DE19944747A1

DE19944747A1 - Achromatisches Linsensystem

Info

Publication number: DE19944747A1
Application number: DE19944747A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Abe
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1998-09-18
Filing date: 1999-09-17
Publication date: 2000-03-23
Also published as: JP2000098221A; JP3435359B2; US6226132B1

Abstract

Ein achromatisches Linsensystem enthält ein einzelnes negatives Linsenelement (11), ein einzelnes positives Linsenelement (12) und ein einzelnes negatives Linsenelement (13), die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind. Das Linsensystem erfüllt folgende Bedingung: DOLLAR F1 worin DOLLAR A THETA¶pt¶ das durch (n¶c¶ - n¶t¶)/(n¶F¶ - n¶c¶) für das positive Linsenelement (12) festgelegte Teildispersionsverhältnis bei der t-Linie, DOLLAR A THETA¶nt¶ das Mittel der durch (n¶c¶ - n¶t¶)/(n¶F¶ - n¶c¶) für die negativen Linsenelemente (11, 13) festgelegten Teildispersionsverhältnisse bei der t-Linie, DOLLAR A n¶c¶ der Brechungsindex bei der C-Linie, DOLLAR A n¶t¶ der Brechungsindex bei der t-Linie und DOLLAR A n¶F¶ der Brechungsindex bei der F-Linie ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein achromatisches Linsensystem, das in Objektivlinsenele menten eines astronomischen Fernrohrs, in Kollimatorlinsenelementen und der gleichen verwendet wird.

Ein achromatisches Linsensystem, das ein zwischen zwei negativen Linsenele menten angeordnetes positives Linsenelement hat, ist bekannt. Weiterhin wird ein achromatisches Linsensystem weitläufig eingesetzt, das ein positives Linsenele ment aus Fluorit verwendet, um das Sekundärspektrum der axialen chromati schen Aberration zu verringern. Es ist jedoch auch bekannt, daß Fluorit ein nur schwer zu bearbeitendes Material und zudem teuer ist.

In der Vergangenheit wurden CCD-Kameras entwickelt, die eine beachtliche Empfindlichkeit im nahen Infrarotbereich haben. Jedoch verursachen achromati sche Linsensysteme, die Fluorit verwenden, eine Überkorrektion im nahen Infra rotbereich. Infolgedessen ist bei solchen Linsensystem eine taugliche chromati sche Aberration im sichtbaren Bereich und zugleich im nahen Infrarotbereich nicht möglich.

Soll im Stand der Technik mit einer CCD-Kamera beispielsweise ein astronomi sche Aufnahme durchgeführt werden, so muß bisher ein Filter mit scharfer Durchlaßkante verwendet werden, um das Licht im nahen Infrarotbereich gleich sam abzuschneiden, da die chromatische Korrektion des als Objektivlinsensystem der CCD-Kamera fungierenden achromatischen Linsensystems im nahen Infrarot bereich nicht ausreichend ist, obgleich die CCD-Kamera in diesem Bereich Emp findlichkeit aufweist. Nutzt man andererseits die Empfindlichkeit der CCD-Kame ras in dem nahen Infrarotbereich, so können unter Einsatz der Bildverarbeitungs technik klare Himmelsbilder fotografiert werden. Außerdem kann diese Empfind lichkeit bei mit Infrarotlicht arbeitenden Überwachungskameras genutzt werden. Aufgabe der Erfindung ist es, ein achromatisches Linsensystem anzugeben, das im nahen Infrarotbereich und zugleich im sichtbaren Bereich für eine gut ausge glichene chromatische Aberration sorgt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das achromatische Linsensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1.

Es ist ein aus drei Linsenelementen bestehendes Linsensystem, bei dem von der Objektseite aus betrachtet einem negativen Linsenelement ein positives Lin senelement und letzterem ein negatives Linsenelement nachgeordnet ist und das eine gute Korrektion der chromatischen Aberration im nahen Infrarotbereich er möglicht. Zugleich sorgt es auch im sichtbaren Bereich für eine gute chromati sche Korrektion, und zwar bezüglich der Korrektion im nahen Infrarotbereich in gut ausgeglichener Weise. Schließlich hat das erfindungsgemäße Linsensystem gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil, daß es ohne Fluorit auskommt. Vorzugsweise wird für das einzelne positive Linsenelement anstelle von Fluorit ein optisches Glas verwendet.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Un teransprüche sowie der folgenden Beschreibung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei gen:

Fig. 1 die Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels des erfin dungsgemäßen achromatischen Linsensystems,

Fig. 2A und 2B die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 1,

Fig. 3 die axiale chromatische Aberration des Linsensystems nach Fig. 1,

Fig. 4 die Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels des achromatischen Linsensystems,

