DE3108018C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein telezentrisches Projektionsobjektiv mit einer am objektseitigen Brennpunkt angeordneten Eintrittspupille.

Es sind bereits Vorlagen-Abtastverfahren entwickelt und verwendet worden, bei denen Festkörper-Bildaufnahmeelemente als Abtasteinrichtung für Lesegeräte verwendet werden. Zur Durchführung dieser bekannten Abtastverfahren muß ein Projektionsobjektiv verwendet werden, um ein Bild der Vorlage in der Ebene der Festkörper-Bildaufnahmeelemente zu erzeugen. Ferner ist üblicherweise ein Farbtrennprisma zwischen dem Projektionsobjektiv und den Festkörper-Bildaufnahmeelementen angeordnet, um die Farben des Vorlagenbildes voneinander trennen zu können. Wenn ein gewöhnliches, nicht telezentrisches Objektiv in diesem Fall als Projektionsobjektiv verwendet wird, fallen die Außerachs-Strahlen schräg auf das Farbtrennprisma ein. Dies verursacht eine Abschattung. Zur Behebung des Abschattungsproblems ist daher die Verwendung eines telezentrischen Projektionsobjektives zweckmäßig. Bei Verwendung eines telezentrischen Projektionsobjektives gehen die Hauptstrahlen des einfallenden Lichtes durch den objektseitigen Brennpunkt. Deshalb können die Hauptstrahlen des austretenden Lichtbündels einschließlich der Außerachs-Strahlen auf der Bildseite parallel zur optischen Achse verlaufen.

Projektionsobjektive, die für ein Vorlagen-Abtastverfahren geeignet sind, haben jedoch gleichzeitig eine Vielzahl von Forderungen zu erfüllen. Im allgemeinen sollen derartige Projektionsobjektive die folgenden Forderungen erfüllen.

• 1. Die relative Öffnung des Projektionsobjektives sollte möglichst groß sein. Um eine Hochgeschwindigkeitsabtastung unter Verwendung von Festkörper-Bildaufnahmeelementen auszuführen, ist es wünschenswert, die Beleuchtungsstärke an jedem Bildaufnahmeelement so groß wie möglich zu machen. Andererseits ist es erwünscht, zur Beleuchtung der Vorlage eine Lichtquelle zu verwenden, deren Lichtstärke so niedrig wie möglich ist. Um diese beiden Forderungen gleichzeitig erfüllen zu können, ist es zweckmäßig, wenn das Projektionsobjektiv eine vergleichsweise große relative Öffnung hat.
• 2. Um die Größe der Vorlagen-Abtasteinrichtung verringern zu können, d. h. den Abstand zwischen der Vorlagenebene und der Bildebene zu verkleinern, sollte das Projektionsobjektiv einen vergleichsweise großen Bildfeldwinkel haben.
• 3. Das Projektionsobjektiv sollte ein großes Auflösungsvermögen haben, da die Abmessungen der einzelnen Bildaufnahmeelemente in der Größenordnung von 15 µm liegen.
• 4. Das Projektionsobjektiv soll auch in den Bereichen außerhalb der Achse eine Helligkeitsausbeute von 100% haben. Diese Forderung rührt daher, daß die Verteilung der Beleuchtungsstärke über alle Bildaufnahmeelemente gleichförmig sein soll.
• 5. Das Projektionsobjektiv soll in der Lage sein, die Objektebene gleichförmig zu projizieren, d. h. die Verzeichnung des Projektionsobjektives sollte gering sein.
• 6. Da ein Farbtrennprisma zwischen dem Projektionsobjektiv und den Festkörper-Bildaufnahmeelementen angeordnet sein soll, sollte das Projektionsobjektiv eine relativ lange hintere Schnittweite haben.

In der US-PS 26 87 063 ist ein Projektionsobjektiv beschrieben, das aus einer mehrlinsigen, positiven objektseitigen Linsengruppe und einer positiven bildseitigen Linsengruppe besteht, die zwei Linsen aufweist. Wenn die im Zusammenhang mit diesem bekannten Objektiv gemachten Angaben zur Objekt- und Bildlage unberücksichtigt bleiben, d. h. für verkleinernde Abbildungen, weist dieses bekannte Projektionsobjektiv auf seiner optischen Achse nebeneinander angeordnet eine einzelstehende, erste Linse positiver Brechkraft mit einer konvexen ersten Linsenfläche, eine einzelstehende, zweite Linse negativer Brechkraft sowie eine Linsengruppe auf, die aus drei Linsengliedern besteht, von denen eines eine Kittfläche hat.

