DE3625023A1 - Optisches bilduebertragungssystem - Google Patents
Optisches bilduebertragungssystemInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Bildübertragungssystem
für beispielsweise ein starres Endoskop, insbesondere
auf ein optisches Bildübertragungssystem mit Verwendung
von inhomogenen Linsen.
Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Schnittansicht der Ausführung
eines üblichen optischen Systems
für ein Endoskop
Fig. 2 bis 4 schematische Darstellungen der Ausbildung
von üblichen bildübertragenden optischen
Systemen
Fig. 5 den Strahlengang in einer inhomogenen Linse
Fig. 6 ein Schnittbild des optischen Bildübertragungssystems 1
nach der vorliegenden Erfindung
Fig. 7 ein Schnittbild, das die Brechzahlverteilung
einer inhomogenen Linse veranschaulicht
Fig. 8 bis 17 Schnittbilder erfindungsgemäßer optischer
Bildübertragungssysteme 2 bis 11
Fig. 18 bis 28 Korrekturkurven der erfindungsgemäßen optischen
Bildübertragungssysteme 1 bis 11.
Übliche optische Bildübertragungssysteme für Endoskope usw.
bestehen nur aus homogenen Linsen, d. h. ein optisches System
für ein Endoskop besitzt, wie in Fig. 1 gezeigt, ein Objektiv
1, ein optisches Bildübertragungssystem 2 und ein Okular
3. Dabei kann das optische Bildübertragungssystem beispielsweise
den in Fig. 2 gezeigten Aufbau besitzen, wie er in
der japanischen Auslegeschrift 5 993/74 gezeigt ist. Bei
diesem optischen System ist die Bildfeldkrümmung nicht beseitigt.
Es gibt auch demgegenüber verbesserte ältere Vorschläge,
und das ist beispielsweise das in der japanischen Offenlegungsschrift
4 245/77, Fig. 3, gezeigte Linsensystem. Bei
diesem Linsensystem ist die Bildfeldkrümmung weitgehend
beseitigt. Dieses Linsensystem hat jedoch den Nachteil,
daß der Linsenaufbau komplex und die Zahl der Linsen groß
ist, und daß viele in Luft stehende Flächen vorgesehen sind.
In der letzten Zeit sind Linsen mit sich ändernder Brechzahl
(inhomogene Linsen) entwickelt worden.
Ein optisches System für ein Endoskop mit inhomogenen Linsen
ist in Fig. 4 dargestellt. Bei diesem optischen System für
ein Endoskop ist ein bildübertragendes optisches System
4 vorgesehen, das eine inhomogene Linse enthält, deren beide
Oberflächen plan sind. Diese inhomogene Linse des optischen
Bildübertragungssystems hat eine Brechzahl, deren Verteilung
im wesentlichen mit dem Ouadrat der Entfernung vom Mittelwert
zur Peripherie der Linse abnimmt, so daß der Lichtstrahl
entlang einer Kurve verläuft, wie in Fig. 5 gezeigt,
während ein Bild übertragen wird. Bei einem eine solche
inhomogene Linse verwendenden optischen Bildübertragungssystem
ist die Konstruktion sehr einfach, aber Bildfeldkrümmung
ist nicht beseitigt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein
optisches Bildübertragungssystem anzugeben, bei dem die
Bildfeldkrümmung gut korrigiert ist, wobei der Verlust der an
Beleuchtungsstärke und die Stärke der Überstrahlung klein
sein sollen und sich kaum eine Dezentrierung der Linsen
im Linsenrahmen ergibt, wenn sie zusammengesetzt werden.
Zur Lösung dieser Aufgabe kann das erfindungsgemäße optische
Bildübertragungssystem zwei stabförmige Linsenglieder enthalten,
von denen mindestens eines eine konkave, in Luft stehende
Fläche enthält und mindestens eines als Kittglied mit
einer Linse verlaufender Brechzahl (GRIN lens oder inhomogene
Linse) ausgebildet ist.
Bei einer inhomogenen Linse ist die Brechzahlverteilung
so, daß dieser Typ insgesamt eine Brechkraft besitzt, selbst
wenn beide Oberflächen eben sind. Unter Benutzung dieser
Eigenschaft ist es möglich, die Linsen so auszubilden, daß
sie Brechkraft haben, selbst wenn sie mit einer anderen
Linse verkittet sind, was es ermöglicht, die Zahl der an
Luft stehenden Flächen zu vermindern. Darüber hinaus wird,
wenn eine in Luft stehende Fläche konkav ausgebildet wird,
der negative Feldkrümmungskoeffizient von dieser konkaven
Oberfläche bestimmt, so daß es möglich ist, die Petzvalsumme
zu verringern und Bildfeldkrümmung zu korrigieren (dabei
bezeichnet Feldkrümmungskoeffizient den Aberrationskoeffizient
dritter Ordnung für Bildfeldkrümmung auf einer Linsenfläche).
