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Teleskop zur gleichzeitigen Beobachtung zweier überlagerter Bilder
des gleichen Gegenstandes mit verschiedenen Vergrößerungen Die Erfindung bezieht
sich auf ein Teleskop zur gleichzeitigen Beobachtung zweier überlagerter Bilder
des gleichen Gegenstandes mit verschiedenen Vergrößerungen, welches im wesentlichen
aus zwei Objektiven unterschiedlicher Brennweite besteht, die die überlagerten Bilder
auf eine gemeinsame Brennebene abbilden, und bei dem das Objektiv mit der längeren
Brennweite ein zentriertes Spiegelsystem mit einem konkaven Hauptspiegel und einem
vor und gegenüber dem Hauptspiegel angeordneten Fangspiegel ist, während das Objektiv
mit kürzerer Brerinweite ein Linsenobjektiv ist, das in der optischen Achse des
Spiegelsystems liegt.
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Bei einem bekannten Teleskop dieser Bauart, das zur Erzeugung von
Sternbildern in einem automatischen Navigationssystem dient, ist der Fangspiegel
des Cassegrainschen Spiegelsystems durch Halbverspiegelung der Rückfläche einer
doppelkonvexen Linse gebildet, die gleichzeitig das Objektiv mit der kürzeren Brennweite
darsellt. Durch diese Halbverspiegelung ergibt sich nicht nur für das aus dem
Ob-
jektiv mit kürzerer Brennweite ausgehende Bündel ein Lichtverlust von
50 %, auch das aus dem Spiegelobjektiv tretende Bündel erfährt den gleichen Verlust
zusätzlich zu dem bei zentrierten Spiegelsystemen unvermeidbaren Lichtverlust wegen
der zentralen Abschattung eines Teiles des Hohlspiegels durch den Fangspiegel.
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Die Erfindung beabsichtigt die Schaffung eines Teleskops der eingangs
erwähnten Bauart, bei dem diese zusätzlichen Lichtverluste vermieden sind. Die Teleskope
gemäß der Erfindung eignen sich dadurch beispielsweise besonders für die Beobachtung
gesteuerter Raketen auf ihrem Flug gegen ein Ziel.
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Es sind auch bereits Speziellausführungen von Teleskopen für diesen
Zweck bekanntgeworden, die zwei Linsenobjektive verschiedener Brennweite enthalten,
deren Bilder ebenfalls mittels eines halbtransparenten Planspiegels einander überlagert
werden. Selbstverständlich ruft auch dieser Spiegel die unerwünschten Lichtverluste
hervor.
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Das Teleskopsystem gemäß der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
daß das Spiegelsystem in bekannter Weise ein brechendes Korrektionselement enthält,
das vor dem Fangspiegel angeordnet ist, daß das an sich bekannte Linsenobjektiv
zusammengesetzt ist aus einem ein Zwischenbild erzeugenden ersten Objektiv kurzer
Brennweite, das ebenfalls vor dem Fangspiegel angeordnet ist, und einer mindestens
ein zweites Objektiv aufweisenden Vorrichtung zur Abbildung des Zwischenbildes auf
die gemeinsame Brennebene, und daß der Strahlengang des Linsenobjektivs durch eine
zentrale öffnung im Fangspiegel des Spiegelsystems durchtritt.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform enthält das Linsensystem zusätzlich
zum ersten und zweiten Objektiv ein drittes Objektiv, wobei das zweite und dritte
Objektiv eine Vergrößerung gleich Eins haben und Feldlinsen zwischen jedem Objektivpaar
angeordnet sind. Das zweite und dritte Objektiv können einen erheblichen Abstand
zwischen der Bildebene des ersten Objektivs und der gemeinsamen Bildebene des Teleskops
überbrücken, so daß das erste Objektiv des Linsensystems vorzugsweise nahe dem Korrektionselement
des Spiegelsystems angeordnet sein kann. Die drei Objektive des Linsensystems liefern
ohne zusätzliche Hilfsmittel ein umgekehrtes Bild in der Bildebene des Teleskops,
so daß die überlagerten Bilder verschiedener Vergrößerung gleiche Lage haben.
