DE69836061T2

DE69836061T2 - Optisches Element mit mehreren Reflexionsflächen

Info

Publication number: DE69836061T2
Application number: DE69836061T
Authority: DE
Inventors: Takeshi Ohta-ku Akiyama
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1997-10-16
Filing date: 1998-10-15
Publication date: 2007-04-05
Anticipated expiration: 2018-10-16
Also published as: EP0909970A1; DE69836061D1; US6120156A; EP0909970B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein optisches Element und ein dieses aufweisendes optisches System und insbesondere ein optisches System, das z.B. mit Einfalls- und Ausfallsoberflächen und einer Vielzahl von reflektierenden Oberflächen auf der Oberfläche eines transparenten Teils bereitgestellt ist, und ein dieses aufweisendes optisches System. Dieses optische Element und dieses optische System sind geeignet für Bildaufnahmegeräte wie z.B. eine Videokamera, eine Standbildkamera und ein Kopiergerät zum Ausbilden eines Objektbilds eines Bildaufnahmeelements.
Stand der Technik
Es wurden bereits verschiedene foto-optische Systeme vorgeschlagen, die eine reflektierende Oberfläche wie z.B. einen konkaven Spiegel oder einen konvexen Spiegel einsetzen. 11 der Zeichnungen ist eine schematische Ansicht eines so genannten optischen Spiegelsystems, das einen konkaven Spiegel und einen konvexen Spiegel umfasst.
In dem optischen Spiegelsystem der 11 wird ein Objektlichtstrahl 104 von einem Objekt durch einen konkaven Spiegel 101 reflektiert, bewegt sich zu der Objektseite, während er konvergiert wird und wird durch einen konvexen Spiegel 102 reflektiert, wonach er auf eine Bildebene 103 abgebildet wird.
Dieses optische Spiegelsystem verwendet die Konstruktion eines so genannten Cassegrainischen reflektierenden Teleskops als Basis und ist darauf gerichtet, die volle Länge des optischen Systems durch das Zusammenfalten des optischen Wegs eines Telefoto-Linsensystems einer langen vollen Linsenlänge, das aus einer brechenden Linse besteht, durch die Verwendung von zwei reflektierenden Spiegeln zu verkürzen, die einander gegenüber angeordnet sind.
Ebenfalls ist in einem ein Objektiv-Linsensystem, das ein Teleskop bestimmt, aus einem ähnlichen Grund neben der cassegrainischen Art eine Anzahl von Arten bekannt, die die volle Länge des optischen Systems durch die Verwendung durch die Vielzahl von reflektierenden Spiegeln verkürzen.
Somit wurde durch das Verwenden von Reflexionsspiegeln anstelle einer fotografierenden Linse einer langen vollen Linsenlänge der optische Weg bisher wirkungsvoll gefaltet, um dabei ein kompaktes optisches Spiegelsystem zu erhalten.
Allgemein besteht jedoch in einem optischen Spiegelsystem wie z.B. einem Cassegrainischen Reflektor das Problem, dass ein Teil eines Objektstrahls von Licht durch den konvexen Spiegel 102 verdunkelt wird. Dieses Problem beruht auf der Tatsache, dass der konvexe Spiegel 102 sich in den Durchgangsbereich des Objektlichtstrahls befindet.
Um dieses Problem zu lösen, wurde ein fotografierendes optisches Spiegelsystem vorgeschlagen, das einen exzentrischen reflektierenden Spiegel verwendet, um zu vermeiden, dass ein anderer Abschnitt des optischen Systems, der den Durchgangsbereich des Objektlichtstrahls 104 schützt, d.h., dass der grundlegende Strahl des Lichtstrahls von einer optischen Achse getrennt wird.
12 der Zeichnungen ist eine schematische Ansicht eines fotografierenden optischen Spiegelsystems, das in dem US-Patent Nr. 3,674,334 offenbart ist, und dieses optische System löst das voran stehend erwähnte Problem der Verdunkelung dadurch, dass die Mittelachse eines reflektierenden Spiegels, der relativ zu der optischen Achse exzentrisch ist, selbst den grundlegenden Strahl des Objektlichtstrahls von der optischen Achse trennt.
Das optische Spiegelsystem der 12 weist einen konkaven Spiegel 111, einen konvexen Spiegel 113 und einen konkaven Spiegel 112 in dieser Reihe des Durchgangs des Lichtstrahls auf, und jeder von diesen ist mit Bezug auf eine optische Achse 114 ein rotationssymmetrischer Reflexionsspiegel, die durch gestrichelte Linien angezeigt ist. Verwendung wird nur von dem oberen Abschnitt des konkaven Spiegels 111 mit Bezug auf die optische Achse 114 gemacht, und nur von dem unteren Abschnitt des konvexen Spiegels 113 mit Bezug auf die optische Achse 114 und nur von dem unteren Abschnitt des konkaven Spiegels 112 mit Bezug auf die optische Achse, die in der Ebene der Zeichnung der 12 betrachtet wird, wobei dadurch ein optisches System konstruiert wird, in dem der grundlegende Strahl 116 eines Objektlichtstrahls 115 von der optischen Achse 114 getrennt wird und das Verdunkeln des Objektlichtstrahls 115 ausgeschlossen ist.
13 der Zeichnungen ist eine schematische Ansicht eines optischen Spiegelsystems, das in dem US-Patent Nr. 5 063 586 offenbart ist. Das optische Spiegelsystem der 13 löst das voran stehend erwähnte Problem dadurch, dass die Mittelachse eines reflektierenden Spiegels selbst relativ zu einer optischen Achse exzentrisch zu machen, um dabei den grundlegenden Strahl eines Objektlichtstrahls von der optischen Achse zu trennen.
In 13 sind die Mittelkoordinaten und Mittelachsen der reflektierenden Oberflächen eines konvexen Spiegels 122, eines konkaven Spiegels 123, eines konvexen Spiegels 124 und eines konkaven Spiegels 125 in der Reihenfolge des Durchgangs des Lichtstrahls (Achsen verknüpfen die Mitten der reflektierenden Oberflächen und die Mitten der Krümmung dieser Oberflächen miteinander) 122a, 123a, 124a und 125a relativ zu der optischen Achse 127 exzentrisch, wenn die vertikale Achse einer Objektoberfläche 121 als optische Achse 127 definiert ist. In 13 sind die Exzentrizitätsausmaße zu dieser Zeit und bei diesem Krümmungsradius von jeder Oberfläche geeignet eingestellt, um dabei das Verdunkeln des Objektlichtstrahls 128 durch jeden reflektierenden Spiegel zu verhindern und dabei zu bewirken, dass ein Objektbild wirkungsvoll auf einer Bildebene 126 ausgebildet wird.
Nebenbei offenbaren US-Patent Nr. 4 737 021 und US-Patent Nr. 4 265 510 ebenfalls eine Konstruktion, die einen Abschnitt eines reflektierenden rotationssymmetrischen Spiegelsystems mit Bezug auf eine optische Achse verwendet, um eine Auslöschung zu verhindern, oder eine Konstruktion, in der die Mittelachse eines reflektierenden Spiegels selbst exzentrisch relativ zu einer optischen Achse gemacht wird, um dabei eine Verdunkelung zu verhindern.