Insbesondere ist es vorteilhaft, eine inhomogene
Linse als bildformende Linse zu verwenden, um eine Oberfläche
einer inhomogenen Linse als an Luft stehende Fläche auszubilden
und diese Oberfläche konkav auszubilden.
Ein erfindungsgemäßes optisches Bildübertragungssystem hat
den beispielsweise in Fig. 6 gezeigten Linsenaufbau, bei
dem eine homogene Linse 11 mit einer inhomogenen Linse 12
positiver Brechkraft insgesamt verkittet ist, wobei eine
konkave Luftkontaktfläche vorgesehen ist, und dieses Kittglied
hat insgesamt positive Brechkraft. Ein solches optisches
System bildet ein Bild eines Bildes I bei I′ der Reihe
nach ab, und so wird das Bild übertragen. Infolge dieser oben
erläuterten Konstruktion vermindert der negative Feldkrümmungskoeffizient,
der sich durch die konkave Oberfläche
ergibt, die Petzvalsumme, und die Bildfeldkrümmung wird
unterdrückt.
Es ist möglich, den Effekt der Korrektur der Feldkrümmung
besonders wirksam werden zu lassen, wenn sowohl das Verhältnis
R ϕ von ϕ g zu ϕ s als auch das
Verhältnis R p von p g zu p s
den folgenden Bedingungen genügen:
dabei bezeichnet ϕ g die Brechkraft des inneren Bereiches
der inhomogenen Linse, ϕ s die Brechkraft der konkaven
Oberfläche, p g den Feldkrümmungskoeffizienten vom Innenbereich
der inhomogenen Linse und p s den Feldkrümmungskoeffizienten,
der von der konkaven Oberfläche hervorgerufen wird.
Wenn die unteren Grenzwerte dieser Bedingungen (1) und (2) nicht erfüllt
sind, wird die Verminderung der Feldkrümmung nicht wesentlich,
was unerwünscht ist.
Wenn die Brechzahlverteilung einer inhomogenen Linse axial
symmetrisch ist und mit wachsendem Radius vom Mittelpunkt
zum Rand variiert, ist das Verhältnis von R p des
Feldkrümmungskoeffizienten p g , der durch den Innenbereich der
inhomogenen Linse hervorgerufen wird, zum Feldfeldkrümmungskoeffizienten
p s , der von der in Luft stehenden Oberfläche
hervorgerufen wird, durch folgende Formel bestimmt:
darin bezeichnet
c die Krümmung der in Luft stehenden Oberfläche der inhomogenen Linse
t deren Dicke und
N(0) und N(1) die Brechzahlen im Mittelpunkt der inhomogenen Linse und der Koeffizient von r 2 der Brechzahlverteilung, wobei beides sich aus folgender Formel ergibt:
c die Krümmung der in Luft stehenden Oberfläche der inhomogenen Linse
t deren Dicke und
N(0) und N(1) die Brechzahlen im Mittelpunkt der inhomogenen Linse und der Koeffizient von r 2 der Brechzahlverteilung, wobei beides sich aus folgender Formel ergibt:
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...
Andererseits hat eine homogene Linse in dem erfindungsgemäßen
Bildübertragungssystem folgende Aufgaben.
Eine dieser Aufgaben ist, die Pupille ebenso wie das Bild
zu übertragen.
Um das Bild mehrmals zu übertragen, muß die Pupille auch
entsprechend übertragen werden. Andererseits würde die Beleuchtungsstärke
des Randes des Bildfelds abnehmen, oder,
wie es manchmal der Fall sein kann, wird die Beleuchtung
überhaupt nicht übertragen.
Als erfindungsgemäß wird der parallel zur optischen Achse
zur homogenen Linse 11 einfallende Strahl von dem außeraxialen
Gegenstandspunkt durch die konvexe Fläche der homogenen
Linse 11 gekrümmt, kreuzt die optische Achse beim
Mittelpunkt der inhomogenen Linsen 12, die einander gegenüberstehen,
und wird wieder parallel zur optischen Achse
durch die konvexe Oberfläche der anderen homogenen Linse.
