DE19534638A1

DE19534638A1 - Optisches System mit drei Linsen

Info

Publication number: DE19534638A1
Application number: DE19534638A
Authority: DE
Inventors: Ernst Rothe; Hans-Georg Heckmann
Original assignee: Optische Werke G Rodenstock
Current assignee: Rodenstock Praezisionsoptik and Co Kg 37081 G GmbH
Priority date: 1994-09-19
Filing date: 1995-09-19
Publication date: 1996-03-21

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System mit drei Linsen, das ein Objekt verkleinert auf eine Bild ebene abbildet.

Mit der Erfindung soll ein hochgeöffnetes Objektiv ge schaffen werden, das eine numerische Apertur in der Größenordnung 0,4 und einen Bildwinkel der Größenord nung 2w = 30 Grad aufweist.

Konventionell würde man für ein derartiges Objektiv ein 6-linsiges Objektiv vom Gauss-Typ einsetzen.

Überraschenderweise hat sich herausgestellt, daß ein derartiges Objektiv auch mit drei Linsen realisiert werden kann, sofern diese gemäß dem Anspruch 1 ausge bildet sind und insbesondere asphärische Flächen auf weisen.

Dieser erfindungsgemäße Grundgedanke kann durch eine Vielzahl von Ausführungsformen realisiert werden. Es hat sich jedoch herausgestellt, daß die Kombination der erfindungsgemäß angegebenen Merkmalen vorliegen muß, um optische Systeme hoher Qualität realisieren zu können. Die Einhaltung der erfindungsgemäßen Merkmale erleich tert darüberhinaus die Berechnung der erfindungsgemäß ausgebildeten Systeme.

In jedem Falle weist das System ein Verbundglied (Kitt glied) und eine Einzellinse auf. Das Verbundglied ist auf der Seite der langen Konjugierten angeordnet und besteht aus einer Positivlinse und einer Negativlinse.

Im folgenden werden zur Beschreibung des Verbundgliedes und der Einzellinse folgende Abkürzungen verwendet:
F1 Außenfläche des Verbundgliedes in Richtung zur langen Konjugierten,
F2 Verbundfläche im Verbundglied,
F3 Außenfläche des Verbundgliedes in Richtung zur kurzen Konjugierten,
F4 Fläche der Einzellinse in Richtung zur langen Konjugierten, und
F5 Fläche der Einzellinse in Richtung zur kurzen Konjugierten.

Bevorzugt haben die Außenflächen F1 und F3 des Verbund gliedes eine entgegengesetzte Richtung der Krümmung, so daß das Verbundglied wie eine Bikonvexlinse erscheint.

Die Scheitelkrümmungsradien der Außenflächen des Ver bundgliedes liegen zwischen dem 0,7 fachen und dem 1,5 fachen der Gesamtbrennweite f des erfindungsgemäßen optischen Systems. Dabei gehört bevorzugt zu einem kurzen Radius der Fläche F1 ein langer Radius der Flä che F3. Die genauen Werte der Krümmungsradien ergeben sich aus der Wahl der frei wählbaren Bauparameter.

In jedem Falle muß die erste oder die zweite Fläche des Verbundgliedes eine asphärische Fläche sein. Bevorzugt ist die Fläche F1 des erfindungsgemäßen Systems asphä risch, wobei die Asphäre derart ausgebildet ist, daß die Krümmung (1/Krümmungsradius) von innen nach außen abnimmt. Nur damit ist bei dem erfindungsgemäßen System die große Apertur korrigierbar. Die genaue Form der Asphäre hängt von den frei wählbaren Bauparametern ab.

Das Verbundglied muß weiterhin aus zwei Materialien unterschiedlicher Dispersion bestehen, wobei das Ver hältnis der v-Werte (Abbe′sche Zahlen) größer als 1,3 ist. Die Linse mit dem größeren v-Wert ist eine Bikon vex-Linse. Die Linse mit dem größeren v-Wert kann die erste oder die zweite Linse des Verbundgliedes sein. Bevorzugt ist es die erste Linse.

Die Materialien für die Linsen sind abgesehen von der genannten Bedingung frei wählbar. Aus Kostengründen und fertigungstechnischen Gründen sind bevorzugte Materia lien für die Positivlinse des Verbundgliedes BK7 oder PMMA, für die Negativlinse des Verbundgliedes F2, Poly karbonat, Polystyrol und für die frei stehende Linse BK7, F2, PMMA, Polystyrol und Polycarbonat.

