DE69530113T2

DE69530113T2 - Linsen-systeme mit veränderlicher brennweite zur erzeugung kleiner bilder

Info

Publication number: DE69530113T2
Application number: DE69530113T
Authority: DE
Inventors: I. Ellis BETENSKY; H. Melvyn KREITZER; Jacob Moskovich
Original assignee: Benopcon Inc Cincinnati; BenOpcon Inc
Current assignee: Benopcon Inc Cincinnati; BenOpcon Inc
Priority date: 1994-12-19
Filing date: 1995-12-18
Publication date: 2004-02-05
Anticipated expiration: 2015-12-19
Also published as: US5745301A; DE69530113D1; WO1996019749A1; EP0799433A1; JPH10513270A; EP0799433B1; EP0799433A4

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Linsensysteme mit variabler Vergrößerungskraft, insbesondere Zoom-Linsensysteme zur Verwendung zur Erzeugung kleiner Bilder. In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung werden die durch das Linsensystem erzeugten, kleinen Bilder durch ein elektronisches Abbildungssystem erfasst, z. B. ein System, bei dem eine ladungsgekoppelte Vorrichtung (CCD) oder eine ähnliche lichtempfindliche, elektronische Komponente verwendet wird. Solche Systeme sind im Stand der Technik weithin bekannt, und Beschreibungen hiervon können in verschiedenen Referenzen gefunden werden, einschließlich Rose et al., „Physical Limits to the Performance of Imaging Systems," Physics Today, September 1989, Seiten 24–32 und die dort zitierten Referenzen; und Sequin et al., „Charge Transfer Devices," Advances in Electronics and Electron Physics, Suppl. 8, Hrsg. L. Marton, Academic Press, New York, 1975, wobei die relevanten Teile hiervon jeweils durch Bezugnahme aufgenommen werden.
Hintergrund der Erfindung
Elektronische Abbildungssysteme weisen den Vorteil auf, dass sie in der Lage sind, mit Bildern kleiner Größe zu arbeiten. Beispielsweise sind CCDs mit einer Diagonalen von etwa 4 mm (bekannt als ein 1/4 Inch CCDs) weithin erhältlich. CCDs mit Diagonalen von 5,5 mm (1/3 Inch CCDs) werden ebenfalls in breitem Umfang verwendet. Innerhalb dieser kleinen Größe weist eine typische CCD über 200.000 Pixel auf, was der Vorrichtung einer Auflösung in der Größenordnung von 70 Zyklen bzw. Perioden pro Millimeter an der Oberfläche des CCD gibt.
In der Vergangenheit wurden Linsensysteme mit fester Brennweite mit CCDs verwendet. Für viele Anwendungen sind solche Systeme unzureichend, da ein System mit fester Brennweite nicht gleichzeitig einen großen Sichtwinkel und eine ausreichende Auflösung gewährleistet, um eine detaillierte Untersuchung bestimmter Teile des Sichtfelds zu ermöglichen. Obwohl ein elektronisches Zoomen durchgeführt werden kann, d. h. ein Zoomen, wobei ein Teil des Felds ausgewählt wird und elektronisch so vergrößert wird, dass es die gesamte Bildschirmanzeige ausfüllt, erhöht ein solches Zoomen die Auflösung des ursprünglichen Bildes des mittels CCD aufgenommenen Bildes nicht. Alternativ kann die Auflösung des ursprünglichen Bildes verbessert werden, indem die Anzahl der CCD-Pixel erhöht wird, dieser Ansatz erhöht jedoch die Kosten der Vorrichtung beträchtlich, und Beugungseffekte begrenzen das Ausmaß, auf welches die Pixelgröße verringert werden kann.
Es besteht daher ein Bedürfnis nach Linsensystemen mit variabler Vergrößerungskraft zur Verwendung mit elektronischen Abbildungssystemen. Wie aus dem Stand der Technik bekannt ist, können Linsensysteme mit variabler Vergrößerungskraft eine diskrete Anzahl von Brennweiten aufweisen, an welchen das Bild an einem festgelegtem Ort im Brennpunkt liegt, z. B. ein duales Vergrößerungssystem, oder können eine Brennweite aufweisen, welche kontinuierlich variierbar ist, wobei ein fokussiertes Bild an einem festen Ort erzeugt wird, z. B. ein Zoom-Linsensystem. Alternativ braucht der Bildort nicht fest beibehalten werden, wobei in diesem Fall entweder die Detektionsvorrichtung, z. B. der CCD, oder das Linsensystem bewegbar ist, wenn die Brennweite des Linsensystems entweder diskret oder kontinuierlich verändert wird. Die vorliegende Erfindung stellt ein Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft zur Verwendung mit jeder dieser Konfigurationen bereit.
