DE3625023C2 - - Google Patents
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- G02B23/24—Instruments or systems for viewing the inside of hollow bodies, e.g. fibrescopes
- G02B23/2407—Optical details
- G02B23/2446—Optical details of the image relay
Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Bildübertragungssystem,
bestehend aus zwei stabförmigen Linsengliedern,
wobei zumindest eines der Linsenglieder eine konkave, an
Luft stehende Linsenfläche hat.
Derartige Bildübertragungssysteme werden beispielsweise in
Endoskopen verwendet. Dabei sind üblicherweise mehrere
derartiger Bildübertragungssysteme im Endoskopstrahlengang
zwischen einem Objektiv und einem Okular angeordnet.
Konventionelle optische Bildübertragungssysteme bestehen
üblicherweise nur aus homogenen Linsen. Bei solchen
Bildübertragungssystemen mit homogenen Linsen, die einen
vergleichsweise einfachen optischen Aufbau aufweisen,
zeigte sich jedoch, daß die Bildfeldkrümmung nicht
befriedigend beseitigt war. Andere, hinsichtlich der
Bildfeldkrümmung gut korrigierte Systeme mit homogenen
Linsen, weisen jedoch einen komplexen Linsenaufbau mit
einer großen Anzahl von Linsen auf, wobei zahlreiche
Linsenflächen an Luft stehen.
Aus der US-PS 43 54 730 ist ein optisches Relais-Linsensystem
aus optischen Bildübertragungssystemen der eingangs
genannten Art bekannt. Die optischen Bildübertragungssysteme
weisen wenigstens zwei dicke optische Elemente auf,
von denen eines konvergierend und das andere divergierend
auf die zu übertragenden Strahlen wirkt. Ein Ausführungsbeispiel
der US-PS 43 54 730 weist ein optisches Bildübertragungssystem
auf, welches aus zwei stabförmigen Linsengliedern
aufgebaut ist, wobei eines der Linsenglieder eine
konkave, an Luft stehende Linsenfläche hat. Der Brechungsindex,
die Dicke und die Krümmungsradien der Linsenglieder
sind so gewählt, daß die Endflächen des optischen Bildübertragungssystems
konjugiert sind. Durch diese Maßnahmen
soll das Auftreten von Aberrationen und die Deformation
des zu übertragenden Bildes vermieden werden. Nähere
Angaben dazu, inwieweit die Bildfeldkrümmung bei dem
bekannten optischen Bildübertragungssystem unterdrückt
wird, sind der US-PS 43 54 730 nicht zu entnehmen.
Der vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem
zugrunde, Konstruktionsbedingungen zur Verringerung der
Bildfeldkrümmung bei einfachem optischem Aufbau für ein
gattungsgemäßes optisches Bildübertragungssystem
anzugeben.
Zur Lösung dieses Problems wird erfindungsgemäß
vorgeschlagen, daß zumindest eines der beiden
Linsenglieder ein Kittglied ist, daß das Kittglied eine inhomogene,
die konkave Linsenfläche aufweisende Linse
umfaßt und daß folgende Bedingungen erfüllt sind:
worin
ϕs die Brechkraft der konkaven Linsenfläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht,
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse,
c die Krümmung der konkaven Linse bezeichnet,
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse angegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:
ϕs die Brechkraft der konkaven Linsenfläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht,
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse,
c die Krümmung der konkaven Linse bezeichnet,
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse angegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:
n(r)=N(0)+N(1) * r²+N(2) * r⁴+N(3) * r⁶
bezeichnet.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein optisches
Bildübertragungssystem der eingangs genannten Art, welches
zur Lösung des vorstehend angegebenen, technischen
Problems dadurch gekennzeichnet ist, daß zumindest eines
der beiden Linsenglieder ein Kittglied ist, daß das
Kittglied eine inhomogene Linse sowie eine homogene, die
konkave Linsenfläche aufweisende Linse umfaßt und daß
folgende Bedingungen erfüllt sind:
R = | ϕs/ϕg | <0,2 (1)
Rp = | ps/pg | <0,2 (2)
worin
ϕs die Brechkraft und ps den Feldkrümmungskoeffizienten der konkaven Fläche der homogenen Linse bezeichnen,
ϕg die Brechkraft und pg den Feldkrümmungskoeffizienten einer planparallelen Platte bezeichnen, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
ϕs die Brechkraft und ps den Feldkrümmungskoeffizienten der konkaven Fläche der homogenen Linse bezeichnen,
ϕg die Brechkraft und pg den Feldkrümmungskoeffizienten einer planparallelen Platte bezeichnen, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
Die Erfindung und die mit ihr erzielten Vorteile werden
nun anhand der Zeichnungen näher erläutert.
In den Zeichnungen zeigt
Fig. 1 ein Schnittbild eines ersten optischen Bildübertragungssystems
nach der Erfindung,
Fig. 2 ein Diagramm, das die Brechzahlverteilung einer inhomogenen
Linse veranschaulicht,
Fig. 3-12 Schnittbilder erfindungsgemäßer optischer
Bildübertragungssysteme 2 bis 11 und
Fig. 13-23 Korrekturkurven der erfindungsgemäßen
optischen Bildübertragungssysteme 1-11.
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 die Bildfeldkrümmung zu korrigieren (dabei
bezeichnet Feldkrümmungskoeffizient den Aberrationskoeffizienten
dritter Ordnung für Bildfeldkrümmung auf einer Linsenfläche
bzw. den Teilkoeffizienten der spezifischen Bildfeldkrümmung der 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 zu gestalten.
Ein erfindungsgemäßes optisches Bildübertragungssystem hat
den beispielsweise in Fig. 1 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 I bei I′
ab, und so wird das Bild ggf. noch über entsprechende weitere Linsenpaare 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 erfindungsgemäß möglich, den Effekt der Korrektur der Feldkrümmung
besonders wirksam werden zu lassen, indem sowohl das Verhältnis
Rϕ von ϕg zu ϕs als auch Rp
den folgenden Bedingungen genügen:
worin
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse,
ϕs die Brechkraft der konkaven Fläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht.
c die Krümmung der an Luft stehenden konkaven Linsenfläche der inhomogenen Linse bezeichnet.
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse gegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse,
ϕs die Brechkraft der konkaven Fläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht.
c die Krümmung der an Luft stehenden konkaven Linsenfläche der inhomogenen Linse bezeichnet.
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse gegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:
n(r)=N(0)+N(1) * r²+N(2) * r⁴+N(3) * r⁶
bezeichnet.
Wenn die unteren Grenzwerte dieser Bedingungen (1) und (2) nicht erfüllt sind,
wird die Verminderung der Feldkrümmung nicht wesentlich,
was unerwünscht ist.
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
am Rand des Bildfelds abnehmen, oder,
wie es manchmal der Fall sein kann, wird die Beleuchtung
überhaupt nicht übertragen.
Erfindungsgemäß wird der parallel zur optischen Achse
in die homogene Linse 11 einfallende Strahl von dem außeraxialen
Gegenstandspunkt durch die konvexe Fläche der homogenen
Linse 11 gekrümmt, kreuzt die optische Achse beim
Mittelpunkt der einander gegenüberstehenden inhomogenen Linsen 12
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, n²fache 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 an
Luft stehenden Oberflächen vermindert ist. Dadurch wird die Bildverschlechterung
gering gehalten, 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, die Randabschnitte
der konkaven Oberflächen der einander gegenüberstehenden inhomogenen Linsen 12
miteinander zu verkitten und somit 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. 1 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 12a 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. 2 gezeigt.
Die Brechzahl im Mittelpunkt der inhomogenen Linse ist größer
als die der homogenen Linse.
Die Daten dieses ersten optischen Bildübertragungssystems
sind wie folgt:
Dieses 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 an Luft stehende Oberflächen für eine
Bildübertragung vorgesehen.
Der Korrekturzustand dieses Systems 1 nach der vorliegenden
Erfindung ist in Fig. 13 gezeigt, woraus sich ergibt, daß
die Aberrationen vielfach kleiner sind als die eines üblichen
Systems, das nur homogene Linsen verwendet.
Beim System 2 nach der Erfindung, wie es schematisch in
Fig. 3 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. 14.
Wie daraus folgt, ist die 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 an Luft stehende Oberfläche einer inhomogenen Linse
beseitigt wird.
Der Aufbau des erfindungsgemäßen Systems 3 ist in Fig. 4
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. 15 veranschaulicht.
Beim erfindungsgemäßen System 4 liegt der in Fig. 5 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 an Luft stehende Fläche weiter mit einer inhomogenen
Linse 19 verkittet ist, die die Funktion als Feldlinse
erfüllt. Infolge dieser Drei-Linsen-Komposition wird
die Konstruktion etwas kompliziert, aber es sind für eine
Bildübertragung nur vier an Luft stehende Oberflächen vorgesehen.
Die Daten dieses Systems 4 sind wie folgt:
Bei diesem System 4 wird auch für den Feldlinsenteil eine
inhomogene Linse verwendet und die an 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. 16 gezeigt.
Das erfindungsgemäße System 5 hat den in Fig. 6 gezeigten
Linsenaufbau, der eine Vereinfachung des Linsensystems gemäß
der vierten Ausführungsform nach der Erfindung darstellt.
Bei diesem System 5 wird eine inhomogene Linse 21 mit konkaver
an Luft stehender Fläche, eine plankonvexe homogene
Linse 20 und eine inhomogene Linse 22 mit zwei ebenen Oberflächen
verkittet. Das Bild wird an der äußeren Oberfläche
22a 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 an Luft stehende Flächen wie bei den anderen
Systemen vorgesehen. Wenn jedoch zwei und mehr Bildübertragungen
erfolgen sollen, ist es möglich, die Zahl der an
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 an Luft stehenden Oberflächen beträchtlich
zu verringern. Infolgedessen wird es möglich, ein optisches
System zu erhalten, bei dem der Verlust an Beleuchtungen, der
durch die an Luft stehenden Oberflächen verursacht wird,
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. 17 ersichtlich.
Das erfindungsgemäße System 6 enthält nur inhomogene Linsen,
d. h. es sind wie in Fig. 7 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 beim 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. 18 dargestellt.
Bei dem diesem System zugrunde liegenden 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 nicht ausreichend 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, an Luft stehender
Oberfläche und eine bikonkave inhomogene Linse 26 sind miteinander
verkittet, wie in Fig. 8 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. 19 dargestellt.
Bei dem erfindungsgemäßen System 8 ist, wie in Fig. 9 gezeigt,
eine inhomogene Linse 28 mit einer homogenen Linse
27 verkittet, und eine weitere homogene Linse 29 mit einer
konkaven, an Luft stehender 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 Selbstmultiplikationsverteilung.
Die Daten dieses erfindungsgemäßen Systems 8 sind wie folgt:
Bei diesem erfindungsgemäßen System 8 hat die inhomogene
Linse 28 keine an Luft stehende Oberfläche, so daß die an
Luft stehende Oberfläche der homogenen Linse 29 konkav ausgebildet
ist. Ähnlich wie bei den Systemen 1 bis 7 hat die
inhomogene Linse 28 eine bildformende Funktion, und die
an 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:
Rϕ = | ϕs/ϕg | <0,2 (1′)
Rp = | ps/pg | <0,2 (2′)
Rp = | ps/pg | <0,2 (2′)
Diese Bedingungen (1′) und (2′) sind im wesentlichen gleich
den Bedingungen (1) und (2). Bei diesen Bedingungen (1′)
und (2′) stellen ϕg die Brechkraft und pg den Feldkrümmungskoeffizienten
einer planparallelen Platte dar, die die gleiche Mittendicke und die gleiche
Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
ϕs und Ps stellen die Brechkraft
bzw. den Feldkrümmungskoeffizienten der an Luft stehenden
konkaven Fläche der homogenen Linse 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 Rϕ=0,336<0,2 und Rp=0,969<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. 20 dargestellt.
Das erfindungsgemäße System 9 hat den in Fig. 10 gezeigten
Aufbau, wobei eine homogene meniskusförmige Linse 30 an
einer Seite an eine plankonvexe inhomogene Linse 31 gekittet
ist und eine plankonkave 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. 21 dargestellt.
Das erfindungsgemäße System 10 verwendet eine Art von inhomogener
Linse und drei Arten von homogenen Linsen. Wie
in Fig. 11 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, an 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. 22
ersichtlicht.
Das erfindungsgemäße System 11 hat den in Fig. 12 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 an 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. 23 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 diesenDaten bezeichnen jeweils r₁, r₂, . . . die Krümmungsradien
der entsprechenden Oberflächen in der Reihenfolge
von der Einfallseite; d₁, d₂, . . . die Luftabstände zwischen
den entsprechenden Flächen in der Reihenfolge von der Einfallsseite;
n₁, n₂, . . . 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 an Luft stehenden Oberflächen
ist klein, so daß der Verlust an Beleuchtungsintensität
und die hervorgerufene Unschärfe gering sind.
Claims (37)
1. Optisches Bildübertragungssystem bestehend aus zwei stabförmigen
Linsengliedern, wobei zumindest eines der Linsenglieder
eine konkave, an Luft stehende Linsenfläche hat.
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der beiden Linsenglieder ein Kittglied ist,
daß das Kittglied eine inhomogene die konkave Linsenfläche aufweisende Linse umfaßt und
daß folgende Bedingungen erfüllt sind: worin
ϕs die Brechkraft der konkaven Linsenfläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht.
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
c die Krümmung der konkaven Linsenfläche bezeichnet,
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse angegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:n(r) = N(0) + N(1) * r² + N(2) * r⁴ + N(3) * r⁶bezeichnet.
daß zumindest eines der beiden Linsenglieder ein Kittglied ist,
daß das Kittglied eine inhomogene die konkave Linsenfläche aufweisende Linse umfaßt und
daß folgende Bedingungen erfüllt sind: worin
ϕs die Brechkraft der konkaven Linsenfläche einer homogenen Linse bezeichnet, die die gleiche Form aufweist wie die inhomogene Linse und deren Brechungsindex der Brechzahl N(0) des auf der optischen Achse liegenden Bereichs der inhomogenen Linse entspricht.
ϕg die Brechkraft einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
c die Krümmung der konkaven Linsenfläche bezeichnet,
t die Dicke der inhomogenen Linse auf der optischen Achse bezeichnet und
N(1) den Koeffizienten von r² in der in Abhängigkeit vom radialen Abstand r von der optischen Achse angegebenen Brechzahlverteilung n(r) der inhomogenen Linse gemäß:n(r) = N(0) + N(1) * r² + N(2) * r⁴ + N(3) * r⁶bezeichnet.
2. 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 umfaßt.
3. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils plankonvexe
homogene Linsen und plankonkave inhomogene Linsen
enthalten und symmetrisch aufgebaut sind.
4. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 3,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 1).
5. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils bikonvexe,
homogene Linsen und bikonkave inhomogene Linsen enthalten
und symmetrisch angeordnet sind.
6. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 5,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 3).
7. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, 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 der homogenen Linsen verkittet sind und die Anordnung
symmetrisch ist.
8. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 7,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 4).
9. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils meniskusförmige
inhomogene Linsen und meniskusförmige homogene
Linsen enthalten, wobei die inhomogenen Linsen jeweils mit
den meniskusförmigen homogenen Linsen an der Seite von deren
konvexen Oberflächen verkittet sind, und bikonkave
inhomogene Linsen, die jeweils mit den homogenen Linsen
an der Seite von deren konvexen Oberflächen verkittet sind,
wobei die Anordnung symmetrisch ist.
10. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 9,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂ . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 5).
11. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils inhomo
gene Linsen mit zwei planparallelen Oberflächen und homogene plankon
vexe Linsen enthalten, wobei die homogenen Linsen mit den
inhomogenen Linsen, die zwei planparallele Oberflächen haben,
verkittet sind, und bikonkave inhomogene Linsen, die
jeweils mit den homogenen Linsen an deren konvexen Oberflächen
verkittet sind, wobei die Anordnung symmetrisch ist.
12. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 11,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen deer Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 3)
13. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder jeweils inhomogene
Linsen mit zwei planparallelen Oberflächen und homogene 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.
14. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 13,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 7).
15. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 2, 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.
16. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 15,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 8).
17. Optisches Bildübertragungssystem bestehend aus zwei stabförmigen
Linsengliedern, wobei zumindest eines der Linsenglieder
eine konkave, an Luft stehende Linsenfläche hat,
dadurch gekennzeichnet,
daß zumindest eines der beiden Linsenglieder ein Kittglied ist,
daß das Kittglied eine inhomogene Linse sowie eine homogene, die konkave Linsenfläche aufweisende Linse umfaßt und
daß folgende Bedingungen erfüllt sind: Rϕ = |ϕs/ϕg| < 0,2 (1′)worin
ϕs die Brechkraft und ps den Feldkrümmungskoeffizienten der homogenen Linse bezeichnet,
ϕg die Brechkraft und pg den Feldkrümmungskoeffizienten einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
daß zumindest eines der beiden Linsenglieder ein Kittglied ist,
daß das Kittglied eine inhomogene Linse sowie eine homogene, die konkave Linsenfläche aufweisende Linse umfaßt und
daß folgende Bedingungen erfüllt sind: Rϕ = |ϕs/ϕg| < 0,2 (1′)worin
ϕs die Brechkraft und ps den Feldkrümmungskoeffizienten der homogenen Linse bezeichnet,
ϕg die Brechkraft und pg den Feldkrümmungskoeffizienten einer planparallelen Platte bezeichnet, die die gleiche Mittendicke und die gleiche Brechzahlverteilung hat wie die inhomogene Linse.
18. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 17, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenglieder Kittglieder
sind, deren konkave Oberflächen einander gegenüberliegen,
wobei jedes der Linsenglieder zumindest eine inhomogene
Linse umfaßt.
19. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 18, 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, verkittet sind, wobei die Anordnung
symmetrisch ist.
20. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 19, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der folgenden
Formel folgt
n(r) = N(0) + N(1) * r² + N(2) * r⁴ + N(3) * r⁶gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 9).
21. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 18, 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 Linsen an deren Planseite verkittet
sind, wobei die Anordnung symmetrisch ist.
22. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 21, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen durch
die folgende Formel ausgedrückt wird
n(r) = N(0) + N(1) * r² + N(2) * r⁴ + N(3) * r⁶gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 10).
23. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 18, 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.
24. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 23, bei
dem die Brechzahlverteilung der inhomogenen Linsen der
folgenden Formel genügt
n(r) = N(0) + N(1) * r² + N(2) * r⁴ + N(3) * r⁶ . . .gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 11).
25. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß die beiden Linsenkomponenten in der
Reihenfolge von der Einfallsseite ein Linsenglied aus einer
meniskusförmigen homogenen Linse und einer konvex-konkaven inhomogenen
Linse, die mit der homogenen Linse an deren konkaver
Oberfläche verkittet ist und eine bikonvexe Linse enthalten.
26. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 25,
gekennzeichnet durch folgende Daten:
darin bezeichnen:
r₁, r₂, . . .
die Krümmungsradien der Linsen,
d₁, d₂, . . . die Dicken der Linsen bzw. Luftabstände zwischen diesen,
n₁, n₂, . . . die Brechzahlen der Linsen,
N(1), N(2), . . . die Koeffizienten der Brechzahlverteilung (Fig. 12).
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