DE69735215T2

DE69735215T2 - Linsen für ein elektronischen Abbildungssystem

Info

Publication number: DE69735215T2
Application number: DE69735215T
Authority: DE
Inventors: Melvyn H. Cincinnati Kreitzer
Original assignee: 3M Innovative Properties Co
Current assignee: 3M Innovative Properties Co
Priority date: 1996-11-29
Filing date: 1997-11-12
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: EP1010028A1; US6097551A; WO1998023988A1; TW393581B; KR100506516B1; KR20000057304A; CN1119688C; CN1238839A; EP1010028A4; EP1010028B1; JP2001504949A; DE69728183D1; DE69735215D1; DE69728183T2

Description

ERFINDUNGSGEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft Linsen zur Verwendung mit elektronischen Bildgebungssystemen, z. B. Systeme, die ladungsgekoppelte Bauelemente (CCDs – charged coupled devices) oder ähnliche lichtempfindliche Elektronikkomponenten verwenden. Solche Systeme sind in der Technik wohlbekannt, und Beschreibungen darüber findet man an verschiedenen Literaturstellen, einschließlich Rose et al., „Physical Limits to the Performance of Imaging Systems", Physics Today, September 1989, Seiten 24–32, und die darin aufgeführten Literaturstellen; und Sequin et al., „Charge Transfer Devices", Advances in Electronics and Electron Physics, Ergänzung 8, Herausgeber L. Marton, Academic Press, New York, 1975, deren relevante Teile durch Bezugnahme alle hier aufgenommen sind.
ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
Elektronische Bildgebungssysteme erfordern Linsensysteme, die in der Lage sind, qualitativ hochwertige Bilder zu erzeugen, die eine geringe Größe aufweisen, das heißt, sie erfordern Linsensysteme mit kurzen Brennweiten. Beispielsweise sind CCDs mit einer Diagonalen von etwa 5,5 mm (bekannt als 1/3-Inch-CCDs) allgemein verfügbar. Innerhalb dieser geringen Größe hat eine typische CCD über 200.000 Pixel, wodurch das Bauelement eine Auflösung in der Größenordnung von 40 Zyklen pro Millimeter an der Fläche der CCD erhält.
Kurzbrennweitige Linsensysteme weisen in der Regel kleine Linsenelemente auf. Falls solche Elemente zu klein sind, kann es schwer sein, sie zu handhaben und sie zu einer fertiggestellten Einheit zu montieren. Die Kosten sind immer ein dominanter Faktor für Linsen für elektronische Bildgebungssysteme, insbesondere, wenn das System Teil eines Massenprodukts sein soll. Weil CCDs einen hohen Auflösungsgrad besitzen, müssen mit solchen Bauelementen verwendete Linsen immer hohe optische Qualität aufweisen. Diese Anforderung verschärft das Kostenproblem. Insbesondere wird durch die Anforderung das Erreichen eines hohen Grads an optischer Leistung bei einem Minimum von Linsenelementen sehr teuer.
Aus WO96/17265 ist ein Linsensystem bekannt, das dem Oberbegriff von Anspruch 1 entspricht.
KURZE DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Das Linsensystem gemäß der vorliegenden Erfindung wird durch die beigefügten Ansprüche definiert.
KURZE DARSTELLUNG DER ZEICHNUNGEN
1–4 sind schematische Seitenansichten von gemäß der Erfindung konstruierten Linsensystemen.
Diese Zeichnungen, die in die Patentschrift integriert sind und Teil dieser darstellen, veranschaulichen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen im Zusammenhang mit der Beschreibung dazu, die Grundlagen der Erfindung zu erläutern. Es versteht sich natürlich, daß sowohl die Zeichnung als auch die Beschreibung nur erläuternd sind und die Erfindung nicht einschränken.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Wie oben erörtert, bestehen die Linsensysteme der vorliegenden Erfindung aus zwei Linsenelementen.
Das erste Linsenelement besitzt eine negative Brechkraft, das heißt, f₁ < 0, und weist bevorzugt die folgenden Eigenschaften auf:
|f – 1|/f₀ > 1,0;
