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Die
Erfindung betrifft ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem nach
dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein
solches Bildaufnahme-/Suchersystem wird in einer CCD-Kamera, beispielsweise
einer kleinen Videokamera, einer Digitalkamera oder einer elektronischen Überwachungskamera
etc. verwendet.
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In
modernen CCD-Kameras wurde in jüngster
Zeit die Größe der Bildebene
der CCD-Elemente als lichtempfangende Elemente von 1/2'' oder 1/3'' auf
1/4'' oder 1/5'' verringert. Ebenso wurden Versuche
unternommen, die CCD-Kameras zu verkleinern. In herkömmlichen
CCD-Kameras sind gewöhnlich
Flüssigkristall-Sucher
(LC) und/oder optische Sucher vorgesehen, die es erlauben, das aufzunehmende
Bild visuell zu erfassen.
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Es
gibt verschiedene Arten von optischen Suchern, wie beispielsweise
Sucher, die unabhängig
von dem optischen Bildaufnahmesystem sind oder optisch gekoppelte
Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem abgezweigt angeordnet sind.
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LC-Sucher
haben beispielsweise den Nachteil, vergleichsweise viel elektrische
Energie zu verbrauchen, so daß die
Lebensdauer der Batterie herabgesetzt ist. Ferner sind als Nachteile
zu nennen, daß die
Bewegung der in der Bildebene dargestellten Bilder unstetig ist
und die Auflösung
niedriger als bei optischen Suchern ist.
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In
einem von dem optischen Bildaufnahmesystem unabhängigen optischen Sucher weichen
für ein Objekt,
dessen Objektentfernung von einer spezifizierten Entfernung, d.h.
von einer Referenzobjektentferung abweicht, der Aufnahmebereich
des Bildaufnahmesystems und der Sichtbereich des Suchers voneinander
ab. Die Abweichung des Sichtbereichs des Suchers von dem Aufnahmebereich
des Bildaufnahmesystems wird als Parallaxe bezeichnet.
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Optisch
gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem abgezweigt angeordnet
sind, zeigen zwar keine Parallaxe, erfüllen jedoch nur schwer die
Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisierung und der Bequemlichkeit
beim Betrachten des Objekts durch den Sucher. Wird die Größe der Bildebene
des Bildaufnahmesystems (CCD) verringert, um den Sucher zu verkleinern,
so wird zugleich die Größe der in
dem abgezweigten Strahlengang des optischen Suchers angeordneten
primären
Bilderzeugungsfläche
verringert, und der sichtbare Abstrahlwinkel, d.h. der Sehwinkel
wird klein, so daß das
zu betrachtende Bild verkleinert wird und Schwierigkeiten beim Betrachten
durch den Sucher auftreten.
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Wird
die Brennweite des Okulars verringert, um den Sehwinkel zu vergrößern, so
werden der Pupillendurchmesser und der Pupillenabstand verringert.
Auf diese Weise kann selbst bei ei ner geringen Bewegung des Auges
Vignettierung auftreten, so daß das
Bild nicht deutlich durch den Sucher betrachtet werden kann.
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In
der Druckschrift
US 4 525 744 ist
ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1 beschrieben. Dieses Bildaufnahme-/Suchersystem enthält eine
Strahlteileroptik, die den auf die Okularoptik führenden Strahlengang von dem
auf die Bildaufnahmevorrichtung führenden Strahlengang abzweigt.
Vor der Bildaufnahmevorrichtung ist eine Linse angeordnet, die positive
Brechkraft hat und demnach als Verkleinerungsoptik aufzufassen ist,
die eine Verkleinerung des auf die Bildaufnahmevorrichtung abgebildeten
Bildes bewirkt.
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In
diesem System befindet sich in dem der Okularoptik zugeordneten
Strahlengang zwischen der Strahlteileroptik und der die primäre Bilderzeugungsfläche bildenden
Fokussierscheibe eine weitere Linse. Durch diese weitere Linse wird
das durch die Objektivoptik erzeugte Bild auf die Fokussierscheibe
abgebildet. Letzteres Bild kann durch die Okularoptik betrachtet
werden.
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In
diesem System kann eine Vergrößerung des
auf die Fokussierscheibe abgebildeten Bildes durch ein Pentaprisma
erreicht werden, das sich zwischen der Strahlteileroptik und der
Fokussierscheibe befindet. Dieses Pentaprisma bewirkt eine Verlängerung
des von der Strahlteileroptik auf die Fokussierscheibe führenden
Strahlenganges. Durch diese Strahlengangverlängerung kann die Brennweite
der oben genannten weiteren Linse vergrößert werden, was wiederum dazu
führt,
daß das
auf der Fokussierscheibe erzeugte Bild bei gleicher Vergrößerung der
Okularoptik größer wird.
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Bei
diesem vorbekannten System wird also ein größeres Bild auf der Fokussierscheibe
dadurch erreicht, daß der
Strahlengang zwischen der Strahlteileroptik und der Fokussierscheibe verlängert wird.
Dies führt
aber zwangsläufig
dazu, daß das
System vergleichsweise groß bemessen
sein muß.
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Ausgehend
von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem anzugeben, das bei kompaktem
Aufbau für
ein möglichst
großes
Bild in der primären
Bilderzeugungsfläche
sorgt.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Die
Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1A die
schematische Darstellung eines optische gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystems,
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1B die
Ansicht eines Prismas und eines Feldrahmens in Richtung des Pfeils 1B nach 1A,
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2 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnahmefläche,
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3A, 3B, 3C, 3D und 3E die
Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 2,
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4 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensystem,
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5A, 5B, 5C und 5D die
Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 4,
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6 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnahmefläche,
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7A, 7B, 7C, 7D und 7E die
Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 6,
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8 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensystem,
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9A, 9B, 9C und 9D die
Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 8,
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10 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu der Bildaufnahmefläche,
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11A, 11B, 11C, 11D und 11E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems
nach 10,
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12 die
schematische Darstellung der Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels,
ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensystem,
und
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13A, 13B, 13C und 13D die
Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 12.
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Das
optisch gekoppelte Bildaufnahme-/Suchersystem gemäß der Erfindung
enthält
ein Objektivlinsensystem 10, eine optische Strahlteileroptik
(Strahlteiler) 20, eine Verkleinerungsoptik 30 mit
positiver Brechkraft und eine Bildaufnahmefläche I, die nach 1A ausgehend
von der Objektseite in der genannten Reihenfolge angeordnet sind.
Eine Vergrößerungsoptik 40 mit
negativer Brechkraft, eine Kondensorlinse C, ein Feldrahmen F, ein
Prisma P mit drei Reflexionsflächen
r1, r2 und r3 und ein Okularlinsensystem (Okularoptik) 50 sind ausgehend
von der Objektseite in der genannten Reihenfolge in dem durch die
Strahlteileroptik 20 abgezweigten Strahlengang angeordnet.
Vier reflektierende Flächen,
nämlich
die reflektierende Fläche
der Strahlteileroptik 20 und die drei Reflexionsflächen r1,
r2 und r3 des Prismas P, bilden ein optisches Umlenksystem. EP bezeichnet
den Augenpunkt. Vor der Bildaufnahmefläche I ist eine Glasabdeckung 31 (mit
einem Filter) in Form einer ebenen Platte angeordnet. In 1A ist
die Verkleinerungsoptik 30 durch ein positives Linsenelement
dargestellt. Die Vergrößerungsoptik 40 ist
durch ein einzelnes negatives Linsenelement dargestellt.
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In
dem optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystem wird das durch
das Objektivlinsensystem 10 und die optische Verkleinerungsoptik 30 erzeugte
Bild auf die Bildaufnahmefläche
I fokussiert. Das durch das Objektivlinsensystem 10, die
Vergrößerungsoptik 40 und
die Kondensorlinse C erzeugte Bild wird auf den Feldrahmen F fokussiert,
der eine primäre
Bilderzeugungsfläche
begrenzt, so daß das
Bild durch das optische Umlenksystem und das Okularlinsensystem 50 als
ein aufrecht stehendes reelles Bild gesehen werden kann. In 1A sind
die Verkleinerungsoptik 30 und die Vergrößerungsoptik 40 durch
ein einzelnes positives Linsenelement bzw. durch ein einzelnes negatives
Linsenelement dargestellt.
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Ein
signifikantes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß die Verkleinerungsoptik 30 zwischen
der hinter dem Objektivlinsensystem 10 angeordneten Strahlteileroptik 20 und
der Bildaufnahmefläche
I vorgesehen ist, und die Vergrößerungsoptik 40 zwischen
der Strahlteileroptik 20 und der Kondensorlinse C, die
das Bild dem Okularlinsensystem 50 zuführt, angeordnet ist. Die zwischen
der Strahlteileroptik 20 und der Bildaufnahmefläche I angeordnete
Verkleinerungsoptik 30 macht die Bildaufnahmefläche (CCD)
I klein und erhöht
so die Effizienz des optischen Systems.
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Die
zwischen der Strahlteileroptik 20 und der Kondensorlinse
C angeordnete Vergrößerungsoptik 40 trägt dazu
bei, die primäre
Bilderzeugungsfläche
bezüglich
der Bildebene des Objektivlinsensystems (10) zu vergrößern. Folglich
kann die Brennweite des Okularlinsensystems 50 vergrößert werden,
so daß man
ein sichtbares Gesichtsfeld, einen Pupillendurchmesser und einen
Pupillenabstand erhält,
wie sie für
einen normalen optischen Sucher notwendig sind.
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Aufgrund
der Kombination der Verkleinerungsoptik und der Vergrößerungsoptik
kann die Größe des Objektivlinsensystems
und des CCD-Elements verringert und die Effizienz des optischen
Bildaufnahmesystems erhöht
werden. Ferner wird die Beobachtung des Bildes durch den optischen
Sucher erleichtert, und das optisch gekoppelte Bildaufnahme-/Suchersystem
kann verkleinert werden.
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Die
Formel (1) des Anspruchs 2 gibt den Abbildungsmaßstab der Verkleinerungsoptik
an. Vorteilhaft genügt
der Abbildungsmaßstab
der Verkleinerungsoptik der Formel (1). Übersteigt der Abbildungsmaßstab die obere
Grenze, so kann die Verkleinerungsoptik nicht realisiert werden,
und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung wird nicht gelöst. Ist
der Abbildungsmaßstab
kleiner als die untere Grenze in der Formel (1), so kann zwar das
CCD-Element klein gehalten werden, aber die Dicke der Linsen der
Verkleinerungsoptik steigt an.
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Die
Formel (2) des Anspruchs 2 gibt den resultierenden Abbildungsmaßstab der
Vergrößerungsoptik und
der Kondensorlinse an. Vorzugsweise erfüllt der Abbildungsmaßstab die
Formel (2). Übersteigt
der resultierende Abbildungsmaßstab
die obere Grenze in der Formel (2), so können zwar das Gesichtsfeld
und der Pupillenabstand vergrößert werden,
aber auch die Aberration des Objektivlinsensystems wächst an,
so daß die
Aberrationen, wie die chromatische Aberration oder die Bildfeldwölbung des
optischen Suchers anwachsen. Ist der resultierende Abbildungsmaßstab kleiner
als die untere Grenze, so kann die Vergrößerungsoptik nicht realisiert
werden, und die Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann nicht gelöst werden.
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Die
Kondensorlinse C, die das Bild auf das Okularlinsensystem 50 abbildet,
besitzt positive Brechkraft und einen Abbildungsmaßstab kleiner
als 1,0. Folglich muß der
Abbildungsmaßstab
MR der Vergrößerungsoptik
der Formel (4) des Anspruchs 4 genügen, um die Formel (2) zu erfüllen.
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Vorzugsweise
genügt
das Verhältnis
zwischen dem Abbildungsmaßstab
der Verkleinerungsoptik und des resultierenden Abbildungsmaßstabs der
Vergrößerungsoptik
und der Kondensorlinse der Formel (3) des Anspruchs 3. Ist das Verhältnis kleiner
als die untere Grenze, so ist nur schwer ein deutliches Bild durch
den Sucher zu sehen, ohne das CCD-Element zu vergrößern. Ist
das Verhältnis
größer als
die obere Grenze in der Formel (3), so wächst die Aberration des optischen
Suchers an.
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Enthält die Verkleinerungsoptik,
die positive Brechkraft besitzt, mindestens ein positives Linsenelement
und mindestens ein negatives Linsenelement, so können die chromatischen Aberrationen
korrigiert werden. Ist ferner die Verkleinerungsoptik aus einem
Glas mit hohem Brechungsindex herge stellt, das der folgenden Formel
(5) genügt,
so kann nicht nur die Linsendicke der Verkleinerungsoptik verringert,
sondern auch die Bildfeldkrümmung
effektiv korrigiert werden. 1,7 < Np, 1,7 < NN (5)worin
Np der Brechungsindex des positiven Linsenelements,
NN der Brechungsindex des negativen Linsenelements
ist.
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Enthält die Vergrößerungsoptik
mit negativer Brechkraft mindestens ein negatives Meniskuslinsenelement,
dessen konkave Fläche
der Objektseite zugewandt ist, so kann die Bildfeldwölbung effektiv
korrigiert werden.
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Im
folgenden werden drei Ausführungsbeispiele
1, 2 und 3 des optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystems an
Hand numerischer Daten diskutiert.
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Ausführungsbeispiel 1
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Die 2 bis 5 zeigen
ein erstes Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 2 zeigt die Linsenanordnung
des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu der Bildaufnahmefläche
I, und die 3A bis 3E zeigen
die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. 4 zeigt
die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu dem Okularlinsensystem 50, und die 5A bis 5D zeigen
die Diagramme der Aberrationen dieser Linsenanordnung. Die Tabellen
1 und 2 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu der Bildaufnahmefläche
I bzw. Linsendaten des Linsensystems ausgehend von der Strahlteileroptik 20 bis
zu dem Okularlinsensystem 50.
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In
Tabelle 2 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis 14 dargestellt,
da diese Daten identisch denen sind, die in Tabelle 1 aufgeführt sind.
Die Linsenflächen
Nr. 15 und 16 der Tabelle 1 und 2 entsprechen der Strahlteileroptik 20,
die Linsenflächen
Nr. 21 bis 25 der Tabelle 1 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD)
I, die Linsenflächen
Nr. 20 bis 24 in Tabelle 2 entsprechen der ebenen Platte des Feldrahmens
F und dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr.
27 und 28 in Tabelle 2 entsprechen der Glasabdeckung des Okularlinsensystems 50.
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In
den Diagrammen der Aberrationen stellt SA die sphärische Aberration
dar, SC die Sinusbedingung, d-Linie, g-Linie und C-Linie die chromatischen
Aberrationen, dargestellt durch die sphärische Aberration und die laterale
chromatische Aberration bei der jeweiligen Wellenlänge, S die
Sagittalstrahlen und M die Meridionalstrahlen.
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In
den Tabellen und den Zeichnungen ist FNO die
F-Zahl, F die Brennweite, W der halbe Feldwinkel, ER der Durchmesser
der Austrittspupille (Augenring), B das sichtbare Gesichtsfeld (halber
Sehwinkel des Abstrahlwinkels), fB die hintere
Bildweite, LE der Pupillenabstand, f10, f30, f40, fc, f50 die Brennweite des Objektivlinsensystems 10,
der Verkleinerungsoptik 30, der Vergrößerungsoptik 40, der
Kondensorlinse C bzw. des Okularlinsensystems 50, R der
Krümmungsradius,
D die Linsendicke oder der Abstand zwischen den Linsen, Nd der Brechungsindex bei der d-Linie und νd die
Abbe-Zahl bei der d-Linie.
Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Linsendaten der
Linsensysteme nach 2 bzw. 4.
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Die
rotationssymmetrische, asphärische
Fläche
kann im allgemeinen wie folgt ausgedrückt werden. x
= Ch2/{1 + [1 – (1 + K)C2h2]1/2} + A4h4 + A6h6 + A8h8 + ...worin
h die Höhe über der
Achse ist,
x der Abstand von einer Tangentialebene eines asphärischen
Scheitels,
C die Krümmung
des asphärischen
Scheitels (1/r),
K eine Konizitätskonstante,
A4 ein Asphäritätsfaktor
vierter Ordnung,
A6 ein Asphäritätsfaktor sechster Ordnung,
A8
ein Asphäritätsfaktor
achter Ordnung.