14 der begleitenden Zeichnungen zeigt ein afokales optisches System zum Beobachten, das vier reflektierende Oberflächen verwendet, das in dem US-Patent Nr. 5 309 276 offenbart ist. In 14 sind dritte und vierte Spiegel 203 und 204 so vorgesehen, dass ein Lichtstrahl von einem Objekt durch einen ersten Spiegel 201, einen zweiten Spiegel 202 und den dritten Spiegel 203 reflektiert werden kann und das vordere des ersten Spiegels 201 zweimal passieren kann, und dann rechtwinklig zu dem einfallenden Licht austreten und auf einer Pupille 205 abgebildet werden kann. Die Pupille eines Beobachters ist bei 205 angeordnet.
Als optische Elemente, in denen eine Anzahl von reflektierenden Oberflächen in einem Block gestaltet ist, wurden optische Prismen wie z.B. ein pentagonales Dachprisma und ein Porroprisma z.B. in einem Suchersystem oder ähnlichem verwendet.
In diesen Prismen ist einen Vielzahl von reflektierenden Oberflächen als Einheit ausgebildet und deswegen die relative positionale Relation zwischen den reflektierenden Oberflächen mit guter Genauigkeit hergestellt und die positionale Einstellung zwischen den reflektierenden Oberflächen wird unnötig. Jedoch ist es die Hauptfunktion dieser Prismen, die Bewegungsrichtung eines Lichtstrahls zu ändern, und dabei das Umkehren eines Bilds zu bewirken und jede reflektierende Oberfläche ist durch eine flache Oberfläche bestimmt.
Im Gegensatz dazu ist ebenfalls ein fotografierendes optisches System bekannt, in dem den reflektierenden Oberflächen eines Prismas eine Krümmung (Brechungskraft) gegeben wird.
15 der Zeichnungen ist eine schematische Ansicht von wesentlichen Abschnitten eines optischen Beobachtungssystems, das in US-Patent Nr. 4 775 217 offenbart ist. Dieses optische Beobachtungssystem beobachtet eine Szene in der Außenwelt und beobachtet ebenfalls ein Anzeigebild, das auf einem Informationsanzeigeteil in überlappendem Verhältnis mit der Szene angezeigt ist.
In diesem optischen Beobachtungssystem wird ein von dem Anzeigebild auf einem Informationsanzeigeteil 141 austretender Anzeigelichtstrahl 145, der von der einfallenden Oberfläche 148 eines Prismenteils eintritt, durch eine Oberfläche 142 reflektiert, bewegt sich zu der Objektseite und betritt eine konkave Oberfläche 143, die einen Halbspiegel umfasst. Er wird dann durch diese konkave Oberfläche 143 reflektiert, wonach der Anzeigelichtstrahl 145 im Wesentlichen durch die Brechungskraft der konkaven Oberfläche 143 zu einem parallelen Lichtstrahl gemacht wird, und durch die Oberfläche 142 gebrochen und übertragen wird, wonach er die Pupille 144 eines Beobachters betritt und dafür sorgt, dass der Beobachter das vergrößerte virtuelle Bild auf dem Anzeigebild erkennt.
Andererseits wird ein Objektlichtstrahl 146, der eine Oberfläche 147 betritt, die im Wesentlichen parallel zu der reflektierenden Oberfläche 142 ist, dabei gebrochen und kommt bei einer konkaven Oberfläche 143 an, die einen Halbspiegel umfasst. Ein halb übertragender Film ist durch Verdampfen auf der konkaven Oberfläche 143 abgelagert, und ein Teil des Objektlichtstrahls 146 wird durch die konkave Oberfläche 143 übertragen und wird durch die Oberfläche 142 gebrochen und durch diese durch übertragen, wonach er die Pupille 144 des Beobachters betritt. Dabei bestätigt der Beobachter visuell das Anzeigebild in überlappendem Verhältnis mit der Szene der Außenwelt.
16 der Zeichnungen ist eine schematische Ansicht der essentiellen Abschnitte eines optischen Beobachtungssystems, das in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 2-297516 offenbar ist. Dieses optische Beobachtungssystem beobachtet ebenfalls eine Szene in der Außenwelt und beobachtet ein Anzeigebild, das auf einem Informationsanzeigeteil in überlappender Relation mit der Szene angezeigt ist.
In diesem optischen Beobachtungssystem wird ein Anzeigelichtstrahl 154, der von einem Informationsanzeigeteil 154 austritt, durch eine flache Oberfläche 157 übertragen, die ein Prisma Pa bestimmt, betritt das Prisma Pa und trifft auf eine reflektierende Oberfläche 151 auf, die eine parabolische Oberfläche umfasst. Der Anzeigelichtstrahl 154 wird durch diese reflektierende Oberfläche 151 reflektiert und wird ein konvergierender Lichtstrahl und wird auf einer fokalen Ebene 156 abgebildet. Der Anzeigelichtstrahl 154, der zu dieser Zeit durch die reflektierende Oberfläche reflektiert ist, kommt bei der fokalen Ebene 156 an, während er vollständig zwischen zwei parallelen flachen Oberflächen 157 und 158 reflektiert wird, die das Prisma Pa bestimmen, wobei das Ausdünnen des gesamten optischen Systems erreicht wird.
Als nächstes betritt der Anzeigelichtstrahl 154, der als divergentes Licht aus der fokalen Ebene 156 ausgetreten ist, einen Halbspiegel 152, der eine parabolische Oberfläche umfasst, während er vollständig zwischen der flachen Oberfläche 157 und der flachen Oberfläche 158 reflektiert wird, und wird durch diese Halbspiegel-Oberfläche 152 reflektiert und bildet zu der selben Zeit das vergrößerte virtuelle Bild auf dem Anzeigebild durch die Brechungskraft von diesem aus und wird im Wesentlichen ein paralleler Lichtstrahl und wird durch die Oberfläche 157 übertragen und betritt eine Pupille 153 eines Beobachters, um dafür zu sorgen, dass der Beobachter das Anzeigebild erkennt.
Andererseits wird ein Objektlichtstrahl 155 von der Außenwelt durch eine Oberfläche 158b übertragen, die ein Prisma Pb bestimmt, wird durch den Halbspiegel 152 übertragen, der eine parabolische Fläche umfasst, wird durch die Oberfläche 157 übertragen und betritt die Pupille 153 des Beobachters. Der Beobachter bestätigt visuell das Anzeigebild in überlappender Relation mit der Szene in der Außenwelt.
Außerdem sind als Beispiele, die ein optisches Element wie die reflektierende Oberfläche eines Prismas verwenden, optische Köpfe für optische Aufnahmen offenbart, z.B. in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 5-12704, japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 6-139612 usw. Diese sind derart, dass Licht von einem Halbleiterlaser durch eine Fresnel- Oberfläche oder eine Hologrammoberfläche reflektiert wird, wonach es auf die Oberfläche einer Scheibe abgebildet wird, und das reflektierte Licht von der Scheibe wird zu einem Erfasser gerichtet wird.
