DE69431749T2

DE69431749T2 - Weitwinkel binokularsystem mit veränderlicher vergrösserung

Info

Publication number: DE69431749T2
Application number: DE69431749T
Authority: DE
Inventors: I. Betensky
Original assignee: BenOpcon Inc
Current assignee: BenOpcon Inc
Priority date: 1993-03-09
Filing date: 1994-03-04
Publication date: 2003-07-17
Anticipated expiration: 2014-03-05
Also published as: US5499140A; CZ228595A3; WO1994020873A1; US5371626A; US5532875A; EP0688439A1; DE69431749D1; EP0688439B1; US5500769A; US5576888A; JPH08507882A; EP0688439A4; AU6358494A; KR100303404B1; JP3524925B2

Description

Gebiet der Erfindung

Diese Erfindung bezieht sich auf Betrachtungssysteme für die Verwendung mit dem menschlichen Auge, wie z. B. monokulare und binokulare Vorrichtungen.

Hintergrund der Erfindung

1. Betrachtungssysteme für die Verwendung mit dem menschlichen Auge

Eine Vielfalt von Betrachtungssystemen für die Verwendung mit dem menschlichen Auge sind bekannt. Dieselben fallen in zwei Kategorien: 1) diejenigen, die normalerweise während dem Betrachten bezüglich des Objekts fest sind, wie z. B. Teleskope und Mikroskope ("feste Systeme"), und 2) diejenigen, die normalerweise während dem Betrachten bezüglich des Objekts bewegt werden, wie z. B. Brillen, Lupen, monokulare und binokulare Vorrichtungen ("bewegliche Systeme"). Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf bewegliche Systeme und insbesondere auf monokulare und binokulare Vorrichtungen. Um die Darstellung zu vereinfachen, verwendet die folgende Beschreibung den Begriff "binokulare Vorrichtungen bzw. Ferngläser". So wie er verwendet wird, soll der Begriff sowohl binokulare als auch monokulare Vorrichtungen umfassen.
Um die Vorteile der Erfindung zu verstehen, ist es notwendig, zu verstehen, wie eine Person ein Ereignis ohne Fernglas beobachtet, d. h. nicht unterstützt durch ein Betrachtungssystem. Der erste Schritt umfaßt im allgemeinen das Bemerken der Bewegung der Abbildung eines Objekts auf der Netzhaut in der niedrig auflösenden peripheren Sicht. Das Ausmaß, über das eine solche Bewegung beobachtet werden kann, ist das "nicht unterstützte statische Sichtfeld" des Auges. Danach wird das Auge bewegt (gescannt), um das Objekt näher, d. h. bei einer hohen Auflösung, zu verfolgen oder zu beobachten, durch Ausrichten der Fovea des Auges mit dem Objekt. Das Ausmaß, zu dem sich das Auge bewegen kann, um dem Objekt zu folgen, ist das "nicht unterstützte dynamische Sichtfeld" des Auges. Schließlich wird der Kopf bewegt, so daß das Auge mit Bezug auf den Kopf so geradeaus wie möglich ist.
Für die Zwecke der folgenden Erörterung werden dieses beiden Sichtfelder des Auges, d. h. das nicht unterstützte statische und das nicht unterstützte dynamische Sichtfeld des Auges unterschieden werden von dem "unterstützten statischen Sichtfeld" des Auges und dem "unterstützten dynamischen Sichtfeld" des Auges, welche diejenigen Sichtfelder sind, die für ein statisches bzw. sich bewegendes Auge mit einem Fernglas erreicht werden, das bezüglich des Auges in einer festen Position gehalten wird. Diese unterstützten Sichtfelder werden nachfolgend näher definiert und erörtert. Wie außerdem nachfolgend erörtert wird, sollte angemerkt werden, daß das unterstützte statische Sichtfeld des Auges gleich ist wie dasjenige, das im allgemeinen als "Sichtfeld" eines Fernglases bezeichnet wird, wenn es in Abbildungsraum umgewandelt wird.

