DE10029311A1

DE10029311A1 - Optik zur Bewegungsunschärfekorrektion

Info

Publication number: DE10029311A1
Application number: DE10029311A
Authority: DE
Inventors: Takaaki Yano
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1999-06-14
Filing date: 2000-06-14
Publication date: 2000-12-21
Anticipated expiration: 2020-06-15
Also published as: DE10029311B4; JP2000352664A; US6249380B1

Abstract

Eine Optik zur Bewegungsunschärfekorrektion enthält eine von einer hinteren Linsengruppe (12) gebildete Korrektionslinsengruppe, die sich um einen Bewegungswert, der von der Größe der auf die Optik einwirkenden Störbewegung abhängt, senkrecht zur optischen Achse bewegt. Die Optik erfüllt folgende Bedingungen: DOLLAR A 0,04 < A/f0 < 0,2 (1) DOLLAR A 0,35 < B/f0 < 0,5 (2) DOLLAR A TL/f0 > 1,1 (3) DOLLAR A worin A den Abstand der Korrektionslinsengruppe (12) von dem objektseitig der Korrektionslinsengruppe (12) angeordneten optischen Element, DOLLAR A B den Abstand der Korrektionslinsengruppe (12) von dem okularseitig der Korrektionslinsengruppe (12) angeordneten Element, DOLLAR A f0 die Gesamtbrennweite des Objektsystems (I) und DOLLAR A TL den Abstand der objektseitigen Fläche des am weitesten objektseitig angeordneten Linsenelementes des Objektsystems (I) von dessen Bildebene angibt.

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Korrektion der Bewegungsunschärfe bestimmte Optik für ein Beobachtungsinstrument, das über eine Funktion zur Korrektion der durch eine Bewegungsunschärfe verursachten Bildverschlechterung verfügt.

Eine für ein optisches Beobachtungsinstrument, z. B. ein Doppelfernrohr, ein Fern rohr oder dergleichen bestimmte Optik zur Korrektion einer durch Bewegung ver ursachten Bildunschärfe ist in der Japanischen Patentveröffentlichung Hei-10- 186228 beschrieben. Die dort beschriebene Optik enthält ein Objektivsystem, das von der Objektseite her betrachtet aus einer vorderen Linsengruppe und einer hinteren Linsengruppe besteht. Die Korrektion der Bewegungsunschärfe erfolgt dabei durch Bewegen der negativen hinteren Linsengruppe senkrecht zur opti schen Achse. Die zur Korrektion der Bewegungsunschärfe bestimmte Optik ist so ausgebildet, daß sie in einem Beobachtungsinstrument, z. B. einem Zielfernrohr, verwendet werden kann, das ein sehr langes Objektivsystem hat. In einem sol chen Objektivsystem steht ausreichend Raum zur Verfügung, um eine Einrich tung, z. B. einen Antrieb zur Korrektion der Bewegungsunschärfe unterzubringen. Da weiterhin ein negatives Linsenelement als die Bewegungsunschärfe korrigie rendes Linsenelement eingesetzt wird, um so das Objektivsystem zu verkürzen, ist die Gesamtlänge des Objektivsystems kleiner oder gleich dessen Brennweite, was zur Verkleinerung des Beobachtungsinstrumentes beiträgt. Mit dem eben er läuterten Aufbau des Objektivsystems kann das Zielfernrohr genügend klein ge halten werden. Jedoch ist dieser Aufbau immer noch zu lang für ein Objektivsy stem, das bei einem Doppelfernrohr oder dergleichen eingesetzt werden soll. Die eben beschriebene Optik kann deshalb bei einem Beobachtungsinstrument wie einem Doppelfernrohr eingesetzt werden, bei dem die Gesamtlänge des Objektiv systems kurz ist und deshalb nicht ausreichend Raum für eine Einrichtung zur Korrektion der Bewegungsunschärfe zur Verfügung steht.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine verkleinerte und leichte Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe anzugeben, die über eine hohe optische Leistung ver fügt und in einem Beobachtungsinstrument, bei dem die Gesamtlänge des Objek tivsystems kurz ist, ausreichend Raum zur Verfügung stellt, um eine Einrichtung zur Korrektion der Bewegungsunschärfe unterzubringen.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Optik mit den Merkmalen des An spruchs 1.