Andererseits hat der Anmelder wie aus 17 der Zeichnungen ersichtlich ist, ein optisches Spiegelsystem vorgeschlagen, bei dem ein Verringern der Größe durch die Verwendung eines optischen Elements erreicht wird, indem eine Vielzahl von gekrümmten reflektierenden Spiegeln oder flachen reflektierenden Oberflächen als Einheit ausgebildet sind und in denen dennoch die Dispositionsgenauigkeit (Zusammenbaugenauigkeit) der reflektierenden Spiegel lose gemacht ist, die haftend in dem optischen Spiegelsystem vorhanden sind. In 17 bezeichnet Bezugszeichen 51 ein Beispiel eines optischen Elements, in dem eine Vielzahl von gekrümmten, reflektierenden Oberflächen, die Krümmungen aufweisen, als eine Einheit ausgebildet sind, d.h. ein optisches Element mit, in Folge von der Objektseite, einer konkaven brechenden Oberfläche R2, fünf reflektierenden Oberflächen wie z.B. einem konkaven Spiegel R3, einem konvexen Spiegel R4, einem konkaven Spiegel R5, einem konvexen Spiegel R6 und einem konkaven Spiegel R7 und einer konvexen brechenden Oberfläche R8 und die Richtung einer Bezugsachse, die das optische Element 51 betritt, und die Richtung einer Bezugsachse, die aus dem optischen Element 51 austritt, sind im Wesentlichen parallel und liegen einander gegenüber. Bezugszeichen 52 bezeichnet eine optische Korrekturplatte wie z.B. einen Kristalltiefpassfilter oder einen Infrarotschnittfilter, Bezugszeichen 53 bezeichnet die Oberfläche eines Bildaufnahmeelements wie z.B. eine CCD, Bezugszeichen 54 bezeichnet eine Blende, die auf der Objektseite des optischen Elements 51 vorgesehen ist, und Bezugszeichen 55 bezeichnet die Bezugsachse eines fotografierenden optischen Systems.
Die Abbildungsrelation in 17 beschreibend weist Licht 56 von dem Objekt seine Menge von einfallendem Licht durch die Blende 54 reguliert auf, und betritt danach die konkave brechende Oberfläche R2 des optischen Elements 51.
Das Licht, das die konkave brechende Oberfläche R2 betreten hat, wird durch den konkaven Spiegel R3 reflektiert, nachdem das Objektlicht 56 durch die Kraft der konkaven brechenden Oberfläche R2 in divergentes Licht verwandelt wurde, und bildet durch die Kraft des konkaven Spiegels primär ein Objektbild auf einer Zwischenabbildungsebene R1 aus.
Das Objektlicht 56, das zuerst auf die Zwischenbildebene N1 abgebildet wurde, wiederholt die Reflexion durch den konvexen Spiegel R4, den konkaven Spiegel R5, den konvexen Spiegel R6 und den konkaven Spiegel R7 und gerät zu der konvexen brechenden Oberfläche R8, während es durch die Kraft von jedem reflektierenden Spiegel beeinträchtigt wird, und das durch die Kraft der konvexen brechenden Oberfläche R8 gebrochene Objektlicht 56 bildet auf der Oberfläche 53 des Bildaufnahmeelements ein Objektbild aus.
Wie voran stehend beschrieben wurde, funktioniert das optische Element 51 als Linseneinheit, die als ganzes eine gewünschte optische Leistung und eine positive Kraft aufweist, während das Brechen durch die einfallenden und austretenden Oberflächen und die Reflexion durch die Vielzahl von gekrümmten, reflektierenden Spiegeln, die Krümmungen aufweisen, wiederholt wird.
Ein optisches Spiegelsystem dieser Art ist ebenfalls in der japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 9-258104 offenbart.
JP 9-197337 A bestimmt ebenfalls weiteren relevanten Stand der Technik.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung betrifft Verbesserungen der optischen Elemente und optischen Systeme, die in 17 und der voran stehend erwähnten japanischen offengelegten Patentanmeldung Nr. 9 258 104 gezeigt sind, und weist als Aufgabe auf, ein optisches Element bereitzustellen, das kompakter ist als diese optischen Elemente, und ein optisches System, das kompakter ist als diese optischen Systeme.
Das optische System der Erfindung ist in dem anhängenden Anspruch 1 definiert.
In dem optischen Element ist die Vielzahl von reflektierenden Bereichen auf der Oberfläche eines transparenten Teils bereitgestellt, und es gibt ein Element, in dem das Licht, das das Innere des transparenten Teils aus einem bestimmten Bereich des transparenten Teils betreten hat, durch die Vielzahl von reflektierenden Bereichen in Folge reflektiert wird, und durch das Innere des transparenten Teils voranschreitet und danach aus einem anderen Bereich des transparenten Teils austritt.
Das optische System der Erfindung weist eines oder mehr der voran stehend beschriebenen Elemente auf.
Das Gerät der Erfindung weist eines oder mehr der voran stehend beschriebenen optischen Elemente auf. In diesem Gerät ist das optische Gerät ein Bestandteil eines optischen Systems, z.B. zum Fotografieren, Beobachten oder Messen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts der Ausführungsform 1 der Erfindung.
2 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts der Ausführungsform 1 der Erfindung.
3 zeigt die seitlichen Abweichungen der Ausführungsform 1 der Erfindung.
4 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts eines ersten Vergleichsbeispiels.
5 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts des ersten Vergleichsbeispiels.
6 zeigt die seitlichen Abweichungen des ersten Vergleichsbeispiels.
7 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts eines zweiten Vergleichsbeispiels.
8 ist eine schematische Ansicht des YZ-Querschnitts des zweiten Vergleichsbeispiels.
9 zeigt seitliche Abweichungen des zweiten Vergleichsbeispiels.
10 ist eine Darstellung des Koordinatensystems in einer Ausführungsform der Erfindung.
11 ist eine Darstellung eines Cassegrainischen Reflektors gemäß dem Stand der Technik.
12 ist eine schematische Ansicht von wesentlichen Abschnitten eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik.
13 ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Abschnitte eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik.
14 ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Abschnitte eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik.
15 ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Abschnitte eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik, das eine Prisma reflektierende Oberfläche aufweist.
16 ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Abschnitte eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik, das eine Prisma reflektierende Oberfläche aufweist.
17 ist eine schematische Ansicht der wesentlichen Abschnitte eines optischen Systems der Reflexionsart gemäß dem Stand der Technik.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
Bevor die Beschreibung der Ausführungsform eines optischen Systems (fotografierendes optisches System) begonnen wird, welches das optische Element der Erfindung verwendet, wird die Darstellungsweise der numerischen Werte der Konstruktion des optischen Elements der Erfindung und der gemeinsamen Gegenstände der gesamten Ausführungsform im Folgenden mit Bezug auf 10 beschrieben.
10 ist eine Darstellung eines Koordinatensystems, das die Daten der Konstruktion eines fotografierenden optischen Systems (optisches System) definiert, das das optische Element der Erfindung verwendet. In der Ausführungsform der Erfindung ist die i-te Oberfläche entlang eines Lichtstrahls (durch eine gestrichelte Linie in 10 bezeichnet und im Folgenden als Bezugsachsenstrahl des Lichts bezeichnet), der sich von der Objektseite zu der Bildebene bewegt, als die i-te Oberfläche definiert.