Eine Anzahl von Zoom-Linsensystemen sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispiele sind Tsuchida et al., U.S. Patent-Nummer 4,810,071, Mihara et al ., U.S. Patent-Nummer 4,906,079, Hata, U.S. Patent-Nummer 5,009,491 und Ozawa, U.S. Patent-Nummer 5,054,897. Linsensysteme dieser Typen wurden gemäß den nachfolgenden Prinzipien aus der Praxis der Gestaltung herkömmlicher Linsen entwickelt:

(1) Die Herstellungskosten eines Linsenelements werden hauptsächlich durch das Volumen des Elements und dessen Oberflächenbereich bestimmt. Aus diesem Grund versuchen die Linsengestalter für die meisten gewerblichen Anwendungen, die Linsenelementdurchmesser und dicken im Verhältnis zur Bildgröße zu minimieren.
(2) Bei der Gestaltung von Zoomlinsen bewegt sich üblicherweise eine oder beide der Pupillen während des Zoomens. Dies bedeutet, dass die Linsendurchmesser erhöht werden müssen, um das gesamte Bildbündel durch den Zoombereich zu übertragen. Um diese Zunahme der Linsendurchmesser zu minimieren (siehe Prinzip (1) oben), verwenden Linsengestalter typischerweise Linsenelemente mit relativ großen Vergrößerungen. Dies wiederum führt zu erhöhten Abbildungsfehleranteilen aufgrund der hohen Vergrößerungskräfte, und erfordert die Einbeziehung mehrerer Linsenelemente zur Korrektur der Abbildungsfehler. Nach herkömmlichem Wissen wurden jedoch mehr Linsenelemente gewählt, im Gegensatz zu größeren Elementen.

Ohno, U.S. Patent-Nummer 5,357,374, offenbart ein Zoom-Linsensystem zur Verwendung in einer Photokamera, bei dem drei Linsenelemente in einer Negativ-Positiv-Negativ- oder einer Negativ-Positiv-Positiv-Anordnung verwendet werden. Bei dem Ohno-Linsensystem werden starke, dünne Linsenelemente verwendet, welche beträchtliche Abbildungsfehler in das System einbringen, so dass der kleinste f-Wert, der für eines der Beispiele nach Ohno berichtet wird, 7,6 beträgt. Das Ohno-System ist auf solche relativ kleinen Aperturen begrenzt, da die Abbildungsfehler des Systems übermäßig wären, wenn die Apertur erhöht würde. Im Gegensatz dazu werden mit dem Linsensystem der vorliegenden Erfindung durch die Verwendung schwacher, dicker Linsenelemente große Aperturen erreicht.
Zusammenfassung der Erfindung
Gemäß der vorliegenden Erfindung wurde gefunden, dass die oben diskutierten, herkömmlichen Ansätze zu übermäßig teuren und komplizierten Gestaltungen führen, wenn sie für das Problem der Bereitstellung eines Linsensystems mit großer Apertur und variabler Vergrößerungskraft eingesetzt werden, welches ein für die Erfassung durch ein elektronisches Abbildungssystem geeignetes, kleines Bild erzeugt. Insbesondere wurde gemäß dieser Erfindung gefunden, dass durch Erhöhung der Dicke der Linsenelemente relativ zur Bildgröße, sowie durch Vergrößerung der Lufträume zwischen Linsenelementen, vereinfachte Linsengestaltungen mit hervorragenden optischen Eigenschaften bei niedrigeren Kosten bereitgestellt werden können. Insbesondere können in bestimmten Ausführungsformen Linseneinheiten mit dem System verwendet werden, die nur ein Linsenelement enthalten, wobei diese noch eine hervorragende Korrektur des Gesamtbildfehlers zeigen.
Diese Wirkung tritt auf, da obwohl die Herstellungskosten mit kleiner werdendem Volumen eines Linsenelements abnehmen, ein Punkt erreicht wird, wo diese Kostenverminderung sich abschwächt. Dieser Punkt der abnehmenden Kostenverringerung entspricht im Allgemeinem Linsenelementen, deren Durchmesser kleiner als ungefähr 10 Millimeter beträgt. Diese Durchmesser sind als solche groß im Verhältnis zur Größe der Bilder, die durch das elektronische Abbildungssystem erfasst werden, obwohl aus Kostengesichtspunkten die Linsenelemente klein sind.
