DE69728183T2

DE69728183T2 - Linsen für elektronische abbildungssysteme

Info

Publication number: DE69728183T2
Application number: DE69728183T
Authority: DE
Inventors: H. Melvyn 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: 2005-03-17
Anticipated expiration: 2017-11-13
Also published as: JP2001504949A; DE69728183D1; DE69735215D1; DE69735215T2; KR20000057304A; EP1010028A4; WO1998023988A1; CN1238839A; TW393581B; US6097551A; KR100506516B1; EP1010028A1; CN1119688C; EP1010028B1

Description

Gebiet der Erfindung
Diese Erfindung betrifft Linsen zur Verwendung mit elektronischen Abbildungssystemen, z.B. Systeme, die ladungsgekoppelte Vorrichtungen (CCDs) oder ähnliche lichtempfindliche elektronische Komponenten einsetzen. Solche Systeme sind in der Technik wohlbekannt, und deren Beschreibungen können in verschiedenen Verweisquellen gefunden werden, einschließlich Rose et al., „Physical Limits to the Performance of Imaging Systems," Physics Today, September 1989, Seiten 24–32 und den darin zitierten Verweisquellen; und Sequin et al., „Charge Transfer Devices," Advances in Electronics and Electron Physics, Anhang 8, L. Marton Herausgeber, Academic Press, New York, 1975, all deren relevante Abschnitte hierin als Verweisquelle aufgenommen werden.
Hintergrund der Erfindung
Elektronische Abbildungssysteme benötigen Linsensysteme, die imstande sind, hochqualitative Bilder zu erzeugen, die eine sehr kleine Größe aufweisen, d.h. sie benötigen Linsensysteme, die sehr kurze Brennweiten aufweisen. Zum Beispiel sind CCDs, die eine Diagonale von annähernd 5,5 mm aufweisen (die als 1/3-Inch-CCDs bekannt sind) verbreitet erhältlich. Innerhalb dieser kleinen Größe wird eine typische CCD über 200000 Pixel aufweisen, die so der Vorrichtung eine Auflösung in der Größenordnung von 40 Perioden pro Millimeter auf der Fläche der CCD geben.
Linsensysteme mit kurzer Brennweite weisen typischerweise kleine Linsenelemente auf. Solche Elemente können, wenn sie zu klein sind, schwierig zu handhaben und zu einer fertigen Ein heit zusammenzubauen sein. Die Kosten sind immer ein maßgeblicher Faktor für Linsen für elektronische Abbildungssysteme, insbesondere, wo das System Teil eines in Massen vermarkteten Produkts ist. Da CCDs ein hohes Auflösungsniveau aufweisen, müssen Linsen, die mit solchen Vorrichtungen verwendet werden, eine hohe optische Qualität aufweisen. Diese Anforderung verschlimmert das Kostenproblem. Insbesondere legt diese Anforderung hohen Wert darauf, ein hohes optisches Leistungsniveau mit einem Minimum an Linsenelementen zu erzielen.
Zusammenfassung der Erfindung
In Hinblick auf die obigen Überlegungen ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Linsensysteme für elektronische Abbildungssysteme bereitzustellen, die: (1) nur zwei Linsenelemente verwenden, um die Kosten zu minimieren; (2) ein Minimum von im wesentlichen asphärischen Flächen verwenden, z.B. nur eine im wesentlichen asphärische Fläche und in einigen Fällen keine im wesentlichen asphärische Fläche, wiederum um die Kosten zu minimieren, in diesem Fall durch Vereinfachung des Herstellungsprozesses; (3) Linsenelemente zu verwenden, die verhältnismäßig große Durchmesser aufweisen, um die Handhabung und den Zusammenbau zu erleichtern; und (4) ein optisches Leistungsniveau aufweisen, das mit dem der CCDs und ähnlicher elektronischer Abbildungsvorrichtungen kompatibel ist.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, stellt die Erfindung ein Linsensystem mit zwei Elementen bereit, wobei ein erstes Element, das auf der Gegenstandsseite des Linsensystems angeordnet ist, eine negative optische Brechkraft aufweist und verhältnismäßig dick ist, und ein zweites Linsenelement, das auf der Bildseite des Linsensystems angeordnet ist, eine positive Brechkraft aufweist und vom ersten Linsenelement verhältnismäßig weit beabstandet und/oder verhältnismäßig dick ist. Vor zugsweise weisen beide Linsenelemente im Verhältnis zur Eintrittspupille des Linsensystems einen großen Durchmesser auf.
In bestimmten Ausführungsformen weist das System eine im wesentlichen asphärische Fläche am ersten Linsenelement und zwei Kegelflächen am zweiten Linsenelement auf. In anderen Ausführungsformen werden keine im wesentlichen asphärische Flächen verwendet. In Verbindung mit diesen Ausführungsformen kann eine Kegelfläche am ersten Linsenelement eingesetzt werden, und zwei Kegelflächen können am zweiten Linsenelement eingesetzt werden, das vorzugsweise ein brechend-beugendes Hybridelement ist. Alternativ können eine Kugelfläche und eine Kegelfläche sowohl am ersten als auch am zweiten Linsenelement verwendet werden. In einigen Ausführungsformen besteht das erste Linsenelement aus Styrol, und das zweite Linsenelement besteht aus Acryl, um eine Farbkorrektur zu erzielen. Die ersten und zweiten Linsenelemente können beide aus Acryl bestehen, wenn ein brechend-beugendes Hybridelement für das zweite Linsenelement verwendet wird.