t₁/f₀ > 0,5; und
D₁/D_EP > 2,5;
wobei f₀ die Brennweite des Linsensystems ist, f₁ die Brennweite des ersten Linsenelements, t₁ die Dicke des ersten Linsenelements ist, D₁ der Durchmesser des ersten Linsenelements ist und D_EP der Durchmesser der Eintrittspupille des Linsensystems ist. Durch den Einsatz eines dicken Frontelements erhält man eine Korrektur für die Feldkrümmung des Systems.
Bei bestimmten Ausführungsformen genügen die Linsensysteme der Erfindung den folgenden Beziehungen:
|f₁|/f₀ > 1,5; und
t₁/f₀ > 0,7.
In Verbindung mit diesen Ausführungsformen ist das Verhältnis t₁/f₀ ganz besonders bevorzugt größer als 1,0.
Wie hier und in den Ansprüchen verwendet, ist der Durchmesser eines Linsenelements die größte lichte Öffnung des Elements, und der Durchmesser der Eintrittspupille eines Linsensystems ist die äquivalente Brennweite einer Einzellinse des Systems dividiert durch die f-Zahl bei Unendlich des Systems. Auf der Basis dieser Definitionen weisen die Linsensysteme der unten dargelegten Beispiele 1–4 die D₁-werte von 9,5, 9,6, 11,9 und 5,6 mm und die D_EP-Werte von 1,5, 1,5, 2,3 und 1,5 mm auf, so daß ihre D₁/D_EP-Verhältnisse 6,3, 6,4, 5,2 beziehungsweise 3,7 betragen. Bevorzugt ist das D₁/D_EP-Verhältnis größer als 3,0.
Das zweite Linsenelement weist eine positive Brechkraft auf, das heißt f₂ > 0, und weist bevorzugt die folgenden Eigenschaften auf:
f₂/f₀ < 2,0;
d₁₂/f₀ > 0,25;
D₂/D_EP > 1,3; und
t₂/f₀ > 0,5;
wobei f₂ die Brennweite des zweiten Linsenelements ist, d₁₂ der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Linsenelement, D₂ der Durchmesser des zweiten Linsenelements und t₂ die Dicke des zweiten Linsenelements ist. Auf der Basis der obigen Definitionen und des Durchmessers eines Linsensystems weisen die Linsensysteme der unten dargelegten Beispiele 1–4 D₂-Werte von 4,0, 4,0, 4,5 und 3,9 mm und D₂/D_EP-Verhältnisse von 2,7, 2,7, 2,0 beziehungsweise 2, 6 auf. Bevorzugt ist das D₂/D_EP-Verhältnis größer als 1,5.
Bei bestimmten Ausführungsformen genügen die Linsensysteme der Erfindung den folgenden Beziehungen:
f₂/f₀ < 1,6;
d₁₂/f₀ > 0,5; und
D₂/D_EP > 1,5.
Bei einigen Ausführungsformen ist das zweite Linsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement. Die Herstellung derartiger Elemente ist in der Technik wohl bekannt. Siehe beispielsweise C. Londono, „Design and Fabrication of Surface Relief Diffractive Optical Elements, or Kinoforms, with Examples for Optical Athermalization", Doktorarbeit, Tufts University, 1992, und die darin angeführten Literaturstellen, deren relevante Teile alle durch Bezugnahme hier aufgenommen sind. Beugende Flächen weisen das Problem der Beugungseffizienz auf, das heißt, nicht alle Ordnungen kommen zu einem Brennpunkt. Dieser Effekt ist oftmals als „Überstrahlung" anzusehen. Für eine Anwendung für ein elektronisches Bildgebungssystem kann das Beugungseffizienzproblem durch digitale Verarbeitung des elektronischen Bilds angegangen werden.
Wenn das Zeitlinsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement ist, ist das Verhältnis von f₂/f₀, wobei f₂ den Beitrag der beugenden Fläche aufweist, bevorzugt größer als 1,0, zum Beispiel ist das Verhältnis etwa 1,5. Wenn kein Hybridelement benutzt wird, ist das Verhältnis f₂/f₀ bevorzugt kleiner als 1,0.