Auch bei dem erfindungsgemäßen Objektiv sollen die vorstehend genannten Forderungen erfüllt sein.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, ein telezentrisches Projektionsobjektiv mit ausreichender bildseitiger Schnittweite für Abbildungen etwa im Maßstab 1/10 zu schaffen, das eine gleichmäßige Verteilung der Beleuchtungsstärke in der Bildebene aufweist und das über einen großen Bildfeldwinkel und eine große relative Öffnung hinsichtlich Verzeichnung, sphärischer Aberration, Koma und Bildfeldkrümmung vergleichsweise gut korrigiert ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die beiden Projektionsobjektive gemäß den Patentansprüchen 1 und 3 gelöst. Die erfindungsgemäßen Projektionsobjektive sind jeweils durch die im Anspruch 1 bzw. 3 angegebenen Merkmale definiert, die in ihrem Zusammenwirken das Erreichen der angestrebten Eigenschaftskombination ermöglichen. Insbesondere zurückzuführen sind die günstigen Eigenschaften der erfindungsgemäßen Projektionsobjektive auf deren Ausbildung aus zwei einzelstehenden Linsen und einer bildseitigen Linsengruppe, auf die Brechkraftfolge positiv-negativ-positiv, auf die durch die Bedingungen angegebene Brennkraftverteilung auf die beiden Einzellinsen und die Linsengruppe sowie auf die bikonkave Ausbildung der zweiten Einzellinse. Die beiden Einzellinsen sowie die Linsengruppe haben jeweils eine vergleichsweise große Brennkraft. Die Korrektur der Bildfeldkrümmung wird im wesentlichen mittels der zweiten Linse erzielt. Ferner hat diese die Aufgabe, die sphärische Aberration der ersten Linse weitgehend zu kompensieren.

Das Projektionsobjektiv gemäß der US-PS 26 87 063 erfüllt keine der für die erfindungsgemäßen Projektionsobjektive wesentlichen Bedingungen, und seine zweite Linse ist nicht bikonkav.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1A eine Schnittbilddarstellung eines ersten Beispiels des Projektionsobjektives;

Fig. 1B Bildfehler des ersten Beispiels gemäß Fig. 1A;

Fig. 1C Querfehler des ersten Beispiels gemäß Fig. 1A in der Gaußschen Bildebene; und

Fig. 2A und 2B bis 21A und 21B jeweils eine Schnittbilddarstellung eines zweiten bis einundzwanzigsten Beispiels des Projektionsobjektives sowie die zugehörigen Bildfehler.

Zunächst sollen die Bedingungen (1) bis (3) erläutert werden, die sich auf das Projektionsobjektiv gemäß einer ersten Ausführungsform beziehen.

Durch Erfüllen der Bedingung (1) kann die sphärische Aberration gut korrigiert werden, wobei das Gleichgewicht der Brechkräfte der einzelstehenden, ersten Linse und der einzelstehenden, zweiten Linse eingehalten wird. Das beschriebene Objektiv ist ein telezentrisches System und der Abstand zwischen den Hauptpunkten der zweiten Linse und der bildseitigen Linsengruppe ist größer als der Abstand zwischen den Hauptpunkten der ersten und zweiten Linse. Die Durchtrittshöhen der Öffnungsstrahlen an der ersten positiven Linse sind vergleichsweise groß, wodurch eine große sphärische Aberration erzeugt wird. Wenn |f₁/f₂| unterhalb der unteren Grenze 1,69 liegt, wird die Brechkraft der ersten Linse hoch und werden die durch die objektseitige Linsenfläche der ersten Linse hindurchgehenden Öffnungsstrahlen stark in Richtung auf die optische Achse gebrochen. Als Ergebnis hiervon wird eine große negative sphärische Aberration erzeugt. Wenn andererseits |f₁/f₂| die obere Grenze 2,55 übersteigt, wird die Brechkraft der zweiten Linse hoch und die zweite Linse erzeugt eine derart große positive sphärische Aberration, daß diese die in der ersten Linse erzeugte negative sphärische Aberration überkompensiert.

Die Bedingung (2) muß zur Korrektur der Bildfeldkrümmung des Linsensystems erfüllt sein.

