DE112012005996B4

DE112012005996B4 - Objektiv

Info

Publication number: DE112012005996B4
Application number: DE112012005996.4T
Authority: DE
Inventors: Witold HACKEMER
Original assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Current assignee: Qioptiq Photonics GmbH and Co KG
Priority date: 2012-03-08
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2022-07-07
Anticipated expiration: 2032-09-15
Also published as: WO2013131539A1; DE112012005996A5

Abstract

Objektiv mit wenigstens einer Flüssigkeitslinse (VfL), der ein afokales optisches System vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das afokale System ein optisches Galileisystem (AB) in Retrostellung ist oder enthält.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer Flüssigkeitslinse.
Flüssigkeitslinsen, die auch als Flüssiglinsen oder Fluid Lens oder VFL bezeichnet werden, sind allgemein bekannt. Eine Flüssigkeitslinse besteht aus zwei sich nicht mischenden Flüssigkeiten, die unterschiedliche Brechzahlen und elektrische Eigenschaften aufweisen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert die Flüssigkeitslinse ihre Brechzahl und damit ihre Brennweite, so dass auf diese Weise optische Funktionen wie eine Fokussierung oder eine Brennweitenvariation in der VFL- Applikation realisiert werden kann.
Derartige Flüssigkeitslinsen sind beispielsweise durch WO 99/18456 A1 , US 6,702,483 B2 und US 3,620,594 A bekannt.
Im Jahr 2002 wurde eine Flüssigkeitslinse variabler Brechkraft (Fluid Lens) bekannt und verfügbar gemacht (Varioptic, Lyon, Frankreich). Diese Flüssigkeitslinse variabler Brennweite (VFL) verfügt über brauchbare Konstruktionsparameter und eine brauchbare Abbildungsleistung. Gemeint sind hier vor allem die Wellenfrontdeformation und ihre Stabilität in Bezug auf die variable Lage der Linse im Gravitationsfeld. Über die Wirkungsweise und Parameter einer typischen VFL (z.B. Varioptic Typ Arctic A316) informiert: Arctic 316 Technica data Sheet, Vers. 1 - December 2010".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv mit einer Flüssigkeitslinse anzugeben, dessen Abbildungsleistung und ausreichende Fokussierung gegenüber den bekannten Objektiven mit Flüssigkeitslinse verbessert ist.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger technisch sinnvoller Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung sowie unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung.
Es zeigt:

1a - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / ideales Objektiv IO mit Flüssigkeitslinse VFL, Abbildung aus dem Unendlichen (beta' = 0)
1b - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / ideales Objektiv IO mit Flüssigkeitslinse VFL, Abbildung eines nahe liegenden Objekts bei dem Abbildungsmaßstab beta' = - 0.10
1c - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / Konstruktionsdaten des idealen Objektivs IO mit Flüssigkeitslinse in den Stellungen für Unendlich und für beta' = -0.10
2 - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / Bildfeldwölbung und Astigmatismus bei beta' = -0.1
3 - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / Verlauf der Strehlschen Definitionshelligkeit im Feld bei beta' = -0.1
4a - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / MTF für die Hauptfarbe „e“ für den Achspunkt (y' = 0) und für die maximale Bildhöhe y' = 2.0 mm bei der Abbildung aus dem Unendlichen (beta' = 0)
4b - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / MTF für die Hauptfarbe „e“ für den Achspunkt (y' = 0) und für die maximale Bildhöhe y' = 2.0 mm bei der Abbildung eines nahe liegenden Objekts bei beta' = - 0.1
5 - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / normierter Farbortsfehler eingeführt durch VFL bei beta' = - 0.1
6 - eine Grafik zur Theorie des afokalen Systems
7a - eine Darstellung einer dünnen Linse L der Brennweite f bei der Abbildung aus dem Unendlichen
7b - wie in 7a, jedoch mit einem vorgeschalteten afokalen System AB mit Vergrößerung M_An
7c - wie in 7b, jedoch mit einem nahe liegenden, nach Unendlich abgebildeten Objektpunkt F
8 - VFL-Applikationsbeispiel No.2 das Layout eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsmäßigen Objektivs in Form eines stationären Anastigmaten
9 - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / die Konstruktionsdaten des Objektivs gemäß 8 in den Stellungen für Unendlich (beta' = 0) und für beta' = -0.11
10a - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung aus dem Unendlichen (beta' = 0)
10b - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.03)
10c - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.06)
10d - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.11)

Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde:
Die Variabilität der Brechkraft einer oben beschriebenen Flüssigkeitslinse, die nachfolgend auch kurz als VFL bezeichnet wird, im Bereich von -13 Dpt bis +35 Dpt offenbart auf den ersten Blick eine Chance auf einfache Variation der Brennweite und Einstellentfernung in vielen optischen Geräten. Diese typischen Funktionen könnten ohne bewegte Systeme bzw. Systemteile ausgeführt werden, also zu stationären Systemen führen.
Der grundsätzliche Aufbau einer Flüssigkeitslinse ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert.
Eine theoretische Analyse der Parameter der VFL in Hinblick auf die Applizierbarkeit im optischen Instrumentenbau, vor allem in Systemen mit einem nennenswerten Informationsübertragungsfaktor, also jenen, die simultan über einen größeren endlichen Wert von Apertur und Feld verfügen müssen, zeigt folgende Schwierigkeiten auf:

A. die VFL führt eine variable Petzvalsumme in das System ein,
B. die VFL ist eine hyperchromatische Linse einer sehr niedrigen equivalenten Abbezahl (-14.3), sie führt einen variablen Farbortsfehler in das System ein,
C. Sehr kleine freie Apertur D_VFL = 2.3mm bei einer Tunnelbauweise (VFL-Länge = 2.0mm).

Betrachten wir den Einfluss der o.g. Schwierigkeiten in Bezug auf den Bau der stationären Objektive mit anastigmatischer Bildfeldebnung mit einem totalen Objektsehfeld 2w > 40° und einer Blendenzahl k < 3.0.
Die gesuchten Funktionen sind:

1. Fokussierung für Objektive konstanter Brennweite
2. Brennweitenvariation und Fokussierung für Varioobjektive (Zoom).

Die Schwierigkeit „A“ macht es anscheinend unmöglich bzw. erschwert es, eine planare Abbildung im System für zwei Linsenbrechkraftzustände der VFL zu erreichen. Dieses Phänomen tritt in der Theorie klassischer Instrumente variabler Brennweite nicht auf.
Hierzu wird nachfolgend ein erstes Applikationsbeispiel einer VFL betrachtet.
VFL - Applikationsbeispiel No.1:
Einem idealen, aberrationsfreien Objektiv IO (Komponentennummer i = 2) soll zwecks Einstellung auf nahe liegende Objekte eine VFL (i = 1) vorgeschaltet werden. Hierzu siehe Fig.la,b,c. Das Objektiv verfügt über eine Brennweite f_o, eine Blendenzahl k und einen Bildkreisdurchmesser 2y'.
Es gelten bekannte Gaußsche Zusammenhänge (System in der Luft: n = n' = 1): k =1 / 2sin(u'), wo u' der bildseitige Öffnungswinkel
w = arctan(y'f_o), wo w der objektseitige Feldwinkel und y' die Bildhöhe sind.
Mit der VFL soll ein Abbildungsmaßstab β' = y'/y von mindestens -0.1 erreicht werden.
Typische Werte für ein einem ¼''-Detektor angepasstes Objektiv sind hierbei beispielsweise: Brennweite f_o = 3.14, Blendenzahl k = 2.8, Bildkreisdurchmesser 2y' = 4.0, Feldwinkel 2w = 65°
Es soll der große Variationsbereich der positiven Brechkräfte von 0 Dpt bis +35 Dpt genutzt werden, d.h. im brechkraftlosen Zustand der Fokussierungslinse werden durch das stationäre System VFL+IO Objekte aus dem Unendlichen scharf abgebildet. Da zwischen dem Objektiv und VFL ein Zustand der optischen Kollimation herrscht, kann die für das Erreichen des Abbildungsmaßstabs beta' = -0.1 notwendige Brennweite der Fokussierlinse wie folgt definiert werden: f_VFL = - f_o/ β'. Dies entspricht der Brechkraft Φ_VFL = 1000 : f_VFL und führt im oberen Applikationsfall zu einem Wert von ~32 Dpt.
In diesem Zustand belastet die VFL das System mit einer starken positiven Petzvalsumme: $\sum P = \sum_{i = 1}^{P} \frac{Φ_{i}}{n_{i}} = - \frac{1}{R_{P e t z}}$
Dieses hat einen Petzvalradius R_Petz = - 65.5 zur Folge. Dieser Radius beschreibt die Krümmung der Bildschale in ihrem paraxialen Bereich, also jenes natürlichen Bildortes, der im Fall des korrigierten Astigmatismus und konform mit dem Petzval - Theorem den Ort einer scharfen Abbildung im Feld darstellt. In der Theorie der Abbildungsfehler der dritten Ordnung (Seidelscher Raum) kann eine solche Bildschale als rotationssymmetrische Parabel ausgelegt werden. Der Defokussierungsweg, also die Ablage für einen Bildpunkt mit der idealen Bildhöhe y' von einer Abbildungsebene ist: $ds'_{Petz} = y'^{2} / 2 R_{Petz}$
Hierzu siehe 2.
Für einen planaren Detektor (CCD, CMOS) mit der Bildhöhe y' = 2.00 beträgt die Defokussierung ds'_Petz = - 31 µm. Das entspricht der 3.7-fachen wellenoptischen Abbildungstiefe, also ds'/b'_0.8 ~ 3.7. Die wellenoptische Abbildungstiefe ist der Defokussierungsweg eines idealen optischen Systems, bei welchem die relative Punktbildintensität (DEH) auf 80% ihres Maximalwertes absinkt. Ihr Wert hängt nur von der Wellenlänge λ und der Systemapertur A' = n'*sin(u') ab und wird definiert: $b_{0.8}^{'} = \pm \frac{λ}{2 \cdot A'^{2}} = \pm 2 λ k^{2}$
Für ein beugungsbegrenztes System in der Luft (n' = 1) muss der Quotient ds'/b'_0.8 < 1 sein.
Die reale VFL belastet das System zusätzlich mit dem Zweischalenfehler (Astigmatismus). Dies ist für die in Frage kommende Aperturblendenlage theoriekonform, und den Zusammenhang zwischen der meridionalen, der sagittalen und der Petzvalschen Bildfeldkrümmung regelt für den Seidelraum der Petzvalsche - Satz: $\frac{1}{R_{m e r}} - \frac{3}{R_{s a g}} = 2 \sum P$
Die Defokussierung der meridionalen und der sagittalen Bildschalen errechnet sich entsprechend: $\begin{array}{l} ds'_{mer} = y'^{2} / 2 R_{mer} \\ ds'_{sag} = y'^{2} / 2 R_{sag} \end{array}$
Im gerechneten Beispiel, wo infolge der Umfokussierung auf β' = -0.1 die in Einheiten der wellenoptischen Abbildungstiefe ausgedrückte reale Defokussierung am Feldrand folgende Parameter hat: $\begin{array}{l} ds'_{mer} / b'_{0.8} \sim 17.9 \\ ds'_{sag} / b'_{0.8} \sim 7.3 \end{array}$
zeigt 2 den Verlauf der beiden Bildschalen und die 3 den Abfall der Definitionshelligkeit DEH in Funktion der Bildhöhe y'[mm].
In der Domäne der Kontrastübertragung (vgl. hierzu Hopkins, H.H.: „The frequency response of a defocused optical system“, Proc. Roy. Soc. A231 (1955), Hopkins. H.H.: „The Aberration Permissible in Optical Systems“, Proc. Phys. Soc. B70 (1957), Jozwicki, R.: „Instrumentaloptik“, Verlag WNT, Warschau 1970 (polnisch)) bedingt die o.g. Defokussierung einen starken Abfall der MTF in Funktion der Bildhöhe y'[mm] schon für niedrige Ortsfrequenzen R[Lp/mm].
Für die monochromatische Bewertung bei der Hauptwellenlänge „e“ = 546.074 nm zeigt 4b den MTF-Verlauf im Ortsfrequenzkontinuum bis R=200Lp/mm für den Achspunkt (y ‚= 0, oberste Kurve) und für die Bildhöhe y‘ = 2.00 (T - meridionaler Bildort, S - sagittaler Bildort).
4a zeigt die monochromatische MTF für den Fall der Brechkraftlosigkeit der VFL (Abbildung aus dem Unendlichen). Die Wahl der gezeigten Ortsfrequenzen richtet sich u.a. nach der Pixelgröße der heute verfügbaren elektronischen Bildaufnehmer (CCD/CMOS). Dabei ist R_Nyq = 1/2P die Nyquistfrequenz für einen Detektor mit der Pixelgröße P.
Die Schwierigkeit „B“ macht es anscheinend unmöglich bzw. erschwert es, eine stabile Korrektion des Farbortsfehlers im System für zwei Linsenbrechkraftzustände der VFL zu erreichen.
Die Bedingung für die Achromasie des Bildortes ist: $- {(\frac{h_{P}}{h_{1}})}^{2} \cdot \frac{Δ s'_{P}}{s'_{P}^{2}} = \sum_{i = 1}^{P} {(\frac{h_{i}}{h_{1}})}^{2} \cdot \frac{Φ_{i}}{ν_{i}},$
hierbei sind:

h_i - die Aperturstrahlhöhe auf der Linse i,
s'_p - die bildseitige Systemschnittweite
Δs'_p- der longitudinale Farbunterschied des Bildortes (z.B. Δs'_p = s'_F'-s'_C'),
v_i - die Abbezahl der Linse i (z.B.
).
Δs'_P = 0 ist die Voraussetzung für die Systemachromasie für zwei Wellenlängen (z.B. F' & C')

Man sieht, dass dieser Korrektionszustand lediglich von den Werkstoffkennzahlen des Linsenmaterials und der Brechkraftverteilung der Linsen im System beeinflusst wird.
Ein zweigliedriges System VFL+IO, in dessen Gliedern das chromatische Verhalten mit den Brechkräften Φ_i und den equivalenten Abbezahlen v_i beschrieben wird, kann im Ansatz als Dublettvariante (p = 2) aus dünnen Linsen (Interstitium = 0) dargestellt werden (VFL = 1; IO = 2).
Aus (5a) kann geschrieben werden: $- {(\frac{h_{2}}{h_{1}})}^{2} \cdot \frac{Δ s'_{2}}{s'_{2}^{2}} = \frac{Φ_{1}}{ν_{1}} + {(\frac{h_{2}}{h_{1}})}^{2} \cdot \frac{Φ_{2}}{ν_{2}}$
Die Brechkraft Φ₂ des Objektivs ist durch das Detektorformat (2y') und objektseitiges Feld (2w) festgelegt. Die maximale Brechkraft der VFL hängt direkt mit dem definierten Abbildungsmaßstab (β') bei der Abbildung nahe liegender Objekte zusammen. Da aufgrund der Kollimation zwischen VFL und IO die Aperturstrahlhöhen gleich sind (h₂ = h₁) und s'₂ konstant bleiben muss (ein System ohne verstellbare Komponenten, stationärer Anastigmat), kann die Kompensation des Farbortsfehlers im System mittels Anpassung der equivalenten Abbezahl ν₂ im realen Objektiv jedoch nur für eine Brechkraft Φ₁ der Fokussierungslinse erreicht werden. Für alle anderen Werte von Φ₁ führt die VFL einen Farbfehler in die Abbildung ein. 5 zeigt den Farblängsfehler in Einheiten der wellenoptischen Abbildungstiefe b'_0.8 (DOF) für drei Zonenhöhen der Systemeintrittspupille.
Definition equivalenter Abbezahl:
Für jedes optische System, welches sich aus vielen optischen Komponenten zusammensetzt, wovon jede Komponente (Linse) aus einem definierten Medium besteht, das eine eigene Abbezahl besitz, lässt sich eine equivalente Abbezahl errechnen.
Betrachten wir ein Wellenlängen-Tripel: $F' = 479.9914 nm$
$e = 546.0740 nm$
$C' = 643.8469 nm$
Für jede dieser Fraunhoferlinien berechnen wir die Systembrennweite: $f' (F'), f' (e), f' (C')$
Für die Grenzlinien des Spektralintervalls berechnen wir den Brennweitenunterschied: $df' = f' (F') - f' (C')$
Der relative Brennweitenunterschied ist gleich dem negativen Kehrwert der equivalenten Abbezahl V_eq eines optischen Systems oder einer optischen Baugruppe im System: $df' / f' (e) = - 1 / V_{eq}$
Bemerkungen.
1. Die equivalente Abbezahl V_eq sagt aus, welchen Wert die reguläre Abbezahl V(e) einer Einzellinse der Brennweite f(e) haben müsste, um eine chromatische Eigenschaft zu besitzen, die jener des o.g. optischen Systems bzw. der Gruppe gleicht.
2. Die reguläre Abbezahl eines optischen Mediums ist: $V (e) = [n (e) - 1] / [n (F') - n (C')]$
Mit diesem Ausdruck wird die „Dispersionskraft“ eines Glases beschrieben; die Differenz n(F') - n(C') ist die Hauptdispersion des Glases.
3. In chromatisch korrigierten Systemen spricht man von der Hauptwellenlänge (Hauptfarbe) und von einem achromatischen Wellenlängenpaar.
Bei der Systemachromatisierung im VIS-Bereich sind:

- die Linie e ist die Hauptfarbe
- die Linien F' und C' bilden das achromatische Wellenlängenpaar

4. Für die komerziell erhältliche Flüssigkeitslinse (VFL) vom Typ Arctic A316 der Fa. Varioptic (siehe oben) ist die equivalente Abbezahl V_eq = 14.34; Ihr Wert ist in jeder Linsenstellung bzw. bei jeder VFL-Linsenbrennweite gleich.
Eine weitere Folge der Brechkraftvariation der hyperchromatischen VFL-Linse im System ist der variable Farbvergrößerungsfehler: $\frac{Δ y'}{y'} = \frac{s_{1} \cdot s_{Pr 1}}{s_{1} - s_{P r 1}} \sum_{i = 1}^{P} \frac{h_{i}}{h_{1}} \frac{h_{Pr, i}}{h_{Pr,1}} \frac{Φ_{i}}{ν_{i}}$
Hier bedeuten:

Δy' - der laterale Farbunterschied der Bildgröße y'_λ1 - y'_λ2, welcher beim Vorhandensein des Farbortsfehlers zu einem Hauptstrahldurchstoßkoordinatenunterschied für zwei Wellenlängen λ1, λ2 in einer definierten Bildebene verallgemeinert werden kann.
y' - Referenzbildhöhe in Hauptfarbe, definiert z.B. durch
s₁ - Objektschnittweite, bezogen auf die erste Linse
s_Pr,i - Eintrittspupillenschnittweite, bezogen auf die erste Linse
h_Pr,i - Hauptstrahlhöhe auf der Linse i Sonstige Bezeichnungen siehe bei (5a)

Für ein zweigliedriges System (p = 2) resultiert: $\frac{Δ y'}{y'} = \frac{s_{1} \cdot s_{Pr 1}}{s_{1} - s_{Pr 1}} (\frac{Φ_{1}}{ν_{1}} + \frac{h_{2}}{h_{1}} \frac{h_{Pr,2}}{h_{Pr,1}} \frac{Φ_{2}}{ν_{2}})$
Für die endliche Lage des Objekts und der Eintrittspupille kann Δy'= 0 dann erreicht werden, wenn der Klammerausdruck zu Null wird. Wenn beide Brechkräfte positiv und konstant sind, kann dies durch gegensätzliche Vorzeichen der Aperturstrahlhöhen und ihr entsprechendes Verhältnis (Korrektionspraxis einiger Okulartypen) oder gegensätzliche Vorzeichen der Hauptstrahlhöhen und ihr Verhältnis (Korrektionspraxis vieler Systeme mit innen liegender Aperturblende, z.B. Photoobjektive) erreicht werden. Ändert aber die erste Brechkraft ihren Wert (VFL-Wirkung), so entsteht zwangsläufig ein dieser Brechkraftänderung proportionaler Farbvergrößerungsfehler in der Abbildung.
Der einzige Weg, für eine endliche Objektlage s₁ den Farbquerfehler Δy' gleich Null und von den Variationen dΦ₁ unabhängig zu gestalten ist das Anstreben von s_Pr,1 = 0.
Dies ist gleichbedeutend mit einem zentralen Durchgang des Hauptstrahls durch die VFL, was durch die direkte Nähe der Systemaperturblende APE zu der VFL gewährleistet werden muss. Dieses hat weitreichende Konsequenzen für die astigmatische Systembelastung und ihre Korrektion.
Die Schwierigkeit „C“ macht den Bau von Zoomobjektiven anscheinend unmöglich bzw. erschwert ihn.
Betrachten wir den Fall eines einfachsten Varioobjektivs mit den statischen Elementen und mit zwei Flüssigkeitslinsen, die einen Variator und einen Kompensator bilden können. Selbst wenn man von der unzureichenden Variabilität im Bereich der negativen Brechkräfte absieht und auch wenn für eine der Flüssigkeitslinsen ein Ort minimaler lateraler Ausdehnung aller Pharoidstrahlen gefunden werden könnte, so steht für die zweite VFL-Linse kein zweiter Ort vergleichbarer Eigenschaft zur Verfügung In Kompaktsystemen entfällt die theoretische Möglichkeit für eine Konjugation der Pupille, siehe auch US20110299176A1 .
Den Beweis liefert die erweiterte Invariante nach Helmholtz-Lagrange (Optical Invariant). $I = h_{Pr, k + 1} n_{k + 1} u_{k + 1} - h_{k + 1} n_{k + 1} w_{k + 1} = y_{Pr, k} n_{k} u_{k} - h_{k} n_{k} u_{k}$