Demgemäß werden bei der Durchführung der vorliegenden Erfindung dicke Linsenelemente verwendet, deren Durchmesser und Dicken groß sind im Verhältnis zur Bildgröße, deren absolute Größe jedoch klein ist. Solche dicken Linsenelemente erlauben die Verwendung von Linsenoberflächen mit verminderter Vergrößerungskraft. Dies wiederum vermindert die durch die Oberflächen erzeugten Abbildungsfehler. Da die Linsenelemente insgesamt eine kleine absolute Größe aufweisen, können sie weiterhin wirtschaftlich entweder aus Glas oder Kunststoff geformt werden. Ein solches Formen erlaubt wiederum die Verwendung asphärischer Oberflächen, die zur weiteren Verminderung der Abbildungsfehler des Systems gestaltet werden können.
Die Linsensysteme mit variabler Vergrößerungskraft dieser Erfindung beinhalten drei Linseneinheiten. Die vom Objektende des Systems ersten und zweiten Linseneinheiten weisen eine negative und eine positive Vergrößerungskraft auf. Die dritte Linseneinheit weist allgemein eine positive Vergrößerungskraft auf, kann jedoch in einigen Fällen negativ sein. Jede der drei Linseneinheiten beinhaltet ein oder mehrere Linsenelemente.
Die ersten und zweiten Einheiten weisen Vergrößerungskräfte bzw. Vergrößerungen auf, deren Ausmaß relativ klein im Vergleich zur gesamten, stärksten Vergrößerung des Systems sind. Insbesondere sind die absoluten Werte der Brennweiten mindestens einer und vorzugsweise beider der ersten und zweiten Einheiten des Linsensystems größer als etwa das 1,3fache von f_min, wobei f_min die Brennweite des Systems an dessen kürzester Brennweitenposition ist, d. h. des breitesten Sichtfelds. Ähnlich ist die dritte Linseneinheit ebenfalls im allgemeinen schwach, d. h. deren Brennweite ist im Allgemeinen größer als etwa das 1,3fache von f_min.
Zusätzlich dazu, dass sie schwache Linseneinheiten aufweisen, haben die Linsensysteme dieser Erfindung auch dicke Linsenelemente. Insbesondere beinhalten die Linsensysteme mindestens ein Linsenelement, dessen Dicke größer als etwa das 0,5fache von f_min ist, und enthalten bevorzugt mindestens zwei solcher Linsenelemente und in einigen Fällen mindestens drei solcher Elemente. In einigen Ausführungsformen kann eines der dicken Linsenelemente Teil eines Doublets sein (siehe Beispiel 7).
In bestimmten Ausführungsformen der Erfindung beinhaltet die erste Linseneinheit und/oder die zweite Linseneinheit eine Oberfläche, welche eine relativ starke Vergrößerungskraft im Vergleich zur Gesamtvergrößerung der Einheit, in der sie enthalten ist, aufweist. Diese starken Oberflächen dienen dazu, eine Abbildungsfehlerkorrektur für das Linsensystem bereitzustellen.
In anderen Ausführungsformen weist die dritte Linseneinheit eine positive Vergrößerung auf und beinhaltet eine Oberfläche an dessen Bildseite, die zu dem Bild konkav ist. Diese Ober fläche gewährleistet ebenfalls eine Abbildungsfehlerkorrektur für das Linsensysem.
Wie durch die unten dargestellten Beispiele illustriert wird, können durch diese Erfindung Linsensysteme mit variabler Vergrößerungskraft bereitgestellt werden, insbesondere Zoom-Linsensysteme mit einer eingeschränkten Zahl von Linsenelementen, die jeweils eine niedrige Vergrößerung im Vergleich zur Gesamtvergrößerung des Systems aufweisen, z. B. in einigen Fällen nur drei Linsenelemente mit relativ niedriger Vergrößerungskraft, anstatt vieler Linsenelemente, von denen mindestens einige sehr stark sind, wie im Stand der Technik. Solche Linsensysteme gewährleisten einen kosteneffektiven Weg zur Erzeugung kleiner Bilder variierender Vergrößerung zur Erfassung durch ein elektronisches Abbildungssystem.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 bis 9 sind schematische Seitenansichten von den Linsensystemen, die gemäß dieser Erfindung konstruiert wurden. Der obere Teil jeder dieser Figuren zeigt das Linsensystem in seiner kurzen effektiven Brennweiten(EFL)-Konfiguration, während der untere Teil es in der langen EFL-Konfiguration zeigt.
Diese Zeichnungen, die einbezogen sind und Teil der Beschreibung sind, illustrieren die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erklärung der Prinzipien der Erfindung. Es versteht sich selbstverständlich, dass sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht beschränken.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Wie oben beschrieben, betrifft die vorliegende Erfindung Linsensysteme mit variabler Brennweite, bei der schwache Linseneinheiten und Linsenelemente mit beträchtlicher Dicke eingesetzt werden. Durch Verwendung schwacher Einheiten, dicker Elemente und asphärischer Oberflächen, kann die Erfindung große Aperturen von f/2,0 oder weniger und ein breites Gesamtsichtfeld von 70 Grad oder mehr erreichen.