Der erfindungsgemäße Aufbau stellt selbst bei einem kleinen, kompakten Beob achtungsinstrument mit kurzem Objektivsystem, wie z. B. einem Doppelfernrohr, ausreichend Raum für eine die Bewegungsunschärfe korrigierende Einrichtung zur Verfügung und stellt dabei gleichzeitig eine ausreichende optische Abbil dungsleistung sicher.

Um durch das Objektivsystem Abbildungsfehler in effizienter Weise zu korrigie ren, ist vorteilhaft die im Anspruch 2 angegebene Bedingung (4) erfüllt.

Genügt das Objektivsystem der in Anspruch 3 angegebenen Bedingung (5), so ist für eine angemessene Empfindlichkeit gegenüber der Bewegung derjenigen Lin sengruppe gesorgt, die für die Korrektion der Bewegungsunschärfe sorgt.

Mit Bewegungsunschärfe ist im folgenden das Verschwimmen oder Verwaschen des Bildes gemeint, das z. B. durch eine unbeabsichtigte Bewegung des Beob achtungsinstrumentes verursacht wird.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei gen:

Fig. 1 die Linsenanordnung eines optischen Beobachtungsinstrumentes, das eine Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe gemäß ei nem ersten Ausführungsbeispiel hat,

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D die Diagramme der Aberrationen der Optik nach Fig. 1,

Fig. 3 die axiale Koma vor der Korrektion der Bewegungsunschärfe, d. h. bevor die Optik nach Fig. 1 zur Korrektion der Bewegungsunschärfe dezentriert ist,

Fig. 4 die axiale Koma für den Fall, daß die Optik nach Fig. 1 zur Korrek tion eines in dem Beobachtungsinstrument auftretenden Verwack lungswinkels von 0,75° dezentriert ist,

Fig. 5 die Linsenanordnung eines Beobachtungsinstrumentes, das eine Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel hat,

Fig. 6A, 6B, 6C und 6D die Diagramme der Aberrationen der Optik nach Fig. 5,

Fig. 7 die axiale Koma vor Korrektion der Bewegungsunschärfe, d. h. bevor die Optik nach Fig. 5 zur Korrektion der Bewegungsunschärfe de zentriert worden ist,

Fig. 8 die axiale Koma für den Fall, daß die Optik nach Fig. 5 zur Korrek tion eines in dem Beobachtungsinstrument auftretenden Verwack lungswinkels von 0,75° dezentriert ist,

Fig. 9 die Linsenanordnung eines Beobachtungsinstrumentes, das eine Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel hat,

Fig. 10A, 10B, 10C und 10D die Diagramme der Aberrationen der Optik nach Fig. 9,

Fig. 11 die axiale Koma vor Korrektion der Bewegungsunschärfe, d. h. bevor die Optik nach Fig. 9 zur Korrektion der Bewegungsunschärfe de zentriert worden ist,

Fig. 12 die axiale Koma für den Fall, daß die Optik nach Fig. 9 zur Korrek tion eines in dem Beobachtungsinstrument auftretenden Verwack lungswinkels von 1° dezentriert ist,

Fig. 13 die Linsenanordnung der Optik mit den in den Bedingungen (1) und (2) angegebenen Abständen A und B,

Fig. 14 die Beziehung zwischen der Gesamtlänge des Objektivsystems und dessen Brennweite, wobei ein Teil des Objektivsystems die Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe bildet, und

Fig. 15 die Beziehung zwischen der Gesamtlänge eines herkömmlichen Ob jektivsystems und dessen Brennweite.

