DE10358374A1 - Electronic camera objective for e.g. machine-vision imaging, having greater depth of focus at f numbers exceeding specified value, combines condenser lens with correction lens - Google Patents

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GEFFE, JUERGEN, DR., 99438 BAD BERKA, DE
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Abstract

Between diaphragm (1) and image plane, two optical components are included. One is a condenser lens dominating refraction (2). The other lens (3) provides correction, reducing distortion and image field curvature. An independent claim is included for the corresponding imaging method.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv für Abbildungen mit großen Schärfentiefe.The The invention relates to a lens for images with a large depth of field.

Die Erfindung ist vorzugsweise für Abbildungen mit elektronischen Kameras einsetzbar.The Invention is preferably for Illustrations can be used with electronic cameras.

Im Stand der Technik sind Objektive mit variabler Blende, bei denen die notwendige Schärfentiefe durch Abblenden erreicht wird, bekannt. Das Abblenden entspricht einer Vergrößerung der Blendenzahl k. Große Schärfentiefen werden für k > 5,6 erreicht. Da Objektive mit variabler Blende für die maximale Blendenöffnung ausgelegt sind, benötigen die Optikschemata mindestens fünf Linsen. Solche Objektive sind aufwändig und teuer.in the State of the art are lenses with variable aperture, in which the necessary depth of field is achieved by dimming, known. The dimming corresponds an enlargement of the F-number k. Size depth of field be for k> 5.6. Because lenses with variable aperture designed for maximum aperture are, need the optics schemes at least five Lenses. Such lenses are complex and expensive.

Die Bedingungen für das Erreichen einer vorgegebenen Schärfentiefe mit digitalen Bildaufnehmern ist in [N. Schuster: Proc. SPIE 5249 (2003)] veröffentlicht. Bei Blendenzahlen k > 5,6 vereinfachen sich die Optikschemata im Vergleich zu Objektiven mit kleineren Blendenzahlen. Für Machine-Vision-Anwendungen sind sowohl polychromatische als auch monochrome Beleuchtungen von praktischem Interesse.The Conditions for the achievement of a given depth of field with digital imagers is in [N. Schuster: Proc. SPIE 5249 (2003)]. At f-numbers k> 5.6 are simpler the optical schemes compared to lenses with smaller f-numbers. For machine vision applications are both polychromatic and monochrome illuminations of practical interest.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv der eingangs genannten Art anzugeben, das für den Einsatz in elektronischen Kameras geeignet ist, eine große Schärfentiefe bei minimaler Anzahl brechender Flächen ermöglicht und kostengünstig herstellbar ist.Of the Invention is based on the object, an objective of the above specify the type for which suitable for use in electronic cameras, a large depth of field possible with a minimum number of refractive surfaces and inexpensive to produce is.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Objektiv, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.According to the invention Object with a lens, which specified in claim 1 Has features solved.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.advantageous Embodiments are specified in the subclaims.

Das Objektiv besteht aus einem optischen System mit einer Blendenzahl k > 5,6 zur Erreichung einer großen Schärfentiefe mit mindestens einer sammelnden, die Brechkraft dominierenden Komponente zwischen Öffungsblende und Bildebene und aus mindestens einem Korrekturelement, das Verzeichnung und Bildfeldkrümmung verbessert, wobei zusätzliche Korrekturelemente (z. B. zur Behebung von Farbfehlern) ergänzt werden können.The Lens consists of an optical system with a f-number k> 5.6 to achieve a huge depth of field with at least one collecting component dominating the refractive power between opening panel and image plane and at least one correction element, the distortion and field curvature improved, with additional Correction elements (eg for the correction of chromatic aberrations) are added can.

Das Korrekturglied besteht vorzugsweise aus einer Zerstreuungslinse und/oder einer asphärischen Deformation einer brechenden Fläche.The Correction element preferably consists of a diverging lens and / or an aspherical Deformation of a refractive surface.

Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:

  • 1. Das Objektiv kommt mit einer minimalen Anzahl von optischen Elementen, insbesondere Linsen, und mit einer Festblende aus.
  • 2. Das Objektiv ermöglicht eine auf den digitalen Empfänger abgestimmte Bildqualität.
  • 3. Alle Ausführungsformen sind im monochromen Licht einsetzbar.
  • 4. Mit einfachen Mitteln kann eine auch im polychromen Licht einsetzbare Ausführung geschaffen werden.
The invention is characterized by a number of advantages. These include in particular:
  • 1. The lens comes with a minimum number of optical elements, in particular lenses, and with a fixed aperture.
  • 2. The lens allows image quality tuned to the digital receiver.
  • 3. All embodiments can be used in monochrome light.
  • 4. With simple means an applicable even in polychromatic light design can be created.

Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.The Invention will be explained in more detail below with reference to an embodiment.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the associated Show drawing:

1 eine optische Anordnung mit einer Smythschen Bildfeldebnungslinse als Korrekturelement, 1 an optical arrangement with a Smyth field flattening lens as a correction element,

2 eine Anordnung mit einer Plankonkavlinse als Korrekturelement, 2 an arrangement with a plano concave lens as a correction element,

3 eine Anordnung mit asphärischer Deformation des sammelnden optischen Elements als Korrekturelement
und
3 an arrangement with aspherical deformation of the collecting optical element as a correction element
and

4 eine Anordnung mit asphärischer Deformation des sammelnden optischen Elements als Korrekturelement und mit zusätzlichem chromatischen Radius zur Korrektur der Farbfehler. 4 an arrangement with aspherical deformation of the collecting optical element as a correction element and with additional chromatic radius for correcting the chromatic aberration.

Die optische Anordnung besteht aus mindestens einem sammelnden und die Brechkraft dominierenden optischen Element 2, das hinter der Öffnungsblende 1 angebracht ist. Durch die geeignete Wahl des Blendenabstandes, der Brechzahl, der Radien und der Dicke des sammelnden Elementes 2 wird eine astigmatismuskorrigierte Abbildung erreicht. Die verbleibenden störenden Abbildungsfehler Bildfeldkrümmung und Verzeichnung werden durch mindestens ein Korrekturelement 3 auf ein unschädliches Maß verringert.The optical arrangement consists of at least one collecting and refractive power dominating optical element 2 behind the opening 1 is appropriate. By the appropriate choice of the aperture distance, the refractive index, the radii and the thickness of the collecting element 2 an astigmatism corrected image is achieved. The remaining disturbing aberrations image field curvature and distortion are caused by at least one correction element 3 reduced to a harmless level.

Bei der in 1 dargestellten Anordnung wird als Korrekturelement 3 eine Smythsche Bildfeldebnungslinse verwendet, deren Krümmung sich aus der Petzvalbedingung herleitet. Damit wird ein ebenes Bildfeld erreicht und die Verzeichnung gut korrigiert. Diese Anordnung ist besonders für Abbildungen auf analoge Bildaufnehmer geeignet.At the in 1 The arrangement shown is used as a correction element 3 uses a Smythe field-flattening lens, the curvature of which derives from the Petzval condition. This achieves a flat image field and corrects the distortion well. This arrangement is particularly suitable for images on analog image sensors.

2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Korrekturelement 3 eine Plankonkavlinse angeordnet ist, deren Position und Krümmung so bestimmt wird, dass die Hauptstrahlneigung hinter dem optischen System einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet. Ein Optimum zwischen Bildfeldebnung und Restverzeichnung ist einstellbar. Diese Anordnung ist besonders für die Abbildung auf digitale Bildaufnehmer mit Mikrolinsenarrays geeignet. 2 shows an embodiment in which as a correction element 3 a plano concave lens is arranged whose position and curvature is determined so that the main beam tilt behind the optical system does not exceed a predetermined maximum value. An optimum between Bildfeldebnung and residual distortion is adjustable. This arrangement is particularly suitable for imaging on digital image sensors with microlens arrays.

Eine weitere Ausführungsform erläutert 3. Hierbei dient als Korrekturelement 3 eine asphärische Deformation der Scheitelkugel der brechkraftbestimmenden Fläche des sammelnden optischen Elements 2. Da mit zunehmendem Feldwinkel die Krümmung der konvexen Fläche des sammelnden optischen Elements 2 abnimmt, verringert sich auch die Bildfeldwölbung gegenüber der Ausführung gemäß 2. Gleichzeitig wird die Verzeichnung korrigiert und die Hauptstrahlneigung gering gehalten. Durch geeignete Wahl der konischen Konstanten der brechkraftbestimmenden Fläche des sammelnden optischen Elements 2 und des Blendenabstandes wird ein minimaler Zerstreuungskreis bei vollständig kompensierter Verzeichnung im gesamten Bildfeld erreicht. Diese Anordnung ist besonders für die monochrome Abbildung auf digitale Bildaufnehmer mit Mikrolinsenarrays geeignet. Mit dieser Anordnung sind große objektseitige Feldwinkel realisierbar.Another embodiment explained 3 , This serves as a correction element 3 an aspherical deformation of the vertex of the refractive power determining surface of the collecting optical element 2 , As the field angle increases, the curvature of the convex surface of the collecting optical element increases 2 decreases, also reduces the field curvature compared to the execution according to 2 , At the same time the distortion is corrected and the main ray inclination is kept low. By a suitable choice of the conical constants of the refractive power-determining surface of the collecting optical element 2 and the aperture distance, a minimum circle of confusion is achieved with fully compensated distortion throughout the field of view. This arrangement is particularly suitable for monochrome imaging on digital image sensors with microlens arrays. With this arrangement, large object-side field angles can be realized.

Die in 4 gezeigte Anordnung weist alle konstruktiven Merkmale und damit alle Vorteile der in 3 dargestellten Anordnung auf. Zusätzlich wird ein sogenannter chromatischer Radius 4 zur Korrektur der Farbfehler in das die Brechkraft bestimmende optischen Element 2 eingeführt. Dieser chromatische Radius 4 trennt optische Medien mit gleicher Hauptbrechzahl und unterschiedlichen Dispersionen. Damit werden die herausragenden Eigenschaften der Anordnung nach 3 auch für polychromatisches Licht (beispielsweise weißes Licht) wirksam. Diese Anordnung ist besonders für die farbige Projektion auf digitale Bildaufnehmer geeignet. Mit dieser Anordnung sind ebenfalls große objektseitige Feldwinkel realisierbar.In the 4 arrangement shown has all structural features and thus all the advantages of 3 shown arrangement. In addition, a so-called chromatic radius 4 for correcting the chromatic aberrations in the refractive power determining optical element 2 introduced. This chromatic radius 4 separates optical media with the same main refractive index and different dispersions. Thus, the outstanding properties of the arrangement after 3 also effective for polychromatic light (for example, white light). This arrangement is particularly suitable for color projection onto digital image sensors. With this arrangement also large object-side field angle can be realized.

11
Öffnungsblendeaperture stop
22
sammeldes optisches Elementsammeldes optical element
33
Korrekturelementcorrection element
44
chromatischer Radiuschromatic radius

Claims (6)

Objektiv für Abbildungen mit großer Schärfentiefe mit einem optischen System mit einer Blendenzahl k > 5,6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Öffungsblende (1) und Bildebene mindestens eine sammelnde, die Brechkraft dominierende Komponente (2) und mindestens ein Korrekturelement (3) zur Verringerung von Verzeichnung und Bildfeldkrümmung angeordnet sind.Lens for images with a large depth of field with an optical system with a f-number k> 5.6, characterized in that between aperture ( 1 ) and image plane at least one collecting, the refractive power dominant component ( 2 ) and at least one correction element ( 3 ) are arranged to reduce distortion and field curvature. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturelement (3) eine Zerstreuungslinse angeordnet ist.Method according to claim 1, characterized in that as a correction element ( 3 ) is arranged a diverging lens. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturelement (3) eine asphärische Deformation der die Brechkraft bestimmenden konvexen Fläche einer Sammellinse (2) verwendet wird.Method according to claim 1 or 2, characterized in that as a correction element ( 3 ) an aspherical deformation of the refractive power-determining convex surface of a converging lens ( 2 ) is used. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der die Brechkraft dominierenden Komponente (22) und/oder am Korrekturelement (3) zusätzliche Korrektureinrichtungen zur Behebung von chromatischen Fehlern angeordnet sind.Method according to one of the preceding claims, characterized in that at the component dominating the refractive power (22) and / or at the correction element ( 3 ) are arranged additional correction means for the correction of chromatic errors. Objektiv nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Behebung der chromatischen Fehler in der sammelnde Komponente (2) ein chromatischer Radius angeordnet ist.Lens according to claim 4, characterized in that to remedy the chromatic errors in the collecting component ( 2 ) a chromatic radius is arranged. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Öffungsblende (1) zugewandte Seite des brechkraftbestimmenden Elementes (2) gekrümmt ist.Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the aperture ( 1 ) facing side of the refractive power-determining element ( 2 ) is curved.
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