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Die
Erfindung betrifft ein Variolinsensystem, in dem die Brennweite
veränderbar
ist. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Variolinsensystem,
das in verschiedenen Lichtwellenlängenbereichen, insbesondere
im sichtbaren Bereich (etwa 400 bis 700 nm) bis zum Nahinfrarotbereich
(etwa 700 bis 1000 nm) verwendbar ist.
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Vorzugsweise
hat eine Vermessungskamera ein Aufnahmelinsensystem, das zur Tageszeit
eine Aufnahme im sichtbaren Bereich und zur Nachtzeit eine Aufnahme
im Nahinfrarotbereich vornehmen kann. Einige solcher Aufnahmelinsensysteme
finden praktische Verwendung. Es bereitet jedoch immer noch Schwierigkeiten,
die Aberrationen, insbesondere die chromatische Aberration ausgehend
vom sichtbaren Bereich bis hin zum Nahinfrarotbereich angemessen
zu korrigieren, ohne die Linsenanordnung übermäßig kompliziert werden zu lassen.
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Aus
den Druckschriften
US 4 153 338 und
US 4 367 927 sind Variolinsensysteme
bekannt, die eine negative vordere Linsengruppe und eine positive
hintere Linsen gruppe enthalten. Der Abstand der beiden Linsengruppen
voneinander ist zur Brennweitenänderung
variierbar. Diese bekannten Variolinsensysteme erfüllen die
Bedingung (1) des Anspruchs 1.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein Variolinsensystem anzugeben, das in der
Lage ist, die Aberrationen im sichtbaren Bereich und im Nahinfrarotbereich
angemessen zu korrigieren.
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Die
Erfindung löst
diese Aufgabe durch das Variolinsensystem mit den Merkmalen des
Anspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen sowie
der folgenden Beschreibung angegeben.
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Die
Erfindung wird im Folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin
zeigen:
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1 die Linsenanordnung eines
Variolinsensystems als erstes Ausführungsbeispiel bei der Einstellung
kürzester
Brennweite,
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2A, 2B und 2C die
in der Linsenanordnung nach 1 auftretenden
Aberrationen,
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3 die Linsenanordnung des
ersten Ausführungsbeispiels
bei der Einstellung längster
Brennweite,
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4A, 4B und 4C die
in der Linsenanordnung nach 3 auftretenden
Aberrationen,
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5 die Linsenanordnung eines
Variolinsensystems als zweites Ausführungsbeispiel bei der Einstellung
kürzester
Brennweite,
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6A, 6B und 6C die
in der Linsenanordnung nach 5 auftretenden
Aberrationen,
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7 die Linsenanordnung des
zweiten Ausführungsbeispiels
bei der Einstellung längster
Brennweite,
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8A, 8B und 8C die
in der Linsenanordnung nach 7 auftretenden
Aberrationen,
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9 die Linsenanordnung eines
Variolinsensystems als drittes Ausführungsbeispiel bei der Einstellung
kürzester
Brennweite,
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10A, 10B und 10C die
in der Linsenanordnung nach 9 auftretenden
Aberrationen,
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11 die Linsenanordnung des
dritten Ausführungsbeispiels
bei der Einstellung längster
Brennweite,
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12A, 12B und 12C die
in der Linsenanordnung nach 11 auftretenden
Aberrationen,
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13 die Linsenanordnung eines
Variolinsensystems als viertes Ausführungsbeispiel bei der Einstellung
kürzester
Brennweite,
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14A, 14B und 14C die
in der Linsenanordnung nach 13 auftretenden
Aberrationen,
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15 die Linsenanordnung des
vierten Ausführungsbeispiels
bei der Einstellung längster
Brennweite,
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16A, 16B und 16C die
in der Linsenanordnung nach 15 auftretenden
Aberrationen,
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17 die Linsenanordnung eines
Variolinsensystems als fünftes
Ausführungsbeispiel
bei der Einstellung kürzester
Brennweite,
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18A, 18B und 18C die
in der Linsenanordnung nach 17 auftretenden
Aberrationen,
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19 die Linsenanordnung des
fünften
Ausführungsbeispiels
bei der Einstellung längster
Brennweite,
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20A, 20B und 20C die
in der Linsenanordnung nach 19 auftretenden
Aberrationen, und
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21 die Verstellwege der
Linsengruppen des erfindungsgemäßen Variolinsensystems.
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Die
in den folgenden Ausführungsbeispielen
beschriebenen Linsensysteme sind jeweils als Variolinsensystem ausgebildet,
in dem sich die Position der Bildebene in Abhängigkeit der Änderung
der Brennweite bewegt. Wie in den Verstellwegen nach 21 gezeigt, enthält das Variolinsensystem
eine negative vordere Linsengruppe 10, eine Blende S und
eine positive hintere Linsengruppe 20, die in dieser Reihenfolge
vom Objekt her gesehen angeordnet sind. Die vordere Linsengruppe 10,
die Blende S und die hintere Linsengruppe 20 bewegen sich
zur Brennweitenänderung
jeweils längs
der optischen Achse. Insbesondere bewegt sich bei der Brennweitenänderung
ausgehend von der Einstellung kürzester
Brennweite hin zur Einstellung längster Brennweite
die vordere Linsengruppe 10 auf das Bild und die hintere
Linsengruppe 20 auf das Objekt zu, während der Abstand zwischen
der Blende S und der Bildebene I konstant ist. Die Änderung
der Brennweite wird von der hinteren Linsengruppe 20 vorgenommen.
Die durch die Bewegung der hinteren Linsengruppe 20 verursachte Änderung
der Brennpunkte (Schärfenpunkte)
wird dadurch kompensiert, dass die vordere Linsengruppe 10 längs der
optischen Achse bewegt wird. Ist das Variolinsensystem in einer
Vermessungskamera untergebracht, so wird seine Brennweite, d.h.
sein Bildwinkel so variiert, dass man einen Scharfstellzustand bezüglich des
zu vermessenden Objektes von dem Ort aus erreichen kann, an dem
die Vermessungskamera montiert ist. Die Betätigung der vorderen Linsengruppe 10,
um die durch die Bewegung der hinteren Linsengruppe 20 verursachte Änderung
der Brennpunkte zu kompensieren, kann von Hand vorgenommen werden, ohne
den praktischen Gebrauch der Vermessungskamera nachteilig zu beeinflussen.
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Wie
die Linsenanordnungen der einzelnen Ausführungsbeispiele zeigen, enthält die vordere
Linsengruppe 10 ein negatives erstes Linsenelement L1 mit
einer dem Objekt zugewandten konvexen Fläche, ein negatives, bikonkaves
zweites Linsenelement L2 und ein positives drittes Linsenelement
L3, die in dieser Reihenfolge vom Objekt her gesehen angeordnet
sind. Das negative, bikonkave zweite Linsenelement L2 und das positive
dritte Linsenelement L3 sind miteinander verkittet. Die vordere
Linsengruppe 10 besteht also aus zwei Unterlinsengruppen,
die von den drei Linsenelementen gebildet werden. Die hintere Linsengruppe 20 enthält ein positives
viertes Linsenelement L4, ein positives fünftes Linsenelement L5, ein
negatives sechstes Linsenelement L6, ein positives siebentes Linsenelement
L7, ein negatives achtes Linsenelement L8 und ein positives neuntes
Linsenelement L9, die in dieser Reihenfolge von der ersten Linsengruppe 10 her
gesehen angeordnet sind. Das negative achte Linsenelement L8 und
das positive neunte Linsenelement L9 sind miteinander verkittet,
und die Gesamtheit aus der miteinander verkitteten Linsenelemente
hat positive Brechkraft. Ein Deckglas für eine Bildaufnahmevorrichtung
ist in 1 mit C bezeichnet.
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Bedingung
(1) des Anspruchs 1 gibt das Verhältnis der Brennweite der vorderen
Linsengruppe 10 zur Brennweite des gesamten Linsensystems
bei der Einstellung kürzester
Brennweite an. Ist diese Bedingung erfüllt, so können sphärische Aberration, Astigmatismus
und chromatische Aberration korrigiert werden.
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Übersteigt
fx/Fw die obere Grenze der Bedingung (1), so wird die sphärische Aberration überkorrigiert und
die chromatische Queraberration unterkorrigiert.
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Unterschreitet
fx/Fw die untere Grenze der Bedingung (1), so wird die sphärische Aberration
unterkorrigiert. Ferner treten bei Brennweitenpositionen, bei denen
der Bildwinkel größer ist,
Aberrationen höherer
Ordnung und Astigmatismus auf.
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Bedingung
(2) des Anspruchs 1 gibt das Verhältnis der Brennweite der hinteren
Linsengruppe 20 zur Brennweite des gesamten Linsensystems
bei der Einstellung kürzester
Brennweite an. Ist diese Bedingung erfüllt, so können sphärische Aberration, Koma, Astigmatismus
und chromatische Aberration korrigiert werden.
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Übersteigt
fy/Fw die obere Grenze der Bedingung (2), so werden sphärische Aberration
und chromatische Längsaberration
unterkorrigiert, während
die Koma überkorrigiert
wird. Ferner treten bei Brennweitenpositionen, bei denen der Bildwinkel
größer ist,
Aberrationen höherer
Ordnung und Astigmatismus auf.
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Unterschreitet
fy/Fw die untere Grenze der Bedingung (2), so wird die sphärische Aberration überkorrigiert
und die Koma unterkorrigiert.
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Das
in den Ausführungsbeispielen
angegebene Variolinsensystem hat ein Brennweitenverhältnis von etwa
2 und einen Bildwinkel von etwa 22° bis 51°. Um ein Brennweitenverhältnis von
etwa 2 zu erreichen, wird die positive hintere Linsengruppe 20,
die ein von der negativen Linsengruppe 10 erzeugtes virtuelles
Bild auf die Bildebene abbildet, vorzugsweise in einem Bereich des
Abbildungsmaßstabes
eingesetzt, der durch –0,9 < m < –0,3 gegeben
ist und damit Bedingung (3) des Anspruchs 2 erfüllt.
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Übersteigt
der Abbildungsmaßstab
m die obere Grenze der Bedingung (3), so werden sphärische Aberration
und chromatische Längsaberration
unterkorrigiert, wodurch es schwierig wird, das erforderliche Brennweitenverhältnis sicherzustellen.
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Unterschreitet
der Abbildungsmaßstab
m die untere Grenze der Bedingung (3), so werden sphärische Aberration
und chromatische Längsaberration überkorrigiert.
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Wie
in den Ausführungsbeispielen
gezeigt, enthält
die vordere Linsengruppe 10 die beiden von den drei Linsenelementen
L1 bis L3 gebildeten Unterlinsengruppen, während die hintere Linsengruppe 20 die
fünf von
den sechs Linsenelementen L4 bis L9 gebildeten Unterlinsengruppen
enthält.
Durch diese Anordnung erhält
man ein kostengünstiges
Variolinsensystem. Die hintere Linsengruppe 20 besteht
vorzugsweise aus dem positiven vierten Linsenelement L4, dem positiven
fünften
Linsenelement L5, dem negativen sechsten Linsenelement L6, dem positiven
siebenten Linsenelement L7 und dem von dem negativen achten Linsenele ment
L8 und dem positiven neunten Linsenelement L9 gebildeten positiven
Kittglied, die in dieser Reihenfolge von der ersten Linsengruppe 10 her
gesehen angeordnet sind.
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Die
Anordnung der Linsenelement betreffend erfüllt das positive siebente Linsenelement
L7 vorzugsweise die Bedingungen (4) und (5) des Anspruchs 6.
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Übersteigt
n7 die obere Grenze der Bedingung (4), so wird die hintere Schnittweite
kürzer.
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Unterschreitet
n7 die untere Grenze der Bedingung (4), so nimmt die Gesamtlänge des
Linsensystems zu stark zu, was sich nachteilig auf die Kosten des
Linsensystems auswirkt.
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Übersteigt ν7 die obere
Grenze der Bedingung (5), so ergibt sich eine Farbunterkorrektion.
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Unterschreitet
dagegen ν7
die untere Grenze der Bedingung (5), so ergibt sich eine Farbüberkorrektion.
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Indem
es in der oben beschriebenen Anordnung der Linsenelemente einem
der Linsenelemente L8 und L9 gestattet ist, die Bedingungen (6)
und (7) des Anspruchs 7 zu erfüllen,
während
es dem anderen Linsenelement gestattet ist, die Bedingungen (8)
und (9) des Anspruchs 7 zu erfüllen,
wird eine Farbkorrektion bis hin zum Nahinfrarotbereich möglich, während gleichzeitig
die Aberrationen geeignet korrigiert werden.
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Im
Folgenden werden spezielle numerische Daten für die Ausführungsbeispiele angegeben.
In den Diagrammen der chromatischen Aberration (chromatische Längsaberration,
dargestellt durch die sphärische
Aberration), bezeichnen die durchgezogene Linie und die beiden gestrichelten
Linien die sphärischen
Aberrationen bei der d-, der g- bzw. der C-Linie. S bezeichnet das
Sagittalbild und M das Meridionalbild. In den Tabellen bezeichnet
FNO die F-Zahl, f die Brennweite des gesamten Linsensystems, fB
die hintere Schnittweite, d.h, den Abstand von der am weitesten
bildseitig gelegenen Fläche
des Deckglases C zur Bildebene der Bildaufnahmevorrichtung. W bezeichnet
den halben Bildwinkel (°),
r den Krümmungsradius,
d die Linsenelementdicke oder den Linsenelementabstand, Nd den Brechungsindex
bei der d-Linie (Wellenlänge:
588 nm) und ν die
Abbe-Zahl.