Die Linsensysteme der Erfindung weisen Brennweiten und optische Leistungen auf, die zur Verwendung mit herkömmlichen CCDs geeignet sind. Zum Beispiel können die Linsensysteme leicht eine Brennweite von weniger als 5,0 mm, eine Blendenzahl von 2,8 oder lichtstärker, und eine Modulationsübertragungsfunktion (MTF) an der CCD von 40 Perioden/Millimeter erreichen, was sie folglich zur Verwendung mit 1/3-Inch-CCDs geeignet macht.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die 1–4 sind schematische Seitenansichten von erfindungsgemäß aufgebauten Linsensystemen.
Diese Zeichnungen, die in die Beschreibung eingebaut sind und einen Teil von ihr bilden, veranschaulichen die bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung dazu, die Prinzipien der Erfindung zu erläutern. Es ist natürlich zu verstehen, daß sowohl die Zeichnungen als auch die Beschreibung nur erläuternd und für die Erfindung nicht beschränkend sind.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen Wie oben erläutert, bestehen die Linsensysteme der vorliegenden Erfindung aus zwei Linsenelementen.
Das erste Linsenelement weist eine negative optische Brechkraft auf, d.h. f₁ < 0, und weist vorzugsweise die folgenden Eigenschaften auf: |f1|/f0 > 1,0; t1/f0 > 0,5; und D1/DEP > 2,5 wobei f₀ die Brennweite des Linsensystems ist, f₁ die Brennweite des ersten Linsenelements ist, t₁ die Dicke des ersten Linsenelements ist, D₁ der Durchmesser des ersten Linsenelements ist, und D_EP der Durchmesser der Eintrittspupille des Linsensystems ist. Die Verwendung eines dicken vorderen Elements sorgt für eine Korrektur der Feldwölbung des Systems.
In bestimmten Ausführungsformen erfüllen die Linsensysteme der Erfindung die folgenden Beziehungen: |f1|/f0> 1,5; und t1/f0 > 0,7.
In Verbindung mit diesen Ausführungsformen ist das t₁/f₀-Verhältnis am bevorzugtesten größer als 1,0.
Wie er hierin und in den Ansprüchen verwendet wird, ist der Durchmesser eines Linsenelements die größte lichte Öffnung des Elements, und der Durchmesser der Eintrittspupille eines Linsensystems ist die äquivalente Singlett-Brennweite des Systems dividiert durch die unendliche Blendenzahl des Systems. Beruhend auf diesen Definitionen weisen die Linsensysteme der unten angegebenen Beispiele 1–4 D₁-Werte von 9,5, 9,6, 11,9 und 5,6 mm, und 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 bzw. 3,7 betragen. Vorzugsweise ist das D₁/D_EP-Verhältnis größer als 3,0.
Das zweite Linsenelement weist eine positive optische Brechkraft auf, d.h. f₂ > 0, und weist vorzugsweise die folgenden Eigenschaften auf: f2/f0 < 2,0; d12/f0 > 0,25; D2/DEP > 1,3; und t2/f0 > 0,5; wobei f₂ die Brennweite des zweiten Linsenelements ist, d₁₂ der Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Linsenelement ist, D₂ der Durchmesser des zweiten Linsenelements ist, und t₂ die Dicke des zweiten Linsenelements ist.
Beruhend auf der obigen Definition des Durchmessers eines Linsenelements weisen die Linsensysteme der unten angegebenen 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, bzw. 2,6 auf. Vorzugsweise ist das D₂/D_EP-Verhältnis größer als 1,5.
In bestimmten Ausführungsformen erfüllen die Linsensysteme der Erfindung die folgenden Beziehungen: f2/f0 < 1,6; d12/f0 > 0,5; und D2/DEP > 1,5.
In einigen Ausführungsformen ist das zweite Linsenelement ein brechend-beugendes Hybridelement. Die Herstellung solcher Elemente ist in der Technik wohlbekannt. Siehe zum Beispiel, C. Londono, „Design and Fabrication of Surface Relief Diffractive Optical Elements, or Kinoforms, with Examples for Optical Athermalization," Ph.D. diss., Tufts University, 1992, und die darin zitierten Verweisquellen, all deren relevante Abschnitte hierin als Verweisquelle aufgenommen werden. Beugende Flächen haben das Problem der Beugungseffizienz, d.h, es kommen nicht alle Ordnungen zu einem perfekten Brennpunkt. Dieser Effekt ist häufig als „Blendung" zu sehen. Für eine Anwendung für ein elektronisches Abbildungssystem kann man sich dem Beugungseffizienzproblem durch eine digitale Verarbeitung des elektronischen Bildes zuwenden.