2. Binokulare Technologie

In der Vergangenheit haben sich Entwickler von Ferngläsern darauf konzentriert, das höher auflösende unterstützte dynamische Sichtfeld des Auges auf Kosten des niedriger auflösenden unterstützten statischen Sichtfeldes des Auges zu maximieren. Insbesondere sind die Entwickler davon ausgegangen, daß der Benutzer seine Augen dreht (bewegt), um ein Objekt zu verfolgen, und dann, nachdem er sieht, daß die Abbildung anfängt zu verschwinden, weil die Austrittspupille des Fernglases nicht mit der Eintrittspupille des gedrehten Auges zusammenfällt, das Fernglas bewegt, und dadurch die beiden Pupillen in Übereinstimmung bringt.
Als Folge wurde die Abbildung über das gesamte "Sichtfeld" korrigiert, und eine Sichtfeldblende wurde verwendet, um das "Sichtfeld" zu begrenzen, um sicherzustellen, daß der Benutzer durch das gesamte unterstützte dynamische Sichtfeld des Auges eine korrigierte Abbildung hat. Um ein tragbares Instrument zu vernünftigen Kosten zu liefern, bedeutete dies, daß das unterstützte statische Sichtfeld des Auges begrenzt wurde, d. h. weniger als etwa 30 Grad Halbsichtfeld (SFOV = Semi-Field of View) und in vielen Fällen weniger als etwa 20 Grad Halbsichtfeld.
In letzter Zeit haben verschiedene Firmen "Weitwinkel"- Ferngläser angeboten. Es heißt, daß diese Ferngläser Halbsichtfelder im Objektraum aufweisen, die, wenn sie zu Abbildungsraum umgewandelt werden, unter der Annahme einer f-θ Verzerrungskorrektur, Halbsichtfeldern im Abbildungsraum von etwa 33 Grad entsprechen. Obwohl dieselben eine gewisse Verbesserung im Vergleich zu herkömmlichen Ferngläsern darstellen, wie es nachfolgend erörtert wird, haben diese "Weitwinkel"-Ferngläser nach wie vor nicht den Bedarf an. Ferngläsern erfüllt, die wirklich den grundlegenden Unterschied zwischen dem unterstützten statischen und dem unterstützten dynamischen Sichtfeld des Auges berücksichtigen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung hat im Vergleich zum Stand der Technik einen völlig anderen Lösungsansatz. Genauer gesagt, anstatt Ferngläser nur auf der Basis des unterstützten dynamischen Sichtfelds des Auges entworfen werden, werden die Ferngläser der vorliegenden Erfindung sowohl auf der Basis des unterstützten dynamischen Sichtfeldes des Auges und des unterstützten statischen Sichtfeldes desselben entworfen. Genauer gesagt, gemäß der Erfindung wurde bestimmt, daß das unterstützte dynamische Sichtfeld des Auges nicht das wesentliche Sichtfeld bezüglich des Entwurfs eines Fernglases ist, das bezüglich des Objekts bewegt werden kann, d. h. beim Entwerfen eines beweglichen Systems, wie oben. Bei einem Fernglas (Binokular) kann der Benutzer ohne weiteres, und zieht dies auch vor, seinen Kopf zusammen mit dem Fernglas bewegen, um ein Objekt zu verfolgen, anstatt zu versuchen, das Fernglas bezüglich der Augen zu bewegen. Dieser Lösungsansatz ist 1) leichter, da er die Ausrichtung des Fernglases mit dem Auge nicht stört, 2) keine Neuakkommodation des Auges aufgrund einer nichtkorrigierten Feldkrümmung erfordert, und 3) nicht zu fehlerhaften Änderungen des Fokus führt, falls eine Neuakkommodation nicht ausreicht.
Durch das Betonen des unterstützten statischen Sichtfeldes des Auges kann ein Benutzer des Fernglases der vorliegenden Erfindung einen wesentlich größeren Teil seiner peripheren Sicht verwenden, um eine Änderung bei der Objektszene zu erfassen. Außerdem hat der Benutzer durch diese Betonung weniger das Empfinden von Tunnelsehen. Diese Effekte machen es viel leichter, das Fernglas der vorliegenden Erfindung über lange Zeiträume zu verwenden, was eindeutig wünschenswert ist.
Quantitativ ist die Verbesserung des unterstützten statischen Sichtfeldes bezüglich des unterstützten dynamischen Sichtfeldes hierin bezüglich des "S/D"-Verhältnisses des Fernglases ausgedrückt. Die Definition und Herleitung dieses Verhältnisses ist in Fig. 5 bis 8 gezeigt.
Fig. 5 zeigt ein menschliches Auge 15, das mit der Mittelachse eines stilisierten Fernglases 13 ausgerichtet ist. Siehe auch Fig. 7. Das Fernglas hat eine Austrittspupille 16 mit dem Radius Rex, und das menschliche Auge hat einen Rotationsmittelpunkt 19 und eine Eintrittspupille 11 mit dem Radius Rep, wobei der radiale Abstand zwischen dem Rotationsmittelpunkt und der Eintrittspupille R ist. Rep variiert selbstverständlich mit der Lichtmenge, die auf das Auge auftrifft. Für die Zwecke der vorliegenden Erfindung wird angenommen, daß Rep etwa 1,5 mm ist, d. h. eine typische Tageslichtbetrachtungspupillengröße. Dieser Wert wird gewählt, da die Probleme von Tunnelsehen bei Tageslicht am ausgeprägtesten sind. Gleichartig dazu variiert R je nach Person. Für die Zwecke der Erfindung wird angenommen, daß R den typischen Wert von etwa 13 mm aufweist.
Wie es in Fig. 5 gezeigt ist, ist das unterstützte statische Sichtfeld durch den Winkel S gegeben. Wie vorher erwähnt wurde, entspricht dieser Winkel dem herkömmlichen "Sichtfeld" des Fernglases, wenn es zu Abbildungsraum umgewandelt wird.
Fig. 6 zeigt das Auge 15 um seinen Rotationsmittelpunkt 19 um einen Winkel D gedreht, so daß der Rand der Austrittspupille des Fernglases und der Rand der Eintrittspupille des Auges zusammenfallen. Siehe auch Fig. 8. Diese Position stellt das unterstützte dynamische Sichtfeld des Auges dar, wenn es mit dem Fernglas 13 verwendet wird. Eine weitere Rotation des Auges führt zu keiner Abbildung auf der Netzhaut. Beim Aufbau von Fig. 6 wurde angenommen, daß das Fernglas ein unterstütztes statisches Sichtfeld liefert, das größer als D ist, d. h. die Blenden und Öffnungen des Fernglases reichen aus, um es Licht zu erlauben, den Rand der Austrittspupille des Fernglases in dem Winkel D zu erreichen.
Von der Geometrie von Fig. 6 und den oben gegebenen Werten für Rep und R, d. h. 1,5 mm bzw. 13 mm, ist D etwa gleich wie folgt, wobei Rex und die Konstanten 1,5 und 13 in mm sind:
D = tan&supmin;¹ [(Rex + 1,5)/13]. (1)
Tabelle 6 legt D Werte für Austrittspupillenradien zwischen 1,5 mm und 5,0 nun dar. Ein typischer Austrittspupillenradius für ein handelsübliches Fernglas beträgt etwa 1,5 mm. Größere Austrittspupillenradien sind im allgemeinen für Nachtsichtgeräte reserviert, da dieselben zu größeren Eintrittspupillen führen, was schwere und aufwendigere Ferngläser bewirkt. Bezüglich dieser Betrachtungen ist der wichtigste Parameter des S/D-Verhäitnisses der S-Wert, und es ist dieser Wert, der bisher im Stand der Technik ignoriert wurde.
Somit hatten herkömmliche Ferngläser, einschließlich der "Weitwinkel"-Ferngläser, auf die oben Bezug genommen wurde, aufgrund ihrer Betonung des unterstützten dynamischen Sichtfelds des Auges im Gegensatz zu dem unterstützten statischen Sichtfeld desselben S/D-Verhältnisse unter etwa 2,8, und in einigen Fällen so niedrig wie 1,3. Die Ferngläser der Erfindung haben dagegen S/D-Verhältnisse über 2,8, vorzugsweise über 2,9 und am Bevorzugtesten über 3,0. Vor der vorliegenden Erfindung wurden Ferngläser mit dieser Ebene der Betonung auf das unterstützte statische Sichtfeld des Auges nicht vorgeschlagen oder waren nicht verfügbar.
Es sollte angemerkt werden, daß es eine obere Grenze des S/D-Verhältnisses gibt. Diese Grenze tritt auf, wenn Rex 0 ist, z. B. in dem Fall eines kleinen Lochs in der Nähe der Pupille des Auges. D für solch einen Fall ist etwa 6,6º. Da das maximale S für die meisten Menschen 90º ist, beträgt das maximale S/D-Verhältnis etwa 13,7.
Hinsichtlich des vorhergehenden schafft die Erfindung gemäß einem ihrer Aspekte ein optisches System zum Vergrößern eines Objekts, das eine positive erste Linseneinheit zum Bilden einer Zwischenabbildung des Objekts, eine positive zweite Linseneinheit in der Nähe der Zwischenabbildung, eine positive dritte Linseneinheit zum Neuabbilden der Zwischenabbildung, wie es durch die positive zweite Linseneinheit modifiziert wurde, und eine Einrichtung zum Bewegen der positiven zweiten Linseneinheit in die Nähe der Zwischenabbildung umfaßt, um die Vergrößerung des Objektes zu ändern, dadurch gekennzeichnet, daß
(A) das System ferner folgende Merkmale umfaßt:
(i) eine Einrichtung zum Umkehren und Invertieren der Zwischenabbildung, wobei die Umkehr- und Invertiereinrichtung zwischen der positiven ersten Linseneinheit und der positiven zweiten Linseneinheit positioniert ist; und
(ii) eine negative Linseneinheit, die zwischen der Umkehr- und Invertiereinrichtung und der positiven zweiten Linseneinheit positioniert ist; und
(B) die Bewegung der positiven zweiten Linseneinheit die einzige Quelle einer Vergrößerungsänderung in dem System ist, abgesehen von zufälligen Vergrößerungsänderungen, deren optionalen Kompensatoreinheit zugeordnet sein können, die Änderungen in dem Gesamtfokus des Systems als Ergebnis der Bewegung der positiven zweiten Linseneinheit kompensiert.
Vorteilhafterweise ist das System ein Betrachtungssystem für die Verwendung mit einem menschlichen Auge, wobei die positive dritte Linseneinheit eine virtuelle Abbildung der Zwischenabbildung bildet, zum Betrachten durch das Auge, wobei die virtuelle Abbildung ein durch das Betrachtungssystem unterstütztes statisches Halbsichtfeld des Auges mit dem Winkelausmaß S bildet, wobei das Betrachtungssystem eine Austrittspupille mit dem Radius Rex aufweist, und dem Auge ein durch das Betrachtungssystem unterstütztes dynamisches Halbsichtfeld mit einem Winkelausmaß D liefert, gegeben durch die folgende Gleichung, bei der Rex und die Konstanten 1,5 und 13 in mm sind:
D = tan&supmin;¹ [(Rex + 1,5)/13], und
das Verhältnis von S zu D zumindest 2,8 für ein normales menschliches Auge mit einem Eintrittspupillenradius von 1,5 mm und einem Rotationsmittelpunkt ist, der um einen Abstand von 13 mm von der Eintrittspupille des Auges beabstandet ist.
Das unterstützte statische Halbsichtfeld des Fernglases der vorliegenden Erfindung ist vorzugsweise zumindest etwa 30 Grad und umfaßt vorzugsweise eine Mittelregion und eine Peripherieregion, wobei die Bildauflösungsleistung in der Mittelregion besser ist als die Bildauflösungsleistung in der Peripherieregion. Auf diese Weise stimmt die virtuelle Abbildung, die durch das Fernglas erzeugt wird, näher mit dem nichtunterstützten statischen Sichtfeld des Auges überein. Das heißt, die virtuelle Abbildung hat in der Mitte eine bessere Bildauflösungsleistung als an der Peripherie, genauso wie die Sehschärfe des Auges in der Mitte besser ist als an der Peripherie.
Die Bildauflösungsleistung in der Mittelregion der virtuellen Abbildung kann beispielsweise weniger als etwa 4 Bogenminuten sein, wobei die Bildauflösungsleistung in der Peripherieregion größer als etwa 4 Bogenminuten ist, und die Mittelregion ein Halbsichtfeld von zumindest etwa 5 Grad umfassen kann. Es sollte angemerkt werden, daß sich, während sich die Bogenminuten verringern, die Auflösungsleistung erhöht, d. h. verbessert, und umgekehrt.
Die Mittelregion der virtuellen Abbildung sollte zumindest etwa 5 Grad sein, damit der Benutzer wahrnimmt, daß er eine gute Abbildung des Objektes hat. Um eine angemessene periphere Sicht zu liefern, sollte das unterstützte statische Halbsichtfeld des Fernglases zumindest etwa 30º betragen. Wie oben erörtert wurde, kann die Bildauflösungsleistung in der Peripherieregion relativ schlecht sein, z. B. mehr als 4 Bogenminuten, da diese Region der peripheren Sicht des Benutzers entspricht, wo die Sehschärfe des Auges sehr niedrig ist.
Mit einem Fernglas diesen Typs kann der Benutzer einen wesentlich größeren Teil seiner peripheren Sicht ausnützen als bei einem herkömmlichen Fernglas, während er gleichzeitig eine große vergrößerte Abbildung eines entfernten Objekts im Mittelabschnitt seiner Sicht hat.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung umfaßt das Okular bzw. Augenstück des Fernglases. Während das unterstützte statische Sichtfeld des Fernglases erhöht wird, wird das Erhalten eines großen Abstands zur Augenlinse schwierig. Die Korrektur von Außerachsenaberrationen erfordert die Verwendung negativer Linsenelemente, was das Problem weiter verstärkt. Gemäß der Erfindung hat sich herausgestellt, daß diese Probleme adressiert werden können, indem Außerachsenaberrationen zumindest teilweise mit einer negativen Linseneinheit korrigiert werden, die vor der Zwischenabbildung plaziert wird. Auf diese Weise kann ohne weiteres ein großer Abstand zur Augenlinse erhalten werden.
Eine zusätzliche Verwendung der negativen Linseneinheit umfaßt die Auswirkungen derselben auf das Objektiv des Fernglases. Genauer gesagt ermöglicht es dieselbe, daß die Objektivlinseneinheit eine kürzere Brennweite aufweist, die es wiederum ermöglicht, dass die Umkehr- und Invertiereinrichtung, z. B. ein Inversionsprisma, kleiner ist. Dieser Effekt ist ersichtlich durch Aufbauen eines Tunneldiagramms für die Umkehr- und Invertiereinrichtung.
Zusätzlich zu diesen Vorteilen ermöglicht es die negative Linseneinheit außerdem, daß die Gesamtlänge des Fernglases kleiner ist.
Alternativ ist gemäß diesem Aspekt der Erfindung ein Objektiv zum Bilden einer Zwischenabbildung vorgesehen, das, in folgender Reihenfolge, eine positive Linseneinheit, eine Einrichtung zum Umkehren und Invertieren der Zwischenabbildung und eine negative Linseneinheit vor der Zwischenabbildung umfaßt.
Die beiliegenden Zeichnungen, die in der Anmeldung enthalten sind und einen Teil derselben bilden, stellen die bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung dar, und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erklären. Es ist selbstverständlich klar, daß sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur beispielhaft sind und die Erfindung nicht beschränken.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 sind schematische Seitenansichten von Linsenbis 4 Systemen, wobei Fig. 2 bis 4 Systeme sind, die gemäß der Erfindung aufgebaut sind.
Fig. 5 sind schematische Darstellungen, die sich auf die bis 8 Definitionen von S bzw. D beziehen.
Wie oben erörtert wurde, bezieht sich die vorliegende Erfindung auf ein Fernglas mit einer Objektivlinseneinheit und einer Augenlinseneinheit. Bei jeder der Zeichnungen sind die Linsenelemente der Objektivlinseneinheit mit dem Bezugszeichen "O" gekennzeichnet, während diejenigen der Augenlinseneinheit mit dem Bezugszeichen "E" gekennzeichnet sind. Die Austrittspupillen der verschiedenen Ausführungsbeispiele sind mit dem Bezugszeichen "P" gekennzeichnet. Um eine umgekehrte und aufrechte Abbildung zu erzeugen, umfaßt die Objektivlinseneinheit eine Umkehr- und Invertiereinrichtung, die mit dem Bezugszeichen "R" gekennzeichnet ist, die ein Porro-Prisma oder ein Dach-Typ-Inversions-Prisma sein kann.
Bestimmte Ausführungsbeispiele der Erfindung umfassen außerdem eine Korrektorlinseneinheit, die mit dem Bezugs zeichen "C" gekennzeichnet ist, und/oder eine Feldlinseneinheit, die durch das Bezugszeichen "F" gekennzeichnet ist. Die Augenlinseneinheit und die Korrektorlinseneinheit bilden zusammen das Okular des Systems. Die Objektivlinseneinheit, die Umkehr- und Invertiereinrichtung und die Korrektorlinseneinheit bilden zusammen das Objektiv des Systems. Das heißt, die Korrektorlinseneinheit kann entweder als Teil des Okulars oder als Teils des Objektivs gesehen werden.
Wie oben erörtert wurde, kann die Feldlinseneinheit in der Region der Zwischenabbildung bewegt werden, um die Vergrößerung des Systems zu ändern. Eine solche Bewegung kann unter Verwendung herkömmlicher Techniken, wie z. B. Motoren, Nocken, federgeladenen Hebeln oder dergleichen erreicht werden. Es sollte angemerkt werden, daß gemäß der Erfindung eine schnelle Änderung bei der Vergrößerung erreicht werden kann, da nur eine sehr kleine Masse, d. h. die Feldlinse, nur über einen relativ kurzen Abstand bewegt werden muß.
Die Objektivlinseneinheit verwendet herkömmliche Linsenelemente, die in der Technik für Ferngläser bekannt sind. Die Aberrationen derselben werden in Verbindung mit der Korrektur der Aberrationen der Augenlinseneinheit korrigiert.
Bei den bevorzugten Ausführungsbeispielen der Erfindung besteht die Augenlinseneinheit nur aus positiven Linsenelementen, obwohl, falls gewünscht, andere Typen von Augenlinseneinheit verwendet werden können, (siehe beispielsweise Beispiele 3 und 4).
Die Korrektorlinseneinheit ist zwischen der Umkehr- und Invertiereinrichtung und den Augenlinseneinheiten vor der Zwischenabbildung positioniert. Diese Einheit hat eine negative Leistung und dient in Verbindung mit der Augenlinseneinheit dazu. Außerachsenaberrationen zu korrigieren, während sie es dem gesamten optischen System nach wie vor ermöglicht, einen großen Abstand zur Augenlinse aufzuweisen, z. B. einen Abstand zur Augenlinse von zumindest 10 mm.
Eine Aberrationskorrektur wird ebenfalls vorzugsweise durch Verwenden einer oder mehrerer asphärischer Oberflächen in dem Linsensystem geliefert. Solche asphärischen Oberflächen werden vorzugsweise in der Augenlinseneinheit verwendet, wo die Herstellungstoleranzen am wenigsten kritisch sind.
Die Feldlinseneinheit ist in der Nähe der Zwischenabbildung positioniert. Die Einheit hat insgesamt eine positive Leistung. Wenn eine Korrektorlinseneinheit verwendet wird, ist die Feldlinseneinheit im allgemeinen nach dieser Einheit positioniert, d. h. näher zu der Augenlinseneinheit. Für Einzelleistungssysteme kann die Feldlinseneinheit benachbart zu der Augenlinseneinheit positioniert sein.
Für variable Leistungssysteme kann die Feldlinseneinheit von einer Position an der Seite der Objektivlinseneinheit der Zwischenabbildung zu einer Position an der Seite der Augenlinseneinheit der Zwischenabbildung bewegt werden, d. h. die Feldlinseneinheit wird durch die Zwischenabbildung bewegt. Eine solche Bewegung führt zu einer Erhöhung der Vergrößerung des Systems. Wie es in den nachfolgenden Beispielen 2 bis 4 gezeigt ist, kann die Bewegung beispielsweise die Vergrößerung des Systems von etwa 1 bis etwa 12 erhöhen. Im allgemeinen weist die Feldlinseneinheit zwei Positionen auf, die zwei Vergrößerungen mit einer gemeinsamen Fokusposition entsprechen, obwohl die Einheit, falls gewünscht, mehrere Positionen aufweisen kann, um einen Bereich von Vergrößerungen zu liefern. In diesem letzten Fall sollte das Fernglas eine Kompensatoreinheit umfassen, zum Ändern des Gesamtfokus des Fernglases mit der Bewegung der Feldlinseneinheit. Es sollte angemerkt werden, daß sich die Zwischenabbildung, während sich die Feldlinseneinheit an der Seite der Objektivlinseneinheit der Zwischenabbildung befindet, bewegt und in der Vergrößerung ändert, während die Feldlinseneinheit bewegt wird.
