DE69211827T2

DE69211827T2 - Zoomobjektiv mit refraktiven und diffraktiven optischen Elementen

Info

Publication number: DE69211827T2
Application number: DE69211827T
Authority: DE
Inventors: Chungte W Chen
Original assignee: Hughes Aircraft Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 1991-12-20
Filing date: 1992-11-27
Publication date: 1997-02-06
Anticipated expiration: 2012-11-28
Also published as: DE69211827D1; EP0549146B1; EP0549146A1; ES2089419T3; US5268790A

Description

1. Bereich der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Zoomobjektiv und insbesondere ein Zoomobjektiv mit lichtbrechenden und lichtbeugenden optischen Elementen.

2. Stand der Technik

Zoomobjektive sind im Fachgebiet schon seit einiger Zeit in Verwendung. Die Zoomobjektive im Telephotographiemodus vergrößern ein Objekt, das betrachtet wird, um den Betrachter mit einer Ansicht einer entfernten Szene zu versorgen. Andererseits decken Zoomobjektive beim Modus mit erweitertem Gesichtsfeld sehr weitwinkelige Szenen ab. Im allgemeinen werden die Zoomobjektive aus lichtbrechenden, reflektierenden oder einer Kombination von lichtbrechenden und reflektierenden Elementen gebildet. Im allgemeinen diktiert der Zusammenbau bzw. die Montage des Zoomobjektivs zu einer Baugruppe den Typ der optischen Elemente, die vorhanden sind.
In einem rein lichtbrechenden Zoomlinsensystem weist das System bzw. die Bauemheit im allgemeinen mehrere Linsengruppen auf. Wie man in Fig. 1 sieht, wird eine erste Linsengruppe 1, die eine Fokussiergruppe genannt wird, verwendet, um eine Außenszene auf eine Zwischenebene zu übertragen. Die zweite Linsengruppe 2, die als ein Variator bekannt ist, ist im allgemeinen ein virtuelles Relais und wird verwendet, um die Vergrößerung des Zoomobjektivs zu variieren. Für gewöhnlich wird sie als der "Motor" des Zoomobjektivs betrachtet. Der Variator wird vor- und zurückbewegt, um die effektive Brennweite des Systems zu verändern. Eine dritte Linsengruppe 3 wird verwendet, um die Fokusverschiebung, die während des Zoomprozesses eingeführt wird, zu kompensieren, und wird im allgemeinen als ein Kompensator bezeichnet. Bei vielen Zoomlinsensystemen ist die Wellenfront, die aus dem Kompensator herauskommt, entweder kollimiert oder nahezu kollimiert. Die vierte Linsengruppe 4 wird als eine Primärgruppe bezeichnet. Die vierte Linsengruppe 4 wird verwendet, um die aus dem Kompensator rauskommende Wellenfront auf eine Betrachtungsebene zu fokussieren. Einige Zoomobjektive fassen den Kompensator 3 und die Primärgruppe 4 auch zu einer einzelnen Bauemheit zusammen.
US Patent Nr. 3,784,284, am 08. Januar 1974 ausgegeben an Nakamura, veranschaulicht ein Zoomobjektiv wie das oben beschriebene. Obwohl ein Zoomobjektiv bereitgestellt ist, das eine variierende Brennweite aufweist, besitzt das Zoomobjektiv mehrere Nachteile. Ein Nachteil ist, daß es ein rein lichtbrechendes Objektiv und schwer und unhandlich bzw. voluminös ist. Das Objektiv besitzt einen effektlven Brennweitenbereich von 7,5 mm bis 56,3 mm. Weiterhin ist die Hauptbeschränkung, die die Komplexität dieses Typs von Linsensystem dominiert, die Korrektur der chromatischen Aberration. Bei den Zoompositionen mit langer effektiver Brennweite sind die axiale chromatische Aberration und der Gauß- Fehler die begrenzenden Aberrationen. Bei den Zoompositionen mit kurzer effektiver Brennweite ist die laterale chromatische Aberration die dominierende Aberration. Um die chromatische Aberration während des Zoomens zu stabilisieren, benötigt jede Gruppe Plint-Glaslinsen, um entweder teilweise oder vollständig die chromatische Aberration zu korrigieren. Die Korrektur der chromatischen Aberration der Fokussiergruppe und des Variators ist besonders kritisch. Unglücklicherweise kann sich jede Gruppe zu einer Form bzw. Gestalt entwickeln bzw. auswachsen, die unhandlich bzw. voluminös und kompliziert ist, und dies nimmt naturlich ver fügbaren Zoom-Raum weg. Folg]Lch ist der Zoombereich ernsthaft gefährdet. Zusätzlich werden als eine Folge der stärkeren Linsenkrümmungen einige verbleibende Aberrationen bzw. Restfehler dritter und höherer Ordnung hervorgerufen.
EP-A-441,206 offenbart ein Objektiv, das aspherische optische Oberflächen und optische Zwillingsbeugungsgitteroberflächen verwendet und zwischen einem weiten Gesichtsfeld und einem engen Gesichtsfeld hin- und hergeschaitet werden kann.