Mit anderen Worten hat das erfindungsgemäße optische System
einen Aufbau, bei dem sowohl die Eintrittspupille als auch
die Austrittspupille bei Unendlich angeordnet sind.
Eine weitere Aufgabe des homogenen Materials besteht darin,
daß diese homogene Linse als eine stabförmige Linse ausgebildet
ist, bei der der Zwischenraum zwischen der inhomogenen
Linse mit der bildformenden Funktion, und der konvexen
Oberfläche der homogenen Linse, die die Funktion einer Feldlinse
erfüllt, mit Glas gefüllt ist. Daher ist es möglich,
das Licht ungefähr n-mal NA zu übertragen, verglichen mit
dem Fall, in dem der Zwischenraum zwischen den Linsen zwei
Funktionen hat, d. h. zwischen der Feldlinse und der bildformenden
Linse, wenn dort ein Luftabstand ist, wobei n die
Brechzahl des Glases der homogenen Linse bezeichnet. Die
Beleuchtungsintensität des optischen Systems ist proportional
dem Quadrat von NA, so daß es möglich ist, n 2
Beleuchtungsintensität zu erhalten, im Vergleich zu dem Fall, in dem
der Zwischenraum ein Luftabstand ist.
Schließlich sind erfindungsgemäß homogene Linse und inhomogene
Linse miteinander verkittet, so daß die Zahl der in
Luft stehenden Oberflächen vermindert ist, wodurch die Bildverschlechterung
gering ist, die durch Dezentrierung entsteht,
welche von dem Spiel hervorgerufen wird, wenn das
optische System in einem Rohr zusammengesetzt wird. Dies
liegt daran, daß es möglich ist, das Kippen der Linsen geringer
zu halten als in dem Fall, in dem homogene Linsen und
inhomogene Linsen nicht verkittet sind, sondern auf Abstand
stehen, selbst wenn der Spalt zwischen den Linsen und dem
Rohr in beiden Fällen der gleiche ist.
In gleicher Weise ist es möglich, wenn der Randabschnitt
der konkaven Oberflächen der inhomogenen Linsen 12, die
einander gegenüberstehen, miteinander verkittet sind, eine
konvexförmige Luftlinse dazwischen zu bilden und die Dezentrierung
der Linse gering zu halten.
Es werden nun bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
optischen Bildübertragungssystems im einzelnen betrachtet.
Das optische Bildübertragungssystem 1 nach der Erfindung
hat den in Fig. 6 gezeigten Aufbau als Grundkonstruktion,
bei dem zwei Kittglieder aus einer homogenen Linse 11 und
einer inhomogenen Linse 12 symmetrisch so angeordnet sind,
daß die konkaven Oberflächen 12 a der inhomogenen Linsen
12 einander gegenüberstehen.
Die Brechzahlverteilung ist durch die vorerwähnte Formel
gegeben, wobei die Brechzahl mit dem Quadrat der Entfernung
vom Mittelpunkt zum Rand abnimmt, wie in Fig. 7 gezeigt.
Die Brechzahl im Mittelpunkt der inhomogenen Linse ist größer
als die der homogenen Linse.
Die Daten dieses ersten optischen Bildübertragungssystems
sind wie folgt:
Diese System 1 hat einen einfachen Aufbau, bei dem, wie
oben dargelegt, die plankonvexen homogenen Linsen und die
plankonkaven inhomogenen Linsen miteinander verkittet sind.
Daher sind nur vier in Luft stehende Oberflächen für eine
Bildübertragung vorgesehen.
Der Korrekturzustand dieses Systems 1 nach der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 18 gezeigt, woraus sich ergibt, daß
die Aberrationen vielfach kleiner als die eines üblichen
Systems, das nur homogene Linsen verwendet und in Fig. 2
gezeigt sind, oder die eines anderen üblichen Systems,
wie es in Fig. 3 gezeigt ist, sind.
Beim System 2 nach der Erfindung, wie es schematisch in
Fig. 8 dargestellt ist, ist die Kittfläche gekrümmt, und
eine bikonvexe homogene Linse 13 und eine bikonkave inhomogene
Linse 14 sind miteinander verkittet.
Die Daten dieses Systems 2 sind wie folgt.
Der Korrekturzustand dieses Systems 2 ergibt sich aus Fig. 19.
Wie daraus folgt, ist Bildfeldkrümmung fast völlig beseitigt.
