DE10200841A1

DE10200841A1 - Variolinsensystem

Info

Publication number: DE10200841A1
Application number: DE10200841A
Authority: DE
Inventors: Sachiko Nasu; Eijiroh Tada
Original assignee: Asahi Seimitsu KK
Current assignee: Pentax Precision Co Ltd
Priority date: 2001-01-11
Filing date: 2002-01-11
Publication date: 2002-07-18
Anticipated expiration: 2022-01-12
Also published as: GB2371120B; GB0200611D0; DE10200841B4; US20020126393A1; JP3559526B2; US6683730B2; GB2371120A; JP2002207166A

Abstract

Ein Variolinsensystem enthält eine negative vordere Linsengruppe und eine positive hintere Linsengruppe. Die Brennweite des Variolinsensystems wird durch Ändern des Abstandes der beiden Linsengruppen voneinander variiert. Das Variolinsensystem erfüllt folgende Bedingungen: DOLLAR A (1) -3,0 < fx/Fw < -2,5 DOLLAR A (2) 3,0 < fy/Fw < 3,5 DOLLAR A worin DOLLAR A fx die mit kleiner als Null angesetzte Brennweite der vorderen Linsengruppe, DOLLAR A fy die mit größer als Null angesetzte Brennweite der hinteren Linsengruppe und DOLLAR A Fw die Brennweite des gesamten Variolinsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite bezeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Variolinsensystem, in dem die Brennweite veränderbar ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein, Variolinsensystem, das in verschiede nen Lichtwellenlängenbereichen, insbesondere im sichtbaren Bereich (etwa 400 bis 700 nm) bis zum Nahinfrarotbereich (etwa 700 bis 1000 nm) verwendbar ist.

Vorzugsweise hat eine Vermessungskamera ein Aufnahmelinsensystem, das zur Tageszeit eine Aufnahme im sichtbaren Bereich und zur Nachtzeit eine Aufnahme im Nahinfrarotbereich vornehmen kann. Einige solcher Aufnahmelinsensysteme finden praktische Verwendung. Es bereitet jedoch immer noch Schwierigkeiten, die Aberrationen, insbesondere die chromatische Aberration ausgehend vom sichtbaren Bereich bis hin zum Nahinfrarotbereich angemessen zu korrigieren, ohne die Linsenanordnung übermäßig kompliziert werden zu lassen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Variolinsensystem anzugeben, das in der Lage ist, die Aberrationen im sichtbaren Bereich und im Nahinfrarotbereich angemes sen zu korrigieren.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch das Variolinsensystem mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung angegeben.

Die Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 die Linsenanordnung eines Variolinsensystems als erstes Ausfüh rungsbeispiel bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 2A, 2B und 2C die in der Linsenanordnung nach Fig. 1 auftretenden Aberrationen,

Fig. 3 die Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels bei der Ein stellung längster Brennweite,

Fig. 4A, 4B und 4C die in der Linsenanordnung nach Fig. 3 auftretenden Aberrationen,

Fig. 5 die Linsenanordnung eines Variolinsensystems als zweites Ausfüh rungsbeispiel bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 6A, 6B und 6C die in der Linsenanordnung nach Fig. 5 auftretenden Aberrationen,

Fig. 7 die Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 8A, 8B und 8C die in der Linsenanordnung nach Fig. 7 auftretenden Aberrationen,

Fig. 9 die Linsenanordnung eines Variolinsensystems als drittes Ausfüh rungsbeispiel bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 10A, 10B und 10C die in der Linsenanordnung nach Fig. 9 auftretenden Aberrationen,

Fig. 11 die Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels bei der Ein stellung längster Brennweite,

Fig. 12A, 12B und 12C die in der Linsenanordnung nach Fig. 11 auftretenden Aberrationen,

Fig. 13 die Linsenanordnung eines Variolinsensystems als viertes Ausfüh rungsbeispiel bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 14A, 14B und 14C die in der Linsenanordnung nach Fig. 13 auftretenden Aberrationen,

Fig. 15 die Linsenanordnung des vierten Ausführungsbeispiels bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 16A, 16B und 16C die in der Linsenanordnung nach Fig. 15 auftretenden Aberrationen,

Fig. 17 die Linsenanordnung eines Variolinsensystems als fünftes Ausfüh rungsbeispiel bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 18A, 18B und 18C die in der Linsenanordnung nach Fig. 17 auftretenden Aberrationen,

Fig. 19 die Linsenanordnung des fünften Ausführungsbeispiels bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 20A, 20B und 20C die in der Linsenanordnung nach Fig. 19 auftretenden Aberrationen, und

Fig. 21 die Verstellwege der Linsengruppen des erfindungsgemäßen Vario linsensystems.