KURZFASSUNG DER ERFINDUNG

Dementsprechend liefert das neue und verbesserte optische Zoomsystem der vorliegenden Erfindung dem Fachgebiet eine verbesserte Aberrationsreduktion. Zoomobjektive der vorhe genden Erfindung weisen reduzierte Niveaus der verbleibenden monochromatischen Aberrationen dritter und höherer Ordnung auf. Die vorliegende Erfindung stellt ein Zoomobjektiv mit einem weiteren Zoombereich, einer einfacheren optischen Gestalt bzw. Form und einer kompakteren Baugruppe bereit.
Die vorliegende Erfindung verringert ebenfalls das Gewicht der beweglichen Linsenelementsgruppen. Folglich stellt die vorliegende Erfindug ein Zoomobjektiv mit einem weiteren Zoombereich bereit, das von leichterem Gewicht ist, vergleichsweise weniger teuer und flinker bzw. beweglicher während des Zoomprozesses.
In der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist das Zoomobjektiv eine erste Linsengruppe auf, um eine Außenszene zu einer Zwischenebene zu übertragen. Eine zweite Linsengruppe ist positioniert, um die Wellenfront von der ersten Linsengruppe zu empfangen. Die zweite Linsengruppe variiert die Vergrößerung bzw. den Abbildungsfaktor des Zoomobjektivs. Auch enthält die zweite Linsengruppe wenigstens ein lichtbeugendes optisches Element. Eine dritte Linsengruppe kompensiert die Fokusverschiebung und fokussiert die Wellenfront auf die Betrachtungsebene.
Im allgemeinen wird die dritte Linsengruppe in eine dritte und vierte Linsengruppen zerlegt bzw. aufgeteilt. Die dritte Linsengruppe kompensiert die Fokusverschiebung und die vierte Linsengruppe fokussiert die Wellenfront auf die Betrachtungsebene. Die dritte Linsengruppe würde ebenfalls ein lichtbeugendes optisches Element enthalten.
Aus der nachfolgenden Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen, im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichungen,
werden für Fachleute weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung offensichtlich werden.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Bei den beigefügten Zeichnungen zeigt:
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines lichtbrechenden Zoomlinsensystems nach dem relevanten Stand der Technik;
Fig. 2 eine schematische Ansicht eines optischen Zoomsystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 3 eine schematische Ansicht wie jene von Fig. 2 bei einer intermediären Brennweite; und
Fig. 4 eine schematische Ansicht wie jene von Fig. 2 bei einer Minimumbrennweite.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

In den Figs. 2 bis 4 ist ein optisches Zoomtinsensystem veranschaulicht und mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet. Das System 10 weist eine erste Linsengruppe 12, eine zweite Linsengruppe 14, eine dritte Linsengruppe 16 und eine vierte Linsengruppe 18 auf. Die Linsengruppen fokussieren ein Bild auf eine Betrachtungsebene 20.
Die erste Linsengruppe, allgemein als die Fokussiergruppe bezeichnet, weist drei Linsen auf. Die Linse 22, Linse 24 und Linse 26 der Fokussiergruppe sind im allgemeinen bzw. im wesentlichen auf einer optischen Achse 50, die durch die Linse 22 definiert wird, positioniert. Im allgemeinen bzw. im wesentlichen sind die Linse 22, Linse 24 und Linse 26 konvex-konkave, bikonvexe bzw. konvex-konkave Linsen. Die Linsen 22, 24 und 26 sind aus den Glasmaterialien SF13, LAK7 bzw. 8K7 gebildet. Alle Linsen weisen einen vorbestimmten Krümmungsradius auf ihren vorderen und hinteren Linsenoberflächen auf. Ebenfalls weisen die Linsen eine vorbestimmte Dicke bei ihren Vertices und vorbestimmte Aperturgrößen auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf.
Die zweite Gruppe von Linsen 14, die im allgemeinen als ein Variator bezeichnet wird, weist ein Paar von optischen Elementen auf. Die optischen Elemente Variatorlinse 28 und Variatorlinse 30 sind im allgemeinen bzw. im wesentlichen auf der optischen Achse 50 zentriert. Die Linse 28 ist im allgemeinen bzw. im wesentlichen eine bikonkave Linse, die aus einem Glasmaterial LFS gebildet ist. Die Linse 28 weist einen vorbestimmten Krümmungsradius auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf. Die Linse 28 weist ebenfalls eine vorbestimmte Dicke bei ihrem Vertex und vorbestimmte Aperturgrößen auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf.
Die Variatorlinse 30 ist ein lichtbrechendes-lichtbeugendes optisches Hybridelement. Das lichtbrechende-lichtbeugende optische Element ist aus einem BK7-Material gebildet. Das lichtbrechende-lichtbeugende optische Element weist im allgemeinen bzw. im wesentlichen eine konkave vordere Oberfläche und eine planare hintere Oberfläche auf. Die Oberflächen besitzen einen vorbestimmten Krümmungsradius Die Linse besitzt ebenfalls eine vorbestimmte Dicke bei ihrem Vertex und vorbestimmte Aperturgrößen auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen. Das lichtbrechende-lichtbeugende optisches Hybridelement 30 ist ebenfalls auf der optischen Achse 50 positioniert. Das lichtbeugende optische Element der Hybridlinse 30 ist eine kinoforme oder kinoform-äquivalente Fresnelsche Zonenplatte. Obwohl die Fresnelsche Zonenplatte sowohl auf einer planaren Oberfläche als auch auf einer gekrümmten Oberfläche eingeprägt werden kann, ist eine planare Oberfläche im allgemeinen für die Herstellung leichter.
Die dritte Linsengruppe 16, im allgemeinen als der Kompensator bezeichnet, weist ein Paar von optischen Elementen auf. Das erste optische Element Kompensatorlinse 32 ist im allgemeinen bzw. im wesentlichen eine bikonvexe Linse, die aus einem Glasmaterial LAKN7 gebildet ist. Die Linse 32 weist einen vorbestimmten Krümmungsradius auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf. Die Linse 32 weist ebenfalls eine vorbestimmte Dicke bei ihrem Vertex und eine vorbestimmte Aperturgröße auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf.
Das optische Element 34 ist ein lichtbrechendes-lichtbeugendes optisches Hybridelement. Im allgemeinen bzw. im wesentlichen weist das optische Element 34 eine aus einem LAK11-Material gebildete konvex-planare Konfiguration auf.
Das Element 34 weist einen vorbestimmten Krümmungsradius auf seinen vorderen und hinteren Oberflächen ebenso wie eine vorbestimmte Dicke bei seinem Vertex und vorbestimmte Aperturgrößen auf seinen vorderen und hinteren Oberflächen auf.
Wie man in den Figs. 2 bis 4 sieht, bewegen sich der Variator 14 und Kompensator 16 relativ zueinander zu mehreren Positionen zwischen der ersten und vierten Linsengruppe. Wenn sich der Variator und Kompensator bewegen, wird die effektive Brennweite des Systems geändert.
Die vierte Linsengruppe 18, im allgemeinen als die Primärgruppe bezeichnet, weist fünf Linsen auf. Die Linsen 36, 38, 40, 42 und 44 sind in Bezug auf die optische Achse 50 zentriert. Weiter fokussiert diese Gruppe die aus dem Kom pensator 16 herauskommende Strahlung auf die Betrachtungsebene 20. Im allgemeinen bzw. im wesentlichen sind die Linsen 36, 38, 40, 42 und 44 bikonkav, kubisch, bikonvex, bikonvex bzw. konkav-konvex. Jede Linse weist einen vorbestimmten Krümmungsradius aufihrer vorderen und hinteren Oberfläche ebenso wie eine vorbestimmte Dicke bei ihrem Vertex und vorbestimmte Aperturgrößeren auf ihren vorderen und hinteren Oberflächen auf. Der Würfel 38 ist im allgemeinen bzw. im wesentlichen eine strahlteilende Vorrichtung, um die von den vorhergehenden Linsen herauskommende Strahlung zu sammeln.
Im allgemeinen überträgt die Fokussiergruppe ein Bild einer Außenszene zu der Betrachtungsebene. Der Variator variiert die Vergrößerung bzw. den Abbildungsfaktor der Wellenfront, die ein Bild der Szene umfaßt, während sie durch das System hindurchgeht. Der Kompensator wirkt auf die Wellenfront ein, um die Fokusverschiebung der Wellenfront zu kompensieren, während sie durch das System hindurchgeht. Die Primärgruppe fokussiert dann die Wellenfront auf die Betrach tungsebene 20.
Das in den Figs. 2 bis 4 veranschaulichte Zoomsystem befindet sich im selben optischen Raum wie das Zoomsystem von Fig. 1. Der effektive Brennweitenbereich des Zoomsystems von Fig. 1 geht von 7,5 mm bis 56,3 mm, wie gestrichelt veranschaulicht ist. Das vorliegende System stellt eine effektive Brennweite zwischen 7,5 mm bis 75 mm in demselben optischen Raum bereit, und folglich stellt das vorliegende Zoom ein Abbildungsverhältnis von 10:1 bereit, im Vergleich zu dem Bereich von 7,5:1 des relevanten Standes der Technik. Dies ist eine 33%ige Ausdehnung des Zoombereiches durch die Verwendung der optischen Anordnung der vorliegenden Erfindung.
Eine spezifische Anweisung für eine Zoomlinsenkonfiguration ist in der folgenden Tabelle gegeben: TABELLE 1 Optische Anweisung
Die Wellenfrontinformation von bei(ien lichtbeugenden optischen Elementen 1 und 2 ist f&sub1;(p) bzw. f&sub2;(p))
Dabei ist p die radiale Koordinate der Apertur in mm,
fl(p) = 2.43875p² - 1.0545 (E-2) p&sup4; und f&sub2;(p) = (-2.07051)p² + 6.1306i1(E-3) p&sup4;
Die Zonenplattenringgrenzen des lichtbeugenden optischen Elementes sind lokalisiert. bei
fl(p) = n n ist eine ganze Zahl
Analog liegen die Zonenplattenringgrenzen des lichtbeugenden optischen Elementes 2 bei
f&sub2;(p) = n n ist eine ganze Zahl
Die ausgewählten Beugungsordnungen fhr die lichtbeugenden optischen Elemente 1 und 2 sind die Ordnung +1 bzw. -1.
(+) Die Radien haben ihre Zentren rechts
(-) Die Radien haben ihre Zentren links
Dicke heißt axiale Entfernung zur nächsten Oberfläche Die Abmessungen sind in Millinietern angegeben
Referenzwellenlange = 0,58756 µm
Der Spektralbereich geht von 0,48610 µm bis 0,65262 µm Gruppenraum
Es sollte bemerkt werden, daß die obige Anweisung ein Beispiel zu Zwecken der Veranschaulichung ist und nicht dahingehend ausgelegt werden sollte, die vorliegende Erfindung in irgendeiner Weise zu begrenzen bzw. einzuschränken.
Ein Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, daß das Zoomobjektiv in der Lage ist, die Vergrößerung bzw. den Abbildungsfaktor kontinuierlich zu variieren, und in verschiedenen optischen Sensoren verwendet werden kann. Die vorliegende Erfindung kann in dem Bereich der Anzeigetechnologie verwendet werden, wie z. B. in optischen Farbprojektions vorrichtungen für die nächste Generation von Flugsimulatoren. Die vorliegende Erfindung stellt ein Weitbereichszoom bereit, um die Bereichsänderungen von sowohl dem Ziel als auch der Szene zu simulieren. Die vorliegende Erfindung kann ebenfalls als ein photographisches Zoomobjektiv be nützt werden.
Während es offensichtlich ist, daß die bevorzugte Ausführungsform wohlkalkuliert ist, um die oben angegebenen Aufgaben zu erfüllen, wird man einsehen, daß die vorliegende Erfindung Modifikationen, Variationen, Veränderungen und Änderungen zuläßt ohne den ordnungsgemäßen Anwendungsbereich und die klare Bedeutung der beigefügten Ansprüche zu verändern.

Claims

1. Ein Zoomobjektiv (10) mit:

einer ersten Linsengruppeneinrichtung (12) zum Übertragen einer Außenszene zu einer Zwischenebene;

einer zweiten Linsengruppeneinrichtung (14) zum Variieren des Abbildungsfaktors des von der ersten Linsengruppe (12) übertragenen Bildes; und

einer dritten Linsengruppeneinrichtung (16, 18) zum Kompensieren einer Fokusverschiebung und um die Wellenfront auf die Betrachtungsebene zu fokussieren, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Linsengruppeneinrichtung (14) wenigstens ein lichtbeugendes optisches Element (30) aufweist.

2. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net,

daß die dritte Linsengruppeneinrichtung (16, 18) wenigstens ein lichtbeugendes optisches Element (34) aufweist.

3. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich net,

daß die dritte Linsengruppeneinrichtung (16, 18) eine erste Linsenuntergruppe (16) aufweist, um eine Fokusverschiebung zu kompensieren, und eine zweite Linsenuntergruppe (18), um die Wellenfront auf die Ebene zu fokussieren.

4. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Linsengruppeneinrichtung eine Bewegungseinrichtung aufweist, um die effektive Brennweite des Zoomobjektivs zu verändern.

5. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Linsenuntergruppe (16) wenigstens ein lichtbeugendes optisches Element (34) aufweist.

6. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,

daß die zweite Linsengruppe ebenfalls wenigstens ein lichtbrechendes optisches Element (28) aufweist.

7. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,

daß das lichtbeugende optische Element (30) zwischen dem lichtbrechenden optischen Element (28) und der ersten Linsenuntergruppe (16) angeordnet ist.

8. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

daß die erste Linsenuntergruppe (16) wenigstens ein lichtbrechendes optisches Element (32) aufweist.

9. Das Zoomobjektiv nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,

daß das lichtbeugende optische Element (34) der ersten Linsenuntergruppe zwischen dem lichtbrechenden optischen Element (32) und der zweiten Linsenuntergruppe (18) angeordnet ist.