Weiterhin kann ein breiter Bereich von Zoom-Verhältnissen erreicht werden. Insbesondere kann in dem einfachsten Fall eine 2 : 1-Zoomverhältnis erreicht werden, wobei nur drei einzelne Linsenelemente verwendet werden, d. h. ein negatives erstes Linsenelement, ein positives zweites Linsenelement, das sich zur Bewirkung einer Änderung der internen Vergrößerung während des Zoomens bewegt, und ein positives drittes Element, wobei sich eines oder beide der ersten und dritten Linsenelemente bewegen, um beim Zoomen eine Kompensation vorzusehen.
Wenn die Brennweite vergrößert wird, entweder durch Erhöhung des Zoomverhältnisses oder durch Änderung des Zoombereichs zu längeren Brennweiten, kann eine Korrektur verbleibender chromatischer Aberrationen erforderlich sein. Dies kann erreicht werden, indem nur die dritte Linseneinheit zusammengesetzt ist. (Sowie hier und in den Ansprüchen verwendet, ist eine zusammengesetzte Komponente, z. B. eine Doublette, nicht ein „einzelnes Linsenelement".)
Als eine Alternative kann die dritte Linseneinheit eine beugende Oberfläche aufweisen, um die chromatische Aberration zu korrigieren, z. B. kann die dritte Linseneinheit aus einem Element aufgebaut sein, das als ein brechendes-beugendes Hybrid element hergestellt wird. Die Herstellung solcher Elemente ist bekannt. Siehe beispielsweise C. Londono „Design and Fabrication of Surface Relief Diffractive Optical Elements, or Kinoforms, with Examples for Optical Athermalization," Ph.D. diss., Tufts University, 1992, und die dort zitierten Referenzen, wobei die relevanten Teile alle durch Bezugnahme aufgenommen werden. Beugende Oberflächen weisen das Problem der Beugungseffizienz auf, d. h. es kommen nicht sämtliche Größenordnungen in einen perfekten Brennpunkt. Dieser Effekt wird oft als „Glänzen" oder „Blenden" (Englisch: „glare") angesehen. Für eine elektronische Abbildungssystem-Anwendung kann das Beugungseffizienzproblem durch digitale Prozessierung des elektronischen Bildes angegangen werden.
Wenn erwünscht, kann die chromatische Aberration in den ersten und/oder zweiten Linseneinheiten korrigiert werden, entweder allein oder in Kombination mit einer Korrektur in der dritten Linseneinheit, obwohl eine Korrektur nur in der dritten Linseneinheit am bevorzugtesten ist.
Für monochromatische CCDs ist es im Allgemeinen nicht wichtig, dass die Ausgangspupille des Linsensystems telezentrisch ist. In diesem Fall liegt der bevorzugte Ort des Aperturstopps hinter der zweiten Einheit. Wenn eine telezentrische oder nahezu telezentrische Ausgangspupille erforderlich ist, z. B. für Farb-CCDs, kann der Aperturstopp zu einer Position vor oder innerhalb der zweiten Einheit bewegt werden.
Wenn nur eine Änderung der Brennweite (Sichtfeld) zwischen zwei Extremen erforderlich ist, können die erste und dritte Einheit fest sein, und eine positive zweite Einheit kann entlang der Brennweite bewegt werden, ohne eine Refokussierung der zwei Extrema zu erfodern.
Um den Zoombereich zu erhöhen, kann eine feste positive Linseneinheit (U4) vor der negativen ersten Linseneinheit angeordnet werden. In dieser Gestaltung wird die negative erste Linseneinheit der Brennweitenveränderer zum Zoomen und die positive zweite Linseneinheit wird der Kompensator. Wie in Beispiel 6 illustriert ist, können die zweite und dritte Linseneinheit, wenn erwünscht, zusammen zur Kompensation bewegt werden.
Da die erfindungsgemäßen linsensystembildenden Linseneinheiten eine kleine Masse aufweisen, können sie leicht unter Verwendung von Vorrichtungen mit geringer Leistung bewegt werden, wie beispielsweise kleinen Motoren, elektromagnetischen Einrichtungen und Ähnlichem. Dem gemäß können die Linsensysteme direkt auf eine Platine bzw. Schaltplatte gesetzt werden, welche ein CCD oder eine ähnliche Vorrichtung trägt.
Beispiele
Ohne zu beabsichtigen, in irgend einer Weise einzuschränken, wird die vorliegende Erfindung durch die Beispiele der 1–9 und die entsprechenden Beschreibungen in den Tabellen 1–9 illustriert. Linseneinheiten, Linsenelemente und Linsenoberflächen werden durch „U", „L" und „S"-Zahlen in den Figuren angegeben.