In jedem Falle ist es ferner erforderlich, daß das erfindungsgemäße optische System noch wenigstens eine weitere asphärische Fläche aufweist. Diese asphärische Fläche kann die Fläche F3 und/oder F4 sein. Universel lere Lösungen erhält man, wenn sowohl F3 als auch F4 asphärisch sind.

Die Flächen der Einzellinse haben bevorzugt Scheitel krümmungsradien, deren Krümmungsmittelpunkte beide in Richtung zur kurzen Konjugierten weisen. Der Krümmungs radius der Fläche F5 ist kleiner als der der Fläche F4 und liegt zwischen dem 0,45 fachen und dem 0,9 fachen der Systembrennweite. Diese Bedingung ist in Kombina tion mit den anderen Bedingungen vorteilhaft für eine praktisch vollständige zur Ebnung des Bildfeldes.

Die Dickensummen der Linsen sollten bevorzugt gewisse Beträge überschreiten, da nur so die korrigierende Wirkung der einzelnen Flächen und Asphären optimal aufeinander abgestimmt werden kann. Es hat sich ge zeigt, daß die Dicke des Verbundgliedes größer als das 0,65fache der Systembrennweite sein sollte und die Dickensumme der drei Linsen größer als das 1,4fache.

Der Abstand zwischen der letzten Fläche F5 und der Bildebene auf der Seite der kurzen Konjugierten muß klein sein und zwischen dem 0,05 fachen und dem 0,6 fachen der Systembrennweite liegen. Der besonders be vorzugte Abstand liegt zwischen dem 0,1 fachen und dem 0,3 fachen der Systembrennweite f.

Zusätzlich kann wenigstens eine planparallele Platte in die Korrektur des Systems einbezogen sein.

Neben den erfindungsgemäß unbedingt oder bevorzugt festgelegten Bauparametern gibt es noch eine Reihe von Freiheitsgraden, über die frei verfügt werden kann.

Folgende Bauparameter sind frei verfügbar und nicht erfindungsgemäß festgelegt:

Das Material der dritten Linse kann aus dem Bereich der zur Verfügung stehenden optischen Gläser und Kunststof fe weitgehend beliebig ausgewählt werden. Die Materia lien des Verbundgliedes sind frei verfügbar, wenn nur die erfindungsgemäße Relation zwischen den v-Werten eingehalten ist. Die Dicken der einzelnen Linsen sind im Rahmen der erfindungsgemäßen Dickensummen frei ver fügbar.

Der frei angenommene Wert dieser Freiheitsgrade be stimmt in gewissem Umfang die genauen Werte der er findungsgemäßen Bauparameter. Für die erfindungsgemäßen Bauparameter ist deshalb eine gewisse Variationsbreite angegeben, um den Umfang der Erfindung zu charakteri sieren. Die angegebenen Beispiele können nicht voll zählig sein, sondern nur einige signifikante Varianten aus dem erfindungsgemäßen Gedanken klarstellen.

Das erfindungsgemäße System gestattet eine große An wendungsbreite. Es sind Abbildungsmaßstäbe von β = -0,5 bis β = 0,0 möglich, also von geringer Verkleinerung bis Abbildung aus unendlich.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungs beispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher beschrieben, deren einzige

Figur einen Linsenschnitt durch ein erstes Aus führungsbeispiel der Erfindung zeigt.

In der einzigen Figur ist ein Linsenschnitt darge stellt, in den zusätzlich der Strahlengang eingezeich net ist. Die optischen Flächen des Systems sind mit 1 bis 5 durchnumeriert. Die "Fläche" 6 ist die Bild ebene.

In den nachfolgenden Tabellen, in denen die numerischen Daten von 39 Ausführungsbeispielen angegeben sind, be zeichnen:
Ri Scheitelkrümmungsradius der i-ten Fläche
di Mittendicke bzw. Luftabstand zwischen der i-ten und der (i+1)-ten Fläche,
ni Brechungsindex des Materials zwischen der i-ten und der (i+1)-ten Fläche,
vi Abbe′sche Zahl des Materials zwischen der i-ten und der (i+1)-ten Fläche.

