DE2851327A1

DE2851327A1 - Optisches mehrachsenobjektiv fuer einen optischen lesekopf in einem faksimilesystem

Info

Publication number: DE2851327A1
Application number: DE19782851327
Authority: DE
Inventors: Claude Hily; Jean-Jacques Hunzinger
Original assignee: Philips Gloeilampenfabrieken NV
Current assignee: Koninklijke Philips NV
Priority date: 1977-12-02
Filing date: 1978-11-28
Publication date: 1979-06-07
Also published as: IT7830354A0; GB2009441A; FR2410831A1; FR2410831B1; SE433982B; CA1115569A; AU4209478A; US4208088A; JPS5485740A; DE2851327C2; JPS587976B2; IT1100407B; GB2009441B; ES475563A1; SE7812291L; AU519186B2

Description

9.IO.78 /Τ PHF 77586

"Optisches Mehrachsenobjelctiv für einen optischen Lesekopf in einem Faksimilesystem."

Die Erfindung betrifft ein optisches Mehrachsenobjektiv, mit einer langgestreckten Form zur Formung
eines linienförmigen Bilds, bestehend aus einer Anzahl
nebeneinander angeordneter einachsiger optischer Systeme, deren Achse zueinander parallel verlaufen.

Nach einer bekannten Technik werden nebeneinander angeordnete optische Fasern zur Verwirklichung derartiger Objektive benutzt. In optischen Objektiven, für die optische Fasern geringen Durchmessers benutzt werden, wird für jeden Punkt der Objeklinie eine Faser benutzt, deren Eingang durch einen Lichtstrom proportional der
Helligkeit des Punktes beleuchtet wird. Ein Teil dieses Lichts t-roms wird über die Faser übertragen und in einem Detektor aufgefangen, der nur mit dieser Faser gekuppelt ist. Die Nachteile eines derartigen Systems sind einerseits, dass die Faseranzahl gleich der Bildpunktanzahl
sein muss, und zum andern, dass sich das zu lesende Dokument in der Nähe der Eingänge der Fasern befinden muss (in einer Entfernung von etwa 0,05 mm), wodurch die Beleuchtung des Dokuments erschwert wird und eine Gefahr
der Beschädigung der Fasern beim Vorbeilaufen des Dokuments besteht. In anderen Objektiven werden Fasern grösseren Durchmessers benutzt, die sogenannte "SELFOC"—
Linsen bilden. Jede auf diese ¥eise erhaltene Linse hat die Form eines GlasloreisZylinders mit einem Durchmesser

909823/0697

9.10.78' . ^t f PHF 77586

von ungefähr 1 mm und mit einer Länge von einigen Zentimetern. Der Brechungsindex des Glases schwankt von der Mitte des Glases bis zu seinem Umfang. Eine jede dieser Linsen kann ein reelles Bild eines reellen Objekts mit

S einer Vergrosserung von +1 ergeben. ¥enn die Länge der Linse in bezug auf den Brechungsindex geeignet gewählt wird, ist das Nutzfeld etwas grosser als der Durchmesser einer einzigen Linse, so dass durch die Aufstellung mehrerer Linsen nebeneinander es möglich ist, das Feld zu erweitern, ohne dass die Faseranzahl gleich der Bildpunktanzahl sein muss. Bei der Verwendung derartiger Linsen besteht ausserdem ein verlialtnismässig grosser Abstand (einige Millimeter) zwischen dem Dokument und den Fasern. Auch diese Linse haben jedoch einige Nachteile. Einer dieser Nachteile ist die komplizierte Struktur dieser Linsen, die deswegen teuer sind. Ein weiterer Nachteil ist die kleine photometrische Öffnung, die für eine jede der erwähnten Linsen brauchbar ist, wenn eine periodische Schwankung im Beleuchtungspegel in der zu empfindlichen Bildfläche vermieden werden muss, wobei die kleine Öffnung den Lichtstrom in jedem Detektor begrenzt. Ein anderer Nachteil ist die Streuung der optische Charakteristiken der einen Linse in bezug auf die andere, wodurch ein Unterschied in den Abständen zwischen dem Objekt und dem Bild verursacht wird, wodurch wieder eine Schwankung in der Auflösung der Bildfläche entsteht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden, die optische Objektive nach der bekannten Technik haben, für die optische Fasern benutzt werden.