In 10 ist eine erste Oberfläche R1 eine Blende, eine zweite Oberfläche R2 eine brechende Oberfläche, die koaxial mit der ersten Oberfläche 1 liegt, eine dritte Oberfläche R3 eine reflektierende Oberfläche, die mit Bezug auf die zweite Oberfläche R2 geneigt ist, eine vierte Oberfläche R4 und eine fünfte Oberfläche R5 sind reflektierende Oberflächen, die verschoben und mit Bezug auf ihre entsprechenden vorangehenden Oberflächen geneigt sind, und eine sechste Oberfläche R6 ist eine brechende Oberfläche, die mit Bezug auf die fünfte Oberfläche R5 verschoben und geneigt ist.
Die zweite Oberfläche R2 bis zur sechsten Oberfläche R6 sind auf der Oberfläche eines transparenten Teils konstruiert, das aus einem Medium wie z.B. Glas oder Kunststoff ausgebildet ist, und bestimmen ein optisches Element R10.
In der Konstruktion der 10 ist das Medium von einer Objektoberfläche, die nicht gezeigt ist, zur zweiten Oberfläche R2 Luft, das Medium von der zweiten Oberfläche R2 zu der sechsten Oberfläche R6 ist ein bestimmtes gemeinsames Medium und das Medium von der sechsten Oberfläche R6 zu einer siebten Oberfläche R7 wie z.B. einer Linsenoberfläche oder einer reflektierenden Oberfläche oder eine Bildoberfläche, die nicht gezeigt sind, ist Luft.
Das fotografierende optische System der Erfindung ist ein exzentrisches optisches System und deswegen weisen die Oberflächen, die das optische System bestimmen, keine gemeinsame optische Achse auf. So ist in der Ausführungsform der Erfindung ein absolutes Koordinatensystem als erstes eingestellt, das die Mitte des wirkungsvollen Durchmessers eines Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche R1 als Ursprung hat.
In der ersten Ausführungsform der Erfindung ist der mittlere Punkt des wirkungsvollen Durchmessers des Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche R1 als der Ursprung TO definiert und ebenfalls ist der Weg eines Lichtstrahls (Bezugsachsenstrahl des Lichts) als Bezugsachse ST des optischen Systems definiert, der durch den Ursprung und die Mitte der letzten Abbildungsebene tritt. Außerdem weist die Bezugsachse ST in der Ausführungsform eine Richtung auf. Diese Richtung ist derart, dass die Richtung, in die der Bezugsachsenstrahl des Lichts sich während des Abbildens bewegt, positiv ist.
In der Ausführungsform der Erfindung ist die Bezugsachse, die den Bezug des optischen Systems bereitstellt, eingestellt, wie oben beschrieben, aber die Achse, die den Bezug des optischen Systems bereitstellt, kann durch Bestimmen und Aufnehmen einer Achse bereitgestellt werden, die im optischen Design, der Anordnung der Abweichungen oder der Ausdrücke der Formen der Oberflächen, die das optische System bestimmen, geeignet ist. Zum Beispiel können der Weg eines Lichtstrahls, der durch die Mitte der Bildebene und die Eingangspupille oder die Ausgangspupille oder die Mitte der ersten Oberfläche des optischen Systems oder die Mitte der letzten Oberfläche des optischen Systems tritt, als Bezugsachse eingestellt werden, die der Bezug des optischen Systems ist.
In der Ausführungsform der Erfindung ist die Bezugsachse auf den Weg eingestellt, entlang von dem der Lichtstrahl (Bezugsachsenstrahl des Lichts) durch den mittleren Punkt des wirkungsvollen Durchmessers des Lichtstrahls auf der ersten Oberfläche R1, d.h. der Blendenoberfläche tritt, und zu der Mitte der letzten Bildebene kommt, und durch jede brechende Oberfläche und jede reflektierende Oberfläche gebrochen bzw. reflektiert wird. Die Reihenfolge der Oberflächen ist auf die Reihenfolge eingestellt, in der die Bezugsachse des Lichtstrahls einer Brechung oder Reflexion ausgesetzt ist.
Entsprechend kommt die durch die Mitte der Blende (Oberfläche) tretende Bezugsachse bei der Mitte der Bildebene an, während sie ihre Richtung entlang der eingestellten Reihenfolge von Oberflächen gemäß dem Gesetz der Brechung oder Reflexion geändert aufweist.
Die geneigten Oberflächen wie z.B. die geneigten reflektierenden Oberflächen und geneigten brechenden Oberflächen, die das optische System jeder Ausführungsform der Erfindung bestimmen, sind alle grundlegend in der gleichen Ebene geneigt. So sind die Achsen des absoluten Koordinatensystems (X, Y, Z) definiert wie folgt:
Z-Achse: Die Bezugsachse, die durch den Ursprung TO zu der zweiten Oberfläche R2 tritt.
Y-Achse: Eine gerade Linie, die durch den Ursprung TO und im Uhrzeigersinn unter 90° mit Bezug auf die X-Achse in der geneigten Ebene (der Ebene der Zeichnung der 1) liegt.
X-Achse: Eine gerade Linie, die durch den Ursprung TO tritt und rechtwinklig zu der Z-Achse und der Y-Achse (eine gerade Linie, rechtwinklig zu der Ebene der Zeichnung der 1) liegt.
Um die Oberflächenform der i-ten Oberfläche darzustellen, die das optische System bestimmt, ist es auch verständlicher, beim Erkennen der Form ein lokales Koordinatensystem einzusetzen, das als Ursprung den Punkt aufweist, bei dem die Bezugsachse ST und die i-te Oberfläche einander schneiden und die Oberflächenform durch das lokale Koordinatensystem darstellt, als die Form der Oberfläche durch das absolute Koordinatensystem (X, Y, Z) darzustellen und deswegen kann die Oberflächenform der i-ten Oberfläche durch das lokale Koordinatensystem dargestellt sein, wenn die Konstruktionsdaten des optischen Systems der Erfindung zu bezeichnen sind.
In der Erfindung ist jedoch eine bestimmte Oberfläche ein Abschnitt eines wirkungsvollen Bereichs und ein Lichtstrahl wird darauf in einer Vielzahl von Wiederholungen reflektiert. Zu dieser Zeit fallen auf dieser Oberfläche der Bezugspunkt in dem Fall der ersten Reflexion und der Bezugspunkt in dem Fall der zweiten oder folgenden Reflexionen nicht immer zusammen.
In einigen Fällen fallen nämlich der Bezugspunkt des lokalen Koordinatensystems nicht zusammen.
In solch einem Fall sind die zweiten und folgenden reflektierenden Oberflächen in den Konstruktionsdaten des optischen Systems beschrieben, aber es sollte anzumerken sein, dass sie die gleichen wie die ersten reflektierenden Oberflächen sind.