Fig. 5A und 5B die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 4,

Fig. 6 die axiale chromatische Aberration des Linsensystems nach Fig. 4,

Fig. 7 die Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels des achro matischen Linsensystems,

Fig. 8A und 8B die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 7,

Fig. 9 die axiale chromatische Aberration des Linsensystems nach Fig. 7,

Fig. 10 die Linsenanordnung eines vierten Ausführungsbeispiels des achromatischen Linsensystems,

Fig. 11A und 11B die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 10,

Fig. 12 die axiale chromatische Aberration des Linsensystems nach Fig. 10,

Fig. 13 die Linsenanordnung eines fünften Ausführungsbeispiels des achromatischen Linsensystems,

Fig. 14A und 14B die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 13 und

Fig. 15 die axiale chromatische Aberration des Linsensystems nach Fig. 13.

Im Vergleich zu einem achromatischen Linsensystem mit einem negativen Lin senelement und einem positiven Linsenelement kann ein mit drei Linsenelemen ten ausgestattetes achromatisches Linsensystem, bei dem ein positives Lin senelement zwischen negativen Linsenelementen angeordnet ist, die sphärischen Aberrationen höherer Ordnung unterdrücken, da die Brechkraft der negativen Lin senelemente über zwei Linsenelemente verteilt ist. Wird für das positive Lin senelement Fluorit verwendet, so ist ein achromatisches Linsensystem mit großer Blendenöffnung, d. h. großer Apertur, verfügbar, mit dem das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberration im sichtbaren Bereich unterdrückt werden kann. Fluorit hat aber einen extrem kleinen Brechungsindex in der Nähe der t-Li nie (naher Infrarotbereich), was zu einem abnormalen Dispersionsvermögen führt. Ein mit drei Linsenelementen ausgestattetes achromatisches Linsensystem, das Fluorit verwendet, kann deshalb den Unterschied der Teildispersionsverhältnisse zwischen positivem Linsenelement und negativen Linsenelementen nicht zugleich für den nahen Infrarotbereich und für den sichtbaren Bereich auf einen vorbe stimmten Wert (oder darunter) verringern. Ein herkömmliches achromatisches Linsensystem, das Fluorit verwendet und ausgebildet ist, das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberration im sichtbaren Bereich (g-Linie) zu unter drücken, kann deshalb das Problem der Überkorrektion der axialen chromati schen Aberration im nahen Infrarotbereich nicht lösen.

Wie aus den folgenden Ausführungsbeispielen hervorgehen wird, kann das mit drei Linsenelementen ausgestattete achromatische Linsensystem nach der Erfin dung, das ein negatives Linsenelement, ein positives Linsenelement und ein ne gatives Linsenelement hat, die axiale chromatische Aberration im sichtbaren Be reich und im nahen Infrarotbereich in gut ausgeglichener Weise korrigieren, ohne ein teures Material wie Fluorit verwenden zu müssen. Genauer gesagt, besteht das positive Linsenelement aus einem optischen Glasmaterial geringer Disper sion, dessen abnormales Dispersionsvermögen im nahen Infrarotbereich nicht so stark ist wie das von Fluorit. Die negativen Linsenelemente bestehen aus vorge gebenem optischen Glas. Durch die Kombination der vorstehend genannten drei Linsenelemente kann das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberra tion in einem weiten Wellenlängenbereich einschließlich des sichtbaren Bereichs und des nahen Infrarotbereichs erfolgreich verringert werden.

Die Bedingung (1) des Anspruchs 1 gibt die Teildispersionsverhältnisse des posi tiven Linsenelementes und der negativen Linsenelemente bei der t-Linie an. Durch Verringerung des Unterschiedes, d. h. der Differenz des Teildispersions verhältnisses des positiven Linsenelementes gegenüber denen der zwei negati ven Linsenelemente derart, daß die Bedingung (1) erfüllt ist, kann das Sekundär spektrum der axialen chromatischen Aberration im nahen Infrarotbereich nahe der t-Linie auf einen kleineren Wert gedrückt werden. Ist |θ_pt-θ_nt| größer als die obere Grenze der Bedingung (1), so wird der Unterschied der Teildispersionsver hältnisse des einzelnen positiven Linsenelementes und der beiden einzelnen ne gativen Linsenelemente bei der t-Linie so groß, daß das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberration nahe der t-Linie nicht verringert werden kann.