Wie in Fig. 13 gezeigt, enthält ein optisches Beobachtungsinstrument ein Objek tivsystem I, ein Aufrichtsystem P und ein Okularsystem II. Diese Systeme sind in der genannten Reihenfolge von der Objektseite her betrachtet angeordnet. Das Objektivsystem I hat eine vordere Linsengruppe 11 und eine hintere Linsen gruppe 12, die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite her betrachtet angeordnet sind. Die vordere Linsengruppe 11 ist unbeweglich, und die hintere Linsengruppe 12 ist eine positive Linsengruppe, die eine Optik zur Korrektion der das Bild beeinflussenden Bewegungsunschärfe bildet. Zur Korrektion der Bewe gungsunschärfe ist die hintere Linsengruppe 12, d. h. die Korrektionslinsengruppe so ausgebildet, daß sie sich in Abhängigkeit der Stärke der auf das Beob achtungsinstrument unbeabsichtigt einwirkenden Bewegung senkrecht zur opti schen Achse bewegt.

Für den Fall, daß die hintere Linsengruppe 12 positive Brechkraft hat, wird die Brechkraft der vorderen Linsengruppe 11 schwächer, so daß die Korrektion der Abbildungsfehler einfacher wird. Im Ergebnis kann so der Aufbau der Optik ver einfacht und die Herstellungstoleranz erhöht werden, was bedeutet, daß die An forderungen an die Toleranz weniger streng sein dürfen und die Präzision erhöht werden kann. Zum Vergleich zeigt Fig. 14 die Korrektionslinsengruppe 12 mit po sitiver Brechkraft und Fig. 15 mit negativer Brechkraft. Für den Fall, daß die Kor rektionslinsengruppe 12, wie in Fig. 14 gezeigt, positive Brechkraft hat, kann der Abstand der Korrektionslinsengruppe 12 von dem Aufrichtsystem P, also einem objektseitig der Korrektionslinsengruppe 12 angeordneten optischen Element, gegenüber dem Fall vergrößert werden, in dem die Korrektionslinsengruppe 12, wie in Fig. 15 gezeigt, negative Brechkraft hat. Durch das Vorsehen der positiven Korrektionslinsengruppe 12 kann also die gesamte Länge TL' (äquivalente Luft dicke der Gesamtlänge des Objektivsystems I) des Objektivsystems I größer als dessen Brennweite f0 gemacht werden, so daß der Abstand B verglichen mit dem Fall der negativen Brechkraft der Korrektionslinsengruppe 12 vergrößert werden kann.

Die Bedingungen (1) bis (3) des Anspruchs 1 dienen der Bereitstellung von Raum, in dem eine Einrichtung zur Korrektion der Bewegungsunschärfe, z. B. ein Antrieb oder dergleichen untergebracht ist.

Bedingung (1) gibt den Abstand zwischen der Korrektionslinsengruppe und des objektseitig von dieser angeordneten optischen Elementes an.

Unterschreitet A/f0 die untere Grenze der Bedingung (1), so wird es schwierig, den zur Positionierung eines Antriebssystems für die Korrektionslinsengruppe be nötigten Raum bereitzustellen.

Übersteigt A/f0 dagegen die obere Grenze der Bedingung (1), so ergeben sich folgende Nachteile:

a) die Gesamtlänge des Objektsystems wird zu groß,
b) die Größe des Aufrichtsystems nimmt zu, da die Korrektionslinsengruppe zu nahe an dem Aufrichtsystem angeordnet ist,
c) die von dem Aufrichtsystem erzeugte Verdeckung (Eklipse) macht sich be merkbar, und
d) die Brechkraft der Korrektionslinsengruppe wird so schwach, daß die Korrek tion der Abbildungsfehler, insbesondere der sphärischen Aberration und der Koma schwierig wird.

