DE2326576A1

DE2326576A1 - Optisches abbildungssystem

Info

Publication number: DE2326576A1
Application number: DE19732326576
Authority: DE
Inventors: Erik Niss
Original assignee: AGA AB
Current assignee: AGA AB
Priority date: 1972-05-30
Filing date: 1973-05-24
Publication date: 1973-12-13
Also published as: JPS4929633A; FR2186663B1; GB1414563A; FR2186663A1; SE363410B; CH556550A

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÜNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (0811) 881608

2 4.5.197 3-Si^lF( 4) 190-106 üi'

Optisches Abbildungssystem

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Abbildungssystem mit einem ersten und einem zweiten Teilsystem, von denen das er-. ste Teilsystem einen grösseren Gesichtsfeldwinkel aufweist als das zweite und eine oder mehrere negative Linsen enthält, während das zweite Seilsystem eine oder mehrere positive Linsen enthält und das ganze System so gebaut ist, dass die Hauptstrahlen seine optische Achse an oder nahe einer positiven Linse schneiden.

Es ist bekannt, dass ein optisches System eine asphärische Oberfläche aufweisen kann, deren Gestalt von Anfang an gegeben ist. Beispielsweise in den US-PSen 3 037 426 und 3 466 600 sind asphärische Oberflächen behandelt, die eine parabolische bzw. eine elliptische Gestalt besitzen. Diese Oberflächenformen sind aus dem Bemühen heraus entstanden, mit Hilfe der Dimensionierung der Ellipsen- oder Parabelachsen die asphärische Oberfläche einerseits und den Rest des Systems andererseits in Bezug auf Astigmatismus und Verzeichnung aneinander anzupassen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein optisches Abbildungssystem der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das sich als Projektions- oder Kameraobjektiv verwenden lässt, einen grossen Gesichtsfeldwinkel und eine hohe üchtstärke aufv/eist und einen grossen Abstand zwischen

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der letzten Linsenoberfläche und der Bildebene, also eine große rückwärtige Brennweite haben kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Verminderung der Verzeichnung zumindest eine negative Linse mindestens eine asphärische, rotationssymmetrische Oberfläche aufweist, die so angepaßt ist, daß die Brechwirkung der zugehörigen Linse nach den Umfangspartien zu geringer wird als bei einer Linse mit einer sphärischen Oberfläche von dem Krümmungsradius der asphärischen Oberfläche auf der optischen Achse gleichem Krümmungsradius.

Der Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten, optischen Abbildungssystems im Vergleich zu den bekannten Systemen liegt darin, daß sich beispielsweise sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus und Verzeichnung in einfacher Weise auf Minimalwerte bringen lassen. Gleichzeitig wird das erfindungsgemäß ausgebildete optische Abbildungssystem einfacher und preisgünstiger in der Herstellung als bekannte Systeme für den gleichen Einsatzzweck. Außerdem läßt sich .das erfindungsgemäß ausgebildete optische Abbildungssystem bei Verwendung als zusätzliche Weitwinkeloptik für ein Kameraobjektiv üblicher Bauart besser als bisher an den Rest des optischen Systems anpassen. Weiter zeichnet sich ein gemäß der Erfindung gebautes Objektiv durch eine kurze Gesamtlänge und ein geringes Gewicht aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; deren einzige Figur zeigt ein als Weitwinkelobjektiv ausgeführtes optisches Abbildungssystem gemäß der Erfindung.

Das dargestellte Kameraobjektiv ist aus zwei Teilsystemen aufgebaut, deren eines als Galileisches Fernrohr gebaut ist und aus einer vorderen negativen Linse 1, einer weiteren negativen Linse 2 und zwei positiven

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Linsen 3 und k besteht. Dabei ist die Vorderseite 8 der vorderen, negativen Linse 1 in unten noch im einzelnen erläuterter X'/eise als asphärische Oberfläche ausgebildet.

Das zweite Teilsystem ist als hinteres Hauptobjektiv der Petzvalschen Bauart ausgebildet und besteht aus zwei Gruppen von positiven Linsen, wobei die erste Gruppe eine Linse 5 und die zweite Gruppe zwei Linsen 6 und 7 umfaßt. Zwischen den beiden Teilsystemen, also zwischen den Linsen *f und 5i liegt eine imaginäre oder tatsächliche Blende. An dieser Stelle wird auf diese Weise die Irisblende in das Kamerasystem eingeführt.