h_k - Höhe des Aperturstrahls an der Fläche „k“
u_k - Aperturstrahlwinkel im Raum nach der Fläche „k“
h_Pr,k - Höhe des Hauptstrahls an der Fläche „k“
w_k - Hauptstrahlwinkel im Raum nach der Fläche „k“

Die oben in Bezug genommene, von der Fa. Varioptic erhältliche Flüssigkeitslinse kann nur an jener Stelle engster Einschnürung aller Strahlen im System benutzt werden, an der die Pharoidtaille D_Phar < 2.3 mm ist. Dabei dürfen die D_Phar -Anstiege vor und hinter der Taille nur mäßig sein (Tunneleffekt), womit eine geometrische Grenzwertforderung an die Hauptstrahlwinkel w_VFL in der direkten Linsenumgebung und an die meridionale Verkürzung der nach der Bildecke strebender Strahlenbündel im VFL-Ort zu stellen ist.
Die besonders bei größeren VFL-Brechkraftanstiegen induzierten Aberrationen bedingen einen starken Abbildungsleistungsabfall im System. Bei einem idealen theoretischen Weitwinkelobjektiv mit typischen Parametern für ¼''-Chip, wie k = 2.8 und 2w = 65° bedingt eine zwecks Fokussierung auf nahe liegende Objekte (beta'= -1/10) vor das Objektiv gestellte Flüssigkeitslinse eine erste MTF-Nullstelle schon bei niedrigen Ortsfrequenzen (R = 0.3 - 0.5 * R_Nyq) im off-axis Bereich (polychromatisch, 420 -680 nm).
Damit erklärt sich der ausgebliebene Einzug dieser regelbaren Elemente in die auf der ersten Seite aufgeführten Gerätekategorien, aber auch die gescheiterte generelle Anwendung der Varioptic-Linsen im Objektivbau im Mobile-Phone Bereich.
Es stellt sich damit die Frage, ob solche Flüssigkeitslinsen noch für den modernen Objektivbau attraktiv sind.
Für den miniaturisierten Objektivbau (stationäre Anastigmate für ¼'' CMOS) müssten die Abbildungsfehler aus der aktiven VFL um den Faktor 3...4 kleiner werden. Bei der gegebenen Linse ist dies nur für kleine Brechkraftvariationen, also für sehr kleine Brennweitenänderungen möglich. Die Folge ist ein absolut unzureichender Hub für die Objekteinstellung, also |β'| = 0.033...0.025.
Daraus ergibt sich die Frage, wie mit einer kleinen Brechkraftvariation der Flüssigkeitslinse eine große, für den Abbildungsmaßstab von mindestens β' = -0.1 ausreichende Variation der Brennweite der für die Einstellung auf nahe liegende Objekte zuständigen Objektivfrontgruppe erreicht werden kann.
Ausgehend von diesen grundsätzlichen und für die Konzeptionierung von Objektiven mit Flüssigkeitslinsen grundlegenden Überlegungen, stellt die Erfindung den folgenden Lösungsansatz bereit:

In der Instrumentenoptik sind afokale Systeme und ihre Theorie bekannt. Im einfachsten Fall besteht ein afokales System (in Lichtrichtung) aus zwei Linsengruppen A und B, wobei der bildseitige Fokus der Gruppe A mit dem objektseitigen Fokus der Gruppe B koinzident ist. Hierzu siehe 6.