Die Aufgabe wird in der erfindungsgemässen Anordnung dadurch gelöst, dass jedes optische Einachsensystem durch eine Einheit dreier Kugeln aus optischem Material, im weiteren Kugeltrio genannt, gebildet wird, deren Mittelpunkte sich auf einer Linie befinden, welches Kugeltrio in bezug auf die Mitte der Zentralkugel sowohl hinsichtlich der Geometrie einschl. des Objektabstands und des Bildabstands als auch hinsichtlich der optischen

909823/0697

9.10.78 · . jf ζ PHF 77586

Eigenschaften symmetrisch, ist, dass der Brechungsindex der Zentralkugel grosser als der Brechungsindex der äusseren Kugeln und der Durchmesser der Zentralkugel höchstens gleich dem Durchmesser der äusseren Kugeln ist, und dass der Eingang und der Ausgang jedes Kugeltrios seitlich durch ein Fenster begrenzt ist, das das Grenzfeld y eines jeden Trios bestimmt, wobei zwischen dem Feld und dem Radius R der äusseren Kugeln das Verhältnis y = C\ R besteht, worin (X eine Konstante ist, die von der Form der Fenster abhängig ist.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend an Hand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine erste Ausführungsform eines elementaren optischen Systems, Kugeltrio genannt, Fig. 2 in der Perspektive eine Ansicht eines Mehrachsenobjektivs nach der Erfindung,

Fig. 3 eine zweite Ausführungsform eines elementaren optischen Systems.

In Fig. 1 bezeichnen die Zahlen 11 _; 12 und drei kugelförmige Linsen (Kugeln) eines Kugeltrios nach der Erfindung. Die Eingangslinse an der Seite des Objekts ist mit 11, die Zentrallinse mit 12 und die Ausgangslinse an der Bildseite mit I3 bezeichnet. Die entsprechenden Mitten der erwähnten Linsen sind mit C₁, C₉, C bezeich-

I et _}

net und befinden sich auf der Achse 14. Als Beispiel sind in Fig. 1 Linsen mit gleichem Durchmesser dargestellt, die sich berühren. Im weiteren wird erläutert, dass das keine absolute Bedingung ist. Nur die äusseren Kugeln müssen gleiche Abmessungen und den gleichen Brechungsindex aufweisen und sich in gleichen Abständen von der Zentralkugel befinden.

Eine Anzahl dieser Kugeltrios wird so zusammengebracht, dass ihre Achsen parallel verlaufen (siehe Fig. 2). Im dargestellten Beispiel liegen die Achsen 20, 21, 22, 23 und Zh in der gleichen Ebene, so dass die Objektlinie 28 und die Bildlinie 29 Gerade sind. Die Mitte der Eingangslinse, der Zentrallinse und der Ausgangslinse liegen auf den Linien 25, 26 bzw. 27, die

909823/0697

9.10,78 , ^jL php 77586

senkrecht auf den optisclien Achsen der Kugeltrios stehen. Im allgemeineren Fall, bei dem die Achsen der Kugeltrios nicht in der gleichen Ebene liegen, würden die Bildlinie und die Objektlinie zwei parallele gekrümmte Linien sein.

