DE19724023B4

DE19724023B4 - Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem

Info

Publication number: DE19724023B4
Application number: DE19724023A
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Sapporo Abe; Takaaki Sapporo Yano; Takayuki Ito
Original assignee: Pentax Corp
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 2005-05-04
Anticipated expiration: 2017-06-07
Also published as: JP3320978B2; US6130714A; JPH09325268A; DE19724023A1

Abstract

Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem mit einer Objektivoptik (10), einer Bildaufnahmefläche (I), einer Okularoptik (50), einer hinter der Objektivoptik (10) angeordneten Strahlteileroptik (20) zum Aufteilen eines durch die Objektivoptik (10) tretenden Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche (I) zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, der Okularoptik (50) zugeordnetes Lichtbündel und einer Kondensorlinse (C), die in dem Strahlengang zwischen der Strahlteileroptik (20) und der Okularoptik (50) angeordnet und zum Abbilden des durch die Objektivoptik (10) erzeugten Bildes auf die Okularoptik (50) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der Strahlteileroptik (20) und der Kondensorlinse (C) angeordnete Vergrößerungsoptik (40) mit negativer Brechkraft.

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme/Suchersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein solches Bildaufnahme-/Suchersystem wird in einer CCD-Kamera, beispielsweise einer kleinen Videokamera, einer Digitalkamera oder einer elektronischen Überwachungskamera etc. verwendet.

In modernen CCD-Kameras wurde in jüngster Zeit die Größe der Bildebene der CCD-Elemente als lichtempfangende Elemente von 1/2'' oder 1/3'' auf 1/4'' oder 1/5'' verringert. Ebenso wurden Versuche unternommen, die CCD-Kameras zu verkleinern. In herkömmlichen CCD-Kameras sind gewöhnlich Flüssigkristall-Sucher (LC) und/oder optische Sucher vorgesehen, die es erlauben, das aufzunehmende Bild visuell zu erfassen.

Es gibt verschiedene Arten von optischen Suchern, wie beispielsweise Sucher, die unabhängig von dem optischen Bildaufnahmesystem sind oder optisch gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem abgezweigt angeordnet sind.

LC-Sucher haben beispielsweise den Nachteil, vergleichsweise viel elektrische Energie zu verbrauchen, so daß die Lebensdauer der Batterie herabgesetzt ist. Ferner sind als Nachteile zu nennen, daß die Bewegung der in der Bildebene dargestellten Bilder unstetig ist und die Auflösung niedriger als bei optischen Suchern ist.

In einem von dem optischen Bildaufnahmesystem unabhängigen optischen Sucher weichen für ein Objekt, dessen Objektentfernung von einer spezifizierten Entfernung, d.h. von einer Referenzobjektentferung abweicht, der Aufnahmebereich des Bild aufnahmesystems und der Sichtbereich des Suchers voneinander ab. Die Abweichung des Sichtbereichs des Suchers von dem Aufnahmebereich des Bildaufnahmesystems wird als Parallaxe bezeichnet.

Optisch gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem abgezweigt angeordnet sind, zeigen zwar keine Parallaxe, erfüllen jedoch nur schwer die Anforderungen hinsichtlich der Miniaturisierung und der Bequemlichkeit beim Betrachten des Objekts durch den Sucher. Wird die Größe der Bildebene des Bildaufnahmesystems (CCD) verringert, um den Sucher zu verkleinern, so wird zugleich die Größe der in dem abgezweigten Strahlengang des optischen Suchers angeordneten primären Bilderzeugungsfläche verringert, und der sichtbare Abstrahlwinkel, d.h. der Sehwinkel wird klein, so daß das zu betrachtende Bild verkleinert wird und Schwierigkeiten beim Betrachten durch den Sucher auftreten.

Wird die Brennweite des Okulars verringert, um den Sehwinkel zu vergrößern, so werden der Pupillendurchmesser und der Pupillenabstand verringert. Auf diese Weise kann selbst bei einer geringen Bewegung des Auges Vignettierung auftreten, so daß das Bild nicht deutlich durch den Sucher betrachtet werden kann.

Ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ist aus der Druckschrift US 4 525 744 bekannt. Dieses System enthält eine Strahlteileroptik, die den auf die Okularoptik führenden Strahlengang von dem auf die Bildaufnahmevorrichtung führenden Strahlengang abzweigt. In dem der Okularoptik zugeordneten Strahlengang befindet sich zwischen der Strahlteileroptik und der die primäre Bilderzeugungsfläche bildenden Fokussierscheibe eine Linse, durch die das durch die Objektivoptik erzeugte Bild auf die Fokussierscheibe abgebildet wird. Letzteres Bild kann durch die Okularoptik betrachtet werden.

