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Verfahren und optisches System zur Verbesserung des defocussierten
Bildes.
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Bei einem optischen Gerät, zum Beispiel einer Kamera werden neben
dem durch die Einstellung des Brennpunktes auf das Hauptobjekt erzeugten focussierten
Bild, Bilder im Vorder-und/oder Hintergrund, deren Entfernung von der des Hauptobjekts
verschieden sind, als defocussierte Bilder abgebildet. Die Erfindung bezieht sich
auf ein Verfahren zur Verbesserung des defocussierten Bildes und auf das dazugehörige
optische System bzw. Gerät zur Durchführung dieses Verfahrens.
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Um das defocussierte Bild zu verbessern, sind bisher mehrere Methoden
bekannt geworden, wie zum Beispiel die Wahl der Linsenfläche von besonderer Gestalt
oder die Wahl des Spaltes zwischen den Linsen auf ein Maß, das etwa dem
gunstigsten
Abstand für das focussierte Bild entspricht, um die Größe der Aberration-sowie deren
Ausgleich zu kontrollieren.
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Mit den bekannten Verfahren wird jedoch nur eine Verbesserung hinsichtlich
des defocussierten vor dem focussierten Objekt gelegenen Bildteiles erreicht. Es
ist unmöglich, den gesamten defocussierten Bildbereich um das focussierte Objekt
zu verbessern. Vielmehr wird die Abbildung des defocussierten Bild bereichs in einer
bestimmten Entfernung verschlechtert oder eine Verschlechterung des focussierten*Objektes
verursacht.
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Um die vorerwähnten Nachteile zu vermeiden wird bei der Erfindung
eine Absorptionseinrichtung in die Öffnung des Linse systems gegeben, wodurch die
Verteilung des Slchtdurchlässigkeitsfaktors von der optischen Zentralachse des Linsensystems
nach dem Umfang hin allmählich, also zentralsymmetrisch geändert wird.
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Die erste Aufgabe dieser Erfindung besteht darin, ohne Verschlechterung
des focussierten Bildes eine Verbesserung der defocussierten Bilder der Bereiche,
die von dem Objekt des focussierten Bildes unterschiedlich weit entfernt sind, zu
erreichen. Der-Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, das defocussierte Bild
unscharf zu halten, wie es ohne be-sondere Einstellung geworden wäre,- wobei die
Abbildung objektgetreu gehalten ist und die Intensität des defocussierten Bildes
unabhängig von der Art des Objekts zwecks Erhalten einer guten Schattierung geändert
wird. Eine weitere Aufgabe der Erfindung wird darin gesehen, das defocussierte Bild
des ins Linsensystem schief einfallenden Lichtbundels ebenso wie das defocussierte
Bild des zur optischen Achse parallel laufenden Lichibundels zu verbessern.
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*Bildes des
Weitere Einzelheiten und Erläuterungen
zu dem Gegenstand der Erfindung werden anhand der Zeichnungen nachfolgend gegeben.
Dabei zeigen: Fig. 1 ein bekanntes normales Linsensystem und ein damit erzeugtes
defocussiertes Bild.
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Fig. 2 graphische Vergleichsdarstellungen von Funktionen des bisher
bekannten normalen optischen Systems und -des erfindungsgemaßen optischen Systems.
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Fig. 3 ein Diagramm eines Beispieles einer Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
der Objektivöffnung des bisher bekannten normalen optischen Systems.
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Fig. 4 ein Diagramm eines Beispieles einer Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
der Objektivöffnung des erfindungsgemäßen optischen Systems.
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Fig. 5 eine Seitenansicht einer ersten Ausführung des erfindungsgemäßen
optischen Systems im Schnitt, Fig. 6 eine Seitenansicht einer zweiten Ausführung
des erfindungsgemäßen optischen Systems im Schnitt.
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Fig. 7 eine Seitenansicht einer Ausführung, bei der das normale optische
System mit dem erfindungsgemäßen Filter verbunden ist.
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Fig. 8 eine Vorderansicht der Ausführung gemäß Fig. 7.
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Fig. 9 eine Vorderansicht eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsgemäßen
Filters.
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Fig. 10 ein Diagramm des zweiten Beispieles des erfindungsgemäßen
optischen Systems.
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Fig. 11ein Diagramm des dritten Beispiels des erfindungsgemäßen optischen
Systems.
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Fig. 12 ein Diagramm des vierten Beispiels des erindungsgemaßen optischen
Systems.
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Die bisher bekannte abbildende Linse, wie die Kameralinse besteht
normalerweise aus einem kombinierten linsensystem, wobei die Objektöffnung eine
kreisförmige oder kreisformähnliche, von der Blende bestimmte Form aufweist. Die
Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors innerhalb der Öffnung ist Pleichmäßig, Das
Bild des Objekts kann als Ansammlung von Punktlicht-4 quellen verschiedener Intensität
angesehen werden. Angenommen, die Objektöffnung des Linsensystems ist kreisförmig,
und die Linse hat keine Vignette und keine Aberration, so wird die in Fig. 1 gezeigte
Punktlichtquelle P vom Gesichtspunkt der geometrischen Optik aus durch das Linsensystem
L bei P'abgebildet, also die Punktlichtquelle P auf die konjugierte Brennebene als
Punktbild P'. Liegt die Bildebene S um dz vor oder hinter der Brennebene, so wird
das Bild der Punktlichtquelle zu einem Zerstreuungskreis P"von gleichmäßigen Intensität
mit dem Radius Wird die Abbildleistung außerhalb des Brennpunktes in dem Fall, daß
das Punktbild ein Zerstreuungskreis von gleichmäßiger Intensität ist, als Funktion
(Kontrastübertragungsfunktion) gezeigt, so wird eine wie in Fig, 2 (a) dargestellte
Kruve erhalten. Die Kurve hat in einem Bereich einen großen negativen Wert. In diesem
Teil ist nämlich die Umkehr des Bildes groß und die Differenz der Frequenz S, sowie
S2 auch groß, so daß das durch das Linsensystem L erzeugte defocussierte Bild eines
Objekts nicht den Eindruck eines abbildungsgetreu wiedergegebenen Objekts hervorruft.
Vielmehr ist das defocussierte Bild so verschlechtert, daß die ursprüngliche Gestalt
nicht zu unterscheiden ist.
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Die Verteilung T (r) des Durchlässigkeitsfaktors in der Öffnung der
normalen Linse im Schnitt einschließlich des Mittelpunktes ist in Fig. 3 gezeigt.
Da die Linse zentralsymmetrisch ist, ist die Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
wie in Fig. 3 gezeigt, ebenfalls symmetrisch. In Fig. 3 ist r die Koordinate der
Objektöffnung in der Richtung des Radius. r1 ist der Öffnungsradius.
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Wenn die Absorption eines Filters vom Mittelpunkt der Linsenöffnung
nach dem Umfang allmählich abfällt und damit die Verteilung T (r) des Durchlässigkeitsfaktors,
wie in Fig. 4 gezeigt, eine zentralsymmetrisch gleichförmig sich vermindernde Funktion
zeigt, und ein solcher Filter in das in Fig. 1 dargestellte Linsensystem eingefügt
wird, wird ein der Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors entsprechendes defocussiertes
Bild auf der Bildebene S erhalten. Das defocussierte Bild der Punktlichtquelle stellt
dabei nicht einen Zerstreuungskreis von gleichmäßiger Intensität dar, sondern einen
Zerstreuungskreis, dessen Mittelpunkt hell ist und dessen Intensität sich nach dem
Umfang hin allmählich vermindert. Wird die Abbildleistung-außerhalb des Brennpunktes
in diesem Fall als Funktion gezeigt, stellt diese Funktion eine Kurve entsprechend
Fig. 2 (b) dar, wobei die Verteilung T (r) des Durchlässigkeitsfaktors durch den
Amplitudendurchlässigkeitsfaktor gezeigt und die Beziehung T (r) = 1 - r2 erfüllt
ist.
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Bei den Kurven (a) und (b) der Fig. 2 sind die Durchmesser der Öffnungen,
die Brennweiten und die Entfernung&z vom Brennpunkt zur Bildebene gleich.
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Soll das defocussierte Bild gut werden, was Gegenstand vorliegender
Erfindung ist, so soll sich (1) die Kontrastübertragung bzw. Ansprechempflndlichkeit
gleichförmig vermindern und (2) keinen negativen Wert annehmen.
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Bei der in Fig. 2 gezeigten Kurve sind die Schwingungen der Kurve
(b) in Vergleich zu denen der Kurve (a) der normalen Linse klein und dementsprechend
auch deren negativer Wert, so daß die oben erwähnten Bedingungen mit der Kurve (b)
besser als mit der Kurve (a) erfüllt und sogar genügend erfüllt sind.
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Die Erfindung betrifft daher ein Verfahren zur Verbesserung des defocussierten
Bildes sowie das dazugehörige optische System zur Durchführung des Verfahrens, wobei
der Kernpunkt der Erfindung darin besteht, daß eine die Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
der Linse ändernde Absorptionseinrichtung in die Öffnung des Linsensystems gegeben
wird, wodurch die Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors eine zentralsymmetrisch
gleichförmig sich vermindernde Funktion zeigt.