Um nach der Bedingung der Erfindung das überlappen der Bildflächen der elementaren optischen Sj^steme zu ermöglichen, um auf diese Weise die Anzahl der Systeme zu beschränken, arbeitet jedes Trio mit einer Vergrösserung +1. Die Linse 11 bildet eine senkrecht auf der optischen Achse lh stehende Equatorialfläche der Zentrallinse 12 einer Strecke AB der Objektlinie 28 (Fig. 1) ab. Dieses Bild ist als A¹B dargestellt. E_s ist das Bild, das entstehen würde, wenn die Linse 12 nicht vor— handen wäre. Durch den Einfluss der Linse 12 wird in der Wirklichkeit das Bild A¹B¹ gebildet. Aus diesem Bild formt die Linse 13 das Bild A¹¹B" der Bildlinie 29. Die Linienabschnitte A B und A^!tB" sind gleich und haben die die gleiche Richtung. Da das Zwischenbild A¹B₁ in der Mitte der Zentrallinse 12 angeordnet ist, arbeitet sie als stigmatische, aplanatische Linse. Ausserdern behebt die Linse 12 die Bildkrümmung. Um die äusseren Kugeln 11 und 13 ohne Astigmatismus, Koma und seitlichen Chromatismus arbeiten zu lassen, wird der öffnungswinkel eines aus einem Objektpunkt herrührenden Nutzstrahls zu einem dünnen Strahlenbündel begrenzt, dessen mittlerer Strahl durch die Mitte der ersten Kugel und durch die Mitte der dritten Kugel geht. Dieses Ergebnis wird einerseits dadurch erhalten, dass die Linse 12 die Mitten C, und C„ miteinander koppelt, wobei diese Linse also die Funktion einer Feldlinse erfüllt, und zum anderen durch das Einführen einer Pupille, die die Öffnung des Nutzbündels begrenzt. Da diese Pupille nicht durch die öffnung einer in der Mitte der Linse 11 angeordneten Blende gebildet werden kann, wird sie durch zwei Fenster 15 und 16 erhalten, die symmetrische in bezug auf den Eingang und auf den Ausgang des Kugeltrios angebracht sind. Für den Punkt' B des Linienabschnitts AB begrenzen diese Fenster das

dünne schraffierte Lichtbündel mit dem mittleren Strahl {

909823/0697 j

9.10.78 . /γ PHF 77586

19 und mit den äusseren Strahlen 17 und 18, von denen der erste den Oberrand des Eintrittsfensters 15 und der andere den Oberrand des Austrittsfensters 16 streift. Durch die Fenster arbeitet das Kugeltrio in bezug auf den Punkt B mit der wirksamen Eingangspupille 10 und mit der wirksamen Ausgangspupille S, von denen sich die erste (1O) in der Mitte C und die andere (9) in der Mitte C befindet. Die wirksame Fläche der Eingangspupille ist variabel und gleich dem von den Fenstern gebildeten Katzenauge". Die erwähnte Fläche sind kleiner bei sich vergrösserndem Winkel des mittleren Strahles. Der Beleuchtungspegel des Bildfelds eines Kugeltrios ist also nicht einheitlich. Für ein Mehrachsenobjektiv, bestehend aus Kugeltrios, kann ein einheitlicher Beleuchtungspegel über eine geeignete Bemessung des Durchmessers der Kugeln im Zusammenhang mit der grössten Abmessung AB = k (Grenzfeld) des von einem einzigen Trio darzustellenden Objekts erhalten werden. Es hat sich herausgestellt, dass ein gutes Ergebnis erreicht werden kann, wenn das Verhältnis zwischen dem Grenzfeld y und dein Radius R der äusseren Kugeln linear ist: y = <X R. Die Konstante Oi. ist von der Form der Fenster abhängig und beträgt für kreisförmige Fenster etwa 2,3· Eine Abweichung in Höhe von 5°/° gibt immer noch eine zulässige Homogenität des Beleuchtungspegels.

Die endgültige Bemessung des Mehraclisenob jektivs wird einerseits bedingt durch die numerische Apertur N eines jeden Kugeltrios, welche die Brechungsindices η und N der äusseren Kugeln bzw. der Zentralkugel bestimmt . und andererseits von der gewünschten Auflösung bestimmt", die den Absolutwert des Radius R festlegt.

Einige Zahlenbeispiele sind in nachstehender Tabelle gegeben, in der die unterschiedlichen Symbole folgende Bedeutung haben:

R : Krümmungsradius, der in diesem Fall gleich der für die drei sich berührenden Kugeln ist.

η : Brechungsindex des Materials der zwei äusseren Kugeln.

