Brennweiten gleich zu halten und keine vergrössernde Wirkung der Optik zu erzeugen. Die beschriebene Funktion des optischen Systems ist auf den ersten Blick der einer Fernrohroptik gleich. In bezug auf den AbbildungsvoF- gang bestehen aber grundsätzliche Unterschiede, welche eine direkte Anwendung einer Fernrohroptik bekannter Art für das Nachtsichtgerät verunmöglichen. Beim Fernrohr bildet das Objektiv den Gegenstand in die Brennebene des Okulars ab. Dieses Zwischenbild entsteht somit in einer dem Objektiv und dem Okular gemeinsamen Abbildungsebene. Es ist ein sogenanntes Luftbild und wird nicht auf einem Schirm aufgefangen. Aus diesem Grund muss das'Zwischenbild nicht frei von Abbildungsfehlern sein. Die Abbildungsaberrationen der Teilsysteme, d.h. des Objektivs und des Okulars können sich gegenseitig vermindern oder sogar aufheben, wenn sie entgegengesetzte Vorzeichen haben. Erst das Gesamtsystem gibt ein korrigiertes oder aberrationsfreies Bild. Dadurch ergeben sich für das Berechnen vom Objektiv und Okular wesentliche Erleichterungen, was dann zu Konstruktionen führt, welche einfacher sind als in Fällen, wo jedes Teilsystem einzeln auskorrigiert sein muss. Bei Geräten mit elektronischer Röhre ist nun eine gegenseitige Kompensation der meisten Abbildvngsfehler nicht möglich, weil das vom Objektiv entworfene Bild auf der Kathodenfläche der Röhre in voller Schärfe entstehen muss, woraufhin es elektronisch auf die Anodenfläche übertragen wird. Das Bild auf der Anodenfläche wird dann mit einer Lupe betrachtet. Im Unterschied zu einem Kernrohr, haben hier das Objektiv und die Lupe keine gemeinsame Abbildunge- ebene. Es lassen sich, bei der hier beschriebenen Anordnung, nur zwei Bildfehler von Teilsystemen kompensieren. Das sind die Verzeichnung und die Bildfeldwölbung, wobei die Korrektur des zweiten Fehlers eine bestimmte Flächenform der elektronischen Röhre bedingt. Die Verzeichnung verursacht keine Bildunschärfe, sie ändert lediglich den Abbildungsmassstab innerhalb des Bildfeldes. Es ist bekannt, dass Okulare und Lupen beim Betrachten eines Objekts starke kissenförmige Verzeichnung aufweisen, welche nur mit viel Aufwand korrigierbar ist. Bei einem optischen System, welches als ganzes keine oder nur eine kleine Vergrösserung aufweist, sind die Bildfeldwinkel des Objektivs und der Lupe etwa gleich. Bei einem Weitwinkelobjektiv kann man mit geeigneten Massnahmen eine relativ grosse Verzeichnung erreichen. Für ein Nachtsichtgerät wäre es vor teilhaft, ein solches Objektiv zu berechnen, welches eine tonnenförmige Verzeichnung hat und somit die Verzeichnung der Lupe vermindert oder weitgehend kompensiert. Ist der Astigmatismus eines abbildenden Systems behoben, so ist das Bildfeld im allgemeinen nicht geebnet sondern gekrümmt. Die Bildfeldwölbung ist bei einem Okular oder einer Lupe schwieriger zu korrigieren als bei einem Weitwinkelobjektiv. Aus der Sicht der Optikkonstruktion ist es wesentlich vorteilhafter, die Anodenfläche zu krümmen als die Kathodenfläche. (In der Schweizer Patentschrift 433 803 ist aus der Abbildung zu ersehen, dass dort das Gegenteil verwirklicht wurde.) Korrigiert man bei der Lupe den Astigmatismus und passt die Bildfeldwölbung an die Krümmung der Anodenfläche an, dann bildet die Lupe diese Fläche anastigmatisch und geebnet ab. Aus der Theorie und Praxis der konstruktiven Optik ist bekannt, dass bei Lupen und Okularen die sphärische Aberration sehr schwer korrigierbar ist, besonders noch, wenn diese Systeme eine grosse Austrittspupille zu erfüllen haben. Die vorhandene sphärische Aberration bewirkt die Unschärfe schon in der Bildmitte, welche sich noch verstärkt in das Bildfeld überträgt. Bei Fernrohrokularen wird dieser Fehler kaum korrigiert, er wird durch eine entsprechende Ueberkorrektur des Objektivs kompensiert. Wegen der oben beschriebenen Eigenschaften der Fernrohroptik bekannter Art sind diese optischen Systeme für Nachtsichtgeräte nicht anwendbar. Es sind optische Systeme bekannt, welche den gegebenen Bedingungen besser entsprechen. Ein solches Objektiv ist z.B. in der Schweizer Patentschrift 521 597 beschrieben. Es hat aber folgende Mängel: Es ist aufwendig gebaut (9 Linsen in 8 Gliedern) und die Bildfläche ist konvex. In der Schweizer Patentschrift 441 806 ist eine Lupe für Nachtsichtgeräte beschrieben, welche aber einen typischen Okular aufbau hat. Wegen der Korrektur der sphärischen Aberration hat die Aussenfläche der Augenlinse einen kleinen konkaven Radius und als Feldlinse dient ein doppelt gekittetes System, somit hat die Lupe insgesamt 7 Linsen. Eine solche Konstruktion ist in der Herstellung teuer. Weitere Lupen für Nachtsichtgeräte sind in der Schweizer Patentschrift 550 411 und in den DE-OS 26 57 026, 27 OB 691 beschrieben. Diese Beispiele weisen einen Aufbau auf, welcher grundsätzlich für eine Lupe geeigneter ist als das erstgenannte System. So wird z.B. die sphärische Aberration an der Stelle korrigiert, wo sie am stärksten beeinflussbar ist, also am Ort, wo das Oeffnungsbündel den grössten Durchmesser hat. Hier wird im augenseitigen Teil der Lupe ein als Fernrohrobjektiv bekanntes entkittetes Dublett eingesetzt, mit welchem man die sphärische Aberration der Lupe auskorrigieren kann. Ein wesentlicher Nachteil aller drei bekannten Lupen ist aber darin zu sehen, dass weder der Astigmatismus noch die Bildfeldwölbung behoben sind. Ein mit solcher Lupe betrachtetes Bild des Gegenstandes erscheint zwar auf dem Anodenschirm scharf in der Bildmitte, aber das ausseraxiale Bildfeld ist durch eine Unschärfe gekennzeichnet. Auch bezüglich Koma erreichen die genannten Systeme keine befriedigende Korrektur. Die natürliche Lage der Blende, welche im Bereich der Fehler dritter Ordnung eine komafreie Abbildung gewährleistet, ist von der Lage der tatsächlichen Austrittspupille ziemlich weit entfernt. Auch die Baulänge der bekannten Lupen ist beträchtlich, ihr Wert übersteigt bei den erwähnten Beispielen das 2-fache der Brennweite. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für ein Nachtsichtgerät mit einem Bildverstärker oder Bildwandler zur Beobachtung naher und ferner Gegenstände zu berechnen, welches aus einem lichtstarken Objektiv und einer Lupe besteht und bei welchem die aufgezählten Mängel der bekannten Systeme vermindert oder ganz beseitigt sind. Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der vorliegenden Erfindung durch die Konstruktionsdaten der nachfolgend angegebenen Tabelle: EMI6.1 <tb> <SEP> Radien <SEP> Dicken <SEP> und <SEP> Glasarten <tb> <SEP> Abstände <tb> <SEP> r1 <SEP> = <SEP> 30.370 <tb> <SEP> d1 <SEP> = <SEP> 2.5 <SEP> Laf <SEP> 21 <tb> <SEP> r2 <SEP> = <SEP> 76.204 <tb> <SEP> d2 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> <SEP> r3 <SEP> = <SEP> 12.805 <tb> <SEP> d3 <SEP> = <SEP> 4.4 <SEP> SF <SEP> 11 <tb> <SEP> r4 <SEP> = <SEP> 9.539 <tb> <SEP> d4 <SEP> = <SEP> 5.1 <SEP> + <SEP> 4.7 <SEP> Objektiv <tb> <SEP> r5 <SEP> = <SEP> - <SEP> 10.730 <tb> <SEP> d5 <SEP> = <SEP> 2.7 <SEP> SF <SEP> 6 <SEP> fd <SEP> = <SEP> 22.122 <tb> <SEP> r6 <SEP> = <SEP> 28.698 <SEP> 1 <SEP> : <SEP> 1.4 <tb> <SEP> d6 <SEP> = <SEP> 5.7 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> <SEP> r7 <SEP> = <SEP> - <SEP> 15.815 <SEP> Bilddurchmesser <SEP> 18 <tb> <SEP> d7 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> <SEP> r8 <SEP> = <SEP> 40.125 <SEP> auf <SEP> r <SEP> 12 <tb> <SEP> d8 <SEP> = <SEP> 4.5 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> <SEP> r9 <SEP> = <SEP> - <SEP> 51.604 <tb> <SEP> d9 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> <SEP> r10 <SEP> = <SEP> 24.440 <tb> <SEP> d10 <SEP> = <SEP> 6.3 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> <SEP> d11 <SEP> = <SEP> 13.214 <tb> <SEP> r12 <SEP> = <SEP> # <SEP> Bildverstärker <tb> <SEP> oder <tb> <SEP> r13 <SEP> = <SEP> 40.008 <SEP> Bildwandler <tb> d13 = 9.334 r14 = - 40.435 13 EMI7.1 <tb> Radien <SEP> Dicken <SEP> und <SEP> Glasarten <tb> <SEP> Abstände <tb> <SEP> d13 <SEP> = <SEP> 9.334 <tb> r14 <SEP> = <SEP> - <SEP> 40.435 <tb> <SEP> d14 <SEP> = <SEP> 2 <SEP> SFN <SEP> 64 <tb> r15 <SEP> = <SEP> 22.270 <tb> <SEP> d15 <SEP> = <SEP> 8.1 <SEP> LaKN <SEP> 9 <tb> r16 <SEP> = <SEP> - <SEP> 28.050 <tb> r17 <SEP> = <SEP> 51.788 <SEP> d16 <SEP> <SEP> = <SEP> 0.2 <SEP> Lupe <tb> r18 <SEP> = <SEP> - <SEP> 18.812 <SEP> 17 <SEP> 1 <SEP> s2 <SEP> <SEP> =- <SEP> 1000 <SEP> <tb> r19 <SEP> = <SEP> - <SEP> 85.698 <SEP> <SEP> d18 <SEP> =. <SEP> 2.5 <SEP> SFN <SEP> 64 <SEP> <tb> <SEP> d19 <SEP> = <SEP> 0.7 <SEP> AP <SEP> = <tb> r20 <SEP> = <SEP> 18.812 <SEP> Bilddurchmesser <SEP> 18 <tb> <SEP> d20 <SEP> = <SEP> 5.1 <SEP> SFN <SEP> 64 <SEP> auf <SEP> r13 <tb> r21 <SEP> = <SEP> 15.461 <tb> <SEP> d2 <SEP> = <SEP> 3.6 <SEP> Lage <SEP> der <SEP> Austritts <tb> r22 <SEP> = <SEP> 437.200 <SEP> 21 <SEP> 1 <SEP> pupille <SEP> d23 <SEP> = <SEP> 12,5 <tb> r23 <SEP> = <SEP> - <SEP> 37.767 <SEP> d22 <SEP> = <SEP> 2.5 <SEP> LaF <SEP> 21 <SEP> Lage <SEP> der <SEP> natürlichen <tb> <SEP> d23 <SEP> = <SEP> 12.5 <SEP> Blende <SEP> z23 <SEP> = <SEP> 11.0 <tb> Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand der Zeichnung beschrieben. Das optische System für ein Nachtsichtgerät besteht, vom Gegenstand her betrachtet, aus einem Objektiv I und einer Lupe III. Eine elektronische Röhre II befindet sich zwischen den beiden Teilsystemen. Die Lage der Austrittspupille ist mit AP bezeichnet. In der Tabelle sind die Radien der Linsenflächen bzw. der elektronischen Röhre mit rl bis r23 und die Dicken und Abstände mit dl bis d23 bezeichnet. Das erfindungsgemässe Objektiv ist sphärisch, komatisch und chromatisch korrigiert, das ausseraxiale Bildfeld ist anastigmatisch und geebnet. Die Verzeichnung ist tonnenförmig und beträgt -11,2 S beim Bildwinkel von 24,60. Die erfindungsgemässe Lupe ist sphärisch, komatisch und chromatisch korrigiert, das ausseraxiale Bildfeld ist anastigmatisch und weist eine zur Lupe konkave Bildkrümmung mit dem Radius r13 = 40,ob8 mm auf. Die Verzeichnung beim Bildwinkel von 24.60 ist kissenförmig und beträgt 10,8 ", wenn man die Anodenfläche vom Ort der Austrittspupille betrachtet. Die Baulänge der Lupe ist 33 mm, bzw. das 1,5-fache der Lupenbrennweite.