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Asphäritätsdaten
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- Nr.25: K = 0,0, A4 = –0,52000 × 10–4,
A6 = –0,11300 × 10–6 A8
= 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0
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Ausführungsbeispiel 2
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6 bis 9 zeigen
ein zweites Ausführungsbeispiel
der Erfindung. 6 zeigt die Linsenanordnung
eines Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis
zu der Bilderzeugungsfläche
I, und die 7A bis 7E zeigen
die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. 8 zeigt
die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis
zu dem Okularlinsensystem 50, und die 9A bis 9D zeigen
die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Die folgenden
Tabellen 3 und 4 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend
von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw.
Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu
dem Okularlinsenystem 50.
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In
Tabelle 4 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis Nr. 10 gezeigt,
da diese identisch mit den in Tabelle 3 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr.
11 und 12 in Tabelle 3 und 4 entsprechen der Strahlteileroptik 20,
die Linsenflächen
Nr. 17 bis 21 in Tabelle 3 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD)
I, die Linsenflächen 16 bis 20 in
Tabelle 4 entsprechen der ebenen Platte des Feldrahmens F und dem
Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr.
23 und 24 in Tabelle 4 entsprechen der Glasabdeckung des Okularlinsensystems 50.
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Asphäritätsdaten
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- Nr.4: K = 0,0, A4 = –0,90000 × 10–3,
A6 = –0,13400 × 10–5 A8
= –0,19900 × 10–5,
A10 = 0,0, A12 = 0,0
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Asphäritätsdaten
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- Nr.4: K = 0,0, A4 = –0,90000 × 10–3,
A6 = –0,13400 × 10–5 A8
= –0,19900 × 10–5,
A10 = 0,0, A12 = 0,0
- Nr.21: K = 0,0, A4 = –0,52000 × 10–4,
A6 = –0,11300 × 10–6 A8
= 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0
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Ausführungsbeispiel 3
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Die 10 bis 13 zeigen
ein drittes Ausführungsbeispiel
der Erfindung.
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10 zeigt
eine Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu der Bildaufnahmefläche
I, und die 11A bis 11E zeigen
die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. 12 zeigt
die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu dem Okularlinsensystem 50, und die 13A bis 13D zeigen
die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. In den folgenden
Tabellen 5 und 6 sind Linsendaten das Linsensystems ausgehend von
dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw.
Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis
zu dem Okularlinsensystem 50 aufgeführt.
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In
Tabelle 6 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis 10 aufgeführt, da
diese identisch mit den in Tabelle 5 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr.
11 und 12 in Tabelle 5 und 6 entsprechen der Strahlteileroptik 20,
die Linsenflächen 17 bis 21 in
Tabelle 5 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD)
I, die Linsenflächen
Nr. 17 bis 20 in Tabelle 6 entsprechen der ebenen Platte des Feldrahmens F
und dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr.
23 und 24 in Tabelle 6 entsprechen der Glasabdeckung des Okularsystems 50.
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Asphäritätsdaten
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- Nr.21: K = 0,0, A4 = 0,56200 × 10–4,
A6 = 0,17900 × 10–5 A8
= 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0
- Nr.22: K = 0,0, A4 = 0,23000 × 10–3,
A6 = 0,56400 × 10–5 A8
= 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0
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Die
folgende Tabelle 7 zeigt numerische Werte entsprechend den Formeln
(1) bis (4) des ersten, zweiten und dritten Ausführungsbeispiels.
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Wie
in Tabelle 7 zu sehen ist, erfüllen
die drei Ausführungsbeispiele
die in den Formel (1) bis (4) angegebene Anforde rung. So können die
Aberrationen angemessen korrigiert werden.
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Für eine Kamera
mit einem von dem Strahlengang des optischen Bildaufnahmesystems
abgezweigt angeordneten optischen Sucher kann gemäß der Erfindung
ein optische gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem angegeben werden,
in dem das Bild deutlich durch den optischen Sucher gesehen werden
kann, ohne daß das
optische Bildaufnahmesystem größer ausgebildet
werden muß.
