WO2020083763A1 - Optisches system für ein unterwasserobjektiv - Google Patents

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Andreas KAISER-FEUERSTEIN
Dirk Döring
Andrea Berner
Mario Sondermann
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Jenoptik AG
Carl Zeiss Jena GmbH
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Carl Zeiss Jena GmbH
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    • G02B13/04—Reversed telephoto objectives
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B27/00—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00
    • G02B27/0025—Optical systems or apparatus not provided for by any of the groups G02B1/00 - G02B26/00, G02B30/00 for optical correction, e.g. distorsion, aberration
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B9/00—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or -
    • G02B9/34—Optical objectives characterised both by the number of the components and their arrangements according to their sign, i.e. + or - having four components only

Definitions

  • Optical systems for underwater use have an optically transparent interface between water and the optical system in the form of a front element.
  • this front element is often designed as a concentric meniscus, dome optics or as a flat glass plate.
  • a disadvantage of a flat plate as a front element is that it introduces severe color defects and extreme distortion into the optical system.
  • a flat plate due to total reflection also excludes a large object field (FOV).
  • FOV object field
  • Dome optics or a concentric meniscus as the front element can also be disadvantageous, since in particular a very strong curvature of the image field is thereby produced.
  • an optical wide-angle system consisting of a protective window, a basic system and a field lens.
  • the basic system provides a high quality image.
  • the upstream protective window represents a concentric meniscus and separates an examination room in which the object to be imaged is located from the room in which the basic system is located.
  • the examination room can be filled with a liquid, e.g. B. water.
  • the quality of the image of the basic system should be preserved for the entire wide-angle system if the field lens is arranged behind the basic system at a certain distance, which compensates for the Petzval curvature of the concentric meniscus of the protective window.
  • this optical system is that it can be adapted to different examination rooms, which are closed off by concentric menisci and which can be filled with different media, by compensating for the image errors caused by the meniscus with a simple field lens.
  • an imaging system which functions on its own and which is arranged behind a protective window in front of which there is a liquid medium, continues to function in an unrestricted imaging quality by being influenced by one of the protective window correcting field lens is added.
  • an imaging system corrected for use in the medium air is supplemented by two additional lenses, namely the concentric meniscus and the field lens, in order to e.g. B. to be used in the medium of water with the same image quality.
  • a refractive power F of approximately - 0.056 / mm results for the protective glass designed as a concentric meniscus.
  • the front element should advantageously have a comparatively high refractive power.
  • the refractive power (in air) F of the front element the condition: -0.1 / mm ⁇ F ⁇ -0.002 / mm
  • the refractive index of the glass from which the front element is made the condition: ni ⁇ 2.0
  • the center thickness d of the front element Condition 5 mm ⁇ d ⁇ 50 mm
  • the ratio between the refractive power (in air) F, the refractive index ni and the central thickness d meet the condition: F * ni * d ⁇ -0.09.
  • the relevant parameters of the front element can be changed in this context without having to make complex corrections to the parameters of the subsystem.
  • the influence of the front element which represents the interface between water and glass, is minimized with regard to the field curvature, color errors and distortion.
  • a front element enables the correction of residual errors close to the diffraction limit, even for compact and bright systems.
  • the field of view (FOV) of the optical system advantageously has an image angle of> 40 °.
  • the refractive index of the glass used for the front element is advantageously adapted to the refractive index of water n H 2o.
  • the glass for the front element thus advantageously has a (preferably low) refractive index ⁇ 1, 7 and particularly advantageously a refractive index ni ⁇ 1, 5.
  • the optical system is advantageously designed such that the f-number Fl # lies in a range from 0.8 ⁇ Fl # ⁇ 6.
  • the optical system is advantageously designed such that telecentric imaging with a main beam angle ⁇ 5 ° is made possible over the entire image field.
  • extended requirements for the optical system as a component of a measuring system, such as a stereo camera structure, can thus be met.
  • the optical system is advantageously dependent on the depth of the water in which the optical system can be used Customizable water pressure.
  • the invention will be explained in more detail below using exemplary embodiments.
  • Fig. 1 shows a simplified optical diagram of a first embodiment with parameters relevant to the description and
  • FIG. 2 shows a simplified optical diagram of a second exemplary embodiment with parameters relevant to the description.
  • All exemplary embodiments of the optical system for an underwater lens contain a front element 1 and a subsystem 2 consisting of several lenses, the front element 1 being a negative lens with a convexly curved entrance surface 1.1 with a first radius n, a concave curved exit surface 1.2 with a second radius r 2 and a center thickness is d.
  • the refractive power (in air) F of the front element 1 fulfills the condition: -0.1 / mm ⁇ F ⁇ -0.002 / mm.
  • the refractive index ni of the glass from which the front element 1 is made fulfills the condition: ni ⁇ 2.0 and the center thickness d fulfills the condition: 5 mm ⁇ d ⁇ 50 mm.
  • the ratio F * ni * d ⁇ -0.09 must be fulfilled between the refractive power (in air) F, the refractive index ni and the central thickness d.
  • FIG. 1 shows a first advantageous exemplary embodiment for use in a water depth of up to 200 m.
  • the product of the refractive power F, the refractive index ni and the center thickness d results in a value of -0.141.
  • the individual values for F, ni and d meet the conditions essential to the invention, as does the product of F, and d.
  • the center element d of the front element 1 is adapted to the prevailing pressure conditions.
  • the changes in the optical system caused by the change in thickness were compensated for by adapting the first radius n and the second radius r 2 .
  • the center thickness d 20 mm
  • the first radius n 77.2 mm
  • the product of the refractive power F, the refractive index ni and the center thickness d results in a value of -0.493.
  • the specific values of the individual parameters meet the conditions determining the essence of the invention.

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Abstract

Optisches System für ein Unterwasserobjektiv mit einem Frontelement (1) und einem aus mehreren Linsen bestehenden Teilsystem (2), wobei das Frontelement (1) eine Negativlinse mit einer konvex gekrümmten Eintrittsfläche (1.1) mit einem ersten Radius (r1), einer konkav gekrümmten Austrittsfläche (1.2) mit einem zweiten Radius (r2) und einer Mittendicke (d) ist, eine Brechkraft in Luft F aufweist und aus einem Glas mit einer Brechzahl (n1) besteht, wobei das Verhältnis zwischen der B rech kraft in Luft F, der Brechzahl (n1) und der Mittendicke (d) folgende Bedingung F*n1*d ≤ -0,09 erfüllt, wobei - 0,1/mm ≤ F ≤ -0,002/mm, n1 ≤ 2,0 und 5 mm ≤ d ≤ 50 mm ist.

Description

Optisches System für ein Unterwasserobiektiv
Optische Systeme für die Unterwasseranwendung verfügen über eine optisch transparente Schnittstelle zwischen Wasser und dem optischen System in Form eines Frontelementes. Dieses Frontelement ist gemäß dem Stand der Technik häufig als konzentrischer Meniskus, Domoptik oder als eine plane Glasplatte ausgeführt. Aus diesen unterschiedlichen Frontelementen ergeben sich unterschiedliche Anforderungen an die nachfolgenden optischen Elemente des optischen Systems.
Nachteilig an einer Planplatte als Frontelement ist, dass sie starke Farbfehler und extreme Verzeichnung in das optische System einträgt. Außerdem wird durch eine Planplatte aufgrund von Totalreflexion ein großes Objektfeld (FOV) ausgeschlossen.
Eine Domoptik bzw. ein konzentrischer Meniskus als Frontelement kann ebenfalls nachteilig sein, da dadurch insbesondere eine sehr starke Bildfeldwölbung erzeugt wird.
Aus der US 4,856,880 A ist ein optisches System einer Fotokamera für Unterwasseranwendungen offenbart, mit einem Frontelement, gebildet durch eine Meniskuslinse mit einer negativen Brechkraft, wenn das Medium auf der Objektseite Wasser ist, das temperaturabhängig eine Brechzahl zwischen zirka 1 ,33 und 1 ,38 aufweist. Der bildseitige Radius der Meniskuslinse soll dabei die Bedingung (Designansatz) erfüllen, dass er größer dem 0,75-fachen und kleiner dem 2-fachen der bildseitigen Ersatzbrennweite des optischen Systems bei einer Fokussierung auf unendlich ist. Die angegebenen Ausführungsbeispiele, die mit konkreten optischen Parameterwerten belegt sind, gehen sämtlich von einer Dicke des Frontelementes von ca. 28 mm aus. Bei allen Ausführungsbeispielen ergibt sich aus den angegebenen Parameterwerten für das Frontelement eine Brechkraft F von ungefähr -0,002/mm.
Aus der DD 275 328 A1 ist ein optisches Weitwinkelsystem bekannt, bestehend aus einem Schutzfenster, einem Grundsystem und einer Feldlinse. Das Grundsystem liefert eine Abbildung hoher Qualität. Das vorgeordnete Schutzfenster stellt einen konzentrischen Meniskus dar und trennt einen Untersuchungsraum, in dem sich das abzubildende Objekt befindet, von dem Raum, in dem sich das Grundsystem befindet. Der Untersuchungsraum kann mit einer Flüssigkeit, z. B. Wasser, befüllt sein. Die Abbildungsgüte des Grundsystems soll dann für das gesamte Weitwinkelsystem erhalten bleiben, wenn hinter dem Grundsystem in einem bestimmten Abstand die Feldlinse angeordnet wird, welche die Petzvalwölbung des konzentrischen Meniskus des Schutzfensters gerade kompensiert. Der Vorteil dieses optischen Systems soll darin bestehen, dass es an verschiedene, durch konzentrische Menisken abgeschlossene Untersuchungsräume, die mit verschiedenen Medien befüllt sein können, angepasst werden kann, indem die durch den Meniskus jeweils entstehenden Bildfehler durch eine einfache Feldlinse ausgeglichen werden. Wesentlich an diesem in der vorgenannten DD 275 328 A1 offenbarten optischen Weitwinkelsystem ist, dass ein für sich allein funktionierendes Abbildungssystem, welches hinter einem Schutzfenster angeordnet ist, vor dem sich ein flüssiges Medium befindet, weiterhin in uneingeschränkter Abbildungsqualität funktioniert, indem es durch eine den Einfluss des Schutzfensters korrigierende Feldlinse ergänzt wird. Mit anderen Worten wird ein für die Verwendung in dem Medium Luft korrigiertes Abbildungssystem durch zwei zusätzliche Linsen, nämlich den konzentrischen Meniskus und die Feldlinse ergänzt, um z. B. im Medium Wasser mit gleicher Abbildungsqualität verwendet werden zu können.
Aus den angegebenen Parametern der Ausführungsbeispiele ergibt sich für das als konzentrischer Meniskus ausgebildete Schutzglas eine Brechkraft F von ungefähr - 0,056/mm.
Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein optisches System für ein kompaktes Objektiv zu finden, das zur Anwendung unter Wasser ausgelegt ist und bei dem eine Veränderung der Mittendicke des Frontelementes, zur Anpassung an verschiedenen Wassertiefen, höchstens geringe Anpassungen der anderen Systemparameter erfordert, um die Abbildungsqualität des Objektives beizubehalten.
Vorteilhaft soll das Frontelement eine vergleichsweise hohe Brechkraft aufweisen.
Diese Aufgabe wird mit einem optischen System für ein Unterwasserobjektiv gemäß Anspruch 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausführungen sind in den rückbezogenen Ansprüchen 2 bis 4 angegeben.
Es ist erfindungswesentlich, dass die Brechkraft (in Luft) F des Frontelementes die Bedingung: -0,1/mm < F < -0,002/mm, die Brechzahl des Glases, aus dem das Frontelement besteht, die Bedingung: ni < 2,0, die Mittendicke d des Frontelements die Bedingung: 5 mm < d < 50 mm und das Verhältnis zwischen der Brechkraft (in Luft) F, der Brechzahl ni und der Mittendicke d die Bedingung: F*ni*d < -0,09 erfüllen.
Für ein korrigiertes optisches System für ein Unterwasserobjektiv, das diesen Bedingungen gerecht wird, können die betreffenden Parameter des Frontelementes in diesem Rahmen verändert werden, ohne dass an den Parametern des Teilsystems aufwendige Korrekturen vorgenommen werden müssten.
Bei der Erfüllung der vorgenannten Bedingungen wird der Einfluss des Frontelementes, welches die Schnittstelle zwischen Wasser und Glas darstellt, bezüglich Bildfeldwölbung, Farbfehler und Verzeichnung minimiert. Außerdem ermöglicht ein solches Fronelement die Korrektur der Restfehler nahe am Beugungslimit, auch für kompakte und lichtstarke Systeme.
Vorteilhaft weist das Sichtfeld (FOV) des optischen Systems einen Bildwinkel von > 40° auf.
Vorteilhaft ist die Brechzahl des für das Frontelement verwendeten Glases an die Brechzahl von Wasser nH2o angepasst. Vorteilhaft weist das Glas für das Frontelement somit eine (möglichst niedrige) Brechzahl < 1 ,7 und besonders vorteilhaft eine Brechzahl n-i < 1 ,5 auf.
Das optische System ist vorteilhaft so ausgelegt, dass die Blendenzahl Fl# in einem Bereich von 0,8 < Fl# < 6 liegt.
Vorteilhaft wird das optische System so ausgelegt, dass eine telezentrische Abbildung mit einem Hauptstrahlwinkel < 5° über das gesamte Bildfeld ermöglicht wird. Damit können insbesondere erweiterte Anforderungen an das optische System als eine Komponente eines Messsystems, wie beispielsweise ein Stereokameraaufbau, erfüllt werden.
