DE19850111B4 - Vergrößerungsoptik mit variabler Brennweite - Google Patents

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Abstract

Vergrößerungsoptik mit variabler Brennweite, mit einer positiven ersten Linsengruppe (I), einer negativen zweiten Linsengruppe (II) und einer positiven dritten Linsengruppe (III), die in der genannten Reihenfolge von der Augenseite aus betrachtet angeordnet sind, wobei die zweite Linsengruppe (II) zur Brennweitenänderung längs der optischen Achse bewegbar ist und folgende Bedingungen (1) bis (3) erfüllt sind:
(1) 30 mm < fI,
(2) –0,35 < fII/fI < –0,2,
(3) 0,3 < L/fI < 0,6
worin fI die Brennweite der ersten Linsengruppe (I), fII die Brennweite der zweiten Linsengruppe (II) und L den Abstand der ersten Linsengruppe (I) von der zweiten Linsengruppe (II) bei der geringsten Vergrößerung bezeichnet.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vergrößerungsoptik mit variabler Brennweite, deren Vergrößerung im Gebrauch nach Bedarf variiert werden kann.
  • Als Beispiel für eine Vergrößerungsoptik nach dem Stand der Technik wird auf die JP 5-134193 verwiesen. Bei diesem Stand der Technik wird jedoch der Durchmesser der Pupille (Austrittspupille) unvermeidlich zu klein, wodurch ein ausreichendes Beobachtungsfeld der Vergrößerungsoptik nicht sichergestellt ist.
  • Aus der US 5 627 682 ist eine Optik mit variabler Brennweite bekannt, die eine positive erste Linsengruppe, eine negative zweite Linsengruppe und eine positive dritte Linsengruppe enthält. Die zweite Linsengruppe ist zur Brennweitenänderung der Optik längs der optischen Achse bewegbar. Die Brennweite der ersten Linsengruppe ist größer als 30 mm. Das Verhältnis des Abstandes der ersten Linsengruppe von der zweiten Linsengruppe zur Brennweite der ersten Linsengruppe liegt bei der geringsten Vergrößerung in einem Bereich zwischen 0,3 und 0,6.
    •
  • Aufgabe der Erfindung ist es, eine Vergrößerungsoptik mit variabler Brennweite anzugeben, deren Austrittspupille einen besonders großen Durchmesser hat, ohne daß dieser große Pupillendurchmesser zu übermäßigen Abbildungsfehlern wie sphärischer Aberration oder Koma führt.
  • Die Erfindung löst diese Aufgabe durch eine Vergrößerungsoptik mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
  • Die Vergrößerungsoptik nach der Erfindung hat eine Pupille großen Durchmessers, wodurch ein größeres Beobachtungsfeld sichergestellt ist und bei ausreichender optischer Leistung die Auftrittswahrscheinlichkeit einer Verdunkelung verringert ist.
    •
  • Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche sowie der folgenden Beschreibung.
  • Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
  • 1 die Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels,
  • 2A, 2B, 2C und 2D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung,
  • 3A, 3B, 3C und 3D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung,
  • 4 die Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels,
  • 5A, 5B, 5C und 5D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung,
  • 6A, 6B, 6C und 6D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung,
  • 7 die Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels,
  • 8A, 8B, 8C und 8D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung,
  • 9A, 9B, 9C und 9D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung,
  • 10 die Linsenanordnung eines vierten Ausführungsbeispiels,
  • 11A, 11B, 11C und 11D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung,
  • 12A, 12B, 12C und 12D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung,
  • 13 die Linsenanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels,
  • 14A, 14B, 14C und 14D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung,
  • 15A, 15B, 15C und 15D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung,
  • 16 die Linsenanordnung eines sechsten Ausführungsbeispiels,
  • 17A, 17B, 17C und 17D die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung und
  • 18A, 18B, 18C und 18D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung.
  • In einem optischen System wie einer Lupe tritt bei der Beobachtung durch einen Benutzer eine Sichtverdunkelung ("Blackout") auf, wenn die Pupille des Benutzers nicht auf die Pupille (Austrittspupille) des optischen Systems trifft. Um die Auftrittshäufigkeit dieser Verdunkelung zu verringern, ist es wirkungsvoll, den Pupillendurchmesser des optischen Systems zu vergrößern. Vorzugsweise sollte der Pupillendurchmesser des optischen Systems mehr als 10 mm betragen.
