DE102016109419A1

DE102016109419A1 - Fotografisches Objektiv, insbesondere Messobjektiv

Info

Publication number: DE102016109419A1
Application number: DE102016109419.6A
Authority: DE
Inventors: Eberhardt Dietzsch; Tully Peacocke
Original assignee: Jena Optronik GmbH
Current assignee: Jena Optronik GmbH
Priority date: 2015-05-29
Filing date: 2016-05-23
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2036-05-24
Also published as: DE102016109419B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Objektiv (1), insbesondere ein Messobjektiv mit einer vorgegebenen Brennweite und einer Vorderblende (BL), enthaltend einen objektseitigen Objektivteil (10) und einen durch einen Luftraum (l2) von größer als dem 0,35-fachen der Brennweite getrennt von diesem angeordneten bildseitigen Objektivteil (11) und eine durch einen weiteren Luftraum (l4) getrennt zwischen dem bildseitigen Objektivteil (11) und der Bildebene (BE) angeordnete bikonkave Linse (L5). Um das Objektiv (1) einfach und aus einer geringen Anzahl einfach zu fertigender Linsen (L1, L2, L3, L4, L5) herstellen zu können, ist der bildseitige Objektivteil (10) ausschließlich aus einem einen aufgespalteten Achromaten bildenden Duplett, enthaltend eine als Frontlinse ausgebildete bikonvexe Linse (L1) und eine nachfolgende konkavkonvexe Linse (L2) mit der Frontlinse zugewandter konkaver Seite und von der Frontlinse abgewandter konvexer Seite gebildet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv, insbesondere ein Messobjektiv mit einer vorgegebenen Brennweite und einer Vorderblende, enthaltend einen objektseitigen Objektivteil und einen durch einen Luftabstand von größer als dem 0,35-fachen der Brennweite, getrennt von diesem angeordneten bildseitigen Objektivteil und durch einen weiteren Luftraum getrennte, zwischen dem bildseitigen Objektivteil und der Bildebene angeordnete bikonkave Feldlinse.
Bekannte Lösungen für fotografische, als Messobjektive eingesetzte Objektive dienen beispielsweise in optischen Navigationsgeräten, Sternsensoren und dergleichen der Erfassung von Bildausschnitten, die nachträglich optisch ausgewertet werden, beispielsweise indem ein erfasster Sternbildausschnitt mit einem in einem Raumflugkörper installierten Sternkatalog verglichen und dadurch die Lage des Raumflugkörpers ermittelt wird. Derartige Messobjektive basieren zumeist auf symmetrischen oder hemisymmetrischen Objektivaufbauten. Hierzu gehören Konstruktionen wie Doppel-Gauß-Objektive (Biotare) oder deren Modifikationen, Doppelanastigmate oder symmetrische Weitwinkelobjektive vom Typ Angulon, welche durch zerstreuende Menisken vor und hinter einem zentralen sammelnden Objektivteil charakterisiert sind. Bei all diesen Objektivkonstruktionen steht die Blende zentral etwa in der Mitte. Nachteil solcher Objektivtypen ist, dass infolge der vor der Blende stehenden meniskenförmigen Linsen oder Linsengruppen von außerhalb des Objektfeldes befindlichen hellen Lichtquellen infolge Mehrfachreflexionen unerwünschte Nebenbilder beziehungsweise Blendenbilder auf dem eigentlichen Bildfeld entstehen können. Besonders deutlich ist dieser Effekt bei sogenannten Retrofokusobjektiven, wie er beispielsweise bei Fernsehaufnahmen gegen die Sonne beobachtet werden kann.
Ein geringere Reflexe aufweisendes Objektiv ist das sogenannte Tessar. Es besteht aus 4 Linsen, die keine Meniskenform aufweisen. Es ist relativ kurz gebaut. Nachteile eines Tessars sind eine Kittfläche zwischen Linsen, die beispielsweise im Weltraum unbeständig sein kann, die Vignettierung bei Feldwinkeln von größer 40°, sowie fertigungstechnisch schwer herzustellende Flächenkrümmungen insbesondere bei der zentralen Negativlinse. Desweiteren weist auch das Tessar eine zentrale Blende auf. Bei einer Vorverlagerung der Pupille können, wie in der Dietzsch, E.: Front-stop lenses, Proc. SPIE Vol. 1780 p. 721–726 (1993) beschrieben, erhebliche Bildfehler, insbesondere Verzeichnungen auftreten, die die Eignung eines Objektivs als Messobjektiv einschränken.
Ein lichtstarkes Objektiv mit einer in der ersten Linse liegenden Eintrittspupille (EP) ist beispielsweise aus der DD 271 432 A3 bekannt. Die bei diesem Objektiv erreichte hochgradig isoplanatische Korrektur erstreckt sich jedoch nur über einen Feldwinkel von ca. 10°. Mit gewissen Zugeständnissen an die Abbildungsqualität ist eine Erweiterung auf 20° möglich. Der Vorteil dieses Objektivs liegt vor allem in dem geringen Streulicht, begründet durch die frontale Blendenlage. Der Nachteil ist neben dem Aufwand von 6 Linsen, dass dessen Feldwinkel begrenzt ist.
Aufgabe der Erfindung ist die Weiterbildung eines Objektivs, insbesondere eines Messobjektivs.
Die Aufgabe wird durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst. Die von dem Anspruch 1 abhängigen Unteransprüche geben vorteilhafte Ausführungsformen des Anspruchs 1 wieder.
Das vorgeschlagene fotografische Objektiv wie Messobjektiv dient insbesondere der Satellitennavigation und kann hierbei optisch unendlich entfernte punktförmige Objekte wie beispielsweise Sterne und andere Himmelsobjekte in ausreichender Schärfe erfassen. Zusätzlich kann das vorgeschlagene Objektiv zur Lösung von Navigationsaufgaben für endlich entfernte Objekte, die sich beispielsweise in einer Entfernung bis zum 50-fachen und näher bis zum 30-fachen der vorgegebenen Brennweite des Objektivs befinden, eingesetzt werden. Beispielsweise können von dem Objektiv Abbildungsmaßstäbe bis zu 1:50, insbesondere bis zu 1:30 erfasst werden. Das Objektiv kann eine minimale Öffnung von beispielsweise einem Viertel oder einem Drittel der Brennweite, einen Feldwinkel von 30° bis vorzugsweise 40° erfassen und praktisch vignettierungsfrei sein. Hierbei kann vorgesehen sein, die als Aperturblende ausgebildete Blende bevorzugt rund auszubilden, wodurch beispielsweise eine leichte Regelbarkeit dieser erzielt und unkontrollierte Beugungserscheinungen vermieden werden können.
In vorteilhafter Weise kann durch die Art und Anordnung der Linsen die Anzahl der Linsen auf fünf beschränkt werden.
Desweiteren kann das vorgeschlagene Objektiv folgende Vorteile in nicht zwangsweise abschließender Aufzählung aufweisen:

– Freiheit von Streulicht und Doppelreflexen, einfache Fokussiereinrichtung
– gute Fertigbarkeit, das heißt, Vermeidung von stark gekrümmten Linsenflächen,
– frei von Kittflächen,
– Linsenanzahl kleiner sechs,
– vor der Blende keine optisch wirksamen Elemente, insbesondere Linsen.

Eine vorteilhafte Ausführungsform des fotografischen Objektivs weist eine relative Öffnung von wenigstens 1:4 bis zu 1:2.5 und einen erweiterten Feldwinkel von 30° bis 40° auf. Das Objektiv ist in bevorzugter Weise mit einem CCD-Empfänger zu einem Messsystem für Messaufgaben sowie zur Navigation und als abbildendes Messsystem zur Satellitennavigation kombiniert. Ein derartiges Messsystem ist ebenfalls von der Erfindung umfasst. Desweiteren ist ein Sternsensor mit dem vorgeschlagenen Objektiv wie Messobjektiv, einer Kamera mit einem CCD-Chip von der Erfindung umfasst. Die frontal direkt am Eingang des Objektivs angeordnete Blende kann insbesondere zu einer hohen Streulichtfreiheit sowie Freiheit von Doppelreflexen (ghost's) führen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Objektiv aus einem objektseitigen Objektivteil in Form eines aufgespalteten Achromaten mit lediglich einem Duplett aus zwei Linsen gebildet sein, nämlich einer bikonvexen Kronglaslinse in Front und einer nachfolgenden Konkavkonvexlinse mit der Kronglaslinse zugewandter konkaver Seite und von der Kronglaslinse abgewandter konvexer Seite. Durch einen großen Luftraum getrennt folgt ein bildseitig angeordneter Objektivteil, bestehend aus einem Duplett aus einer Bikonvexlinse und einer nachfolgenden Konkavkonvexlinse, welche ihre konvexe Seite der einfallenden Strahlung zuwendet. Durch einen Luftraum getrennt folgt eine bikonkave, als Bildebnungslinse dienende Feldlinse dicht vor der Bildebene. Infolge der dicht vor der ersten Linse angeordneten Aperturblende kann das Objektiv weitestgehend vignettierungsfrei ausgebildet werden. Dem bildseitigen Objektivteil folgt mit einstellbarem Luftraum eine bikonkave Feldlinse.
Die Erfindung wird anhand der in den 1 und 2 sowie den beiden Tabellen 1 und 2 näher erläutert.
1 zeigt das Objektiv 1 in schematischer Darstellung. Wie in 1 gezeigt, kann der Feldwinkel erheblich vergrößert werden, wenn das Öffnungsverhältnis auf f/4 bis maximal f/2 begrenzt wird, das heißt auf die Hälfte bis zu einem Viertel der Brennweite des Objektivs 1 beschränkt wird. Dadurch vereinfacht sich der Objektivtyp erheblich und besteht objektseitig lediglich aus dem Objektivteil 10, hier gebildet aus einem einfachen aufgespaltenen Achromaten, bestehend aus den im Luftraum l₁ beabstandeten Linsen L1 und L2, dem in einem großen Luftraum l₂ von größer als dem 0,35-fachen der Brennweite der bildseitige Objektivteil 11, gebildet aus den Linsen L3 bis L5 folgt. Die durch den Luftraum l₃ getrennten Linsen L3 und L4, von denen die erste Linse L3 eine Bikonvexlinse und die zweite Linse L4 eine