DE3838168C2 - - Google Patents
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- Instruments For Viewing The Inside Of Hollow Bodies (AREA)
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Description
Die Erfindung betrifft ein optisches Bildübertragungssystem
mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung eines
von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch
Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten Position,
wobei das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen
Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten
aufweist und etwa in nicht-flexiblen Endoskopen,
beispielsweise nicht-flexiblen medizinischen
Endoskopen, in Endoskopen flexibler Bauart mit einem
nicht-flexiblen Abschnitt, in nicht-flexiblen Industrie-
Fiberskopen, in Videoskopen mit eingebauten Festkörper-
Bildsensoren oder ähnlichen Einrichtungen und nicht-flexiblen
Videoskopen verwendbar ist.
Ein optisches Bildübertragungssystem und dessen Wirkungsweise
ist beispielsweise in der US-PS 46 93 568 beschrieben.
Das daraus bekannte optische Bildübertragungssystem
für ein nicht-flexibles Endoskop umfaßt zwei
bikonvexe stabförmige Linsenkomponenten und zwei zwischen
diesen stabförmigen Linsenkomponenten angeordnete Meniskuslinsenkomponenten.
Gemäß einer Ausführungsform des
bekannten Bildübertragungssystems sind die stabförmigen
Linsenkomponenten als gekittete Doubletkomponenten
ausgebildet und bestehen aus einer bikonvexen Stablinse
und einem Meniskuslinsenelement.
Das Bildübertragungssystem nach der US-PS 46 93 568 weist
keine asphärische Flächen an den Linsenkomponenten auf.
Die Verwendung asphärischer Flächen zur Verbesserung der
Korrektur von Aberrationen ist beispielsweise in der DE-OS
36 00 573 beschrieben. Die DE-OS 36 00 573 betrifft jedoch
kein optisches Bildübertragungssystem der eingangs genannten
Art, sondern ein Endoskopobjektiv zur Formung
eines Bildes von einem observierten Gegenstand. Die
asphärischen Flächen sind bei dem Endoskopobjektiv insbesondere
dazu vorgesehen, eine Verbesserung der Korrektur
der Verzeichnung und der Bildfeldkrümmung entsprechend den
spezifischen Anforderungen an ein abbildendes Objektiv zu
verbessern.
Aus der US-PS 45 45 652 sind nachstehend erläuterte
optische Bildübertragungssysteme mit apshärischen Linsenflächen
zur Aberrationskorrektur bekannt, wobei die
asphärischen Flächen Bereiche aufweisen, deren Krümmung
mit radialem Abstand von der optischen Achse entweder
zunimmt oder abnimmt. Gemäß einer Ausführungsform des
bekannten Bildübertragungssystems ist eine sphärische
Fläche in der Nähe der Pupille des Systems angeordnet.
Ferner ist eine asphärische Fläche in der Nähe des zu
übertragenden Bildes angeordnet, die Bereiche aufweist,
deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter die Bereiche
von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex
an der Lichteintrittsseite der asphärischen
Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite
der asphärischen Fläche. Ferner ist eine
asphärische Fläche in der Nähe des refokussierten Bildes
angeordnet, die Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell
zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse
entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der
Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche kleiner ist
als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser
asphärischen Fläche.
Zur Korrektur der Petzvallsumme umfassen die bekannten
optischen Bildübertragungssysteme mit asphärischen Flächen
eine gekittete Linse, bestehend aus einer konvexen Linse
mit einem großen Brechungsindex und einer konkaven Linse
mit einem kleinen Brechungsindex. Die durch die Kittfläche
(sphärische Fläche) der gekitteten Linse erzeugte sphärische
Aberration wird durch eine sich von der Kittfläche
unterscheidende asphärische Fläche in der gekitteten Linse
korrigiert.
In dem in Fig. 20 gezeigten bekannten optischen Bildübertragungssystem
sind Kittflächen symmetrisch bezüglich der
Bildebene und der Pupillenebene angeordnet. Eine stabförmige
Linse 20 ist aus einer bikonvexen Linse 23 mit
großem Brechungsindex und bikonkaven Linsen 21 und 22 mit
kleinem Brechungsindex zusammengesetzt, wobei die bikonkaven
Linsen 21, 22 an der bikonvexen Linse 23 angekittet
sind. Flächen 20a und 20b der stabförmigen Linse sind als
asphärische Flächen ausgebildet. Bis auf die Flächen 20a
und 20b sind die Linsenflächen sphärisch.
In dem in Fig. 20 gezeigten bekannten optischen Bildübertragungssystem
sind eine Vielzahl von stabförmigen Linsen
20 zur Bildung einer Relaislinseneinheit zusammengesetzt.
Zwei Relaislinseneinheiten werden als Relaislinsensystem
verwendet, welches ein aufrechtes Bild in ein invertiertes
Bild (oder umgekehrt) konvertiert.
Das in Fig. 21 gezeigte bekannte optische Bildübertragungssystem
umfaßt gekittete Linsen 30, von denen jede aus
einer konvexen Linse 31 mit großem Brechungsindex und
einer konkaven Meniskuslinse 32 mit kleinem Brechungsindex
besteht. Eine Fläche 30a dieser gekitteten Linse ist als
eine asphärische Fläche ausgebildet. Vier gekittete Linsen
30 werden zur Bildung einer Relaislinseneinheit verwendet.
Das in Fig. 22 gezeigte bekannte optische Bildübertragungssystem
umfaßt gekittete Linsen 40, von denen jede aus
einer bikonvexen Linse 42 mit großem Brechungsindex und
konkaven Linsen 41 und 43 mit kleinem Brechungsindex
besteht. Flächen 40a und 40b dieser gekitteten Linsen sind
als asphärische Flächen ausgebildet. Zwei gekittete Linsen
20 werden zur Bildung einer Relaislinseneinheit verwendet.
An beiden Seiten des eine Vielzahl von Relaislinseneinheiten
umfassenden Gesamtlinsensystems sind gekittete
Linsen 40′ angeordnet. Diese gekitteten Linsen 40′ entsprechen
Hälften der gekitteten Linsen 40.
In dem in Fig. 23 gezeigten bekannten optischen Bildübertragungssystem
ist an jeder Seite eines stabförmigen
Glasblocks 55 eine gekittete Linse 50, bestehend aus einer
bikonvexen Linse 51 mit großem Brechungsindex und einer
bikonkaven Linse 52 mit kleinem Brechungsindex, angeordnet.
Der Glasblock hat auf beiden Seiten ebene Flächen.
Die Linse 50 hat eine asphärische Fläche 50a. Vier gekittete
Linsen 50 und zwei stabförmige Linsen bilden eine
Relaislinseneinheit. Bei dem oben beschriebenen bekannten
Beispiel sind die asphärischen Flächen auch in der Nähe
von Bildern angeordnet; an derartigen Stellen lokalisierte
asphärische Flächen dienen jedoch nicht zur Korrektur von
sphärischen Aberration.
Fig. 24 und Fig. 25 zeigen Kurven, die die Aberrationscharakteristiken
des in Fig. 21 dargestelten bekannten
optischen Bildübertragungssystems veranschaulichen. Diese
Kurven wurden auf der Basis der in der Patentbeschreibung
dieses bekannten Beispiels (US-PS 45 45 652) angegebenen
numerischen Daten gezeichnet. Die in Fig. 24 gezeigten
Kurven stellen die unmittelbar auf die numerischen Daten
zurückgehenden Aberrationscharakteristiken dar, wohingegen
die in Fig. 25 gezeigten Kurven auf der Grundlage von
Berechnungen gezeichnet sind, für die angenommen wurde,
daß die asphärischen Flächen sphärische Flächen sind. Für
die Darstellung der Kurven in Fig. 24 und Fig. 25 wurde
die Bildhöhe auf 1 normiert.