Die in den folgenden Ausführungsbeispielen beschriebenen Linsensysteme sind jeweils als Variolinsensystem ausgebildet, in dem sich die Position der Bildebene in Abhängigkeit der Änderung der Brennweite bewegt. Wie in den Verstellwegen nach Fig. 21 gezeigt, enthält das Variolinsensystem eine negative vordere Linsen gruppe 10, eine Blende S und eine positive hintere Linsengruppe 20, die in dieser Reihenfolge vom Objekt her gesehen angeordnet sind. Die vordere Linsengruppe 10, die Blende S und die hintere Linsengruppe 20 bewegen sich zur Brennwei tenänderung jeweils längs der optischen Achse. Insbesondere bewegt sich bei der Brennweitenänderung ausgehend von der Einstellung kürzester Brennweite hin zur Einstellung längster Brennweite die vordere Linsengruppe 10 auf das Bild und die hintere Linsengruppe 20 auf das Objekt zu, während der Abstand zwischen der Blende S und der Bildebene I konstant ist. Die Änderung der Brennweite wird von der hinteren Linsengruppe 20 vorgenommen. Die durch die Bewegung der hinteren Linsengruppe 20 verursachte Änderung der Brennpunkte (Schärfen punkte) wird dadurch kompensiert, dass die vordere Linsengruppe 10 längs der optischen Achse bewegt wird. Ist das Variolinsensystem in einer Vermessungs kamera untergebracht, so wird seine Brennweite, d. h. sein Bildwinkel so variiert, dass man einen Scharfstellzustand bezüglich des zu vermessenden Objektes von dem Ort aus erreichen kann, an dem die Vermessungskamera montiert ist. Die Betätigung der vorderen Linsengruppe 10, um die durch die Bewegung der hinte ren Linsengruppe 20 verursachte Änderung der Brennpunkte zu kompensieren, kann von Hand vorgenommen werden, ohne den praktischen Gebrauch der Vermessungskamera nachteilig zu beeinflussen.

Wie die Linsenanordnungen der einzelnen Ausführungsbeispiele zeigen, enthält die vordere Linsengruppe 10 ein negatives erstes Linsenelement L1 mit einer dem Objekt zugewandten konvexen Fläche, ein negatives, bikonkaves zweites Lin senelement L2 und ein positives drittes Linsenelement L3, die in dieser Reihen folge vom Objekt her gesehen angeordnet sind. Das negative, bikonkave zweite Linsenelement L2 und das positive dritte Linsenelement L3 sind miteinander verkittet. Die vordere Linsengruppe 10 besteht also aus zwei Unterlinsengruppen, die von den drei Linsenelementen gebildet werden. Die hintere Linsengruppe 20 enthält ein positives viertes Linsenelement L4, ein positives fünftes Linsenelement L5, ein negatives sechstes Linsenelement L6, ein positives siebentes Linsenele ment L7, ein negatives achtes Linsenelement L8 und ein positives neuntes Lin senelement L9, die in dieser Reihenfolge von der ersten Linsengruppe 10 her gesehen angeordnet sind. Das negative achte Linsenelement L8 und das positive neunte Linsenelement L9 sind miteinander verkittet, und die Gesamtheit aus der miteinander verkitteten Linsenelemente hat positive Brechkraft. Ein Deckglas für eine Bildaufnahmevorrichtung ist in Fig. 1 mit C bezeichnet.