Die Besonderheit dieses erfindungsgemäßen Systems 2 besteht
wie oben erwähnt darin, daß die Kittflächen zwischen den
homogenen Linsen 13 und den inhomogenen Linsen 14 konkav
sind, und die Brechzahl der homogenen Linse 13 niedriger
als die der inhomogenen Linse 14 ist, so daß die Kittfläche
eine konkave Funktion annimmt. Durch diese Oberfläche ist
sphärische Aberration beseitigt, was gegenüber dem Fall
vorteilhaft ist, in dem sphärische Aberration nur durch
eine in Luft stehende Oberfläche einer inhomogenen Linse
beseitigt wird.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems 3 ist in Fig. 9
gezeigt, wobei ähnlich System 2, die Kittfläche zwischen
homogener Linse und inhomogener Linse gekrümmt ist, d. h.
die meniskusförmige homogene Linse 15 und die meniskusförmige
inhomogene Linse 16 sind miteinander verkittet. Die
Daten sind dabei wie folgt.
Der Korrekturzustand dieses Systems 3 ist in Fig. 20
veranschaulicht.
Beim erfindungsgemäßen System 4 liegt der in Fig. 10
gezeigte Linsenaufbau vor. Bei diesem System wird die Funktion der
Feldlinse, die beispielsweise von der konvexen Oberfläche
der inhomogenen Linse 11 beim System 1 erfüllt wird, durch
die inhomogene Linse ersetzt. Das bedeutet, daß dieses System
die Konstruktion umfaßt, bei der das Kittglied, das aus
der homogenen Linse 17 und der inhomogenen Linse 18 besteht,
und die konkave in Luft stehende Fläche weiter mit einer inhomogenen
Linse 19 verkittet ist, die die Funktion als Feldlinse
erfüllt. Infolge dieser drei-Linsenkomposition wird
die Konstruktion etwas kompliziert, aber es sind für eine
Bildübertragung nur vier in Luft stehende Oberflächen vorgesehen.
Die Daten dieses Systems 4 sind wie folgt.
Bei diesem System 4 wird auch für den Feldlinsenanteil eine
inhomogene Linse verwendet und die in Luft stehende Oberfläche
ist konkav ausgebildet, um negative Brechkraft zu
erzeugen, so daß ein negativer Feldkrümmungskoeffizient
erzielt wird. Infolgedessen ist es leichter, Feldkrümmung
zu korrigieren als in dem Fall, in dem der negative Feldkrümmungskoeffizient
nur durch den bildformenden Linsenabschnitt
hervorgerufen wird.
Der Korrekturzustand dieses erfindungsgemäßen Systems 4
ist in Fig. 21 gezeigt.
Das erfindungsgemäße System 5 hat den in Fig. 11 gezeigten
Linsenaufbau, der eine Vereinfachung des Linsensystems bei
der vierten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt.
Bei diesem System 5 wird eine inhomogene Linse 21 mit konkaver,
in Luft stehender Fläche, eine plankonvexe homogene
Linse 20 und eine inhomogene Linse 22 mit zwei ebenen Oberflächen
verkittet. Das Bild ist an der äußeren Oberfläche
22 a der inhomogenen Linse 22 erzeugt, so daß wenn bei einer
Anordnung die Bildübertragung zwei- und mehrmals erfolgt,
es möglich ist, das nächste bildübertragende optische System
an diese Oberfläche anzukitten. Dabei sind für eine Bildübertragung
vier in Luft stehende Flächen wie bei den anderen
Systemen vorgesehen. Wenn jedoch zwei und mehr Bildübertragungen
erfolgen sollen, ist es möglich, die Zahl der in Luft
stehenden Oberflächen zu verringern, wenn die einzelnen
Systeme in der oben beschriebenen Weise miteinander verkittet
werden. Wenn beispielsweise für fünf Bildübertragungen bei
anderen Systemen 20 Oberflächen vorhanden sind (4 Oberflächen
× 5), sind bei diesem System nur 12 Oberflächen (2 Oberflächen
× 5 + 2 Oberflächen) erforderlich, so daß es möglich ist,
die Zahl der in Luft stehenden Oberflächen beträchtlich
zu verringern. Infolgedessen wird es möglich, ein optisches
System zu erhalten, bei dem der Verlust an Beleuchtung, der
durch die in Luft stehenden Oberflächen verursacht ist,
geringer ist, und bei dem auch die Unschärfe geringer ist.
Die Daten des Systems 5 sind wie folgt.
Der Korrekturzustand dieses Systems 5 ist aus Fig. 22
ersichtlich.
Das erfindungsgemäße System 6 enthält nur inhomogene Linsen,
d. h. es sind wie in Fig. 12 gezeigt, eine inhomogene Linse
24 mit zwei ebenen Oberflächen und eine plankonkave inhomogene
Linse 23 miteinander verkittet, und die an Luft stehende
Oberfläche der inhomogenen Linse 23 ist konkav. Daher hat
das erfindungsgemäße optische System 6 einen außerordentlich
einfachen Aufbau. Dabei liegt die Stellung des Bildes außerhalb
des optischen Systems; es ist aber auch möglich, die
Stellung an eine Linsenoberfläche zu bringen. Im letzteren
Fall kann ähnlich wie bei System 5, wenn die plane Seite
der inhomogenen Linse 24 mit dem nächsten bildübertragenden
System verkittet wird, die Zahl der an Luft stehenden Oberflächen
verringert werden.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 6 sind wie folgt.
Der Korrekturzustand dieses erfindungsgemäßen Systems 6
ist in Fig. 23 dargestellt.
Bei dem diesem System zugrundeliegenden Konstruktionsprinzip,
bei dem zwei Arten von inhomogenen Linsen verwendet werden,
deren Brechzahlgradienten voneinander unterschiedlich sind
und die miteinander verkittet sind, werden folgende Vorteile
erreicht.
Wenn man nur eine Art von inhomogenen Linsen verwendet,
deren Brechzahl in Axialrichtung homogen ist, und mit dem
Radius vom Mittelpunkt zum Rand variiert, kann man selbst
wenn die Außenfläche eben und die Innenfläche konkav ausgebildet
ist, die Pupille nicht geeignet übertragen sowie auch
die Feldkrümmung unterdrücken. Dies wird aber möglich, wenn
zwei Arten von inhomogenen Linsen wie bei diesem System
miteinander verkittet werden.
Im erfindungsgemäßen System 7 sind ähnlich wie im erfindungsgemäßen
System 6 zwei Arten von inhomogenen Linsen verkittet
bzw. eine Meniskuslinse 27 mit konkaver, in Luft stehender
Oberfläche und eine bikonkave inhomogene Linse 26 sind miteinander
verkittet, wie in Fig. 13 gezeigt.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 7 sind wie folgt.
Bei diesem erfindungsgemäßen System 7 ist es möglich, sphärische
Aberration und Koma durch die Kittfläche zwischen den
inhomogenen Linsen 25 und 26 zu korrigieren. Es ist auch
ein Vorteil, daß die Außenfläche konkav ist. Der liegt darin,
daß es möglich ist, einen negativen Feldkrümmungskoeffizienten
mit dieser Oberfläche zu erzeugen, um die Feldkrümmung
zu korrigieren. Der Korrekturzustand dieses erfindungsgemäßen
Systems 7 ist in Fig. 24 dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen System 8 ist, wie in Fig. 14
gezeigt, eine inhomogene Linse 28 mit einer homogenen Linse
27 verkittet, und eine weitere homogene Linse 29 mit einer
konkaven, in Luft stehenden Oberfläche ist weiter daran gekittet.
Die zwei Linsenglieder sind symmetrisch angeordnet,
so daß die homogenen Linsen 29 an der Innenseite des Linsensystems
liegen. Bei der inhomogenen Linse 28 dieses optischen
Systems ist die Brechzahl an der optischen Achse am höchsten,
und nimmt zum Rand zu ab, im wesentlichen durch eine
Selbstmulitplikationsverteilung.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 8 sind wie folgt.
Bei diesem erfindungsgemäßen System 8 hat die inhomogene
Linse 28 keine in Luft stehende Oberfläche, so daß die in
Luft stehende Oberfläche der homogenen Linse 29 konkav ausgebildet
ist. Ähnlich wie bei dem System 1 bis 7 hat die
inhomogene Linse 28 eine bildformende Funktion, und die
in Luft stehende Oberfläche dient dazu, die Petzvalsumme
zu verringern, so daß die Bildfeldkrümmung geeignet korrigiert
ist. In diesem Fall sind die Bedingungen zur Unterdrückung
der Bildfeldkrümmung wie folgt:
Diese Bedingungen (1′) und (2′) sind im wesentlichen gleich
den Bedingungen (1) und (2). Bei diesen Bedingungen (1′)
und (2′) stellen ϕ g und p g die Brechkraft des
inneren Teils
der inhomogenen Linse (die Brechkraft wenn beide Seiten
parallele Flächen wären) dar, und den Feldkrümmungskoeffizienten,
der von dem inneren Bereich der inhomogenen Linse
erzeugt wird (der Feldkrümmungskoeffizient, der durch die
inhomogene Linse erzeugt würde, wenn beide Seitenoberflächen
planparallele Oberflächen wären), und d s und p s
die Brechkraft der konkaven, in Luft stehenden Oberfläche der homogenen
Linse und den Feldkrümmungskoeffizienten, der dadurch hervorgerufen
wird, dar.