Bei diesem vorbekannten System kann eine Vergrößerung des auf die Fokussierscheibe abgebildeten Bildes durch ein Pentaprisma erreicht werden, das sich zwischen der Strahlteileroptik und der Fokussierscheibe befindet. Das Pentaprisma bewirkt eine Verlängerung des von der Strahlteileroptik auf die Fokussierscheibe führenden Strahlenganges. Durch diese Strahlengangverlängerung kann die Brennweite der oben genannten Linse vergrößert werden, was wiederum dazu führt, daß das auf der Fokussierscheibe erzeugte Bild bei gleicher Vergrößerung der Okularoptik größer wird.

Bei diesem System wird also ein größeres Bild auf der Fokussierscheibe dadurch erreicht, daß der Strahlengang zwischen der Strahlteileroptik und der Fokussierscheibe verlängert wird. Dies führt aber zwangsläufig dazu, daß das System vergleichsweise groß bemessen sein muß.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme- /Suchersystem anzugeben, daß bei kompaktem Aufbau für ein möglichst großes Bild in der primären Bilderzeugungsfläche sorgt.

Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zeigen:
1A die schematische Darstellung eines optische gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystems,
1B die Ansicht eines Prismas und eines Feldrahmens in Richtung des Pfeils 1B nach 1A,
2 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnahmefläche,
3A, 3B, 3C, 3D und 3E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 2,
4 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensystem,
5A, 5B, 5C und 5D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 4,
6 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnahmefläche,
7A, 7B, 7C, 7D und 7E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 6,
8 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensystem, und
9A, 9B, 9C und 9D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach 8.
Das optisch gekoppelte Bildaufnahme-/Suchersystem gemäß der Erfindung enthält ein Objektivlinsensystem 10, eine Strahlteileroptik (Strahlteiler) 20 und eine Bildaufnahmefläche I, die nach 1A ausgehend von der Objektseite in der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Eine Vergrößerungsoptik 40 mit negativer Brechkraft, eine Kondensorlinse C, ein Feldrahmen F, ein Prisma P mit drei Reflexionsflächen r1, r2 und r3 und ein Okularlinsensystem (Okularoptik) 50 sind ausgehend von der Objektseite in der genannten Reihenfolge in dem durch die Strahlteileroptik 20 abgezweigten Strahlengang angeordnet. Vier reflektierende Flächen, nämlich die reflektierende Fläche der Strahlteileroptik 20 und die drei Reflexionsflächen r1, r2 und r3 des Prismas P, bilden ein optisches Umlenksystem. EP bezeichnet den Augenpunkt des Okularlinsensystems 50. Vor der Bildaufnahmefläche ist eine Glasabdeckung 31 (mit einem Filter) in Form einer ebenen Platte angeordnet. In 1A ist die Vergrößerungsoptik 40 durch ein negatives Linsenelement dargestellt.
In dem optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystem wird das durch das Objektivlinsensystem 10 erzeugte Bild auf die Bildaufnahmefläche I fokussiert. Das durch das Objektivlinsensystem 10, die Vergrößerungsoptik 40 und die Kondensorlinse C erzeugte Bild wird auf den Feldrahmen F fokussiert, der eine primäre Bilderzeugungsfläche begrenzt, so daß das Bild durch das optische Umlenksystem und das Okularlinsensystem 50 als ein aufrecht stehendes reelles Bild gesehen werden kann.
Die Vergrößerungsoptik 40 befindet sich zwischen der hinter dem Objektivlinsensystem 10 angeordneten Strahlteileroptik 20 und der Kondensorlinse C, die das Bild dem Okularlinsensystem 50 zuführt. Die Vergrößerungsoptik 40 erlaubt es, die Größe der primären Bilderzeugungsfläche des Okularlinsensystems 50 bezüglich der Größe der Bildebene des Objektivlinsensystems 10 zu vergrößern, selbst wenn letztere verringert wird. Die Brennweite des Okularlinsensystems 50 kann so vergrößert werden, um ein ausreichendes Gesichtsfeld, einen ausreichenden Pupillendurchmesser und einen ausreichenden Pupillenabstand zu erhalten, wie es für normale optische Sucher notwendig ist.
Aufgrund der Vergrößerungsoptik 40 kann die Größe des Objektivlinsensystems 10 und des CCD-Elements verringert und die Effizienz des optischen Bildaufnahmesystems erhöht werden. Ferner wird die Beobachtung des Bildes durch den optischen Sucher erleichtert, und das optisch gekoppelte Bildaufnahme- /Suchersystem kann verkleinert werden.