Wenn f₂/f größer als die obere Grenze -0,19 ist, ist die Petzvalsumme überkompensiert und die Bildfeldkrümmung zu stark korrigiert. Um dies zu kompensieren, müßte die Brechkraft der bildseitigen Linsengruppe in ihrem Absolutwert angehoben werden. Wenn der Absolutwert der Brechkraft der bildseitigen Linsengruppe dementsprechend erhöht würde, würde - wie untenstehend in Verbindung mit der Bedingung (3) erläutert ist - in der bildseitigen Linsengruppe eine große Verzeichnung erzeugt werden, die schwierig zu korrigieren ist. Wenn andererseits f₂/f kleiner als die untere Grenze von -0,33 ist, wird es schwierig, die Petzvalsumme des gesamten Objektivs zu korrigieren; hierdurch wird eine Unterkorrektur der Bildfeldkrümmung verursacht.

Bedingung (3) ist zur Korrektur der Bildfeldkrümmung und Verzeichnung notwendig. Da das Objektiv zu den telezentrischen Systemen gehört, sind die Stellen, an denen die Hauptstrahlen durch die bildseitige Linsengruppe hindurchgehen, weit von der optischen Achse entfernt. Wenn f₃/f kleiner als die untere Grenze von 0,41 ist, wird die Brechkraft dieser Linsengruppe hoch und werden die durch diese Linsengruppe hindurchgehenden Hauptstrahlen stark in Richtung auf die optische Achse gebrochen. Hierdurch wird eine große Verzeichnung erzeugt. Wenn andererseits f₃/f größer als die obere Grenze 0,59 ist, bekommt die Bildfeldkrümmung ein so großes Ausmaß, daß sie schwer zu korrigieren ist.

Im folgenden werden die Linsenformen des Projektionsobjektives gemäß der ersten Ausführungsform ausführlicher beschrieben.

Wie vorstehend beschrieben worden ist, soll das Projektionsobjektiv eine vergleichsweise große relative Öffnung haben. Um dies zu erreichen, ist es zweckmäßig, die sphärische Aberration der ersten Linse effektiv zu korrigieren, nämlich derjenigen Linse, in der die Öffnungsstrahlen den größten Abstand von der optischen Achse haben. Hierzu ist die objektseitige Linsenfläche der ersten Linse konvex geformt.

Bei dem beschriebenen Projektionsobjektiv ist die Linse, die die Petzvalsumme korrigiert, lediglich die zweite Linse. Deshalb ist die Brechkraft der zweiten Linse vergleichsweise hoch. Aus diesem Grunde ist die negative zweite Linse bikonkav ausgebildet, um die sphärische Aberration in der zweiten Linse zu verringern.

Da ein Farbtrennfilter zwischen die Bildebene und die der Bildebene am nächsten gelegene Linsenfläche einsetzbar sein soll, muß das Projektionsobjektiv eine ausreichend große hintere Schnittweite haben. Hierzu ist die bildseitige Linsengruppe aus zwei positiven Linsen zusammengesetzt und vorzugsweise derart ausgebildet, daß die von den zwei positiven Linsen gebildete Luftlinse bikonkav ist.

Die folgenden Beispiele 1 bis 12 erläutern in Verbindung mit den Fig. 1 bis 12 das vorstehend erläuterte Projektionsobjektiv gemäß der ersten Ausführungsform und demonstrieren die erzielte Wirkung.

In den Beispielen ist

Ri der Krümmungsradius der i-ten Linsenfläche,
Di die Dicke oder der Luftabstand auf der Achse zwischen der i-ten Linsenfläche und der (i+1)-ten Linsenfläche,
ω der Bildfeldwinkel,
β der Abbildungsmaßstab,
Ni der Brechungsindex der i-ten Linse für die d-Linie,
νi die Abbesche Zahl der i-ten Linse,
f die Brennweite des Projektionsobjektives,
f₁ die Brennweite der ersten Linse,
f₂ die Brennweite der zweiten Linse,
f₃ die Brennweite der bildseitigen Linsengruppe, und
D0 der Luftabstand gemessen an der Achse zwischen der Pupille SL und der ersten Linsenfläche.

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

Beispiel 4

Beispiel 5

Beispiel 6

Beispiel 7

Beispiel 8

Beispiel 9

Beispiel 10

Beispiel 11

Beispiel 12

In Tabelle 1 sind die Aberrationskoeffizienten dritter Ordnung der vorstehend gezeigten Beispiele zusammengefaßt. In der Tabelle ist mit I die sphärische Aberration, mit II die Koma, mit III der Astigmatismus, mit P die Petzvalsumme und mit V die Verzeichnung bezeichnet.

Tabelle 1

Tabelle 1 (Fortsetzung)

Im folgenden sollen die Bedingungen (A) bis (C) erläutert werden, die für das Projektionsobjektiv gemäß der zweiten Ausführungsform gelten.

Die Bedingung (A) ist notwendig für eine gute Korrektur der sphärischen Aberration, wozu das Gleichgewicht der Brechkräfte der ersten und zweiten Linse eingehalten wird. Das beschriebene Objektiv gehört zu den telezentrischen Systemen und der Abstand zwischen den Hauptpunkten der zweiten Linse und der bildseitigen Linsengruppe ist größer als der Abstand zwischen den Hauptpunkten der ersten und zweiten Linse. Die Durchtrittshöhen der Öffnungsstrahlen an der ersten, positiven Linse sind vergleichsweise groß. Hierdurch wird eine große sphärische Aberration erzeugt. Wenn |f₁/f₂| kleiner als die untere Grenze 1,72 ist, so ist die Brechkraft der ersten Linse hoch; deshalb die durch die objektseitige Linsenfläche der ersten Linse hindurchgehenden Öffnungsstrahlen stark in Richtung auf die optische Achse gebrochen, so daß eine große negative sphärische Aberration erzeugt wird. Wenn andererseits |f₁/f₂| oberhalb der oberen Grenze 2,58 liegt, so wird die Brechkraft der zweiten Linse hoch und die zweite Linse erzeugt eine derart große sphärische Aberration, daß die von der ersten Linse erzeugte negative sphärische Aberration überkompensiert wird.

Die Bedingung (B) dient zur Korrektur der Bildfeldkrümmung. Wenn f₂/f die obere Grenze -0,19 überschreitet, ist die Petzvalsumme überkorrigiert und die Korrektur der Bildfeldkrümmung wird zu groß. Um diesen Nachteil zu beseitigen, müßte der Absolutwert der Brechkraft der bildseitigen Linsengruppe erhöht werden. Wie jedoch später in Verbindung mit Bedingung (C) erläutert wird, würde eine Anhebung des Absolutwertes der Brechkraft in dieser Linsengruppe eine starke Verzeichnung bewirken, deren Korrektur schwer ist. Wenn andererseits f₂/f kleiner als die untere Grenze ist, so wird die Korrektur der Petzvalsumme des Projektionsobjektives schwierig und die Bildfeldkrümmung unterkorrigiert.

Die Bedingung (C) soll zur Korrektur der Bildfeldkrümmung und der Verzeichnung erfüllt sein. Dies hat seine Ursache darin, daß das beschriebene Objektiv zu den telezentrischen Systemen gehört und die Hauptstrahlen durch die bildseitige Linsengruppe an Stellen hindurchgehen, die weit von der optischen Achse entfernt sind. Wenn f₃/f unterhalb der unteren Grenze von 0,41 liegt, so ist die Brechkraft dieser Linsengruppe hoch und die durch diese Linsengruppe hindurchgehenden Hauptstrahlen werden stark in Richtung auf die optische Achse gebrochen. Hierdurch wird eine große Verzeichnung erzeugt. Wenn andererseits f₃/f oberhalb der oberen Grenze von 0,59 liegt, nimmt die Bildfeldkrümmung ein so großes Ausmaß an, daß es nicht länger möglich ist, diesen Bildfehler zu korrigieren.

Im folgenden werden die Linsenformen des Projektionsobjektives gemäß der zweiten Ausführungsform näher erläutert.

Wie bereits erläutert, soll das Projektionsobjektiv eine vergleichsweise große relative Öffnung haben. Um dieses Erfordernis zu erfüllen, ist es zweckmäßig, daß die sphärische Aberration in der ersten Linse korrigiert wird, in der die Öffnungsstrahlen den größten Abstand von der optischen Achse des Objektivs haben. Hierzu ist die objektseitige Linsenfläche der ersten Linse konvex.

Bei dem beschriebenen Projektionsobjektiv wird die Petzvalsumme zuallererst durch die Brechkraft der zweiten Linse korrigiert. Deshalb wird die Brechkraft der zweiten Linse oft außerordentlich hoch und könnte die zweite Linse die verschiedensten Bildfehler erzeugen. Um diese so weit wie möglich zu verringern, ist die zweite Linse bikonkav ausgebildet.