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Das Korrektionselement des Spiegelsystems ist zweckmäßig eine Meniskuslinse,
deren Konvexseite gegen den Hauptspiegel gerichtet ist und die eine zentrale Öffnung
für den Durchtritt der Lichtstrahlen für das Linsensystem aufweist.
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Obwohl sich die Erfindung darin nicht erschöpft, soll sie im folgenden
insbesondere in Anwendung auf ein Ultrarotteleskop beschrieben werden, in welchem
ein Ultrarotbildwandler angeordnet ist, dessen Fotokathode in der gemeinsamen Bildebene
von Spiegelsystem
und Linsensystem liegt. Ultrarotteleskope dienen
bekanntlich der Beobachtung von Geggenständen, die selbst Quellen ultraroter Strahlung
sind oder aber durch geeignete Ultrarot-Scheinwerfer angestrahlt werden.
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Bei einem solchen Ultrarotteleskop kann es vorteilhaft sein, bei einem
Brennweitenverhältiiis zwischen dem Spiegelsystem und dem Linsensystem von mindestens
vier, die relative Apertur des Spiegelsystems mindestens doppelt so groß wie diejenige
des Linsensystems zu wählen. Dadurch wird eine günstige Anpassung der beiden Systeme
an ihre jeweilige Aufgabe erzielt, nämlich für das Linsensystern vorwiegend die
Beobachtung von Gegenständen in ge# ringer Entfernung, für das Spiegelsystem die
Beobachtung nur in größerer Entfernung. Die Helligkeit von durch eine Strahlungsquelle
angestrahlten Gegenständen nimmt bekanntlich stark mit zunehmender Entfernung ab.
Das langabrennweitige Spiegelobjektiv erlaubt es dank seiner großen Apertur, auch
in größerer Entfernung ein ausreichend helles Bild zu erzielen. Andererseits schützt
die kleinere relative Apertur des Linsensystems die Fotokathode vor einer zu intensiven
Bestrahlung von Gegenständen her, die sich in der Nähe des Beobachters befinden.
Ein zusätzlicher Vorteil ergibt sich daraus, daß das Linsensystem, das den größeren
Teil des Entfernungsbereiches bestreichen muß, eine größere Tiefenschärfe als das
Spiegelobjektiv besitzt.
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Weitere Einzelheiten der Erflndung ergeben sich aus der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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F i g. 1 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch das Ultrarotteleskop;
F i g. 2 und 3 sind Diagramme von durch das Teleskop beobachteten
Bildern; F i g. 4 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des
Teleskops.
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In F i g. 1 ist das längerbrennweitige System als Spiegelsystem
dargestellt. Dieses Spiegelsystem besteht aus dem konkaven sphärischen ersten Spiegel
1,
der Korrekturmeniskuslinse 2, die in einem Abstand vom Spiegel
1 angeordnet ist, und aus dem ebenen zweiten Spiegel 3, der die vom
Spiegel 1 zur Brennebene gesandten Strahlen reflektiert. Alle diese Elemente
sind auf der optischen Achse zentriert. Das Objektivsystem mit der kürzeren Brennweite
ist koaxial mit dem Spiegelsystein angeordnet. Beide Systeme haben die gleiche Brennebene.
Das kürzerbrennweitige Linsensystem besteht aus dem ersten Objektiv 4, dem sich
mehrere weitere Linsen 5, 6, 7
und 8 anschließen, davon stellen
5 und 7 Feldlinsen dar, und 6 und 8 sind symmetrische
Objektive, die zu einer Vergrößerung gleich Eins verwendet werden. Die Feldlinsen
5 und 7 sind in oder an der Nähe der Bildebenen der Objektive 4 bzw.