Die Darstellung in der Zeichnung enthält weiter eil Bild TO eines nicht sichtbaren abzubildenden Gegenstandes und drei an diesem Bilde 10 endende Strahlen 9» 13 und Λ¹+. Von diesen drei Strahlen ist der Strahl 9 ein Hauptstrahl, der-durch eine Kante des Bildes 10 hindurchgeht. Der Schnittpunkt der Hauptstrahlen mit der optischen Achse 11 liegt an der Stelle 12. Der Strahl 13 fällt mit der optischen Achse zusammen, und der Strahl Ί¹+ ist ein zum Strahl 13 paralleler Eandstrahl, der an einem Bande durch die Blende hindurchgeht und das Bild 10 auf der optischen AJchse 11.trifft. Der Teil der Strahlen 9, 13, und 14, der in der Zeichnung links von der Vorderseite 8 der Linse 1 liegt, führt den Namen einfallende Strahlen. Der Bildwinkel ist'definiert als der Winkel zwischen einem einfallenden Strahl und der optischen Achse 11.

Bei dem dargestellten Beispiel sind die Linsen 1, 4, 5 und 6 als verkittete Doppellinsen ausgeführt. Dieser Aufbau dient in bekannter Weise zur Farbkorrektur.

Das dargestellte Objektiv weist an seiner Lichteintrittsseite einen größeren Gesichtsfeldwinkel auf als auf seiner Lichtaustrittsseite, wobei dieser Unterschied in den Gesichtsfeldwinkeln so groß ist, daß das Objektiv als Weitwinkelobjektiv angesprochen werden kann.

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Das als Beispiel dargestellte Objektiv ist so aufgebaut, daß die Petzvalsche Summe, die ein eingeführtes Maß für die Bildfeldwölbung darstellt, für das Petzvalsche Teilsystem mit den Linsen 5 bis 7 sehr stark positiv und für das Galileische Teilsystem mit den Linsen 1 bis ^f stark negativ wird, so daß sich für das gesamte optische Abbildungssystem eine sehr niedrige Petzvalsche Summe ergibt.

Außerdem weist das Petzvalsche Teilsystem eine relativ lange Brennweite f auf, als deren Folge der Abstand zwischen der Hinterseite der Linse 7 und dem Bilde 10 in der Bildebene, die rückwärtige Brennweite, lang wird. Besitzt das Galileische Teilsystem eine Vergrößerung m, so ergibt sich die Brennweite des gesamten Abbildungssystems zu f : m.

Wie bereits erwähnt liegt zwischen den beiden Teilsystemen eine reelle oder imaginäre Blende. Die zu den einzelnen Bildelementen gehörigen Strahlen gehen durch diese Blende hindurch. Die Öffnung jedes Strahls hat dann auf der Einfallsseite einen Durchmesser, der m mal kleiner ist als die lichte Weite der Blende. Verschiedene Strahlen treffen in Abhängigkeit vom jeweils zugehörigen Bildelement auf verschiedene Teile der Vorderseite 8 der Linse 1. Für den Fall großer Bildwinkel werden dann, wie die Zeichnung zeigt, die Frontlinsen groß.

Zur Erzielung einer großen Lichtstärke für das Abbildungssystem muß der Anteil der Bildfehler nach Seidel klein sein. Um in erster Linie die Seideische Summe zu berücksichtigen, kann dieser Beitrag geschrieben werden:

^A für die sphärische Aberration, für die Koma,
für den Astigmatismus,
2 V für die Verzeichnung.

Dann gelten die nachstehenden Beziehungen:

= 2B-Z₁ ΣΑ

= SC -2Z₁Z B₊Z₁ ²^A

=. ZE - Z₁ (3 ZC + ZP) + 3ζ_τ ²Σ B -

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— "5 *~

wobei A den Koeffizienten für die sphärische Aberration nach Seidel für jede Obaflache, B den Koeffizienten für die Koma für jede Oberfläche, C den Koeffizienten für den Astigmatismus für jede Oberfläche, E den Koeffizienten für die Verzeichnung für jede Oberfläche, P den Koeffizienten für die Petzvalsche Summe für jede Oberfläche und ζ den Abstand der Eintrittspupille von der ersten Linsenoberfläche, im vorliegenden Beispiel also von der Vorderseite 8 der Linse 1, bezeichnet.