909823/0697

9.10.78 ^X ^{PHF 77586}

N : Brechungsindex des Materials der Zentralkug-el. ρ : paraxialer Abstand zwischen dem Objekt und der Mitte der ersten Kugel, welcher Abstand gleich dem Abstand zwischen der Mitte der dritten Kugel und dem Bild ist.

y : lineare Abmessung des Felds eines jeden Kugel—

trios, gemessen von der optischen Achse. 0 i Radiiis der Fensteröffnung. {/J : Feldwinkel (Objekt oder Bild). N : numerische Apertur.

ta : Durchmesser des sphärischen Aberrationslichtflecks .

te : Durchmesser des chromatischen Aberrationslichtflecks.
t : Durchmesser des Gesamtaberrationslichtflecks.

Zwischen den erwähnten Symbolem bestehen folgende Zusarnmhänge:

_β Σ

t =

(3a-u)'
wobei /\ η die Brechungsindexänderung im Nutzspektruni ist.

909823/0697

9.10.78

30

PHF 77586

VO	ON O ON	in CM O	CJn t—	ON cn j	j- CO	0,0397	0,0200	ON in O O
in j- cn	00 cn 00	o- CM O	cn in	ON ι—	in co	in OO j- O C* O	ON ON O O	0,0684
cn t—	7,73	O cn O	. in VO	ON in j-	VO CM OO τ—	CM ON in O O	ON ON T—' O O	ON O O
t— in ON	cn τ— rs t-	CM cn O	co r-	1,471	1,795	in CM O O	OO On O O	cn CM ON O O
OO	ON in VO	0,35	in CM	cn 00	O VO t-	O ON co O O	ON O O	t- CO O O
6,73	6,08	00 cn O	O O CM	Ι ΟΝ	ON	co ON O	VO On t— O O	ON CM O
5,66	cn VO m	O	cn CM W CM	cn in	O t- VO	VO VO cn C	VO ON O O	CM vo in O
VD	5,20	0,44	cn . co cn CM	On CM in	1,612	CM O	0,0195	VO τ— C\ τ— rv O
	4,82	00 O	in in CM	m	CM in	O,2216	ON O O	O J CM O
\	Pi	Pi	U/' (Graden)	ti	*	Pi cd •P	Pi Ü	Pi -μ

35

909823/0697

9.10.78 ^/0 PHF 77586

Die Verwendung dieser Ergebnisse führt zu folgenden Ausführungsbeispielen, die einem Aberrations Hellt- fleck von 0,125 mm entsprechen, der eine Auflösung in dav Grössenordnung von 8 Punkten pro Millimeter zulässt.

Bei einer numerischen Apertur N =8 folgt aus der Spalte 5 der Tabelle:

rr = 0,1087» aus der folgendes hervorgeht: 2 R = 2,3 mm,
η = 1,483,

N =1,76

D (Abstand zwischen dem Objekt und dem Bild) = 2p + 4R= 17,18 mm.

Bei einer numerischen Apertur N = 11,3 ergibt die Spalte 7 folgende Werte:

— = 0,0791> aus dem sich ergibt:
2R = 3,16,
η = 1,459,
N = 1,826 und
D =19,46 mm.

Diese Beispiele ergeben einerseits, dass die Kugeln nach der Erfindung Abmessungen haben, die eine leichte Handhabung ermöglichen, und andererseits, dass die Brechungsindices der Werkstoffe der Kugeln den Brechungsindices üblicher Glasarten entsprechen.

Nach einer Abwandlung der Erfindung haben nur die äusseren Kugeln der Kugeltrios gleichen Durchmesser 2R, während der Durchmesser 2r der Zentralkugel kleiner als 2R und zwar so ist, dass der Abstand zwischen den äussei-en Kugeln etwas (bis zu 2O^c/o) geringer als ihr Durchmesser ist. Hierdurch ist es möglich, den Abstand zwischen dem Objekt und dem Bild zu vergrössern, wodurch die Beleuchtung des Dokuments in einem Lesekopf für Faksimile erleichtert wird. Ausserdem hat es sich erwiesen, dass für die Zentralkugel in diesem Fall eine Ciasart benutzt werden kann, deren Brechungsindex geringer als der in der vorangehenden Tabelle ist, d.h. es ist möglich, eine üblichere und preisgünstige Glasart zu verwenden.