Da das beschriebene Projektionsobjektiv zu den telezentrischen Objektiven gehört, sollten die außeraxialen Hauptstrahlen mit einer bestimmten Höhe von der optischen Achse durch die bildseitige Linsengruppe beabstandet sein. Es ist vorzuziehen, daß die dem Objektiv nächste Linse der bildseitigen Linsengruppe als positive Meniskuslinse ausgebildet ist, die objekseitig konkav ist. Weiter ist es vorzuziehen, daß die der Bildebene nächste Linse dieser Linsengruppe als Meniskuslinse ausgebildet ist, die bildseitig konkav ist. Bei einer solchen Ausbildung sind die Hauptstrahlen von der optischen Achse durch die zuerst erwähnte Meniskuslinse beabstandet und werden die Aberrationen durch die konkave Linsenfläche der zweitgenannten Meniskuslinse korrigiert. Da zusätzlich die der Bildebene nächste Linse vorzugsweise keine negative Brechkraft hat, kann das Erfordernis, die hintere Schnittweite des Objektivs zu vergrößern, gleichzeitig erfüllt werden.

Die folgenden Beispiele 13 bis 21 erläutern zusammen mit den Fig. 13 bis 21 das Projektionsobjektiv gemäß der zweiten Ausführungsform. In den folgenden Beispielen ist die Brennweite f des Projektionsobjektives auf 1 normiert, die Blendenzahl 5,0, der Bildfeldwinkel ω=25,2° und der Abbildungsmaßstab β=-0,12343. Erneut ist

Ri der Krümmungsradius der i-ten Linsenfläche,
Di die Dicke oder der Luftabstand auf der Achse zwischen der i-ten und der (i+1)-ten Linsenfläche,
Ni der Brechungsindex der i-ten Linse für die d-Linie,
νi die Abbesche Zahl der i-ten Linse,
f₁ die Brennweite der ersten Linse,
f₂ die Brennweite der zweiten Linse,
f₃ die Brennweite der bildseitigen Linsengruppe, und
D0 der Luftabstand auf der Achse zwischen der Pupille SL und der ersten Linsenfläche.

Beispiel 13

Beispiel 14

Beispiel 15

Beispiel 16

Beispiel 17

Beispiel 18

Beispiel 19

Beispiel 20

Beispiel 21

Die Aberrationskoeffizienten dritter Ordnung der vorstehenden Beispiele sind in der folgenden Tabelle 2 zusammengefaßt, wobei I die sphärische Aberration, II die Koma, III der Astigmatismus, P die Petzvalsumme und V die Verzeichnung ist.

Tabelle 2

Tabelle 2 (Fortsetzung)

Claims (4)

1. Telezentrisches Projektionsobjektiv mit einer am objektseitigen Brennpunkt angeordneten Eintrittspupille, einer einzelstehenden, ersten Linse (I) positiver Brechkraft, deren objektseitige Linsenfläche konvex ist, einer bikonkaven, einzelstehenden, zweiten Linse (II) negativer Brechkraft und einer aus zwei positiven Linsengliedern, von denen eines eine objektseitig konkave Kittfläche hat, bestehenden Linsengruppe (III), wobei die erste und die zweite Linse sowie die Linsengruppe in dieser Reihenfolge gesehen von der Objektseite her angeordnet sind und die folgenden Bedingungen erfüllen: (1)  1,69|f₁/f₂|2,55
(2)  -0,33f₂/f-0,19
(3)  0,41f₃/f0,59wobei f₁, f₂ und f₃ die Brennweiten der ersten und zweiten Linse sowie der Linsengruppe und f die Brennweite des Objektivs sind.

2. Telezentrisches Projektionsobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die zwei positiven Linsenglieder der Linsengruppe (III) gebildete Luftlinse bikonkav ist.

3. Telezentrisches Projektionsobjektiv mit einer am objektseitigen Brennpunkt angeordneten Eintrittspupille, einer einzelstehenden, ersten Linse (I) positiver Brechkraft, deren objektseitige Linsenfläche konvex ist, einer bikonkaven, einzelstehenden, zweiten Linse (II) negativer Brechkraft und einer aus drei oder vier Linsengliedern, von denen eines eine Kittfläche hat, bestehenden Linsengruppe (III), wobei die erste und die zweite Linse sowie die Linsengruppe in dieser Reihenfolge gesehen von der Objektseite her angeordnet sind und die folgenden Bedingungen erfüllen: (A)  1,72|f₁/f₂|2,58
(B)  -0,33f₂/f-0,19
(C)  0,41f₃/f0,59wobei f₁, f₂ und f₃ die Brennweiten der ersten und zweiten Linse sowie der Linsengruppe und f die Brennweite des Objektivs sind.

4. Telezentrisches Projektionsobjektiv nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das objektivseitig erste Linsenglied der Linsengruppe (III) eine objektseitig konkave Meniskuslinse ist und daß das bildseitig letzte Linsenglied der Linsengruppe (III) ein bildseitig konkaves Meniskuslinsenglied ist.