Ein Vergleich zwischen Fig. 24 und Fig. 25 stellt klar,
daß die in diesen Zeichnungen dargestellten Aberrationscharakteristiken
im wesentlichen gleiches Niveau haben,
bzw., keine signifikanten Unterschiede aufweisen. Es ist
daher festzustellen, daß durch die Art der Verwendung der
asphärischen Flächen bei dem bekannten Beispiel nahezu
kein Effekt in bezug auf die Korrektur von Aberrationen
erzielt worden ist.
Der Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, ein
optisches Bildübertragungssystem der eingangs genannten
Art anzugeben, bei dem Astigmatismus, sphärische Aberration
und andere Aberrationen durch effiziente Nutzung
asphärischer Linsenflächen in dem optischen System gut
korrigiert sind.
Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung umfaßt
mehrere Linsenkomponenten zur Übertragung eines von einem
Objektiv geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung
des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei
das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen
Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten
aufweist, eine sphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten
in der Nähe der Pupille des optischen Bildübertragungssystems
angeordnet ist und die Funktion hat,
sphärische Aberration zu korrigieren, eine asphärisch
ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des
Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung
graduell abnimmt, je weiter die Bereiche von der
optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an
der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche kleiner
ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der
asphärischen Fläche, und wobei eine asphärische Fläche der
Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes
angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung
graduell abnimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen
Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an
der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche größer
ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite
dieser asphärischen Fläche.
Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist dahingehend
abgeglichen, daß es sphärische Aberration und
Astigmatismus unabhängig korrigiert. Zur Vergrößerung der
aberrationkorrigierenden Wirkung stehen die Formen der
asphärischen Flächen in einer Beziehung zu den Brechungsindizes
auf der Lichteintrittsseite und auf der Lichtaustrittsseite
der asphärischen Flächen.
Ein weiteres erfindungsgemäßes optisches Bildübertragungssystem
mit mehreren Linsenkomponenten zur Übertragung
eines von einem Objektiv geformten Bildes eines Objektes
durch Refokussierung des Bildes an einer vorbestimmten
Position umfaßt neben sphärischen Flächen auch asphärische
Flächen an den Linsenkomponenten, wobei eine sphärische
Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des
optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die
Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren, eine
asphärische Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des
Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung
graduell zunimmt, je weiter die Bereiche von der
optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an
der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche größer ist
als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der
asphärischen Fläche, eine asphärische Fläche der Linsenkomponenten
in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet
ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell
zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse
entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite
dieser asphärischen Fläche kleiner ist als der
Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen
Fläche, und wobei ein gekittetes Doublet mit einer
in der Nähe der Pupille angeordneten Kittfläche vorgesehen
ist, deren Flächenbrechkraft ΦK der Bedingung:
(1) ΦK < 0
genügt, wobei ferner die Bedingung:
(2) ΦK · f < 0
erfüllt ist, in der f die Gesamtbrennweite
des optischen Systems bezeichnet.
Das optische Bildübertragungssystem nach der Erfindung hat den
in Fig. 1 dargestellten grundlegenden Aufbau und umfaßt, in der
Reihenfolge ausgehend von dem Bild 1 auf der Objektseite über
eine Pupillenlage 5 zum Bild 2 auf der Bildseite, ein aus einem
bikonkaven Linsenelement 3 und einer konkaven Meniskuslinse 4
bestehendes gekittetes Doublet und ein weiteres gekittetes
Doublet, bestehend aus einer konkaven Meniskuslinse 4′ und einer
bikonvexen Linse 3′. Die Doublet-Komponenten sind symmetrisch zu
der Pupillenlage 5 angeordnet. Die Fläche 3a des Linsenelementes
3 und die Fläche 3a′ des Linsenelementes 3′ sind als asphärische
Flächen ausgebildet. Diese asphärischen Flächen umfassen Bereiche,
deren Krümmungen abnehmen, je weiter die Bereiche vom
Zentrum der Flächen entfernt sind. Die Fläche 3a ist in der Nähe
des Bildes 1 an einer Stelle
angeordnet, an der das Licht von einem Medium mit kleinem
Brechungsindex (Luft) zu einem anderen Medium mit großem
Brechungsindex (Linse 3) fortschreitet. Ferner ist die Fläche
3a′ in der Nähe des Bildes 2 an einer Stelle angeordnet, an der
das Licht von einem Medium mit großem Brechungsindex (Linsenelement
3′) zu einem anderen Medium mit kleinem Brechungsindex
(Luft) fortschreitet. Daher sind diese Flächen als asphärische
Flächen mit Bereichen ausgebildet, deren Krümmung abnimmt, je
weiter diese Bereiche von den Zentren der Flächen entfernt sind.
Außerdem haben die gekitteten Flächen (3b, 4a) und (4 a′, 3b′)
die Funktion, die sphärische Aberration zu korrigieren. Durch
Ausbilden der sphärischen Flächen zur Korrektur der sphärischen
Aberration als gekittete Flächen kann die Anzahl mechanischer
Teile, wie beispielsweise Abstandsringe (engl.: spacing rings),
verkleinert werden, wodurch der Zusammenbau vereinfacht wird.
Die Ausbildung vermindert ferner die Anzahl beschichteter Flächen
(die in Kontakt mit Luft stehenden Flächen) pro Relaislinseneinheit,
wodurch weniger gefärbte, gute Bilder erhalten
werden.
Mit den Bezeichnungen
Φk für die Flächenbrechkraft der Kittfläche und
f für die Gesamtbrennweite der Relaislinseneinheit
wird vorgeschlagen, die Bedingungen
(1) Φk < 0
(2) Φk · f < 0
zu erfüllen.
Wenn eine konvexe Linse mit kleinem Brechungsindex an eine konkave
Linse mit großem Brechungsindex angekittet ist, um sphärische
Aberration in dem optischen Bildübertragungssystem nach
der Erfindung zu korrigieren, ist es zweckmäßig die Kittfläche
so auszubilden ist, daß man einen negativen Wert:
Φk = (n′ - n)/r
erhält, worin
r den Radius der Kittfläche und
n bzw. n′ die Brechungsindizes der Medien auf der Objektseite bzw. auf der Bildseite bezeichnen.
r den Radius der Kittfläche und
n bzw. n′ die Brechungsindizes der Medien auf der Objektseite bzw. auf der Bildseite bezeichnen.
Ferner ist die Brennweite der Relaislinseneinheit in einem
afokalen Linsensystem mit idealer Bild- und Pupillenübertragung
unendlich. Wenn jedoch asphärische Flächen an den in der Nähe
der Pupille angeordneten Linsenelementen zur Übertragung der
Pupille verwendet werden, wie bei dem optischen Bildübertragungssystem
nach der Erfindung, wird die Pupille infolge der durch
die Abweichung der Randbereiche der asphärischen Fläche von der
sphärischen Fläche erzeugten Pupillenaberration nicht normal
übertragen. Demzufolge ist die Pupille nach mehrmaliger Weitergabe
des Bildes abgedunkelt. Wenn das optische System derart
gestaltet ist, daß es die durch die obenerwähnten Randbereiche
der asphärischen Flächen erzeugte Pupillenaberration korrigiert,
wird die Krümmung der asphärischen Flächen klein, und die
Relaislinseneinheit hat eine negative Brennweite f, wie in dem
Fall einer im folgenden noch beschriebenen Ausführungsform.
Daher muß das Produkt Φ·f positiv sein. Die Bedingung (2)
definiert diese Forderung.
Für das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist es zweckmäßig,
daß der Koeffizient des Astigmatismus dritter Ordnung AS
der in der Nachbarschaft der Pupille angeordneten sphärischen
Fläche und der Koeffizient des Astigmatismus dritter Ordnung ASA
der in der Nachbarschaft des Bildes angeordneten asphärischen
Fläche die nachstehenden Bedingungen (3) und (4) erfüllen:
(3) AS · ASA<0
(4) |AS/ASA|=1
Im Falle mehrerer in der Nachbarschaft der Pupille angeordneter
sphärischer Flächen repräsentiert der Astigmatismuskoeffizient
AS einen Gesamtwert der Koeffizienten dieser Flächen. Der
Astigmatismuskoeffizient der asphärischen Fläche ist in eine
Komponente für deren konische Fläche und eine Komponente für die
Restfläche unterteilt. Der Astigmatismuskoeffizient ASA bezeichnet
den Astigmatismuskoeffizienten der letzteren Komponente.
Wenn mehrere asphärische Flächen in der Nähe des Bildes angeordnet
sind, gibt der Astigmatismuskoeffizient einen Gesamtwert
der Koeffizienten der asphärischen Flächen an.
Eine quantitative Beschreibung der Form der zur Astigmatismuskorrektur
verwendeten asphärischen Fläche wird nachstehend
angegeben.
Mit den Bezeichnungen:
x für die Richtung der optischen Achse (die Richtung zum Bild hin wird als positiv angenommen),
y für eine Richtung senkrecht zur optischen Achse
und mit dem Schnittpunkt zwischen der asphärischen Fläche und der optischen Achse als Ursprung lautet die Formel für die Formen allgemeiner asphärischer Flächen:
x für die Richtung der optischen Achse (die Richtung zum Bild hin wird als positiv angenommen),
y für eine Richtung senkrecht zur optischen Achse
und mit dem Schnittpunkt zwischen der asphärischen Fläche und der optischen Achse als Ursprung lautet die Formel für die Formen allgemeiner asphärischer Flächen:
worin
C den Kehrwert des Krümmungsradius eines Berührungskreises der asphärischen Fläche in der Nähe der optischen Achse,
p eine Kegelschnittkonstante und
B, E, F, G, . . . asphärische Flächenkoeffizienten zweiter Ordnung, vierter Ordnung, sechster Ordnung bzw. achter Ordnung . . . bezeichnen.
C den Kehrwert des Krümmungsradius eines Berührungskreises der asphärischen Fläche in der Nähe der optischen Achse,
p eine Kegelschnittkonstante und
B, E, F, G, . . . asphärische Flächenkoeffizienten zweiter Ordnung, vierter Ordnung, sechster Ordnung bzw. achter Ordnung . . . bezeichnen.
Falls p =1 und B =E =F =G = . . . =0, dann wird durch die
oben erwähnte Formel ein Kreis beschrieben.
Ferner ist der Seidel'sche Aberrationskoeffizient gemäß den
folgenden Formeln (i) und (ii) definiert:
Für den meridionalen Strahl ( =0):
ΔY =(SA3)³+(CMA3)²
+{AST3)+(PTZ3)}²+(DIS3)³
+(SA5)⁵+(CMA5)⁴ +(TOBSA)³²
+(ELCMA)²³+{5(AST5)+(PTZ5)}⁴
+(DIS5)⁵+(SA7)′ (i)
+{AST3)+(PTZ3)}²+(DIS3)³
+(SA5)⁵+(CMA5)⁴ +(TOBSA)³²
+(ELCMA)²³+{5(AST5)+(PTZ5)}⁴
+(DIS5)⁵+(SA7)′ (i)
Für den sagittalen Strahl ( =0):
ΔZ =(SA3)³+{(AST3)+(PTZ)}²
+(SA5)⁵+(SOBSA)²²
+{(AST5)+(PTZ5)}⁴+(SA7)⁷ (ii)
+(SA5)⁵+(SOBSA)²²
+{(AST5)+(PTZ5)}⁴+(SA7)⁷ (ii)
In Formel (i) bezeichnet
ΔY die Abweichung zwischen dem paraxialen Bildpunkt (den Bildpunkt im aberrationsfreien Zustand) und dem tatsächlichen Bildpunkt für den meridionalen Strahl.
Y die auf die maximale Bildhöhe normierte Eintrittsstelle des paraxialen Hauptstrahls auf der Bildebene und
H die auf den Pupillendurchmesser normierte Eintrittsstelle des Randstrahls auf der Pupillenebene.
ΔY die Abweichung zwischen dem paraxialen Bildpunkt (den Bildpunkt im aberrationsfreien Zustand) und dem tatsächlichen Bildpunkt für den meridionalen Strahl.
Y die auf die maximale Bildhöhe normierte Eintrittsstelle des paraxialen Hauptstrahls auf der Bildebene und
H die auf den Pupillendurchmesser normierte Eintrittsstelle des Randstrahls auf der Pupillenebene.
Ferner bezeichnen
SA3, SA5 bzw. SA7 | |
sphärische Aberrationen dritter, fünfter bzw. siebenter Ordnung, | |
CMA3 bzw. CMA5 | tangentiales Koma dritter bzw. fünfter Ordnung, |
AST3 bzw. AST5 | Astigmatismus dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung |
PTZ3 bzw. PTZ5 | Petzvalsummen dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung, |
DIS3 bzw. DIS5 | Verzeichnung dritter Ordnung bzw. fünfter Ordnung, |
TOBSA | tangentiale asphärische Queraberration fünfter Ordnung, |
ELCMA | elliptisches Koma fünfter Ordnung und |
SOBSA | sagittale sphärische Queraberration fünfter Ordnung. |
Die durch die oben angegebenen Formeln (i) und (ii) ausgedrückten
Aberrationskoeffizienten entsprechen denen, die in dem Linsengestaltungsprogramm
ACCOS-V (general purpose lens designing
program ACCOS-V) verwendet werden. Mit den Bezeichnungen OB für
den Abstand zum Objekt, NA für die numerische Apertur für den
Randstrahl und n₀ für den Brechungsindex des auf der Objektseite
der ersten Linsenfläche liegenden Mediums wird die Höhe H₀
des paraxialen Strahles auf der ersten Linsenfläche in dem Programm
ACCOS-V jedoch durch die folgende Formel determiniert:
H₀=OB ×tan (sin-1 (NA/n₀))
Bezüglich der vorliegenden Erfindung wird die Strahlenhöhe H₀ dagegen
durch die folgende Formel ausgedrückt:
H₀=OB ×NA/n₀
Demgemäß werden die Aberrationskoeffizienten bei der vorliegenden
Erfindung durch Verfolgen des paraxialen Strahlenverlaufs
auf der Basis der durch die letztere Formel bestimmten Höhe H₀
determiniert.