Die Formel (1) des Anspruchs 2 gibt den resultierenden Abbildungsmaßstab der Vergrößerungsoptik und der Kondensorlinse an. Da das optische Bildaufnahmesystem wie ein herkömmliches Bildaufnahmesystem aufgebaut ist, ist bei einer Verkleinerung der Bildebene des CCD-Elements der resultierende Abbildungsmaßstab vorteilhaft groß genug, um die in der Formel (1) angegebene Anforderung zu erfüllen, so daß das Verhältnis der Größe der primären Bilderzeugungsfläche des Okularlinsen systems zu der Größe der Bildebene des CCD-Elements vergrößert ist. Ist der resultierende Abbildungsmaßstab kleiner als die untere Grenze, so ist das Verhältnis der Größe der Bildebene des Objektivlinsensystems zu der Größe der Bildebene des CCD-Elements zu klein, um die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Aufgabe zu lösen. Übersteigt der resultierende Abbildungsmaßstab die obere Grenze der Formel (1), so können zwar das Gesichtsfeld und der Pupillenabstand effektiv vergrößert werden, aber auch die Aberration des Objektivlinsensystems wird größer, so daß die Aberrationen wie die chromatische Aberration oder die Bildfeldwölbung anwachsen, was bei einem optischen Sucher nicht akzeptabel ist. Um die Aberrationen zu korrigieren, muß die Anzahl der Linsen der Vergrößerungsoptik erhöht werden, so daß die Länge des gesamten Linsensystems vergrößert wird. Dies steht dem Ziel der Miniaturisierung des optischen Systems entgegen.
Ist der resultierende Abbildungsmaßstab größer als die untere Grenze in der Formel (1), so ist die Vergrößerungsoptik vorzugsweise aus einer Bikonkavlinse mit negativer Brechkraft hergestellt, da die Vergrößerungsoptik im allgemeinen eine große negative Brechkraft hat. Um die Aberration der negativen Bikonkavlinse zu korrigieren, ist die Kondensorlinse vorteilhaft aus einer Bikonvexlinse mit positiver Brechkraft hergestellt, die eine der Vergrößerungsoptik abgewandte, konvexe Fläche mit positiver Brechkraft hat, deren Konvexität größer ist als die ihrer anderen, der Vergrößerungsoptik zugewandten Fläche ist.
Im folgenden werden numerische Daten zweier Ausführungsbeispiele 1 und 2 des optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystems diskutiert.
Ausführungsbeispiel 1
Die 2 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. 2 zeigt die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I, und 3A bis 3E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. 4 zeigt die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die 5A bis 5D zeigen die Diagramme der Aberrationen dieser Linsenanordnung. Die Tabellen 1 und 2 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsensystems ausgehend von der Strahlteileroptik 20 bis zu dem Okularlinsensystem 50.
In Tabelle 2 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis 14 dargestellt, da diese Daten identisch denen sind, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Linsenflächen Nr. 15 und 16 der Tabelle 1 und 2 entsprechen der Strahlteileroptik 20, die Linsenflächen Nr. 17 und 18 der Tabelle 1 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD) I, die Linsenflächen Nr. 17 und 18 in Tabelle 2 entsprechen der Vergrößerungsoptik (40), die Linsenflächen Nr. 19 und 20 in Tabelle 2 entsprechen dem Feldrahmen F, die Linsenflächen Nr. 23 und 24 der Tabelle entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 25 bis 28 in Tabelle 2 entsprechen dem Okularlinsensystem 50 (Nr. 27 und 28 entsprechen der Glasabdeckung).
In den Diagrammen der Aberrationen stellt SA die sphärische Aberration dar, SC die Sinusbedingung, d-Linie, g-Linie und C-Linie die chromatischen Aberrationen, dargestellt durch die sphärische Aberration und die laterale chromatische Aberration bei der jeweiligen Wellenlänge, S die Sagittalstrahlen und M die Meridionalstrahlen.
In den Tabellen und den Zeichnungen ist FNO die F-Zahl, F die Brennweite, W der halbe Feldwinkel, ER der Durchmesser der Austrittspupille (Augenring), B das sichtbare Gesichtsfeld (halber Sehwinkel des Abstrahlwinkels), f_B die hintere Bildweite, L_E der Pupillenabstand, f₁₀, f₄₀, f_c, f₅₀, die Brennweite des Objektivlinsensystems 10, der Vergrößerungsoptik 40, der Kondensorlinse C bzw. des Okularlinsensystems 50, R der Krümmungsradius, D die Linsendicke oder der Abstand zwischen den Linsen, N_d der Brechungsindex bei der d-Linie und ν_d die Abbe-Zahl bei der d-Linie. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Linsendaten der Linsensysteme nach 2 bzw. 4. Tabelle 1