Bedingung (1) des Anspruchs 1 gibt das Verhältnis der Brennweite der vorderen Linsengruppe 10 zur Brennweite des gesamten Linsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite an. Ist diese Bedingung erfüllt, so können sphärische Aber ration, Astigmatismus und chromatische Aberration korrigiert werden.

Übersteigt fx/Fw die obere Grenze der Bedingung (1), so wird die sphärische Aberration überkorrigiert und die chromatische Queraberration unterkorrigiert.

Unterschreitet fx/Fw die untere Grenze der Bedingung (1), so wird die sphärische Aberration unterkorrigiert. Ferner treten bei Brennweitenpositionen, bei denen der Bildwinkel größer ist, Aberrationen höherer Ordnung und Astigmatismus auf.

Bedingung (2) des Anspruchs 1 gibt das Verhältnis der Brennweite der hinteren Linsengruppe 20 zur Brennweite des gesamten Linsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite an. Ist diese Bedingung erfüllt, so können sphärische Aber ration, Koma, Astigmatismus und chromatische Aberration korrigiert werden.

Übersteigt fy/Fw die obere Grenze der Bedingung (2), so werden sphärische Aberration und chromatische Längsaberration unterkorrigiert, während die Koma überkorrigiert wird. Ferner treten bei Brennweitenpositionen, bei denen der Bild winkel größer ist, Aberrationen höherer Ordnung und Astigmatismus auf.

Unterschreitet fy/Fw die untere Grenze der Bedingung (2), so wird die sphärische Aberration überkorrigiert und die Koma unterkorrigiert.

Das in den Ausführungsbeispielen angegebene Variolinsensystem hat ein Brenn weitenverhältnis von etwa 2 und einen Bildwinkel von etwa 22° bis 51°. Um ein Brennweitenverhältnis von etwa 2 zu erreichen, wird die positive hintere Linsen gruppe 20, die ein von der negativen Linsengruppe 10 erzeugtes virtuelles Bild auf die Bildebene abbildet, vorzugsweise in einem Bereich des Abbildungsmaßstabes eingesetzt, der durch -0,9 < m < -0,3 gegeben ist und damit Bedingung (3) des Anspruchs 2 erfüllt.

Übersteigt der Abbildungsmaßstab m die obere Grenze der Bedingung (3), so werden sphärische Aberration und chromatische Längsaberration unterkorrigiert, wodurch es schwierig wird, das erforderliche Brennweitenverhältnis sicherzustel len.

Unterschreitet der Abbildungsmaßstab m die untere Grenze der Bedingung (3), so werden sphärische Aberration und chromatische Längsaberration überkorrigiert.

Wie in den Ausführungsbeispielen gezeigt, enthält die vordere Linsengruppe 10 die beiden von den drei Linsenelementen L1 bis L3 gebildeten Unterlinsengrup pen, während die hintere Linsengruppe 20 die fünf von den sechs Linsenelemen ten L4 bis L9 gebildeten Unterlinsengruppen enthält. Durch diese Anordnung erhält man ein kostengünstiges Variolinsensystem. Die hintere Linsengruppe 20 besteht vorzugsweise aus dem positiven vierten Linsenelement L4, dem positiven fünften Linsenelement L5, dem negativen sechsten Linsenelement L6, dem positi ven siebenten Linsenelement L7 und dem von dem negativen achten Linsenele ment L8 und dem positiven neunten Linsenelement L9 gebildeten positiven Kitt glied, die in dieser Reihenfolge von der ersten Linsengruppe 10 her gesehen angeordnet sind.

Die Anordnung der Linsenelement betreffend erfüllt das positive siebente Lin senelement L7 vorzugsweise die Bedingungen (4) und (5) des Anspruchs 6.

Übersteigt n7 die obere Grenze der Bedingung (4), so wird die hintere Schnitt weite kürzer.

Unterschreitet n7 die untere Grenze der Bedingung (4), so nimmt die Gesamtlän ge des Linsensystems zu stark zu, was sich nachteilig auf die Kosten des Linsen systems auswirkt.

Übersteigt ν7 die obere Grenze der Bedingung (5), so ergibt sich eine Farbunter korrektion.

