DE3201700C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Varioobjektiv gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein solches Varioobjektiv ist bekannt (DE-OS 28 31 996). Der Varioteil dieses bekannten Varioobjektivs umfaßt eine Fokussierlinsengruppe, die zur Fokussirung entlang der optischen Achse verschoben wird, einen Variator, der der Veränderung der Brennweite dient, und einen Kompensator, der gleichzeitig mit dem Variator entlang der optischen Achse verschoben wird und eine Kompensation der Verlagerung der Bildebene bewirkt. Diesen Linsengruppen des Varioteils des bekannten Varioobjektivs nachgeschaltet ist ein Relaisteil, das ein vom Varioteil erzeugtes Zwischenbild aufrecht in der Bildebene des Varioobjektivs abbildet. Dieses Relaisteil umfaßt eine Vielzahl von auf der optischen Achse hintereinander angeordneten Linsen, die einerseits zum Gewicht und zur Baulänge des Varioobjektivs beitragen und andererseits auch einen nennenswerten Beitrag zu den Herstellungskosten desselben liefern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ausgehend von dem gattungsbildenden Varioobjektiv ein kompaktes Varioobjektiv zu schaffen, das eine ausreichende und gleichmäßige Beleuchtungsstärke in der Bildebene und ausreichende optischen Qualität hat.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Varioobjektiv gemäß Patentanspruch 1 gelöst, d. h. dadurch, daß das Relaisteil aus einem aufrecht mit dem Abbildungsmaßstab 1 : 1 abbildenden Linsenrastersystem besteht und daß das Varioteil ein im wesentlichen telezentrisches optisches System ist. Das Linsenrastersystem bildet das Zwischenbild in der Bildebene in Form von zahlreichen Teilbildern ab, wobei für Kontinuität des aus den Teilbildern zusammengesetzten Bildes in der Bildebene dadurch gesorgt ist, daß das Linsenrastersystem aufrecht mit dem Abbildungsmaßstab 1 : 1 abbildet. Gleichmäßige Beleuchtungsstärke in der Bildebene ist dabei gewährleistet durch die Ausbildung des Varioteils als im wesentlichen telezentrisches optisches System. Das bei dem erfindungsgemäßen Varioobjektiv vorgesehene Linsenrastersystem erfordert einen vergleichsweise geringen Bauraum in Richtung der optischen Achse, so daß das Varioobjektiv kompakt ausgebildet werden kann. Da das Linsenrastersystem in einfacher Weise vorgefertigt werden kann, ist die Montage des Varioobjektivs vereinfacht.

In vorteilhafter Ausbildung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß das Linsenrastersystem eine Anordnung aus GRIN-Linsen mit radialer Brechungsindexverteilung ist.

Durch die Veröffentlichung "Applid Optics", Vol. 19, 1980, Seiten 1065 bis 1069, ist eine Anordnung aus GRIN-Linsen mit radialer Brechungsindexverteilung an sich bekannt. Ferner ist es durch die DE-OS 28 43 798 an sich bekannt, bei einer Bildprojektionsvorrichtung, beispielsweise einem Kopiergerät, als Abbildungsobjektiv ein Linsenrastersystem zu verwenden. Im Falle der beiden letztgenannten Veröffentlichungen ist das daraus bekannte Linsenrastersystem nicht mit weiteren abbildenden optischen Elementen kombiniert.

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

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein als GRIN-Linse ausgebildetes Linsenelement eines Linsenrastersystems;

Fig. 2 eine Seitenansicht eines Linsenrastersystems aus mehreren Linsenelementen gemäß Fig. 1;

Fig. 3 im Längsschnitt ein Beispiel für den Aufbau eines erfindungsgemäßen Varioobjektivs;

Fig. 4 eine schematische Darstellung zur Erläuterung der Ausbildung des Varioteils des Varioobjektivs;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varioobjektivs;

Fig. 6A und 6B verschiedene Modulationsübertragungsfunktionen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 5;

Fig. 7 einen Längsschnitt durch ein zweites Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varioobjektivs;

Fig. 8 einen Längsschnitt durch ein drittes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Varioobjektivs; und

Fig. 9 eine Seitenansicht von Linsenrastersystemen der Ausführungsbeispiele gemäß den Fig. 5, 7 und 8.