Tabelle 2
Die rotationssymmetrische, asphärische Fläche kann im allgemeinen wie folgt ausgedrückt werden. x = Ch2/{1 + [1 – (1 + K)C2h2]1/2} + A4h4 + A6h6 + A8h8 +...worin
h die Höhe über der Achse ist,
x der Abstand von einer Tangentialebene eines asphärischen Scheitels,
C die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
K eine Konizitätskonstante,
A4 ein Asphäritätsfaktor vierter Ordnung,
A6 ein Asphäritätsfaktor sechster Ordnung,
A8 ein Asphäritätsfaktor achter Ordnung.
Asphäritätsdaten

Nr.20: K = 0,0, A4 = –0,84555 × 10^–3, A6 = 0, 30826 × 10^–4 A8 = 0,35788 × 10^–6, A10 = 0,0, A12 =0,0
Nr.25: K = 0,0, A4 = –0,10715 × 10^–3, A6 = –0,33418 × 10^–6 A8 = 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0

Ausführungsbeispiel 2
6 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. 6 zeigt die Linsenanordnung eines Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis zu der Bilderzeugungsfläche I, und die 7A bis 7E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. 8 zeigt die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die 9A bis 9D zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Die folgenden Tabellen 3 und 4 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsen systems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsenystem 50.
In Tabelle 4 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis Nr. 18 gezeigt, da diese identisch mit den in Tabelle 3 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr. 19 und 20 in Tabelle 3 und 4 entsprechen der Strahlteileroptik 20, die Linsenflächen Nr. 21 und 22 in Tabelle 3 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD) I, die Linsenflächen Nr. 21 und 22 in Tabelle 4 entsprechen dem optischen Vergrößerungssystem, die Linsenflächen Nr. 23 und 24 in Tabelle 4 entsprechen der Vergrößerungsoptik 40, die Linsenflächen 25 und 26 in Tabelle 4 entsprechen dem Feldrahmen F, die Linsenflächen Nr. 27 und 28 entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 29 bis 32 in Tabelle 4 entsprechen dem Okularlinsensystem 50, wobei sich Nr. 31 und 32 auf die Glasabdeckung beziehen. Tabelle 3

Tabelle 4
Asphäritätsdaten

Nr.24: K = 0,0, A4 = –0,84555 × 10^–3, A6 = 0,30826 × 10^–4 A8 = –0,35788 × 10^–6, A10 = 0,0, A12 = 0,0
Nr.29: K = 0,0, A4 = –0,10715×10^–3, A6 = –0,33418×10^–6 A8 = 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0

Die folgende Tabelle 5 zeigt numerische Werte entsprechend der Formel (1) des ersten und zweiten Ausführungsbeispiels.
Tabelle 5
Wie am besten in Tabelle 5 zu sehen ist, erfüllen das erste und zweite Ausführungsbeispiel die in der Formel (1) angegebene Anforderung. So können auch die Aberrationen angemessen korrigiert werden.
Für eine Kamera mit einem von dem Strahlengang des optischen Bildaufnahmesystems abgezweigt angeordneten optischen Sucher kann gemäß der Erfindung ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem angegeben werden, in dem das Bild deutlich durch den optischen Sucher gesehen werden kann, ohne daß das optische Bildaufnahmesystem größer ausgebildet werden muß.

Claims

Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem mit einer Objektivoptik (10), einer Bildaufnahmefläche (I), einer Okularoptik (50), einer hinter der Objektivoptik (10) angeordneten Strahlteileroptik (20) zum Aufteilen eines durch die Objektivoptik (10) tretenden Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche (I) zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, der Okularoptik (50) zugeordnetes Lichtbündel und einer Kondensorlinse (C), die in dem Strahlengang zwischen der Strahlteileroptik (20) und der Okularoptik (50) angeordnet und zum Abbilden des durch die Objektivoptik (10) erzeugten Bildes auf die Okularoptik (50) ausgebildet ist, gekennzeichnet durch eine zwischen der Strahlteileroptik (20) und der Kondensorlinse (C) angeordnete Vergrößerungsoptik (40) mit negativer Brechkraft.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß es folgende Formel (1) erfüllt: 1,4 < MR – C < 3,0 (1)worin MR-C der resultierende Abbildungsmaßstab der Vergrößerungsoptik (40) und der Kondensorlinse (C) ist.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergrößerungsoptik (40) eine negative Bikonkavlinse enthält.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kondensorlinse (C) positive Brechkraft besitzt und eine positive Bikonvexlinse enthält, deren der Vergrößerungsoptik (40) abgewandte, konvexe Fläche eine Konvexität hat, die größer als die Konvexität der der Vergrößerungsoptik (40) zugewandten Fläche ist.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches Bildumlenksystem, das zwischen der Objektivoptik (10) und der Okularoptik (50) angeordnet ist.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Bildumlenksystem die Strahlteileroptik (20) und ein Prisma (P) mit drei Reflexionsflächen (r1, r2, r3) enthält.
Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlteileroptik (20) einen Strahlteiler enthält.