DE20321310U1 - Objektiv für Abbildungen mit großer Schärfentiefe - Google Patents

Abstract

Objektiv für Abbildungen mit großer Schärfentiefe mit einem optischen System mit einer Blendenzahl k > 5,6, bei dem zwischen Öffungsblende (1) und Bildebene mindestens eine sammelnde, die Brechkraft dominierende Komponente (2) und mindestens ein Korrekturelement (3) zur Verringerung von Verzeichnung und Bildfeldkrümmung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturelement (3) eine asphärische Deformation der die Brechkraft bestimmenden konvexen Fläche einer Sammellinse (2) verwendet wird und dass an der die Brechkraft dominierenden Komponente (22) und/oder am Korrekturelement (3) zusätzliche Korrektureinrichtungen zur Behebung von chromatischen Fehlern angeordnet sind, wobei zur Behebung der chromatischen Fehler in der sammelnde Komponente (2) ein chromatischer Radius angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft ein Objektiv für Abbildungen mit großen Schärfentiefe.
• Die Erfindung ist vorzugsweise für Abbildungen mit elektronischen Kameras einsetzbar.
• Im Stand der Technik sind Objektive mit variabler Blende, bei denen die notwendige Schärfentiefe durch Abblenden erreicht wird, bekannt. Das Abblenden entspricht einer Vergrößerung der Blendenzahl k. Große Schärfentiefen werden für k > 5,6 erreicht. Da Objektive mit variabler Blende für die maximale Blendenöffnung ausgelegt sind, benötigen die Optikschemata mindestens fünf Linsen. Solche Objektive sind aufwändig und teuer.
• Die Bedingungen für das Erreichen einer vorgegebenen Schärfentiefe mit digitalen Bildaufnehmern ist in [N. Schuster: Proc. SPIE 5249 (2003)] veröffentlicht. Bei Blendenzahlen k > 5,6 vereinfachen sich die Optikschemata im Vergleich zu Objektiven mit kleineren Blendenzahlen. Für Machine-Vision-Anwendungen sind sowohl polychromatische als auch monochrome Beleuchtungen von praktischem Interesse.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv der eingangs genannten Art anzugeben, das für den Einsatz in elektronischen Kameras geeignet ist, eine große Schärfentiefe bei minimaler Anzahl brechender Flächen ermöglicht und kostengünstig herstellbar ist.
• Erfindungsgemäß wird die Aufgabe mit einem Objektiv, welches die in Anspruch 1 angegebenen Merkmale aufweist, gelöst.
• Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.
• Das Objektiv besteht aus einem optischen System mit einer Blendenzahl k > 5,6 zur Erreichung einer großen Schärfentiefe mit mindestens einer sammelnden, die Brechkraft dominierenden Komponente zwischen Öffungsblende und Bildebene und aus mindestens einem Korrekturelement, das Verzeichnung und Bildfeldkrümmung verbessert, wobei zusätzliche Korrekturelemente (z. B. zur Behebung von Farbfehlern) ergänzt werden können.
• Das Korrekturglied besteht vorzugsweise aus einer Zerstreuungslinse und/oder einer asphärischen Deformation einer brechenden Fläche.
• Die Erfindung zeichnet sich durch eine Reihe von Vorteilen aus. Hierzu zählen insbesondere:
• 1. Das Objektiv kommt mit einer minimalen Anzahl von optischen Elementen, insbesondere Linsen, und mit einer Festblende aus.
• 2. Das Objektiv ermöglicht eine auf den digitalen Empfänger abgestimmte Bildqualität.
• 3. Alle Ausführungsformen sind im monochromen Licht einsetzbar.
• 4. Mit einfachen Mitteln kann eine auch im polychromen Licht einsetzbare Ausführung geschaffen werden.
• Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert.
• In der zugehörigen Zeichnung zeigen:
• 1 eine optische Anordnung mit einer Smythschen Bildfeldebnungslinse als Korrekturelement,
• 2 eine Anordnung mit einer Plankonkavlinse als Korrekturelement,
• 3 eine Anordnung mit asphärischer Deformation des sammelnden optischen Elements als Korrekturelement und
• 4 eine Anordnung mit asphärischer Deformation des sammelnden optischen Elements als Korrekturelement und mit zusätzlichem chromatischen Radius zur Korrektur der Farbfehler.