Die Bedingung (2) des Anspruchs 2 gibt die Teildispersionsverhältnisse des posi tiven Linsenelementes und der negativen Linsenelemente bei der g-Linie vor. In dem der Unterschied des Teildispersionsverhältnisses des einen positiven Lin senelementes gegenüber denen der beiden negativen Linsenelemente so verrin gert wird, daß die Bedingung (2) erfüllt ist, kann das Sekundärspektrum der axia len chromatischen Aberration im sichtbaren Bereich nahe der g-Linie auf einen kleineren Wert gedrückt werden. Überschreitet |θ_pg-θ_ng| die obere Grenze der Bedingung (2), so wird der Unterschied der Teildispersionsverhältnisse des einen einzelnen positiven Linsenelementes und der beiden einzelnen negativen Lin senelemente bei der g-Linie zu groß, um das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberration nahe der g-Linie zu verringern.

Die Bedingung (3) des Anspruchs 4 nimmt Bezug auf das optische Glasmaterial niedriger Dispersion, das für das positive Linsenelement verwendet wird. Durch Wählen eines Glasmaterials niedriger Dispersion, dessen Abbe-Zahl die Bedin gung (3) erfüllt, ist eine gute optische Leistung möglich. Unterschreitet ν_p die un tere Grenze der Bedingung (3), so wird die Differenz der Abbe-Zahlen für die ne gativen Linsenelemente und das positive Linsenelement zu klein, wenn gleichzei tig die Bedingungen (1) und (2) erfüllt sein sollen. Im Ergebnis tritt so sphärische Aberration höherer Ordnung im Übermaß auf, so daß eine gute optische Leistung nicht möglich ist.

Die Bedingung (4) des Anspruchs 5 gibt eine besonders vorteilhafte Bedingung an das für das positive Linsenelement zu verwendende optische Glasmaterial niedriger Dispersion vor. Erfüllt die Abbe-Zahl des das positive Linsenelement bildenden Glasmaterials niedriger Dispersion die Bedingung (4), so verbessert sich die optische Leistung. Übersteigt ν_p die untere Grenze der Bedingung (4), so kann die Differenz der Abbe-Zahlen für die negativen Linsenelemente und das positive Linsenelement bei gleichzeitiger Erfüllung der Bedingungen (1) und (2) nicht ausreichend vergrößert werden. Im Ergebnis tritt so sphärische Aberration höherer Ordnung auf, so daß ein Linsensystem mit großer Blendenöffnung, d. h. großer Apertur, nicht zu verwirklichen ist.

Im folgenden sind die numerischen Daten der Ausführungsbeispiele angegeben. In den Tabellen und Figuren bezeichnet F_NO die F-Zahl, f die Brennweite, f_B die hintere Bildweite, r den Krümmungsradius der entsprechenden Linsenfläche, d die Linsendicke oder den Abstand der Linsenelemente voneinander, n_d den Bre chungsindex bei der d-Linie und ν die Abbe-Zahl. In den Diagrammen der Aberra tionen bezeichnet die d-, die g- und die C-Linie die chromatische Aberration, dar gestellt durch die sphärische Aberration, SA die sphärische Aberration und SC die Sinusbedingung. In den Diagrammen der axialen chromatischen Aberration bezeichnet die Abszissenachse die Wellenlänge (µm) und die Ordinatenachse den Wert 1000 × CA/f, in dem der Wert der axialen chromatischen Aberration CA (mm) auf die Brennweite f (mm) normiert ist.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt die Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels des achromati schen Linsensystems. In Tabelle 1 sind die entsprechenden numerischen Daten angegeben. Die Fig. 2A und 2B zeigen die longitudinalen Aberrationen des Lin sensystems nach Fig. 1, während Fig. 3 die chromatischen Aberrationen des Lin sensystems zeigt. Das achromatische Linsensystem besteht aus einem ersten Linsenelement 11, das ein einzelnes negatives Meniskuslinsenelement mit einer objektseitigen konvexen Fläche ist, einem zweiten Linsenelement 12 in Form ei nes einzelnen bikonvexen Linsenelementes und einem dritten Linsenelement 13, das ein einzelnes negatives Meniskuslinsenelement mit einer bildseitigen konve xen Fläche ist. Die drei Linsenelemente sind in der eben genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet und miteinander verkittet.

Tabelle 1

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 4 zeigt die Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels des achro matischen Linsensystems. In Tabelle 2 sind die zugehörigen numerischen Daten angeführt. Die Fig. 5A und 5B zeigen die longitudinalen Aberrationen des Linsen systems nach Fig. 4. Fig. 6 zeigt die axiale chromatische Aberration des Linsen systems. Die Linsenanordnung dieses Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des ersten Ausführungsbeispiels.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 7 zeigt die Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels des achroma tischen Linsensystems. Tabelle 3 zeigt die zugehörigen numerischen Daten. Die Fig. 8A und 8B zeigen die longitudinalen Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 7, während in Fig. 9 die axiale chromatische Aberration dargestellt ist. Das achromatische Linsensystem dieses Ausführungsbeispiels entspricht in seinem Aufbau im wesentlichen dem des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels. Das Linsensystem besteht also aus einem ersten Linsenelement 11, das ein ein zelnes negatives Meniskuslinsenelement mit einer objektseitigen konvexen Flä che ist, aus einem zweiten Linsenelement 12 in Form eines einzelnen bikonvexen Linsenelementes und einem dritten Linsenelement 13, das ein einzelnes negati ves Meniskuslinsenelement mit einer bildseitigen konvexen Fläche ist. Diese Lin senelemente sind in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus be trachtet angeordnet. Im Unterschied zu dem ersten und dem zweiten Ausfüh rungsbeispiel sind jedoch die drei Linsenelemente nicht miteinander verkittet.