Unterschreitet dagegen ν7 die untere Grenze der Bedingung (5), so ergibt sich eine Farbüberkorrektion.

Indem es in der oben beschriebenen Anordnung der Linsenelemente einem der Linsenelemente L8 und L9 gestattet ist, die Bedingungen (6) und (7) des An spruchs 7 zu erfüllen, während es dem anderen Linsenelement gestattet ist, die Bedingungen (8) und (9) des Anspruchs 7 zu erfüllen, wird eine Farbkorrektion bis hin zum Nahinfrarotbereich möglich, während gleichzeitig die Aberrationen geeig net korrigiert werden.

Im Folgenden werden spezielle numerische Daten für die Ausführungsbeispiele angegeben. In den Diagrammen der chromatischen Aberration (chromatische Längsaberration, dargestellt durch die sphärische Aberration), bezeichnen die durchgezogene Linie und die beiden gestrichelten Linien die sphärischen Aberra tionen bei der d-, der g- bzw. der C-Linie. S bezeichnet das Sagittalbild und M das Meridionalbild. In den Tabellen bezeichnet FNO die F-Zahl, f die Brennweite des gesamten Linsensystems, fB die hintere Schnittweite, d. h. den Abstand von der am weitesten bildseitig gelegenen Fläche des Deckglases C zur Bildebene der Bildaufnahmevorrichtung. W bezeichnet den halben Bildwinkel (°), r den Krüm mungsradius, d die Linsenelementdicke oder den Linsenelementabstand, Nd den Brechungsindex bei der d-Linie (Wellenlänge: 588 nm) und ν die Abbe-Zahl.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 1 bis 4 zeigen das erste Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems. Die Fig. 1 und 3 zeigen die Linsenanordnung bei der Einstellung kürzester Brennweite bzw. längster Brennweite. Die Fig. 2A bis 2C und die Fig. 4A bis 4C zeigen die in den in den Linsenanordnungen nach Fig. 1 bzw. 3 auftretenden Aberrationen. In Tabelle 1 sind die numerischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels angege ben.

Tabelle 1

Ausführungsbeispiel 2

Die Fig. 5 bis 8 zeigen das zweite Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems. Die Fig. 5 und 7 zeigen die Linsenanordnung bei der Einstellung kürzester Brenn weite bzw. längster Brennweite. Die Fig. 6A bis 6C und die Fig. 8A bis 8C zeigen die in den Linsenanordnungen nach Fig. 5 bzw. 7 auftretenden Aberrationen. In Tabelle 2 sind die numerischen Daten des zweiten Ausführungsbeispiels angege ben. Die grundlegende Anordnung ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel 3

Die Fig. 9 bis 12 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems. Die Fig. 9 und 11 zeigen die Linsenanordnung bei der Einstellung kürzester Brennweite bzw. längster Brennweite. Die Fig. 10A bis 10C und die Fig. 12A bis 12C zeigen die in den Linsenanordnungen nach Fig. 9 und 11 auftretenden Aber rationen. In Tabelle 3 sind die numerischen Daten des dritten Ausführungsbei spiels angegeben. Die grundlegende Anordnung ist in dem dritten Ausführungs beispiel die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 3

Ausführungsbeispiel 4

Die Fig. 13 bis 16 zeigen das vierte Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems. Die Fig. 13 und 15 zeigen die Linsenanordnung bei der Einstellung kürzester Brennweite bzw. längster Brennweite. Die Fig. 14A bis 14C und die Fig. 16A bis 16C zeigen die in den Linsenanordnungen nach Fig. 13 bzw. 15 auftretenden Aberrationen. In Tabelle 4 sind die numerischen Daten des vierten Ausführungs beispiels angegeben. Die grundlegende Anordnung ist in dem vierten Ausfüh rungsbeispiel die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 4

Ausführungsbeispiel 5

Die Fig. 17 bis 20 zeigen das fünfte Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems. Die Fig. 17 und 19 zeigen die Linsenanordnung bei der Einstellung kürzester Brennweite bzw. längster Brennweite. Die Fig. 18A bis 18C und die Fig. 20A bis 20C zeigen die in den Linsenanordnungen nach Fig. 17 bzw. 19 auftretenden Aberrationen. In Tabelle 5 sind die numerischen Daten des fünften Ausführungs beispiels angegeben. Die grundlegende Anordnung in dem fünften Ausführungs beispiel ist die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 5

Die numerischen Werte der einzelnen Bedingungen sind für jedes Ausführungs beispiel in Tabelle 6 angegeben.