Durch die Verwendung eines brechend/beugenden Hybridelements für das zweite Linsenelement erhält man eine Farbkorrektur für das Linsensystem, und sie gestattet, daß das erste und zweite Linsenelement aus einem Material mit geringer Dispersion, wie etwa Acryl, bestehen. Wenn kein derartiges Hybridelement verwendet wird, sollte das erste Linsenelement eine höhere Dispersion als das zweite Linsenelement aufweisen. Beispielsweise kann für solche Ausführungsformen das erste Linsenelement aus Styrol und das zweite Linsenelement aus Acryl bestehen. Gegebenenfalls können natürlich andere Kunststoffe verwendet werden. Anstelle von Styrol können beispielsweise Polycarbonate und Copolymere von Polystyrol und Acryl (zum Beispiel NAS) mit flintartigen Dispersionen verwendet werden. Siehe The Handbook of Plastic Optics, U.S. Precision Lens, Incorporated, Cincinnati, Ohio, USA, 1983, Seiten 17–29. Die höchsten Niveaus an Farbkorrektur (sowohl axial als auch seitlich) erhält man im allgemeinen, wenn das zweite Linsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement ist.
Bei bestimmten bevorzugten Ausführungsformen weist das erste Linsenelement eine sphärische Fläche und eine konische Fläche auf und das zweite Linsenelement weist ebenfalls eine sphärische Fläche und eine konische Fläche auf. Diese Anordnung erleichtert die Herstellung des Linsensystems.
Bei anderen Ausführungsformen kann das zweite Linsenelement zwei konische Flächen aufweisen, und das erste Linsenelement kann eine objektseitige Fläche aufweisen, die sphärisch ist, und eine bildseitige Fläche, die bei einigen Ausführungsformen eine konische und bei anderen Ausführungsformen eine allgemeine Asphäre ist. Insbesondere kann die bildseitige Fläche des ersten Linsenelements eine konische sein, wenn das zweite Linsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement ist. Für diese Ausführungsformen ist ansonsten die bildseitige Fläche des ersten Linsenelements in der Regel eine allgemeine Asphäre, um eine Aberrationskorrektur zu ermöglichen. Konische Flächen werden gegenüber allgemeinen asphärischen Flächen bevorzugt, da das zum Definieren einer allgemeinen asphärischen Fläche verwendete Polynom (siehe unten) zu unerwünschten Flächenkonfigurationen führen kann, wenn der Durchmesser über die lichte Öffnung hinaus erweitert wird, während eine konische Fläche nicht mit diesem Problem behaftet ist.
Die Ausdrücke „sphärisch", „konisch" und „allgemeine Asphäre" werden hier und in den Ansprüchen entsprechend ihrer herkömmlichen Bedeutungen im Hinblick auf eine Linsenflächengleichung des folgenden Typs verwendet:
wobei z die Flächendurchbiegung in einer Entfernung y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse bei der optischen Achse ist und k eine konische Konstante ist.
Somit ist eine Fläche sphärisch, wenn „k" und „D" bis „I" alle null sind, eine Fläche ist konisch, wenn „k" nicht-null und „D" bis „I" alle null sind und eine Fläche ist eine allgemeine Asphäre, wenn mindestens einer der Werte „D" bis „I" nicht-null ist. Eine Fläche, bei der „k" nicht-null ist und mindestens einer der Werte „D" bis „I" nicht-null ist, ist eine allgemein asphärische Fläche. Neben der oben dargelegten Gleichung können natürlich andere Gleichungen verwendet werden, um eine Fläche eines Linsenelements zu beschreiben, und analoge Überlegungen hinsichtlich der Werte der Parameter einer derartigen Gleichung gelten beim Bestimmen, ob eine bestimmte Fläche eine sphärische Fläche, eine konische Fläche oder eine allgemein asphärische Fläche ist.
Die 1 bis 4 veranschaulichen verschiedene, gemäß der Erfindung konstruierte, Linsensysteme. Entsprechende Vorschriften und optische Eigenschaften erscheinen jeweils in den Tabellen 1 bis 4. Die Hoya-Bezeichnung wird für die in den 2 und 4 verwendete Glasplatte verwendet. Bei der Ausübung der Erfindung können von anderen Herstellern gefertigte gleichwertige Gläser verwendet werden. Industriell akzeptable Materialien werden für die Kunststoffelemente verwendet.
Die in den Tabellen 1 und 2 unterbreiteten Asphären-Koeffizienten sind für die Verwendung in der oben dargelegten Gleichung bestimmt. Folgendes sind die in den Tabellen verwendeten Abkürzungen:

EFL: effektive Brennweite
FVD: vorderer Scheitelabstand
f/: f-Zahl
ENP: Eintrittspupille bei Betrachtung von der langen Konjugierten
BRL: Tubuslänge
OBJ HT: Objekthöhe
MAG: Vergrößerung
STOP: Ort und Größe der Aperturblende
IMD: Bildabstand
OBD: Objektabstand
OVL: Gesamtlänge.

Die mit verschiedenen der Flächen in den Tabellen assoziierte Bezeichnung „c" stellt eine konische Fläche dar. Die mit der Fläche 2 der Tabellen 1 und 2 assoziierte Bezeichnung „a" stellt eine allgemeine asphärische Fläche dar. Die Flächen 6 und 7 in Tabelle 3 stellen eine beugende Fläche dar. Die in dieser Tabelle verwendeten Sternchen stellen den Rechnungsindex und die Abbe-Zahlen, die in dem Sweatt-Modell für eine beugende Fläche verwendet werden, zum Beispiel ein N_e-Wert von 9999 und ein V_e-Wert von –3,4, dar. Siehe W. C. Sweatt, „Mathematical Equivalence between a Holographic Optical Element and an Ultra High Index Lens", Journal of the Optical Society of America, 69: 486–487, 1979. Wenngleich in 3 als eigenes Element gezeigt, ist die beugende Fläche tatsächlich Teil des zweiten Linsenelements. Die Fläche 3 in den Tabellen 1–4 ist eine vignettierende Fläche. Alle Abmessungen sind in den Tabellen in Millimetern angegeben.
Wie üblich, sind die Figuren mit der langen Konjugierten auf der linken und der kurzen Konjugierten auf der rechten Seite gezeichnet. Bei der typischen Anwendung der Erfindung wird dementsprechend das Objekt auf der linken Seite betrachtet, und ein elektronisches Bildgebungssystem, zum Beispiel ein einen CCD verwendendes System, befindet sich auf der rechten Seite.
Wenngleich spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und dargestellt worden sind, versteht sich, daß die Erfindung so ist, wie in den beigefügten Ansprüchen definiert.
TABELLE 1
Symbolbeschreibung

a

– Polynome Asphäre

c

– Konische Sektion

Konische Flächen

Flächen-Nummer Konstante

2 –1,3889E–01

5 –4,7668E+01

6 –7,2577E–01

Geradzahlige polynomische Asphären
SYSTEMEIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG
EIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG VON ELEMENTEN
TABELLE 2
Symbolbeschreibung

a

– Polynome Asphäre

c

– Konische Sektion

Konische Flächen

Fläche-Nummer Konstante

2 –1,3889E–01

5 –4,9915E+01

6 –7,4312E–01

Geradzahlige polynomische Asphären
SYSTEMEYGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG
EIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG VON ELEMENTEN
TABELLE 3
Symbolbeschreibung

c

– Konische Sektion

Konische Flächen

Flächen-Nummer Konstante

2 –3,9940E–01

4 –2,4310E+00

5 –2,2088E+00

SYSTEMEIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG
EIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG VON ELEMENTEN
TABELLE 4
Symbolbeschreibung

c

– Konische Sektion

Konische Flächen

Fläche-Nummer Konstante

2 –3,1855E–01

5 –1,4577E+00

SYSTEMEIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG
EIGENSCHAFTEN ERSTER ORDNUNG VON ELEMENTEN

Claims

Linsensystem zum Ausbilden eines Bilds eines Objekts, wobei das System in der Reihenfolge von seiner Objektseite zu seiner Bildseite aus einer der folgenden Kombinationen besteht, nämlich: (i) ein negatives erstes Linsenelement mit einer sphärischen Fläche und einer allgemein asphärischen Fläche und ein positives zweites Linsenelement mit zwei konischen Flächen; (ii) ein negatives erstes Linsenelement mit einer sphärischen Fläche und einer konischen Fläche und ein positives zweites Linsenelement mit zwei konischen Flächen; (iii) ein negatives erstes Linsenelement mit einer sphärischen Fläche und einer konischen Fläche und ein positives zweites Linsenelement mit einer sphärischen Fläche und einer konischen Fläche, dadurch gekennzeichnet, daß das System eine Brennweite f₀, das erste Linsenelement eine Brennweite f₁ und eine Dicke t₁ und das zweite Linsenelement eine Brennweite f₂ und eine Dicke t₂ aufweisen, wobei das zweite Linsenelement von dem ersten Linsenelement mit einem Abstand d₁₂ beabstandet ist, wobei: (a) t₁/f₀ > 0,5 und (b) t₂/f₀ > 0, 5; und wobei die Ausdrücke „sphärische Fläche", „konische Fläche" und „allgemein asphärische Fläche" hier im Hinblick auf eine Linsenflächengleichung des folgenden Typs verwendet werden:
wobei z die Flächendurchbiegung in einer Entfernung y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse bei der optischen Achse ist und k eine konische Konstante ist, wobei eine Fläche sphärisch ist, wenn „k" und „D" bis „I" alle null sind, eine Fläche konisch ist, wenn „k" nicht-null und „D" bis „I" alle null sind und eine Fläche eine allgemeine Asphäre ist, wenn mindestens einer der Werte „D" bis „I" nicht-null ist.
Linsensystem nach Anspruch 1, wobei, wenn das System aus der Kombination (ii) besteht, das zweite Linsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement ist, und wenn das System aus Kombination (iii) besteht, die konische Fläche sich auf der Bildseite jedes der ersten und zweiten Linsenelemente befindet.
Linsensystem nach Anspruch 1, wobei: d₁₂/f₀ > 0,25.
Linsensystem nach Anspruch 1, wobei: |f₁|/f₀ > 1,0.
Linsensystem nach Anspruch 1, wobei: |f₁|/f₀ > 1,5 t₁/f₀ > 0,7 und d₁₂/f₀ > 0,5.
Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei: f₂/f₀ < 2,0.
Linsensystem nach Anspruch 6, wobei: f₂/f₀ < 1,6.
Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Linsenelement eine höhere Dispersion als das zweite Linsenelement aufweist.
Linsensystem nach Anspruch 8, wobei das erste Linsenelement aus Styrol besteht und das zweite Linsenelement aus Acryl besteht.
Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das zweite Linsenelement ein brechend/beugendes Hybridelement ist.
Linsensystem nach Anspruch 10, wobei die ersten und zweiten Linsenelemente aus Acryl bestehen.
Linsensystem nach Anspruch 10, wobei: f₂/f₀ > 1,0.
Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Linsensystem eine Eintrittspupille aufweist, deren Durchmesser D_EP ist, das erste Linsenelement einen Durchmesser D₁ aufweist und das zweite Linsenelement einen Durchmesser D₂ aufweist, wobei D₁/D_EP > 2,5 und D₂/D_EP > 1,3.
Linsensystem nach Anspruch 13, wobei: D₁/D_EP > 3,0 und D₂/D_EP > 1,5.
Optisches System, das ein Linsensystem aufweist zum Ausbilden eines Bilds eines Objekts und ein elektronisches Bildgebungssystem zum Detektieren des Bilds, wobei das Linsensystem das Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Optisches System nach Anspruch 15, wobei das elektronische Bildgebungssystem ein ladungsgekoppeltes Bauelement ist.