DE10109605A1

DE10109605A1 - Okular variabler Brennweite

Info

Publication number: DE10109605A1
Application number: DE10109605A
Authority: DE
Inventors: Shinichiro Ishii; Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 2000-02-29
Filing date: 2001-02-28
Publication date: 2001-08-30
Anticipated expiration: 2021-03-01
Also published as: US6384984B1; US20020054437A1; JP2001242390A; DE10109605C2

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Okular variabler Brennweite, das, von einem zugehörigen Objektiv gesehen, eine negative erste Linsengruppe (10), eine positive zweite Linsengruppe (20) und eine positive dritte Linsengruppe (30) enthält, wobei die erste und die zweite Linsengruppe (10, 20) bei Brennweitenänderung längs der optischen Achse zueinander entgegengesetzt bewegbar sind und die dritte Linsengruppe (30) stationär ist. Dieses Okular erfüllt die folgenden Bedingungen (1) und (2): DOLLAR A 2,0 < f¶3¶/f¶2¶ < 4,0 (1) DOLLAR A 7,0 < L¶12¶/f(h) (2), DOLLAR A worin f¶2¶ die Brennweite der zweiten Linsengruppe (20), f¶3¶ die Brennweite der dritten Linsengruppe (30), f(h) die kürzeste Brennweite des Okulars und L¶12¶ der axiale Luftspalt zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe (10, 20) bei kürzester Brennweite ist. Das Okular hat ein variables Brechkraftverhältnis von ca. 3 und ist dennoch kompakt aufgebaut. Außerdem bietet es ein großes scheinbares Sichtfeld und großen Augenabstand.

Description

Die Erfindung betrifft eine Okularoptik variabler Brennweite zur Verwendung in astronomischen Fernrohren, Beobachtungsfernrohren und Doppelfernrohren.

Es wurden bereits viele Okulare variabler Brennweite für diese Einsatzfälle vorge schlagen. Beispielsweise beschreibt die US-A-5 491 588 eine afokale Optik varia bler Brennweite aus einer Kombination eines Okulars variabler Brennweite und einem Objektiv sowie einem optischen Bildumkehrsystem. Die JP-A-134617/1987 und die US-A-5 734 509 beschreiben unabhängige Okulare variabler Brennweite ohne Objektivsystem oder Bildumkehrsystem. Das Okular variabler Brennweite ohne Objektiv und ohne Bildumkehrsystem ist ein sogenanntes OE-ZOOM- System, das die folgenden drei Gruppen von der Objektseite her gesehen enthält: eine bewegliche erste Linsengruppe negativer Brechkraft, eine bewegliche zweite Linsengruppe positiver Brechkraft, die auf die erste Linsengruppe unter Zwischen schaltung einer Feldblende folgt, und eine feste dritte Linsengruppe positiver Brechkraft. Die erste und die zweite Linsengruppe werden zueinander entgegen gesetzt bewegt, nicht nur um die Brennweite zu ändern, sondern auch um die Position des virtuellen Bildes zu kompensieren. Die üblichen Okularoptiken varia bler Brennweite, wie sie oben genannt wurden, können Brennweitenverhältnisse nur bis zum Wert 2 realisieren.

Okulare müssen allgemein einen hinreichenden Augenabstand zur Austrittspupille und ein zufriedenstellend großes scheinbares Sichtfeld haben. Wird diese Forde rung erfüllt, so ergibt sich aber eine raumaufwendige Optik. Diese Tendenz wird besonders erkennbar, wenn sich das Brechkraftverhältnis dem Wert 3 annähert.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Okular variabler Brennweite anzugeben, das ein Brechkraftverhältnis von etwa 3 hat, dennoch aber kompakt aufgebaut ist und ein hinreichend großes scheinbares Sichtfeld sowie langen Augenabstand hat.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Wenn bei einem Okular nach der Erfindung die kürzestmögliche Brennweite eingestellt wird, ergibt dies bei einem Fernrohr, das mit dem Okular ausgerüstet ist, zusammen mit dem Objektiv die höchste Vergrößerung bei einem Objektiv fester Brennweite. Das Objektiv kann natürlich auch eine variable Brennweite haben, um die höchstmögliche Vergrößerung weiter zu erhöhen.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 den Aufbau eines Objektivs variabler Brennweite als Beispiel 1,