Claims: Patentansprüche 1. Optisches System für ein Nachtsichtgerät mit Bildverstärker oder Bildwandler zur Beobachtung naher und ferner Gegenstände, welches aus einem lichtstarken Objektiv und einer Lupe besteht, gekenn zeichnet durch folgende Konstruktionsdaten des Objektivs: EMI9.1 <tb> Radien <SEP> Dicken <SEP> und <SEP> Glasarten <tb> <SEP> Abstände <tb> rl <SEP> = <SEP> 30.370 <tb> <SEP> d1 <SEP> = <SEP> 2.5 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> r2 <SEP> = <SEP> 76.204 <SEP> <tb> <SEP> d2 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> r3 <SEP> = <SEP> 12.805 <tb> <SEP> d3 <SEP> = <SEP> 4.4 <SEP> SF11 <tb> r4 <SEP> = <SEP> 9.539 <tb> <SEP> d <SEP> - <SEP> 5.1 <SEP> + <SEP> 4.7 <tb> r5 <SEP> = <SEP> - <SEP> 10.730 <SEP> Objektiv <tb> <SEP> d5 <SEP> = <SEP> 2.7 <SEP> SF <SEP> 6 <SEP> fd <SEP> = <SEP> 22.122 <tb> r6 <SEP> = <SEP> 28.698 <tb> <SEP> d <SEP> = <SEP> 5.7 <SEP> LaF <SEP> 21 <SEP> 1:1.4 <tb> r7 <SEP> = <SEP> -15.815 <SEP> 6 <SEP> <tb> <SEP> d7 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> r8 <SEP> = <SEP> 40.125 <SEP> 7 <tb> <SEP> d8 <SEP> = <SEP> 4.5 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> r9 <SEP> = <SEP> -51.604 <SEP> 8 <SEP> <tb> <SEP> d0 <SEP> = <SEP> 0.1 <tb> r10 <SEP> = <SEP> 24.440 <SEP> <tb> <SEP> d10 <SEP> = <SEP> 6.3 <SEP> LaF <SEP> 21 <tb> r11 <SEP> = <SEP> 37.218 <tb> <SEP> d11 <SEP> = <SEP> 13.214 <tb> 2. Optisches System für ein Nachtsichtgerät mit Bildverstärker oder Bildwandler zur Beobachtung naher und ferner Gegenstände, welches aus einem lichtstarken Objektiv und einer Lupe besteht, gekenn zeichnet durch folgende Konstruktionsdaten der Lupe: EMI10.1 <tb> <SEP> Radien <SEP> Dicken <SEP> und <SEP> Glasarten <tb> <SEP> Abstände <tb> <SEP> d13 <SEP> = <SEP> 9.334 <tb> <SEP> r14 <SEP> = <SEP> -40.435 <tb> <SEP> d14 <SEP> = <SEP> 2 <SEP> SFN <SEP> 64 <tb> r16 <SEP> = <SEP> -28.050 <SEP> d15 <SEP> = <SEP> 8.1 <SEP> LaKN <SEP> 9 <SEP> Lupe <tb> <SEP> d16 <SEP> = <SEP> 0.2 <SEP> fe <SEP> = <SEP> 21.985 <tb> <SEP> r17 <SEP> = <SEP> 51.788 <tb> <SEP> d17 <SEP> = <SEP> = <SEP> 8.3 <SEP> LaKN <SEP> 9 <SEP> 2'3 <SEP> = <SEP> -1000 <tb> <SEP> r18 <SEP> = <SEP> -18.812 <tb> <SEP> r19 <SEP> = <SEP> -85.698 <SEP> <RTI ID=10.3> d18 <SEP> = <SEP> 2.5 <SEP> SFN <SEP> 64 <SEP> AP <SEP> = <SEP> 9 <SEP> <tb> <SEP> d19 <SEP> = <SEP> 0.7 <SEP> Lage <SEP> der <SEP> Austritts <SEP> r20 <SEP> = <SEP> 18.812 @ <SEP> pupille <SEP> d <SEP> - <SEP> 12.5 <SEP> <tb> <SEP> d <SEP> = <SEP> 5.1 <SEP> SFN <SEP> 64 <SEP> @ <SEP> <tb> <SEP> r21 <SEP> = <SEP> 15.461 <SEP> Lage <SEP> der <SEP> natürlichen <tb> <SEP> d21 <SEP> = <SEP> 3.6 <SEP> Blende <SEP> z23 <SEP> = <SEP> 11.0 <tb> <SEP> r22 <SEP> = <SEP> 437.200 <SEP> 21 <SEP> <tb> <SEP> d22 <SEP> = <SEP> 2.5 <SEP> Laf <SEP> 21 <tb> <SEP> r23 <SEP> = <SEP> -37.767 <tb> <SEP> d23 <SEP> = <SEP> 12.5 <tb>

Inventors: CANZEK, LUDVIK
Applicants: KERN & CO. AG WERKE FUR PRAZISIONSMECHANIK OPTIK UND ELEKTRONIK
Application year: 1980
Main classification: G02B23
IPC codes: G02B23, G02B13, G02B25