Wenn das zweite Linsenelement eine brechend-beugende Hybride ist, ist das Verhältnis f₂/f₀, wobei f₂ den Beitrag der beugenden Fläche enthält, vorzugsweise größer als 1,0, z.B. beträgt das Verhältnis annähernd 1,5. Wenn keine Hybride verwendet wird, beträgt das f₂/f₀-Verhältnis vorzugsweise weniger als 1,0.
Die Verwendung eines brechend-beugenden Hybridelements für das zweite Linsenelement stellt eine Farbkorrektur für das Linsensystem bereit und läßt es zu, daß sowohl das erste als auch das zweite Linsenelement aus einem Material mit niedriger Dispersion, wie Acryl besteht. Wenn kein solches Hybridelement verwendet wird, sollte das erste Linsenelement eine höhere Dispersion als das zweite Linsenelement aufweisen. Zum Beispiel kann für solche Ausführungsformen das erste Linsenelement aus Styrol bestehen, und das zweite Linsenelement kann aus Acryl bestehen. Es können natürlich andere Kunststoffe verwendet werden, falls erwünscht. Zum Beispiel können anstelle von Styrol Polycarbonate und Copolymere aus Polystyrol und Acryl (z.B. NAS) verwendet werden, die eine flintähnliche Dispersion aufweisen. Siehe „The Handbook of Plastic Optics, U.S. Precision Lens", Inc., Cincinnati, Ohio, 1983, Seiten 17–29. Das höchste Niveau einer Farbkorrektur (sowohl axial als auch lateral) wird im allgemeinen erzielt, wenn das zweite Linsenelement ein brechend-beugendes Hybridelement ist.
In bestimmten bevorzugten Ausführungsformen weist das erste Linsenelement eine Kugelfläche und eine Kegelfläche auf, und das zweite Linsenelement weist ebenfalls eine Kugelfläche und eine Kegelfläche auf. Diese Anordnung erleichtert die Herstellung des Linsensystems.
In anderen Ausführungsformen kann das zweite Linsenelement zwei Kegelflächen aufweisen, und das erste Linsenelement kann eine gegenstandsseitige Fläche, die kugelförmig ist, und eine bildseitige Fläche aufweisen, die in einigen Ausführungsformen eine kegelförmige ist und in anderen Ausführungsformen eine im wesentlichen asphärische Fläche ist. Insbesondere kann die bildseitige Fläche des ersten Linsenelements eine kegelförmige sein, wenn das zweite Linsenelement ein brechend-beugendes Hybridelement ist. Andernfalls ist für diese Ausführungsformen die bildseitige Fläche des ersten Linsenelements typischerweise eine im wesentlichen asphärische Fläche, um die Aberrationskorrektur zu erleichtern. Kegelflächen werden gegenüber im wesentlichen asphärischen Flächen bevorzugt, da das Polynom, das verwendet wird, um eine im wesentlichen asphärische Fläche zu definieren (siehe unten), zu einer unerwünschten Flächengestaltung führen kann, wenn sich der Durchmesser über die lichte Öffnung erstreckt, während eine Kegelfläche nicht an diesem Problem leidet.
Die Ausdrücke „kugelförmig", „kegelförmig" und „im wesentlichen asphärische Fläche" werden hierin und in den Ansprüchen gemäß ihrer herkömmlichen Bedeutungen im Sinne einer Linsenflächengleichung des folgenden Typs verwendet:
wobei z die Flächenbiegung in einem Abstand y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse an der optischen Achse ist und k eine Kegelkonstante ist.
Folglich ist eine Fläche kugelförmig, wenn „k" und „D" bis „I" alle null sind, eine Fläche ist kegelförmig, wenn „k" ungleich null ist und „D" bis „I" alle null sind, und eine Fläche ist eine im wesentlichen asphärische Fläche, wenn mindestens einer von „D" bis „I" ungleich null ist. Eine Fläche, für die „k" ungleich null ist und mindestens einer von „D" bis „I" ungleich null ist, ist ein Typ einer im wesentlichen asphärischen Fläche. Es können natürlich andere Gleichungen neben der oben angegebenen verwendet werden, um eine Fläche eines Linsenelements zu beschreiben, und es werden analoge Überlegungen hinsichtlich der Werte der Parameter einer solchen Gleichung bei der Bestimmung gelten, ob eine bestimmte Fläche eine Kugelfläche, eine Kegelfläche oder eine im wesentlichen asphärische Fläche ist.
Die 1 bis 4 veranschaulichen verschiedene Linsensysteme, die erfindungsgemäß aufgebaut sind. Entsprechende Vorschriften und optischen Eigenschaften erscheinen jeweils in den Tabellen 1 bis 4. Die Hoya-Bezeichnung wird für die Glasplatte verwendet, die in den 2 und 4 eingesetzt wird. Es können in der Praxis der Erfindung äquivalente Gläser verwendet werden, die durch andere Hersteller hergestellt werden. Für die Kunststoffelemente werden industriell annehmbare Materialien verwendet.
Die in den Tabellen 1 und 2 angegebenen asphärischen Koeffizienten dienen zur Verwendung in der oben angegebenen Gleichung. Die in den Tabellen verwendeten Abkürzungen sind wie folgt:

EFL: effektive Brennweite
FVD: vorderer Scheitelabstand
f/: Blendenzahl
ENP: Eintrittspupille von der langen Konjugierten gesehen
BRL: Tonnenlänge
OBJ HT: Gegenstandshöhe
MAG: Vergrößerung
STOP: Ort und Größe der Öffnungsblende
IMD: Bildabstand
OBD: Gegenstandsabstand
OVL: Gesamtlänge.

Die Bezeichnung „c", die mit verschiedenen Flächen in den Tabellen verbunden ist, repräsentiert eine Kegelfläche. Die Bezeichnung „a", die mit der Fläche 2 der Tabellen 1 und 2 verbunden ist, repräsentiert eine im wesentlichen asphärische Fläche. Die Flächen 6 und 7 in Tabelle 3 repräsentieren eine beugende Fläche. Die Sternchen, die in dieser Tabelle verwendet werden, repräsentieren den Brechnungsindex und die Abbeschen Zahlen, die im Sweatt-Modell für eine beugende Fläche verwendet werden, z.B. einen N_e-Wert von 9999 und einen V_e-Wert von –3,4. 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. Obwohl sie in 3 als ein getrenntes Element gezeigt wird, ist die beugende Fläche tatsächlich Teil des zweiten Linsenelements. Die Fläche 3 in den Tabellen 1–4 ist eine Vignettierungsfläche. Alle in den Tabellen angegebenen Abmessungen sind Millimeter.
Wie es üblich ist, sind die Figuren mit der langen Konjugierten auf der linken Seite und der kurzen Konjugierten auf der rechten Seite gezeichnet. Folglich wird sich in der typischen Anwendung der Erfindung der zu betrachtende Gegenstand auf der linken Seite befinden, und ein elektronisches Abbildungssystem, z.B. ein System, das eine CCD einsetzt, wird sich auf der rechten Seite befinden.
Obwohl spezifische Ausführungsformen der Erfindung beschrieben und veranschaulicht worden sind, ist es zu verstehen, daß eine Vielfalt von Modifikationen, die den Rahmen und Geist der Erfindung nicht verlassen, für übliche Fachleute aus der vorhergehenden Offenbarung offensichtlich sein werden. Es ist beabsichtigt, daß die folgenden Ansprüche die spezifischen Ausführungsformen, die hierin angegeben werden, ebenso wie solche Modifikationen, Variationen und Äquivalente abdecken.
Tabelle 1
Zeichenbeschreibung