Die besonderen Transformationseigenschaften der Abbildung durch afokale Systeme beschreiben drei Vergrößerungsdefinitionen (Systeme in der Luft):

Angulare Vergrößerung: M_An = tan(w') / tan(w)

M_An = - f_A / f_B

Transversale Vergrößerung: M_Tr = h' / h

M_Tr * M_An = 1

Longitudinale Vergrößerung: M_Lo = z' / z

M_Lo = M² _Tr
Wird vor eine Linse L der Brennweite f ein afokales System mit einer angularen Vergrößerung M_An gestellt, so wird die effektive Brennweite des so gebildeten Systems: f_eff= M_An * f.
7a zeigt eine positive Linse mit Brennweite f und einen Strahlengang von links nach rechts, wo von einem im Unendlichen liegenden Objektachspunkt kommende Strahlen im Fokus F' fokussiert werden.
7b zeigt die gleiche Linse mit einem vorgeschalteten afokalen System AB. Besteht das afokale System aus einer (in Lichtrichtung) Gruppe A negativer Brechkraft und einer Gruppe B positiver Brechkraft, so spricht man von einem afokalen Galilei-System in Retrostellung. Die angulare Vergrößerung eines solchen afokalen Systems ist positiv (ohne Bildumkehr) und es gilt 0 < M_An < 1.
In einem so gebildeten System (AB + L) sind die Strahlen vor und hinter dem (AB) kollimiert, somit ändert sich die Lage des Fokus F' nicht. Die effektive Brennweite im System wird aber um den Faktor der Angularvergrößerung M_An kürzer.
Wird das System (AB + L) um 180° links-rechts umgeklappt oder wird der axiale Objektpunkt aus dem Unendlichen verschoben und in einer solchen Entfernung links vor der Gruppe A des afokalen Systems positioniert, dass die aus der Linse L nach rechts verlaufenden Strahlen zu der optischen Achse und untereinander parallel sind (Kollimationszustand im Raum hinter L), so ändert das nichts an der effektiven Systembrennweite von (AB + L).
Ändert L innerhalb des Systems (AB + L) ihre Brennweite von unendlich (L brechkraftlos) bis f, so ändert sich die effektive Brennweite f_eff des Systems (AB + L) von unendlich bis M_An * f. Dabei werden die Objekte entsprechend von unendlich bis an den Systemfrontfokus F scharf nach unendlich abgebildet. Siehe 7c.
Damit ist ein Mittel definiert worden, mit einer kleinen Brechkraftvariation ΔΦ der Stelllinse L eine starke, um den Faktor M_An höhere effektive Brechkraftvariation ΔΦ_eff im System zu erzeugen.
Das afokale System AB kann eine transversale Vergrösserung M_Tr bzw. einen Kehrwert der angularen Vergrösserung 1/M_An von 3 bis 4 haben. Damit kann die maximale Brechkraft der Stelllinse um den Faktor 3 bis 4 verkleinert werden, was der gesuchten Größe entspricht.
Eine kleine maximale Brechkraft der Stellinse entlastet die Petzvalsumme im System nach Formel (1), damit die Bildfeldwölbung und die daraus resultierende Defokussierung im Feld nach Formel (2).
Dies ist eine notwendige Basis für die aussichtsreiche Kompensation des durch VFL eingeführten Astigmatismus, dessen grundsätzliches Verhalten bei kleinen Bildhöhen bzw. Hauptstrahlwinkeln durch die Formel (4) beschrieben wird mit dem Ziel der anastigmatischen Bildfeldebnung. Beide Aspekte zusammen mit den farbvergrößerungsfehlerreduzierenden Maßnahmen nach Formel (6b) ermöglichen einen wesentlichen Anstieg der Modulation bei mittleren und hohen Ortsfrequenzen und einen homogenen Verlauf der MTF im Gesamtfeld, also eine dem planaren Detektor angepasste Abbildungseigenschaft der Optik des stationären Anastigmaten.
VFL - Applikationsbeispiel No.2:
Für die Bildung eines unbewegten, fokussierbaren Objektivs (im Weiteren SA genannt) mit den im Applikationsbeispiel No. 1 definierten Parametern sollen folgende Definitionen angenommen werden:

Erfindungsgemäß ist einer Flüssigkeitslinse ein optisches System vorgeschaltet, das ein optisches Galileisystem in Retrostellung ist oder enthält. Unter einem unbewegten (stationären) Objektiv wird erfindungsgemäß ein Objektiv verstanden, bei dem eine Fokussierungs- und/oder Brennweitenvariation ohne bewegte Baugruppen realisiert wird.

Das afokale Galileisystem AB in Retrostellung wird im Weiteren AFO genannt. Seine angulare Vergrößerung ist M_An.
Die Linse L stellbarer Brechkraft wird im Weiteren VFL genannt (Beispielsweise kann die unter der Bezeichnung Arctic A316 von der Fa. Varioptic kommerziell erhältliche Flüssigkeitslinse verwendet werden).
In den Bildraum des Systems (AFO + VFL) wird ein Grundobjektiv HO gestellt.
Das Gesamtsystem des stationären Anastigmaten (SA) gemäß dem Ausführungsbeispiel ist somit: (AFO + VFL + HO), siehe 8.
Zwischen VFL und HO herrscht definitionsgemäß ein Zustand der Kollimation (aberrationsbedingte Abweichungen für Aperturstrahlen von +/-10...20 mR ändern nichts an dem Begriff „Kollimation“). Damit ist der bildseitige Fokus F'_HO = F'_SA der Ort des Detektors (Chip).
Im brechkraftlosen Zustand der VFL liegt die Objektebene im Unendlichen, bei beta' = -0.11 hat die VFL +7.55 Dpt, zeigt also eine um Faktor 4 kleinere Brechkraft, als im Applikationsbeispiel No.1.
Für die Brennweite des Grundobjektivs gilt: f_HO = f_SA/M_An
Wegen des symmetrischen bzw. zentralen Haupstrahldurchgangs durch VFL (kleiner Farbvergrößerungsfehler) muss die Aperturblende APE in direkter VFL-Nähe im Luftraum zu HO sein.
In der Gleichung M_An = tan(w') / tan(w) kann mit w und w' entsprechend der objektseitige und bildseitige Hauptstrahlwinkel des afokalen Systems AFO bezeichnet werden.
Für den Hauptstrahlwinkel im Raum zwischen AFO und VFL ist $w_{VFL} = w' = arctan [M_{An} * tan (w)] .$
Für den Hauptstrahlwinkel im Raum zwischen VFL und HO ist: w'_VFL = w_HO. Bei einem symmetrischen Durchgang aller Strahlen durch das VFL-Zentrum ist $w_{V F L} \sim w'_{V F L}$
Niedrige Hauptstrahlneigungen in den Lufträumen vor und hinter der VFL sind willkommene Folgen der AFO - Wirkung. Damit wird nicht nur ein verlustarmer energetischer Fluss in der relativ langen Struktur der VFL ermöglicht, sondern auch eine günstige Minderung des unteren Komastrahlwinkels im Bildraum und damit eine verlustarme kohärente Anpassung an die Akzeptanzcharakteristik der Detektoren (CMOS, Mikrolinsen).
Eine andere Folge der AFO - Wirkung ist der dimensionale, seiner Brennweite proportionale Anstieg von HO und der bildseitigen Schnittweite s'_F' des Objektivs. Damit bleiben die Linsen noch sinnvoll ausführbar und die Aspekte der Eintauchtiefe in die Kamera berücksichtigt (für solche ultrakurzen Brennweiten müssen die Werte s'_F'/f'_SA > 2...4 aus mechanischen Gründen erreicht werden).

Claims

Objektiv mit wenigstens einer Flüssigkeitslinse (VfL), der ein afokales optisches System vorgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das afokale System ein optisches Galileisystem (AB) in Retrostellung ist oder enthält.
Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die angulare Vergrößerung 0,2 < M_An < 0,7 ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) als Anastigmat ausgebildet ist oder einen Anastigmaten enthält.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) als stationäres (unbewegtes) Objektiv ausgebildet ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) ein fokussierbares Objektiv ist, und dass wenigstens eine Flüssigkeitslinse (VfL) zur Fokussierung des Objektivs (SA) ausgebildet ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) als Vario-Objektiv ausgebildet und wenigstens eine Flüssigkeitslinse (VfL) zur Erzielung einer Brennweitenvariation ausgebildet und eingerichtet ist.
Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitslinse (VfL) eine freie Apertur D_frei > 3,4 mm aufweist.
Objektiv nach Anspruch 7, bei dem die freie Apertur der Flüssigkeitslinse (VfL) D_frei ~ 5,5 mm beträgt.