6 angeordnet. Op-
tisch gesehen ist das gesamte Linsensystem einem
einzigen Objektiv mit gleicher Brennweite und dem gleichen 0 Gesichtsfeld
des Objektivs 4 äquivalent, falls sich dieses im Abstand der Brennweite von der
Brennebene des Spiegelsystems befinden würde. Das Linsensystem 4 bis 8 ist
in dem lichtdichten Tubus 9
untergebracht, der sich durch die zentralen öffnungen
in der Meniskuslinse 2 und dem oberen Spiegel 3
erstreckt. Da der zentrale
Teil des in das Spiegelobektiv eintretenden Lichtbündels wie bei allen zentrierten
Spiegelsystemen von dem Spiegel 3 abgeschnitten wird und daher nicht an der
Erzeugung des Bildes mitwirkt, wird kein erheblicher Lichtverlust durch das Linsensystem
4 bis 8 bewirkt.
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Das durch das Linsensystem 4 bis 8 auf der Fotokathode der
Bildwandlerröhre 10 erzeugte Bild entspricht einem relativ großen Feldwinkelx
von beispielsweise 50'. Der Feldwinkel fl, der von dem durch das Spiegelsystem
auf die gleiche Fotokathode geworfenen Bild eingeschlossen wird, ist jedoch wesentlich
kleiner und kann beispielsweise 10" betragen. Da beide Bilder im wesentlichen
das gleiche Gebiet ausfüllen, beträgt das Vergrößerungsverhältnis im genannten Fall
1: 5. Es muß darauf hingewiesen werden, daß auch wesentlich höhere Vergrößerungsverhältnisse
einwandfrei erreicht werden können, da die optischen Daten des Spiegelsystems und
des Objektivs 4 praktisch unabhängig voneinander ausgewählt werden können, wobei
eine geeignete Linsenfolge ähnlich der in F i g. 1 gezeigten angewendet werden
kann, um den Raum zwischen der Brennebene des Objektivs 4 und der Fotokathode des
Bildwandlers 10 zu überbrücken. An Stelle der gezeigten Linsen
5, 6 und 7 kann auch zwischen dem ersten Objektiv 4 und dem letzten
Objektiv 8 der Linsenreihe ein kompaktes Bündel lichtleitender Fasern eingefügt
werden, um das Bild über die erforderliche Länge zu übertragen. Um ein hohes Vergrößerungsverhältnis
zu erzielen, ist jedoch die Verwendung einer Linsenanordnung 5 bis
8 oder einer äquivalenten Linsen-Faserbündelkombination unerläßlich, da andernfalls
das Objektiv 4 infolge seiner kurzen Brennweite weit hinter der Linse 2 angeordnet
werden müßte, wobei die letztere einen ganz erheblichen Teil des Blickfeldes des
Objektivs 4 abdecken würde.
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Die Verwendung von nur zwei Objektivlinsen zusammen mit einer Feldlinse
oder einem Faserbündel im Linsensystein hängt von der Bedingung ab, daß im Strahlengang
eine geeignete Vorrichtung zur Bildumkehr, wie beispielsweise ein Prismensatz, vorgesehen
ist, um sicherzustellen, daß beide Bilder auf der Fotokathode die gleiche Lage haben.
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Die relative Apertur des Spiegelsystems wird zweckmäßigerweise beträchtlich
größer als die des Linsensystems 4 bis 8 gewählt, um die mit weiterer Enfernung
abnehmende Helligkeit des Gegenstandes zu kompensieren. Diese Wahl ist beachtlich,
da ein solches Aperturenverhältnis bedeutet, daß der Durchmesser des großen Spiegelobjektivs
so ausgewählt werden soll, daß die größere Brennweite dieses Ob-
jektivs überkompensiert
wird. Bei dem gezeigten bevorzugten Ausführungsbeispiel betragen die relativen Aperturen
beispielsweise 1/1 für das Spiegelobjektiv und 1/4 für das Linsensystem.
Bei einem Brennweitenverhältnis von 5: 1 bedeutet dies, daß der Blendendurchmesser
des Objektivs 1 bis 3 mindestens 20mal größer als der des Objektivs
4 sein soll.