Fig. 2 grafische Darstellungen der Aberrationen eines Systems mit einem Objektiv und dem Okular nach Fig. 1 bei längster Brennweite (ge ringste Vergrößerung),

Fig. 3 grafische Darstellungen der Aberrationen für dasselbe System bei mittlerer Brennweite des Okulars,

Fig. 4 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei kürzester Brennweite (höchste Vergrößerung),

Fig. 5 ein Okular variabler Brennweite als Beispiel 2,

Fig. 6 grafische Darstellungen der Aberrationen eines System mit Objektiv und dem Okular nach Fig. 5 bei längster Brennweite (geringste Ver größerung),

Fig. 7 grafische Darstellungen desselben Systems bei mittlerer Brennweite des Okulars nach Fig. 5,

Fig. 8 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei kürzester Brennweite (höchste Vergrößerung) des Okulars nach Fig. 5,

Fig. 9 ein Okular variabler Brennweite als Beispiel 3,

Fig. 10 grafische Darstellungen der Aberrationen eines Systems mit Objektiv und dem Okular nach Fig. 9 bei längster Brennweite (geringste Ver größerung),

Fig. 11 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei mittlerer Brennweite des Okulars nach Fig. 9,

Fig. 12 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei kürzester Brennweite (höchste Vergrößerung) des Okulars nach Fig. 9,

Fig. 13 ein Okular variabler Brennweite als Beispiel 4,

Fig. 14 grafische Darstellungen der Aberrationen eines Systems mit Objektiv und Okular nach Fig. 13 bei längster Brennweite (geringste Vergrö ßerung),

Fig. 15 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei mittlerer Brennweite des Okulars nach Fig. 13,

Fig. 16 grafische Darstellungen der Aberrationen desselben Systems bei kürzester Brennweite (höchste Vergrößerung) des Okulars nach Fig. 13,

Fig. 17 vereinfachte Diagramme der Linsenbewegung in einem Okular nach der Erfindung, und

Fig. 18 den Aufbau eines Fernrohrs mit einem Okular nach Beispiel 2 der Erfindung.

Wie Fig. 17 zeigt, wird das Okular variabler Brennweite nach der Erfindung mit einem Objektiv 40 verwendet und enthält, von dem Objektiv her gesehen, eine negative erste Linsengruppe 10, eine Feldblende S. eine positive zweite Linsen gruppe 20 und eine positive dritte Linsengruppe 30. Bei einer Brennweitenände rung bewegen sich die erste Linsengruppe 10 und die zweite Linsengruppe 20 längs der optischen Achse zueinander entgegengesetzt, die dritte Linsengruppe ist stationär. Wenn die Vergrößerung des Gesamtsystems (Verhältnis der Brenn weite des Objektivs 40 zu derjenigen des Okulars variabler Brennweite) sich von einem Minimum zu einem Maximum ändert (d. h. die Brennweite des Okulars ändert sich von dem längsten zum kürzesten Wert), bewegt sich die erste Linsen gruppe 10 zum Objekt hin, während die zweite Linsengruppe 20 zum Auge hin bewegt wird. Die Feldblende S bewegt sich zusammen mit der zweiten Linsen gruppe 20.

Die Bedingung (1) in Anspruch 1 sollte erfüllt sein, um die Größenreduktion des Okulars zu erreichen, wobei Bedingung ist, dass die Brechkraft (Kehrwert der Brennweite) der zweiten Linsengruppe vergleichsweise größer als diejenige der dritten Linsengruppe ist.

