DE69413678T2

DE69413678T2 - Linsensystem

Info

Publication number: DE69413678T2
Application number: DE69413678T
Authority: DE
Inventors: Neil Nr Goole Dn14 9Jq Davies; Malcolm Sheffield S11 9Sn Mccormick
Original assignee: De Montfort University
Current assignee: De Montfort University
Priority date: 1993-03-25
Filing date: 1994-03-25
Publication date: 1999-05-06
Anticipated expiration: 2014-03-26
Also published as: AU6288294A; EP0690996A1; WO1994022040A1; JPH08508109A; DE69413678D1; ATE171789T1; US5650876A; EP0690996B1; JP3461828B2

Description

Diese Erfindung bezieht sich auf ein Linsensystem.
Für eine 3D-Integralabbildung wird, um parallaktische Informationen zu erhalten, ein Objektiv mit einer großen Blende benötigt. Ein solches ist jedoch schwer auszubilden, insbesondere, wenn es gut korrigiert sein muß, beispielsweise für den fotografischen Gebrauch.
Die vorliegende Erfindung stellt Linsensysteme zur Verfügung, welche nicht ein monolithisches Objektiv mit großer Öffnung erfordern. Vorrichtungen nach dem Stand der Technik sind bekannt aus WO91 117 451 und WO93 204 73, wobei das letztgenannte Dokument in die Bedeutung von Artikel 54 (3) EPÜ fällt.
Die Erfindung ist in Anspruch 1 definiert und umfaßt eine Eingangs-Linsenanordnung, einen optischen Übertragungs-Mikrolinsenschirm und eine Ausgangs-Linsenanordnung, worin jede Linse der Eingangs-Linsenanord nung eine entsprechende Linse in der Ausgangs-Linsenanordnung hat, und das System hat eine Hauptachse, wobei die Linsen der Eingangsanordnung Brennweiten haben, die größer sind als diejenigen der Linsen der Ausgangs-Linsenanordnung, und jede Linse der Ausgangs-Linsenanordnung hat eine Hauptachse, welche gegenüber der Hauptachse der entsprechenden Linse in der Eingangs-Linsenanordnung zu der Hauptachse des Systems hin um einen Betrag versetzt ist, der proportional zu dem Abstand der entsprechenden Linsen von der Hauptachse ist. Die größere Blende eines monolithischen Objektivs ist auf diese Weise aus mehreren kleineren Linsen zusammengesetzt.
Die Eingangs- und Ausgangs-Linsenanordnung können einen gleichen Abstand von dem Mikrolinsenschirm haben, wobei die Blenden oder Bildöffnungen der entsprechenden Linsen der Eingangs- und Ausgangsanordnung dann gleich sind.
Die Eingangs-Linsenanordnung kann jedoch näher an dem Mikrolinsenschirm sein als die Ausgangs-Linsenanordnung, und die Linsen der Ausgangs-Linsenanordnung haben dann Bildöffnungen, die entsprechend kleiner als die Bildöffnungen der Linsen der Eingangs-Linsenanordnung sind.
Der Mikrolinsenschirm kann einen integralen Doppel- Mikrolinsenschirm oder einen Schirm mit paralleler Selbstausrichtung aufweisen.
Der Mikrolinsenschirm kann jedoch eine integrale Mikrolinsen-Doppelanordnung mit Anordnungen unterschiedlicher Teilung aufweisen, und das System kann dann so angeordnet sein, daß die Mikrolinsenanordnung ein reduziertes Bild der Bildöffnungen der Eingangs- Linsenanordnung auf den gleichermaßen reduzierten Bildöffnungen der Ausgangs-Linsenanordnung bildet, wodurch ein maßstäbliches, im Raum erzeugtes pseudoskopisches Bild erzeugt wird.
Ein optisches Instrument enthaltend ein derartiges Linsensystem kann einen Bildbereich zwischen einem Brennpunktabstand von der Linsenrückseite (von der Ausgangsanordnung) für einen nahen Objektpunkt (BFDn) und einen Brennpunktabstand von der Linsenrückseite für eine Objektebene im Unendlichen (BFD∞) definieren, wobei:
die axiale Versetzung d einer Linse des Ausgangsanordnungs-Abstands D von der Hauptachse des Systems gegeben ist durch:
Wenn dieser Punkt der Überlagerung für den hinteren Punkt in dem Bild gewählt ist, wird der Abstand BFD zu dem Punkt der Überlagerung für einen Punkt im Unendlichen gegeben durch
worin f&sub1; die Brennweite der Eingangslinsen ist und die Brennweite f&sub2; der Linsen der Ausgangs- Linsenanordnung gegeben ist durch
worin V der Abstand von der Anordnung zum Schirm ist.
Die Linsen der Anordnungen können quadratisch, sechseckig oder kreisförmig sein.
Ausführungsbeispiele von Linsensystemen und diese enthaltenden optischen Instrumenten werden nun mit Bezug auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben, in welchen:
Fig. 1 ist ein schematischer Axialschnitt durch ein Ausführungsbeispiel;
Fig. 2 ist ein Strahlendiagramm für das System nach Fig. 1;
Fig. 3 ist eine Vorderansicht der Ausgangs-Linsenanordnung des Systems nach Fig. 1;
Fig. 4 ist eine Vorderansicht wie Fig. 3 eines anderen Ausführungsbeispiels einer Ausgangs-Linsenanordnung;
Fig. 5 ist eine Ansicht wie Fig. 4 von noch einem anderen Ausführungsbeispiel einer Ausgangs- Linsenanordnung;
Fig. 6 ist ein schematischer Axialschnitt durch ein anderes Ausführungsbeispiel; und
Fig. 7 ist eine Vorderansicht der Eingangs-Linsenanordnung nach dem Ausführungsbeispiel in Fig. 6..
Die Zeichnungen illustrieren Linsensysteme mit einer Eingangs-Linsenanordnung 11, einem optischen Übertragungs-Mikrolinsenschirm 12 und einer Ausgangs-Linsenanordnung 13, in welchen die Linsen 11a der Eingangsanordnung 11 den Linsen 13a der Ausgangsanordnung 13 entsprechen.
Bei jedem Ausführungsbeispiel sind die Eingangs- und Ausgangs-Linsenanordnung 11, 13 in gleichem Abstand von dem Mikrolinsenschirm 12 angeordnet, und die Linsen 11a der Eingangsanordnung haben Brennweiten, welche größer sind als diejenigen der Linsen 13a der Ausgangsanordnung.
Der Mikrolinsenschirm 12 nach den in den Fig. 1 bis 5 illustrierten Ausführungsbeispielen umfaßt einen Schirm mit paralleler Selbstausrichtung oder eine integrale Mikrolinsen-Doppelanordnung, d.h. eine brennpunktlose Anordnung, bei der die Mikrolinsen auf jeder Seite ausgerichtet sind, wie aus den vergrößerten Details in Fig. 1 ersichtlich ist. Das linke Detail zeigt vergrößert eine Form von doppeltem integralem Schirm, bei welchem konvexe Linsenoberflächen auf gegenüberliegenden Flächen einer einzelnen Platte gebildet sind. Das rechte Detail zeigt zwei benachbarte doppelte integrale Anordnungen, die sorgfältig ausgerichtet sind - dies ergibt eine verringerte Vignettierung und Aberration.
Die Öffnungen der entsprechenden Linsen 11a, 13a der Eingangs- und Ausgangs-Anordnung 11, 13 sind einander gleich und die Öffnungen der Eingangslinsen 11a sind auf die Öffnungen der Ausgangslinsen 13a projiziert. Der Fokussierungseffekt wird erreicht, indem die Ausgangslinsen 13a die auftreffenden Strahlen unter Winkeln ablenken, welche bestimmt sind durch eine Ver setzung der Achse jeder Linse 13a. Jede Linse 13a der Ausgangsanordnung 13 hat eine Hauptachse A', welche gegenüber der Achse A der entsprechenden Linse 11a in der Eingangs- Linsenanordnung 11 zu der Hauptachse X des Systems um einen Betrag d versetzt ist, der proportional zu dem Abstand D der entsprechenden Linsen 11a, 13a von der Hauptachse X des Systems ist.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, definiert ein ein derartiges Linsensystem enthaltendes optisches Instrument einen Bildbereich zwischen einem Brennpunktabstand von der Linsenrückseite (von der Ausgangsanordnung 13) für einen nahen Objektpunkt (BFDn) und einem Brennpunktabstand auf der Linsenrückseite für eine Objektebene im Unendlichen (BFD∞). Die notwendige Versetzung d der Ausgangslinse 13a ist unter Betrachtung von Fig. 2 gegeben durch die Beziehung
worin X die Versetzung des Bildpunktes von U von der Achse der in Frage stehenden Eingangslinse ist. Hierbei ist U der Abstand von der Eingangs-Linsenanordnung zu dem Objekt und V ist der Abstand der Eingangs-Linsenanordnung 11 von dem Mikrolinsenschirm 12 (welcher der gleiche ist wie der Abstand der Ausgangs-Linsenanordnung 13 von dem Schirm 12).
Die Brennweite f&sub2; der Linsen 13a der Ausgangs-Linsenanordnung ist gegeben durch
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, werden die durch die verschiedenen Paare von entsprechenden Eingangs- und Ausgangslinsen 11a, 13a erzeugten Bildfelder als ein konjugiertes Bild in dem Brennpunktabstand BFD∞ auf der Linsenrückseite einander überlagert entsprechend der Objektposition, um die geforderte Integration der Bildfelder zu erzeugen.
Das endgültige integrierte Bild ist daher aus durch die Ausgangslinsen 13a projizierten überlagerten Bildfeldern gebildet.
Typische Brennweiten der Eingangslinsen 11a sind 80 mm. Der Abstand V von der Anordnung zum Schirm kann 85 mm betragen, und die Brennweiten der Ausgangslinsen 13a betragen typischerweise 54 mm.
Die Fig. 3, 4 und 5 illustrieren quadratische, sechseckige und kreisförmige Linsen 13a und zeigen die Versetzung d der Achsen A der Ausgangslinsen 13a gegenüber den Achsen A der entsprechenden Eingangslinsen 11a an. Die entsprechende Eingangs-Linsenanordnung wäre ähnlich in ihrer Vorderseiten-Erscheinung, würde aber ihre Hauptachse in der Mitte haben.
Die Fig. 6 und 7 illustrieren ein anderes Ausführungsbeispiel des Linsensystems - ein integrales Übertragungsreduktions-Linsensystem -, bei welchem der Mikrolinsenschirm 12 Anordnungen 12 (1), 12 (2) von unterschiedlicher Teilung aufweist - eine integrale Superlinse oder ISL -, welche einen langen integralen Fokussierungseffekt bewirken. Das System ist so angeordnet, daß die Mikrolinsenanordnung 12 ein reduziertes Bild der Öffnungen der Eingangs-Linsenanordnung 11 auf den gleichermaßen reduzierten Öffnun gen der Ausgangs-Linsenanordnung 13 bildet, wodurch ein maßstäbliches, im Raum erzeugtes pseudoskopisches Bild erzeugt wird.
Die Brennweiten der Linsen in der ISL 12 in Fig. 6 sind recht kurz - eine Linse mit einem Durchmesser von 120 um hat eine Brennweite von etwa 360 um. Die Wirkung der unterschiedlichen Teilungen besteht darin, einen integralen Fokussierungseffekt zu erzeugen, welcher extrem lang sein kann - typischerweise 250 mm.
Die Ausgangs-Linsenanordnung 13 besteht aus einer enggepackten Anordnung von hexagonalen (siehe Fig. 7) Plankonvexlinsen 13a, so wie die Eingangs-Linsenanordnung 11 ist. Die Linsen 11a haben eine größere Brennweite als die Linsen 13a, wobei die typischen Brennweiten 80 und bzw. 54,25 mm betragen. Durch geeignete Wahl der Brennweite der ISL 12 (integral) - z.B. 253,54 mm - kann das Linsensystem ein integrales Übertragungsreduktions-Linsensystem mit einer Brennweite von z.B. 168,54 mm aufweisen.
Das sich ergebende reduzierte Bild ist ein maßstäbliches im Raum erzeugtes Bild, welches in der Z-Richtung umgekehrt, d.h. pseudoskopisch ist.
Der Bildebenenabstand DIm von der Ausgangs-Linsenanordnung 13 beträgt 186,54 mm für ein Objekt Ob, das von der Eingangs-Linsenanordnung 11 unendlich entfernt ist, und 149,95 mm für ein Objekt, das 1360 mm entfernt ist. Dies ist unterschiedlich gegenüber einer normalen monolithischen Linse, wie ersichtlich ist durch den Vergleich einer Übertragungsreduktions- Linse mit dieser Ausbildung mit einer monolithischen Linse, welche einem Objekt in einem Abstand 1360 mm eine gleiche Vergrößerung gibt.
Ein integrales Übertragungsreduktions-Linsensystem, wie es in den Fig. 6 und 7 illustriert ist, gibt eine endgültige Vergrößerung für ein Objekt bei 1360 mm von -9,09 X. eine äquivalente monolithische Linse, welche dieselbe Vergrößerung gibt, hat einen Brennpunktabstand auf der Linsenrückseite von 149,6 mm und eine Brennweite von 133,3 mm. Somit hat das integrale Übertragungsreduktions-Linsensystem eine Bildtiefe von 18,59 mm, wohingegen die monolithische Linse ein Bildtiefe von 16,3 mm hat.
Die Auflösung des zusammengesetzten Linsensystems ist größer als die Auflösung jedes Segmentes von diesem.

Claims

1. Linsensystem mit einer Eingangs-Linsenanordnung (11), einem optischen Übertragungs-Mikrolinsenschirm (12) und einer Ausgangs-Linsenanordnung (13), die in dieser Reihenfolge entlang einer optischen Hauptachse (X), die im allgemeinen durch die Mitten dieser Anordnungen und dieses Schirms hindurchgeht, angeordnet sind, worin für jede Linse der Eingangs-Linsenanordnung (11) eine entsprechende Linse in der Ausgangs-Linsenanordnung (13) vorgesehen ist,

dadurch gekennzeichnet,

daß die Linsen der Eingangsanordnung Brennweiten haben, die größer als diejenigen der Linsen der Ausgangsanordnung sind, und jede Linse der Ausgangs-Linsenanordnung (13) eine Hauptachse (A) hat, welche gegenüber der Hauptachse (A') der entsprechenden Linse in der Eingangs-Linsenanordnung (11) zu der optischen Hauptachse hin um einen Betrag versetzt ist, der proportional zu dem Abstand der entsprechenden Linsen von der Hauptachse (A) ist.

2. Linsensystem nach Anspruch 1, bei welchem die Eingangs- und Ausgangs-Linsenanordnung (11, 13) gleichen Abstand von dem Mikrolinsenschirm (12) haben und die Öffnungen der entsprechenden Linsen der Eingangs- und Ausgangs-Linsenanordnung (11, 13) gleich sind.

3. Linsensystem nach Anspruch 1, bei welchem die Eingangs-Linsenanordnung (11) näher an dem Mikrolinsenschirm (12) ist als die Ausgangs-Linsenanordnung (13) und die Linsen der Ausgangsanordnung (13) Öffnungen haben, die entsprechend kleiner sind als die Öffnungen der Linsen der Eingangsanordnung (11).

4. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei welchem der Mikrolinsenschirm eine integrale Mikrolinsen-Doppelanordnung hat.

5. Linsensystem nach Anspruch 1, bei welchem der Mikrolinsenschirm (12) eine integrale Mikrolinsen-Doppelanordnung mit Anordnungen unterschiedlicher Teilung (12(1), 12(2) aufweist, und das System so angeordnet ist, daß die Mikrolinsenanordnung ein reduziertes Bild der Öffnungen der Eingangs-Linsenanordnung (11) auf den gleichermaßen reduzierten Öffnungen der Ausgangs-Linsenanordnung (13) bildet, wodurch ein maßstäbliches, im Raum erzeugtes, pseudoskopisches Bild erzeugt wird.

6. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Linsen der Anordnungen (11, 13) quadratisch sind.

7. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Linsen der Anordnungen (11, 13) sechseckig sind.

8. Linsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei welchem die Linsen der Anordnungen (11, 13) kreisförmig sind.