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Das gesamte System ist in dem zylindrischen Gehäuse 11 untergebracht,
das an seiner Vorderseite mittels eines Einlaßfensters 12, beispielsweise in der
Form eines Ultrarotfilters, abgeschlossen ist. In der hinteren Stirnwandung ist
eine bekannte Lupe 13 zur Beobachtung des Anodenschirms des Bildwandlers
in der erwünschten Vergrößerung vorgesehen. Bei gewissen Anwendungen wählt man die
Lupe 13 so, daß die gesamte Winkelvergrößerung für das Weitwinkelbild gleich
der Einheit ist.
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Selbstverständlich sieht der Beobachter durch die Lupe 13 die
beiden überlagerten Bilder, die beide
auf den auf der verlängerten
optischen Achse des Teleskops liegenden Gegenstandspunkt zentriert sind. Das Teleskop
wird zweckmäßigerweise mit einer geeigneten Meßmarkierung, beispielsweise zwei gekreuzten
Drähten, versehen, die optisch auf die Fotokathode des Bildverstärkers abgebildet
werden und die die genaue Einstellung des Teleskops auf ein Ziel vereinfachen.
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Falls bei Betrieb ein Gegenstand geführt wird, der sich von einem
Ort in geringer Entfernung in dei Nähe des Beobachters gegen ein Ziel bewegt, so
sieht man die schematisch in den F i g. 2 und 3 gezeigten Bilder nacheinander.
In diesen beiden Figuren sind ein Ziel 14 und ein bewegter Gegenstand
15, der Weg 16 des Gegenstandes und die beiden gekreuzten Drähte
17 dargestellt.
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Im Diagramm von F i g. 4 wird die in den F i g. 2 und
3 gezeigte Lage verdeutlicht. Der Beobachter hat das Teleskop auf ein Ziel
14 gerichtet und befindet sich am Punkt 0. Die beiden Winkel oc und
ß be-
zeichnen die Winkelbereiche der beiden Objektive. Der Weg des Gegenstandes
15 ist in F i g. 4 gleichfalls mit 16 bezeichnet. Am Anfang
zur Zeit t, (F i g. 2) ist der Gegenstand nur im Weitwinkelfeld des Objektivsystems
mit der kürzeren Brennweite sichtbar. Zur Zeit t. tritt er jedoch in den -Winkelbereich
ß des großen Objektivs ein und kann durch letzteres Objektiv mit stärkerer Vergrößerung
zur Zeit t" (F i g. 3) beobachtet werden. Demgemäß kann der Gegenstand während
des letzten Teils seines Fluges mit hoher Genauigkeit geführt werden, ohne daß dabei
ein Umschalten oder eine ähnliche Betätigung seitens des Beobachters erforderlich
ist.
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Es muß darauf hingewiesen werden, daß das gezeigte Teleskop bedeutende
Vorteile bringt. Da das Linsensystem 4 bis 8 koaxial mit dem Spiegelobjektiv
1 bis 9 angeordnet ist, wird jeglicher Parallaxenfehler zwischen den
beiden Bildern vermieden. Diese koaxiale Lage bedingt keinen Lichtverlust für das
Spiegelobjektiv, da das Linsensystem völlig innerhalb des zentralen, durch den zweiten
Spiegel bedingten Schattens angeordnet ist. Das Weitwinkelfeld der Linse 4 wird
gleicherweise auch nicht durch das Spiegelsystem behindert. Weiterhin läßt sich
auch die Verwendung halbdurchlässiger Spiegel oder ähnlicher Vorrichtungen zur überlagerung
der beiden Bilder vermeiden, die einen Helligkeitsverlust bedingen.
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Ein Spiegelsystem läßt sich besonders gut da verwenden, wo sowohl
lange Brennweite als auch hohe Lichtausbeute benötigt werden, wie dies für das längerbrennweitige
Objektiv des erfindungsgemäßen Teleskops der Fall ist.