Wird der untere Grenzwert der Bedingung (1) nicht erreicht, nimmt der Bewe gungsbetrag der zweiten Linsengruppe zu, und dies ist nachteilig für eine Größen verringerung. Wird der obere Grenzwert der Bedingung (1) überschritten, so wird eine Korrektion der Aberrationen, insbesondere des Astigmatismus und der Ver zeichnung, schwierig.

Die Bedingung (2) sollte erfüllt sein, um einen möglichst großen Raum zum Be wegen der ersten und der zweiten Linsengruppe zu haben, wobei die Brennweite ausreichend groß ist, um ein erhöhtes variables Brechkraftverhältnis zu erzielen. Wird diese Bedingung erfüllt, so ergibt sich als weiterer Vorteil eine Zunahme des Abstandes des Objektbildes, das zwischen der ersten und der zweiten Linsen gruppe (in der Fokalposition des Objektivs) erzeugt wird, zur ersten Linsengruppe und des Abstandes des Objektbildes zur zweiten Linsengruppe, wodurch Defekte und Staub auf den Linsenflächen schwächer erscheinen.

Im Folgenden wird die Erfindung spezieller erläutert. In einem Fernrohr o. ä. er zeugt das Okular allgemein ein virtuelles Bild an einer Position von ca. -1 Dioptrie für eine Person, die ein reelles Bild betrachtet, welches durch das Objektiv er zeugt wird, um das reelle Bild leicht betrachten zu können. Befindet sich eine Linsenfläche o. ä. an oder nahe dem so erzeugten reellen Bild, werden die Defekte und Staub auf der Linsenfläche somit gemeinsam mit dem reellen Bild zu erken nen sein. Die Dioptrien D1 und D2 (d. h. die Abstandsunterschiede, die die Posi tionen virtueller Bilder gegenüber den Linsenflächen der ersten Linsengruppe 10 und der zweiten Linsengruppe 20, welche jeweils den Abstand LF1 bzw. LF2 zur Fokalposition X des Objektivs 40 haben, von der Position eines virtuellen Bildes gegenüber der Fokalposition X trennen können) werden folgendermaßen ausge drückt:
D1 = +1000 × LF1/f₂₃ ² (in Dioptrien)
D2 = -1000 × LF2/f₂₃ ² (in Dioptrien)

Darin ist LF1 der Abstand zwischen der Fokalposition X des Objektivs und derje nigen Linsenfläche der ersten Linsengruppe, die dem Auge am nächsten liegt, LF2 der Abstand zwischen der Fokalposition X des Objektivs und derjenigen Linsenfläche der zweiten Linsengruppe, die dem Objektiv am nächsten liegt, und f₂₃ die Brennweite des optischen Systems, die dem Auge näher als die Fokalposi tion X des Objektivs liegt.

Defekte und Staub auf einer Linsenfläche sind bei geringer Vergrößerung ein Problem, wenn die Fokalposition X der Linsenfläche am nächsten liegt und wenn die Absolutwerte D1 und D2 nicht hinreichend groß sind. Dann werden Defekte und Staub bei geringer Vergrößerung erkennbar. Um die Absolutwerte von D1 und D2 zu erhöhen, kann man die Werte von LF1 und LF2 erhöhen. Will man das variable Brechkraftverhältnis bei erhöhten Werten von LF1 und LF2 bei geringer Vergrößerung erhöhen, muss der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe bei hoher Vergrößerung ziemlich groß sein, wenn der Bewegungs bereich der Linsengruppe groß sein soll. Wird die Bedingung (2) erfüllt, kann der Abstand zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe bei hoher Vergröße rung ausreichend groß gemacht werden, so dass die Werte von LF1 und LF2 bei geringer Vergrößerung erhöht sind, damit Defekte und Staub auf den Linsenflä chen weniger erkennbar sind.