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Auf diese Weise kann ein gutes defocussiertes Bild geschaffen werden,
dessen Unschärfe verringert ist. Bei Vergrößerung oder Verkleinerung der Entfernung&z
vom Brennpunkt zur Bildebene, so wird nur der Radius? des defocussierten Bildes
geändert und die normalisierte Verteilung der Intensität bleibt gleich. Wird diese
Überlegung auf die Kurve (a) und (b) üertragen, so wird der Verlauf der beiden Kurven
in Fig. 2 relativ zueinander nicht geändert, sondern lediglich die Schattierung
in Richtung der Querachse verlängert oder verkürzt.
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Bei der Erfindungkönnen daher alle defocussierten Bilder der Punktlichtquelle,
unabhängig von deren Entfernung vom Objekt verbessert werden. Ferner kann bei einer
Linse mit einer Durchlässigkeitsverteilung gemäß Fig. 4 der Grad der Unschärfe klein
gehalten werden. Vermindert sich die Kurve T-(r) der Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
nur zentralsymmetrisch gleichförmig, so wird die gleiche Wirkung wie vorgenannt
erzielt, so daß die Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors gemäß der Aufgabe der
Erfindung Kurven gemäß den Fig. 10 - 12 aufweisen kann.
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Als Mittel oder Einrichtungen die die erwähnte Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
in der Objektöffnung hervorrufen, dienen folgende: (A) Als Filter dienende planparalle
Platten unterschiedlicher Dichte werden gemeinsam mit der Objektlinse angeordnet,
wobei auf die Platte 1. ein lichtabsorbierendes Material in beliebiger Dichte aufgedampft
ist, oder -2. ein lichtempfindlinhes Material aufgebracht ist, das bis zum Erhalt
einer vorbestimmten Dichte belichtet wird.
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Durch diese Maßnahmen kann jede beliebige Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
geschaffen werden, jedoch ist die praktische Durchführung dieser Maßnahmen nicht
einfach.
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(B) In dem Fall, daß die Verteilung T (r) des Durchlässigkeitsfaktors
die Beziehung T (r) Z exp (ar2) erfüllen kann, wobei = const. gilt, kann man die
Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors durch Anordnung einer Konkavlinse aus
geeigentem,
lichtabsorbierende Eigenschaften aufweisenden Material erreichen, die innerhalb
des optischen Systems anzuordnen ist.
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In Fig. 5 ist ein Ausführungsbeispiel entsprechend (B) gezeigt, in
der die Konkavlinse der Tripletlinse mit der oben erwähnten Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
versehen ist.
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In Fig. 6 ist ein Filter mit der gewünschten Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
gezeigt, wobei eine Plankonkavlinse mit lichtabsorbierenden Eigenschaften mit einer
durchsichtigen Plankonvexlinse, die mit der Plankonkavlinse in der Krümmung;und
dem Brechungsindex gleich ist, verkittet ist. In diesem Fall kann die Verteilung
des Durchlässigkeitsfaktors dadurch geändert werden, daß die aus dem lichtabsorbierenden
Material hergestellte Konkavlinse als asphärische Linse ausgebildet wird.
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In jedem Fall wird die Linse oder der Filter zur Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors
im folgenden allgemein mit "das optische Element zur Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors"
bezeichnet.
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Im Fall, daß ein Filter als optisches Element im Linsensystem angeordnet
ist, können mehrere Stellen für die Anordnung des Filters in Frage kommen, so ist
z. B. der vordere, mittlere oder hintere Teil des Linsensystems denkbar. Es hat
sich gezeigt, daß die Anordnung des Filters, entsprechend der
Fig.
7 am besten ist. In Fig. 7 ist der Filter vor der Tripletlinse angeordnet, die aus
einer Konvex-, Konkav-und wieder einer Konvexlinse besteht und mit 1, 2, 3 bezeichnet
ist. Der Filter trägt das Bezugszeichen 4 und die Bildebene das Bezugszeichen 5.
Für das zur optischen Achse parallel laufende Lichtbündel M wirkt die erste Linse
1 als Pupille, wobei der Mittelpunkt des Filters mit dem Mittelpunkt der Linse zusammenfällt,
so daß das Licht des zur optischen Achse parallel laufenden Lichtbündels M, vergl.
Fig. 8 durch den mit dem Kreisbogen 41 - 42 umgeschlossenen kreisförmigen Teil des
Filters 4 hindurchgeht. Der Filter 4 ist in Fig. 8 in Richtung der optischen Achse
gesehen.
