DE19724023A1

DE19724023A1 - Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem

Info

Publication number: DE19724023A1
Application number: DE19724023A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Abe; Takaaki Yano; Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1997-12-11
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: JPH09325268A; DE19724023B4; US6130714A; JP3320978B2

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme- /Suchersystem mit einem Objektiv, einer Bildaufnahmefläche, einem Okularsystem und einem hinter dem Objektiv angeordneten optischen Trennsystem zum Aufteilen eines Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, dem Okularsystem zugeordnetes Lichtbündel.

Ein solches Bildaufnahme-/Suchersystem wird in einer CCD-Ka mera, beispielsweise einer kleinen Videokamera, einer Digi talkamera oder einer elektronischen Überwachungskamera etc. verwendet.

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-Su cher (LC) und/oder optische Sucher vorgesehen, die es erlau ben, das aufzunehmende Bild visuell zu erfassen.

Es gibt verschiedene Arten von optischen Suchern, wie bei spielsweise Sucher, die unabhängig von dem optischen Bildauf nahmesystem sind oder optisch gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem abgezweigt angeordnet sind.

LC-Sucher haben beispielsweise den Nachteil, vergleichsweise viel elektrische Energie zu verbrauchen, so daß die Lebens dauer der Batterie herabgesetzt ist. Ferner sind als Nach teile zu nennen, daß die Bewegung der in der Bildebene darge stellten Bilder unstetig ist und die Auflösung niedriger als bei optischen Suchern ist.

In einem von dem optischen Bildaufnahmesystem unabhängigen optischen Sucher weichen für ein Objekt, dessen Objektentfer nung von einer spezifizierten Entfernung, d. h. von einer Re ferenzobjektentfernung abweicht, der Aufnahmebereich des Bild aufnahmesystems und der Sichtbereich des Suchers voneinander ab. Die Abweichung des Sichtbereichs des Suchers von dem Auf nahmebereich des Bildaufnahmesystems wird als Parallaxe be zeichnet.

Optisch gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem ab gezweigt angeordnet sind, zeigen zwar keine Parallaxe, erfül len jedoch nur schwer die Anforderungen hinsichtlich der Mi niaturisierung und der Bequemlichkeit beim Betrachten des Ob jekts durch den Sucher. Wird die Größe der Bildebene des Bildaufnahmesystems (CCD) verringert, um den Sucher zu ver kleinern, so wird zugleich die Größe der in dem abgezweigten Lichtweg das optischen Suchers angeordneten primären Bilder zeugungsfläche 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.

Wird die Brennweite des Okulars verringert, um den Sehwinkel zu vergrößern, so werden der Pupillendurchmesser und der Pu pillenabstand 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 wer den kann.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisch gekoppeltes Bild aufnahme-/Suchersystem mit einem kleinen Bildaufnahmesystem und einem optischen Sucher anzugeben, durch den ein Bild deutlich zu sehen ist und der von dem Bildaufnahmesystem ab gezweigt angeordnet ist.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Pa tentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher er läutert. Darin zeigen:

Fig. 1A die schematische Darstellung eines optische gekop pelten Bildaufnahme-/Suchersystems,

Fig. 1B die Ansicht eines Prismas und eines Feldrahmens in Richtung des Pfeils 1B nach Fig. 1A,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnah mefläche,

Fig. 3A, 3B, 3C, 3D und 3E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 2,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensy stem,

Fig. 5A, 5B, 5C und 5D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 4,

Fig. 6 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnah mefläche,

Fig. 7A, 7B, 7C, 7D und 7E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 6,

Fig. 8 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensy stem, und

Fig. 9A, 9B, 9C und 9D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 8.

Das optisch gekoppelte Bildaufnahme-/Suchersystem gemäß der Erfindung enthält ein Objektivlinsensystem 10, ein optisches Trennsystem (Strahlteiler) 20 und eine Bildaufnahmefläche 1, die nach Fig. 1A ausgehend von der Objektseite in der genann ten Reihenfolge angeordnet sind. Ein optisches Vergrößerungs system 40 mit negativer Brechkraft, eine Kondensorlinse C, ein Feldrahmen F, ein Prisma P mit drei Reflexionsflächen r1, r2 und r3 und ein Okularlinsensystem 50 sind ausgehend von der Objektseite in der genannten Reihenfolge in dem durch das optische Trennsystem 20 abgezweigten Lichtpfad angeordnet. Vier reflektierende Flächen, nämlich die reflektierende Flä che des Strahlteilers 20 und die drei Reflexionsflächen r1, r2 und r3 des Prismas P, bauen ein optisches Umkehrsystem auf. EP bezeichnet den Augenpunkt des Okularlinsensystems 50. Vor der Bildaufnahmefläche ist eine Glasabdeckung 31 (mit ei nem Filter) in Form einer ebenen Platte angeordnet. In Fig. 1A ist das optische Vergrößerungssystem 40 durch ein negati ves Linsenelement dargestellt.