Tabelle 3

Ausführungsbeispiel 4

Fig. 10 zeigt die Linsenanordnung des vierten Ausführungsbeispiels des achro matischen Linsensystems. In Tabelle 4 sind die zugehörigen numerischen Daten angeführt. Die Fig. 11A und 11B zeigen die longitudinalen Aberrationen des Lin sensystems nach Fig. 10, während in Fig. 12 die chromatische Aberration darge stellt ist. Der Linsenaufbau dieses Ausführungsbeispiels entspricht dem des drit ten Ausführungsbeispiels.

Tabelle 4

Ausführungsbeispiel 5

Fig. 13 zeigt die Linsenanordnung des fünften Ausführungsbeispiels des achro matischen Linsensystems. In Tabelle 5 sind die zugehörigen numerischen Daten angeführt. Die Fig. 14A und 14B zeigen die longitudinalen Aberrationen des Lin sensystems nach Fig. 13, während in Fig. 15 die axiale chromatische Aberration dargestellt ist. Die Linsenanordnung dieses Ausführungsbeispiels ist die gleiche wie die des dritten Ausführungsbeispiels.

Tabelle 5

Tabelle 6 zeigt für die einzelnen Ausführungsbeispiele die Werte der Bedingun gen (1) bis (4). Wie aus dieser Tabelle hervorgeht, erfüllen das ersten bis fünfte Ausführungsbeispiel die Bedingungen (1) bis (3). Alle Ausführungsbeispiele außer des dritten und des vierten Ausführungsbeispiels erfüllen zudem die Be dingung (4).

Tabelle 6

Wie aus der vorstehenden Beschreibung hervorgeht, wird durch die Erfindung ein achromatisches Linsensystem bereitgestellt, in dem das Sekundärspektrum der axialen chromatischen Aberration im nahen Infrarotbereich gut korrigiert ist. Wei terhin ist durch die Erfindung ein achromatisches Linsensystem verfügbar, in dem die axiale chromatische Aberration über einen weiten Wellenlängenbereich, der vom sichtbaren Bereich bis zum nahen Infrarotbereich reicht, in gut ausgegliche ner Weise korrigiert werden kann.

Claims

1. Achromatisches Linsensystem mit einem einzelnen negativen Linsenelement (11), einem einzelnen positiven Linsenelement (12) und einem einzelnen negativen Linsenelement (13), die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet, dadurch gekennzeichnet, daß fol gende Bedingung erfüllt ist:
(1) |θ_pt-θ_nt| < 0,02
worin
θ_pt, das durch (n_c-n_t)/(n_F-n_c) für das positive Linsenelement (12) festgelegte Teil dispersionsverhältnis bei der t-Linie,
θ_nt das Mittel der durch (n_c-n_t)/(n_F-n_c) für die negativen Linsenelemente (11, 13) festgelegten Teildispersionsverhältnisse bei der t-Linie,
n_c der Brechungsindex bei der C-Linie,
n_t der Brechungsindex bei der t-Linie und
n_F der Brechungsindex bei der F-Linie ist.

2. Achromatisches Linsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß folgende Bedingung (2) erfüllt ist:
(2) |θ_pg-θ_ng| < 0,02
worin
θ_pg das durch (n_g-n_F)/(n_F-n_c) für das positive Linsenelement (12) festgelegte Teildispersionsverhältnis bei der g-Linie,
θ_ng das Mittel der durch (n_g-n_F)/(n_F-n_c) für die negativen Linsenelemente (11, 13) festgelegten Teildispersionsverhältnisse bei der g-Linie und
n_g der Brechungsindex bei der g-Linie ist.

3. Achromatisches Linsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsenelement (12) aus einem optischen Glasmaterial besteht.

4. Achromatisches Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da durch gekennzeichnet, daß das positive Linsenelement (12) folgende Bedingung erfüllt:
(3) ν_p< 80,0
worin
ν_p die Abbe-Zahl des positiven Linsenelementes (12) ist.

5. Achromatisches Linsensystem nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das positive Linsenelement (12) folgende Bedingung erfüllt:
(4) ν_p < 91,0.