Wie üblich sind die Figuren mit der langen Konjugierten links und der kurzen Konjugierten rechts gezeichnet. Demgemäß ist in der typischen Anwendung der Erfindung das zu sehende Objekt auf der linken Seite und ein elektronisches Abbildungssystem, z. B. ein System, bei dem CCD – eingesetzt werden, ist auf der rechten Seite.
Die in den Tabellen 1–9 bezeichneten Gläser und Kunststoffe sind in Tabelle 10 angegeben, wobei die Glasnamen die Bezeichnungen von Schott und Hoya sind. Equivalente Materialien, die von anderen Herstellern erzeugt werden, können für die Durchführung der Erfindung verwendet werden.
Die in den Tabellen angegebenen asphärischen Koeffizienten dienen zur Verwendung in der folgenden Gleichung:
wobei z die Oberflächenabsenkung bei einem Abstand y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse an der optischen Achse ist, und k eine konische Konstante ist, die 0 ist, ausgenommen wenn sie angegeben ist.
Die in den Tabellen verwendeten Abkürzungen sind wie folgt:
SN – Oberflächenzahl; CLR. AP. – Klare Apertur; FIELD – halbes Sichtfeld; EFL – Effektive Brennweite; FVD – Vorderseitiger Scheitelabstand; f/ – f-Wert; BFL – Hintere Brennweite; ENP – Eingangspupille; EXP – Ausgangspupille; BRL – Rohrlänge. Die Bezeichnungen „a" und „ac" im Zusammenhang mit verschiedenen Oberflächen bedeuten „asphärisch" und „asphärisch mit einer konischen Konstante". Die in Tabellen 4 und 5 verwendeten Sternchen stellen eine beugende Oberfläche dar. Sämtliche in den Tabellen angegebene Dimensionen sind in Millimetern.
Beispiel 1
Dieses Beispiel zeigt ein Zoom-Linsensystem mit drei Elementen mit einer negativen ersten Linseneinheit, einer positiven zweiten Linseneinheit und einer positiven dritten Linseneinheit. Die erste Linseneinheit ist während des Zoomens fest, die zweite Linseneinheit gewährleistet die Änderung der Vergrößerung des Systems und die dritte Linseneinheit ist der Kompensator. Dieses System gewährleistet ein 1,7 Zoom-Verhältnis von 3,8 mm bis 6,5 mm.
Beispiel 2
Dieses Beispiel zeigt ein anderes Zoom-Linsensystem mit drei Elementen mit einer negativen ersten Linseneinheit, welche während des Zoomens fest bleibt, einer positiven zweiten Linseneinheit, welche sich bewegt, um die Brennweite des Systems zu verändern, und einer positiven dritten Linseneinheit, welche als Kompensator dient. Dieses System weist ein Zoom-Verhältnis von 2,0 auf, sowie ein maximales Sichtfeld von 72 Grad bei einer Apertur von f/1,7. Das Linsensystem dieses Beispiels weist ein größeres Sichtfeld auf, d. h. eine kürzere Brennweite, als das von Beispiel 1 und verwendet die Dicke des vorderen Linsenelements zur Bereitstellung eines höheren Grads an Feldkrümmungskorrektur als in Beispiel 1.
Beispiel 3
Dieses Beispiel illustriert die Verwendung einer farbkorrigierenden Doublette in der dritten Linseneinheit. Wie in Beispielen 1 und 2 ist die erste Linseneinheit negativ und bleibt während des Zoomens fest, die zweite Linseneinheit ist positiv und bewegt sich, um die Brennweite des Linsensystems zu ändern, und die dritte Linseneinheit ist positiv und dient als Kompensator. Das Zoom-Verhältnis für dieses System beträgt 1, 84 .
Beispiele 4 und 5
Diese Beispiele illustrieren die Verwendung einer beugenden Oberfläche (S6/S7) in der dritten Linseneinheit, um eine Farbkorrektur zu gewährleisten. Die in den Tabellen für diese Beispiele verwendeten Sternchen stellen den Brechungsindex und die Abbe-Zahlen, die in dem Sweatt-Model für eine beugende Oberfläche verwendet werden, dar, d. h. einen N_e-Wert von 9999 und einen V_e-Wert von –3,4. Siehe W. C. Sweatt, „Mathematical Equivalence between a Holographic Optical Element and an Ultra High Index Lens," Journal of the Optical Society of America, 69:486–487, 1979. In jedem dieser Beispiele ist die erste Linseneinheit negativ und fest, die zweite Linseneinheit ist positiv und bewegt sich zum Zoomen und die dritte Linseneinheit ist positiv und dient als Kompensator.
