DE4429194C2

DE4429194C2 - Beidseitig telezentrisches optisches Umbildesystem

Info

Publication number: DE4429194C2
Application number: DE4429194A
Authority: DE
Inventors: Christa Dietzsch; Eberhard Dietzsch
Original assignee: ETB Endoskopische Technik GmbH Berlin
Current assignee: Xion GmbH
Priority date: 1994-08-18
Filing date: 1994-08-18
Publication date: 2000-07-20
Anticipated expiration: 2014-08-19
Also published as: DE4429194A1; US5625488A

Description

Die Erfindung betrifft ein beidseitig telezentrisches optisches Umbilde system gemäß der Gattung des Patentanspruchs 1, das insbesondere für die Erzeugung optischer Zwischenabbildungen bestimmt ist.

Optische Umbildesysteme werden in verschiedenen Geräten, bspw. in Endoskopen, Periskopen und Sehrohren verwendet, um vergleichsweise zum Durchmesser eine große Übertragungslänge zu erreichen. Damit der artige Umbildesysteme aneinandergereiht werden können, ist beiderseits eines zentralen sammelnden Objektivteils eine telezentrische Pupillenlage erforderlich. Solche Umbildesysteme für den Abbildungsmaßstab 1 : 1, optisch im Idealfall sogenannte Knotenpunktsysteme, werden auch als Relaislinsensysteme bezeichnet. Sie sollen eine möglichst aberrationsfreie Abbildung der Zwischenbilder erzeugen.

Bekannte Relaislinsensysteme haben einen symmetrischen oder nahezu symmetrischen Aufbau. Sie enthalten im allgemeinen ein zentrales opti sches System, im einfachsten Fall einen Achromaten, wie bspw. in der US 4.025.155, oder für höhere Qualitätsansprüche Menisken, wie in der US 4,168,882, bzw. ein Doppel-Gauß-Objektiv, wie in der DD 284 142 A7, Tabelle 3, angegeben, und in der Nähe von Objektiv und Bild den Hauptstrahlengang konvergierende und beiderseits identische Feldlinsen zur Erzeugung der Telezentrie. Die Feldlinsen haben Brennweiten in der Größenordnung der halben Übertragungslänge und sind deswegen schwach in ihrer Wirkung.

Die bisher bekannten Relaislinsensysteme sind infolge ihres symme trischen oder nahezu symmetrischen Aufbaus auch verzeichnungsfrei. Wegen der Telezentrie und der damit verbundenen extrem geringen Hauptstrahlneigungen lassen sich mit bekannten Mitteln, bspw. Durchbiegungen der Feldlinsen, auch keine nennenswerten Einwirkungen auf die Verzeichnung erreichen.

Eine Verzeichnungswirkung ist jedoch in vielen Fällen erwünscht, um die Verzeichnung bei den oben genannten optischen Geräten, welche Relais linsensysteme beinhalten, zu verbessern. Das gilt besonders für Endo skope.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Relaislinsensytem zu schaffen, welches eine Verzeichnung aufweist.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch eine extrem stark wirken de Kittfläche wird bei einem telezentrischen Objektiv die verlangte Wir kung auf die Verzeichnung durch die Erzeugung großer Brechungswinkel an den Grenzflächen erzielt. Bei einer zerstreuenden Kittfläche entsteht in der bildseitigen Feldlinse eine positive (kissenförmige) Verzeichnung und bei einer sammelnden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse eine negative (tonnenförmige) Verzeichnung. Der entgegengesetzte Verzeichungseffekt wird durch eine solche Kittfläche in der objektseitigen Feldlinse erzielt. Ein deutlicher Verzeichungseffekt entsteht allerdings erst durch eine starke Wirkung solcher Kittflächen mittels eines großen Brechsprunges an diesen in der Größenordnung von wenigstens 0,15, wenn also zwischen den Brechzahlen der Medien der zweiteiligen Feldlinsen eine Differenz von wenigstens 0,15 besteht.

Die Kittflächen der Feldlinsen lassen zwar in geringerem Maße auch andere Bildfehler auftreten, jedoch können diese durch geeignete Maß nahmen zumindest teilweise kompensiert werden. Beispielsweise entste hen bei einer zerstreuenden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse posi tive Koma (Außenkoma) und eine positive Bildfeldwölbung und bei einer sammelnden Kittfläche in der bildseitigen Feldlinse negative Koma (Innenkoma) und negative Bildfeldwölbung. Bei analogen Kittflächen in der objektseitigen Feldlinse ist der Effekt hinsichtlich der symmetrischen Bildfehler (Bildfeldwölbung) der gleiche, während er sich für die unsym metrischen Bildfehler (Koma und Verzeichnung) umkehrt und damit auf hebt. Die Anteile der mitentstehenden Bildfehler (Koma und Bildfeldwöl bung) hängen von der Anordnung der Kittflächen in den Feldlinsen ab. Diese sind z. B. geringer, wenn die Kittflächen zum zentralen Teil erhaben sind.

Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß, um z. B. eine positive Ver zeichnung zu erzielen, in die bildseitige Feldlinse eine stark zerstreuende und in die objektseitige Feldlinse ein stark sammelnde Kittfläche einge fügt wird. Dadurch wird zunächst der Einfluß auf die Bildfeldwölbung automatisch kompensiert, während sich die Wirkung auf die Verzeich nung addiert. Die erhaltene Verzeichnung ist näherungsweise eine quadratische Funktion des Bildfelddurchmessers. Die weiterhin ent stehende Koma wird durch Einführung von Isoplanasiefehler im zentralen sammelnden Objektivteil mittels Änderungen in den Konstruktions parametern beseitigt. Dies ist z. B. möglich durch eine Durchbiegung bei einem einfachen Achromaten oder mit relativ wenig Aufwand durch einen hinsichtlich der Lufträume unsymmetrischen Aufbau eines zentral ange ordneten Gaußobjektivs, wobei die einzelnen Linsen und Linsenglieder ihre Symmetrie behalten können.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von vier Ausführungsbeispielen näher erläutert. Dabei gehören jeweils eine gleichbezifferte Figur und Tabelle zusammen. Es zeigen:

Fig. 1 und Tabelle 1 ein Relaislinsensystem, bei dem der zentrale Objek tivteil aus einem einfachen Achromaten besteht und bei dem die Kittflächen der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil hohl sind,

Fig. 2 und Tabelle 2 ein Relaislinsensystem der selben Art wie zu Fig. 1, bei dem die Kittflächen der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil erhaben sind,

Fig. 3 und Tabelle 3 ein Relaislinsensystem, bei dem der zentrale Objek tivteil aus einem Doppel-Gauß-Objetiv besteht und die Kittflächen der Feldlinsen zum zentralen Objektivteil hohl sind, und

Fig. 4 und Tabelle 4 ein Relaislinsensystem mit grundsätzlichen Aufbau gemäß der Fig. 3, bei dem die objektseitige Feldlinse eine hohle und die bildseitige Feldlinse eine erhabene Kittfläche zum zentralen Objektivteil enthält.

In Fig. 1 und Tabelle 1 befinden sich entlang einer optischen Achse O₁-O₁ ein Objekt 1, eine erste Feldlinse 2, ein zentraler sammelnder Objektivteil 3, eine zweite Feldlinse 4 und ein Bild 5, das vom Objekt 1 mit Hilfe eines telezentrischen Umbildesystems 2, 3, 4 erzeugt wird. Die erste Feldlinse 2 besteht aus einer niedrigbrechenden Konkavlinse 21 und einer hochbrechenden Konvexlinse 22 mit den Radien r₁₁, r₁₂, r₁₃ und Dicken d₁₁, d₁₂ zu beiden Seiten der Kittfläche 23. Der zentrale Objektivteil 3 hat den Aufbau eines normalen Achromaten; er befindet sich von der Feld linse 2 in einem Abstand l₁₁ und weist eine niedrigbrechende Bikon vexlinse 31 sowie eine höher brechende Konvexkonkavlinse 32 zu beiden Seiten einer Kittfläche 33 auf. Die zugehörigen Radien bzw. Dicken sind r₁₄, r₁₅, r₁₆ bzw. d₁₃, d₁₄. Im Abstand l₁₂ vom Objektivteil 3 befindet sich die zweite Feldlinse 4, die aus einer niedrigbrechenden Bikonvexlinse 41 und einer hochbrechenden Konkavlinse 42 besteht, welche eine Kittfläche 43 gemeinsam sowie Radien r₁₇, r₁₈, r₁₉ und Dicken d₁₅, d₁₆ aufweisen. Sowohl die stark sammelnde Kittfläche 23 als auch die stark zerstreuende Kittfläche 43 ist zum zentralen Objektivteil 3 hohl. Dieser Objektivteil 3 weist eine stärkere Durchbiegung als ein üblicher Achromat für eine 1 : 1-Abbildung und somit einen starken Isoplanasiefehler zur Beseitigung der Koma für das Gesamtsystem 2, 3, 4 auf. Ein aplanatischer, das heißt komafreier Achromat für eine 1 : 1-Abbildung hätte bei gleichen Brech zahlen der verwendeten Gläser die analogen Radien r₁₄ = +39,2, r₁₅ = - 7,2 und r₁₆ = -20,7.

Das Umbildesystem gemäß Fig. 1 hat eine Apertur von etwa 0,07, eine paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,986, eine Objektentfernung von s = -7,84, eine bildseitige Schnittweite von s' = +8,00, bei einer normier ten Übertragungslänge von Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bild felddurchmesser von 4,0 eine Verzeichnung von ca. 1,8%.

Tabelle 1

Das telezentrische Umbildungssystem gemäß Fig. 2 und Tabelle 2 ist ähnlich aufgebaut wie das der Fig. 1. Entlang einer optischen Achse O₂-O₂ sind ein Objekt 1, eine erste zweilinsige Feldlinse 2, ein zweilinsi ger zentraler Objektivteil 3 in Form eines Achromaten, eine zweite zwei linsige Feldlinse 4 sowie ein Bild 5 angeordnet bzw. zu erkennen. Die Bezeichnungen für die optischen Elemente, Linsenradien r_i, Linsendicken d_i, Luftabstände l_i, sind die gleichen, wie zu Fig. 1 beschrieben. Im Unterschied zu Fig. 1 sind die Kittflächen 23 und 43 der Feldlinsen 2 und 4 zum zentralen Objektivteil 3 erhaben, die Linsen 21 und 42 konvex, die Linsen 22 und 41 konkav. Insbesondere ist die Kittfläche 43 der bild seitigen Feldlinse 4 stärker gekrümmt als in Fig. 1. Auch in diesem Fall weist der zentral angeordnete Achromat 3 eine stärkere Durchbiegung als ein bekannter Achromat für eine 1 : 1-Abbildung und somit einen Isoplanasiefehler zur Beseitigung der Koma für das gesamte Umbilde system auf, welche hier allerdings geringer ist als in Fig. 1. Das telezen trische optische Umbildesystem gemäß Fig. 2 hat eine Apertur von ca. 0,07, einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,982, eine Objektentfer nung von s = -7,63, eine bildseitige Schnittweite von s' = +7,31, bei einer normierten Übertragungslänge Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bildfelddurchmesser von 4,0 eine Verzeichnung von ca. 2,4%.

Tabelle 2

In Fig. 3 und Tabelle 3 ist ein beidseitig telezentrisches optisches Umbildesystem (Relaislinsensystem) dargestellt, das entlang einer opti schen Achse O₃-O₃ ein Objekt 1, eine objektseitige Feldlinse 2, einen zentralen Objektteil 3 in Form eines Doppel-Gauß-Objektivs, eine bild seitige Feldlinse 4 und ein Bild 5 aufweist. Die objektseitige Feldlinse 2 besteht aus zwei durch die Fläche 23 verbundenen Linsen, einer Konkav linse 21 mit niedriger und einer Konvexlinse 22 mit hoher Brechzahl, zu denen die Radien r₃₁, r₃₂, r₃₃ und Dicken d₃₁, d₃₂ gehören. In einem Luft abstand l₃₁ von der Feldlinse 2 befindet sich das Doppel-Gauß-Objektiv 3, das zu einem Zentrum Z symmetrisch aufgebaut ist und auf jeder Seite des Zentrums Z eine Sammellinse 31 bzw. 32 und eine Zerstreuungslinse 33 bzw. 34 aufweist, die ihrerseits wieder aus einer konvexen Linse 33' bzw. 34' mit einer konkaven Linse 33'' bzw. 34'' bestehen. Die zugehöri gen Radien, Dicken und Abstände sind r₃₄ bis r₃₁₃ bzw. d₃₃ bis d₃₈ bzw. l₃₂ bis l₃₄. In einem Luftabstand l₃₅ vom Doppel-Gauß-Objektiv 3 ist die bildseitige Feldlinse 4 angeordnet, die aus einer Konvexlinse 41 mit niedriger Brechzahl und einer Konkavlinse 42 mit hoher Brechzahl be steht, die beide durch eine Fläche 43 verbunden sind. Die Radien und Dicken der bildseitigen Feldlinse 4 sind r₃₁₄, r₃₁₅, r₃₁₆ und d₃₉ bis d₃₁₀. Die Kittfläche 23 der objektseitigen Feldlinse 2 ist dadurch stark sammelnd und die Kittfläche 43 der bildseitigen Feldlinse 4 ist stark zerstreuend. Beide Flächen 23 und 43 sind zum Doppel-Gauß-Objektiv hohl.

Das Doppel-Gauß-Objektiv 3 hat hinsichtlich seiner Linsenformen seine Symmetrie behalten. Die Wirkung auf den Isoplanasiefehler zur Beseiti gung der Koma für das Gesamtsystem wird durch die unsymmetrischen Luftabstände l₃₂ und l₃₄ erzielt. Dieses Umbildesystem gemäß Fig. 3 hat eine Apertur von ca. 0,09, einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,97, eine Objektentfernung von s = -4,26, eine bildseitige Schnittweite von s' = +4,62, bei einer normierten Übertragungslänge Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bildfelddurchmesser von 5,0 eine Verzeichnung von ca. 3,2%.