Fig. 1 zeigt die Weise, in der Lichtstrahlen durch ein als GRIN-Linse ausgebildetes Linsenelement eines Linsenrastersystems hindurchgehen, das bei dem erfindungsgemäßen Varioobjektiv anwendbar ist. Fig. 1 zeigt die Weise, in der das Bild eines Objektis der Größe d₀, das in einem Abstand l₀ vor dem Linsenelement mit einer Gesamtlänge l liegt, in einem Abstand l₁ hinter dem Linsenelement mit einer Größe d₁ gebildet wird. h ist der Abstand zwischen einer Endfläche des Linsenelementes und dessen jeweiligem Hauptpunkt, und k₀ und k₁ sind die Abstände von dem vorderen bzw. hinteren Hauptpunkt zum Objekt bzw. Bild. X₀, X₁, X₀′, X₁′ sind die Abstände bzw. Winkel der in die vordere Endfläche eintretenden bzw. aus der hinteren Endfläche des Linsenelementes austretenden Lichtstrahlen zu der optischen Achse.

Wenn die Brechungsindexverteilung n in dem Linsenelement gegeben ist durch:

wird die Beziehung zwischen χ₀, χ₀′, und χ₁, χ₁′ wie folgt ausgedrückt:

Hierbei ist n₀ der Brechungsindex auf der optischen Achse und ist a die Verteilungskonstante für den Brechungsindex.

Die Brennweite f, der Abstand h und die Abbildungsgleichung zwischen l₀ und l₁ können wie folgt ausgedrückt werden:

Fig. 2 ist eine Darstellung eines Linsenrastersystems, bei dem eine Vielzahl der beschriebenen Linsenelemente zur Abbildung eines Punktes beitragen und die Linsenelemente eindimensional oder zweidimensional angeordnet sind.

Wenn ein Linsenrastersystem, das beispielsweise aus einem Bündel von "SELFOC"-Fasern ("SELFOC" ist ein Warenzeichen der Nippon Sheet Glass Company, Ltd., Osaka, Japan) besteht, die einen abgestuften Brechungsindex aufweisen, und das im folgenden als SLA-System bezeichnet wird, als Abbildungssystem verwendet wird, ist es für die Kontinuität des Bildes notwendig, daß die Abbildung eine aufrechte Abbildung mit dem Abbildungsmaßstab 1 : 1 ist. Bei der Erfindung übernimmt ein solches SLA-System die Rolle des Relaisteils des Varioobjektivs, wobei durch das SLA-System eine aufrechte Abbildung mit einem Abbidungsmaßstab von 1 : 1 erzeugt wird.

Fig. 3 zeigt den Aufbau eines Varioobjektivs, das ein SLA-System als Relaisteil verwendet. Ein Varioteil weist eine Fokussierlinsengruppe 1 mit positiver Brechkraft, einen Variator 2 mit negativer Brechkraft, mittels dessen die Brennweitenänderung erfolgt, sowie einen Kompensator 3 mit negativer Brechkraft, der die Verlagerung der Bildebene, die von der Brennweitenänderung herrührt, kompensiert, sowie eine Relaisteil 4 auf, das ein optisches SLA-System 11 aufweist, das hinter dem Varioteil angeordnet ist und mit diesem das Varioobjektiv bildet; in diesem Fall ist eine erste Forderung an das Relaisteil, das durch ein optisches SLA-System gebildet ist, daß der Abbildungsmaßstab des optischen SLA-Systems alleine +1 ist. Das optische SLA-System muß das Zwischenbild abbilden und ein dem Objekt ähnliches Bild in der Bildebene wiedergeben. Üblicherweise bildet eine Linse ein umgekehrtes Bild; wenn ein Objekt in Teilbildern abgebildet und daraus das Gesamtbild zusammengesetzt wird, geht deshalb die Kontinuität des Bildes verloren und wird es unmöglich, ein dem Objekt ähnliches Bild zu erzeugen, wenn die Teilbilder nicht aufrecht sind.

