DE4429194A1 - Beidseitig telezentrisches optisches Umbildesystem - Google Patents
Beidseitig telezentrisches optisches UmbildesystemInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein beidseitig telezentrisches optisches Umbilde
system gemäß der Gattung der Patentansprüche, das insbesondere für die
Erzeugung optischer Zwischenabbildungen bestimmt ist.
Optische Umbildesysteme werden in verschiedenen Geräten, bspw. in
Endoskopen, Periskopen und Sehrohren verwendet, um vergleichsweise
zum Durchmesser eine große Übertragungslänge zu erreichen. Damit der
artige Umbildesysteme aneinandergereiht werden können, ist beiderseits
eines zentralen sammelnden Objektivteils eine telezentrische Pupillenlage
erforderlich. Solche Umbildesysteme für den Abbildungsmaßstab 1 : 1,
optisch im Idealfall sogenannte Knotenpunktsysteme, werden auch als
Relaislinsensysteme bezeichnet. Sie sollen eine möglichst aberrationsfreie
Abbildung der Zwischenbilder erzeugen.
Bekannte Relaislinsensysteme haben einen symmetrischen oder nahezu
symmetrischen Aufbau. Sie enthalten im allgemeinen ein zentrales opti
sches System, im einfachsten Fall einen Achromaten, wie bspw. in der
US-PS 4.025.155, oder für höhere Qualitätsansprüche ein Doppel-Gauß-
Objektiv, wie in der DD-PS 2 84 142, Tabelle 3, angegeben, und in der
Nähe von Objektiv und Bild den Hauptstrahlengang konvergierende und
beiderseits identische Feldlinsen zur Erzeugung der Telezentrie. Die
Feldlinsen haben Brennweiten in der Größenordnung der halben Übertra
gungslänge und sind deswegen schwach in ihrer Wirkung.
Die bisher bekannten Relaislinsensysteme sind infolge ihres symme
trischen oder nahezu symmetrischen Aufbaus auch verzeichnungsfrei.
Wegen der Telezentrie und der damit verbundenen extrem geringen
Hauptstrahlneigungen lassen sich mit bekannten Mitteln, bspw. Durchbie
gungen der Feldlinsen, auch keine nennenswerten Einwirkungen auf die
Verzeichnung erreichen.
Eine Verzeichnungswirkung ist jedoch in vielen Fällen erwünscht, um die
Verzeichnung bei den oben genannten optischen Geräten, welche Relaislinsensysteme
beinhalten, zu verbessern. Das gilt besonders für Endo
skope.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Relaislinsensytem zu
schaffen, welches eine Verzeichnung aufweist.
Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden
Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch eine extrem stark wirken
de Kittfläche wird bei einem telezentrischen Objektiv die verlangte Wir
kung auf die Verzeichnung durch die Erzeugung großer Brechungswinkel
an den Grenzflächen erzielt. Bei einer zerstreuenden Kittfläche entsteht in
der bildseitigen Feldlinse eine positive (kissenförmige) Verzeichnung und
bei einer sammelnden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse eine negative
(tonnenförmige) Verzeichnung. Der entgegengesetzte Verzeichnungseffekt
wird durch eine solche Kittfläche in der objektseitigen Feldlinse erzielt.
Ein deutlicher Verzeichnungseffekt entsteht allerdings erst durch eine
starke Wirkung solcher Kittflächen mittels eines großen Brechsprunges an
diesen in der Größenordnung von wenigstens 0,15, wenn also zwischen
den Brechzahlen der Medien der zweiteiligen Feldlinsen eine Differenz
von wenigstens 0,15 besteht.
Die Kittflächen der Feldlinsen lassen zwar in geringerem Maße auch
andere Bildfehler auftreten, jedoch können diese durch geeignete Maß
nahmen zumindest teilweise kompensiert werden. Beispielsweise entste
hen bei einer zerstreuenden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse posi
tive Koma (Außenkoma) und eine positive Bildfeldwölbung und bei einer
sammelnden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse negative Koma
(Innenkoma) und negative Bildfeldwölbung. Bei analogen Kittflächen in
der objektseitigen Feldlinse ist der Effekt hinsichtlich der symmetrischen
Bildfehler (Bildfeldwölbung) der gleiche, während er sich für die unsym
metrischen Bildfehler (Koma und Verzeichnung) umkehrt und damit auf
hebt. Die Anteile der mitentstehenden Bildfehler (Koma und Bildfeldwöl
bung) hängen von der Anordnung der Kittflächen in den Feldlinsen ab.
Diese sind z. B. geringer, wenn die Kittflächen zum zentralen Teil erhaben
sind.
Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß, um z. B. eine positive Ver
zeichnung zu erzielen, in die bildseitige Feldlinse eine stark zerstreuende
und in die objektseitige Feldlinse ein stark sammelnde Kittfläche einge
fügt wird. Dadurch wird zunächst der Einfluß auf die Bildfeldwölbung
automatisch kompensiert, während sich die Wirkung auf die Verzeich
nung addiert. Die erhaltene Verzeichnung ist näherungsweise eine
quadratische Funktion des Bildfelddurchmessers. Die weiterhin ent
stehende Koma wird durch Einführung von Isoplanasiefehler im zentralen
sammelnden Objektivteil mittels Änderungen in den Konstruktions
parametern beseitigt. Dies ist z. B. möglich durch eine Durchbiegung bei
einem einfachen Achromaten oder mit relativ wenig Aufwand durch einen
hinsichtlich der Lufträume unsymmetrischen Aufbau eines zentral ange
ordneten Gaußobjektivs, wobei die einzelnen Linsen und Linsenglieder
ihre Symmetrie behalten können.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von vier Ausführungsbeispielen
näher erläutert. Dabei gehören jeweils eine gleichbezifferte Figur und
Tabelle zusammen. Es zeigen:
Fig. 1 und Tabelle 1 ein Relaislinsensystem, bei dem der zentrale Objek
tivteil aus einem einfachen Achromaten besteht und bei dem die
Kittflächen der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil hohl sind,
Fig. 2 und Tabelle 2 ein Relaislinsensystem der selben Art wie zu Fig. 1,
bei dem die Kittflächen der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil
erhaben sind,
Fig. 3 und Tabelle 3 ein Relaislinsensystem, bei dem der zentrale Objek
tivteil aus einem Doppel-Gauß-Objetiv besteht und die Kittflächen
der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil hohl sind, und
Fig. 4 und Tabelle 4 ein Relaislinsensystem mit grundsätzlichen Aufbau
gemäß der Fig. 3, bei dem die objektseitige Feldlinse eine hohle
und die bildseitige Feldlinse eine erhabene Kittfläche zum zentralen
Objektivteil enthält.
In Fig. 1 und Tabelle 1 befinden sich entlang einer optischen Achse O₁-O₁
ein Objekt 1, eine erste Feldlinse 2, ein zentraler sammelnder Objektivteil
3, eine zweite Feldlinse 4 und ein Bild 5, das vom Objekt 1 mit Hilfe
eines telezentrischen Umbildesystems 2, 3, 4 erzeugt wird. Die erste
Feldlinse 2 besteht aus einer niedrigbrechenden Konkavlinse 21 und einer
hochbrechenden Konvexlinse 22 mit den Radien r₁₁, r₁₂, r₁₃ und Dicken
d₁₁, d₁₂ zu beiden Seiten der Kittfläche 23. Der zentrale Objektivteil 3 hat
den Aufbau eines normalen Achromaten; er befindet sich von der Feld
linse 2 in einem Abstand 1₁₁ und weist eine niedrigbrechende Bikon
vexlinse 31 sowie eine höher brechende Konvexkonkavlinse 32 zu beiden
Seiten einer Kittfläche 33 auf. Die zugehörigen Radien bzw. Dicken sind
r₁₄, r₁₅, r₁₆ bzw. d₁₃, d₁₄. Im Abstand l₁₂ vom Objektivteil 3 befindet sich
die zweite Feldlinse 4, die aus einer niedrigbrechenden Bikonvexlinse 41
und einer hochbrechenden Konkavlinse 42 besteht, welche eine Kittfläche
43 gemeinsam sowie Radien r₁₇, r₁₈, r₁₉ und Dicken d₁₅, d₁₆ aufweisen.
Sowohl die stark sammelnde Kittfläche 23 als auch die stark zerstreuende
Kittfläche 43 ist zum zentralen Objektivteil 3 hohl. Dieser Objektivteil 3
weist eine stärkere Durchbiegung als ein üblicher Achromat für eine
1 : 1-Abbildung und somit einen starken Isoplanasiefehler zur Beseitigung
der Koma für das Gesamtsystem 2, 3, 4 auf. Ein aplanatischer, das heißt
komafreier Achromat für eine 1 : 1-Abbildung hätte bei gleichen Brech
zahlen der verwendeten Gläser die analogen Radien r₁₄ = +39,2, r₁₅ = -7,2
und r₁₆ = - 20,7.
Das Umbildesystem gemäß Fig. 1 hat eine Apertur von etwa 0,07, eine
paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,986, eine Objektentfernung von
s = -7,84, eine bildseitige Schnittweite von s′ = +8,00, bei einer normier
ten Übertragungslänge von Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bild
felddurchmesser von 4,0 eine Verzeichnung von ca. 1,8%.