Tabelle 3

Das Relaissystem gemäß Fig. 4 und Tabelle 4 ist ähnlich dem in Fig. 3 beschriebenen aufgebaut. Auf einer optischen Achse O₄-O₄ sind ein Objekt 1, eine Feldlinse 2 mit einer Kittfläche 23, ein Doppel-Gauß- Objektiv 3 symmetrisch zu einem Zentrum Z, eine bildseitige Feldlinse 4 mit einer Kittfläche 43 und ein Bild 5 angeordnet. Die Linsenradien sind wie in Fig. 3 r_i, die Linsendicken d_i, die Luftabstände l_i, ihre Werte aus der Tabelle 4 hervor. Die objektseitige Feldlinse 2 weist die stark sammelnde und zum zentralen Objektivteil 3 hohle Kittfläche 23 auf. Die bildseitige Feldlinse 4 besitzt die stark zerstreuende und zum zentralen Objektivteil 3 erhabene Kittfläche 43. Das Doppel-Gauß-Objektiv 3 hat hinsichtlich der Linsenformen seine Symmetrie behalten. Die Wirkung auf den Isoplanasiefehler zur Beseitigung der Koma für das gesamte Umbildesystem wird durch die unsymmetrischen Lufträume l₄₂ und l₄₄ erzielt. Das Umbildesystem gemäß Fig. 4 hat eine Apertur von ca. 0,09, einen paraxialen Abbildungsmaßstab von 0,97, eine Objektentfernung von s = -4,3, eine bildseitige Schnittweite von s' = +4,67, bei einer normier ten Übertragungslänge Objekt zu Bild von 100 und bei einem Bildfeld durchmesser von 5,0 eine Verzeichnung von ca. 3,2%.

Tabelle 4

Wenn vorstehend und nachfolgend von einer Kittfläche 23 bzw. 43 der objektseitigen bzw. bildseitigen Feldlinse 2 bzw. 4 die Rede ist, sind in diese die Möglichkeiten der Ansprengung bzw. eines geringen Luftspaltes eingeschlossen.

Durch die mehrfache Anwendung der Erfindung in einem endoskop artigen optischen System werden Verzeichnungskompen-sationen in der gewünschten Größenordnung, bspw. von 10%, erreicht.

Bezugszeichenliste

1

Objekt

2

,

4

Feldlinse

3

zentraler Objektivteil

5

Bild

21

,

22

,

41

,

42

Linsen

23

,

33

,

43

Kittflächen

31

Bikonvexlinse

32

Konxexkonkavlinse

33

',

34

' konvexe Linsen

33

'',

34

'' konkave Linsen
Z Zentrum
O_i

-O_i

optische Achsen
r_i

Linsenradien
d_i

Linsendicken
l_i

Luftabstände

Claims

1. Beidseitig telezentrisches optisches Umbildesystem, bestehend aus einem zentralen sammelnden Objektivteil sowie zu beiden Seiten dieses Objektivteils in der Nähe von Objekt und Bild angeordneten sammelnden Feldlinsen, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Feld linsen eine sammelnde und die andere, entgegengesetzt zum zentralen Objektivteil angeordnete Feldlinse eine zerstreuende Kittfläche auf weist.

2. Umbildesystem gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechsprung an der in jeder Feldlinse enthaltenen Kittfläche wenigstens 0,15 beträgt.

3. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den Feldlinsen enthaltenden Kittflächen zum zentralen Objektivteil hohl angeordnet sind.

4. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Feldlinsen enthaltenen Kittflächen zum zentralen Objektivteil erhaben angeordnet sind.

5. Umbildesystem gemäß Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine der von in den Feldlinsen enthaltenen Kittflächen zum zentralen Objek tivteil hohl und die andere der Kittflächen zu diesem erhaben angeord net ist.

6. Umbildesystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der zentrale Objektivteil ein Achromat ist.

7. Umbildesystem gemäß einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der zentrale Objektivteil ein Doppel-Gauß-Objektiv ist, das hinsichtlich der Linsen symmetrisch und hinsichtlich der Lufträume unsymmetrisch ausgebildet ist.

8. Umbildesystem gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgen den Konstruktionselemente:

9. Umbildesystem gemäß Anspruch 6, gekennzeichnet durch die folgen den Konstruktionselemente:

10. Umbildesystem gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch die fol genden Konstruktionselemente:

11. Umbildesystem gemäß Anspruch 7, gekennzeichnet durch die fol genden Konstruktionselemente: