DE2449671C3 - Optisches System änderbarer Vergrößerung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein optisches System änderbarer Vergrößerung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Es ist oft wichtig, die Vergrößerung eines optischen Gerätes ändern zu können, was z. B. leicht erreichbar ist durch Ändern der Vergrößerung einer verfahrbaren Optik, die zwischen einer Gegenstandsebene und einer relativ zur Gegenstandsebene ortsfesten Bildebene angeordnet ist. Im allgemeinen wird diese Vergrößerungsänderung durch Hereinfahren einer Optik in den Strahlengang bzw. durch Herausfahren der Optik und deren Ersetzung durch eine andere erreicht, die deshalb zwangläufig relativ zur GegenstandseK-ne anders angeordnet ist. Möchte man zwei zueinander inverse Vergrößerungen erhalten, so kann bei ln> ertieren der entsprechenden Abstände zur Gegenstandsebene und zur Bildebene die gleiche verfahrbarc Optik verwendet werden. Das ist schematisch in der I 1 g 1 dargestellt. In der F i g. 1 hat das in Vollinien dargestellte Objektiv 1 eine Schnittweite dzur Gegenstandsebene 0 und die Vergrößerung des Gerätes ist z. B. g. In der gleichen Figur hat das in Strichpunktlinien dargestellte, gleiche Objektiv 1 eine Schnittweite d zur Bildebene 1 und die neue Vergrößerung ist dann Mg.

Die Verstellung, durch die die mit Vollinien dargestelhe Stellung in die mit Strichpunktlinien dargestellte Stellung übergeht, erfolgt so, als ob die Optik um 18ΓΤ verschwenkt würde, so wie das in der Praxis oft durchgeführt wird, da das zu einer einfachen Serienfertigung führt. Die Bewegung der Optik entspricht also einer reinen Verschiebung und einer vollständigen Wendebewegung. Das ist notwendig, um in beiden Stellungen die gleiche Korrekturgüte der Aberrationen zu erhalten; wenn nämlich die verfahrbare Optik gut korrigiert ist. wenn die Fläche 2 auf der Seite der kürzeren Schnittweite d liegt, muß, um die gleiche Korrekturgüte zu erhalten, bei der in Strichpunktlinien dargestellten zweiten Stellung die gleiche Fläche 2 der verfahrbaren Optik ebenfalls auf der Seite der kürzeren Schnittweite dsein. Selbst wenn nur ein Satz dünner Linsen, der aus einer Doppellinse oder zwei miteinander verkitteten Doppellinsen besteht, verwendet wird, so korrigiert eine reine Verschiebung ohne Wendebewegung die sphärische Aberration nur für Abbildungen im Maßstab etwa 1 :1. In den meisten Fällen ist zur Erzielung aplanatischer Abbildungen die Verwendung eines Linsensatzes aus zwei luftraumgetrennten Doppellinsen oder eines wesentlich komplexeren Linsensystems erforderlich. Nachteilig werden dann, wenn nicht gleichzeitig eine Wendebewegung der verfahrbaren Optik durchgeführt wird, die entsprechenden Aberrationen nicht korrigiert. Die bei den entsprechenden Geräten geforderten Abbildungsgüte erlaubt jedoch keine Vernachlässigung der Astigmatismuskorrektur.

Eine vollständige Wendebewegung des Objektivs, gleichzeitig mit dessen Verschiebung ist schwer durchführbar, vor allem bei Objektiven großer Abmessungen, insbesondere da eine Wendebewegung um 180° exakt durchgeführt werden muß.

Es ist Aufgabe der Erfindung, diese Nachteile zu überwinden und insbesondere einen Wechsel von einer Vergrößerung zu einer inversen Vergrößerung zu ermöglichen, unter Beibehalten aller Aberrationskorrekturen und durch Ausführen lediglich einer einfachen Bewegung der verfahrbaren Optik.

Diese Aufgabe wird bei einem optischen System änderbarer Vergrößerung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 durch die im Kennzeichen des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Dabei kann die Spiegeleinheit zwei einen Winkel von 90° einschließende Planspiegel enthalten, die so angeordnet sind, daß in axialer Richtung einfallende Strahlen in entgegengesetzter Richtung aus dem Spiegelelement austreten, wobei die verfahrbare Optik durch eine einfache Translationsbewegung verschiebbar ist.

Gemäß einer weiteren Ausgestaltung ist die verfahrbare Optik selbst ein optisches System mit kontinuierlich änderbarer Vergrößerung, dessen Vergrößerungsbercich Abbildungen im Maßstab 1 : 1 einschließt.

Die Erfindung wird an Hand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigt

Ii g. 1 ein herkömmliches optisches System,

ΙΊ g. 2 ein optisches System gemäß der Erfindung, mit einer Spiegeleinheit mit zwei zueinander rechtwinkligen Planspiegeln,

F i g. 3 ein optisches System gemäß der Erfindung, bei dem Gegenstandsebene und Bildebene des Gerätes parallel zueinanderliegen, jedoch nicht identisch sind.

F ig.4 ein optisches System gemäß der Erfindung, bei dem die Spiegelebenen einen Winkel größer als 90" einschließen,

Fig.5 ein optisches System gemäß der Erfindung, bei dem die verfahrbare Optik ein optisches System mit kontinuierlich änderbarer Brennweite ist,

F i g. 6 ein optisches System gemäß der Erfindung, bei dem wegen der Größe des Gegenstandes und dts Bildes Bildebene und Gegenstandsebene nicht nebeneinanderliegen können.

Das in F i g. 1 beschriebene herkömmliche optische System wurde bereits erläutert.

In F i g- 2 ist die optische Achse des dargestellten Gerätes durch Reflexion an Spiegeln 5, 6, die einen Winkel von 90° einschließen, zweimal um 90° umgelenkt. Die optische Achse, die die Gegenstandsebene 0 und die Bildebene 1 verbindet, enthält daher i.tvei paral-IeIe Zweige außerhalb der Spiegeleinheit 5, 6. in einer ersten Stellung der verfahrbaren Optik 1 in einem Abstand d von der Gegenstandebene 0, die mit Volumen in der F i g. 2 dargestellt ist, ist die Vergrößerung des gesamten Optiksystems g, wie bei der ebenfalls mit Volllinien dargestellten Stellung in Fig. ί. Eine Überführung der verfahrbaren Optik 1 aus der mit Volumen dargestellten Stellung in die mit Strichpunktlinien dargestellte Stellung entspricht einer Verschiebung entlang der optischen Achse und einer vollständigen Wendebewegung der verfahrbaren Optik 1. da hier in aer zweiten Stellung der Abstand dder verfahrbaren Optik 1 zur Bildebene 1 erhalten bleibt, und da die gleiche Seite 2 der verfahrbaren Optik 1 auf der Seite der kleineren Schnittweite d verbleibt. Hier wird aber die optisehe Achse selbst umgekehrt, anstatt die verfahrbare Optik 1 umzukehren. Das in F i g. 2 dargestellte optische System, das offensichtlich kompakter ist als das an Hand der F i g. 1 erläuterte, bietet darüber hinaus den Vorteil einer äußerst einfachen mechanischen Ausführbarkeit des Verfahrens oder der Verstellung der verfahrbaren Optik 1, da es sich hier um eine einfache Verschiebung um eine kurze Strecke entlang auf einfache Weise mit großer Präzision herstellbarer Führungen handelt. Gemäß F i g. 2 sind die Spiegel 5. 6 so angeordnet, daß Gegenstandsebene 0 und Bildebene I zusammenfallen. Das ist nicht unbedingt er^rorderlich. Wenn der Aufbau des Gerätes es erfordert, können die Spiegel 5,6 so angeordnet sein, daß Gegenstandsebene

0 jnd Bildebene 1 nicht zusammenfallen, auch wenn sie parallel bleiben. Das ist bei dem in F i g. 3 dargestellten Ausführungsbeispiel der Fall; hier ist die Verschiebung der verfahrbaren Optik 1 nicht senkrecht zu den be'den Zweigen der optischen Achse, verläuft jedoch im gleichen Winkel zu den Zweigen der Achse. Auch in diesem Fall bleibt der Abstand der verfahrbaren Optik 1 gegenüber der Gegenstandsebene 0 bzw. der Bildebene

1 in beiden Stellungen der verfahrbaren Optik 1 gleich.

Beim Ausführungsbeispiel der Fig.4 schließen die Spiegel 5 und 6 einen Winkel größer als 90^r ein. so daß die beiden Zweige der optischen Achse nicht mehr parallel sind. Die beiden Zweige der optischen Achse liegen jedoch in einer Ebene. Das Verschicben der verfahrbaren Optik 1 ist auch hier wieder mechanisch einfach zu verwirklichen, da es sich auf eine Verschwen kung in einer Ebene um den Schnittpunkt der beiden Zweige der optischen Achse zurückführen läßt; es genfifft wenn die verfahrbare Optik 1 von einem Arm getragen wird, der gelenkig auf einer Achse durch den Schnittpunkt der beiden Zweige der optischen Achse angeordnet ist.

Das schematisch in F i g. 4 wiedergegebene optische System kann durch eine Spiegeleinheit mit einem einzigen Spiegel noch weiter vereinfacht werden, wobei die Verschwenkung des die verfahrbare Optik 1 tragenden Arms nun um eine Achse erfolgt, die durch den Schnittpunkt der optischen Achse mit der Spiegelfläche verläuft. Selbstverständlich ist es in diesem Fall, wie bei dem gemäß F i g.4, damit das Verstellen der verfahrbaren Optik 1 auf eine einfache Rotation zurückführbar ist, unerläßlich, daß der Abstand des Schnittpunkts der optischen Achse mit der spiegelnden Ebene von der Gegenstandsebene gleich dem bildseitigen Abstand des entsprechenden Schnittpunkts von der Bildebene ist.

In der F i g. 5 ist ein besonders wichtiges Ausführungsbeispiel für den Fall dargestellt, daß kontinuierlich änderbare Vergrößerungen erzielt werden sollen. In diesem Fall benötigt man im allgemeinen ein komplexes optisches System, das mindestens zwei verschiebbare Linsengruppen aufweist und unter dem Namen pankratisches System oder Zoom-System bekannt ist. Das Verhältnis der im äußersten Fall erhaltbaren Vergrößerungen, das man bei Ausnutzung der gesamten Weglängen der verschiebbaren Linsengruppen erhält, kann theoretisch sehr hoch sein. In der Praxis ist das Verhältnis jedoch dadurch begrenzt, daß es notwendig ist, alle Aberrationen für alle Stellungen der verschiebbaren Glieder zu korrigieren, so daß derartige optische Systeme änderbarer Vergrößerung selten ein Verhältnis größer als 10 der beiden Endvergrößerungen aufweisen. Wenn bei dem schematisch in F i g. 2 dargestellten optischen System die verfahrbare Optik 1 durch eine verfahrbare Optik 9 mit änderbarer Brennweite ersetzt ist, wird das in F i g. 5 dargestellte optische System erhalten. In der in Vollinien dargestellten Lage der verfahrbaren Optik 9 und durch einfaches Betätigen der internen Mechanik dieser verfahrbaren Optik 9, durch die die Brennweite in einem Bereich ίο bis 10/b änderbar ist, wird auf diese Weise für das Gesamtgerät das Vergrößerungsverhältnis 10 erhalten. Wenn nun die verfahrbare Optik 9 durch einfaches Verschieben in eine in Strichpunktlinien dargestellte und im anderen Zweig der optischen Achse befindliche Stellung gebracht wird, ist erkennbar, daß sie sich nun wie eine verfahrbare Optik 9 verhält, die inverse Vergrößerungen zu denen der ersten Stellung ergibt, unter der Voraussetzung, daß die Lage der Spiegel 5, 5 zur Gegenstandsebene 0 und zur Bildebene I korrekt bestimmt ist. In dieser neuen Stellung läßt sich durch die gleiche Betätigung der internen Mechanik der verfahrbaren Optik 9 ihre Vergrößerung von 1 bis V10 verändern. Dadurch erhält man einen Vergrößerungsbereich von 1 :100. Die Vergrößerungen können kontinuierlich mit Hilfe eines Systems änderbarer Vergrößerung, dessen Brennweitenänderungsbereich 1:10 beträgt, eingestellt werden. Dabei ist die Korrektion der Aberration über den Vergrößerungsbereich 1 :100 von gleicher Güte wie die Korrektion der Aberration der verfahrbaren Optik 9. Soll die Vergrößerung stetig verändert wtrden. so muß die Endvergrößerung des pankratischen Systems während der Verstellung gleich Eins sein. In der Praxis wird man einen kleinen Überlappungsbereich zwischen den beiden Bereichen schaffen, die einer Stellung der verfahrbaren Optik 9 in einem der beiden Zweige der optischen Achse entsprechen. Das heißt, daß bei einem untersuchten Endfaktor R² ein