Die Blendenlage ist (angenähert) der Figur zu entneh men. Ferner sind in den Tabellen die asphärischen Flä chen angegeben. Die asphärischen Flächen werden dabei durch eine Kugelfläche beschrieben, die durch Terme vierter und sechster Ordnung von h, d. h. dem Abstand von der optischen Achse modifiziert wird. Der Radius der Kugelfläche ist dabei natürlich gleich dem angege benen Scheitelkrümmungsradius.

Zur Beschreibung der asphärischen Flächen sind deshalb in den nachfolgenden Tabellen nur die "Asphärenkoeffi zienten" a_ÿ der i-ten Fläche für die Terme 4. (a_i4h⁴) und 6. (a_i6h⁶) Ordnung. Dabei sind die Radien auf drei Stellen, die Dicken, die Asphärenkoeffizienten und die Brechzahlen bzw. Abbe′schen Zahlen auf zwei (oder drei) Stellen gerundet. E-x bedeutet eine Multiplika tion des Koeffizienten mit 10^-x.

Tabelle 1

Tabelle 2

Tabelle 3

Bei den Beispielen 12 bis 15 ist ein planparallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte ist jeweils geeignet gewählt.

Tabelle 4

Bei den Beispielen 16 bis 20 ist eine planparallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte von der ersten Linse sind jeweils geeignet ge wählt.

Tabelle 5

Bei den Beispielen 21 bis 25 ist eine planparallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte von der ersten Linse sind jeweils geeignet ge wählt.

Tabelle 6

Bei den Beispielen 26 bis 30 ist eine planparallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte von der ersten Linse sind jeweils geeignet ge wählt.

Tabelle 7

Bei den Beispielen 31 bis 35 ist eine planparallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte von der ersten Linse sind jeweils geeignet ge wählt.

Tabelle 8

Bei den Beispielen 37 und 38 bestehen die erste und dritte Linse aus Plexiglas und die zweite Linse aus Polystyrol, während bei Beispiel 39 die erste Linse aus Polystyrol und die zweite und dritte Linse aus Plexi glas bestehen.

Bei den Beispielen 36 bis 39 ist ebenfalls eine plan parallele Platte im Strahlengang vor der ersten Linse vorgesehen, die einen Brechungsindex n_e von 1,79 und eine Abbe′sche Zahl von 25,9 hat. Die Dicke und der Abstand dieser Platte (von der ersten Linse) sind jeweils geeignet gewählt.

Soweit in den Ansprüchen Handelsbezeichnungen von opti schen Glasmaterialien (nicht Kunststoffmaterialien) angegeben sind, beziehen sich diese auf die Nomenklatur der Fa. Schott, Deutschland.

Sämtliche Ausführungsbeispiele weisen eine Brennweite von 11,2 mm auf und sind insbesondere für einen Abbil dungsmaßstab β = -0,2 ausgelegt.

Claims

1. Optisches System zur verkleinernden Abbildung eines Objektes auf eine Bildebene, bestehend aus drei Linsen, mit folgenden Merkmalen:

- die - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - ersten beiden Linsen sind zu einem Verbundglied ver kittet, die dritte Linse ist eine Einzellinse,
- eine der Linsen des Verbundgliedes ist eine Positiv linse, die andere eine Negativlinse,
- wenigstens die erste oder die zweite Fläche des Verbundgliedes ist eine asphärische Fläche,
- die beiden Linsen des Verbundgliedes bestehen aus Materialien mit unterschiedlicher Dispersion, wobei das Verhältnis der Abbe′schen Zahlen v größer als 1,3 ist,
- die - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - letzte Fläche (F3) des Verbundgliedes und/oder die erste Fläche (F4) der Einzellinse ist eine asphäri sche Fläche.

2. System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - erste Fläche (F1) des Ver bundgliedes eine asphärische Fläche ist, deren Krüm mungsmittelpunkt auf der Seite der kurzen Konjugierten liegt, und deren Krümmung von innen nach außen abnimmt, wobei für den Scheitelkrümmungsradius R₁ in Bezug auf die Gesamtbrennweite f des Systems gilt: 0,7f < R₁ < 1,5f.