a - Polynomisch asphärische Fläche
b - Kegelabschnitt

Kegel
Geradzahlig-polynomische asphärische Oberflächen
Eigenschaften erster Ordnung des Systems
Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Tabelle 2
Zeichenbeschreibung

a – Polynomisch asphärische Fläche
c – Kegelabschnitt

Kegel
Geradzahlig-polynomische asphärische Oberflächen
Eigenschaften erster Ordnung des Systems
Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Tabelle 3
Zeichenbeschreibung

c – Kegelabschnitt Kegel

Eigenschaften erster Ordnung des Systems
Eigenschaften erster Ordnung der Elemente
Tabelle 4
Zeichenbeschreibung

c – Kegelabschnitt

Kegel
Eigenschaften erster Ordnung des Systems
Eigenschaften erster Ordnung der Elemente

Claims

Linsensystem zur Bildung eines Bildes eines Gegenstands, wobei das System in der Reihenfolge von seiner Gegenstandsseite zu seiner Bildseite aus einer der folgenden Kombinationen besteht, nämlich: (i) einem ersten Zerstreuungslinsenelement, das eine Kugelfläche und eine im wesentlichen asphärische Fläche aufweist, und einem zweiten Sammellinsenelement, das zwei Kegelflächen aufweist; (ii) einem ersten Zerstreuungslinsenelement, das eine Kugelfläche und eine Kegelfläche aufweist, und einem zweiten Sammellinsenelement, das zwei Kegelflächen aufweist; (iii) einem ersten Zerstreuungslinsenelement, das eine Kugelfläche und eine Kegelfläche aufweist, und einem zweiten Sammellinsenelement, das eine Kugelfläche und eine Kegelfläche aufweist, wobei das System eine Brennweite f₀ aufweist, das erste Linsenelement eine Brennweite f₁ und eine Dicke t₁ aufweist, und das zweite Linsenelement eine Brennweite f₂ und eine Dicke t₂ aufweist, wobei das zweite Linsenelement vom ersten Linsenelement durch einen Abstand d₁₂ beabstandet ist, wobei: (a) t1/f0 > 0,5; (b) d12/f0 > 0,25; und (c) |f1|/f0 > 1,0; und wobei die Ausdrücke "Kugelfläche", "Kegelfläche" und "im wesentlichen asphärische Fläche" hierin im Sinne einer Linsenflächengleichung des Typs verwendet werden:
wobei z die Flächenbiegung in einem Abstand y von der optischen Achse des Systems ist, c die Krümmung der Linse an der optischen Achse ist, und k eine Kegelkonstante ist, wobei eine Fläche kugelförmig ist, wenn "k" und "D" bis "I" alle null sind, eine Fläche kegelförmig ist, wenn "k" ungleich null ist und "D" bis "I" alle null sind, und eine Fläche eine im wesentlichen asphärische Fläche ist, wenn mindestens eine von "D" bis "I" ungleich 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 der Kombination (iii) besteht, sich die Kegelfläche auf der Bildseite jedes der ersten und zweiten Linsenelemente befindet.
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 4, wobei: f2/f0 < 1,6.
Linsensystem nach Anspruch 1, wobei: t2/f0 > 0,5.
Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das erste Linsenelement eine höhere Dispersion als das zweite Linsenelement aufweist.
Linsensystem nach Anspruch 7, 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 9, wobei die ersten und zweiten Linsenelemente aus Acryl bestehen.
Linsensystem nach Anspruch 9, 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/DEP > 2,5; und D2/DEP > 1,3.
Linsensystem nach Anspruch 12, wobei: D1/DEP > 3,0; und D2/DEP > 1,5.
Optisches System, das ein Linsensystem zur Bildung eines Bildes eines Gegenstands und ein elektronisches Abbildungssystem zur Detektion des Bildes aufweist, wobei das Linsensystem ein Linsensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche ist.
Optisches System nach Anspruch 14, wobei das elektronische Abbildungssystem eine landungsgekoppelte Vorrichtung ist.