Durch Verwendung der asphärischen Fläche mit Bereichen graduell
abnehmender Krümmung, je weiter die Bereiche vom Zentrum entfernt
sind, kann Astigmatismus korrigiert werden, da dieser in enger
Beziehung zur Petzvalsumme in den oben angeführten Formeln (i)
und (ii) steht. Wenn man Petzvalsummen der höheren Ordnungen in
den Randbereichen der asphärischen Fläche in Betracht zieht,
kann man feststellen, daß die Petzvalsummen der oben erwähnten
asphärischen Fläche zur negativen Seite hin variieren, wodurch
Astigmatismus reduziert wird.
Die Auswahl eines negativen Produktes von AS · ASA entsprechend
der oben angeführten Bedingung (3) für das optische Bildübertragungssystem
nach der Erfindung liegt darin begründet, daß es
bei einem solchen Produkt möglich ist, den von der sphärischen
Fläche erzeugten Astigmatismus durch den von der asphärischen
Fläche erzeugten Astigmatismus aufzuheben. Wenn die Bedingung
(3) nicht erfüllt ist oder wenn das Produkt AS · ASA positiv ist,
wird der Astigmatismus in unerwünschter Weise verstärkt. Wenn
|AS/ASA| entsprechend der oben angeführten Bedingung (4) auf einen
nahe bei 1 liegenden Wert bemessen wird, ist es möglich, Astigmatismus
wirksam zu korrigieren, so daß der Astigmatismus Null
wird. Wenn |AS/ASA| einen von 1 weit entfernt liegenden Wert
hat, wird es unmöglich sein, den Astigmatismus ausreichend zu
korrigieren, auch wenn die Bedingung (3) erfüllt ist.
In der Praxis (Zielwerte des korrigierten Astigmatismus sind in
der Praxis variabel) ist es ausreichend, daß die Werte von
|AS/ASA| in dem durch die folgende Bedingung (4′) angegebenen
Bereich liegen:
(4′) 0,01<|AS/ASA|<100
In dem Korrekturfall, daß die Position der sagittalen Bildebene
DS und die Position der meridionalen Bildebene DM beispielsweise
in einer Beziehung von DS=DM stehen, hat |AS/ASA| einen Wert
von näherungsweise 1, und Astigmatismus wird beseitigt. Aufgrund der
Bildfeldwölbung können die Mitte des Bildes und Randbereiche des
Bildes jedoch nicht gleichzeitig in Fokussierung gebracht werden.
In solch einem Fall werden jedoch die Randbereiche bei
einer bestimmten Objektposition in Fokussierung gebracht. Eine
solche Astigmatismuskorrektur wird vorteilhaft sein, wenn nur
die Randbereiche eines Objektes durch ein Endoskop betrachtet
werden sollen.
Wenn Astigmatismus dahingehend korrigiert wird, daß man eine
Beziehung von DS=-DM erhält, hat |AS/ASA| einen Wert von
näherungsweise 0,5, und es wird eine mittlere Ebene zwischen
Bildmitte und Randbereichen passend ausgewählt. Daher wird ein
nicht-flexibles Endoskop mit relativ geringer Helligkeit und
einer großen Schärfentiefe (engl.: depth of field) nicht durch
Astigmatismus beeinflußt, so daß ein von der Mitte bis zu den
Randbereichen von Bildwölbung freies und scharfes Bild eines
ebenen Objektes geformt werden kann. Bei mehrmaliger Weiterleitung
bzw. fortgesetzter Übertragung des Bildes wird sich der
Astigmatismus jedoch erheblich verstärken. In einem solchen
Fall sollte nach mehrmaliger Bildweiterleitung eine gesamte
Bildebene gleichzeitig an der Bildmitte und an den Randbereichen
in Fokussierung gebracht werden. Ferner sollten Astigmatismus
und Bildwölbung vollständig beseitigt werden, indem die Linsenflächen
so kombiniert werden, daß eine Beziehung von DS=K · DM
(K bezeichnet einen wählbaren Koeffizienten) erzielt wird, um
Astigmatismus und Bildwölbung insgesamt zu korrigieren. Es ist
in jedem Fall wünschenswert, die Bedingung (4′) zu erfüllen.
Falls |AS/ASA| in der Bedingung (4′) kleiner als 0,01 ist, wird
Astigmatismus überkorrigiert. Falls |AS/ASA| größer als 100 ist,
wird Astigmatismus unterkorrigiert, und die Astigmatismusdifferenz
wird erheblich vergrößert, was eine unerwünschte Verminderung
der Bildqualität zur Folge hat.
Der Koeffizient Aj, der infolge der Abweichung der
j-ten asphärischen Fläche von der sphärischen Fläche erzeugten
Aberration dritter Ordnung (z. B. der Koeffizient bei P =1 und
B =0) wird durch die folgende Formel (iii) ausgedrückt:
Aj=8 ha² · hb² E (Nj-Nj+1) (iii),
worin
ha bzw. hb die Höhe des paraxialen Strahles bzw. des paraxialen Hauptstahls auf der j-ten Fläche,
E den asphärischen Flächenkoeffizienten vierter Ordnung der j-ten Fläche und
Nj bzw. Nj +1 den Brechungsindex des Mediums auf der Objektseite bzw. des Mediums auf der Bildseite der j-ten Fläche bezeichnen.
ha bzw. hb die Höhe des paraxialen Strahles bzw. des paraxialen Hauptstahls auf der j-ten Fläche,
E den asphärischen Flächenkoeffizienten vierter Ordnung der j-ten Fläche und
Nj bzw. Nj +1 den Brechungsindex des Mediums auf der Objektseite bzw. des Mediums auf der Bildseite der j-ten Fläche bezeichnen.
Demgemäß ist aus der Formel (iii) eine Beziehung zwischen dem
Koeffizienten des Astigmatismus dritter Ordnung ASA und dem
asphärischen Flächenkoeffizienten vierter Ordnung E herzustellen.
Eine solche Beziehung ist nachstehend unter (5) angegeben:
(5) E = -ASA/8 (Nj-Nj+1) ha²+hb²
Bei dem optischen System nach der Erfindung ist es zweckmäßig,
daß der asphärische Flächenkoeffizient vierter Ordnung E der
folgenden Bedingung (6) genügt:
(6) 0,1<|E/I² · NA|<0,001
worin
I die Bildhöhe und NA die numerische Apertur bezeichnen.
I die Bildhöhe und NA die numerische Apertur bezeichnen.
Falls |E/I² · NA| in Bedingung (6) größer als 0,1 ist, wird der
Astigmatismus überkorrigiert und in unerwünschter Weise verstärkt,
wenn die Anzahl der Bildweiterleitungen erhöht wird.
Wenn dagegen |E/I² · NA| kleiner als 0,001 ist, wird der
Astigmatismus überkorrigiert und in unerwünschter Weise verstärkt,
wenn die Anzahl der Bildweiterleitungen erhöht wird.
Gleichermaßen sollte der Koeffizient sechster Ordnung F der
folgenden Bedingung (7) genügen:
(7) 1×10-4<|F/I² · NA|<1×10-10
Wenn |F/I² · NA| in der Bedingung (7) größer als 1×10-4 oder
kleiner als 1×10-10 ist, dann tritt aus dem bereits im Zusammenhang
mit der Bedingung (6) genannten Grund unerwünschter
Astigmatismus auf.