3. System nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - letzten Fläche (F3) des Verbundgliedes in Richtung zur langen Konjugierten liegt, und daß für den Scheitelkrümmungsra dius R₃ dieser Fläche in Bezug auf f gilt: 0,7f < R₃ < 1,5f.

4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - ersten Fläche (F4) der Einzellinse in Richtung zur kurzen Konjugierten liegt, und daß für den Scheitelkrümmungsra dius R₄ dieser Fläche in Bezug auf f gilt: 0,5f < R₄ < 1,5f.

5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - zweiten Fläche (F5) der Einzellinse in Richtung zur kurzen Konjugierten liegt, und daß für den Scheitelkrümmungsra dius R₅ dieser Fläche in Bezug auf f gilt: 0,45f < R₄ < 0,9f.

6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Scheitelkrümmungsra dien der beiden Flächen der Einzellinse gilt: R₅ < R₄.

7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiteldicke des Ver bundgliedes größer als das 0,65fache der Gesamtbrenn weite f des Systems ist.

8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Summe der Dicken aller drei Linsen größer als das 1,4fache der Gesamtbrenn weite f des Systems ist.

9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabstand zwischen dem Verbundglied und der Einzellinse zwischen dem 0,01 fachen und dem 0,9 fachen der Gesamtbrennweite f des Systems liegt.

10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabstand zwischen der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - zweiten Fläche (F5) und der Bildebene zwischen dem 0,05 fachen und dem 0,6 fachen der Gesamtbrennweite des Systems liegt.

11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - erste Linse des Verbundglie des aus einem Material, dessen Abbe′sche Zahl größer als 45 ist, und die zweite Linse aus einem Material besteht, dessen Abbe′sche Zahl kleiner als 45 ist.

12. System nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - zweiten Fläche (F2) des Verbundgliedes in Richtung zur langen Konjugierten liegt, und daß für den Scheitelkrümmungsra dius R₂ dieser Fläche in Bezug auf f gilt: 0,5f < R₃ < 0,8f.

13. System nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - erste Linse des Verbundglie des aus einem Material, dessen Abbe′sche Zahl kleiner als 45 ist, und die zweite Linse aus einem Material besteht, dessen Abbe′sche Zahl größer als 45 ist.

14. System nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Krümmungsmittelpunkt der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - zweiten Fläche (F2) des Verbundgliedes in Richtung zur kurzen Konjugierten liegt, und daß für den Scheitelkrümmungsra dius R₂ dieser Fläche in Bezug auf f gilt: 0,5f < R₃ < 0,8f.

15. System nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die dritte Fläche (F3) des Verbundgliedes als auch die erste Fläche (F4) der Einzellinse - jeweils gesehen von der Seite der langen Konjugierten - asphärische Flächen sind, und daß der Krümmungsradius der ersten Fläche (F4) der Einzellinse von innen nach außen zunimmt.

16. System nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabstand zwischen dem Verbundglied und der Einzellinse zwischen dem 0,35 fachen und dem 0,65 fachen der Gesamtbrennweite f liegt.

17. System nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftabstand zwischen der - gesehen von der Seite der langen Konjugierten - zweiten Fläche (F5) und der Bildebene zwischen dem 0,1 fachen und dem 0,3 fachen der Gesamtbrennweite des Systems liegt.

18. System nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke der freistehenden Linse zwischen dem 0,5 fachen und dem 0,8 fachen der Gesamtbrennweite f liegt.

19. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die - jeweils gesehen von der Seite der langen Konjugierten - erste Linse aus PMMA, die zweite Linse aus Polystyrol oder Polykarbonat und die dritte Linse aus PMMA, Polystyrol oder Polykar bonat besteht.

20. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß die - jeweils gesehen von der Seite der langen Konjugierten - erste Linse aus BK7, die zweite Linse aus F2 und die dritte Linse aus BK7 oder F2 besteht.

21. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß eine Linse aus PMMA, Poly styrol oder Polykarbonat und die anderen beiden Linsen aus BK7 und/oder F2 bestehen.

22. System nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Linsen aus PMMA, Poly styrol oder Polykarbonat und die dritte Linse aus BK7 und/oder F2 bestehen.

23. System nach einem der Ansprüche 1 bis 22, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine planparal lele Platte in die Korrektur des Systems einbezogen ist.