Ebenfalls ist der Neigungswinkel der i-ten Oberfläche in der Y-Z-Ebene durch einen Winkel θi dargestellt (die Einheit ist Grad (°), in der die Richtung gegen den Uhrzeigersinn relativ zu der Z-Achse des absoluten Koordinatensystems positiv ist. Folglich ist in der Ausführungsform der Erfindung der Ursprung der lokalen Koordinaten von jeder Oberfläche in der Y-Z-Ebene in 1. Es besteht keine Exzentrizität der Oberfläche in der X-Z-Ebene und X-Y-Ebene. Außerdem sind die Y-Achse und die Z-Achse der lokalen Koordinaten (x, y, z) der i-ten Oberfläche durch den Winkel θi in der Y-Z-Ebene mit Bezug auf das absolute Koordinatensystem (X, Y, Z) geneigt und insbesondere eingestellt wie folgt:
z-Achse: Eine gerade Linie, die durch den Ursprung der lokalen Koordinaten durchtritt und gegen den Uhrzeigersinn den Winkel θi in der Y-Z-Ebene mit Bezug auf die Z-Achse des absoluten Koordinatensystems ausbildet.
y-Achse: Eine gerade Linie, die durch den Ursprung des lokalen Koordinatensystems durchtritt und gegen den Uhrzeigersinn unter 90° in der Y-Z-Ebene mit Bezug auf die Z-Achse ausbildet.
x-Achse: Eine gerade Linie, die durch den Ursprung des lokalen Koordinatensystems durchtritt und rechtwinklig zu der Y-Z-Ebene liegt.
Ebenfalls ist Di eine Menge eines Skalas, der den Abstand zwischen den Ursprüngen der lokalen Koordinaten der i-ten Oberfläche und der (i+1)-ten Oberfläche darstellt, und Ndi und vdi sind der Brechungsindex bzw. die Abbe-Zahl des Mediums zwischen der i-ten Oberfläche und der (i+1)-ten Oberfläche. Die Blende und die letzte Bildebene sind jeweils als eine Ebene bezeichnet. In einigen Fällen fallen die Bezugsachsen und der Ursprung der lokalen Koordinaten nicht zusammen und in solchen Fällen ist Di bedeutungslos und deswegen nicht gezeigt.
Eine bestimmte Ausführungsform des bestimmten Systems der Erfindung weist zumindest eine kugelige Oberfläche und eine oder mehrere rotationssymmetrische asphärische Oberflächen auf. Der kugelige Abschnitt weist seinen Krümmungsradius Ri als kugelige Form geschrieben auf. Das Zeichen des Krümmungsradius Ri ist negativ, wenn die Mitte der Krümmung auf der ersten Oberflächenseite entlang einer Bezugsachse (einer gestrichelten Linie in 1) liegt, die sich von der ersten Oberfläche zu der Bildebene bewegt und ist positiv, wenn die Mitte der Krümmung auf der Seite der Abbildungsebene liegt.
Die kugelige Oberfläche ist von einer Form, die durch den folgenden Ausdruck dargestellt ist:
Ebenfalls kann die zuvor erwähnte rotationsasymmetrische asphärische Oberfläche in der Erfindung durch den folgenden Ausdruck (1) ausgedrückt werden: Unter der Annahme, dass A = (a + b)·(y2·cos2t + x2) B = 2a·b·cost [1 + {(b – a)·y·sint/(2a·b)} + [1 + {(b – a)·y·sint/(a·b)} – {y2/(a·b)} – {4a·b·cos2t + (a + b)2sin2t}x2/(4a2b2cos2t]1/2, Z = A/B + C02y2 + C11xy + C20x2 + C03y3 + C12xy2 + C21x2y + C04Y4 + C13xy3 + C22x2y2 + C31x3y + C40x4 + ... (1)
Die Form der rotationsunsymmetrischen, asphärischen Oberfläche in der Erfindung ist eine oberflächensymmetrische Form, in der die y-z-Ebene alleine als symmetrische Ebene gemacht wird, indem die geradzahligen Begriffe auf Null gesetzt werden und lediglich die ungeradzahligen Begriffe mit Bezug auf x in dem Ausdruck der voranstehend erwähnten gekrümmten Oberfläche verwendet werden. Ebenfalls sind zu dieser Zeit die folgenden Bedingungen erfüllt: C03 ≠ C21 ≠ t ≠ 0Außerdem, C02 ≠ C20 C04 ≠ C40 ≠ C22/2.
In der Erfindung kann ebenfalls Verwendung von einer asphärischen Oberfläche gemacht werden, die keine symmetrische Oberfläche aufweist.
Jede Ausführungsform der Erfindung zeigt einen Fall, bei dem wie in 10 die erste Oberfläche eine Blende ist. Ebenfalls ist der horizontale Halbwinkel der Ansicht uY der maximale Blickwinkel eines Lichtstrahls, der die Blende R1 in der Y-Z-Ebene in 10 betritt und der vertikale Halbwinkel der Ansicht der uX ist der maximale Winkel der Ansicht eines Lichtstrahls, der die Blende R1 in der X-Z-Ebene betritt. Ebenfalls ist der Öffnungsdurchmesser in der Blende R1, die die erste Oberfläche ist, als Durchmesser der Blende bezeichnet. Dies ist in Bezug auf die Helligkeit des optischen Systems. In solch einem optischen System ist die Eingangspupille in der ersten Oberfläche angeordnet und deswegen ist der Durchmesser der Eingangspupille gleich dem voran stehend erwähnten Durchmesser der Blende.
In der Ausführungsform mit numerischen Werten zeigt ebenfalls das, was das Abbilden bei einem endlichen Abstand betrifft, Helligkeit durch den numerischen Wert der Öffnung der Objektseite gleich der numerischen Öffnung. Ebenfalls ist der wirkungsvolle Bildbereich auf der Bildebene als Bildgröße gezeigt. Die Bildgröße ist durch einen rechteckigen Bereich dargestellt, in dem die Größe in der y-Richtung der lokalen Koordinaten horizontal ist und die Größe in der x-Richtung der lokalen Koordinaten vertikal ist.
Ebenfalls ist die Größe des Koordinatensystems in jeder Ausführungsform gezeigt. Die Größe ist eine Größe, die durch den wirkungsvollen Durchmesser des Lichtstrahls definiert ist.
Ebenfalls sind mit Bezug auf jede Ausführungsform, in der die Konstruktionsdaten erwähnt sind, deren seitliche Abweichungen dargestellt. Die Diagramme der seitlichen Abweichung in der Ausführungsform zeigen die seitlichen Abweichungen von Lichtstrahlen in der y-Richtung und x-Richtung in den Fällen, dass der horizontale Einfallswinkel und der vertikale Einfallswinkel auf der Blende R1 (uY, uX), (0, uX), (–uY, uX), (uY, 0), (0, 0) und (–uY, 0) sind. In den Diagrammen der seitlichen Abweichungen stellt die Abzissenachse die Einfallshöhe auf die Pupille dar und die Ordinatenachse stellt das Ausmaß der Abweichung dar. In jeder Ausführungsform ist grundsätzlich jede Oberfläche von einer oberflächensymmetrischen Form, in der y-z-Ebene eine symmetrische Ebene ist und deswegen sind in den Diagrammen der Abweichung die Plus- und Minusrichtungen der vertikalen Blickwinkel die gleichen und somit sind die Diagramme der Abweichung in der Minusrichtung zur Vereinfachung der Darstellung ausgelassen.