909823/0697

9.10.78 X/7 PHF 77586

Bel einem verringerten Durchmesser der Zentral— kugel und einer Verringerung des Abstands zwischen den äusseren Kugeln kann auserdem gemäss Fig. 3 zwischen der Zentralkugel 12 und den benachbarten Kugeln 11 und 13 ein geringerer Luftabstand e verwirklicht werden, ohne dass dabei die Wirkung des Kugeltrios gestört wird. Nach dieser Abwandlung sind die Grossen von R, r und e derart, dass folgenden Ungleichheiten entsprochen wird:

0,9 R ^ r + e ^ R
10

0 < e ^0,2 r.

Nach einer anderen Ausführungsform werden die Fenster durch Rechtecke gebildet, deren zwei Seiten parallel zur Objektlinie 28 verlaufen. In diesem Fall ist der Wert von CK in der Formel y = D( R ungefähr gleich Auch hier ist eine Abweichung bis zu 5?° zulässig.

Es ist möglich, eine Anzahl mehrachsiger Objektive nach Fig. 2 in Schichten übereinander anzuordnen, so dass eine Anzahl der Objektlinien mit einer entspre— chenden Anzahl von Bildlinien gekoppelt wird.

909823/0697

Leerseite

Claims

9.10.78 *f PHP 77586 Patentansprüche;

1. Optisches Mehrachsenobjektiv mit einer langgestreckter Form für die Formimg eines linienförmigen BildeSj bestehend aus einer Anzahl nebeneinander angeordneter einachsiger optischer Systeme, deren Achsen zueinander parallel verlaufen, dadurch gekennzeichnet, dass jedes optische Einachsensystem durch eine Einheit dreier Kugeln aus optischem Material, im weiteren Kugeltrio genannt, gebildet wird, deren Mitten sich auf einer Linie befinden, welches Kugeltrio in bezug auf die Mitte der Zentralkugel sowohl hinsichtlich der Geometrie einschl. des Objektabstands und Bildabstands als auch hinsichtlich der optischen Eigenschaften symmetrisch ist, dass der Brechungsindex der Zentralkugel grosser als der Brechungsindex der äusseren Kugeln und der Durch— messer der Zentralkugel höchstens gleich dem Durchmesser der äusseren Kugeln ist und dass der Eingang und der Ausr gang jedes Kugeltrios seitlich durch ein Fenster begrenzt wird, das das Grenzfeld y eines jeden Trios bestimmt, wobei zwischen dem Feld und dem Radius R der äusseren Kugeln das Verhältnis y = O^ R besteht, worin θζ eine Konstante ist, die von der Form der Fenster abhängig ist.

2. Mehrachsenobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Fenster kreisförmig sind und dass D( = 2,3 ± y/o.

3. Mehrachsenobjektiv nach Anspruch 1, dadurch

909823/0697

ORIGINAL INSPECTED

9.10.78 2 PHF 77586

gekennzeichnet, dass die Fenster rechteckig sind und das

4. Mehrachsenobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gele ennz ei ohne t, dass sich die Kugeln miteinander berühren und gleichen Durchmesser haben.

5. Mehrachsenobjektiv nacheeinem der Ansprüche 1 bis 3» dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kugeln miteinander berühren und dass der Durchmesser der Zentralkugel kleiner als der Durchmesser der äusseren Kugeln ist.

6. Mehrachsenobjektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 3j dadurch gekennzeichnet, dass sich die Kugeln nicht miteinander berühren und der Durchmesser der Zentralkugel kleiner als der Durchmesser der äusseren Kugeln ist.

7· Mehrachsenobjektiv nach einem der Ansprüche 5 und 6, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Radius R der äusseren Kugeln, dem Radius r der Zentralkugel und dem Luftraum e zwischen den Kugeln folgende Zusammenhänge bestehen:

0,8 R<r + e ^ R

0 <e <C 0,2 r.

909823/0897