In dem optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystem wird das durch das Objektivlinsensystem 10 erzeugte Bild auf die Bildaufnahmefläche I fokussiert. Das durch das Objektivlin sensystem 10, das optische Vergrößerungssystem 40 und die Kondensorlinse C erzeugte Bild wird auf den Feldrahmen F fo kussiert, der eine primäre Bilderzeugungsfläche begrenzt, so daß das Bild durch das optische Umkehrsystem und das Okular linsensystem 50 als ein aufrecht stehendes reelles Bild gese hen werden kann.

Das optische Vergrößerungssystem 40 befindet sich zwischen dem hinter dem Objektivlinsensystem 10 angeordneten optischen Trennsystem 20 und der Kondensorlinse C, die das Bild dem Okularlinsensystem 50 zuführt. Das optische Vergrößerungssy stem 40 erlaubt es, die Größe der primären Bilderzeugungsflä che des Okularlinsensystems bezüglich der Größe der Bildebene des Objektivlinsensystems zu vergrößern, selbst wenn letztere verringert wird. Die Brennweite des Okularlinsensystems 50 kann so vergrößert werden, um ein ausreichendes Gesichtsfeld, einen ausreichenden Pupillendurchmesser und einen ausreichen den Pupillenabstand zu erhalten, wie es für normale optische Sucher notwendig ist.

Aufgrund des optischen Vergrößerungssystems 40 kann die Größe des Objektivlinsensystems und des CCD-Elements verringert und die Effizienz des optischen Bildaufnahmesystems erhöht wer den. Ferner wird die Beobachtung des Bildes durch den opti schen Sucher erleichtert, und das optisch gekoppelte Bildauf nahme-/Suchersystem kann verkleinert werden.

Die Formel (1) des Anspruchs 2 gibt den resultierenden Abbil dungsmaßstab des optischen Vergrößerungssystems und der Kon densorlinse an. Da das optische Bildaufnahmesystem wie ein herkömmliches Bildaufnahmesystem aufgebaut ist, ist bei einer Verkleinerung der Bildebene des CCD-Elements der resultie rende Abbildungsmaßstab vorteilhaft groß genug, um die in der Formel (1) angegebene Anforderung zu erfüllen, so daß das Verhältnis der Größe der primären Bilderzeugungsfläche des Okularlinsensystems zu der Größe der Bildebene des CCD-Ele ments vergrößert ist. Ist der resultierende Abbildungsmaßstab kleiner als die untere Grenze, so ist das Verhältnis der Größe der Bildebene des Objektivlinsensystems zu der Größe der Bildebene des CCD-Elements zu klein, um die der vorlie genden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen. Über steigt der resultierende Abbildungsmaßstab die obere Grenze der Formel (1), so können zwar das Gesichtsfeld und der Pu pillenabstand effektiv vergrößert werden, aber auch die Aber ration des Objektivlinsensystems wird größer, so daß die Aberrationen wie die chromatische Aberration oder die Bild feldwölbung anwachsen, was bei einem optischen Sucher nicht akzeptabel ist. Um die Aberrationen zu korrigieren, muß die Anzahl der Linsen des optischen Vergrößerungssystems erhöht werden, so daß die Länge des gesamten Linsensystems ver größert wird. Dies steht dem Ziel der Miniaturisierung des optischen Systems entgegen.

Ist der resultierende Abbildungsmaßstab größer als die untere Grenze in der Formel (1), so ist das optische Vergrößerungs system vorzugsweise aus einer Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft hergestellt, da das optische Vergrößerungssystem im allgemeinen eine große negative Brechkraft hat. Um die Aberration der negativen Bikonkavlinse zu korrigieren, ist die Kondensorlinse vorteilhaft aus einer Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft hergestellt, die eine dem optischen Ver größerungssystem abgewandte, konvexe Fläche mit positiver Brechkraft hat, deren Konvexität größer ist als die ihrer an deren, dem optischen Vergrößerungssystem zugewandten Fläche ist.

Im folgenden werden numerische Daten zweier Ausführungsbei spiele 1 und 2 des optisch gekoppelten Bildaufnahme- /Suchersystems diskutiert.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 2 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildauf nahmefläche I, und Fig. 3A bis 3E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Fig. 4 zeigt die Linsenan ordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensy stem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die Fig. 5A bis 5D zeigen die Diagramme der Aberrationen dieser Linsenanord nung. Die Tabellen 1 und 2 zeigen Linsendaten des Linsensy stems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsensystems aus gehend von dem optischen Trennsystem 20 bis zu dem Okularlin sensystem 50.

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 dem optischen Trennsystem 20, die Linsenflächen Nr. 17 und 18 der Tabelle 1 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD) I, die Linsenflä chen Nr. 17 und 18 in Tabelle 2 entsprechen dem optischen Vergrößerungssystem, die Linsenflächen Nr. 21 und 22 in Ta belle 2 entsprechen dem Feldrahmen F, die Linsenflächen Nr. 23 und 24 der Tabelle entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 25 bis 28 in Tabelle 2 entsprechen dem Okularlinsensystem 50 (Nr. 27 und 28 entsprechen der Glasabdeckung).

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 Aberra tion bei der jeweiligen Wellenlänge, S die Sagittalstrahlen und M die Meridionalstrahlen.

In den Tabellen und den Zeichnungen ist F_NO die F-Zahl, F die Brennweite, W der halbe Feldwinkel, ER der Durchmesser der Austrittspupille (Augenring), B das sichtbare Gesichtsfeld (halber Sehwinkel des Abstrahlwinkels), f_B die hintere Bild weite, L_E der Pupillenabstand, f₁₀, f₄₀, f_c, f₅₀ die Brenn weite des Objektivlinsensystems 10, des optischen Vergröße rungssystems 40, der Kondensorlinse C bzw. des Okularsystems 50, R der Krümmungsradius, D die Linsendicke oder der Abstand zwischen den Linsen, N_d der Brechungsindex bei der d-Linie und ν_d die Abbe-Zahl bei der d-Linie. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Linsendaten der Linsensysteme nach Fig. 2 bzw. Fig. 4.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die rotationssymmetrische, asphärische Fläche kann im allge meinen 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.

Asphäritätsdaten

Nr. 20: K=0,0, A4=-0,84555×10^-3, A6=0,30826x10^-4 A8=0,35788x10^-6, A10=0,0, A12=0,0
Nr. 25: K=0,0, A4=-0,10715x10^-3, A6=-0,33418x10^-6 A8=0,0, A10=0,0, A12=0,0

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 6 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung. Fig. 6 zeigt die Linsenanordnung eines Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis zu der Bilderzeu gungsfläche I, und die Fig. 7A bis 7E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Fig. 8 zeigt die Lin senanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektlin sensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die Fig. 9A bis 9D zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenan ordnung. Die folgenden Tabellen 3 und 4 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsen systems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50.

In Tabelle 4 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis Nr. 18 gezeigt, da diese identisch mit den in Tabelle 3 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr. 19 und 20 in Tabelle 3 und 4 entsprechen dem optischen Trennsystem 20, die Linsen flächen Nr. 21 und 22 in Tabelle 3 entsprechen der Glasab deckung der Bildaufnahmefläche (CCD) I, die Linsenflächen Nr. 21 und 22 in Tabelle 4 entsprechen dem optischen Vergröße rungssystem, die Linsenflächen Nr. 23 und 24 in Tabelle 4 entsprechen der Kondensorlinse, die Linsenflächen 25 und 26 in Tabelle 4 entsprechen dem Feldrahmen F, die Linsenflächen Nr. 27 und 28 entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Refle xionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 29 bis 32 in Tabelle 4 entsprechen dem Okularlinsensystem 50, wobei sich Nr. 31 und 32 auf die Glasabdeckung beziehen.

Tabelle 3

Tabelle 4

Die folgende Tabelle 5 zeigt numerische Werte entsprechend der Formel (1) des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels.

Tabelle 5

Wie am besten in Tabelle 5 zu sehen ist, erfüllen das erste und zweite Ausführungsbeispiel die in der Formel (1) angege bene Anforderung. So können auch die Aberrationen angemessen korrigiert werden.

Für eine Kamera mit einem von dem Lichtweg des optischen Bildaufnahmesystems abgezweigt angeordneten optischen Sucher kann gemäß der Erfindung ein optisch gekoppeltes Bildauf nahme-/Suchersystem angegeben werden, in dem das Bild deut lich durch den optischen Sucher gesehen werden kann, ohne daß das optische Bildaufnahmesystem größer ausgebildet werden muß.

Claims

1. Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem mit einem Objektiv (10), einer Bildaufnahmefläche (1), einem Oku larsystem (50) und einem hinter dem Objektiv (10) ange ordneten optischen Trennsystem (20) zum Aufteilen eines Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche (1) zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, dem Okularsy stem (50) zugeordnetes Lichtbündel, gekennzeichnet durch eine Kondensorlinse (C), die in dem Lichtweg zwischen dem optischen Trennsystem (20) und dem Okularsystem (50) an geordnet und zum Abbilden des durch das Objektiv (10) er zeugten Bildes auf das Okularsystem (50) ausgebildet ist, und durch ein zwischen dem optischen Trennsystem (20) und der Kondensorlinse (C) angeordnetes optisches Vergröße rungssystem (40).

2. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß es folgende Formel (1) erfüllt: 1,4 < M_R-C < 3,0 (1)worin M_R-C der resultierende Abbildungsmaßstab des opti schen Vergrößerungssystems (40) und der Kondensorlinse (C) ist.

3. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das optische Vergrößerungssy stem (40) eine negative Bikonkavlinse enthält.

4. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinse (C) positive Brechkraft besitzt und eine positive Bikon vexlinse enthält, deren dem optischen Vergrößerungssystem (40) abgewandte, konvexe Fläche eine Konvexität hat, die größer als die Konvexität der dem optischen Vergröße rungssystem (50) zugewandten Fläche ist.

5. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches Bildum kehrsystem, das zwischen dem Objektiv (10) und dem Oku larsystem (50) angeordnet ist.

6. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß das optische Bildumkehrsystem das opti sche Trennsystem (20) und ein Prisma (P) mit drei Refle xionsflächen (r1, r2, r3) enthält.

7. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Trennsystem (20) einen Strahlteiler enthält.