Nun wird jede Ausführungsform des optischen Elements der Erfindung und eines optischen Systems (fotografierendes optisches System) beschrieben, das das selbige aufweist. 1 und 2 sind schematische Ansichten im Y-Z-Querschnitt der Ausführungsform 1, wenn das optische Element der Erfindung auf ein fotografierendes optisches System angewendet wird. In der Ausführungsform 1 ist der Fotografierblickwinkel derart gemacht, dass ein horizontaler Blickwinkel 12,2° ist und ein vertikaler halber Blickwinkel 16,1° ist. In 1 und 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 ein fotografierendes optisches System. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein optisches Element, das eine Vielzahl von gekrümmten, reflektierenden Oberflächen aufweist (zurück reflektierende Spiegel) und aus einem transparenten Material wie z.B. Glas oder Kunststoff ausgebildet ist. Das optische Element 10 bildet auf seiner Oberfläche eine konkave Brechungsoberfläche (einfallende Oberfläche) R2 aus, die eine negative Brechungskraft aufweist (=1/fokale Länge), drei reflektierende Oberflächen von positiver oder negativer Brechungskraft, d.h. eine reflektierende Oberfläche R3, eine reflektierende Oberfläche R4 und eine reflektierende Oberfläche R5 und eine konkave brechende Oberfläche (Austrittsoberfläche) R6, die eine negative Brechungskraft aufweist, in der Reihenfolge des Durchtritts der Lichtstrahlen von einem Objekt. R1 bezeichnet eine Blende (Eintrittspupille), die auf der Objektseite des optischen Elements 10 vorgesehen ist. Eine optische Korrekturplatte (optischer Block), wie z.B. ein Tiefpassfilter oder ein Infrarotschnittfilter wird gewöhnlich zwischen der Austrittsoberfläche R6 und der letzten Bildebene R7 bereitgestellt, ist aber in 1 und 2 nicht gezeigt.
Die letzte Bildebene R7 weist die Bildaufnahmeoberfläche auf einem Bildaufnahmeelement (Bildaufnahmemedium) wie z.B. einem darauf angebrachten CCD auf. Das fotografierende optische System 1 weist das optische Element 10 und einen optischen Block (nicht gezeigt) auf. Bezugszeichen 11 bezeichnet die Bezugsachse des fotografierenden optischen Systems 1.
Beide der zwei Brechungsoberflächen R2 und R6 des optischen Elements 10 umfassen drehsymmetrische kugelige Oberflächen und alle reflektierenden Oberflächen R3 bis R5 umfassen eine amorphe asphärische Oberfläche, die nur mit Bezug auf die Y-Z-Ebene symmetrisch ist.
Die reflektierende Oberfläche R3 und die reflektierende Oberfläche R5 umfassen einen Abschnitt der gleichen gekrümmten reflektierenden Oberfläche 100, wie aus 2 ersichtlich ist und die reflektierenden Oberflächen der wirkungsvollen reflektierenden Bereiche überlappen teilweise (sind gemeinsam) einander.
Der Abbildungsvorgang in der Ausführungsform wird beschrieben. Ein Lichtstrahl L1 von dem Objekt weist seine Menge einfallenden Lichts durch die Blende R1 reguliert auf, wonach er die einfallende Oberfläche R1, R2 des optischen Elements 10 betritt, durch die reflektierenden Oberflächen R3, R4 und F5 reflektiert wird, und danach aus der Austrittsoberfläche R6 austritt, und auf der letzten Abbildungsebene R7 durch einen Tiefpassfilter oder einen infrarot geschnittenen Filter, der nicht gezeigt ist, abgebildet wird.
In der Ausführungsform unterscheiden sich die Richtung der Bezugsachse 11, die die einfallende Oberfläche R2 des optischen Elements 10 betritt und die Richtung der Bezugsachse, die aus der Austrittsoberfläche R6 austritt voneinander. Ebenfalls sind die Bezugsachsen mit der Einfall- und Austrittsachse alle auf der Ebene der Zeichnung (Y-Z-Ebene).
Somit funktioniert das optische Element als Linseneinheit, die eine gewünschte optische Leistung aufweist und eine positive Brechungskraft als gesamtes durch die Brechungskraft durch die Einfall- und Austrittsoberflächen und die Brechungskraft durch eine Vielzahl von gekrümmten, reflektierenden Spiegeln darin aufweist.
Wenn in jeder Oberfläche in dem fotografierenden optischen System 1 von aus der Mitte der Objektoberfläche austretenden Lichtstrahlen der Lichtstrahl, der durch die Mitte der Blende R1 tritt, die in dem fotografierenden optischen System 1 definiert ist, als der Bezugsachsenstrahl des Lichts definiert ist, und der Bezugsachsenstrahl des Lichts, der jede Oberfläche betritt, als die Einfallsbezugsachse dieser Oberfläche definiert ist, und der Bezugsstrahl des Lichts, das aus jeder Oberfläche austritt, als die Ausfallsbezugsachse dieser Oberfläche definiert ist, und der Schnittpunkt zwischen den Einfalls- und Ausfallsbezugsachsen und jeder Oberfläche als Bezugspunkt definiert ist, ist jede reflektierende Oberfläche eine von der Achse entfernte reflektierende Oberfläche, in der die Einfalls- und Ausfallsbezugsachsen von diesen mit Bezug auf eine normale bei dem Bezugspunkt geneigt sind.
Das optische Element 10 umfasst ein von der Achse entferntes optisches Element, in dem zwei brechende Oberflächen und zwei oder mehr von der Achse entfernte reflektierende Oberflächen einstückig auf der Oberfläche des transparenten Teils ausgebildet sind.
Jede reflektierende Oberfläche ist durch die Verwendung des voran stehend erwähnten Ausdrucks (1) konstruiert, so dass die Brechungskraft in zwei Oberflächen (Y-Z-Oberfläche und X-Z-Oberfläche), die zueinander orthogonal liegen, sich unterscheiden kann und sie nur eine symmetrische Oberfläche aufweisen kann und ein wenig unter exzentrischer Abweichung leidet.
In der Ausführungsform wird das Fokussieren auf ein Objekt in einem kurzen Abstand durch das Bewegen des gesamten fotografierenden optischen Systems 1 relativ zu der Bildaufnahmeoberfläche R7 des Bildaufnahmeelements scharf gestellt.
3 zeigt die seitlichen Abweichungen des fotografierenden optischen Systems der Ausführungsform, wenn das Objekt sich in unendlicher Entfernung befindet. Bei dem Abweichungsdiagramm stellen punktierte Linien C-Strahlen dar, durchgehende Linien stellen D-Strahlen dar und gestrichelte Linien stellen F-Strahlen dar. Wie aus 3 ersichtlich ist, wird gemäß der Ausführungsform ein gut ausbalanzierter, korrigierter Zustand der Abweichungen erhalten.
Die Wirkung der Ausführungsform wird nun beschrieben.
In der Ausführungsform sind die reflektierende Oberfläche R3 und die reflektierende Oberfläche R5 ein Abschnitt der gleichen Oberfläche. Der Funktionsausdruck, der die Oberflächenformen der Oberflächen R3 und R5 beschreibt und die Position des Ursprungs der lokalen Koordinaten sind nämlich die gleichen (gemeinsam). Der wirkungsvolle Reflexionsbereich während der Reflexion der entsprechenden Oberflächen, ist derart, wie aus 2 ersichtlich ist, dass Teile des Bereichs einander überlappen und die reflektierenden Oberflächen davon gemeinsam sind.