Konkavkonvexlinse, welche ihre konvexe Seite der einfallenden Strahlung zuwendet, ist, bilden gemeinsam ein sammelndes Duplett, und diesem folgt schließlich, durch den Luftraum l₄ getrennt, eine bikonkave als Feldlinse wie Bildebnungslinse dienende Linse L5, welche, definiert durch die bildseitige Schnittweite s', dicht vor der Bildebene BE steht. Die Vorderblende BL steht dicht vor dem ersten Linsenscheitel und kann leicht, beispielsweise durch ein Blendenrad, den verlangten Öffnungsverhältnissen angepasst werden.
Das hier beschriebene Objektiv 1 kann somit als echte "front-stop lens" bezeichnet werden. Die Restverzeichnung bleibt bei dem geforderten Feldwinkel von 40° deutlich unter 0,5%, was einem kalibrierten Verzeichnungsrestfehler von ca. 0,2% entspricht, ein Wert, der bei Anwendung moderner Sensoren "in situ" elektronisch korrigiert werden kann.
Gegenüber dem in der DD 271 432 A3 beschriebenen Objektiv ist der bildseitige Objektivteil, bedingt durch das erweiterte Bildfeld, deutlich größer als der objektseitige. Die Erhöhung des Bildfeldes wurde mit insgesamt fünf Linsen realisiert. Die Radien aller Linsen weisen relativ geringe Krümmungen auf und sind betragsmäßig größer als 0,6f, wobei f die Brennweite des Objektivs ist.
Für eine Fokussierung auf gegenüber der "Unendlich-Einstellung" näher gelegene Objekte bietet das Objektiv 1 die Möglichkeit einer sogenannten "internen" Fokussierung, bei der praktisch keine zusätzlichen Bildfehler (wie sie im allg. bei einer Fokussierung durch das Gesamtsystem bedingt sind) entstehen und die Korrektionscharakteristik erhalten bleibt. Dabei werden die Linsen L1 bis L4 im Komplex zum Objekt hin verschoben, während die Linse L5 im konstanten Abstand zur Bildebene BE verbleibt. Dies bedeutet, dass sich dabei nur der Luftraum l₄ ändert.
1 zeigt eine Schnittzeichnung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 mit einer relativen Öffnung f/2.5 und einem Feldwinkel von 40°. Die Daten der Konstruktionselemente sind in der zugehörigen Tabelle 1 angegeben. Zur Ausbildung einer geringeren relativen Öffnung wird der Durchmesser des frontseitigen Achromaten entsprechend verringert, während der bildseitige Objektivteil 11 im Wesentlichen unverändert bleibt.

Weitere Untersuchungen an unterschiedlichen Auslegungen des Objektivs 1 haben gezeigt, dass das Öffnungsverhältnis über f/2.5 bis auf f/2 oder f/1.8 erhöht werden kann, wenn der Feldwinkel entsprechend reduziert wird.

Radien	Dicken und Lufträume	Brechzahlen n_c	Abbesche Zahlen v_e
r₁ = 0,916	d₁ = 0,150	1,6201	63,5
r₂ = –1,566	l₁ = 0,025
r₃ = –1,053	d₂ = 0,071	1,8052	25,4
r₄ = –4,234	l₂ = 0,567
r₅ = 1,696	d₃ = 0,167	1,6910	54,7
r₆ = –1,594	l₃ = 0,041
r₇ = 0,782	d₄ = 0131	1,6910	54,7
r₈ = 1,758	l₄ = 0,149
r₉ = –0,777	d₅ = 0,100	1,8052	25,4
r₁₀ = 1,178

Tabelle 1: Brennweite: f = 1, relative Öffnung 1:2.5, Feldwinkel: 2w = 40°, bildseitige Schnittweite: s' = 0,1243.