Faktor für das pankratische System gewählt wird, der ein wenig größer als R ist und einen kleinen Sicherheitsüberlappungsbereich ermöglicht. Die Ausbildung des optischen Systems änderbarer Vergrößerung mit den Merkmalen im Kennzeichen des Anspruchs 1 ist besonders vorteilhaft, wenn die verfahrbare Optik ein pankratisches System ist, da die mechanischen Einrichtungen zum Ändern der Vergrößerung bei vollständiger Wendebewegung des pankratischen Systems wesentlich schwerer und kostspieliger wären.

Selbstverständlich sind noch weitere Ausgestaltungen der Erfindung möglich, z. B. ist sie in gleicher Weise anwendbar, wenn das optische System durch Spiegel ergänzt wird, die zwischen Gegenstandsebene 0 oder Bildebene 1 und der Spiegeleinheil 5,6 angeordnet sind Das ist z. B. bei dem in F i g. 6 schematisch dargestell-

S ten Ausführungsbeispiel der Fall, bei dem die Größe des Gegenstandes und/oder des Bildes keine Anordnung Seite an Seite ermöglicht. Hier lenkt ein Zusatzspiegel 11 das Strahlenbündel um und hält die Bildebe· ne 1 senkrecht zur Gegenstandsebene 0. Ebenso kön

ίο nen als Umlenkspiegel Prismen mit Totalreflexion die nen, wie das in F i g. 6 dargestellt ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Optisches System änderbarer Vergrößerung zwischen einer Gegenstandsebene und einer relativ zur Gegenstandsebene ortsfeste Bildebene, mit einer verfahrbaren Optik, deren jeweilige Ding- und Bildweiten invertiert sind und dadurch inverse Vergrößerungen ergeben, dadurch gekennzeichnet, daß eine Spiegeleinheit (5,6) vorgesehen ist. durch die ein parallel zur optischen Achse einfallender Strahl so umgelenkt wird, daß einfallender und reflektierter Strahl in einer Ebene liegen und daß die Optik (1) so in dieser Ebene verfahrbar ist, daß sie wahlweise zwischen Spiegeleinheit (5, 6) und Objeki oder zwischen Spiegeleinheit (5, 6) und Bild in den Strahlengang gebracht werden kann.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinheit (5, 6) einen einzigen Planspiegel enthält, wobei die verfahrbare Optik (1) um den Schnittpunkt der optischen Achse mit der spiegelnden Fläche verschwenkbar ist.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegeleinheit (5, 6) zwei einen Winkel von 90° einschließende Spiegel enthält, die so angeordnet sind, daß in axialer Richtung einfallende Strahlen in entgegengesetzter Richtung aus der Spiegeleinheit (5, 6) austreten, wobei die verfahrbare Optik (1) durch eine einfache Translationsbewegung verschiebbar ist.

4. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiegel der Spiegeleinheit (5, 6) einen Winkel größer als 90° einschließen, und daß die verfahrbare Optik (1) um den Schnittpunkt der beiden Zweige der optischen Achse verschwenkbar ist.

5. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, ddß die verfahrbare Optik (1) selbst ein pankratisches System ist, deren Vergrößerungsbereich Abbildungen im Maßstab 1 :1 einschließt.

6. Optisches System nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch weitere Spiegel (11) in mindestens einem der Zweige der optischen Achse, die den Strahlengang umlenken.