Die Bedingung (2) gibt den Abstand der Korrektionslinsengruppe von dem okular seitig der Korrektionslinsengruppe angeordneten optischen Element an.

Unterschreitet B/f0 die untere Grenze der Bedingung (2), so treten folgende Nachteile auf:

a) es wird schwierig, den Raum bereitzustellen, um das Antriebssystem für die Korrektionslinsengruppe unterzubringen,
b) die Größe des Aufrichtsystems nimmt zu,
c) die von dem Aufrichtsystem erzeugte Verdeckung (Eklipse) macht sich be merkbar, und
d) die Brechkraft der Korrektionslinsengruppe wird so schwach, daß die Korrek tion der Abbildungsfehler, insbesondere der sphärischen Aberration und der Koma schwierig wird.

Überschreitet B/f0 die obere Grenze der Bedingung (2), so nimmt die Ge samtgröße des Beobachtungsinstrumentes zu.

Die Bedingung (3) gibt die Gesamtlänge des Objektivsystems an.

Ist TL/f0 kleiner als die untere Grenze der Bedingung (3), so bereitet es Schwie rigkeiten, den Raum bereitzustellen, um das Antriebssystem für die Korrektions linsengruppe unterzubringen.

Die Bedingung (4) des Anspruchs 2 dient der effizienten Korrektion der Abbil dungsfehler durch das Objektivsystem. Bezogen auf die Gesamtbrechkraft des Objektivsystems ist folgendes festzustellen: je schwächer die Brechkraft der vor deren Linsengruppe wird und je stärker zugleich die Brechkraft der hinteren Lin sengruppe, desto vorteilhafter ist dies für die Korrektion der Abbildungsfehler.

Unterschreitet Ø1/Ø2 die untere Grenze der Bedingung (4), so wird die Brechkraft der vorderen Linsengruppe relativ zu schwach, so daß die Gesamtlänge des Ob jektivsystems und auch der Durchmesser der hinteren Linsengruppe größer wer den.

Übersteigt dagegen Ø1/Ø2 die obere Grenze der Bedingung (4), so wird die Brechkraft der vorderen Linsengruppe bezogen auf die der hinteren Linsengruppe relativ stärker, so daß es schwierig wird, sphärische Aberration und Koma in dem Objektivsystem zu korrigieren.

Die Bedingung (5) des Anspruchs 3 gibt den Bewegungswert der Korrektionslin sengruppe in mm an, mit dem ein Verwacklungswinkel (Unschärfewinkel) von 1° korrigiert wird.

Ist |tan 1°/(Ø0 - Ø1)| kleiner als die untere Grenze der Bedingung (5), so wird die Empfindlichkeit der Korrektionslinsengruppe auf die Bewegung so hoch, daß de ren Ansteuerung schwierig wird.

Ist dagegen |tan 1°/(Ø0 - Ø1)| größer als die obere Grenze der Bedingung (5), so wird die Empfindlichkeit der Korrektionslinsengruppe auf die Bewegung so gering, daß der Bewegungswert zunimmt. Als Folge dessen müßte deshalb das Beob achtungsinstrument vergrößert werden, oder der korrigierbare Verwacklungswin kel würde abnehmen.

Im folgenden werden numerische Beispiele angegeben. In den Tabellen und Dia grammen bezeichnet r den Krümmungsradius, d die Linsendicke oder den Ab stand zwischen den einzelnen Linsenflächen, N_d den Brechungsindex bei der d- Linie und ν die Abbe-Zahl. In den Diagrammen der durch die sphärische Aberra tion dargestellten chromatischen Aberration geben die durchgezogenen Linien sowie die beiden Arten von gestrichelten Linien die sphärische Aberration bei der d-, der g- bzw. der C-Linie an, und ER bezeichnet den Durchmesser der Aus trittspupille in mm. In den Diagrammen der chromatischen Queraberration be zeichnen die durchgezogenen sowie die beiden Arten von gestrichelten Linien den Abbildungsmaßstab bei der d-, der g- bzw. der C-Linie, und β gibt den Winkel an, den die optische Achse und der Austrittsstrahl einschließen. In den Dia grammen des Astigmatismus bezeichnet S das Sagittalbild, M das Meridionalbild und β den Winkel, den die optische Achse und der Austrittsstrahl einschließen.