Ein entsprechendes Ausführungsbeispiel des Objektivs 1a mit der Öffnung f/2 ist in 2 und der zugehörigen Tabelle 2 gezeigt.

Radien	Dicken und Lufträume	Brechzahlen n_c	Abbesche Zahlen v_e
r₁ = 0,7596
r₂ = –2,5589	d₁ = 0,1600	1,6201	63,5
r₃ = –1,0763	l₁ = 0,0529
r₄ = –7,2340	d, = 0,0705	1,8052	25,4
r₅ = 2,7196	l₂ = 0,3719
r₆ = –1,3293	d₃ = 0,1500	1,6910	54,7
r₇ = 0,8778	l₃ = 0,0500
r₈ = 3,5714	d₄ = 0,1500	1,6910	54,7
r₉ = –0,6313	l₄ = 0,1486
r₁₀ = 1,5960	d₅ = 0,1850	1,7282	28,4

Tabelle 2: Brennweite: f = 1, relative Öffnung 1:2, Feldwinkel: 2w = 36°, bildseitige Schnittweite: s' = 0,1246

Bezugszeichenliste

1: Objektiv
1a: Objektiv
10: Objektivteil
11: Objektivteil
BL: Vorderblende
BE: Bildebene
d₁: Dicke
d₂: Dicke
d₃: Dicke
d₄: Dicke
d₅: Dicke
L1: Linse
L2: Linse
L3: Linse
L4: Linse
L5: Linse
l₁: Luftraum
l₂: Luftraum
l₃: Luftraum
l₄: Luftraum
r₁: Radius
r₂: Radius
r₃: Radius
r₄: Radius
r₅: Radius
r₆: Radius
r₇: Radius
r₈: Radius
r₉: Radius
r₁₀: Radius
s': Schnittweite

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DD 271432 A3 [0004, 0015]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

Dietzsch, E.: Front-stop lenses, Proc. SPIE Vol. 1780 p. 721–726 (1993) [0003]

Claims

Objektiv (1, 1a), insbesondere Messobjektiv mit einer vorgegebenen Brennweite (f) und einer Vorderblende (BL), enthaltend einen objektseitigen Objektivteil (10) und einen durch einen Luftraum (l₂) von größer als dem 0,35-fachen der Brennweite getrennt von diesem angeordneten bildseitigen Objektivteil (11) und eine durch einen weiteren Luftraum (l₄) getrennt zwischen dem bildseitigen Objektivteil (11) und der Bildebene (BE) angeordnete bikonkave Linse (L5), dadurch gekennzeichnet, dass der bildseitige Objektivteil (10) ausschließlich aus einem einen aufgespalteten Achromaten bildenden Duplett, enthaltend eine als Frontlinse ausgebildete bikonvexe Linse (L1) und eine nachfolgende konkavkonvexe Linse (L2) mit der Frontlinse zugewandter konkaver Seite und von der Frontlinse abgewandter konvexer Seite gebildet ist.
Objektiv (1, 1a) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der objektseitige Objektivteil (10) in Lichtrichtung von der Vorderblende (BL) in Richtung einer Bildebene (BE) betrachtet aus einem Duplett aus zwei Sammellinsen, von denen eine erste als bikonvexe Linse (L3) und eine zweite als konkavkonvexe Linse (L4), welche ihre konvexe Fläche der einfallenden Strahlung zuwendet, gebildet ist.
Objektiv (1, 1a) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Anzahl der Linsen (L1, L2, L3, L4, L5) auf fünf begrenzt ist.
Objektiv (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Krümmungsradien (r₁, ..., r₁₀) aller Linsenflächen dem Betrage nach größer als das 0,6-fache der Brennweite des Objektivs (1, 1a) sind.
Objektiv (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die als Frontlinse dienende Linse (L1) als Kronglaslinse gebildet ist.
Objektiv (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Innenfokussierung des Objektivs (1, 1a) ausschließlich durch Vergrößerung des Luftraumes (l₄) vor der bikonkaven Linse (L5) vorgesehen ist und die Linse (L5) in einem konstanten Abstand zur Bildebene (BE) vorgesehen ist.
Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch die in der Tabelle 1 angegebenen Konstruktionselemente.
Objektiv (1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch die in der Tabelle 2 angegebenen Konstruktionselemente.
Messsystem mit dem Objektiv (1, 1a) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 und einem an der Bildebene (BE) angeordneten CCD-Chip.
Sternsensor enthaltend eine Kamera mit dem Messsystem des Anspruchs 9.