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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein miniaturisiertes Video-Beobachtungssystem
zur Abbildung eines Objekts auf einen Videosensor.
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Bekannte
Video-Beobachtungssysteme weisen ein Objektiv mit wenigstens zwei
relativ zueinander entlang einer optischen Achse verlagerbaren Linsengruppen
auf, um einen Arbeitsabstand des Beobachtungssystems, d.h. einen
Abstand zwischen einer scharf auf den Videosensor abgebildeten Objektebene
und einer Frontlinse des Objektivs, zu ändern. Ferner umfassen bekannte
Video-Beobachtungssysteme ein Zoomsystem mit wenigstens zwei entlang
der optischen Achse relativ zueinander verlagerbaren Linsengruppen,
um eine Vergrößerung zu ändern, mit
der das in der Objektebene angeordnete Objekt auf den Videosensor
abgebildet wird.
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Beispielsweise
zeigt die Patentschrift
US 4,775,228 ein
Zoomlinsensystem mit zwei gegeneinander verlagerbaren Linsengruppen,
einem Objektiv und einer Fokussiereinrichtung.
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Derartige
Video-Beobachtungssysteme sind vielseitig einsetzbar. Für bestimmte
Anwendungen haben sich die bekannten Video-Beobachtungssysteme als
zu unhandlich erwiesen. Dies sind insbesondere Anwendungen, bei
denen der Arbeitsabstand vergleichsweise gering ist und eine vergrößerte Abbildung
des Objekts gewonnen werden soll. Dies sind u.a. Anwendungen, bei
denen die Beobachtung direkt mit dem Auge des Benutzers und ohne
Einsatz eines Videosensors mit Mikroskopen kleiner Vergrößerungen
erfolgen kann.
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Video-Beobachtungssystem
mit variablem Arbeitsabstand und variabler Vergrößerung vorzuschlagen, welches
unter Beibehaltung einer ausreichenden Abbildungsqualität eine miniaturisierte
Bauweise erlaubt.
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Die
Erfindung geht dabei aus von einem Video-Beobachtungssystem mit
einer optischen Achse, einer Objektebene zur Anordnung eines zu
beobachtenden Objekts und einer Bildebene, in der ein Videosensor
angeordnet ist, wobei die Objektebene durch eine Optik in die Bildebene
abgebildet wird. Die Optik umfasst wenigstens ein Objektiv mit änderbarem
Arbeitsabstand und ein Zoomsystem mit variabler Vergrößerung.
Der Videosensor umfasst eine strahlungsempfindliche Fläche, welche
in der Bildebene angeordnet ist, auf die die Objektebene durch die
Optik abgebildet wird. In der strahlungsempfindlichen Fläche ist
eine Vielzahl von strahlungsempfindlichen Elementen bzw. Pixeln
angeordnet, welche jeweils auftreffende Strahlung integrieren. Der Videosensor
stellt dann ein Bild des Objekts beispielsweise als Signale bereit,
welche die von den einzelnen strahlungsempfindlichen Elementen registrierten
Strahlungsintensitäten
repräsentieren.
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Der
Erfindung liegen Überlegungen
zugrunde, die abbildende Optik so auszugestalten, dass deren geometrische
Abmessungen möglichst
klein sind und dabei die erreichte Abbildungsqualität an ein
Auflösungsvermögen des
Videosensors angepasst ist.
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Unter
einem ersten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass
die Ungleichungen (Dfmax·Dbf)/f ≥ 1,0 mmund Dfmax < 10 mmerfüllt sind,
wobei
- Dfmax
- ein größter freier
Durchmesser sämtlicher
Linsen des Video-Beobachtungssystems ist,
- Dbf
- ein Durchmesser der
strahlungsempfindlichen Fläche
in der Bildebene ist, und
- f
- eine Brennweite eines
Videoadapters ist, der wenigstens eine Linse umfasst und zwischen
dem Zoomsystem und dem Videosensor angeordnet ist.
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Hierin
bezeichnet Dfmax den maximalen freien Durchmesser der größten (im
Sinne ihres Durchmessers) in dem Video-Beobachtungssystem verwendeten
Linse, und stellt insofern ein Maß für die Dicke des Video-Beobachtungssystems
dar. Der "freie
Durchmesser" einer
Linse ist dabei der Durchmesser eines durch alle Linsen des Video-Beobachtungssystems
hindurchtretenden, die strahlungsempfindliche Fläche voll ausleuchtenden Strahlenbündels in
der Ebene der betreffenden Linse.
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Durch
die Ausgestaltung gemäß diesem
ersten Aspekt kann ein besonders lichtstarkes und kompaktes Video-Beobachtungssystem
bereitgestellt werden.
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Unter
einem zweiten Aspekt zeichnet sich die Erfindung dadurch aus, dass,
wenn das Objektiv auf einen maximalen Arbeitsabstand und gleichzeitig
das Zoomsystem auf eine maximale Vergrößerung eingestellt sind, die
Ungleichung (Dsbmax·Dofmin)/amax ≤ c·N1/2 erfüllt ist, wobei
- Dsbmax
- ein maximaler Durchmesser
des Strahlenbündels
in einer Ebene der Frontlinse ist, was bei dieser Einstellung der
Optik dem freien Durchmesser der Frontlinse entspricht,
- Dofmin
- ein minimaler Durchmesser
eines auf die strahlungsempfindliche Fläche abgebildeten Objektfeldes
in der Objektebene ist,
- amax
- ein maximaler Arbeitsabstand
ist,
- N
- die Anzahl der strahlungsempfindlichen
Elemente ist, und
- c
- in einem Bereich kleiner
3·10–3 mm,
insbesondere kleiner 1·10–3 mm,
weiter bevorzugt kleiner 0,5·10–3 mm,
liegt.
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Als
ein unterer Wert für
c hat sich 0,2·10–3 mm,
insbesondere 0,4·10–3 mm
als günstig
erwiesen.
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Durch
eine Ausgestaltung gemäß dem zweiten
Aspekt kann ein besonders schlankes, und besonders gut an den verwendeten
Videosensor angepasstes Video-Beobachtungssystem bereitgestellt
werden.
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Vorzugsweise
umfasst das Zoomsystem vier entlang der optischen Achse angeordnete
Linsengruppen, welche abwechselnd positive und negative Brechkraft
aufweisen. Hierbei ist es wiederum vorteilhaft, wenn die erste,
dem Objektiv unmittelbar benachbarte Linsengruppe des Zoomsystems
negative Brechkraft aufweist.
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Im
Hinblick auf eine einfache Verstellung der mehreren Linsengruppen
des Zoomsystems relativ zueinander ist es vorteilhaft, dass ein
Paar von Linsengruppen fest miteinander verbunden und relativ zu
dem Videosensor axial verlagerbar ist, während die übrigen Linsengruppen des Zoomsystems
bezüglich
dem Videosensor fest angeordnet sind.
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Hierbei
ist es im Hinblick auf eine einfache Fertigung der einzelnen Komponenten
und insbesondere für
die Stabilität
der Fokuslage beim Zoomen vorteilhaft, wenn die beiden Linsengruppen
negativer Brechkraft jeweils gleichen optischen Aufbau aufweisen,
also gleiche Gläser,
Krümmungsradien
und Dicken.
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Vorteilhafterweise
ist eine erste Linsengruppe des Objektivs, welche die Frontlinse
umfasst, bezüglich des
Videosensors zur Änderung
des Arbeitsabstands verschiebbar gelagert, während die benachbart zu dem Zoomsystem
angeordnete Linsengruppe des Objektivs relativ zu dem Videosensor
fest angeordnet ist.
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Im
Hinblick auf die Miniaturisierung des Systems sind das Objektiv
und das Zoomsystem derart ausgebildet, dass ein Strahlengang zwischen
dem Objektiv und dem Zoomsystem konvergent ist.
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Im
Hinblick auf eine einfache Bedienung des Systems kann das Objektiv
und das Zoomsystem ferner derart ausgebildet sein, dass eine Änderung
der Vergrößerung unabhängig von
einer Änderung
des Arbeitsabstands möglich
ist.
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Im
Hinblick auf eine einfache Justage des miniaturisierten Video-Beobachtungssystems
ist im Strahlengang zwischen dem Zoomsystem und dem Videosensor
ein Videoadapter mit wenigstens einer Linse vorgesehen, wobei der
Strahlengang zwischen dem Zoomsystem und dem Videoadapter vorzugsweise
ein paralleler Strahlengang ist.
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Der
Videoadapter umfasst vorzugsweise eine Meniskuslinse mit negativer
Brechkraft, deren Linsenflächen
weiter bevorzugt zur Objektebene hin gewölbt sind.
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Eine
Baulänge
des Video-Beobachtungssystems ist vergleichsweise klein, indem ein
Abstand zwischen einem der Objekt ebenen zugewandten Scheitel der
Frontlinse und der Bildebene kleiner als 80 mm, vorzugsweise kleiner
als 65 mm, und stärker
bevorzugt kleiner als 45 mm ist. Der maximale freie Durchmesser aller
Linsen ist vorzugsweise kleiner als 10 mm, bevorzugt kleiner als
8 mm, und stärker
bevorzugt kleiner oder gleich 6 mm.
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Hierbei
ist die Vergrößerung bzw.
der Abbildungsmaßstab
zwischen Objektebene und Bildebene um einen Faktor von wenigstens
2,5, vorzugsweise wenigstens 3,5, änderbar, und der Arbeitsabstand
ist vorzugsweise wenigstens in einem Bereich von 30 mm bis 50 mm,
bevorzugt 20 mm bis 100 mm, änderbar.
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Im
Rahmen der vorliegenden Anmeldung bedeutet der Begriff "Linsengruppe" wenigstens eine
Linse, wobei die Linsengruppe auch mehrere Linsen umfassen kann,
welche teilweise auch als Kittglieder ausgebildet sein können.
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Im
folgenden werden Ausführungsformen
der Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert. Hierbei zeigen:
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1 einen
Strahlengang durch eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Video-Beobachtungssystems;
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2 das
in 1 dargestellte Video-Beobachtungssystem in drei
verschiedenen Zoomstellungen bei einem klein gewählten Arbeitsabstand und in
zwei verschiedenen Zoomstellungen bei einem groß gewählten Arbeitsabstand; und
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3 eine
detaillierte Schnittzeichnung eines Ausschnitts des erfindungsgmäßen Video-Beobachtungssystems.
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Ein
in 1 schematisch dargestelltes Video-Beobachtungssystem 1 umfasst
eine entlang einer optischen Achse 3 ange ordnete Optik
aus einem Objektiv 5, einem Zoomsystem 7 und einem
Videoadapter 9. Mit der Optik wird eine Objektebene 11 in
eine Bildebene 13 optisch abgebildet, d.h. in der Bildebene 13 entsteht
ein scharfes Bild eines in der Objektebene 11 angeordneten
Objekts. Ein Videosensor in Form eines CCD-Chips 15 ist zentriert und
quer zur optischen Achse 3 derart angeordnet, dass dessen
strahlungsempfindliche Fläche 17 in
der Bildebene 13 liegt. Die strahlungsempfindliche Fläche 17 des
Videochips 15 umfasst bei der dargestellten Ausführungsform
eine Anordnung aus 750·500
strahlungsempfindlichen Einzelelementen bzw. Pixeln, wobei die Abmessung
einer Diagonalen der Pixelanordnung eine Länge Dbf von 4,6 mm aufweist, so
dass benachbarte Pixel einen Abstand von etwa 0,005 mm voneinander
aufweisen. Strukturen des Objekts können mit diesem Sensor optisch
aufgelöst
werden, wenn diese Strukturen Unterschiede an Strahlungsintensitäten hervorrufen,
wie sie durch verschiedene Pixel des Sensors registriert werden.
Eine Auflösungsgrenze liegt
dabei bei zwei bis drei benachbarten Bildpixeln. Somit können Strukturen
des Objekts optisch noch aufgelöst
werden, wenn deren Bilder in der Bildebene einen Abstand von etwa
0,010 mm bis 0,015 mm voneinander aufweisen.
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Das
Objektiv 5 umfasst eine Linsengruppe 21, die aus
zwei als Kittglied miteinander verbundenen Linsen gebildet ist,
und eine weitere Linsengruppe 23 aus drei Linsen, von denen
zwei als Kittglied verbunden sind. Die Linsengruppe 23 ist
fest in einem Gehäuse
der Optik gehalten, so dass sie einen festen Abstand von der Bildebene 13 aufweist.
Die Linsengruppe 21 ist in Richtung der optischen Achse 3 verschiebbar
in dem Gehäuse
gelagert, wobei zur Verschiebung ein in 1 nicht
dargestellter Antrieb vorgesehen ist. Durch Verschieben der Linsengruppe 21 relativ
zu der Linsengruppe 23 ist ein Arbeitsabstand a des Video-Beobachtungssystems
einstellbar. Der Arbeitsabstand a wird gemessen als ein Abstand
zwischen der Objektebene 11 und einem Scheitel 25 einer
Frontlinse 27 der Linsengruppe 21. Durch Ändern des
Abstands zwischen den Lin sengruppen 21 und 23 um
1,8 mm ist der Arbeitsabstand a in einem Bereich von etwa 30 mm
bis 50 mm änderbar.
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Das
Zoomsystem 7 umfasst entlang der optischen Achse 3 nacheinander
vier Linsengruppen 29, 31, 33 und 35,
welche jeweils zwei Linsen umfassen, die zusammengekittet sind.
Die Linsengruppen 29 und 33 weisen jeweils negative
Brechkraft auf, und die Linsengruppen 31 und 35 weisen
jeweils positive Brechkraft auf.
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Ferner
sind die Linsengruppen 31 und 35 jeweils mit festem
Abstand zur Bildebene 13 in dem Gehäuse gehaltert, während die
Linsengruppen 29 und 33 entlang der optischen
Achse verschiebbar gehaltert sind. Hierzu sind sie durch ein Bauteil 37 starr
miteinander verbunden, so dass die beiden Linsengruppen 29 und 33 gemeinsam
und mit festem Abstand voneinander entlang der optischen Achse durch
einen in 1 nicht dargestellten Antrieb
verschiebbar sind.
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Der
Videoadapter 9 umfasst eine Linsengruppe 39 positiver
Brechkraft aus zwei zusammengekitteten Einzellinsen sowie eine Meniskuslinse 41,
deren beiden Linsenflächen
zur Objektebene 11 hin durchgewölbt sind, d.h. die Krümmungsmittelpunkte
der beiden Linsenflächen
liegen auf Seiten des Videosensors 15.
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Optische
Daten des Video-Beobachtungssystems
1 sind in der nachfolgenden
Tabelle angegeben:
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Darin
gibt die erste Spalte in aufsteigender Nummerierung die Linsenfläche an,
und zwar beginnend mit der objektseitigen Linsenfläche der
Frontlinse 27. Die zweite Spalte bezeichnet den Krümmungsradius
der entsprechenden Linsenfläche
und die vierte Spalte deren freien Durchmesser. In der dritten Spalte
sind die Abstände
zwischen aufeinanderfolgenden Linsenflächen, und zwar gemessen auf
der optischen Achse 3, angegeben, während in der fünften Spalte
das Medium zwischen zwei aufeinanderfolgenden Linsenflächen angegeben
ist. Dies ist entweder Luft oder ein Glas, wobei die Glasart mit
der Produktbezeichnung der Firma Schott wiedergegeben ist.
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In 3 ist
die Halterung der verschiedenen Linsengruppen im Gehäuse dargestellt.
Das Gehäuse besteht
aus mehreren miteinander verschraubten Teilen 101, 103, 105, 107,
in denen Linsenfassungen 111, 113, 115 und 117 für die Linsengruppen
des Objektivs und des Zoomsystems gehaltert sind. Die Linsen des Videoadapters 9 sind
in einer eigenen Fassung 109 angeordnet. Diese Fassung 109,
die zu einem anderen Bauteil gehört
als die Linsenfassungen des Zoomsystems 7 und des Objektivs 5,
wird, etwa bei einem Austausch des Zoomsystems 7, in eine
Aussparung der Fassung 111 für die bildseitige Linsengruppe 35 des Zoomsystems
eingeführt.
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Die
verschiebbare erste und dritte Linsengruppe 29, 33 des
Zoomsystems sind gemeinsam in einem mit einer Zähnung 121 ausgestatteten
Bauteil 115 angeordnet. Dieses Bauteil hat im Wesentlichen
die Gestalt eines längs
halbierten Hohlzylinders, an dessen Enden die Linsenfassungen als
Ringe ausgebildet sind. Mittels eines Einstellrades 123,
das in die Zähnung 121 eingreift,
kann die axiale Position der verschiebbaren Zoom-Linsengruppen 29, 33 relativ
zum Gehäuse
verändert
werden. Durch diese Verschiebung wird die Vergrößerung des Zoomsystems 7 eingestellt.
Die zweite Linsengruppe 31 des Zoomsystems 7 ist
dagegen in der Fassung 113 gehaltert, und das mit der Zähnung versehene
Bauteil 115 ist gegenüber
dieser zweiten Linsengruppe 31 verschiebbar.
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Weiterhin
ist der vordere Gehäuseteil 107,
der die verschiebbare Linsengruppe 21 einschließlich der Frontlinse 27 des
Objektivs haltert, mit einer spiralförmigen Nut ausgestattet, in
die der Zapfen 125 eingreift. Somit kann die axiale Position
der Frontlinsengruppe 21 durch Verdrehen des vorderen Gehäuseteils 107 gegen
des Rest des Gehäuses
eingestellt werden. Wie unten ausgeführt, kann dadurch der Arbeitsabstand
a variiert werden.
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Mit
Ausnahme einer der Linsen des Objektivs, und zwar der objektseitigen
Linse der nicht verschiebbaren Linsengruppe 23, und der
Meniskuslinse 41 des Videoadapters sind alle Linsen als
Kittglieder aus je einer Linse mit positiver und einer Linse mit
negativer Brechkraft ausgeführt.
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In 2 ist
das Video-Beobachtungssystem mit verschiedenen Einstellungen für den Arbeitsabstand a
und die Vergrößerung bzw.
den Abbildungsmaßstab
schematisch dargestellt.
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Die
Optik ist so ausgelegt, dass der Bildfelddurchmesser Dbf durch die
Abmessung der strahlungsempfindlichen Fläche des Videosensors 15 gegeben
ist.
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Der
Arbeitsabstand a ist durch Änderung
des axialen Abstands zwischen den beiden Linsengruppen 21 und 23 des
Objektivs 5 änderbar.
Die 2a, 2b und 2c zeigen
das Video-Beobachtungssystem 1 in einer Einstellung, bei
der die beiden Linsengruppen 21 und 23 ihren maximalen
Abstand voneinander aufweisen. Bei dieser Einstellung ist der Arbeitsabstand
a auf seinen kleinsten Wert amin von 30 mm eingestellt.
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Die
Vergrößerung des
Video-Beobachtungssystems 1 ist durch gemeinsame Verlagerung
der Linsengruppen 29 und 33 des Zoomsystems 7 relativ
zu den übrigen
Komponenten der Optik einstellbar. In 2a ist
das Video-Beobachtungssystem in einer Einstellung gezeigt, in der
die beiden Linsengruppen 29 und 33 in ihrer maximal
zu der Bildebene 13 hin bewegten Stellung gezeigt sind.
Dies ist die Einstellung, in der die Vergrößerung maximal ist. Da der
Bildfelddurchmesser Dbf durch die Geometrie des Videosensors 15 unabhängig von
der Zoomeinstellung festgelegt ist, ist in dieser Einstellung entsprechend
ein Durchmesser Dof minimal und weist einen Wert Dofmin von etwa
4,6 mm auf.
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In 2c ist
eine Einstellung gezeigt, in der die beiden Linsengruppen 29 und 33 gemeinsam
in ihre am weitesten von der Bildebene 13 entfernten Stellung
bewegt sind. In dieser Stellung stellt das Zoomsystem seine geringste
Vergrößerung bereit,
und der Objektfelddurchmesser Dof weist seinen größten Wert
Dofmax von etwa 18,5 mm auf.
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In 2b befindet
sich das Video-Beobachtungssystem 1 in einer Einstellung
mit minimalem Arbeitsabstand und mittlerer Vergrößerung.
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In
den 2d und 2e befindet
sich das Objektiv 5 in einer Einstellung, in der die beiden
Linsengruppen 21 und 23 maximal einander angenähert sind.
Das ist die Einstellung, in der der Arbeitsabstand a des Video-Beobachtungssystems
seinen maximalen Wert amax von etwa 50 mm aufweist.
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In 2d befindet
sich das Zoomsystem in einer der 2a entsprechenden
Stellung mit maximaler Vergrößerung.
Bei dem Arbeitsabstand amax und maximaler Vergrößerung weist der Durchmesser
Dof des Objektfelds einen minimalen Wert Dofmin von etwa 6,5 mm
auf. In 2e befindet sich das Zoomsystem
in einer Einstellung, die der 2c entspricht,
d.h. die von dem Zoomsystem bereitgestellte Vergrößerung ist
minimal. Entsprechend weist dann der Objektfelddurchmesser Dof seinen maximalen
Wert Dofmax auf, der bei dem maximalen Arbeitsabstand amax etwa
27 mm beträgt.
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Wie
aus 2 und den angegebenen Daten ersichtlich ist, weist
das Video-Beobachtungssystem bei einer Änderbarkeit des Arbeitsabstands
in einem Bereich von etwa 30 bis 50 mm und einer Änderung
der Vergrößerung bzw.
des Abbildungsmaßstabs
um einen Faktor 4 und einer durch den eingesetzten Videochip
begrenzten Auflösung
eine vergleichsweise geringe Baugröße auf. So beträgt der maximale
Abstand zwischen der Bildebene 13 und dem vorderen Scheitelpunkt 25 der
Frontlinse 27 lediglich etwa 50 mm, und der maximale Durchmesser
der eingesetzten Linsen beträgt
lediglich 6 mm.
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Dies
wird u.a. durch eine geschickte Abstimmung des Objektivs und des
Zoomsystems aufeinander erreicht, indem zwischen der Linsengruppe 23,
d.h. der dem Zoomsystem 7 zugewandten Linsengruppe des Objektivs 5,
und der Linsengruppe 29, dies ist die dem Objektiv 5 zugewandte
Linsengruppe des Zoomsystems 7, ein konvergenter Strahlengang
herrscht.
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Ferner
sind in der Optik folgende günstige
Konstruktionsregeln in der in 2e gezeigten
Einstellung mit geringster Vergrößerung und
maximalem Arbeitsabstand erfüllt: (Dfmax·Dbf)/f ≥ 1,0 mm, Dfmax ≤ 10 mmund
in der in 2d gezeigten Einstellung mit
höchster
Vergrößerung und
maximalem Arbeitsabstand (Dsbmax·Dofmin)/amax ≤ 3·10–3 mm·N1/2.
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Hierbei
bedeutet Dofmin den minimalen Objektfelddurchmesser beim maximalen
Arbeitsabstand amax, und Dsbmax bedeutet den maximalen Durchmesser
des Strahlenbündels
in der Ebene der Frontlinse 27, was bei dieser Einstellung
der Optik dem freien Durchmesser der Frontlinse 27 von
6 mm entspricht.
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Dfmax
ist der größte freie
Druchmesser aller Linsen, Dbf ist der Bildfelddurchmesser, und f
ist die Brennweite des Videoadapters. N ist die Anzahl der auf dem
Videochip angeordneten Pixel. Bei der beschriebenen Ausführungsform
ist N = 750·500.
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Im
Hinblick auf eine einfache Justierbarkeit des Videosensors 15 relativ
zu der Optik ist der Videosensor 17 in einer gemeinsamen
Baugruppe mit dem Videoadapter 9 gehaltert, während die übrige Optik
als Zoomsystem und Objektiv 5 auch in einer gemeinsamen
Baugruppe zusammengefasst ist. Zwischen der Linsengruppe 35,
d.h. der dem Videoadapter 9 zugewandten Linsengruppe des
Zoomsystems 7 und der Linsengruppe 39, das ist
die dem Zoomsystem 7 zugewandte Linsengruppe des Videoadapters 9,
besteht ein paralleler Strahlengang, so dass die Justage des Videosensors 15 relativ
zu der restlichen Optik aus Zoomsystem und Objektiv einfach möglich ist.
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Allerdings
ist es ebenfalls möglich,
die Funktion des Videoadapters 9 und die Funktion der bildseitigen Linsengruppe 35 des
Zoomsystems 7 in einer gemeinsamen Baugruppe zusammenzufassen,
so dass die bildseitige Linsengruppe des Zoomsystems auch die dem
Videosensor am nächsten
angeordnete Linse bereitstellt.