Die Verstärkung der Vergrößerung, die durch Bewegen der Feldlinseneinheit bewirkt wird, ist einer Reduzierung der Winkelabdeckung des Fernglases im Objektraum zugeordnet. Dementsprechend wird das Fernglas der Erfindung vorzugsweise überwiegend bei einer kleinen Vergrößerung verwendet, wo die Winkelabdeckung im Objektraum größer ist, wobei eine Einstellung oder Einstellungen mit größerer Vergrößerung verwendet werden, wenn ein Benutzer ein spezielles Objekt detaillierter sehen möchte. Es sollte angemerkt werden, daß das unterstützte statische Sichtfeld des Fernglases, wie es dem Auge präsentiert wird, konstant bleibt, auch wenn die Winkelabdeckung im Objektraum geändert wird.
Der Effekt des Bewegens der Feldlinseneinheit durch die Zwischenabbildung kann bezüglich der Grundgleichung für die Vergrößerung eines Teleskops verstanden werden, nämlich, daß die Vergrößerung das Verhältnis der Objektivbrennweite zu der Okularbrennweite ist. Wenn die Feldlinseneinheit auf der Seite der Zwischenabbildung der Objektivlinseneinheit ist, kann dieselbe als Teil des Objektivs angesehen werden. Da dieselbe als solche eine positive Leistung aufweist, macht dieselbe die Objektivbrennweite kürzer, was einer geringeren Vergrößerung entspricht. Wenn sich die Feldlinseneinheit auf der Seite der Augenlinseneinheit der Zwischenabbildung befindet, kann dieselbe als Teil des Okulars gesehen werden. In diesem Fall macht dieselbe die Okularbrennweite kürzer, was einer Erhöhung der Vergrößerung entspricht. Wenn dieselbe an der Zwischenabbildung positioniert ist, wird die Grundvergrößerung des Systems durch die Feldlinseneinheit weder erhöht noch verringert, d. h. bezüglich der Feldlinseneinheit ist das System bei +1,0 Vergrößerung.
Um die oben erörterten Benutzervorteile zu erreichen, weist die Augenlinseneinheit des Fernglases im allgemeinen einen relativ großen Durchmesser auf. Dies führt zu dem Vorteil, daß das Gewicht des Abschnitts des Fernglases am nächsten zu dem Auge erhöht ist. Dies wiederum führt zu einer stärkeren Positionierstabilität für den Benutzer. Um die Benutzerstabilität weiter zu erhöhen, kann der Augenabschnitt des Gehäuses, der verwendet wird, um die Linsenelemente zu halten, entworfen werden, so daß die Zeigefinger auf dem Wulst über dem Auge ruhen können und der Daumen auf den Backenknochen ruht. Als Alternative kann die Umkehr- und Invertiereinrichtung ausgewählt werden, so daß der Benutzer das Fernglas in einer vertikalen Position hält, so daß die Arme nahe zum Körper und somit stabil sind. Siehe beispielsweise Alvarez u. a., U.S.-Patent Nr. 4,417,788.
Im allgemeinen werden die Vorteile des Fernglases der Erfindung am besten erreicht, wenn der Benutzer das Fernglas in Bezug auf seine Augen in einer festen Position hält. Okularschalen oder dergleichen, die eine solche feste Verwendung ermöglichen, werden daher bevorzugt.
Ohne dieselbe auf irgendeine Weise zu begrenzen, wird die vorliegende Erfindung durch die letzten drei der folgenden Beispiele 1-4 beschrieben. Fig. 1-4 und Tabelle 1-4 entsprechen diesen Beispielen. Die Gläser und Kunststoffe, auf die in den Tabellen 1-4 Bezug genommen wird, sind in Tabelle 5 aufgeführt, wobei die Glasnamen die SCHOTT- Bezeichnungen sind. Entsprechende Gläser, die von anderen Herstellern hergestellt werden, können bei der Praxis der Erfindung verwendet werden. Die asphärischen Koeffizienten, die in der Tabelle 1-4 aufgeführt werden, sind für die Verwendung in der folgenden Gleichung:
Wobei z die Oberfläche sag an einem Abstand y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse an der optischen Achse ist, und k eine konische Konstante ist.
Die Abkürzungen, die in den Tabellen verwendet werden, sind wie folgt:
SN (Surface Number = Oberflächenzahl); CLR.AP (Clear Aperture = freie Öffnung); und ZP (Zoom (Magnification) Position = Zoom (Vergrößerungs-) Position). Alle Abmessungen, die in den Tabellen angegeben sind, sind in Millimetern.

Beispiel 1

Dieses Beispiel stellt einen binokularen Aufbau dar, der nicht gemäß der Erfindung ist, aber eine einzige Vergrößerung und ein S/D-Verhältnis aufweist, das größer als 3,0 ist.
Das Fernglas arbeitet bei einer Vergrößerungsleistung von 12X. Wie bei allen Beispielen ist die erste Linseneinheit ein herkömmliches Objektiv, obwohl dieselbe eine kürzere Brennweite aufweist als die kombinierte Brennweite der ersten und der zweiten Einheit, um die Öffnung und somit die Größe des Umkehr- und Invertiersystems zu reduzieren. Die zweite Einheit ist ein negatives Dublett, das eine Aberrationskorrektur und die gewünschte kürzere Brennweite für die erste Linseneinheit liefert. Um ein großes unterstütztes statisches Sichtfeld zu liefern, werden in der Augenlinseneinheit zwei asphärische Oberflächen verwendet. Am nächsten zu dem Auge wird ein Glaselement verwendet, um Haltbarkeit zu schaffen.

Beispiel 2

Dieses Beispiel stellt einen binokularen Aufbau gemäß der Erfindung mit zwei Vergrößerungen und einem S/D-Verhältnis über 3,0 für die höchste Vergrößerungskonfiguration desselben dar. Es stellt außerdem die Fähigkeit der Erfindung dar, den Aufbau des Fernglases zu vereinfachen und somit die Kosten zu minimieren.
Das Linsensystem dieses Beispiels weist die gleiche Anzahl von Linsenelementen auf wie das Linsensystem von Beispiel 1, verwendet aber eine bewegliche Feldlinse, um die Vergrößerungsänderung zu liefern.

Beispiel 3

Beispiel 3 weist einen ähnlichen Aufbau auf wie Beispiel 2, außer daß in der Augenlinseneinheit ein Dublett für Aberrationskorrektur enthalten ist. Durch Bewegen einer einzelnen Elementfeldlinseneinheit wird erneut eine variable Leistung geliefert.

Beispiel 4

Beispiel 4 ist ähnlich wie Beispiel 2 und 3, außer daß keine asphärischen Elemente enthalten sind, und für die zweite Einheit nur ein einziges negatives Element verwendet wird. Wie in Beispiel 3 ist in der Augenlinseneinheit ein Dublettelement für Aberrationskorrektur hinzugefügt, und die Feldlinseneinheit weist zwei positive Elemente auf.
Die Tabellen 7 und 8 fassen verschiedene der Eigenschaften der Linsensysteme von Beispiel 1-4 zusammen. Insbesondere stellt Tabelle 7 deren S/D-Verhältnisse und die verschiedenen Größen dar, die zum Berechnen dieser Verhältnisse verwendet werden. Tabelle 8 führt die Brennweiten der Objektivlinseneinheit (fa), der Korrektorlinseneinheit (fb), deren Kombination (fab) und die kombinierte Brennweite der Feldlinseneinheit und der Augenlinseneinheit (ffe) dar. Unter anderem sollte angemerkt werden, daß bei dieser Tabelle fa wesentlich kleiner ist als fahr d. h. fa ist weniger als etwa 0,75 von fab. Wie oben erörtert wurde, führt dies zu verschiedenen praktischen Vorteilen, einschließlich einer kleineren Umkehr- und Invertiereinrichtung und einer kleineren Gesamtgröße des Fernglases.
Obwohl spezifische Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und dargestellt wurden, ist klar, daß Modifikationen durchgeführt werden können, ohne von der Wesensart und dem Schutzbereich der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise umfaßt das Fernglas der Erfindung normalerweise eine Einrichtung zum Bewegen der Objektivlinseneinheit und der Augenlinseneinheit bezüglich zueinander für eine Gesamtfokussierung, und eine Einrichtung zum Bewegen eines oder mehrerer Elemente der Augenlinseneinheit von einer Seite des Fernglases für eine relative Fokussierung zwischen den beiden Augen. Falls gewünscht, können auch automatische Fokussysteme verwendet werden.
Eine Vielzahl anderer Modifikationen, die nicht von dem Schutzbereich und der Wesensart der Erfindung abweichen, sind für einen Fachmann auf diesem Gebiet von der Offenbarung hierin offensichtlich. Die folgenden Ansprüche sollen die spezifischen Ausführungsbeispiele, die hierin aufgeführt sind, und auch solche Modifikationen, Variationen und Äquivalente abdecken. TABELLE 1 TABELLE 2 TABELLE 3 TABELLE 4 TABELLE 5