Das telezentrische Umbildungssystem gemäß Fig. 2 und Tabelle 2 ist
ähnlich aufgebaut wie das der Fig. 1. Entlang einer optischen Achse
O₂-O₂ sind ein Objekt 1, eine erste zweilinsige Feldlinse 2, ein zweilinsi
ger zentraler Objektivteil 3 in Form eines Achromaten, eine zweite zwei
linsige Feldlinse 4 sowie ein Bild 5 angeordnet bzw. zu erkennen. Die
Bezeichnungen für die optischen Elemente, Linsenradien ri, Linsendicken
di, Luftabstände li, sind die gleichen, wie zu Fig. 1 beschrieben. Im
Unterschied zu Fig. 1 sind die Kittflächen 23 und 43 der Feldlinsen 2
und 4 zum zentralen Objektivteil 3 erhaben, die Linsen 21 und 42 konvex,
die Linsen 22 und 41 konkav. Insbesondere ist die Kittfläche 43 der bild
seitigen Feldlinse 4 stärker gekrümmt als in Fig. 1. Auch in diesem Fall
weist der zentral angeordnete Achromat 3 eine stärkere Durchbiegung als
ein bekannter Achromat für eine 1 : 1-Abbildung und somit einen
Isoplanasiefehler zur Beseitigung der Koma für das gesamte Umbilde
system auf, welche hier allerdings geringer ist als in Fig. 1. Das telezen
trische optische Umbildesystem gemäß Fig. 2 hat eine Apertur von ca.
0,07, einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,982, eine Objektentfer
nung von s = -7,63, eine bildseitige Schnittweite von s′ = +7,31, bei
einer normierten Übertragungslänge Objekt zu Bild von 100 und bei
einem Bildfelddurchmesser von 4,0 eine Verzeichnung von ca. 2,4%.
In Fig. 3 und Tabelle 3 ist ein beidseitig telezentrisches optisches
Umbildesystem (Relaislinsensystem) dargestellt, das entlang einer opti
schen Achse O₃-O₃ ein Objekt 1, eine objektseitige Feldlinse 2, einen
zentralen Objektteil 3 in Form eines Doppel-Gauß-Objektivs, eine bild
seitige Feldlinse 4 und ein Bild 5 aufweist. Die objektseitige Feldlinse 2
besteht aus zwei durch die Fläche 23 verbundenen Linsen, einer Konkav
linse 21 mit niedriger und einer Konvexlinse 22 mit hoher Brechzahl, zu
denen die Radien r₃₁, r₃₂, r₃₃ und Dicken d₃₁, d₃₂ gehören. In einem Luft
abstand 1₃₁ von der Feldlinse 2 befindet sich das Doppel-Gauß-Objektiv 3,
das zu einem Zentrum Z symmetrisch aufgebaut ist und auf jeder Seite
des Zentrums Z eine Sammellinse 31 bzw. 32 und eine Zerstreuungslinse
33 bzw. 34 aufweist, die ihrerseits wieder aus einer konvexen Linse 33′
bzw. 34′ mit einer konkaven Linse 33′′ bzw. 34′′ bestehen. Die zugehöri
gen Radien, Dicken und Abstände sind r₃₄ bis r313 bzw. d₃₃ bis d₃₈ bzw.
l₃₂ bis l₃₄. In einem Luftabstand 1₃₅ vom Doppel-Gauß-Objektiv 3 ist die
bildseitige Feldlinse 4 angeordnet, die aus einer Konvexlinse 41 mit
niedriger Brechzahl und einer Konkavlinse 42 mit hoher Brechzahl be
steht, die beide durch eine Fläche 43 verbunden sind. Die Radien und
Dicken der bildseitigen Feldlinse 4 sind r₃₁₄, r₃₁₅, r316 und d₃₉ bis d₃₁₀. Die
Kittfläche 23 der objektseitigen Feldlinse 2 ist dadurch stark sammelnd
und die Kittfläche 43 der bildseitigen Feldlinse 4 ist stark zerstreuend.
Beide Flächen 23 und 43 sind zum Doppel-Gauß-Objektiv hohl.
Das Doppel-Gauß-Objektiv 3 hat hinsichtlich seiner Linsenformen seine
Symmetrie behalten. Die Wirkung auf den Isoplanasiefehler zur Beseiti
gung der Koma für das Gesamtsystem wird durch die unsymmetrischen
Luftabstände 1₃₂ und 1₃₄ erzielt. Dieses Umbildesystem gemäß Fig. 3 hat
eine Apertur von ca. 0,09, einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,97,
eine Objektentfernung von s = -4,26, eine bildseitige Schnittweite von
s′ = +4,62, bei einer normierten Übertragungslänge Objekt zu Bild von
100 und bei einem Bildfelddurchmesser von 5,0 eine Verzeichnung von
ca. 3,2%.
Das Relaissystem gemäß Fig. 4 und Tabelle 4 ist ähnlich dem in Fig. 3
beschriebenen aufgebaut. Auf einer optischen Achse O₄-O₄ sind ein
Objekt 1, eine Feldlinse 2 mit einer Kittfläche 23, ein Doppel-Gauß-
Objektiv 3 symmetrisch zu einem Zentrum Z, eine bildseitige Feldlinse 4
mit einer Kittfläche 43 und ein Bild 5 angeordnet. Die Linsenradien sind
wie in Fig. 3 ri, die Linsendicken d₁, die Luftabstände li, ihre Werte aus
der Tabelle 4 hervor. Die objektseitige Feldlinse 2 weist die stark
sammelnde und zum zentralen Objektivteil 3 hohle Kittfläche 23 auf. Die
bildseitige Feldlinse 4 besitzt die stark zerstreuende und zum zentralen
Objektivteil 3 erhabene Kittfläche 43. Das Doppel-Gauß-Objektiv 3 hat
hinsichtlich der Linsenformen seine Symmetrie behalten. Die Wirkung auf
den Isoplanasiefehler zur Beseitigung der Koma für das gesamte
Umbildesystem wird durch die unsymmetrischen Lufträume 1₄₂ und 1₄₄
erzielt. Das Umbildesystem gemäß Fig. 4 hat eine Apertur von ca. 0,09,
einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,97, eine Objektentfernung von
s = -4,3, eine bildseitige Schnittweite von s′ = +4,67, bei einer normier
ten Übertragungslänge Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bildfeld
durchmesser von 5,0 eine Verzeichnung von ca. 3,2%.
Wenn vorstehend und nachfolgend von einer Kittfläche 23 bzw. 43 der
objektseitigen bzw. bildseitigen Feldlinse 2 bzw. 4 die Rede ist, sind in
diese die Möglichkeiten der Ansprengung bzw. eines geringen Luftspaltes
eingeschlossen.
Durch die mehrfache Anwendung der Erfindung in einem endoskop
artigen optischen System werden Verzeichnungskompensationen in der
gewünschten Größenordnung, bspw. von 10%, erreicht.
Bezugszeichenliste
1 - Objekt
2, 4 - Feldlinse
3 - zentraler Objektivteil
5 - Bild
21, 22, 41, 42 - Linsen
23, 33, 43 - Kittflächen
31 - Bikonvexlinse
32 - Konvexkonkavlinse
33′, 34′ - konvexe Linsen
33′′, 34′′ - konkave Linsen
Z - Zentrum
Oi-Oi - optische Achsen
ri - Linsenradien
di - Linsendicken
li - Luftabstände
2, 4 - Feldlinse
3 - zentraler Objektivteil
5 - Bild
21, 22, 41, 42 - Linsen
23, 33, 43 - Kittflächen
31 - Bikonvexlinse
32 - Konvexkonkavlinse
33′, 34′ - konvexe Linsen
33′′, 34′′ - konkave Linsen
Z - Zentrum
Oi-Oi - optische Achsen
ri - Linsenradien
di - Linsendicken
li - Luftabstände
Claims (11)
1. Beidseitig telezentrisches optisches Umbildesystem, bestehend aus
einem zentralen sammelnden Objektivteil sowie zu beiden Seiten
dieses Objektivteils in der Nähe von Objekt und Bild angeordneten
sammelnden Feldlinsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Feld
linsen eine sammelnde und die andere entgegengesetzt zum zentralen
Objektivteil angeordnete Feldlinse eine zerstreuende Kittfläche auf
weist.
2. Umbildesystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der
Brechsprung an der in jeder Feldlinse enthaltenen Kittfläche wenigstens
0,15 beträgt.
3. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in
den Feldlinsen enthaltenden Kittflächen zum zentralen Objektivteil hohl
angeordnet sind.
4. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die
in den Feldlinsen enthaltenen Kittflächen zum zentralen Objektivteil
erhaben angeordnet sind.
5. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine
der von in den Feldlinsen enthaltenen Kittflächen zum zentralen Objek
tivteil hohl und die andere der Kittflächen zu diesem erhaben angeord
net ist.
6. Umbildesystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zentrale Objektivteil ein Achromat ist.
7. Umbildesystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn
zeichnet, daß der zentrale Objektivteil ein Doppel-Gauß-Objektiv ist,
das hinsichtlich der Linsen symmetrisch und hinsichtlich der Lufträume
unsymmetrisch ausgebildet ist.
8. Umbildesystem gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgen
den Konstruktionselemente:
9. Umbildesystem gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgen
den Konstruktionselemente:
10. Umbildesystem gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgen
den Konstruktionselemente:
11. Umbildesystem gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch die folgenden
Konstruktionselemente:
Priority Applications (2)
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