Eine asphärische Fläche, die bezüglich der optischen Achse symmetrisch ist, ist wie folgt definiert:

worin
x den Abstand von einer an dem asphärischen Scheitel anliegenden Tangen tialebene,
C die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
h den Abstand von der optischen Achse,
K den Kegelschnittkoeffizienten,
A4 einen Asphärenkoeffizienten vierter Ordnung,
A6 einen Asphärenkoeffizienten sechster Ordnung,
A8 einen Asphärenkoeffizienten achter Ordnung, und
A10 einen Asphärenkoeffizienten zehnter Ordnung bezeichnet.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel, in dem die zur Korrektion der Bewegungsunschärfe vorgesehene Optik bei einem Beobachtungsinstrument, z. B. einem die Bewegungsunschärfe korrigierenden Fernrohr eingesetzt wird. Wie in Fig. 1 gezeigt, enthält die Optik des Fernrohrs das Objektivsystem I, das Auf richtsystem P und das Okularsystem II. Diese Systeme sind dabei von der Objekt seite her betrachtet in der genannten Reihenfolge angeordnet. Das Objektsystem I enthält, von der Objektseite her gesehen, die vordere Linsengruppe 11 und die hintere Linsengruppe 12. Das Okularsystem II enthält, von der Objektseite her betrachtet, ein negatives Linsenelement, ein positives Linsenelement, ein negati ves Linsenelement, ein positives Linsenelement und ein positives Linsenelement. Tabelle 1 zeigt die dazugehörigen numerischen Daten. In den Fig. 2A bis 2D sind die Diagramme der Abbildungsfehler der Optik nach Fig. 1 dargestellt. Fig. 3 zeigt die axiale Koma vor der Korrektion der Bewegungsunschärfe, d. h. für den Fall, daß die Optik nach Fig. 1 noch nicht dezentriert ist, um die Bewegungsunschärfe zu korrigieren. Fig. 4 zeigt die axiale Koma für den Fall, daß die Optik nach Fig. 1 dezentriert ist, um einen durch eine unbeabsichtigte Bewegung verursachten Un schärfe- oder Verwacklungsfehler von 0,75° zu korrigieren, der in dem Fernrohr auftritt. In diesem Fall wird die Korrektionslinsengruppe 12 um 2,5 mm dezentriert.

Tabelle 1

Asphärendaten (nicht angegebene Asphärenkoeffizienten sind gleich Null (0,00))

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 5 bis 8 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel, in dem die zur Korrektion der Bewegungsunschärfe vorgesehene Optik bei einem Fernrohr eingesetzt wird. Fig. 5 zeigt die Linsenanordnung des Fernrohrs. Tabelle 2 zeigt die dazugehöri gen numerischen Daten. Die Linsenanordnung ist die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 6A bis 6D zeigen die Diagramme der Abbildungs fehler der Optik nach Fig. 5. Fig. 7 zeigt die axiale Koma vor Korrektion der Be wegungsunschärfe, d. h. für den Fall, daß die Optik nach Fig. 1 nicht zentriert ist, um für eine Korrektion zu sorgen. Fig. 8 zeigt die axiale Koma, wenn die Optik nach Fig. 1 so dezentriert ist, daß sie einen in dem gesamten Fernrohr auftreten den Verwacklungsfehler von 0,75° korrigiert. In diesem Fall ist die Korrektionslin sengruppe 12 um 2,5 mm dezentriert.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel 3