TABELLE 6

Rex D
1,5 13º
2,0 15º
2,5 17º
3,0 19º
3,5 21º
4,0 23º
4,5 24,8º
5,0 26,6º TABELLE 7
Mag. ist die Verstärkungsleistung
Ren ist der Eintrittspupillenradius in mm.
Rex ist der Austrittspupillenradius in mm.
UO ist das Halbsichtfeld im Objektraum in Grad.
S ist das Produkt von Mag. und UO.
D wird unter Verwendung von Gleichung 1 berechnet. TABELLE 8
fab ist die kombinierte Brennweite der Objektivlinseneinheit und der Korrektorlinseneinheit.
fa ist die Brennweite der Objektivlinseneinheit.
fb ist die Brennweite der Korrektorlinseneinheit.
ffe ist die kombinierte Brennweite der Feldlinseneinheit und der Augenlinseneinheit.

Claims

1. Ein optisches System zum Vergrößern eines Objekts, das eine positive erste Linseneinheit (O1, O2, O3) zum Bilden einer Zwischenabbildung des Objekts, eine positive zweite Linseneinheit (F9, F10) in der Nähe der Zwischenabbildung, eine positive dritte Linseneinheit (E11, E12, E13, E14) zum Neuabbilden der Zwischenabbildung wie sie durch die positive zweite Linseneinheit modifiziert ist, und eine Einrichtung zum Bewegen der positiven zweiten Linseneinheit in der Nähe der Zwischenabbildung, um die Vergrößerung des Objekts zu verändern, umfaßt, dadurch gekennzeichnet, daß:

(A) das System ferner folgende Merkmale umfaßt:

(i) eine Einrichtung zum Umkehren und Invertieren der Zwischenabbildung (R4, R5), wobei die Umkehr- und Invertiereinrichtung zwischen der positiven ersten Linseneinheit und der positiven zweiten Linseneinheit positioniert ist; und

(ii) eine negative Linseneinheit (C6, C7, C8), die zwischen der Umkehr- und Invertiereinrichtung und der positiven zweiten Linseneinheit positioniert ist; und

(B) die Bewegung der positiven zweiten Linseneinheit die einzige Quelle einer Vergrößerungsänderung in dem System ist, abgesehen von zufälligen Vergrößerungsänderungen, die einer optionalen Kompensatoreinheit zugeordnet sein können, die Änderungen des Gesamtfokus des Systems als Ergebnis der Be wegung der positiven zweiten Linseneinheit kompensiert.

2. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem die positive zweite Linseneinheit ein einzelnes positives Linsenelement (F9, F10) umfaßt.

3. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem die negative Linseneinheit ein einzelnes negatives Linsenelement (C6, C7 in Fig. 4) umfaßt.

4. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem das Verhältnis der Brennweite der positiven ersten Linseneinheit (O1, O2, O3) zu der kombinierten Brennweite der positiven ersten Linseneinheit und der negativen Linseneinheit (C6, C7, C8) weniger als etwa 0,75 ist.

5. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem die positive dritte Linseneinheit (E11, E12, E13, E14) nur positive Linsenelemente umfaßt.

6. Das optische System gemäß Anspruch 5, bei dem das optische System ein unterstütztes statisches Halbsichtfeld in dem Abbildungsraum von zumindest 30º aufweist.

7. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem die Einrichtung zum Bewegen die positive zweite Linseneinheit (F9, F10) durch die Zwischenabbildung bewegt.

8. Das optische System gemäß Anspruch 1, bei dem

(1) das System ein Betrachtungssystem für die Verwendung mit einem menschlichen Auge ist,

(2) die positive dritte Linseneinheit (E11, E12, E13, E14) eine virtuelle Abbildung der Zwischenabbildung zum Betrachten durch das Auge bildet,

(3) die virtuelle Abbildung dem Auge ein durch das Betrachtungssystem unterstütztes statisches Halbsichtfeld eines Winkelausmaßes S präsentiert,

(4) das Betrachtungssystem eine Ausgangspupille (16) des Radius Rex auf weist, und dem Auge ein durch das Betrachtungssystem unterstütztes dynamisches Halbsichtfeld eines Winkelausmaßes D bietet, das durch den folgenden Ausdruck gegeben ist, bei dem Rex und die Konstanten 1,5 und 13 in Millimetern sind:

D = tan&supmin;¹ [(Rex + 1,5)/13], und

(5) das Verhältnis von S zu D zumindest 2,8 für ein normales menschliches Auge mit einem Eingangspupillenradius von 1,5 mm und einer Rotationsmitte (19) ist, die von der Eingangspupille (17) des Auges um einen Abstand von 13 mm beabstandet ist.

9. Das optische System gemäß Anspruch 8, bei dem das Verhältnis von S zu D zumindest 2,9 ist.

10. Das optische System gemäß Anspruch 8, bei dem das Verhältnis von S zu D zumindest 3,0 ist.