• Die optische Anordnung besteht aus mindestens einem sammelnden und die Brechkraft dominierenden optischen Element 2, das hinter der Öffnungsblende 1 angebracht ist. Durch die geeignete Wahl des Blendenabstandes, der Brechzahl, der Radien und der Dicke des sammelnden Elementes 2 wird eine astigmatismuskorrigierte Abbildung erreicht. Die verbleibenden störenden Abbildungsfehler Bildfeldkrümmung und Verzeichnung werden durch mindestens ein Korrekturelement 3 auf ein unschädliches Maß verringert.
• Bei der in 1 dargestellten Anordnung wird als Korrekturelement 3 eine Smythsche Bildfeldebnungslinse verwendet, deren Krümmung sich aus der Petzvalbedingung herleitet. Damit wird ein ebenes Bildfeld erreicht und die Verzeichnung gut korrigiert. Diese Anordnung ist besonders für Abbildungen auf analoge Bildaufnehmer geeignet.
• 2 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem als Korrekturelement 3 eine Plankonkavlinse angeordnet ist, deren Position und Krümmung so bestimmt wird, dass die Hauptstrahlneigung hinter dem optischen System einen vorgegebenen Maximalwert nicht überschreitet. Ein Optimum zwischen Bildfeldebnung und Restverzeichnung ist einstellbar. Diese Anordnung ist besonders für die Abbildung auf digitale Bildaufnehmer mit Mikrolinsenarrays geeignet.
• Eine weitere Ausführungsform erläutert 3. Hierbei dient als Korrekturelement 3 eine asphärische Deformation der Scheitelkugel der brechkraftbestimmenden Fläche des sammelnden optischen Elements 2. Da mit zunehmendem Feldwinkel die Krümmung der konvexen Fläche des sammelnden optischen Elements 2 abnimmt, verringert sich auch die Bildfeldwölbung gegenüber der Ausführung gemäß 2. Gleichzeitig wird die Verzeichnung korrigiert und die Hauptstrahlneigung gering gehalten. Durch geeignete Wahl der konischen Konstanten der brechkraftbestimmenden Fläche des sammelnden optischen Elements 2 und des Blendenabstandes wird ein minimaler Zerstreuungskreis bei vollständig kompensierter Verzeichnung im gesamten Bildfeld erreicht. Diese Anordnung ist besonders für die monochrome Abbildung auf digitale Bildaufnehmer mit Mikrolinsenarrays geeignet. Mit dieser Anordnung sind große objektseitige Feldwinkel realisierbar.
• Die in 4 gezeigte Anordnung weist alle konstruktiven Merkmale und damit alle Vorteile der in 3 dargestellten Anordnung auf. Zusätzlich wird ein sogenannter chromatischer Radius 4 zur Korrektur der Farbfehler in das die Brechkraft bestimmende optischen Element 2 eingeführt. Dieser chromatische Radius 4 trennt optische Medien mit gleicher Hauptbrechzahl und unterschiedlichen Dispersionen. Damit werden die herausragenden Eigenschaften der Anordnung nach 3 auch für polychromatisches Licht (beispielsweise weißes Licht) wirksam. Diese Anordnung ist besonders für die farbige Projektion auf digitale Bildaufnehmer geeignet. Mit dieser Anordnung sind ebenfalls große objektseitige Feldwinkel realisierbar.

1

Öffnungsblende

2

sammeldes optisches Element

3

Korrekturelement

4

chromatischer Radius

Claims (3)

1. Objektiv für Abbildungen mit großer Schärfentiefe mit einem optischen System mit einer Blendenzahl k > 5,6, bei dem zwischen Öffungsblende (1) und Bildebene mindestens eine sammelnde, die Brechkraft dominierende Komponente (2) und mindestens ein Korrekturelement (3) zur Verringerung von Verzeichnung und Bildfeldkrümmung angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturelement (3) eine asphärische Deformation der die Brechkraft bestimmenden konvexen Fläche einer Sammellinse (2) verwendet wird und dass an der die Brechkraft dominierenden Komponente (22) und/oder am Korrekturelement (3) zusätzliche Korrektureinrichtungen zur Behebung von chromatischen Fehlern angeordnet sind, wobei zur Behebung der chromatischen Fehler in der sammelnde Komponente (2) ein chromatischer Radius angeordnet ist.
2. Objektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Korrekturelement (3) eine Zerstreuungslinse angeordnet ist.
3. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die der Öffungsblende (1) zugewandte Seite des brechkraftbestimmenden Elementes (2) gekrümmt ist.