Vorteilhaft ist durch eine Änderung der Mittendicke (d), des ersten Radius (n) und des zweiten Radius (r2) des Frontelementes (1 ) das optische System auf einen von der Tiefe des Wassers, in der das optische System einsetzbar ist, abhängigen Wasserdruck anpassbar. Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert werden.
Hierzu zeigen:
Fig. 1 ein vereinfachtes Optikschema eines ersten Ausführungsbeispiels mit für die Beschreibung relevanten Parametern und
Fig. 2 ein vereinfachtes Optikschema eines zweiten Ausführungsbeispiels mit für die Beschreibung relevanten Parametern.
Alle Ausführungsbeispiele des optischen Systems für ein Unterwasserobjektiv enthalten ein Frontelement 1 und ein aus mehreren Linsen bestehendes Teilsystem 2, wobei das Frontelement 1 eine Negativlinse mit einer konvex gekrümmten Eintrittsfläche 1.1 mit einem ersten Radius n, einer konkav gekrümmten Austrittsfläche 1.2 mit einem zweiten Radius r2 und einer Mittendicke d ist. Die Brechkraft (in Luft) F des Frontelementes 1 erfüllt die Bedingung: -0,1/mm < F < -0,002/mm. Die Brechzahl ni des Glases, aus dem das Frontelement 1 besteht, erfüllt die Bedingung: ni < 2,0 und die Mittendicke d erfüllt die Bedingung: 5 mm < d < 50 mm. Dabei muss als weitere Bedingung zwischen der Brechkraft (in Luft) F, der Brechzahl ni und der Mittendicke d das Verhältnis F*ni*d < -0,09 erfüllt sein.
In Fig. 1 ist ein erstes vorteilhaftes Ausführungsbeispiel für die Verwendung in einer Wassertiefe bis 200 m dargestellt. Die konkreten dort angegebenen Werte einzelner Parameter erfüllen die für das Wesen der Erfindung bestimmenden Bedingungen.
Gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel wurden für das Frontelement 1 , aus einem Glas mit der Brechzahl ni = 1 ,62, die Mittendicke d = 7 mm, der erste Radius n = 50,1 mm und der zweite Radius r2 = 23,7 mm ausgewählt, woraus sich für das Frontelement 1 die Brechkraft F von 0,0124 ergibt. Für das Produkt aus der Brechkraft F, der Brechzahl ni und der Mittendicke d ergibt sich ein Wert von -0,141. Die einzelnen Werte für F, ni und d erfüllen ebenso die erfindungswesentlichen Bedingungen wie das Produkt aus F, und d.
Um darüber hinaus den Bereich der Tiefsee abzudecken, der bei Tiefen größer 200 m beginnt, in denen der steigende Wasserdruck große Kräfte auf das Frontelement 1 ausübt, wurde in einem zweiten vorteilhaften Ausführungsbeispiel, dargestellt in Fig. 2, das Frontelement 1 in seiner Mittendicke d an die herrschenden Druckverhältnisse angepasst. Die durch die Dickenänderung bewirkten Änderungen auf das optische System wurden durch eine Anpassung des ersten Radius n und des zweiten Radius r2 kompensiert. Für das Frontelement 1 , aus einem Glas mit der Brechzahl = 1 ,62, wurden die Mittendicke d = 20 mm, der erste Radius n = 77,2 mm und der zweite Radius r2 = 24,05 mm ausgewählt, woraus sich für das Frontelement 1 die Brechkraft F von 0,0152 ergibt. Für das Produkt aus der Brechkraft F, der Brechzahl ni und der Mittendicke d ergibt sich ein Wert von -0,493. Auch hier werden mit den konkret angegebenen Werten der einzelnen Parameter die für das Wesen der Erfindung bestimmenden Bedingungen erfüllt.
Bezugszeichenliste
1 Frontelement
1.1 Eintrittsfläche n erster Radius
1 .2 Austrittsfläche r2 zweiter Radius 2 Teilsystem d Mittendicke ni Brechzahl