Mittels des SLA-Systems wird ein aufrechtes Bild mit dem Abbildungsmaßstab 1 : 1 dadurch gebildet, daß die Werte der Verteilungskonstante a des Brechungsindex bei den einzelnen Faser- bzw. Linsenelementen des SLA-Systems, die Faserlänge l, die Objektentfernung l₀ und die Objekthöhe d₀ geeignet gewählt werden. Bei Verwendung eines SLA-Systems als Relaisteil mit 1 : 1-Vergrößerung ist lediglich ein einzelner Block erforderlich; hierdurch ergeben sich eine Vereinfachung des Aufbaus und eine Erleichterung der Herstellung. Eine zweite Forderung an das Relaisteil, das durch ein SLA-System gebildet ist, besteht darin, daß das durch ein SLA-System gebildet ist, besteht darin, daß das vor dem SLA-System angeordnete Varioteil als ein im wesentlichen telezentrisches System ausgebildet ist. Bei einem SLA-System ist ein Lichtdurchgang jenseits eines Grenzeintrittswinkels unmöglich. Daher ist vorgesehen, daß die Position der Austrittspupille des Varioteils vor dem SLA-System ins Unendliche gelegt ist.

Im folgenden werden mögliche Bauarten von Varioobjektiven beschrieben, bei denen die obigen Forderungen erfüllt sind. Zunächst ist es zweckmäßig, daß das Varioteil drei Linsengruppen aufweist, nämlich eine erste, positive Linsengruppe, eine zweite, negative Linsengruppe und eine dritte, negative Linsengruppe oder eine erste, negative Linsengruppe, eine zweite, positive Linsengruppe und eine dritte, negative Linsengruppe. Zur Erfüllung der ersten Forderung ist es notwendig, daß die Bildebene des Varioteils bezüglich des SLA-Systems konjugiert zu einem Film oder einem Bildaufnahmeelement angeordnet ist. Ferner sollte das vom Varioteil erzeugte Zwischenbild ein virtuelles Bild sein, damit die Gesamtlänge des Varioobjektivs nicht groß ist. Anordnungen, bei denen von der Objektseite her eine positive Fokussierlinsengruppe, ein negativer Variator und ein negativer Kompensator oder eine positive Gruppe aus Fokussierlinsengruppe und Kompensator, ein negativer Variator und eine negative feste Linse oder eine negative Fokussierlinsengruppe, ein positiver Variator und ein negativer Kompensator oder eine negative Gruppe aus Fokussierlinsengruppe und Kompensator, ein positiver Variator und eine negative feste Linse vorgesehen sind, erfüllen diese Bedingung. Wenn ferner die Bedingung, daß ein aufrechtes Bild mit einem Abbildungsmaßstab von 1 : 1 gebildet wird, in die Gleichung (5) eingesetzt wird, erhält man

Wenn die Verteilungskonstante des Brechungsindex und die Brennweite gegeben sind, erhält man mittels Gleichung (6) die Größe l₀. Wenn l₀ erhalten ist, ist es zur Erfüllung der zweiten Forderung notwendig, die Brechkraft der dritten Linsengruppe so zu bestimmen, daß das Varioteil als telezentrisches System ausgebildet ist. Wenn, wie in Fig. 4 gezeigt ist, die Größe des mittels des SLA-Systems 11 abgebildeten Objektes, nämlich des vom Varioteil erzeugten Zwischenbildes, d₀ ist und die Größe des vom Variator des Varioteils erzeugten Bildes d′ ist und dieses Bild um die Strecke S vor dem vorderen Hauptpunkt der dritten Linsengruppe 12 liegt und der Abstand vom hinteren Hauptpunkt der dritten Linsengruppe 12 zur vorderen Fläche des SLA-Systems e ist, so erhält man

Es ergeben sich die folgenden Beziehungen:

Hierbei ist

f₁: die Brennweite der ersten Linsengruppe
β₂: der Abbildungsmaßstab der zweite Linsengruppe, und
f₃: die Brennweite der dritten Linsengruppe.

Durch Bestimmen der Brennweite f₃ der dritten Linsengruppe 12 aus den Gleichungen (6), (7) und (8) erhält man ein Varioteil, das bewirkt, daß der Hauptstrahl, wie in Fig. 3 gezeigt ist, parallel zu der optischen Achse in das SLA-System eintritt.

Im folgenden sollen drei Ausführungsbeispiele des Varioobjektivs anhand ihrer Daten erläutert werden. Bei jedem Ausführungsbeispiel ist r_i der Krümmungsradius der i-ten Fläche, d_i die axiale Dicke bzw. der Luftabstand zwischen der i-ten und der i+1-ten Fläche, ν_d die Abbesche Zahl und n_d der Brechungsindex. f ist die Brennweite des Varioteils und S₁, S₂ und S₃ sind variable axiale Abstände.

Ein Linsenschnitt des ersten Ausführungsbeispiels ist in Fig. 5 gezeigt, eine Linsenschnitt des zweiten Ausführungsbeispiels in Fig. 7 und ein Linsenschnitt des dritten Ausführungsbeispiels in Fig. 8.

Die Fig. 6A und 6B zeigen Modulationsübertragungsfunktionen, die die Bildqualität des ersten Ausführungsbeispiels wiedergeben. Fig. 6A zeigt die Werte für unter verschiedenen Eintrittswinkeln ω einfallende Lichtstrahlen, wenn f=14 ist, und Fig. 6B zeigt die Werte für unter verschiedenen Eintrittswinkeln ω einfallende Lichtstrahlen, wenn f=-40 ist. In Fig. 6 stellt die durchgezogene Linie die Modulationsübertragungsfunktion in sagittaler Richtung und die strichpunktierte Linie die Modulationsübertragungsfunktion in meridionaler Richtung dar.

Erstes Ausführungsbeispiel (Fig. 5 und 6A, 6B)

Zweites Ausführungsbeispiel (Fig. 7)

Drittes Ausführungsbeispiel (Fig. 8)

Fig. 9 zeigt die bei den vorstehenden Ausführungsbeispielen benutzten SLA-Systeme, nämlich das längere SLA-System des ersten und des zweiten Ausführungsbeispiels sowie das kürzere SLA-System des dritten Ausführungsbeispiels. Wie aus Fig. 9 ersichtlich ist, kann durch die Verwendung eines SLA-Systems mit einem großen Brechungsindexgradienten, d. h. großer Verteilungskonstante, die Länge des SLA-Systems selbst sowie die Gesamtlänge des Relaisteils reduziert werden.

Im allgemeinen hat ein Linsenrastersystem aus GRIN-Linsen aus Glasfasern mit einem großen Brechungsindexgradienten eine große sphärische Aberration. Dies macht es manchmal schwierig, ein hohes Auflösevermögen zu erhalten. Eine Korrektur kann jedoch dadurch ausgeführt werden, daß die Form der Endfläche des Glasfaserbündels sphärisch oder nicht spärisch ausgeführt wird, und/oder dadurch, daß der Verlauf des Brechungsindex variiert wird.

Ein ähnlicher Effekt kann erzielt werden, wenn eine gewöhnliche Fliegenaugenlinse oder eine Stablinsenanordnung als Linsenrastersystem verwendet wird.

Claims (3)

1. Varioobjektiv mit einem Varioteil, das bei unterschiedlichen Objektentfernungen ein ortsfestes virtuelles Zwischenbild des Objektes entwirft, und einem Relaisteil, das das virtuelle Zwischenbild in einer Bildebene aufrecht abbildet, dadurch gekennzeichnet, daß das Relaisteil aus einem aufrecht abbildenden Linsenrastersystem (11) besteht, das von dem Zwischenbild ein Bild im Abbildungsmaßstab 1 : 1 erzeugt, und daß das Varioteil (1, 2, 3) ein im wesentlichen telezentrisches optisches System ist.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenrastersystem (11) eine Anordnung aus GRIN-Linsen mit radialer Brechungsindexverteilung ist.

3. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Linsenrastersystem (11) eine Stablinsenanordnung ist.