Beispiel 6
Dieses Beispiel illustriert die Verwendung einer positiven Linseneinheit (U4) auf der Objektseite der ersten Linseneinheit (U1). Diese positive Linseneinheit dient zur Erhöhung des Zoom-Bereichs des Systems, in diesem Fall auf 2,25. Das System diesen Beispiels bewegt die erste Linseneinheit zum Zoomen und die zweite und dritte Linseneinheit zur Kompensation. Die dritte Linseinheit beinhaltet ein farbkorrigierendes Doublet.
Beispiel 7
Dieses Beispiel illustriert ein System mit einer entfernten Ausgangspupille. Die erste Linseneinheit ist negativ und wäh rend des Zoomens fest. Die zweite Linseneinheit ist positiv und bewegt sich zwischen den ersten und dritten Linseneinheiten, um eine zweifache Vergrößerung ohne eine Änderung der Brennpunktposition vorzusehen. Die dritte Linseneinheit ist ein positives Doublet, welches eine Farbkorrektur gewährleistet. Der Aperturstopp für dieses System liegt innerhalb der zweiten Linseneinheit und bewegt sich mit dieser Einheit. Für bestimmte Anwendungen z. B. für das Anschauen von Dokumenten, kann das System bei verschiedenen Objektabständen für dessen verschiedene Brennweiten für einen konstanten Bildabstand fokussiert werden, z. B. kann das System für dessen kurze Brennweitenposition auf unendlich fokussiert werden, und kann für dessen lange Brennweitenposition auf eine nähere Distanz, z. B. 25–50 Zentimeter, fokussiert werden.
Beispiel 8
Dieses Beispiel ist ähnlich zu dem Linsensystem von Beispiel 2, wobei die dritte Einheit zur Farbkorrektur zusammengesetzt ist. Oberflächen S6 und S7 sind jeweils ungefähr parabolförmig, um große Oberflächenvergrößerungen für eine wirksame Farbkorrektur bereitzustellen.
Beispiel 9
Dieses Beispiel ist ebenfalls ähnlich dem Linsensystem von Beispiel 2. In diesem Fall ist die dritte Einheit aus zwei identischen Linsenelementen zusammengesetzt, welche eine verbesserte Abbildungsfehlerkorrektur erlauben, ohne eine wesentliche Erhöhung der Gesamtkosten des Systems.
Von den vorhergehenden Beispielen sind Beispiele 1–6 Zoomsysteme, während Beispiele 7–9 Zweifachvergrößerungssysteme sind.
Insbesondere sind Beispiele 7–9 zur Erzeugung einer 2 : 1-Veränderung der Vergrößerung zwischen deren langen und kurzen Brennweitenpositionen ausgelegt.
Im Fall der Zweifachvergrößerungssysteme sei angemerkt, dass die gleichen optischen Elemente zur Erzeugung eines anderen Vergrößerungsbereichs als 2 : 1 verwendet werden können, indem einfach die Grenzen der Bewegung der zweiten Linseneinheit und der Abstand zwischen dem Linsensystem und der Bildebene verändert werden. Dies kann durch die Veränderung eines Linsenrohrs vorgenommen werden, welches veränderbare Stopps für die zweite Linseneinheit beinhaltet, und ein Aufsatzsystem für das Linsenrohr, das Abstandsänderungen zwischen dem Rohr und der Bildebene erlaubt. Alternativ können die gleichen Linsenelemente mit unterschiedlichen Linsenrohren mit unterschiedlichen Stopps und/oder mit unterschiedlichen Linsenrohraufsätzen verwendet werden, die verschiedene Abstände zwischen dem Linsensystem und der Bildebene gewährleisten.
Tabellen 11–14 fassen verschiedene Eigenschaften der Linsensysteme der 1–9 zusammen. Insbesondere gibt Tabelle 11 die Vergrößerungen der ersten, zweiten und dritten Einheiten (Φ_U1, Φ_U2, Φ_U3) an, sowie die Vergrößerungen der stärksten Konkave-zu-Bild-Oberfläche der ersten und zweiten Einheiten (Φ_U1S, Φ_U2S). Es sei angemerkt, dass die zweite Einheit des Linsensystems von Beispiel 7 nicht eine Oberfläche enthält, die zum Bild konkav ist. Wie durch diese Tabelle gezeigt ist, beinhalten alle Linsensysteme der Erfindung mindestens eine Konkave-zu-Bild-Oberfläche, welche im Verhältnis zu der Vergrößerung der Einheit stark ist, d. h. Φ_U1S/Φ_U1 > 1,0 oder Φ_U2S/Φ_U2 > 1,0, und viele der Systeme weisen eine solche Oberfläche sowohl in der ersten und der zweiten Einheit auf, d. h. Φ_U1S/Φ_U1 > 1,0 und Φ_U2S/Φ_U2 > 1,0.