In optischen Bildübertragungssystemen werden Luftabstände durch
optische Materialien ersetzt, um die numerischen Aperturen der
Linseneinheiten zu erhöhen, damit eine maximal mögliche Lichtmenge
übertragen wird. In diesem Sinne ist es zweckmäßig, das
konvexe Linsenelement mit der positiven Funktion in dem Bildübertragungssystem
nach der Erfindung als stabförmiges Linsenelement
auszubilden, dessen Länge um ein Mehrfaches größer
ist als der Durchmesser. Das stabförmige Linsenelement kann
ferner als stabförmiger Block mit ebenen Flächen auf beiden
Seiten ausgebildet sein. Durch ein an einer Stelle in der Nähe
der Pupille an das stabförmige Linsenelement angekittetes konkaves
Meniskuslinsenelement ist es ferner möglich, die sphärische
Aberration gut zu korrigieren, die Anzahl von Teilen, wie beispielsweise
Linsenabstandsringen, zu reduzieren und den Zusammenbau
von Linsenelementen zu erleichtern. Das Ankitten des
konkaven Meniskuslinsenelementes führt auch zur dauerhaften
Stabilisierung der optischen Eigenschaften nach dem Zusammenbau
und verhindert Bildverfärbungen durch die Antireflexionsbeschichtung.
Das Pressen (engl.: molding) von Glas oder Kunststoffmaterialien
ist unter dem Gesichtspunkt der Herstellungskosten allgemein für
die Herstellung asphärischer Linsen vorzuziehen. Insbesondere
sind Linsen aus gepreßten (bzw. gegossenen) Glasmaterialien
vorzuziehen, da diese eine größere chemische Resistenz aufweisen
als Linsen, die aus Kunststoffmaterialien geformt sind.
Im Vergleich mit dem Schleifen ist das Pressen jedoch nur für
eine begrenzte Auswahl optischer Materialien anwendbar und
gestattet keine freie Wahl des Brechungsindex, des Dispersionsvermögens,
usw. Wenn das stabförmige Linsenelement mit der
asphärischen Fläche durch Pressen (bzw. Gießen) von Glas oder
Kunststoff hergestellt ist, hat die Abbe'-Zahl aufgrund der
Materialbeschränkung einen kleinen Wert, und es wird chromatische
Aberration erzeugt. Die chromatische Aberration kann
nicht durch das an das stabförmige Linsenelement angekittete
konkave Meniskuslinsenelement korrigiert werden. Falls auch das
oben erwähnte konkave Meniskuslinsenelement gepreßt (bzw. gegossen)
ist, ist es aus dem gleichen Grund erforderlich, Mittel zur
Korrektur chromatischer Aberration vorzusehen.
Zur Korrektur der chromatischen Aberration wird bevorzugt eine
achromatische Doublet-Komponente verwendet.
Falls die Kittfläche die von der in der Nähe der Pupille angeordneten
asphärischen Fläche erzeugte sphärische Aberration
korrigieren kann, ist es erforderlich, das konkave Meniskuslinsenelement
an das stabförmige Linsenelement anzukitten.
Das Weglassen dieses konkaven Meniskuslinsenelementes dient zur
Reduzierung der Anzahl der Linsenelemente des optischen Systems
und führt zur Senkung der Herstellungskosten.
Durch Kombinieren des optischen Bildübertragungssystems nach der
Erfindung (bzw. einer Vielzahl von optischen Bildübertragungssystemen
nach der Erfindung) mit einer Objektivlinseneinheit,
einer Okulareinheit usw. wird ein nicht-flexibles Endoskop
gebildet. Mit diesem nicht-flexiblen Endoskop ist es möglich,
tiefe intrakavitäre Stellen von außerhalb des Körpers aus zu
betrachten. Ferner ist es mit dem nicht-flexiblen Endoskop möglich,
mehrere Meter vom Betrachter entfernte Objekte bzw. Stellen
zu betrachten, z. B. unterirdische Stellen oder hochgelegene
Stellen. Darüberhinaus ist es auch für das optische Bildübertragungssystem
mit gleicher Länge und gleichem Außendurchmesser
möglich, die numerische Apertur eines Relaislinsensystems zu
vergrößern und ein helles Sichtfeld zu erhalten, indem dessen
Gesamtlänge von einer einzelnen Relaislinseneinheit auf drei
Relaislinseneinheiten vergrößert wird.
Nachstehend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele des optischen
Bildübertragungssystems nach der Erfindung unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen und mit Angabe numerischer Daten beschrieben
Es zeigt:
Fig. 1 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von
Ausführungsbeispielen 1 bis 6 der Erfindung.
Fig. 2 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von
Ausführungsbeispielen 7 bis 12 der Erfindung.
Fig. 3 eine Schnittdarstellung des Aufbaus von
Ausführungsbeispielen 13 bis 15 der Erfindung,
Fig. 4 bis 19 Kurven der Aberrationscharakteristiken der
Ausführungsbeispiele 1 bis 15 der Erfindung.
Fig. 20 bis 23 Schnittdarstellungen der Aufbauten bekannter
optischer Bildübertragungssysteme, auf die
bereits bezug genommen wurde, und
Fig. 24 und 25 Kurven der Aberrationscharakteristiken eines
aus der US-PS 45 45 652 bekannten optischen
Bildübertragungssystems.
In den vorstehenden Angaben bezeichnen
r₁, r₂ . . . Krümmungsradien der Flächen der jeweiligen Linsenelemente.
d₁, d₂ . . . Dicken der jeweiligen Linsenelemente und Luftabstände dazwischen.
n₁, n₂ . . . Brechungsindizes der jeweiligen Linsenelemente.
ν₁, ν₂ . . . Abbe-Zahlen der jeweiligen Linsenelemente und
OB den Abstand zu dem Objektpunkt.
r₁, r₂ . . . Krümmungsradien der Flächen der jeweiligen Linsenelemente.
d₁, d₂ . . . Dicken der jeweiligen Linsenelemente und Luftabstände dazwischen.
n₁, n₂ . . . Brechungsindizes der jeweiligen Linsenelemente.
ν₁, ν₂ . . . Abbe-Zahlen der jeweiligen Linsenelemente und
OB den Abstand zu dem Objektpunkt.
AS, ASA und |E/I²·NA| sind nur für eine einzelne Relaislinsen
einheit jedes der zwei Relaislinseneinheiten umfassenden
Ausführungsbeispiele 13 und 14 beschrieben.
Die für die oben beschriebenen Ausführungsbeispiele gewählten
Seidelschen Koeffizienten sind nachstehend ausgelistet:
Von den für die Ausführungsbeispiele gewählten Seidelschen Koef
fizienten sind jeweils die Gesamtsummen der vertikalen Reihen in
Zeilen aufgelistet, um die in der jeweils unteren Zeile an
gegebenen, mit F-Nummern multiplizierten Werte zu spezifizieren.
Das Ausführungsbeispiel 1 hat den in Fig. 1 dargestellten Auf
bau und umfaßt ein bikonvexes Linsenelement 3, ein daran ange
kittetes konkaves Meniskuslinsenelement 4 und Linsenelemente
4′ und 3′. Die Reihenfolge der vorstehenden Aufzählung der
Linsenelemenete entspricht der Reihenfolge ihrer Anordnung
zwischen dem Bild 1 auf der Objektseite und dem Bild 2 auf der
Betrachtungsseite. Die Linsenelemente 3 und 4 sind auf einer
Seite der Pupillenposition 5 angeordnet, und die Linsenelemente
3′ und 4′ sind auf der anderen Seite der Pupillenposition 5 an
geordnet, so daß ein zur Pupillenposition 5 symmetrischer Aufbau
vorliegt.