Von den oben aufgeführten Summen sind alle mit Ausnahme von 2 -V-Schärfenfehler. ^V kann als Proportionalitätsfehler bezeichnet werden, d. h., daß die Bildgröße sich nicht linear mit dem Tangens des Bildwinkels ändert. Dig Abweichung Δ1¹ der wahren Bildgröße von der linearen berechnet sich dann zu

Δΐ'^; = - ι¹ · ^ · Zv · tg²<i>

wobei 1' für die Bildgröße und <iO für den Bildwinkel steht.

Wie die obige Zusammenstellung für die Summen zeigt, hängt ^V weitgehend davon ab, daß Σ E zur Erzielung einer guten Schärfe klein ist gegenüber den anderen Summen. Σ.Ε ist im allgemeinen eine Funktion der Systemkonstruktionο Im Petzvalschen Teilsystem kann Σ-Ε klein werden, für das Galileische Teilsystem sind dagegen die Schwierigkeiten, 2ΓΕ klein zu machen,, sehr groß. Das Gesamtsystem unterliegt dann für große Bildwinkel einer erheblichen Verzeichnung, d. h., daß bei Betrachtung von der Bildseite des als Beispiel dargestellten Abbildungssystems her ein Hauptstrahl nach dem Durchgang durch das System in einer anderen Richtung verläuft, als sie für seinen Austritt aus dem Linsensystem vorgesehen ist. Dieser Fehler kann dadurch korrigiert werden, daß beispielsweise einer Oberfläche eine solche Gestalt gegeben wird, daß die zu jedem einzelnen Bildelement gehörigen Strahlen nach dem Durchgang durch das Abbildungssystem die gewünschte Richtung annehmen. Eine solche Oberfläche nimmt dann eine asphärische Gestalt an. Unter dem Gesichtspunkt der Toleranzen und der Leichtigkeit für die Fertigung ist es von Vorteil, wenn diese asphärische Oberfläche nahe

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der Vorderseite des Systems liegt. Im vorderen Teil des Systems ist die öffnung des Strahls klein gegen die tatsächliche Linsenoberfläche, so daß bei der Fei-tigung die Fehler über die relativ kleinen Oberflächenteile, die zu den einzelnen Strahlen gehören, nicht wachsen können. Auf diese Weise ist es möglich, eine gute Schärfe für jedes Bildelement zu erhalten.

Die Verfahrensweise bei der Konstruktion eines optischen Äbbildungssystems gemäß der Erfindung verläuft auf diese Weise so", daß das System zunächst so dimensioniert wird., daß sphärische Aberration, Koma und Astigmatismus klein werden und andere wünschenswerte Ziele erreicht werden. In diesem Stadium weist das System eine große Verzeichnung auf, die dann dadurch korrigiert wird, daß einer Linsenoberfläche im System eine solche Gestalt gegeben wird, daß die Bichtung jedes Strahls in jedem Teil der Linsenoberfläche den gewünschten Verlauf zeigt. Die. Genauigkeit der Linsenoberfläche hängt von der Größe jedes solchen Teils ab, der die korrekte Ausrichtung für einen auf diesen Teil fallenden Strahl ergibt.

Diese Oberfläche erhält dann eine asphärische Gestalt, und sie sollte zur Erreichung ctes angestrebten Zieles zu einer negativen Linse im System gehören. In dieser Hinsicht ist es weiter von Vorteil, wenn die äußere Oberfläche der äußersten negativen Linse einen solchen korrigierenden Effekt für die Verzeichnung aufweist, da der einfallende Strahl auf dieser Oberfläche die geringste Ausdehnung besitzt und daher die Anforderungen an die G-enauigkeit für die Gestalt dieser Oberfläche am geringsten sind. In manchen Fällen kann es jedoch notwendig sein, beide Oberflächen einer negativen Linse oder eine oder mehrere Oberflächen mehrerer verschiedener negativer Linsen mit einem solchen Korrektureffekt für die Verzeichnung auszustatten.

Unter fertigungstechnischen Gesichtspunkten ist es weiter von Vorteil, wenn diese asphärischen Oberflächen konvexe Oberflächen sind, ' da sich konvexe Glasoberflächen leichter zu unregelmäßiger Gestalt schleifen lassen.