Wenn die oben erwähnten Bedingungen nicht erfüllt sind,
ist die Funktion zur Unterdrückung der Bildfeldkrümmung
durch die konkave Oberfläche so schwach, daß das System
praktisch unbrauchbar wird.
In diesem System 8 sind R ϕ = 0,336 ≦λτ 0,2 und
R p = 0,969 ≦λτ 0,2, was den Bedingungen (1′) und (2′) genügt.
Daher wird die Funktion der Unterdrückung der Bildfeldkrümmung
erfüllt. Bei dieser Ausführungsform sind verschiedene
Kittflächen vorgesehen, so daß es leichter ist, die Aberrationen
zu korrigieren. Der Korrekturzustand dieses erfindungsgemäßen
Systems 8 ist in Fig. 25 dargestellt.
Das erfindungsgemäße System 9 hat den in Fig. 15 gezeigten
Aufbau, wobei eine homogene meniskusförmige Linse 30 an
einer Seite an eine plankonvexe inhomogene Linse 31 gekittet
ist, und eine plankonvexe homogene Linse 32 mit der anderen
Seite der inhomogenen Linse 31 verkittet ist. Zwei dieser
Linsenglieder sind symmetrisch angeordnet, so daß die konkaven
Oberflächen der homogenen Linsen 32 einander gegenüberstehen.
Die Kittfläche zwischen der inhomogenen Linse 31 und der
homogenen Linse 30 ist eine gekrümmte Fläche, deren Krümmungsmittelpunkt
zur Mitte hin liegt, und die Kittfläche
zwischen der inhomogenen Linse 31 und der homogenen Linse
32 ist eben.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 9 sind wie folgt.
Dieses System 9 erfüllt die Bedingungen (1′) und (2′). Der
Korrekturzustand dieses Systems ist in Fig. 26 dargestellt.
Das erfindungsgemäße System 10 verwendet eine Art von inhomogener
Linse und drei Arten von homogenen Linsen. Wie
in Fig. 16 gezeigt, ist eine plankonvexe homogene Linse
33 an einer Seite mit einer inhomogenen Linse 34 verkittet,
die zwei ebene Oberflächen besitzt, und das Kittglied enthält
eine homogene Linse 35 und eine weitere homogene Linse
36, die an der Außenseite angekittet sind. Die homogene
Linse 36 besitzt eine konkave, in Luft stehende Oberfläche.
Das erfindungsgemäße optische System ist symmetrisch angeordnet,
wobei die konkaven Oberflächen einander gegenüberstehen.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 10 sind wie folgt.
Dieses erfindungsgemäße System 10 genügt den Bedingungen
(1′) und (2′), und dessen Korrekturzustand ist aus Fig. 27
ersichtlich.
Das erfindungsgemäße System 11 hat den in Fig. 17 gezeigten
Linsenaufbau. Alle Systeme 1 bis 10 sind symmetrisch, während
dieses System asymmetrisch ist, d. h. dieses System enthält
ein Kittglied mit einer homogenen Linse 37 und einer inhomogenen
Linse 38 und eine bikonvexen homogenen Linse 39.
Die in Luft stehende Oberfläche der inhomogenen Linse ist
konkav, während die andere Oberfläche mit einer homogenen
Linse 37 verkittet ist, und dies stellt den Grundaufbau
nach der vorliegenden Erfindung dar.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 11 sind wie folgt.
Bei diesem erfindungsgemäßen System 11 genügt nur das Linsenglied
mit der inhomogenen Linse den Bedingungen (1) und
(2). Der Korrekturzustand ist aus Fig. 28 ersichtlich.
Selbst wenn das Linsensystem asymmetrisch ist, wie bei diesem
erfindungsgemäßen System 11, ist es möglich, die Bildfeldkrümmung
zu beseitigen.
In allen Systemen beträgt die Entfernung von Bild zu Bild
100 mm, die numerische Apertur ist 0,0711, und die Bildhöhe
beträgt 1,6.
