DE19860432A1

DE19860432A1 - Optisches System für eine Fernrohr- oder Lupenbrille

Info

Publication number: DE19860432A1
Application number: DE1998160432
Authority: DE
Inventors: Klaus Henkelmann
Original assignee: Eschenbach Optik GmbH and Co
Current assignee: Eschenbach Optik GmbH and Co
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-06

Abstract

Ein optisches System für eine Fernrohr- oder Lupenbrille (4) enthält eine einstückige Objektivlinse (8), die auf ihrer der Okularlinse (12) zugewandten Oberfläche (14) mit einer abbildenden diffraktiven Struktur (34) versehen ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System für eine Fernrohr- oder Lu penbrille.

Eine Fernrohr- oder Lupenbrille enthält entweder monokular oder binokular ein stark vergrößerndes optisches System, das je nach Verwendungszweck (Fernbereich oder Nahbereich) entweder ein Fernrohr- oder ein Lupensystem ist. Eine solche Fernrohr- oder Lupenbrille dient einerseits zur Herstellung einer ge wissen Sehfähigkeit bei Patienten, deren Sehvermögen stark eingeschränkt ist. Andererseits dient sie in monokularer oder binokularer Ausgestaltung auch als Arbeitshilfe für Personen bei der Durchführung von feinen Arbeiten, beispielswei se im Bereich der Chirurgie.

Als optisches System wird in der Regel ein Galileisystem verwendet, da dies bei einfachem Aufbau in kurzer Baulänge eine hinreichende Vergrößerung ermöglicht. Um eine ausreichende Qualität der optischen Abbildung sicherzustellen, ist es erforderlich, ein achromatisches optisches System zu verwenden. Zur Korrektur der chromatischen Fehler ist es jedoch notwendig, als Objektivlinse einen zumin dest zwei Einzellinsen zusammengesetzten Achromaten zu verwenden, der das optische System einerseits verteuert und andererseits auch dessen Gewicht er höht. Das Gewicht ist aber ein den Tragekomfort einer Fernrohr- oder Lupenbrille wesentlich beeinflussender Gesichtspunkt.

Desweiteren ist stets ein Kompromiß zwischen kurzer Baulänge, d. h. niedriger Brennweite der Objektivlinse und entsprechend kleinen Krümmungsradien der abbildenden (brechenden) Flächen zu schließen. Kleine Krümmungsradien be grenzen die maximal mögliche Eintrittsöffnung und damit bei vorgegebener Bau länge (Brennweite) und Vergrößerung das Sehfeld. Insbesondere für Fehlsichtige ist jedoch ein großes Sehfeld von entscheidender Bedeutung.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für eine Fernrohr- oder Lupenbrille anzugeben, das bei niedrigem Gewicht sowohl eine ausreichende Korrektur der chromatischen Aberration als auch ein großes Sehfeld ermöglicht.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem optischen Sy stem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Das erfindungsgemäße opti sche System enthält eine einstückige Objektivlinse, die auf ihrer der Okularlinse zugewandten Oberfläche mit einer abbildenden diffraktiven Struktur versehen ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, mit einer relativ dünnen Linse sowohl eine kurze Brennweite als auch eine hinreichende Korrektur der chromatischen Aber ration sicherzustellen.

Die Verwendung diffraktiver Strukturen ist bei einfachen optischen Systemen be reits seit längerer Zeit bekannt und wird insbesondere bei der Verwendung von Kunststofflinsen für optische Geräte eingesetzt, bei denen eine Minimierung der Herstellungskosten im Vordergrund steht. Aus der US-A-5,581,405 ist für soge nannte Einwegkameras eine Hybridlinse bekannt, deren eine abbildende Fläche durch eine konventionelle refraktive konvexe Fläche gebildet ist und deren andere abbildende konkave Fläche mit einer diffraktiven Struktur versehen ist. In der DE 41 10 614 A1 ist die Verwendung einer diffraktiven Struktur auch für Bril lengläser vorgeschlagen worden. Zum Schutz der diffraktiven Struktur muß diese allerdings noch mit einer die Abbildungsqualität verschlechternden Schutzschicht versehen werden.

Die Erfindung beruht nun auf der Überlegung, daß auch in hochwertigen opti schen Systemen für Fernrohr- oder Lupenbrillen, bei denen hinsichtlich der Abbil dungsqualität keine Abstriche gemacht werden dürfen, d. h. im Bereich der opti schen Sehhilfen für hochgradig sehbehinderte Personen, der Einsatz eines hybri den optischen Systems auch bei Verwendung einfacher technischer Herstellungs verfahren, insbesondere Kunststoff-Spritzgußverfahren, ohne Verlust an Abbil dungsqualität möglich ist, da sich die diffraktive Struktur geschützt auf einer im Inneren des Fernrohr- oder Lupensystems angeordneten Oberfläche befinden kann, so daß abbildungsverschlechternde Schutzschichten nicht erforderlich sind.

Als Objektivlinse ist vorzugsweise eine plankonvexe Linse vorgesehen, wobei die diffraktive Struktur auf der planen Fläche angeordnet ist. Insbesondere ist die dif fraktive Struktur auf einer asphärisch gekrümmten Fläche angeordnet. Mit einer solchen Linse ist es sowohl möglich, die chromatischen Aberrationen als auch die Quer- sowie Winkelaberationen weitgehend zu kompensieren.

Die diffraktive Struktur wird vorzugsweise durch insbesondere mehr als 100 kon zentrische sägezahnartige Ringzonen gebildet wird, deren Oberflächen konvex gekrümmt sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die jeweils aus einer Ringzone kommenden und im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlen zumindest bei einer Wellenlänge alle dieselbe Pasenverzögerung haben.

Insbesondere ist die diffraktive Struktur auf der Grundlage einer Konstruktionswel lenlänge von 546.074 nm berechnet. Dadurch kann für den gesamten sichtbaren Bereich eine besonders günstige Beugungseffektivität herbeigeführt werden.

Vorzugsweise bestehen die Objektivlinse und die Okularlinse aus demselben Werkstoff. Bei einem in dieser Weise aufgebauten optischen System hat sich ge zeigt, daß durch diese Maßnahme eine besonders effiziente Korrektur der Aberra tionen möglich ist.

Als Werkstoff ist vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Po lymethylmetacrylat (PMMA), vorgesehen, das die Herstellung der diffraktiven Struktur auf der Objektivlinse beim Spritzgießen der Objektivlinse ermöglicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist sowohl an die Okularlinse als auch an die Objektivlinse einstückig ein Tubus angeformt, die in einander gesteckt sind und zugleich das Gehäuse für das gesamte optische Sy stem bilden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des opti schen Systems.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der Tuben mit einem Füh rungszapfen versehen, der in einem anderen Tubus schraubenförmigen Um fangsrichtung verlaufenden Schlitz geführt ist. Dies ermöglicht eine einfache indi viduelle Schärfeneinstellung des optischen Systems.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zei gen:

Fig. 1 eine Fernrohrbrille mit einem optischen System gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht,

Fig. 2 ein optisches System gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt,

Fig. 3 das optische System in einer seitlichen Draufsicht,

Fig. 4 eine Schnittdarstellung der im optischen System verwendeten Linsen,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der diffraktiven Struktur und des Strahlen gangs der Lichtstrahlen.

Gemäß Fig. 1 sind die Brillengläser 2 einer Fernrohr- oder Lupenbrille 4 jeweils mit einem optischen System 6 versehen, dessen optische Achse auf die Augen achse des Brillenträgers beispielsweise mit Hilfe des in der DE 35 30 649 C2 er läuterten Verfahren angepaßt sind.

Das optische System 6 ist gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein galileisches Fernrohrsystem, das eine Objektivlinse 8 mit zumindest einer bre chenden (refraktiven) konvexen abbildende Oberfläche 10 aufweist, der eine bi konkave Okularlinse 12 zugeordnet ist, die ein aufrechtes Bild eines Gegenstan des erzeugt.

Die der Okularlinse 12 zugewandte Oberfläche 14 der Objektivlinse 8 ist plan. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Oberfläche 14 zur zusätzli chen Korrektur von Aberrationen, insbesondere der sphärischen Aberration, eine schwach gekrümmte asphärische Rotationsfläche sein. Die Oberfläche 14 ist mit einer in der Darstellung nicht erkennbaren diffraktiven Struktur versehen, die es ermöglicht, eine kurze Brennweite auch mit einer relativ dünnen Linse zu erzeu gen.

Objektivlinse 8 und Okularlinse 12 bestehen aus einem thermoplastischen Werk stoff und sind insbesondere durch ein Kunststoff-Spritzgußverfahren jeweils in einem Arbeitsgang hergestellt. Sowohl an die Objektivlinse 8 als auch an die Okularlinse 12 ist jeweils einstückig ein Tubus 16 bzw. 18 angeformt, mit dem die Objektivlinse 8 und die Okularlinse 12 ineinandergesteckt werden können. Die Tuben 16,18 sind auf ihren Oberflächen aufgerauht und bilden zugleich das Ge häuse des optischen Systems 6. Mit Hilfe eines Klemmrings 20 wird das optische System 6 in einer vorgefertigten Öffnung des Brillenglases 2 fixiert.

Der an die Objektivlinse 8 angeformte Tubus 16 ragt mit seiner vom Brillenglas 2 abgewandten Stirnseite 22 über den außenliegenden Scheitelpunkt S der Objek tivlinse 8 hinaus, so daß diese beim Absetzen der Brille gegen mechanische Zer störung geschützt ist.

Eine nutförmige, in Längsrichtung des Tubus 16 an seinem Außenumfang ange ordnete Aussparung 24 dient zur Aufnahme eines Haltezapfens 26 eines opti schen Vorsatzsystems 28, beispielsweise ein Farb- oder Sonnenfilter, das die Gestalt eines Deckels hat und auf den Tubus 16 aufgesteckt werden kann.

In der seitlichen Draufsicht gemäß Fig. 3 ist zu erkennen, daß der innere Tu bus 18 mit einem schraubenförmig verlaufenden Schlitz 30 versehen ist, in dem ein am äußeren Tubus 16 angeordneter Führungszapfen 32 geführt ist, so daß der Abstand zwischen Objektivlinse 8 und Okularlinse 12 verändert werden kann.

Fig. 4 zeigt die Objektiv- und Okularlinse 8 bzw. 12 des optischen Systems 6 in einer vergrößerten Darstellung. Die mit der diffraktiven Struktur 34 versehene Oberfläche 14 ist im Bereich der optischen Achse 36 vergrößert dargestellt und wird durch eine Struktur gebildet, wie sie beispielsweise aus dem Lehrbuch "Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications" edited by Jari Turu nen and Frank Wyrowski, Akademie Verlag, Berlin, 1997, ISBN 3-05-501733-1, Seiten 82 ff. näher dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden die ein zelnen Ringzonen 38 durch konvex gekrümmte Flächen gebildet, deren Krüm mungsverlauf so gewählt ist, daß die optische Weglänge der Lichtstrahlen einer Ringzone 38 bis zum Brennpunkt für alle Lichtstrahlen auf der Ringzone 38 gleich ist, unabhängig ob diese aus dem Außenbereich oder Innenbereich der betreffen den Ringzone 38 kommen.

Gemäß Fig. 5 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei einer Objektivlin se 8 mit einem Durchmesser von 25 mm eine diffraktive Struktur 32 mit 126 Ring zonen 38 vorgesehen. Der Brennpunkt F' einer solchen Struktur 32 befindet sich in einem Abstand von 1134,73 mm vom innenliegenden Scheitelpunkt S' der mit der diffraktiven Struktur 34 versehenen Oberfläche 14. Als Konstruktionswellen länge λ hat sich dabei die Wellenlänge 546,074 nm als besonders vorteilhaft her ausgestellt. Damit lassen sich die von den refraktiven Flächen des optischen Sy stems eingebrachten chromatischen Aberrationen besonders vorteilhaft kompen sieren. Die in der Figur angegebenen Zahlenbeispiele sind dabei auf der Grundla ge einer der ersten Beugungsordnung entsprechenden diffraktiven Abbildung be rechnet. Die Gesamtbrennweite der Objektivlinse beträgt 47,9 mm. Die refraktive abbildende Fläche 10 (Fig. 2) ist eine asphärische Fläche mit einem Krümmungs radius von etwa 24,5 mm und einer Dicke d von etwa 6 mm.

Die Oberfläche 14 kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur weiteren Kompensation von Abbildungsfehlern auch asphärisch gekrümmt sein.

Bezugszeichenliste

2

Brillenglas

4

Fernrohr- oder Lupenbrille

6

optisches System

8

Objektiv

10

abbildende Fläche

12

Okularlinse

14

Oberfläche

16

,

18

Tubus

20

Klemmring

22

Stirnfläche

24

Aussparung

26

Haltezapfen

28

Vorsatzsystem

30

Schlitz

32

Führungszapfen

34

diffraktive Struktur

36

optische Achse

38

Ringzone
S außenliegender Scheitelpunkt
F' Brennpunkt
S' innenliegender Scheitelpunkt
λ Konstruktionswellenlänge
d Dicke

Claims

1. Optisches System (6) für eine Fernrohr- oder Lupenbrille (4) mit einer ein stückigen Objektivlinse (8), die auf ihrer der Okularlinse (12) zugewandten Oberfläche (14) mit einer abbildenden diffraktiven Struktur (34) versehen ist.

2. Optisches System (6) nach Anspruch 1, bei dem die mit der diffraktiven Struktur (34) versehene Oberfläche (14) der Objektivlinse (8) plan ist.

3. Optisches System (6) nach Anspruch 2, bei dem die mit der diffraktiven Struktur (34) versehene Oberfläche (14) der Objektivlinse (8) asphärisch kor rigiert ist.

4. Optisches System (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die diffraktive Struktur (34) durch konzentrische sägezahnartige Ringzo nen (38) gebildet wird, deren Oberflächen (14) konvex gekrümmt sind.

5. Optisches System (6) nach Anspruch 4, bei dem wenigstens 100 Ringzonen vorgesehen sind.

6. Optisches System (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die diffraktive Struktur (34) auf der Grundlage einer Konstruktionswellenlänge von 546.074 nm berechnet ist.

7. Optisches System (6) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei dem die Objektivlinse (8) und die Okularlinse (12) aus demselben Werkstoff beste hen.

8. Optisches System (6) nach Anspruch 7, bei dem als Werkstoff ein thermo plastisches Polymer vorgesehen ist.

9. Optisches System (6) nach Anspruch 8, bei dem als Werkstoff Polymethylme tacrylat PMMA vorgesehen ist.

10. Optisches System (6) nach Anspruch 8 oder 9, bei dem an die Okularlin se (12) und an die Objektivlinse (8) jeweils einstückig ein Tubus (16, 18) ange formt ist, die ineinander gesteckt sind und zugleich ein Gehäuse bilden.

11. Optisches System (6) nach Anspruch 10, bei dem einer der Tuben (18) mit einem Führungszapfen (32) versehen ist, der in einem am anderen Tu bus (16) schraubenförmig in Umfangsrichtung verlaufenden Schlitz (30) ge führt ist.