Wird der untere Grenzwert der Bedingung (2) nicht erreicht, wird der Abstand zwischen der Bildebene und jeder der beiden Linsenflächen bei geringer Vergrö ßerung so kurz, dass Defekte und Staub auf den Linsenflächen unzulässig gut erkennbar sind. Soll ein hinreichendes variables Brennkraftverhältnis gewährlei stet sein und dennoch der Bewegungsbereich der Linsengruppen so groß sein, dass die Bildebene nicht unzweckmäßig nahe einer jeden der beiden Linsenflä chen liegt, muss die Brechkraft der zweiten Linsengruppe erhöht werden, jedoch ist es dann schwierig, Aberrationen wie Astigmatismus und Verzeichnung zu korrigieren.

Die Bedingung (3) ist relevant für den Fall, dass mindestens zwei positive Lin senelemente in der zweiten Linsengruppe vorhanden sind, und bezieht sich auf die Brechkraft der positiven Linse, die dem Objektiv am nächsten liegt. Das Okular variabler Brennweite erhält hier durch die zweite Linsengruppe eine hohe Brech kraft, so dass zur Korrektion von Aberrationen mindestens zwei positive Lin senelemente erforderlich sind, die vorzugsweise weitgehend übereinstimmende Brechkraft haben.

Wird der obere Grenzwert der Bedingung (3) überschritten, ist die Brechkraft der dem Objektiv am nächsten liegenden positiven Linse so groß, dass eine effektive Korrektion des Astigmatismus und der Verzeichnung schwierig wird. Wird der untere Grenzwert der Bedingung (3) nicht erreicht, so ist die Brechkraft der dem Auge am nächsten liegenden positiven Linse unzweckmäßig groß, wodurch es wiederum schwierig ist, den Astigmatismus und die Verzeichnung zu korrigieren. Somit ist eine Korrektion des Astigmatismus und der Verzeichnung schwierig, wenn die Bedingung (3) nicht erfüllt ist.

Zur effektiven Korrektion der chromatischen Aberration ist vorzugsweise eine Negativlinse mit einer Positivlinse verkittet.

Die folgenden Beispiele dienen der weiteren Erläuterung der Erfindung. In den zugehörigen Diagrammen ist die axiale chromatische Aberration als sphärische Aberration ausgedrückt, und die d-, F- und C-Linie, mit denen die axiale chromati sche Aberration und die chromatische Vergrößerungsdifferenz dargestellt werden, betreffen die Aberrationen bei verschiedenen Wellenlängen. S und M bedeuten "Sagittal" und "Meridional". ER ist der Durchmesser der Austrittspupille und B der Winkel eines austretenden Strahls gegenüber der optischen Achse. Die in den Tabellen 1 bis 4 verwendeten Symbole haben die folgende Definition: W halber Blickwinkel in Grad, fo Brennweite des Objektivs, fe Brennweite des Okulars, r Krümmungsradius, d Linsendicke oder Luftspalt zwischen Linsen, N_d Brechungs index bei der d-Linie, ν Abbe-Zahl. In Fig. 1, 5, 9 und 13 ist EP der Augenpunkt.

Die numerischen Linsendaten der folgenden vier Beispiele und die zugehörigen Aberrationsdiagramme gelten für den Fall der Verwendung des Okulars variabler Brennweite nach der Erfindung in einem terrestrischen Fernrohr zusammen mit einem Objektiv und einem Bildumkehrprisma im nichtgefalteten Zustand. Diese Elemente sind den vier Beispielen gemeinsam und befinden sich vor dem Objektiv variabler Brennweite. Ein Beispielsfall ist in Fig. 18 in Form einer Kombination des Objektivs und des Okulars variabler Brennweite gemäß Beispiel 2 dargestellt. Das Objektiv ist nicht besonders eingeschränkt. Es kann ein Objektiv verwendet wer den, wie es bei astronomischen Fernrohren und Mikroskopen üblich ist. Ist kein aufrechtes Bild erforderlich, kann das Bildumkehrprisma fehlen.

Beispiel 1

Fig. 1 zeigt den Aufbau des Okulars variabler Brennweite gemäß Beispiel 1 für die längste Brennweite (geringste Vergrößerung als Fernrohr). Fig. 2, 3 und 4 sind Diagramme der Aberrationen, die bei demselben Okular in Kombination mit dem Objektiv auftreten, wenn das Okular variabler Brennweite die längste Brennweite, eine mittlere Brennweite (mittlere Vergrößerung als Fernrohr) und die kürzeste Brennweite (höchste Vergrößerung als Fernrohr) hat. Tabelle 1 zeigt die numeri schen Daten für das Gesamtsystem. Die Flächen 1 bis 6 betreffen das Objektiv 40, die Flächen 7 bis 10 das Bildumkehrsystem 50, die Flächen 11 bis 13 die negative erste Linsengruppe 10, die Flächen 14 bis 18 die positive zweite Linsen gruppe 20, die Flächen 19 und 20 die positive dritte Linsengruppe 30. Das Objek tiv 40 enthält, von der Objektseite her gesehen, eine positive Linse, eine negative Linse und eine negative Linse. Das Bildumkehrsystem 50 besteht aus zwei Drei ecksprismen (rechtwinklige Prismen) mit jeweils zwei Reflexionsflächen. Die erste Linsengruppe 10 besteht aus einer verkitteten Linse, die, von der Objektivseite her gesehen, aus einer positiven und einer negativen Linse besteht. Die zweite Lin sengruppe 20 besteht, von der Objektivseite her gesehen, aus einer verkitteten Linse, die aus einer negativen und einer positiven sowie einer positiven Linse besteht. Die dritte Linsengruppe 30 besteht aus einer einzelnen positiven Linse. Zur Verstellung von geringer zu hoher Vergrößerung werden die erste Linsen gruppe 10 und die zweite Linsengruppe 20 voneinander unabhängig bewegt, die erste Linsengruppe 10 zum Objektiv 40 und die zweite Linsengruppe 20 zum Auge hin. Die Feldblende S hat einen Abstand von 12,26 mm zur Fläche 14 in Richtung zum Objektiv.

Tabelle 1

Beispiel 2

Fig. 5 zeigt die Konfiguration des Okulars variabler Brennweite gemäß Beispiel 2 bei längster Brennweite (geringster Vergrößerung). Fig. 6, 7 und 8 sind Diagram me der Aberrationen, die bei demselben Okular zusammen mit dem Objektiv auftreten, für längste Brennweite, mittlere Brennweite (mittlere Vergrößerung) und kürzeste Brennweite (höchste Vergrößerung) des Okulars. Tabelle 2 zeigt die numerischen Daten des Gesamtsystems. Die zweite Linsengruppe 20 besteht, von dem Objekt her gesehen, aus einer positiven Linse und einer verkitteten Linse aus einer positiven und einer negativen Linse. Im übrigen hat das Okular variabler Brennweite gemäß Beispiel 2 dieselbe Linsenkonfiguration wie das gemäß Bei spiel 1. Zur Brennweitenverstellung werden die erste und die zweite Linsengruppe in derselben Weise wie in Beispiel 1 bewegt. Die Feldblende S hat einen Abstand von 12,5 mm von der Fläche 14 in Richtung zum Objektiv.

Tabelle 2

Beispiel 3

Fig. 9 zeigt die Linsenkonfiguration des Okulars variabler Brennweite gemäß Beispiel 3 bei längster Brennweite (geringster Vergrößerung). Fig. 10, 11 und 12 sind Diagramme der Aberrationen, die bei demselben Okular variabler Brennweite zusammen mit dem Objektiv auftreten, bei längster Brennweite, mittlerer Brenn weite (mittlerer Vergrößerung) und kürzester Brennweite (höchster Vergrößerung) des Okulars. Tabelle 3 zeigt die numerischen Daten des Gesamtsystems. Das Okular variabler Brennweite gemäß Beispiel 3 hat dieselbe Linsenkonfiguration wie das nach Beispiel 2. Zur Brennweitenverstellung werden die erste und die zweite Linsengruppe in derselben Weise wie in Beispiel 2 bewegt. Die Feldblende S hat einen Abstand von 14,35 mm zur Fläche 14 in Richtung zum Objektiv.

Tabelle 3

Beispiel 4

Fig. 13 zeigt die Linsenkonfiguration des Okulars variabler Brennweite gemäß Beispiel 4 bei längster Brennweite (geringster Vergrößerung). Fig. 14, 15 und 16 sind Diagramme der Aberrationen desselben Okulars variabler Brennweite in Kombination mit dem Objektiv bei längster Brennweite, mittlerer Brennweite (mittlerer Vergrößerung) und kürzester Brennweite (höchster Vergrößerung). Tabelle 4 Zeit die numerischen Daten des Gesamtsystems. Das Okular gemäß Beispiel 4 hat im wesentlichen dieselbe Linsenkonfiguration wie das nach Beispiel 2. Zur Brennweitenverstellung werden die erste und die zweite Linsengruppe in derselben Weise wie in Beispiel 2 bewegt. Die Feldblende S hat einen Abstand von 7,7 mm zur Fläche 14 in Richtung zum Objektiv.

Tabelle 4

Die Werte von f₃/f₂, L₁₂/f(h) und f₂/f_2-1 wurden in den Beispielen 1 bis 4 berechnet, um das Erfüllen der Bedingungen (1) bis (3) zu prüfen. Die Ergebnisse sind in Tabelle 5 aufgeführt.

Tabelle 5

Offenbar sind alle Bedingungen (1) bis (3) in jedem Beispiel erfüllt und die Aberra tionen zufriedenstellend korrigiert.

Die Erfindung führt also zu einem Okular variabler Brennweite, das ein variables Brechkraftverhältnis von ca. 3 hat, dennoch kompakt aufgebaut ist und ein hinrei chend großes scheinbares Sichtfeld sowie großen Augenabstand bietet.

Claims

1. Okular variabler Brennweite mit, von einem zugehörigen Objektiv gesehen, einer negativen ersten Linsengruppe, einer positiven zweiten Linsengruppe und einer positiven dritten Linsengruppe, wobei die erste und die zweite Lin sengruppe längs der optischen Achse bei einer Brennweitenänderung zuein ander entgegengesetzt bewegbar sind, die dritte Linsengruppe stationär ist und die folgenden Bedingungen (1) und (2) erfüllt sind:
2,0 < f₃/f₂ < 4,0 (1)
7,0 < L₁₂/f(h) (2)
worin f₂ die Brennweite der zweiten Linsengruppe, f₃ die Brennweite der dritten Linsengruppe, f(h) die kürzeste Brennweite des Okulars und L₁₂ der axiale Luftspalt zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe bei kür zester Brennweite ist.

2. Okular nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsen gruppe mindestens zwei positive Linsenelemente enthält und die folgende Bedingung (3) erfüllt:
0,3 < f₂/f_2-1 < 0,6 (3)
worin f_2-1 die Brennweite derjenigen positiven Linse in der zweiten Linsen gruppe ist, die dem Objektiv am nächsten liegt.

3. Okular nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die zweite Linsen gruppe mindestens zwei positive Linsenelemente enthält und die folgende Bedingung (3) erfüllt:
0,3 < f₂/f_2-1 < 0,6 (3)
wobei f_2-1 die Brennweite einer verkitteten Linse ist, die teilweise durch diejenige positive Linse der zweiten Linsengruppe gebildet ist, welche dem Objektiv am nächsten liegt.