In dem Ausführungsbeispiel 1 sind die Flächen 3a und 3a′ als
asphärische Flächen ausgebildet, die Bereiche umfassen, deren
Krümmung graduell schwächer wird, je weiter die Bereiche von dem
Zentrum der Fläche entfernt sind.
Die bikonvexen Linsenelemente 3 und 3′ erzeugen sphärische
Aberration in der Nähe der Pupille. Zur Korrektur dieser sphä
rischen Aberration sind die konkaven Meniskuslinsenelemente 4
bzw. 4′ an die jeweiligen bikonvexen Linsenelemente angekittet.
Die durch die Flächen 3b und 3b′ erzeugte sphärische Aberration
wird durch die durch die Flächen 4b und 4b′ erzeugte negative
sphärische Aberration kompensiert. Dann noch verbleibende sphä
rische Aberration wird durch die oben erwähnten asphärischen
Flächen 3a und 3a′ korrigiert.
Die in diesem Ausführungsbeispiel verwendeten Linsenelemente 3
und 3′ haben eine Länge, die etwa dem 10fachen ihres Außen
durchmessers entspricht und dienen zur Helligkeitssteigerung,
indem sie die numerische Apertur vergrößern. Die bikonvexen
Linsenelemente 3 und 3′ sind aus einem Material mit niedrigem
Dispersionsvermögen gebildet, während die konkaven Meniskus
linsenelemente 4 und 4′ aus einem Material mit hohem Disper
sionsvermögen gebildet sind, um chromatische Aberration zu
korrigieren.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 1 sind in
Fig. 4 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 2 hat im wesentlichen den gleichen Auf
bau wie das in Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel 1. Die als
erste Fläche und als sechste Fläche in dem Ausführungsbeispiel 2
verwendeten asphärischen Flächen haben einen P-Wert von null
(P=0) und sind unter Heranziehung einer parabolischen Fläche
als Standard ausgebildet. Von daher unterscheiden sich diese
Flächen von den asphärischen in dem Ausführungsbeispiel 1. Die
asphärischen Flächen in dem Ausführungsbeispiel 1 haben einen
P-Wert von 1 und sind unter Heranziehung einer sphärischen Stan
dardfläche gestaltet.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 2 sind in
Fig. 5 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 3 hat im wesentlichen den gleichen
Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 1. Astigmatismus wird in dem
Ausführungsbeispiel 3 jedoch dahingehend korrigiert, daß man
eine Beziehung von DM=-DS erhält, wohingegen in dem Ausfüh
rungsbeispiel 1 Astigmatismus in der Weise korrigiert wird, daß
die tangentiale Bildebene DM und die sagittale Bildebene DS
aneinander angepaßt werden. Wenn die Astigmatismuskorrektur in
der Weise erfolgt, daß man DM und DS bezüglich einer auf der
optischen Achse senkrecht stehenden Ebene symmetrisch macht, wie
bei dem Ausführungsbeispiel 3, dann erhält man eine fokussierte
mittlere Bildebene senkrecht zur optischen Achse. In diesem Fall
kann ein optisches System mit einer großen Schärfentiefe
(engl.: depth of field), wie beispielsweise ein Endoskop, inner
halb eines nicht durch Astigmatismus ungünstig beeinträchtigten
Spielraums all die Bereiche einer flachen Objektfläche von der
Mitte bis zu den Randbereichen in eine gute Scharfeinstellung
bzw. Fokussierstellung bringen.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 3 sind in
Fig. 6 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 4 hat im wesentlichen den gleichen Auf
bau wie das Ausführungsbeispiel 1. Das Ausführungsbeispiel 4
unterscheidet sich jedoch von dem Ausführungsbeispiel 1 dadurch,
daß in dem ersteren Astigmatismus dahingehend korrigiert wird,
daß man eine Beziehung von DS=3 DM erhält. Mit der Korrekturart
des Ausführungsbeispiels 4 kann Astigmatismus insgesamt besei
tigt werden, indem er mit einer Kombination aus dem optischen
System, einer Objektivlinse und anderen Relaislinsen korrigiert
wird.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 4 sind in
Fig. 7 dargestellt.
Der Aufbau des Ausführungsbeispiels 5 entspricht im wesentlichen
den Aufbauten der Ausführungsbeispiele 1 bis 4. Das Ausführungs
beispiel 5 unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbei
spielen 1 bis 4 durch die Wahl des Materials für die konkaven
Meniskuslinsenelemente 4 und 4′. In dem Ausführungsbeispiel 5
sind die konkaven Meniskuslinsenelemente 4 und 4′ aus einem
Material hergestellt, das einen höheren Brechungsindex hat als
das für die Ausführungsbeispiele 1 bis 4 gewählte Material.
Dadurch wird die Petzvalsumme PS minimiert. Die Ausfüh
rungsbeispiele 1 bis 4 sind für PS/f=0,126 ausgelegt, wohin
gegen das Ausführungsbeispiel 5 für PS/f=0,119 ausgelegt ist.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 5 sind in
Fig. 8 dargestellt.
Der Aufbau des Ausführungsbeispiels 6 entspricht ebenfalls im
wesentlichen dem Aufbau des in Fig. 1 gezeigten Ausführungs
beispiels 1. Das Ausführungsbeispiel 6 unterscheidet sich jedoch
von den Ausführungsbeispielen 1 bis 3 in den Materialien der
stabförmigen bikonvexen Linsenelemente 3 und 3′ und der konkaven
Meniskuslinsenelemente 4 und 4′. Obwohl die oben beschriebenen
Unterschiede in den Materialien der Linsenelemente vorliegen,
wird mit dem Ausführungsbeispiel 6 im wesentlichen die gleiche
Wirkung erzielt wie mit den Ausführungsbeispielen 1 bis 3, wie
aus den in Fig. 9 dargestellten Aberrationscharakteristikkurven
zu ersehen ist. Das bedeutet, daß die in dem Ausführungsbeispiel
6 verwendeten Linsenelemente mit den in dem Ausführungsbeispie
len 1 bis 3 verwendeten Linsenelementen austauschbar sind, was
für die Konstruktion von Linsen von Bedeutung ist.
Das Ausführungsbeispiel 7 hat den in Fig. 2 dargestellten Aufbau
und umfaßt, ausgehend von dem Bild 1 auf der Objektseite, eine
plankonvexe Linsenkomponente 10, eine achromatische Doubletkom
ponente 11, 12 und eine Linsenkomponente 10′, die der plankon
vexen Linsenkomponente 10 entspricht und so ausgerichtet ist,
daß die konvexe Fläche 10a′ auf der Seite des Bildes 2 liegt.