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Ausführungsbeispiel 1
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Die 1 bis 4 zeigen das erste Ausführungsbeispiel
des Variolinsensystems. Die 1 und 3 zeigen die Linsenanordnung
bei der Einstellung kürzester
Brennweite bzw. längster
Brennweite. Die 2A bis 2C und die 4A bis 4C zeigen
die in den in den Linsenanordnungen nach 1 bzw. 3 auftretenden
Aberrationen. In Tabelle 1 sind die numerischen Daten des ersten
Ausführungsbeispiels
angegeben.
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Ausführungsbeispiel 2
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Die 5 bis 8 zeigen das zweite Ausführungsbeispiel
des Variolinsensystems. Die 5 und 7 zeigen die Linsenanordnung
bei der Einstellung kürzester
Brennweite bzw. längster
Brennweite. Die 6A bis 6C und die 8A bis 8C zeigen
die in den Linsenanordnungen nach 5 bzw. 7 auftretenden Aberrationen. In
Tabelle 2 sind die numerischen Daten des zweiten Ausführungsbeispiels
angegeben. Die grundlegende Anordnung ist in dem zweiten Ausführungsbeispiel
die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiel 3
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Die 9 bis 12 zeigen das dritte Ausführungsbeispiel
des Variolinsensystems. Die 9 und 11 zeigen die Linsenanordnung
bei der Einstellung kürzester
Brennweite bzw. längster
Brennweite. Die 10A bis 10C und die 12A bis 12C zeigen
die in den Linsenanordnungen nach 9 und 11 auftretenden Aberrationen.
In Tabelle 3 sind die numerischen Daten des dritten Ausführungsbeispiels
angegeben. Die grundlegende Anordnung ist in dem dritten Ausführungsbeispiel
die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiel 4
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Die 13 bis 16 zeigen das vierte Ausführungsbeispiel
des Variolinsensystems. Die 13 und 15 zeigen die Linsenanordnung
bei der Einstellung kürzester
Brennweite bzw. längster
Brennweite. Die 14A bis 14C und die 16A bis 16C zeigen
die in den Linsenanordnungen nach 13 bzw. 15 auftretenden Aberrationen.
In Tabelle 4 sind die numerischen Daten des vierten Ausführungsbeispiels
angegeben. Die grundlegende Anordnung ist in dem vierten Ausführungsbeispiel
die gleiche wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Ausführungsbeispiel 5
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Die 17 bis 20 zeigen das fünfte Ausführungsbeispiel des Variolinsensystems.
Die 17 und 19 zeigen die Linsenanordnung
bei der Einstellung kürzester
Brennweite bzw. längster
Brennweite. Die 18A bis 18C und die 20A bis 20C zeigen
die in den Linsenanordnungen nach 17 bzw. 19 auftretenden Aberrationen.
In Tabelle 5 sind die numerischen Daten des fünften Ausführungsbeispiels angegeben.
Die grundlegende Anordnung in dem fünften Ausführungsbeispiel ist die gleiche
wie in dem ersten Ausführungsbeispiel.
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Die
numerischen Werte der einzelnen Bedingungen sind für jedes
Ausführungsbeispiel
in Tabelle 6 angegeben.
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In
Tabelle 6 sind für
die Bedingung (3) in der oberen Zeile die numerischen Werte für die Einstellung kürzester
Brennweite und in der unteren Zeile die numerischen Werte für die Einstellung
längster
Brennweite angegeben.
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Wie
aus Tabelle 6 hervorgeht, erfüllen
das erste bis fünfte
Ausführungsbeispiel
die Bedingungen (1) bis (9). Wie die Aberrationsdiagramme zeigen,
sind ferner die Aberrationen für
jede Wellenlänge
angemessen korrigiert. Insbesondere kann die chromatische Aberration,
die mit der sphärischen
Aberration dargestellt ist, ausgehend vom sichtbaren Bereich mit
588 nm bis zum Infrarotbereich mit 850 nm auf einen Wert korrigiert werden,
der in der praktischen Anwendung keine Schwierigkeiten verursacht.
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Wie
aus obiger Beschreibung hervorgeht, stellt die Erfindung ein Variolinsensystem
bereit, bei dem die Aberrationen im sichtbaren Bereich und im Nahinfrarotbereich
angemessen korrigiert sind.
