CZ303895B6

CZ303895B6 - Optical system with variable magnification and telecentric travel of rays in both object and image spaces

Info

Publication number: CZ303895B6
Application number: CZ20120346A
Authority: CZ
Inventors: Miks@Antonín; Novák@Jirí; Novák@Pavel
Original assignee: Ceské vysoké ucení technické v Praze - fakulta stavební
Priority date: 2012-05-25
Filing date: 2012-05-25
Publication date: 2013-06-12
Also published as: CZ2012346A3

Abstract

The optical system with variable magnification and telecentric travel of rays in both object and image spaces of the present invention consists of two optical members lying on a common optical axis of the optical system. An aperture diaphragm (3) having its center on the optical axis at the point (K) is situated between said optical members. One optical member, any one of them, is formed by an optical system (1) with s variable (1) focal distance and constant distance (D) between its object and image foci while the other optical member is formed by an optical system (2) with a fixed focal distance. The image focus of the optical member situated in front of the aperture diaphragm (3) is identical with the point (K) and at the same time, the object focus of the optical member situated after the aperture diaphragm (3) is identical with the point (K), too.

Description

Optická soustava s proměnným zvětšením a telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoru sestává ze dvou optických členů ležících na společné optické ose optické soustavy. Mezi těmito optickými členy je umístěná apertumí clona (3), jejíž střed leží na optické ose v bodě (K). Jeden optický člen, a to kterýkoli z nich, je tvořen optickým systémem (1) s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností (D) mezi jeho předmětovým a obrazovým ohniskem a druhý optický člen je tvořen optickým systémem (2) s pevnou ohniskovou vzdáleností. Obrazové ohnisko optického členu umístěného před apertumí clonou (3) je totožné s bodem (K) a zároveň je s tímto bodem (K) totožné i předmětové ohnisko optického členu umístěného za apertumí clonou (3).An optical system with variable magnification and telecentric beam travel in both object and image space consists of two optical members lying on a common optical axis of the optical system. Between these optical elements there is an aperture diaphragm (3) whose center lies on the optical axis at point (K). One optical element, either of which, is a fixed-focus optical system (1) of variable focal length and constant distance (D) between its subject and image, and the other is a fixed-focus optical system (2). The image focus of the optical member placed before the aperture diaphragm (3) is identical to the point (K) and at the same time the subject focal point of the optical member placed after the aperture diaphragm (3) is identical to this point (K).

Optická soustava s proměnným zvětšením a telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoruOptical system with variable magnification and telecentric beam travel in subject and image space

Oblast technikyTechnical field

Vynález se týká objektivu s proměnným zvětšením a telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoru, umožňující během měření plynule měnit zvětšení optické soustavy.BACKGROUND OF THE INVENTION The present invention relates to a variable magnification lens with telecentric beam paths in both object and image spaces, allowing the optical system to vary continuously during measurement.

Dosavadní stavBackground

V současné době jsou k dispozici objektivy s telecentrickým chodem v předmětovém i obrazovém prostoru, které však mají pouze konstantní zvětšení. Pokud je potřeba použít jiné zvětšení, musí se zvolit jiný typ objektivu, což je nevýhodné a finančně nákladné.Currently, telecentric lenses are available in both subject and image space, but have only a constant magnification. If a different magnification is required, a different type of lens must be chosen, which is disadvantageous and costly.

Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION

Výše uvedené nevýhody odstraňuje optická soustava s proměnným zvětšením a telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoru podle předkládaného řešení. Podstatou nového řešení je, že optická soustava sestává ze dvou optických členů ležících na společné optické ose, mezi nimiž je umístěná apertumí clona, jejíž střed leží na optické ose optické soustavy. Jeden optický člen, a je nerozhodné, který z nich, je tvořen optickým systémem s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností mezi jeho předmětovým a obrazovým ohniskem. Druhý optický člen je pak tvořen optickým systémem s pevnou ohniskovou vzdáleností. Důležité je, že obrazové ohnisko optického členu umístěného před apertumí clonou je totožné s bodem, v němž leží střed apertumí clony a zároveň je s tímto bodem totožné i předmětové ohnisko optického členu umístěného za apertumí clonou. Optickým členem se zde rozumí libovolný počet čoček a/nebo zrcadel a/nebo difraktivních elementů. Výhodou takto uspořádané optické soustavy je, že se docílí nezkresleného zobrazení předmětu a nezávislosti přesnosti měření na rozostření obrazu a navíc lze během měření plynule měnit zvětšení optické soustavy.The above-mentioned disadvantages are overcome by an optical system with variable magnification and telecentric beam travel in both object and image space according to the present invention. The essence of the novel solution is that the optical system consists of two optical elements lying on a common optical axis, between which is located an aperture diaphragm whose center lies on the optical axis of the optical system. One optical member, and it is irrelevant which one, consists of an optical system with a variable focal length and a constant distance between its subject and image focus. The second optical member is then formed by a fixed focal length optical system. Importantly, the image focal point of the optical member positioned in front of the aperture diaphragm is identical to the point at which the center of the aperture aperture lies, and at the same time the subject focal point of the optical member located behind the aperture diaphragm is identical to this point. By optical member is meant here any number of lenses and / or mirrors and / or diffractive elements. The advantage of such an optical system is that it provides an undistorted image of the object and independence of the measurement accuracy from the image blur, and moreover, the magnification of the optical system can be varied continuously during measurement.

Přehled obrázků na výkreseOverview of the drawings

Optická soustava s proměnným zvětšením podle předkládaného řešení bude dále vysvětlena pomocí obr. 1 a obr. 2, kde jsou uvedeny dvě možné varianty uspořádání.The variable magnification optical system of the present invention will be further explained with reference to Figs. 1 and 2, where two possible variations of the arrangement are shown.

Příklady provedeni vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Optická soustava s proměnným zvětšením a telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoru podle obr. 1 se skládá ze dvou optických členů, které leží na společné optické ose. První optický člen je tvořen optickým systémem i s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem. Druhý optický člen je tvořen optickým systémem 2 s pevnou ohniskovou vzdáleností. Na optické ose je mezi prvním a druhým optickým členem umístěna apertumí clona 3, jejíž střed leží na optické ose v bodě K. Obrazové ohnisko optického systému 1. s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem se nachází ve stejném místě jako předmětové ohnisko optického systému 2 s pevnou ohniskovou vzdáleností, a to v bodě K. Vzdálenost L mezi rovinou předmětu a rovinou obrazu zůstává při změně zvětšení konstantní. Stejně tak zůstává zachována telecentricita hlavního paprsku v předmětovém a obrazovém prostoru.An optical system with variable magnification and telecentric beam travel in both the object and image space of Fig. 1 consists of two optical members that lie on a common optical axis. The first optical member is formed by an optical system 1 with a variable focal length and a constant distance D between its subject focus and the image focus. The second optical member is a fixed-focal optical system 2. An aperture diaphragm 3 is disposed on the optical axis between the first and second optical members, the center of which lies on the optical axis at point K. The focal length of the optical system 1 with variable focal length and constant distance D between its subject focus and the image focus is at the same at a point K. The distance L between the object plane and the image plane remains constant as the magnification changes. Similarly, the main beam telecentricity in the subject and image space is preserved.

- 1 CZ 303895 B6- 1 GB 303895 B6

Další variantou vynálezu je invertovaná optická soustava, kde první člen optické soustavy je tvořen optickým systémem 2 s pevnou ohniskovou vzdáleností a druhý optický člen je tvořen optickým systémem i s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem, obr. 2. Aperturní clona 3 je opět umístěna svým středem v bodě K na optické ose, kde zároveň leží obrazové ohnisko optického systému 2 s pevnou ohniskovou vzdáleností a předmětové ohnisko optického systému i s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem. Vzdálenost D mezi předmětovým a obrazovým ohniskem druhého optického členu je konstantní a vzdálenost mezi předmětovou rovinou a obrazovou rovinou je také konstantní.Another variant of the invention is an inverted optical system, wherein the first member of the optical system is a fixed-focal optical system 2 and the second optical member is a variable-focal optical system with a constant distance D between its subject focus and image focus. The aperture diaphragm 3 is again located in its center at the point K on the optical axis, where at the same time the image focal point of the fixed-focal optical system 2 lies and the subject focal point of the optical system is variable. The distance D between the subject and image focus of the second optical member is constant and the distance between the object plane and the image plane is also constant.

Změna zvětšení je v obou variantách prováděna změnou ohniskové vzdálenosti optického členu majícího proměnnou ohniskovou vzdálenost a neměnnou vzdálenost mezi jeho předmětovým a obrazovým ohniskem.In both variants, the magnification change is accomplished by changing the focal length of the optical member having a variable focal length and the fixed distance between its subject and image focal points.

Telecentrickým chodem hlavních paprsků se rozumí to, že hlavní paprsky BKB' a CKC' jsou podle obr. 1 v prostoru před prvním optickým členem a v prostoru za druhým optickým členem rovnoběžné, znak s optickou osou AKA' optické soustavy. Body A, B, C ležící v předmětové rovině a A', B', C' ležící v obrazové rovině jsou opticky sdružené body tj. body A', B', C' jsou obrazy bodů A, B, C. Body A, B, C leží v předmětové rovině, která prochází předmětovým ohniskem prvního optického systému i s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdálenosti D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem a body A', B', C' leží v obrazové rovině, která prochází obrazovým ohniskem optického systému 2 s pevnou ohniskovou vzdáleností. Paprsky vycházející z bodu A jsou po průchodu optickým systémem 1 s proměnnou ohniskovou vzdáleností a konstantní vzdáleností D mezi jeho předmětovým ohniskem a obrazovým ohniskem rovnoběžné s optickou osou optické soustavy.By telecentric operation of the main beams, it is meant that the main beams BKB 'and CKC' are parallel to the optical axis AKA 'of the optical system in the space before the first optical element and in the space after the second optical element. Points A, B, C lying in the object plane and A ', B', C 'lying in the image plane are optically associated points ie points A', B ', C' are images of points A, B, C. Points A, B, C lie in the object plane that passes through the subject focal point of the first optical system with a variable focal length and constant distance D between its subject focus and the image focus, and points A ', B', C 'lie in the image plane passing through the image focal point system 2 with fixed focal length. The rays emanating from point A are parallel to the optical axis of the optical system after passing through the variable focus optical system 1 and the constant distance D between its subject focus and the image focus.

Analogická situace vzniká i u druhé varianty, obr. 2. Je-li požadavek na změnu oblasti zvětšení optické soustavy, stačí vyměnit jen optický člen mající pevnou ohniskovou vzdálenost tj. optický systém 2 na obr. 1 nebo optický systém i na obr. 2 za optický člen s jinou hodnotou ohniskové vzdálenosti. Tuto vlastnost žádná současná optická soustava s telecentrickým chodem paprsků v předmětovém i obrazovém prostoru nemá.An analogous situation also arises in the second variant, Fig. 2. If there is a requirement to change the magnification range of the optical system, it is sufficient to replace only the optical element having a fixed focal length, ie the optical system 2 in Fig. 1 or the optical system i in Fig. a member with a different focal length value. This feature has no current optical system with telecentric beam travel in both subject and image space.

Průmyslová využitelnostIndustrial applicability

Optická soustava podle vynálezu najde uplatnění v oblasti průmyslové metrologie, neboť kromě zajištění nezkresleného zobrazení předmětu a nezávislosti přesnosti měření na rozostření obrazu umožňuje během měření plynule měnit zvětšení optické soustavy a má tedy univerzální použití jak pro měření malých, tak i větších předmětů v oblasti strojírenství, a to např. jako objektiv průmyslových mikroskopů a profil projektorů.The optical system according to the invention finds application in the field of industrial metrology, since in addition to ensuring undistorted object representation and independence of measurement accuracy on image blur, it makes it possible to continuously vary the magnification of the optical system during measurement and thus has universal use for both small and larger objects. eg as an industrial microscope lens and projector profile.

-2CZ 303895 B6-2GB 303895 B6

PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS

Claims

An optical system with variable magnification and telecentric beam travel in both object and image space, characterized in that it consists of two optical elements lying on a common optical axis of the optical system, between which an aperture diaphragm (3) is located an optical axis at point (K) and wherein one optical member, any of them, is formed by an optical system (1) of variable focal length and constant distance (D) between its subject and image focus and the other optical member is formed by an optical system (2) a fixed focal length, wherein the image focus of the optical member placed in front of the aperture diaphragm (3) is identical to point (K) and at the same time the subject focus of the optical element located behind the aperture diaphragm (3) .