In dem Ausführungsbeispiel 7 sind die Flächen 10a und 10a′ als
asphärische Flächen ausgebildet, die Bereiche umfassen, deren
Krümmung graduell abnimmt je weiter diese Bereiche vom Zentrum
entfernt sind. Ferner sind die pupillenseitigen Flächen 10b und
10b′ der konvexen Linsenkomponente als ebene Flächen ausgebil
det. Die in der Nähe der Pupille erforderliche positive Brech
kraft (engl.: power) wird den achromatischen Doubletkomponenten
11, 12 zugeteilt. Falls die in der Nähe der Pupille erforder
liche positive Brechkraft einem bikonvexen Linsenelement zuge
teilt ist, wird dessen konvexe Fläche negative sphärische Aber
ration erzeugen. Zur Korrektur dieser negativen sphärischen
Aberration ist die achromatische Doubletkomponente aus einem
bikonvexen Linsenelement 11 und einem konkaven Linsenlement 12
gebildet, so daß zur Kompensation der negativen sphärischen
Aberration eine positive sphärische Aberration erzeugt wird. Das
bikonvexe Linsenelement 11 des gekitteten Doublets ist aus einem
schwach dispersiven Material mit einer großen Abbe-Zahl
hergestellt, und das konkave Linsenelement 12 des gekitteten
Doublets ist aus einem stark dispersiven Material mit einer
kleinen Abbe′-Zahl hergestellt, um Aberrationen zu korrigieren.
Darüberhinaus wird Astigmatismus, der nicht in der Nähe der
Pupille korrigiert werden kann, durch die asphärischen Flächen
10a und 10a′ korrigiert.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 7 sind in
Fig. 10 gezeigt.
Das Ausführungsbeispiel 8 hat im wesentlichen den gleichen Auf
bau wie das Ausführungsbeispiel 7. In dem Ausführungsbeispiel 7
wird der Astigmatismus jedoch dahingehend korrigiert, daß DM und
DS aneinander angepaßt werden, wohingegen in dem Ausführungsbei
spiel 8 der Astigmatismus so korrigiert wird, daß man eine Be
ziehung von DM=-DS erhält. Das Ausführungsbeispiel 8 hat im
wesentlichen die gleiche Charakteristik wie das Ausführungs
beispiel 3.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 8 sind in
Fig. 11 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 9 hat ebenfalls im wesentlichen den
gleichen Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 7. In dem Ausfüh
rungsbeispiel 9 wird Astigmatismus jedoch dahingehend korri
giert, daß man eine Beziehung DS=1,6 DM erhält. Demzufolge hat
das Ausführungsbeispiel 9 im wesentlichen die gleiche Charakte
ristik wie das Ausführungsbeispiel 4.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 9 sind in
Fig. 12 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 10 hat im wesentlichen den gleichen Auf
bau wie die Ausführungsbeispiele 7 bis 9. Das Ausführungsbei
spiel 10 hat jedoch plankonvexe stabförmige Linsenkomponenten 10
und 10′ aus einem Material, das sich von den in den anderen
Ausführungsbeispielen verwendeten Materialien unterscheidet.
Aufgrund der Materialauswahl für die Linsenkomponenten 10 und
10′ weist das Ausführungsbeispiel 10 im wesentlichen die gleiche
Charakteristik wie das Ausführungsbeispiel 6 auf.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 10 sind in
Fig. 13 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 11 hat im wesentlichen den gleichen Auf
bau wie die Ausführungsbeispiele 7 bis 10. Das Ausführungsbei
spiel 11 unterscheidet sich jedoch von den Ausführungsbeispielen
7 bis 10 dadurch, daß Astigmatismus dahingehend korrigiert wird,
daß man in dem ersteren eine Beziehung von DM=0 erhält. Das
Ausführungsbeispiel 11 hat eine ähnliche Charakteristik wie das
Ausführungsbeispiel 4.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 11 sind in
Fig. 14 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 12 hat im wesentlichen den gleichen
Aufbau wie das Ausführungsbeispiel 11. Das Ausführungsbeispiel
12 unterscheidet sich von dem Ausführungsbeispiel 11 dadurch,
daß in dem ersteren die Korrektur dahingehend erfolgt, daß eine
Beziehung von DS=3 DM erhalten wird. Das Ausführungsbeispiel
12 hat die gleiche Charakteristik wie das Ausführungsbeispiel 4.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 12 sind in
Fig. 15 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 13 hat den in Fig. 3 gezeigten Aufbau,
in dem zwei Relaislinseneinheiten des Ausführungsbeispiels 1
hintereinander angeordnet sind, um ein Bild zweimal weiter
zuleiten. Das Ausführungsbeispiel 13 umfaßt somit zwei sym
metrisch angeordnete optische Systeme mit einem zwischen den
Systemen freigehaltenen Luftabstand, nämlich das als Ausfüh
rungsbeispiel 1 beschriebene System mit einer gekitteten Doub
letkomponente, bestehend aus einem bikonvexen Linsenelement 3
und dem konkaven Meniskuslinsenelement 4, und mit der gekitteten
Doublettkomponente, bestehend aus den Linsenelementen 4′ und 3′
in der symmetrischen Anordnung bezüglich der Ebene 5, und ein
weiteres, dem vorhergenannten optischen System entsprechendes
optisches System mit den Linsenelementen 3′′, 4′′, 3′′′ und
4′′′.
Durch Anordnen mehrerer gleicher Relaislinseneinheiten hinter
einander, wie oben beschrieben, wird die Gesamtlänge des opti
schen Bildübertragungssystem vergrößert, so daß es möglich ist
ein nicht-flexibles Endoskop aufzubauen, mit dem man von außer
halb des Körpers aus tiefe intrakavitäre Stellen beobachten
kann. Mit einem solchen Endoskop ist es ferner möglich, mehrere
Meter von dem Betrachter entfernte Objekte, z. B. Untergrund
objekte oder hochliegende Objekte zu betrachten.
Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 13 sind in
Fig. 16 dargestellt.
Das Ausführungsbeispiel 1 ist so beschaffen, daß es Astigmatis
mus dahingehend korrigiert, daß man eine Beziehung von DM=DS
erhält. Diese Beziehung bleibt unverändert erhalten, auch wenn
das optische System des Ausführungsbeispiels 1 wiederholt ange
ordnet ist, wie in dem Ausführungsbeispiel 13. Demzufolge wird
die Feldwölbung verstärkt. Wenn Relaislinseneinheiten mit der
Astigmatismuskorrektur gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 in einer
Vielzahl kombiniert sind, können die Mitte und Randbereiche
eines Bildes nicht gleichzeitig in Fokussiereinstellung gebracht
werden. Die Randbereiche werden jedoch bei einer bestimmten
Objektstellung scharf eingestellt, so daß das optische System
mit einer Vielzahl von Relaislinseneinheiten effizient für die
Betrachtung mittels Objekten verwendbar ist, die an ein derartiges
optisches System angepaßt sind.
Das Ausführungsbeispiel 14 hat den in Fig. 3 gezeigten Aufbau und
umfaßt zwei otpische Systeme. In jedem dieser optischen Systeme
erfolgt die Astigmatismuskorrektur dahingehend, daß man eine
Beziehung von DS=-DM erhält, wie in dem Ausführungsbeispiel
3. Die Beziehung von DS=-DM bleibt unverändert, wenn ein Bild
mehrere Male weitergeleitet wird: Absolutwerte von DM und DS
nehmen jedoch zu, wie in den Aberrationscharakteristikkurven
des Ausführungsbeispiels 14 in Fig. 17 gezeigt ist. Wenn die
optischen Systeme mit den oben beschriebenen Astigmatismus
korrekturen in Kombination verwendet werden, verläuft eine
mittlere Bildebene von DS und DM immer senkrecht zu der opti
schen Achse. In einem optischen System mit relativ kleiner
Helligkeit bzw. Lichtstärke und einer großen Schärfentiefe
(engl.: depth of field), wie einem nicht-flexiblen Endoskop, wird
ein Bild in Fokussiereinstellung gebracht, und zwar über den
gesamten Abstand von dem flachen zentralen Bereich bis zu den
Randbereichen, sofern Astigmatismus nicht erheblich ist und in
einem erlaubten Bereich liegt.
Das Ausführungsbeispiel 15 hat im wesentlichen den in Fig. 3
gezeigten Aufbau. Das Ausführungsbeispiel 15 umfaßt jedoch eine
Relaislinseneinheit, bestehend aus einer bikonvexen stabförmigen
Linsenkomponente 3, einer konkaven Meniskuslinsenkomponente 4,
einer konkaven Meniskuslinsenkomponente 4′ und einer bikonvexen
stabförmigen Linsenkomponente 3′, die Astigmatismus dahingehend
korrigiert, daß man eine Beziehung von DS=3 DM erhält. Ein mit
diesem optischen System kombiniertes optisches System umfaßt
eine bikonvexe stabförmige Linsenkomponente 3′′, eine konkave
Meniskuslinsenkomponente 4′′, eine konkave Meniskuslinsenkompo
nente 4′′′ und eine bikonvexe stabförmige Linsenkomponente 3′′′,
die Astigmatismus dahingehend korrigiert, daß eine Beziehung
DM<DS erhalten wird. In dem Zustand, in dem die beiden opti
schen Systeme miteinander kombiniert sind, erfolgt die Astigma
tismuskorrektur dahingehend, daß man eine Beziehung von DS=DM
erhält, wodurch sich das Ausführungsbeispiel 15 von den Ausfüh
rungsbeispielen 13 und 14 unterscheidet.
Was die Aberrationscharakteristiken des Ausführungsbeispiels 15
anbetrifft, weist die einzelne, von der Linsenkomponente 3 zur
Linsenkomponente 3′ reichende Relaislinseneinheit im wesentli
chen die in Fig. 7 gezeigten Aberrationscharakteristiken auf,
und die einzelne, von der Linsenkomponente 3′′ zur Linsenkompo
nente 3′′′ reichende Relaislinseneinheit hat die in Fig. 18
gezeigten Aberrationscharakteristiken. Die Kombination der zwei
Relaislinseneinheiten weist die in Fig. 19 gezeigten Aberra
tionscharakteristiken auf, aus der hervorgeht, daß Astigma
tismus ingesamt korrigiert wird. Die Kombination entspricht der
des Ausführungsbeispiels 13, und es wird der gleiche Vorteil für
die Astigmatismuskorrektur erzielt wie in dem Ausführungsbei
spiel 13.
Das Bildübertragungssystem nach der Erfindung ist in der Lage,
Astigmatismus, sphärische Aberration und andere Aberrationen
durch die in der Nähe der Pupille angeordnete sphärische Fläche
und die in der Nähe des Objektes bzw. des Bildes angeordneten
asphärischen Flächen zu korrigieren.
Claims (7)
1. Optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten
zur Übertragung eines von einem Objektiv
geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung
des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei
- - das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist;
- - eine sphärisch ausgebildete Fläche (3b, 4a, 4a′, 3b′; 11a, 11b, 12a, 12b) der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille (5) des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren;
- - eine asphärisch ausgebildete Fläche (3a; 10a) der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes (1) angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche (3a; 10a) kleiner ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche; und
- - wobei eine asphärisch ausgebildete Fläche (3a′; 10a′) der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes (2) angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell abnimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche (3a′; 10a′), größer ist, als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche.
2. Optisches Bildübertragungssystem mit mehreren Linsenkomponenten
zur Übertragung eines von einem Objektiv
geformten Bildes eines Objektes durch Refokussierung
des Bildes an einer vorbestimmten Position, wobei
- - das optische Bildübertragungssystem neben sphärischen Flächen auch asphärische Flächen an den Linsenkomponenten aufweist,
- - eine sphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe der Pupille des optischen Bildübertragungssystems angeordnet ist und die Funktion hat, sphärische Aberration zu korrigieren;
- - eine asphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter die Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite der asphärischen Fläche größer ist als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite der asphärischen Fläche;
- - eine asphärisch ausgebildete Fläche der Linsenkomponenten in der Nähe des refokussierten Bildes angeordnet ist und Bereiche aufweist, deren Krümmung graduell zunimmt, je weiter diese Bereiche von der optischen Achse entfernt sind, wobei der Brechungsindex an der Lichteintrittsseite dieser asphärischen Fläche kleiner ist, als der Brechungsindex an der Lichtaustrittsseite dieser asphärischen Fläche; und
- - wobei ein gekittetes Doublet mit einer in der Nähe der Pupille angeordneten Kittfläche vorgesehen ist, deren Flächenbrechkraft ΦK der Bedingung: (1) ΦK < 0genügt, wobei ferner die Bedingung(2) ΦK · f < 0erfüllt ist, in der f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnet.
3. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1,
umfassend ein gekittetes Doublet mit einer Kittfläche
in der Nähe der Pupille, wobei folgende Bedingungen
(1) und (2) erfüllt sind:
(1) ΦK < 0(2) ΦK · f < 0,worin
ΦK die Flächenbrechkraft der Kittfläche und
f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnen.
ΦK die Flächenbrechkraft der Kittfläche und
f die Gesamtbrennweite des optischen Systems bezeichnen.
4. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder
2, wobei folgende Bedingungen (3) und (4′) erfüllt
sind:
(3) AS · ASA < 0(4′) 0,01 < |AS/ASA| < 100;worin
AS den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe der Pupille angeordneten sphärischen Fläche und
ASA den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe des Bildes angeordneten asphärischen Fläche bezeichnet.
AS den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe der Pupille angeordneten sphärischen Fläche und
ASA den Astigmatismuskoeffizienten dritter Ordnung der in der Nähe des Bildes angeordneten asphärischen Fläche bezeichnet.
5. Optisches Bildübertragungssystem nach Anspruch 1 oder
2, wobei die asphärischen Flächen durch die nachstehende
Formel approximiert sind und den folgenden
Bedingungen (6) und (7) genügen:
(6) 0,1 < |E/I² · NA| < 0,001(7) 1×10-4 < |F/I² · NA| < 1×10-10worin
C die Krümmung am Scheitel der asphärischen Fläche,
p die Kegelschnittkonstante,
B, E, F, G asphärische Flächenkoeffizienten,
I die Bildhöhe und
NA die numerische Apertur des optischen Systems bezeichnen.
C die Krümmung am Scheitel der asphärischen Fläche,
p die Kegelschnittkonstante,
B, E, F, G asphärische Flächenkoeffizienten,
I die Bildhöhe und
NA die numerische Apertur des optischen Systems bezeichnen.
6. Optisches Bildübertragungssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, umfassend zwei gleiche
stabförmige gekittete Doubletkomponenten, bestehend
aus einem stabförmigen bikonvexen Linsenelement und
einem Meniskuslinsenelement, wobei die stabförmigen
Linsenkomponenten symmetrisch zur Pupille angeordnet
sind.
7. Optisches Bildübertragungssystem nach einem der
vorhergehenden Ansprüche, umfassend eine stabförmige
Linsenkomponente, eine gekittete Doubletkomponente und
eine weitere, der stabförmigen Linsenkomponente
gleichende stabförmige Linsenkomponente in einer
symmetrischen Anordnung zu der Pupille.
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