DE4023192A1 - Afokales optisches abbildungssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Abbildungseinrichtung mit einer Linse, einem Hohlspiegel oder dgl., im folgenden Linse oder mit einer Gruppe aus wenigstens zwei optisch nacheinander angeordneten Linsen.

Derartige Abbildungseinrichtungen sind bekannt. Sie werden häufig zu Vergrößerungszwecken verwendet. Hierzu dienen bekanntlich Sammellinsen, etwa als Lupen verwendet, Hohlspiegel, Mikroskope oder afokale Systeme, wie Fernroh­ re, insbesondere Zielfernrohre. Bei diesen Systemen, insbesondere bei Mikroskopen oder Fernrohren stärkerer Vergrößerung ist es bekanntlich schwierig, mit dem Gesichtsfeld der Abbildungseinrichtung das gesuchte Objektfeld abzudecken. Das Gesichtsfeld einer Abbildungs­ einrichtung nimmt nämlich bei konstanter Gesichtsfeldblen­ de regelmäßig mit zunehmender Vergrößerung ab. Insbesonde­ re ist es häufig erheblich kleiner als das des bloßen Auges. Häufig kann man deshalb ein Objekt mit bloßem Auge leicht anvisieren hat aber Mühe, es mit einem vergrößern­ den Abbildungssystem erneut aufzufinden.

Die Erfindung befaßt sich mit dem Problem, diese Schwie­ rigkeit zu beheben, zumindest sie zu verringern.

Vorstehendes Problem wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Linse oder die Linsengruppe wenigstens zwei sich im wesentlichen quer zur optischen Achse erstreckende Zonen unterschiedlicher Vergrößerung aufweist (Patentan­ spruch 1).

Der hierdurch erreichte Vorteil besteht im wesentlichen darin, daß das Objekt zunächst vergleichsweise einfach mit der Zone geringerer Vergrößerung erfaßt wird und dann die optische Abbildungseinrichtung, also etwa die Linse oder die Linsengruppe, so zum Objekt positioniert wird, daß die Zone stärkerer Vergrößerung das Objekt genau anpeilt.

Die vorgenannten Vorteile wirken sich besonders günstig bei einer Ausgestaltung der Linsengruppe als afokales System, beispielsweise ein Zielfernrohr, mit Zonen unterschiedlicher Winkelvergrößerungen aus. (Patentan­ spruch 2).

Bevorzugt ist die Zone der stärksten Vergrößerung im Bereich der optischen Achse angeordnet, wobei die Vergrößerung der übrigen Zone(n) zur Peripherie hin abnimmt. In der Regel nimmt die Qualität einer optischen Abbildung vom Linsenrand in Richtung zur optischen Achse zu. Die Zone der stärksten Vergrößerung liegt also in einem optisch besonders günstigen Abbildungsbereich. Eine mögliche Verringerung der Abbildungsgüte der von der optischen Achse weiter ab liegenden weiteren Zone oder Zonen kann hingenommen werden. Dieser Bereich dient ohnehin im wesentlichen nur der raschen Ersterfassung des zu vergrößernden Objektes und dessen einfacher Überführung in den achsnahen Zentralbereich (Patentanspruch 3).

Vorteilhaft ist die Zone stärkster Vergrößerung als zentrisch zur optischen Achse angeordnete Zentralzone konstanter Vergrößerung ausgebildet, während die Vergröße­ rung der übrigen Zonen stufenweise und/oder kontinuierlich zum Rand der Linse oder Linsengruppe hin abnimmt. Hierdurch sind für die optisch wichtige Zentralzone symmetrische Verhältnisse gegeben, wodurch günstige Abbildungsverhältnisse geschaffen werden (Patentanspruch 4).

Die Abbildungssymmetrie wird weiterhin dadurch verbessert, daß alle Zonen axialsymmetrisch zur optischen Achse angeordnet sind (Patentanspruch 5).

Ein Höchstmaß an Symmetrie wird dadurch erreicht, daß die Zentralzone einen Querschnitt in Form einer Kreisfläche hat und von den übrigen Zonen konzentrisch bzw. koaxial umgeben ist (Patentanspruch 6).