Bei diesen Daten bezeichnen jeweils r 1, r 2, ... die
Krümmungsradien der entsprechenden Oberflächen in der Reihenfolge
von der Einfallseite; d 1, d 2, ... die Luftabstände
zwischen den entsprechenden Flächen in der Reihenfolge von der Einfallsseite;
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen (die Brechzahlen
auf der optischen Achse bei inhomogenen Linsen) in
der Reihenfolge von der Einfallseite.
Die optischen Bildübertragungssysteme nach der Erfindung
haben zahlreiche Vorteile. Beispielsweise ist die Bildfeldkrümmung
beseitigt, und die Verschlechterung des Bildes ist
gering, selbst wenn die Zahl der Bildübertragungen hoch
ist. Die Konstruktion ist so einfach, daß es möglich ist,
die Kosten gering zu halten. Darüber hinaus ist die Zahl
der Linsen gering, und die Linsen sind miteinander verkittet,
so daß die Verschlechterung des Bildes, die sich durch Dezentrierung
ergibt, wenn das Linsensystem zusammengesetzt wird,
gering ist, und die Zahl der in Luft stehenden Oberflächen
ist klein, so daß der Verlust an Beleuchtungsintensität
und die hervorgerufene Unschärfe gering sind.
Claims (26)
1. Optisches Bildübertragungssystem mit zwei stabförmigen
Linsengliedern, dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der Linsenglieder eine konkave, in Luft
stehende Kontaktfläche hat und zumindest eines der Linsenglieder
ein Kittglied mit einer inhomogenen Linse ist.
2. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet
durch die Erfüllung der folgenden Bedingungen:
worin
ϕ g die Brechkraft eines inneren Abschnittes der inhomogenen Linse,
ϕ s die Brechkraft von der konkaven Oberfläche,
P g den von dem inneren Abschnitt der inhomogenen Linse hervorgerufenen Feldkrümmungskoeffizienten,
P s den von der konkaven Oberfläche hervorgerufenen Feldkrümmungskoeffizienten bezeichnen.
ϕ g die Brechkraft eines inneren Abschnittes der inhomogenen Linse,
ϕ s die Brechkraft von der konkaven Oberfläche,
P g den von dem inneren Abschnitt der inhomogenen Linse hervorgerufenen Feldkrümmungskoeffizienten,
P s den von der konkaven Oberfläche hervorgerufenen Feldkrümmungskoeffizienten bezeichnen.
3. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder Kittglieder
sind, deren konkave Oberflächen einander gegenüberliegen,
wobei jedes der Linsenglieder zumindest eine inhomogene
Linse enthält.
4. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils plankonkave
homogene Linsen und plankonkave inhomogene Linsen
enthalten und symmetrisch aufgebaut sind.
5. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 4, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen durch
folgende Formel ausgedrückt wird:
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 1
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2 ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2 ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
6. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils bikonvexe,
homogene Linsen und bikonkave inhomogene Linsen enthalten
und symmetrisch angeordnet sind.
7. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 6, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linse der folgenden
Formel folgt:
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 2
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
8. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils meniskusförmige
homogene Linsen und meniskusförmige inhomogene
Linsen enthalten, wobei die inhomogenen Linsen jeweils mit
den meniskusförmigen homogenen Linsen an der Seite der
konkaven Oberflächen verkittet sind und die Anordnung symmetrisch
ist.
9. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 8, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linse der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 3
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
10. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils meniskusförmige
inhomogene Linsen und meniskusförmige homogene
Linsen enthalten, wobei die homogenen Linsen an der Seite ihrer
konvexen Oberflächen verkittet sind und mit bikonkaven inhomogenen
Linsen, die jeweils mit den homogenen Linsen
an der Seite von deren konvexen Oberflächen verkittet sind,
wobei die Anordnung symmetrisch ist.
11. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 10, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen durch
die folgende Formel ausgedrückt wird:
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten + 5%:
Tabelle 4
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
12. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils inhomogene
Linsen mit zwei planparallelen Oberflächen und plankonvexe
Linsen enthalten, wobei die homogenen Linsen mit den
inhomogenen Linsen, die zwei planparallele Oberflächen haben,
verkittet sind, und mit bikonkaven inhomogenen Linsen, die
jeweils mit den homogenen Linsen an deren konvexen Oberflächen
verkittet sind, wobei die Anordnung symmetrisch ist.
13. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 12, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen durch
folgende Formel gegeben ist
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4*v+
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 5
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
14. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils inhomogene
Linsen mit zwei planparallelen Oberflächen und plankonkave
inhomogene Linsen enthalten, wobei die plankonkaven
inhomogenen Linsen jeweils mit den inhomogenen Linsen mit
den beiden planparallelen Oberflächen verkittet sind und
die Anordnung symmetrisch ist.
15. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 14, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 6
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
16. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils bikonkave
inhomogene Linsen und meniskusförmige inhomogene Linsen
enthalten, wobei die meniskusförmigen inhomogenen Linsen
jeweils mit den bikonkaven inhomogenen Linsen verkittet
sind und die Anordnung symmetrisch ist.
17. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 16, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 7
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
18. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils bikonvexe
homogene Linsen und bikonkave inhomogene Linsen enthalten,
welche jeweils mit den homogenen Linsen verkittet sind,
sowie meniskusförmige homogene Linsen, die jeweils mit
den inhomogenen Linsen verschweißt sind, wobei die Anordnung
symmetrisch ist.
19. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 18, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 8
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
20. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils meniskusförmige
homogene Linsen und plankonvexe inhomogene Linsen
enthalten, wobei diese inhomogenen Linsen jeweils mit den
homogenen Linsen an deren konkaven Oberflächen verkittet
sind, sowie plankonkave homogene Linsen, die jeweils mit
den plankonvexen inhomogenen an deren Planseite verkittet
sind, wobei die Anordnung symmetrisch ist.
21. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 20, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen durch
die folgende Formel ausgedrückt wird
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 9
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
22. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils plankonvexe
homogene Linsen und inhomogene Linsen mit zwei planparallelen
Oberflächen enthalten, wobei diese inhomogenen
Linsen jeweils mit den homogenen Linsen an deren Planfläche
verkittet sind, sowie plankonkave homogene Linsen, die mit
den inhomogenen Linsen verkittet sind und meniskusförmige
homogene Linsen, die jeweils mit den plankonkaven homogenen
Linsen an deren konkaven Oberflächen verkittet sind, wobei
die Anordnung symmetrisch ist.
23. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 22, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der folgenden
Formel genügt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 10
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
24. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenkomponenten in der
Reihenfolge von der Einfallseite ein Linsenglied aus einer
meniskusförmigen homogenen Linse und einer konkaven inhomogenen
Linse, das mit der homogenen Linse an deren konkaver
Oberfläche verkittet ist und eine bikonvexe Linse enthalten.
25. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 24, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linse der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1)·r 2 + N(2)·r 4 +
N(3)·r 6 + ...gekennzeichnet durch folgende Daten ± 5%:
Tabelle 11
darin bezeichnen:
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
r 1, r 2, ... die Krümmungsradien der Linsen,
d 1, d 2, ... die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n 1, n 2, ... die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), ... die Koeffizienten der Brechzahlverteilung.
26. Optisches Bildübertragungssystem nach einem der Ansprüche 5,
7, 9, 11, 13, 15, 17, 19, 21, 23 oder 25, dadurch gekennzeichnet,
daß dessen Korrektionszustand mit dem eines optischen
Bildübertragungssystem gemäß einer der Datentabellen
hinsichtlich der Bildfehler dritter Ordnung im wesentlichen
übereinstimmt, wobei für jeden dieser Fehler die folgende
Bedingung erfüllt ist:
wobei
S i Flächenteilkoeffizient der i-ten Linsenfläche nach Seidel für die jeweilige tatsächliche Blendenlage und Brennweite,
S′ i Flächenteilkoeffizient der i-ten Linsenfläche nach Seidel für das vom optischen Bildübertragungssystem der angegebenen Datentabelle abweichende optische Bildübertragungssystem und
Größen mit Querstrich arithmetische Mittelwerte über alle Linsenflächen (i) bedeuten.
S i Flächenteilkoeffizient der i-ten Linsenfläche nach Seidel für die jeweilige tatsächliche Blendenlage und Brennweite,
S′ i Flächenteilkoeffizient der i-ten Linsenfläche nach Seidel für das vom optischen Bildübertragungssystem der angegebenen Datentabelle abweichende optische Bildübertragungssystem und
Größen mit Querstrich arithmetische Mittelwerte über alle Linsenflächen (i) bedeuten.
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JP60162865A JPH0823625B2 (ja) | 1985-07-25 | 1985-07-25 | 不均質レンズを用いた像伝送光学系 |
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DE3625023A1 true DE3625023A1 (de) | 1987-02-05 |
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