  • Eine im folgenden auch als Variolupe bezeichnete Vergrößerungsoptik nach der Erfindung setzt sich von Okularseite aus betrachtet zusammen aus einer positiven ersten Linsengruppe I, einer negativen zweiten Linsengruppe II und einer positiven dritten Linsengruppe III. Die negative zweite Linsengruppe II ist längs der optischen Achse zur Brennweitenänderung bewegbar. Bei dieser Linsenanordnung kann der Pupillendurchmesser vergrößert werden, wenn die Brennweite der positiven ersten Linsengruppe I erhöht wird, so daß der Benutzer die Variolupe unter Gewährleistung einer ausreichend optischen Leistung mit einer geringeren Auftrittswahrscheinlichkeit der Verdunkelung verwenden kann.
  • Da die von der zweiten Linsengruppe II und der dritten Linsengruppe III erzeugten Bilder durch die erste Linsengruppe I gesehen werden, ist es bei der erfin dungsgemäßen Variolupe wichtig, das Auftreten von sphärischer Aberration und Koma in der ersten Linsengruppe auf ein Minimum zu begrenzen. Von Bedeutung ist die Erkenntnis, daß sphärische Aberration und Koma proportional zum Verhältnis φ/f sind, das durch die Brennweite feiner Linse und den effektiven Durchmesser φ der Linse gegeben ist. Wird die Brennweite der ersten Linsengruppe relativ vergrößert, so können sphärische Aberration und Koma ausreichend begrenzt und eine befriedigende optische Leistung erzielt werden.
  • Die Bedingung (1) des Anspruchs 1 legt die Brennweite der ersten Linsengruppe I so fest, daß der Pupillendurchmesser unter Erzielung einer ausreichenden optischen Leistung vergrößert werden kann.
  • Ist fI geringer als die untere Grenze, so verringert sich der Pupillendurchmesser während der Beobachtung durch den Benutzer, so daß bei diesem die Sichtverdunkelung mit einer höheren Wahrscheinlichkeit auftritt.
  • Wie vorstehend erläutert, erfolgt bei der erfindungsgemäßen Variolupe die Brennweitenänderung durch die zweite Linsengruppe II. Es liegt in der Natur einer Linse, daß mit schwächer werdender Brechkraft der zweiten Linsengruppe diese um eine längere Strecke bewegt werden muß, um den gleichen Zielabbildungsmaßstab zu erhalten.
  • Andererseits muß, wenn die erste Linsengruppe I zur Kostenverringerung aus einem positiven einzelnen Linsenelement besteht, die in der ersten Linsengruppe I auftretende sphärische Aberration und die Koma durch die divergierende Wirkung der zweiten Linsengruppe II korrigiert werden. Ist die Bewegungsstrecke der zweiten Linsengruppe II bei der Brennweitenänderung länger, so intensivieren sich die Schwankungen im Korrektionswert der sphärischen Aberration und der Koma. Innerhalb des Bereiches der Brennweitenänderung kann so eine ausreichende optische Leistung nicht erzielt werden.
  • Die Bedingung (2) des Anspruchs 1 legt deshalb die Brennweite der zweiten Linsengruppe II fest, d.h. die Brennweite der zweiten Linsengruppe II kann geeignet verkürzt werden. Die zweite Linsengruppe II wird mit anderen Worten mit einer geeigneten Brechkraft versehen.
  • Ist fII/fI kleiner als die untere Grenze, so wird die Bewegungsstrecke der zweiten Linsengruppe II zu lang, und die Aberrationsschwankungen steigen an, wenn die Brennweitenänderung durchgeführt wird.
  • Übersteigt fII/fI die obere Grenze, so sind die sphärische Aberration und die Koma überkorrigiert.
  • Die Bedingung (3) des Anspruchs 1 legt den Abstand zwischen der zweiten Linsengruppe II, die eine durch die Bedingung (2) festgelegte optimale Brechkraft hat, und der ersten Linsengruppe I fest, d.h. den Abstand der am weitesten objektseitig angeordneten Fläche der ersten Linsengruppe I von der am weitesten augenseitig angeordneten Fläche der zweiten Linsengruppe II.
  • Ist L/fI kleiner als die untere Grenze, so wird die divergierende Wirkung der zweiten Linsengruppe II zu stark, und sphärische Aberration und Koma werden überkorrigiert.
  • Ist U/fI größer als die obere Grenze, so reicht die divergierende Wirkung der zweiten Linsengruppe II nicht aus, und die Korrektion von sphärischer Aberration und Koma ist nicht befriedigend.
  • Da Randstrahlen durch einen Bereich treten, der fern der optischen Achse in der dritten Linsengruppe III ist, treten in der dritten Linsengruppe III tendentiell Koma und Verzeichnung auf. Zur Korrektion von Koma und Verzeichnung ist an mindestens einer Linsenfläche in der dritten Linsengruppe III eine asphärische Fläche ausgebildet. Genauer gesagt, hat die asphärische Fläche in Richtung ihres Randbereiches, d.h. in radialer Richtung von der optischen Achse zu diesem Randbereich, eine stärker negative Brechkraft. Ist eine paraxiale sphärische Fläche konvex ausgebildet, so ist mit anderen Worten die positive Brechkraft der asphärischen Fläche in ihrem Randbereich verglichen mit der paraxialen sphärischen Fläche geschwächt. Ist eine paraxiale sphärische Fläche konkav ausgebildet, so verstärkt sich die negative Brechkraft der asphärischen Fläche in ihrem Randbereich verglichen mit der paraxialen sphärischen Fläche.
  • Die Bedingung (4) des Anspruchs 3 legt die Form der asphärischen Fläche zur Korrektion von Koma und Verzeichnung in der dritten Linsengruppe III fest. Ist α A4III kleiner als die untere Grenze, so reicht der Asphärizitätswert an der asphäri schen Fläche nicht aus, und Koma und Verzeichnung werden nicht genügend korrigiert.
  • Ist αA4III größer als die obere Grenze, so nimmt der Asphärizitätswert an der asphärischen Fläche überhand, und Koma und Verzeichnung werden überkorrigiert.
  • Im folgenden werden spezifische numerische Daten der Ausführungsbeispiele an Hand der Tabellen und Diagramme gegeben. Dabei bezeichnet FNO die F-Zahl, f die Brennweite, M die Vergrößerung der Variolupe, W den Eintrittswinkel und fB die hintere Bildweite. Unter Bezugnahme auf diese Bezeichnungen sind die Werte sowohl für die geringste als auch die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angegeben. Die oben gegebene Bezeichnung M wird durch die Formel M=(250/f)+1 berechnet. Weiterhin bezeichnet R den Krümmungsradius einer jeden Linsenfläche, D die Dicke eines Linsenelementes oder den Abstand zwischen den Linsenelementen, Nd den Brechungsindex bei der d-Linie und ν die Abbe-Zahl bei der d-Linie. Die d-, g- und c-Linie bezeichnen chromatische Aberrationen, dargestellt durch die sphärische und die laterale chromatische Aberration bei der jeweiligen Wellenlänge. S bezeichnet das Sagittal-Bild und M das Meridional-Bild. Die asphärische Fläche ist im allgemeinen wie folgt festgelegt: x = ch2/{1+[1–(1+K)c2h2]½} + A4h4+A6h6+A8h8...,worin
    h den Abstand von der optischen Achse,
    x den Abstand von der Tangentialebene des asphärischen Scheitels,
    c die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
    K eine Konizitäts-Konstante,
    A4 einen Asphärizitätskoeffizienten vierter Ordnung,
    A6 einen Asphärizitätskoeffizienten sechster Ordnung und
    A8 einen Asphärizitätskoeffizienten achter Ordnung bezeichnet.
  • Ausführungsbeispiel 1
  • 1 zeigt die Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels der Erfindung. In den 2A, 2B, 2C und 2D sind die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung und in den 3A, 3B, 3C und 3D die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung angegeben. Tabelle 1 zeigt die numerischen Daten. In dieser Linsenanordnung sind, von der Okularseite (Augenseite) aus betrachtet vorgesehen eine aus einem positiven einzelnen Linsenelement bestehende positive erste Linsengruppe I, eine negative zweite Linsengruppe II, die sich aus zwei in zwei Unterlinsengruppen unterteilten Linsenelementen zusammensetzt, und eine positive dritte Linsengruppe III, die sich aus vier in drei Unterlinsengruppen unterteilten Linsenelementen zusammensetzt. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. In Tabelle 1 sind die Werte für diese Abstände sowohl für die geringste als auch für die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 1
    • FNO=3,0–1,4
    • M=5,13–10,73
    • f=60,57–25,69
    • W=15,4°–16,3°
    • fB=37,25–33,50
  • Figure 00070001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 5: K=0,00, A4=0,66300 × 10–4
    Nr. 7: K=0,00, A4=–0,63200 × 10–5,
    Nr. 8: K=0,00, A4=0,54500 × 10–5 A6=0,36800 × 10–8
  • Ausführungsbeispiel 2
  • 4 zeigt die Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die 5A, 5B, 5C und 5D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung. Die 6A, 6B, 6C und 6D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung. In Tabelle 2 sind die numerischen Daten angeführt. Der Linsenaufbau ist im Grunde der gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. Die Werte für diese Abstände sind sowohl für die geringste als auch die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 2
    • FNO=3,0–1,5
    • M=5,13–10,73
    • f=60,60–25,70
    • W=14,2°–16,3°
    • fB=36,64–34,08
  • Figure 00080001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 7: K=0,00, A4=–0,3200 × 10–5,
    Nr. 8: K=0,00, A4=–0,56600 × 10–5
  • Ausführungsbeispiel 3
  • 7 zeigt die Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels der Erfindung. 8A, 8B, 8C und 8D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung. 9A,9B, 9C und 9D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung. In Tabelle 3 sind die numerischen Daten angeführt. Der Linsenaufbau ist im Grunde der gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. Die Werte für diese Abstände sind sowohl für die geringste als auch die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 3
    • FNO=4,3–1,8
    • M=5,12–10,72
    • f=60,61–25,71
    • W=15,5°–15,5°
    • fB=40,25–37,19
  • Figure 00090001
  • Figure 00100001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 5: K=0,00, A4=0,98350 × 10–4
    Nr. 7: K=0,00, A4=–0,81680 × 10–5, A6=0,24540 × 10-8
    Nr. 8: K=0,00, A4=0,48220 × 10–5 A6=0,87470 × 10-9
  • Ausführungsbeispiel 4
  • 10 ist die Linsenanordnung eines vierten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die 11A, 11B, 11C und 11D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung. Die 12A, 12B, 12C und 12D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung. In Tabelle 4 sind die numerischen Daten angeführt. Der Linsenaufbau ist im Grunde der gleiche wie für das erste Ausführungsbeispiel mit der Ausnahme, daß die dritte Linsengruppe III aus fünf Linsenelementen zusammengesetzt ist, die in vier Unterlinsengruppe unterteilt sind. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. Die Werte für diese Abstände sind in Tabelle 4 sowohl für die geringste als auch die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 4
    • FNO=3,0–1,4
    • M=5,12–10,73
    • f=60,69–25,69
    • W=14,1°–15,4°
    • fB=35,61–32,97
  • Figure 00100002
  • Figure 00110001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 5: K=0,00, A4=0,43770 × 10–4, A6=0,21500 × 10–7
    Nr. 8: K=0,00, A4=0,98870 × 10–5 A6=0,48300 × 10–8
  • Ausführungsbeispiel 5
  • 13 zeigt die Linsenanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die 14A, 14B, 14C und 14D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung. Die 15A, 15B, 15C und 15D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung. In Tabelle 5 sind die numerischen Daten angeführt. Der Linsenaufbau ist im Grunde der gleiche wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. Die Werte für diese Abstände sind in Tabelle 5 sowohl für die geringste als auch die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 5
    • FNO=3,8–1,6
    • M=5,13–10,73
    • f=60,60–25,70
    • W=14,0°–14,4°
    • fB=35,92–33,54
  • Figure 00120001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 5: K=0,00, A4=–0,26950 × 10–5
    Nr. 8: K=0,00, A4=0,10850 × 10–4
  • Ausführungsbeispiel 6
  • 16 zeigt die Linsenanordnung eines sechsten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Die 17A, 17B, 17C und 17D zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der geringsten Vergrößerung. Die 18A, 18B, 18C und 18C zeigen die Diagramme der Aberrationen bei der größten Vergrößerung. In Tabelle 6 sind die numerischen Daten angeführt. Der Linsenaufbau ist im Grunde der gleiche wie bei dem vierten Ausführungsbeispiel. Die Linsenabstände d2 und d6 sind variabel. Die Werte für diese Abstände sind in Tabelle 6 sowohl für die geringste als auch für die größte Vergrößerung (in dieser Reihenfolge) angeführt.
  • Tabelle 6
    • FNO=4,7–1,8
    • M=4,82–10,73
    • f=65,52–25,70
    • W=12,5°–12,6°
    • fB=41,35–38,68
  • Figure 00130001
  • Asphärizitätsdaten (nicht angeführte Asphärizitätskoeffizienten sind Null):
    Nr. 5: K=0,00, A4=0,98900 × 10–4, A6=0,16670 × 10–5
    Nr. 8: K=0,00, A4=0,15640 × 10–4
  • Tabelle 7 zeigt die numerischen Daten der einzelnen Bedingungen für das erste bis sechste Ausführungsbeispiel.
  • Tabelle 7
    Figure 00140001
  • Wie aus Tabelle 7 ersichtlich, erfüllen die Ausführungsbeispiele 1 bis 6 die Bedingungen (1) bis (3). Die in den Diagrammen gezeigten Aberrationen sind ausreichend korrigiert.

Claims (4)

  1. Vergrößerungsoptik mit variabler Brennweite, mit einer positiven ersten Linsengruppe (I), einer negativen zweiten Linsengruppe (II) und einer positiven dritten Linsengruppe (III), die in der genannten Reihenfolge von der Augenseite aus betrachtet angeordnet sind, wobei die zweite Linsengruppe (II) zur Brennweitenänderung längs der optischen Achse bewegbar ist und folgende Bedingungen (1) bis (3) erfüllt sind: (1) 30 mm < fI, (2) –0,35 < fII/fI < –0,2, (3) 0,3 < L/fI < 0,6 worin fI die Brennweite der ersten Linsengruppe (I), fII die Brennweite der zweiten Linsengruppe (II) und L den Abstand der ersten Linsengruppe (I) von der zweiten Linsengruppe (II) bei der geringsten Vergrößerung bezeichnet.
  2. Vergrößerungsoptik nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linsengruppe (III) mindestens ein asphärisches Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche enthält, die derart ausgebildet ist, daß (a) ihre Brechkraft, falls ihre paraxiale sphärische Fläche konvex ist, in ihrem Randbereich verglichen mit der Brechkraft der paraxialen sphärischen Fläche verringert ist, und (b) ihre Brechkraft, falls ihre paraxiale sphärische Fläche konkav ist, in ihrem Randbereich verglichen mit der Brechkraft der paraxialen sphärischen Fläche verstärkt ist.
  3. Vergrößerungsoptik nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Fläche folgende Bedingung (4) erfüllt: (4) 0,5 × 10–6 < αA4III < 0,1 × 10–3 worin α eine Konstante bezeichnet, die –1 ist, wenn die asphärische Fläche auf der Augenseite ausgebildet ist, und +1, wenn die asphärische Fläche auf der Objektseite ausgebildet ist, und A4III den größten vorkommenden Absolutwert des sich auf eine asphärische Fläche beziehenden Asphärizitätskoeffizienten vierter Ordnung einer oder mehrerer asphärischer Flächen in der dritten Linsengruppe (III) bezeichnet.
  4. Vergrößerungsoptik nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus der positiven ersten Linsengruppe (I), der negativen zweiten Linsengruppe (II) und der positiven dritten Linsengruppe (III) besteht.
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