Tabelle 12 gibt die Arbeitsvergrößerung jeder Einheit bei ihrer kurzen Brennweitenposition (M_W) und der langen Brennweitenposition (M_T) an. In Beispielen 1–5 und 7–9 befindet sich die erste Einheit am Objektende des Linsensystems, und daher ist dessen Arbeitsvergrößerung immer 0. Demgemäß enthält Tabelle 12 keine Einträge für die erste Einheit bei diesen Beispielen.
Es ist bekannt, dass die Brennweite eines optischen Systems als das Produkt der Brennweite der am nächsten zum Objekt befindlichen Systemeinheit und dem Produkt der Arbeitsvergrößerungen der nachfolgenden Einheiten ist. Demgemäß kann für ein variables Brennweitensystem die Einheit, die am meisten zur Änderung der Brennweite des Systems zwischen dessen maximalen und minimalen Brennweiten beiträgt, bestimmt werden, indem das Verhältnis der Arbeitsvergrößerungen der Einheiten des Systems bei der maximalen und minimalen Brennweite des Systems bestimmt wird, d. h. M_T/M_W. Dieses Verhältnis ist in Tabelle 12 angegeben und es zeigt sich, dass es für die Linsensysteme der Erfindung die zweite Einheit ist, die den Großteil der Änderungen der Brennweite des Systems zwischen dessen maximaler und minimaler effektiver Brennweite gewährleistet.
Tabelle 13 gibt die Brennweiten der ersten, zweiten und dritten Einheiten (f₁, f₂, f₃) an und vergleicht diese Brennweiten mit den minimalen Brennweiten des Systems (f_min). Wie anhand dieser Tabelle ersichtlich ist, sind für alle Beispiele die ersten und zweiten Linseneinheiten relativ schwach dahin gehend, dass deren Brennweiten größer als das 1,3fache der minimalen Brennweite des Systems sind. Ähnlich ist das f₃/f_mi _n-Verhältnis für alle Beispiele größer als 1.3.
Tabelle 14 gibt die Verhältnisse der Dicken (T₁, T₂, T₃, T₄ und T₅) der verschiedenen Linsenelemente der Beispiele 1–9 zu f_mi _n an. Wie in dieser Tabelle gezeigt ist, weisen alle Beispiele mindestens ein Linsenelement auf, für welches das Verhältnis größer als 0,5 ist, zwei der Beispiele (Beispiele 3 und 9) haben zwei Linsenelemente diesen Typs, fünf der Beispiele (Beispiele 1,2,4,6 und 8) weisen drei solche Linsenelemente auf, und ein Beispiel (Beispiel 7) weist vier solche Elemente auf. Die Verwendung dicker Linsenelemente in den Linsensystemen der Erfindung ist daher aus Tabelle 14 offensichtlich.
Obwohl bestimmte Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und illustriert wurden, versteht sich, dass eine Vielzahl an Modifikationen, die nicht vom Umfang und dem Gedanken der Erfindung abweichen, dem Fachmann anhand der vorhergehenden Offenbarung offenbart werden. Es ist beabsichtigt, dass die folgenden Ansprüche die bestimmten hier beschriebenen Ausführungsformen sowie solche Modifikation, Variationen und Äquivalente beinhalten.
Tabelle 1
Tabelle 2
Tabelle 3
Tabelle 3 (Fortsetzung)
Tabelle 4
Tabelle 5
Tabelle 6
Tabelle 6 (Fortsetzung)
Tabelle 7
Tabelle 8
Tabelle 9
Tabelle 10
Tabelle 11
Tabelle 12
Tabelle 13
Tabelle 14

Claims

Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft zum Bilden eines Bildes eines Objektes, wobei das System eine minimale Brennweite f_min aufweist und gekennzeichnet ist durch: (a) eine erste Linseneinheit mit einer negativen Vergrößerungskraft und einer Brennweite f₁; (b) eine zweite Linseneinheit, welche (i) auf der Bildseite der ersten Linseneinheit ist, (ii) eine positive Vergrößerungskraft aufweist und (iii) eine Brennweite f₂ aufweist; und (c) eine dritte Linseneinheit, welche auf der Bildseite der zweiten Linseneinheit ist und eine Brennweite f₃ aufweist; wobei die Brennweite des Linsensystems änderbar ist durch Ändern des Abstandes zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit; das Verhältnis von f₂ zu f_mi _n größer als etwa 1,3 ist; optionalerweise das Verhältnis des Absolutwerts von f₁ zu f_min größer als etwa 1,3 ist; das Linsensystem zumindest zwei Linsenelemente aufweist, für die das Verhältnis der Dicke des Elements zu f_mi _n größer als etwa 0,5 ist; und die erste Linseneinheit nur negative Linsenelemente mit einer negativen Vergrößerungskraft ϕ_U1 gleich 1/f₁ aufweist und eine Linsenoberfläche aufweist, die: (i) zum Bild konkav ist; und (ii) eine negative Vergrößerungskraft ϕ_U1S aufweist, wobei das Verhältnis von ϕ_U1S zu ϕ_U1 größer als 1, 0 ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft zum Bilden eines Bildes eines Objektes, wobei das System eine minimale Brennweite f_min aufweist und gekennzeichnet ist durch: (a) eine erste Linseneinheit mit einer negativen Vergrößerungskraft und einer Brennweite f₁; (b) eine zweite Linseneinheit, welche (i) auf der Bildseite der ersten Linseneinheit ist, (ii) eine positive Vergrößerungskraft aufweist, (iii) eine Brennweite f₂ aufweist und (iv) aus einem einzelnen Linsenelement besteht; und (c) eine dritte Linseneinheit, welche auf der Bildseite der zweiten Linseneinheit ist und eine Brennweite f₃ aufweist; wobei die Brennweite des Linsensystems änderbar ist durch Ändern des Abstandes zwischen der ersten Linseneinheit und der zweiten Linseneinheit; das Verhältnis von f₂ zu f_min, größer als etwa 1,3 ist; optionalerweise das Verhältnis des Absolutwerts von f₁ zu f_min größer als etwa 1,3 ist; das Linsensystem zumindest ein Linsenelement aufweist, für das das Verhältnis der Dicke des Elements zu f_mi _n größer als etwa 0,5 ist; und die zweite Linseneinheit eine positive Vergrößerungskraft ϕ_U2 gleich 1/f₂ aufweist und eine Linsenoberfläche aufweist, die: (i) konkav zum Bild ist; und (ii) eine positive Vergrößerungskraft ϕ_U2S aufweist, wobei das Verhältnis von ϕ_U2S zu ϕ_U2 größer als 1,0 ist; und die dritte Linseneinheit eine positive Vergrößerungskraft aufweist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Verhältnis des Absolutwerts von f₃ zu f_min größer als etwa 1,3 ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das System eine maximale effektive Brennweite f_max aufweist; die zweite Linseneinheit beweglich ist; zumindest eine der ersten und dritten Linseneinheit beweglich ist; und der Großteil der Änderung der Brennweite des Linsensystems zwischen seiner maximalen und minimalen effektiven Brennweite durch Bewegen der zweiten Linseneinheit vorsehbar ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei die erste Linseneinheit nur negative Linsenelemente aufweist, eine negative Vergzößerungskraft ϕ_U1 gleich 1/f₁ aufweist, und eine Linsenoberfläche aufweist, die: (i) konkav zum Bild ist, und (ii) eine negative Vergrößerungskraft ϕ_U1S aufweist, wobei das Verhältnis von ϕ_U1S zu ϕ_U1 größer als 1, 0 ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die dritte Linseneinheit zumindest zwei Oberflächen aufweist, welche eine optische Vergrößerungskraft haben, wobei die dem Bild nächstgelegene Oberfläche eine Gesamtgestalt hat, die konkav zum Bild ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die zweite Linseneinheit zumindest zwei Oberflächen aufweist, welche eine optische Vergrößerungskraft haben, wobei die dem Bild nächstgelegene Oberfläche eine Gesamtgestalt aufweist, die konkav zum Bild ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die dritte Linseneinheit eine Einrichtung zum Korrigieren der chromatischen Aberration des Linsensystems aufweist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach Anspruch 8, wobei die Einrichtung zum Korrigieren der chromatischen Aberration des Linsensystems eine diffraktive optische Oberfläche oder ein farbkorrigierendes Doublet aufweist, wobei vorzugsweise jedes der Linsenelemente des Doublets eine annähernd parabolische Oberfläche aufweist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 9, gekennzeichnet durch eine vierte Linseneinheit auf der Objektseite der ersten Linseneinheit, wobei die vierte Linseneinheit eine positive Vergrößerungskraft aufweist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 10, wobei die zweite Linseneinheit aus einem Meniskuselement besteht.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach Anspruch 11, wobei das Meniskuselement zum Objekt hin konvex ist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei das System zumindest eine asphärische Oberfläche aufweist.
Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft nach einem der Ansprüche 1 bis 13, wobei das System ein Zoom-Linsensystem ist.
Optisches System, dadurch gekennzeichnet, daß es ein Linsensystem mit variabler Vergrößerungskraft aufweist, wie in einem der Ansprüche 1 bis 14 beansprucht, und ein elektronisches Abbildungssystem zum Erfassen des durch das Linsensystem produzierten Bildes.
Optisches System nach Anspruch 15, wobei das elektronische Abbildungssystem eine ladungsgekoppelte Vorrichtung aufweist.