Claims

Patentansprüche
1. Optisches System für ein Unterwasserobjektiv mit einem Frontelement (1 ) und einem aus mehreren Linsen bestehenden Teilsystem (2), wobei das Frontelement (1 ) eine Negativlinse mit einer konvex gekrümmten Eintrittsfläche (1.1 ) mit einem ersten Radius (n), einer konkav gekrümmten Austrittsfläche (1.2) mit einem zweiten Radius (r2) und einer Mittendicke (d) ist, eine Brechkraft in Luft F aufweist und aus einem Glas mit einer Brechzahl (n-i) besteht, dadurch gekennzeichnet,
dass das Verhältnis zwischen der Brechkraft in Luft F, der Brechzahl ( ) und der Mittendicke (d) folgende Bedingung F*ni*d < -0,09 erfüllt, wobei -0,1/mm < F <
-0,002/mm, < 2,0 und 5 mm < d < 50 mm ist.
2. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass das optische System für eine Blendenzahl Fl# zwischen 0,8 und 6 ausgelegt ist.
3. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass ein Sichtfeld des optischen Systems einen Bildwinkel von > 40° aufweist.
4. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass das optische System zur Schaffung einer telezentrischen Abbildung mit einem Hauptstrahlwinkel < 5° über ein gesamtes Bildfeld ausgelegt ist.
5. Optisches System nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet,
dass durch eine Änderung der Mittendicke (d), des ersten Radius (n) und des zweiten Radius (r2) des Frontelementes (1 ) das optische System auf einen von der Tiefe des Wassers abhängigen Wasserdruck anpassbar ist.
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