Tabelle 6

In Tabelle 6 sind für die Bedingung (3) in der oberen Zeile die numerischen Werte für die Einstellung kürzester Brennweite und in der unteren Zeile die numerischen Werte für die Einstellung längster Brennweite angegeben.

Wie aus Tabelle 6 hervorgeht, erfüllen das erste bis fünfte Ausführungsbeispiel die Bedingungen (1) bis (9). Wie die Aberrationsdiagramme zeigen, sind ferner die Aberrationen für jede Wellenlänge angemessen korrigiert. Insbesondere kann die chromatische Aberration, die mit der sphärischen Aberration dargestellt ist, aus gehend vom sichtbaren Bereich mit 588 nm bis zum Infrarotbereich mit 850 nm auf einen Wert korrigiert werden, der in der praktischen Anwendung keine Schwie rigkeiten verursacht.

Wie aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die Erfindung ein Variolinsensy stem bereit, bei dem die Aberrationen im sichtbaren Bereich und im Nahinfrarot bereich angemessen korrigiert sind.

Claims

1. Variolinsensystem mit, vom Objekt her gesehen, einer negativen vorderen Linsengruppe und einer positiven hinteren Linsengruppe, deren Abstand voneinander zur Brennweitenänderung variierbar ist, dadurch gekennzeich net, dass das Variolinsensystem folgende Bedingungen erfüllt:
-3,0 < fx/Fw < -2,5 (1)
3,0 < fy/Fw < 3,5 (2)
worin
fx die Brennweite der vorderen Linsengruppe (fx < 0),
fy die Brennweite der hinteren Linsengruppe (fy < 0) und
Fw die Brennweite des gesamten Variolinsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite bezeichnet.

2. Variolinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Linsengruppe folgende Bedingung erfüllt:
-0,9 < m < -0,3 (3)
worin
m den Abbildungsmaßstab der hinteren Linsengruppe bezeichnet.

3. Variolinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die vordere Linsengruppe zwei Unterlinsengruppen enthält, die von drei Lin senelementen gebildet werden.

4. Variolinsensystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die hintere Linsengruppe fünf Unterlinsengruppe enthält, die von sechs Linsenelementen gebildet werden.

5. Variolinsensystem nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die hintere Linsengruppe, von der vorderen Linsengruppe her gesehen, ein positives viertes Linsenelement, ein positives fünftes Linsenelement, ein ne gatives sechstes Linsenelement, ein positives siebentes Linsenelement und ein positives Kittglied mit einem negativen achten Linsenelement und einem positiven neunten Linsenelement enthält.

6. Variolinsensystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das positive siebente Linsenelement folgende Bedingungen erfüllt:
1,73 < n7 < 1,83 (4)
30 < ν7 < 40 (5)
worin
n7 den Brechungsindex des positiven siebenten Linsenelementes und
ν7 die Abbe-Zahl des positiven siebenten Linsenelementes bezeichnet.

7. Variolinsensystem nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass von dem achten und neunten Linsenelement des Kittgliedes eines ein kon vexes Linsenelement ist, das folgende Bedingungen erfüllt:
70 < ν-konvex (6)
14,0 < f-konvex/Fw < 25,0 (7)
worin
ν-konvex die Abbe-Zahl des konvexen Linsenelementes und
f-konvex die Brennweite des konvexen Linsenelementes bezeichnet,
und dass das andere Linsenelement des Kittgliedes ein konkaves Lin senelement ist, das folgende Bedingungen erfüllt:
30 < ν-konkav (8)
-7,3 < f-konkav/Fw < -4,5 (9)
worin
ν-konkav die Abbe-Zahl des konkaven Linsenelementes und
f-konkav die Brennweite des konkaven Linsenelementes bezeichnet.