Die Fig. 9 bis 12 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel, in dem die zur Korrektion der Bewegungsunschärfe vorgesehene Optik bei einem Beobachtungsinstrument, z. B. einem Fernrohr eingesetzt wird. Fig. 9 zeigt die Linsenanordnung des Fern rohrs. Tabelle 3 zeigt die zugehörigen numerischen Daten. Die Linsenanordnung ist in ihrem Grundaufbau die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Fig. 10A bis 10D zeigen die Diagramme der Abbildungsfehler der Optik nach Fig. 9. Fig. 11 zeigt die axiale Koma vor Korrektion der Bewegungsunschärfe, d. h. für den Fall, daß die Optik nach Fig. 9 noch nicht dezentriert ist, um eine Bewe gungsunschärfe zu korrigieren. Fig. 12 zeigt die axiale Koma für den Fall, daß die Optik nach Fig. 9 so dezentriert ist, daß sie einen in dem Fernrohr auftretenden Verwacklungsfehler von 1° korrigiert. In diesem Fall ist die Korrektionslinsen gruppe um 2,5 mm dezentriert.

Tabelle 3

Die numerischen Werte der einzelnen Bedingungen sind für jedes Ausführungs beispiel in Tabelle 4 angeführt.

Tabelle 4

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, erfüllt jedes Ausführungsbeispiel die Bedingungen (1) bis (5). Weiterhin geht aus den Diagrammen der Abbildungsfehler hervor, daß die verschiedenen Abbildungsfehler vergleichsweise gut korrigiert sind.

Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die Erfindung eine verkleinerte und leichte Optik zur Korrektion der Bewegungsunschärfe bereit, die eine hohe Abbildungsleistung hat und in einem Beobachtungsinstrument, das ein Objektiv system mit geringer Gesamtlänge enthält, ausreichend Raum für eine Einrichtung bereitstellt, die für die Korrektion der Bewegungsunschärfe sorgt.

Claims

1. Optik mit einem Objektivsystem (I), einem Bildaufrichtsystem (P) und einem Okularsystem (II), die in dieser Reihenfolge von der Objektseite her be trachtet an geordnet sind, wobei
das Objektivsystem (I), von der Objektseite her betrachtet, eine unbewegli che vordere Linsengruppe (11) und eine hintere Linsengruppe (12) enthält, die hintere Linsengruppe (12) positive Brechkraft hat und zur Korrektion der Bewegungsunschärfe um einen Auslenkungswert, der von der Größe der auf die Optik einwirkenden Störbewegung abhängt, senkrecht zur optischen Achse verschiebbar ist, und
folgende Bedingungen erfüllt sind:
0,04 < A/f0 < 0,2 (1)
0,35 < B/f0 < 0,5 (2)
TL/f0 < 1,1 (3)
worin
A den Abstand der hinteren Linsengruppe (12) von dem optischen Element angibt, das objektseitig der hinteren Linsengruppe (12) angeordnet ist,
B den Abstand der hinteren Linsengruppe (12) von dem optischen Element angibt, das okularseitig der hinteren Linsengruppe (12) angeordnet ist,
f0 die Gesamtbrennweite des Objektivsystems (I) angibt, und
TL den Abstand der objektseitigen Fläche des am weitesten objektseitig an geordneten Linsenelementes des Objektivsystems (I) von der Bildebene des Objektivsystems (I) angibt.

2. Optik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Objektivsystem (I) folgende Bedingung erfüllt:
0,2 < Ø1/Ø2 < 0,8 (4)
worin
Ø1 die Brechkraft der vorderen Linsengruppe (11) des Objektivsystems (I) und
Ø2 die Brechkraft der hinteren Linsengruppe (12) des Objektivsystems (I) bezeichnet.

3. Optik nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Be dingung erfüllt ist:
0,5 < |tan 1°/(Ø0 - Ø1) (5)
worin
Ø0 die Gesamtbrechkraft des Objektivsystems (I) bezeichnet.