In der Ausführungsform beträgt die Anzahl der reflektierenden Oberflächen dieses optischen Elements 1 zwei, aber die Frequenz der Reflexion von dem Zeitpunkt, nachdem ein Lichtstrahl das optische Element 1 betreten hat, bis es daraus austritt, beträgt drei.
Somit wird das optische Element 1 als Linseneinheit, die insgesamt einen Abbildungsvorgang durch die Brechkraft der Einfalls- und Austrittsoberflächen R2 und R6 und die Vielzahl von gekrümmten Reflexionsspiegeln in dieser aufweist, und die wirkungsvollen Bereiche der reflektierenden Oberflächen werden einander überlagert, um dabei die reflektierenden Oberflächen wirkungsvoll zu benutzen und somit ein kompaktes optisches Element zu erhalten.
4 und 5 sind schematische Ansichten eines ersten Vergleichsbeispiels des fotografierenden optischen Systems in dem Y-Z-Querschnitt.
In diesem Vergleichsbeispiel ist ein telezentrisches optisches System bei der Objektseite bereitgestellt, und der Fotografierbereich ist derart, dass die horizontale Objekthöhe 1,3 beträgt und die vertikale Objekthöhe 1,0 beträgt.
In 4 und 5 bezeichnet das Bezugszeichen 1 das fotografierende optische System. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein optisches Element, das eine Vielzahl von gekrümmten reflektierenden Oberflächen aufweist und auf einem transparenten Material wie z.B. Glas oder Kunststoff ausgebildet ist. Das optische Element 10 bildet auf seiner Oberfläche eine konkave, brechende Oberfläche (Einfallsoberfläche) R1 aus, die eine negative Brechungskraft aufweist, drei reflektierende Oberflächen von positiver oder negativer Brechungskraft, d.h. eine reflektierende Oberfläche R2, eine reflektierende Oberfläche R3 und eine reflektierende Oberfläche R4, und eine konkave Brechungsoberfläche (Austrittsoberfläche) R5, die eine negative Brechungskraft in der Reihenfolge des Durchtritts eines Lichtstrahls von einem Objekt aufweist. R0 bezeichnet die Objektoberfläche und R6 bezeichnet eine letzte Abbildungsebene auf der die Bildaufnahmeoberfläche eines Bildaufnahmeelements wie z.B. eine CCD angeordnet ist.
In 4 und 5 wird ein Lichtstrahl durch die Brechungsoberfläche R1 gebrochen, der von der Objektseite R0 kommt, wird durch die reflektierende Oberfläche R2, die reflektierende Oberfläche R3 und die reflektierende Oberfläche R4 in Folge reflektiert, wird durch die Brechungsoberfläche (Austrittsoberfläche) R5 gebrochen und auf der Abbildungsebene R6 abgebildet.
In diesem Vergleichsbeispiel sind die reflektierende Oberfläche R2 und die reflektierende Oberfläche R4 Abschnitte der gleichen Oberfläche. Der wirkungsvolle Bereich während der Reflexion durch die Oberfläche R2 und die Oberfläche R4 ist derart, wie durch 5 ersichtlich ist, dass Teile des Bereichs einander überlappen. Ebenfalls sind die brechenden Oberflächen R1 und die reflektierende Oberfläche R3 Abschnitt der gleichen Oberfläche, aber der wirkungsvolle Bereich ist derart, wie aus 5 ersichtlich ist, dass Teile davon einander überlappen.
Ebenfalls sind die seitlichen Abweichungen des fotografierenden optischen Systems dieses Vergleichsbeispiels in 6 ersichtlich. In dem Diagramm der seitlichen Abweichung repräsentiert die Achse der Abszisse des numerischen Werts der Öffnung der Objektseite (numerische Öffnung).
7 und 8 sind schematische Ansichten eines zweiten Vergleichsbeispiels des fotografierenden optischen Systems in dem Y-Z-Querschnitt. In diesem Vergleichsbeispiel ist der fotografierende Blickwinkel derart gemacht, dass ein horizontaler halber Blickwinkel 3° und ein vertikaler halber Blickwinkel 4° beträgt.
In 7 und 8 bezeichnet Bezugszeichen 1 das fotografierende optische System. Bezugszeichen 10 bezeichnet ein optisches Element, das eine Vielzahl von gekrümmten reflektierenden Oberflächen aufweist (oberflächenreflektierende Spiegel). Das optische Element 10 bildet vier reflektierende Oberflächen von positiver oder negativer Brechungskraft aus, d.h. eine reflektierende Oberfläche R2, eine reflektierende Oberfläche R3, eine reflektierende Oberfläche R4 und eine reflektierende Oberfläche R5 in der Reihenfolge des Durchtritts eines Strahls von Licht von einem Objekt. R1 bezeichnet eine Blende (Eintrittspupille), die auf der Objektseite des optischen Elements 10 vorgesehen ist, und R6 bezeichnet eine letzte Abbildungsebene.
In 7 und 8 wird ein Lichtstrahl, der von der Objektseite kommt und durch die Blende R1 tritt, durch die reflektierenden Oberflächen R2, R3, R4 und R5 reflektiert und auf die Abbildungsebene R6 abgebildet. In diesem Vergleichsbeispiel sind die reflektierende Oberfläche R2 und die reflektierende Oberfläche R5 Abschnitte der gleichen Oberfläche. Die wirkungsvollen Bereiche der Oberfläche R2 und der Oberfläche R5 während der Reflexion sind derart, wie aus 8 ersichtlich ist, dass Teile des Bereichs einander überlappen.
Ebenfalls ist in diesem Vergleichsbeispiel der Bezugspunkt (Bezugsachse-(Strahl)-Einfallsposition)) der reflektierenden Oberfläche R2 und der Bezugspunkt (Bezugsachsen-(Strahl-)Einfallsposition) der reflektierenden Oberfläche R5 fallen miteinander zusammen. Der Bezugsachsenstrahl wird nämlich zweimal bei einem bestimmten Punkt auf einer bestimmten Reflexionsoberfläche in unterschiedlichen Einfallswinkeln reflektiert.
In diesem Vergleichsbeispiel ist die Anzahl der reflektierenden Oberflächen dieses optischen Elements 3, aber die Frequenz der Reflexion von dem Zeitpunkt, nachdem der Lichtstrahl das optische Element 10 betreten hat, bis er daraus austritt, ist viermal.
Die seitlichen Abweichungen des fotografierenden optischen Systems dieses Vergleichsbeispiels sind aus 9 ersichtlich. Das aus 7 und 8 ersichtliche optische System, das ähnlich zu den Fällen der 1 und 2 und 4 und 5 ist, kann eine Form annehmen, in der eine reflektierende Oberfläche auf einer Glas- oder Plastikoberfläche bereitgestellt ist, und Licht durch das Innere dieses transparenten Materials fortgepflanzt ist.
Dieses Vergleichsbeispiel wurde mit Bezug auf ein optisches System gezeigt, das durch die Verwendung von lediglich einem von der Achse entfernten optischen Element konstruiert wird, das eine reflektierende Oberfläche aufweist, die einen Lichtstrahl zweimal in dem gleichen Bereich reflektiert, aber das optische System der Erfindung ist nicht darauf beschränkt. Zum Beispiel kann eine Vielzahl von optischen Elementen verwendet werden, die von der Achse entfernt sind, oder ein von der Achse entferntes optisches Element kann mit einem gewöhnlichen optischen Element kombiniert werden, um dabei ein optisches System zu konstruieren.
Das optische Element der Erfindung ist nicht nur auf ein fotografierendes optisches System anwendbar, sondern ebenfalls auf verschiedene optische Systeme wie z.B. ein optisches Beobachtungssystem und ein optisches Messsystem.
Eine Ausführungsform mit numerischen Werten der Erfindung wird gezeigt.
Ausführungsbeispiel mit numerischen Werten 1

Horizontaler halber Blickwinkel 12,2(°)
Vertikaler halber Blickwinkel 16,1(°)
Blendendurchmesser 3,0
Bildgröße 4,6 × 6,2
Größe des optischen Systems 10,6 × 18,6 × 15,1
Kugelige Fläche
Oberfläche R2 r2 = –9,327
Oberfläche R6 r6 = –18,275
Asphärische Form
Oberfläche R3
C02 = –6,75929e–03 C20 = –1,30773 –02
C03 = 1,82596e–04 C21 = 4,11468e–04
C04 = –2,55821e–06 C22 = –1,65332e–05 C40 = 1,4164be–05
C05 = –8,68265e–08 C23 = 5,55654e–11 C41 = -1,12165e–06
Oberfläche R4
C02 = 7,90687e–03 C20 = 2,96748e–03
C03 = 5,08548e–04 C21 = 7,37020e–04
C04 = –3,40101e–05 C22 = –5,57552e–05 C40 = 1,13350e–05
C05 = 1,84673e–06 C23 = 3,45965e–06 C41 = –6,39160e–07
Oberfläche R5 (identisch zu Oberfläche r3)

Numerischer Wert des ersten Vergleichsbeispiels

Horizontale Objekthöhe 1,3
Vertikale Objekthöhe 1,0
Objektseite NA 0,30
Größe des optischen Systems 9,8 × 33,4 × 10,4
asphärische Form
Oberfläche R1
C02 = 1,91744e–04 C20 = –1,04633e–02
C03 = –1,27492e–04 C21 = –2,59627e–03
C04 = –1,32355e–05 C22 = –4,25904e–06 C40 = –9,27502e–05
C05 = –2,72566e–09 C23 = –4,65148e–08 C41 = –8,90157e–07
Oberfläche R2
C02 = –1,13909e–02 C20 = –1,45347e–02
C03 = 1,59333e–05 C21 = –1,62184e–03
C04 = –5,73381e–06 C22 = 2,89604e–05 C40 = 1,39684e–06
C05 = 7,78702e–10 C23 = –2,30596e–08 C41 = –2,80683e–08
Oberfläche R3 (identisch zu Oberfläche R1)
Oberfläche R4 (identisch zu Oberfläche R2)
Oberfläche R5
C02 = 9,46092e–02 C20 = 4,85706e–02
C03 = 6,27350e–03 C21 = 1,49495e–04
C04 = 3,76912e–05 C22 = 1,65296e–04 C40 = –1,49041e–04
C05 = –3,75202e–11 C23 = 1,31138e–09 C41 = 6,61735e–09

Numerischer Wert des zweiten Vergleichsbeispiels

Horizontaler halber Blickwinkel 3,0(°)
Vertikaler halber Blickwinkel 4,0(°)
Blendendurchmesser 4,6
Bildgröße 2 × 2,6
Optische Systemgröße 9,8 × 18,0 × 15,1
asphärische Form
Oberfläche R2
C02 = –4,86013e–03 C20 = –4,11288e–03
C03 = –1,94648e–04 C21 = –3,10656e–06
Oberfläche R3
C02 = 2,18671e–04 C20 = 3,22588e–03
C03 = –5,96159e–04 C21 = 7,79411e–06
C04 = –4,23416e–05 C22 = 1,08687e–05 C40 = –8,05772e–06
Oberfläche R4
C02 = 0,00000e+00 C20 = 0,00000e+00
C03 = –1,22418e–03 C21 = –1,13943e–04
C04 = 5,16406e–05 C22 = 2,80217e–05 C40 = –2,03231e–05
Oberfläche R5 (identisch zu Oberfläche R2)

Gemäß der voran stehend beschriebenen Ausführungsform wird eine Vielzahl von reflektierenden Bereichen teilweise einander überlagert und deswegen kann der Raum der reflektierenden Oberflächen wirkungsvoll verwendet werden, und dies ist wirkungsvoll, um das gesamte optische System kompakt zu machen. Außerdem sind die brechenden Oberflächen und die reflektierenden Oberflächen teilweise einander überlagert, und deswegen ist es möglich, das gesamte optische System kompakter zu machen.

Claims

Optisches System (1) mit einem optischen Abbildungselement (10) mit einer Einfalloberfläche, einer Austrittsoberfläche und einer Vielzahl von reflektierenden Oberflächen auf einem transparenten Teil, und einer Blende (R1), die eine Eintrittspupille ausbildet, die auf der Objektseite des Elements vorgesehen ist, wobei das optische Abbildungselement umfasst: eine Vielzahl von reflektierenden Regionen (R2, R3, R4, R5) zum Reflektieren eines Lichtstrahls in Folge von der Einfalloberfläche (R2) in die Austrittsoberfläche (R6) des optischen Elements (10), wobei jede der Vielzahl von reflektierenden Regionen (R2, R3, R4, R5) eine gekrümmte Oberfläche umfasst, zumindest zwei der reflektierenden Regionen auf einer gemeinsamen reflektierenden Oberfläche ausgebildet sind, die die gleiche Krümmung teilen, so dass zumindest zwei reflektierende Regionen überlappen, wobei eine Bezugsachse (11) des Lichtstrahls durch die Mitte der Blende (R1) und die Mitte einer Bildoberfläche (R7) tritt, dadurch gekennzeichnet, dass ein optischer Weg der Bezugsachse des Lichtstrahls sich innerhalb des optischen Abbildungselements mit sich selbst schneidet.
Optisches System nach Anspruch 1, wobei die Form der reflektierenden Oberflächen in den reflektierenden Bereichen durch den folgenden Ausdruck dargestellt ist: unter der Annahme, dass: A = (a + b)·(y2·cos2t + x2) B = 2a·b·cos t [1 + {(b – a)·y·sint/(2a·b)} + [1 + {(b – a)·y·sint/(a·b)} – {y2/(a·b)} – {4a·b·cos2t + (a + b)2sin2t}x2/(4a2b2cos2t)]1/2], z = A/B + C02y2 + C11xy + C20X2 + C03y3 + C12xy2 + C21x2y + C04y4 + C13xy3 + C22x2y2 + C31x3y + C40x9 + ... (1)
Gerät mit dem optischen System nach Anspruch 1 oder 2.
Gerät nach Anspruch 3, wobei das optische Element innerhalb des optischen Systems die Bestandteile eines optischen Systems zum Fotografieren, Beobachten oder Messen sind.