Das erstmalige Fixieren des zu vergrößernden Objektes wird in besonderem Maße durch eine im Peripheriebereich der Linse oder Linsengruppe angeordnete vergrößerungsfreie oder nur gering, aber konstant vergrößernde oder verklei­ nernde Zone erleichtert (Patentanspruch 7).

Die beanspruchte optische Abbildungseinrichtung kann mit Vorteil bei Lupen, Mikroskopen oder Fernrohren realisiert werden.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel.

In den Zeichnungen tragen Teile gleicher Wirkung in der Regel das gleiche Bezugszeichen.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel weist eine optische Sammellinse 10 eine konzentrisch um die optische Achse 20 angeordnete kreisförmige Zentralzone 30 konstanter Brennweite, also konstanter Vergrößerung, hier 4 : 1 auf.

Die Zentralzone 30 ist konzentrische von einer ringförmi­ gen Überführungszone 32 umgeben, die sich durch konti­ nuierlichen Abfall der Vergrößerung auszeichnet, also eine von der optischen Achse 20 radial nach außen abfallende Brennweite aufweist.

Die Überführungszone 32 ist wiederum konzentrisch von einer ringförmigen Peripheriezone 34 konstanter Brennweite umgeben. Deren Brennweite ist länger, die Vergrößerung also geringer als in der angrenzenden Übergangszone 32. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel hat die Peripherie­ zone 34 eine Vergrößerung von 1 : 1. Objekt und Bild sind also gleich groß.

Die Vergrößerungsverhältnisse der Linse 10 sind in Fig. 1 durch unterschiedlich große schwarze Flächen veranschau­ licht. Diese Flächen sind innerhalb der Peripheriezone 34 gleich groß; in der Zentralzone 30 ebenfalls, aber viermal größer als in der Peripheriezone 34. In der Übergangszone 32 wachsen die Flächen vom Außenrand zum Zentrum hin kontinuierlich an, was zusätzlich durch die in Fig. 1 eingezeichneten sternartigen Strahlen veran­ schaulicht wird.

Die in Fig. 1 im Bereich der Übergangs- oder Überführungs­ zone 32 gestrichelten Kreislinien illustrieren die Möglichkeit eines stufenweisen Abfalles der Vergrößerung.

Der Aufbau der Linse 10 läßt sich auch wie folgt beschrei­ ben. Eine zur optischen Achse 20 konzentrisch angeordnete Zentrallinse 30 ist von mehreren ringförmigen Linsen 32, 34 konzentrisch umgeben. Dabei vergrößert die äußerste Ringlinse, also die Peripherielinse 34 gar nicht oder nur gering, aber konstant. Die Vergrößerung der mittleren Ringlinse 32 hingegen nimmt kontinuierlich oder stufen­ weise von der Peripherie zum Zentrum zu. - Die Periphe­ rielinse 34 kann grundsätzlich auch eine Verkleinerungs­ linse sein.

Eine derartige Linse bietet nicht nur die Möglichkeit interessanter und anregender optischer Erscheinungen. Sie erleichtert auch in erheblichem Maße die richtige Positionierung der Linse zu Objekten, die stark vergrößert werden sollen. Zunächst kann nämlich das Objekt über die nicht oder nur gering vergrößernde Peripheriezone 34 mühelos erfaßt werden. Die Linse 10 befindet sich dann bereits in einer annähernd richtigen Vergrößerungsposi­ tion zum Objekt. Im Anschluß daran bereitet es keine Mühe mehr, die Linse 10 so zum Objekt zu positionieren, daß der abzubildende Gegenstand voll von der Zentralzone 30 erfaßt wird. Hierbei erlaubt die Überführungszone 32 einen bequemen optischen Übergang von der Peripheriezone 34 in die Zentralzone 30.

Fig. 2 veranschaulicht schematisch ein weiteres Ausfüh­ rungsbeispiel in Form eines afokalen Systemes, hier eines astronomischen Fernrohres.

Ein derartiges Fernrohr weist bekanntlich ein, ggf. aus mehreren Linsen aufgebautes Objektiv 10′ und ein, z. B. ebenfalls aus mehreren Linsen aufgebautes Okular 10′′ auf. Die Vergrößerung eines Fernrohres, genauer dessen Winkelvergrößerung V, wird bekanntlich durch folgende Gleichung beschrieben: V = f′/f′′. Dabei ist f′ die Brennweite des Objektivs 10′ und f′′ die Brennweite des Okulars 10′′.

Beim astronomischen Fernrohr ist der Abstand d zwischen den Hauptebenen H′ und H′′ des Objektivs 10′ und des Okulars 10′′ gleich der Summe der diesen zugeordneten Brennweiten f′, f′′, also d = f′ + f′′.

Die Zentralzonen 30′ und 30′′ des Objektivs 10′ und des Okulars 10′′ sind koaxial zueinander auf der optischen Achse 20 angeordnet. Der gegenseitige Abstand d30 der Hauptebenen H30′ und H30′′ der Zentralzonen 30′, 30′′ ist gleich der Summe der Brennweiten f30′ und f30′′ der objektiv- und okularseitigen Zentralzonen 30′, 30′′. Dabei ist f30′ größer als f30′′. Die objektiv- und okularseitigen Zentralzonen 30′ und 30′′ begrenzen demnach eine zur optischen Achse 20 axialsymmetrische Vergrößerungszone konstanter Vergrößerung, etwa 4 : 1. Diese zentrale Vergrößerungszone 30, 30′′ entspricht der Zentralzone 30 des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 1. Die zentrale Vergrößerungszone 30′, 30′′ hat beim dargestellten Ausfüh­ rungsbeispiel die Form eines Zylinders. Sie kann grund­ sätzlich auch die Form eines zylindrischen Konus haben.

Die zentrale Vergrößerungszone 30′, 30′′ ist konzentrisch von einer ringmantelförmigen Zone 32′, 32′′ umgeben, die an ihren freien Enden von einer objektivseitigen und einer okularseitigen Überführungszone 32′, 32′′ begrenzt wird. Die Ringmantelzone 32′, 32′′ hat, - anders als die Überführungszone 32 der Fig. 1 - konstante Vergrößerung, beispielsweise eine Winkel-Vergrößerung V = 2 : 1. Für den gegenseitigen Abstand d32 der Hauptebenen H32′, H32′′ der objektiv- und okularseitigen Überführungszonen 32′, 32′′ gilt wiederum d32=f32′+f32′′, wobei f32′ die Brennweite der objektivseitigen Übergangszone 32′ und f32′′ die Brennweite der okularseitigen Übergangszone 32′′ ist.

Die Ringmantelzone 32′, 32′′ ist ihrerseits von einer peripheren Ringmantelzone 34′, 34′′ konzentrisch umgeben. Diese Ringmantelzone wird an ihren freien Enden von der ringförmigen Peripheriezone 34′ des Objektivs 10′ und der ringförmigen Peripheriezone 34′′ des Okulars 10′′ begrenzt. Beide Peripheriezonen 34′, 34′′ haben gleiche Brennweite f34′, f34′′. Es gilt also f34′=f34′′. Demnach hat die periphere Ringmantelzone 34′, 34′′ den Vergrößerungsfaktor 1, bildet also das Objekt in natürlicher Größe ab. Für den Abstand d34 zwischen den Hauptebenen H34′ und H34′′ der objektiv- und okularseitigen Peripheriezonen 34′, 34′′ gilt wiederum d34=f34′+f34′′, wobei f34′ die Brennweite der objektivseitigen Peripheriezone 34′ und f34′′ die Brennweite der okularseitigen Peripheriezone 34′′ ist.

Geht man, wie beim Ausführungsbeispiel der Fig. 2 davon aus, daß die objektivseitigen Hauptebenen H30′, H32′und H34′ in der Hauptebene H′ des Objektivs 10′ liegen und entsprechendes für die Okularseite gilt, ergeben sich folgende Relationen:
d = d30 = d32 = d34 und
d = f30′+ f30′′ = f32′ + f32′′ = f34′ + f34′′.

Zusätzlich gilt:
f30′ <f32′ < f34′ für das Objektiv 10′ und
f30′′ <f32′′ <f34′′ für das Okular 10′′.

Die unterschiedlichen Brennweiten können beispielsweise durch unterschiedliche Krümmungsradien der Linsenzonen realisiert werden, alternativ oder zusätzlich auch durch unterschiedliche optische Dichten. Die optische Dichte und/oder die Krümmung nimmt also auf der Objektivseite stufenförmig von der optischen Achse zur Peripherie hin zu. Umgekehrt verhält es sich auf der Okularseite.

Im Prinzip können den beiden freien Enden jeder Ringman­ telzone 32′, 32′′ bzw. 34′, 34′′ jeweils eine Ringslinse und der genannten Ringmantelzone jeweils eine Gesamtheit optischer Achsen 22 bzw. 24 zugeordnet werden. Die Gesamtheit der optischen Achsen 22 bzw. 24 spannt einen Zylindermantel auf. Die in Fig. 2 dargestellte Abbildungs­ einrichtung kann also als ein System aufgefaßt werden, das aus mehreren koaxial zueinander angeordneten Abbil­ dungseinheiten aufgebaut ist. Die Ringlinsen verlaufen im dargestellten Ausführungsbeispiel symmetrisch zu beiden Seiten der optischen Achsen 22, 24. Alternativ können sie auch als "Halblinsen" ausgebildet sein, derart, daß sie nur auf einer Seite der optischen Achsen 22, 24 liegen, - objektivseitig etwa auf der der optischen Zentralachse 20 abgewandten Seite und okularseitig umgekehrt.

Weiterhin können die Brennweiten f32′, f32′′ der objektiv- und okularseitigen Überführungszonen 32′, 32′′ kontinu­ ierlich von den Brennweiten f34′ und f34′′ der Peripherie­ zonen 34′, 34′′ in die Brennweiten f30′ und f30′′ der Zentralzonen 30′, 30′′ übergehen. Findet in der peripheren Ringmantelzone 34′, 34′′ keine Vergrößerung statt, gilt also f34′=f34′′ können diese Brennweiten auch gegen Unendlich gehen. Mit anderen Worten können die peripheren Ringlinsen durch planparallele Gläser ersetzt werden.

Claims (7)

1. Optische Abbildungseinrichtung mit wenigstens einer Linse, einem Hohlspiegel oder dergleichen, im folgenden Linse (10), oder einer Gruppe aus wenigstens zwei optisch nacheinander angeordneten Linsen (10′, 10′′) dadurch gekennzeichnet, daß die Linse (10) oder die Linsengruppe wenigstens zwei sich im wesentlichen quer zur optischen Achse (20) erstreckende Zonen (30, 32, 34; 30′, 30′′, 32′, 32′′, 34′, 34′′) unterschiedlicher Vergrößerung (V) aufweist.

2. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Linsengruppe als afokales System mit Zonen (30′, 30′′, 32′, 32′′, 34′, 34′′) unterschiedlicher Winkel-Vergrößerung (V) ausgebil­ det ist.

3. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet daß die Vergrößerung (V) der Zonen (30, 32, 34; 30′, 30′′, 32′, 32′′, 34′′, 34′′) von der optischen Achse (20) zur Peripherie hin abnimmt.

4. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 3, gekennzeich­ net, durch eine zentrisch zur optischen Achse (20) angeordnete Zentralzone (30; 30′, 30′′) konstanter Vergrößerung und sich daran anschließende Zonen (32, 34; 32′, 32′′, 34′, 34′′) mit untereinander stufenweiser oder kontinuierlicher Abnahme der Vergrößerung (V).

5. Abbildungseinrichtung nach Anspruch 4, gekennzeich­ net, durch eine zur optischen Achse (20) axialsymme­ trische Anordnung der Zonen (30, 32, 34; 30′, 30′′, 32′, 32′′, 34′, 34′′) unterschiedlicher Vergrößerung (V).

6. Abbildungseinrichtung nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Zentralzone (30; 30′, 30′′) einen Querschnitt in Form einer Kreisflä­ che hat und von den übrigen Zonen (32, 34; 32′, 32′′, 34′, 34′′) konzentrisch bzw. koaxial umgeben ist.

7. Abbildungseinrichtung nach einem der vorstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine im Peripherie­ bereich angeordnete vergrößerungsfreie oder nur gering, aber konstant vergrößernde oder verkleinern­ de Zone (34; 34′, 34′′).