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Die Seideischen Summen berücksichtigen nur zwei Glieder in. der Sinusreihenentwicklung für das Brechungsgesetz. Für die letzte Feinkorrektur müssen auch höhere Glieder dieser Reihenentwicklung in die Rechnung einbezogen werden. Die oben beschriebene Berechnung der asphärischen Oberflächen wird zweckmäßig mit Hilfe einer modernen Datenverarbeitungsanlage durchgeführt, deren Programm für die automatische Abbildungsfehlerkorrektur zur Feinkörrektur von den höheren Reihengliedern Gebrauch macht» Diese Programme können auch die Berechnung von asphärischen Oberflächen übernehmen. Die asphärische Form wird dabei nach folgender Formel konstruiert

ζ = ^a_K£

in der ζ eine mit der optischen Achse der jeweiligen Linse zusammenfallende Achse, ö einen Radius in einem rechtwinkligen Koordinatensystem und a eine Konstante bezeichnet, die so berechnet wird, daß die Oberfläche in jedem Punkt eine solche Gestalt erhält, daß der Hauptstrahl in diesem Punkt die gewünschte Ausrichtung bekommt. Die Anzahl η der in die Rechnung einzubeziehenden Glieder hängt von der Genauigkeit ab, mit der das System zu konstruieren ist. Als Beispiel kann erwähnt werden, daß mit η =· 5 in vielen Fällen eine ausreichende Genauigkeit erzielt werden kann.

Wenn auf diese Weise die Gleichung für die zu fertigende Oberfläche bestimmt ist, wird anhand dieser Gleichung mit Hilfe einer modernen numerisch gesteuerten Werkzeugmaschine beispielsweise ein Nocken mit der korrekten Form für diese Oberfläche hergestellt, und dieser Nocken dient dann anschließend als Steuernocken für das Schleifen der Oberfläche, worauf diese mit Hilfe kleiner Polierwerkzeuge poliert wird.

Ein Vorteil des erfindungsgemäß ausgebildeten Abbildungssystems liegt darin, daß die Genauigkeit in Bezug auf Neigungsfehler für die asphärische Oberfläche nicht groß zu sein braucht, da für die endgültige Verzeichnung im allgemeinen keine höhere Genauigkeit als größenordnungsmäßig 1 % verlangt wird.

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Das erfindungsgemäß ausgebildete Abbildungssystem kann Brennpunkte aufweisen oder brennpunktslos sein. Bei Ausbildung mit &rennjiuiik.ten wird die rückwärtige Brennweite auf der Systemseite, wo die positiven Linsen liegen, lang. Dies hat den Vorteil, daß bei einem Einsatz des Systems als Kameraobjektiv zwischen der Bildebene und der ihr nächstliegenden Linse ein Klappspiegel angeordnet werden kann. Bei brennpunktsloser Ausführung kann das Abbildungssystem beispielsweise als Vorsatzobjektiv für ein übliches Kameraobjektiv dienen.

Als Beispiel sei erwähnt, daß sich ein Kameraobjektiv in erfindungsgemäßer Ausbildung konstruieren läßt, das einen Bildwinkel von 110 , eine Lichtstärke von 1:2, eine Gesamtbrennweite von 15 mm und eine rückwärtige Brennweite von etwa ^O mm aufweist.

Patentansprüche:

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Claims

(i__j/ Optisch.es Abbildungssystem mit einem ersten void, einem zweiten Teilsystem, von denen das erste Teilsystem einen grösseren G-esichtsfeldwinkel aufweist als das zweite und eine oder mehrere negative Linsen enthält, während das aweite i'eilsystem eine oder mehrere positive Linsen enthält und das ganze System so gebaut ist, dass die Hauptstrahlen seine optische· Achse- an oder nahe einer positiven Linse schneiden, dadurch gekennzeichnet, dass zur verminderung der Verzeichnung zumindest eine negative Linse (Ί) mindestens eine asphärisclie, rotationssymmetrische Oberfläche (o) aufweist, die so angepasst ist, dass die Brechwirkung der zugehörigen Linse nach den' umfangspartien zu geringer wird als bei einer Linse mit einer sphärischen Oberfläche von dem Krünmungsradrus der· asphärischen Oberfläche auf der optischen Achse (11) gleichem Krümmungsradius»
2. Abbildungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die asphärische(n) Oberfläche(n) (d) konvex gekrümmt ist (sind). ·
3. Abbildungssystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Aussenseite (8) der äussersten Linse ("1) des ersten xeilsystems (1 bis 4) als asphärische Oberfläche ausgebildet ist.
4. Abbildungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3r dadurch gekennzeichnet, dass es auf der Aussenseite seines zweiten i'eilsystems (5 bis 7) sammelnd wirkt und dort einen Abstand zwischen der rückwärtigen Linse (7) und dem Bild (10) oder eine rückwärtige Brennweite aufweist, der bzw. die grosser ist als das Zweifache der ijrennweite des Gesamtsystems.

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