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Dagegen geht das Licht des zu dem Rand des Bidrahmens gelangenen schiefen
Lichtbündels N wegen der Vignette (Strahlenbegrenzung) durch die dritte Linse 3
durch den von den Kreisbogen 43 - 44 umgeschlossenen Teil des Filters der Fig. 8
hindurch. Da die Form und Intensitätverteilung des defocussierten Bildes der Punktlichtquelle
ähnlich der Form und Intensitätsverteilung des benutzten Teils des Filters ist,
wird das von dem schiefen Lichtbündel N hervorgerufene Bild unsymmetrisch und damit
die Abbildung fehlerhaft. Zur Verbesserung des defocussierten Bildes in einem größtmöglichen
Ausmaß wird daher wie in Fig. 9 gezeigt die Öffnung des Filters 4 durch Aufbringen
oder Anordnen eines lichtundurchlässigen oder undurchsichtigen Ringes 45 beschränkt,
so daß das optische System zentralsymmetrisch wird. Auch bestimmt 45 die Gruppe
der schiefen Strahlen für welche der Filter 4 als Pupille wirkt. Es ist dabei erwünscht,
daß die Pupille
keine Vignettierung zeigt. Anderseits wird durch
den Ring 45 die einfallende Lichtmenge vermindert und das Linsensystem dunkler.
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Um die einfallende Lichtmenge möglichst groB zu halten, kann der Filter
4 z. B. in der Nähe der Ebene 6 von Fig. 7 angeordnet werden, in der sich der zentrale
Lichtstrahl des schiefen Lichtbündels N mit der optischen Achse kreuzt und zugleich
ae Öffnung dieses Filters 4 die Größe der Pupille
gebentA.enn daher der Filter in die senkrecht zur optischen Achse verlaufende Ebene,
in der sich der zentrale Lichtstrahl des zum Rand des Bildrahmens gelangenen schiefen
Lichtbündels mit der optischen Achse kreuzt, eingeschoben wird und die Öffnung dieses
Filters die Größe der Pupille erhält, ist die einfallende Lichtmenge am greßtens
ohne daß es zu einer Vignettierung kommt und damit auch die erfindungsgemäße Wirkung
am größten.
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Bei der Kamera oder dgl. muß die Menge des einfallenden Lichts gemäß
der Helligkeit des Objekts beschränkt werden. Wird eine Blende in diesem Fall mit
dem optischen Element zusammen angeordnet, so wirkt diese normale Blende als Pupille
des Linsensystems.
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Wenn die Blende von dem optischen Element entfernt ist, wird bezüglich
des schiefen Lichtbündels der Mittelpunkt der Blende gegenüber dem Mittelpunkt des
optischen Elements verschoben, so daß die Intensitätsverteilung des defocussierten
Bildes nicht zentralsymmetrisch wird. Um dies zu vermeiden, muß die Blende nahe
dem optischen Element angeordnet sein, wie es zuvor beschrieben wurde.
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-Wenn die Blendenöffnung zur Beschränkung der Lichtmenge geändert
wird, wird die Verteilungskurve des Durchlässigkeitsfaktors ebenfalls geändert,
und zwar trotz einer Anordnung der Blende wie oben beschrieben. Im Falle, daß die
Verteilungskurve des Durchlässigkeitsfaktors in der Linsenöffnung trotz der Beschränkung
der Lichtmenge snau ähnlich sein muß, kann an Stelle der durch die Blende vorgenommenen
Beschränkung der Lichtmenge die Lichtmenge mittels eines N. D. Filters oder zwei
Polarisationsfiltern oder einer Vielzahl optischer Elemente verschiedener Größe
kontrolliert werden, die eine entsprechende Verteilungskurve aufweisen. Ferneifst
es möglich, die Lichtmenge durch die Verteilungskurve des Durchlässigkeitsfaktors
zu kontrollieren, wobei die Größe der Öffnung festbestimmt ist. Zum Beispiel ist
es möglich, die Lichtmenge durch den Wechselgebrauch einer Vielzahl von optischen
Elementen zur Verteilung des Durchlässigkeitsfaktors, die wie in Fig. 10 bis 12
gezeigt in der Verteilungskurve des Durchlässigkeitsfaktors verechieden und im Durchmesser
gleich sind, zu steuern. Ferner können die oben erwähnten Mittel kombiniert verwendet
werden.
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Die Verwendung einer Tripletlinse ist zuvor anhand eines Beispieles
beschrieben. Die Erfindung ist jedoch nicht nur auf diese Tripletlinse beschränkt,
sondern kann unabhängig von der Form des Linsensystems auf jedes Linsensystem wie
z. B. eine gaussische Linse, eine Gummilinse (Zoomlinse) oder ein Teleobjektiv angewendet
werden.
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Nach der Erfindung wird das defocussierte Bild getreu dem Objekt und
unverändert abgebildet, so daß die Erfindung
nicht nur auf Kameralinsen,
sondern auch äuf Objekte von Mikroskopen oder die Projektionslinsen u. s. w. angewendet
werden kann.
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Im Fall, daß die Objekttiefe groß ist, läßt sich bei der Abbildung
und der Projektion erkennen, welche Objektteile vor und hinter der eingestellten
Brennebene liegen. Die Erfindung ist gleichmaßen für Beobachtungen wie für Messungen
geeignet.
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Patentansprüche: