DE19860432A1

DE19860432A1 - Optical system for binocular- or magnifying spectacles useful e.g. for surgeon has internal image-forming diffractive structure providing wide field of vision

Info

Publication number: DE19860432A1
Application number: DE1998160432
Authority: DE
Inventors: Klaus Henkelmann
Original assignee: Eschenbach Optik GmbH and Co
Current assignee: Eschenbach Optik GmbH and Co
Priority date: 1998-12-28
Filing date: 1998-12-28
Publication date: 2000-07-06

Abstract

The side (14) of the objective lens (8) facing the ocular lens (12) has an image-forming diffractive structure.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches System für eine Fernrohr- oder Lu penbrille.The invention relates to an optical system for a telescope or Lu pen glasses.

Eine Fernrohr- oder Lupenbrille enthält entweder monokular oder binokular ein stark vergrößerndes optisches System, das je nach Verwendungszweck (Fernbereich oder Nahbereich) entweder ein Fernrohr- oder ein Lupensystem ist. Eine solche Fernrohr- oder Lupenbrille dient einerseits zur Herstellung einer ge wissen Sehfähigkeit bei Patienten, deren Sehvermögen stark eingeschränkt ist. Andererseits dient sie in monokularer oder binokularer Ausgestaltung auch als Arbeitshilfe für Personen bei der Durchführung von feinen Arbeiten, beispielswei se im Bereich der Chirurgie.A pair of telescope or magnifying glasses contains either monocular or binocular strongly magnifying optical system, depending on the intended use (Long-range or close-up range) is either a telescope or a magnifying glass system. Such telescope or magnifying glasses serve on the one hand to produce a ge know vision in patients whose eyesight is severely restricted. On the other hand, it also serves as a monocular or binocular configuration Working aid for people when performing fine work, for example se in the field of surgery.

Als optisches System wird in der Regel ein Galileisystem verwendet, da dies bei einfachem Aufbau in kurzer Baulänge eine hinreichende Vergrößerung ermöglicht. Um eine ausreichende Qualität der optischen Abbildung sicherzustellen, ist es erforderlich, ein achromatisches optisches System zu verwenden. Zur Korrektur der chromatischen Fehler ist es jedoch notwendig, als Objektivlinse einen zumin dest zwei Einzellinsen zusammengesetzten Achromaten zu verwenden, der das optische System einerseits verteuert und andererseits auch dessen Gewicht er höht. Das Gewicht ist aber ein den Tragekomfort einer Fernrohr- oder Lupenbrille wesentlich beeinflussender Gesichtspunkt.As a rule, a Galileo system is used as the optical system, since this is the case with simple construction in a short overall length enables sufficient enlargement. It is to ensure adequate quality of optical imaging required to use an achromatic optical system. For correction the chromatic error, however, it is necessary to use one as an objective lens to use at least two single lens composite achromatic lenses optical system on the one hand more expensive and on the other hand its weight increases. But the weight is the comfort of a telescope or magnifying glasses significantly influencing point of view.

Desweiteren ist stets ein Kompromiß zwischen kurzer Baulänge, d. h. niedriger Brennweite der Objektivlinse und entsprechend kleinen Krümmungsradien der abbildenden (brechenden) Flächen zu schließen. Kleine Krümmungsradien be grenzen die maximal mögliche Eintrittsöffnung und damit bei vorgegebener Bau länge (Brennweite) und Vergrößerung das Sehfeld. Insbesondere für Fehlsichtige ist jedoch ein großes Sehfeld von entscheidender Bedeutung.Furthermore, there is always a compromise between a short overall length, i. H. lower Focal length of the objective lens and correspondingly small radii of curvature imaging (refractive) surfaces. Small radii of curvature limit the maximum possible entry opening and thus for a given building length (focal length) and magnification of the field of view. Especially for the defective however, a large field of view is crucial.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, ein optisches System für eine Fernrohr- oder Lupenbrille anzugeben, das bei niedrigem Gewicht sowohl eine ausreichende Korrektur der chromatischen Aberration als auch ein großes Sehfeld ermöglicht.The invention is based on the object of an optical system for a Specify binoculars or magnifying glasses that are both lightweight adequate correction of chromatic aberration as well as a large field of view enables.

Die genannte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst mit einem optischen Sy stem mit den Merkmalen des Patentanspruches 1. Das erfindungsgemäße opti sche System enthält eine einstückige Objektivlinse, die auf ihrer der Okularlinse zugewandten Oberfläche mit einer abbildenden diffraktiven Struktur versehen ist. Durch diese Maßnahme ist es möglich, mit einer relativ dünnen Linse sowohl eine kurze Brennweite als auch eine hinreichende Korrektur der chromatischen Aber ration sicherzustellen.The above object is achieved according to the invention with an optical system stem with the features of claim 1. The opti according to the invention cal system contains a one-piece objective lens, which is on top of the ocular lens facing surface is provided with an imaging diffractive structure. This measure makes it possible to use both a relatively thin lens short focal length as well as a sufficient correction of the chromatic aberration ration ensure.

Die Verwendung diffraktiver Strukturen ist bei einfachen optischen Systemen be reits seit längerer Zeit bekannt und wird insbesondere bei der Verwendung von Kunststofflinsen für optische Geräte eingesetzt, bei denen eine Minimierung der Herstellungskosten im Vordergrund steht. Aus der US-A-5,581,405 ist für soge nannte Einwegkameras eine Hybridlinse bekannt, deren eine abbildende Fläche durch eine konventionelle refraktive konvexe Fläche gebildet ist und deren andere abbildende konkave Fläche mit einer diffraktiven Struktur versehen ist. In der DE 41 10 614 A1 ist die Verwendung einer diffraktiven Struktur auch für Bril lengläser vorgeschlagen worden. Zum Schutz der diffraktiven Struktur muß diese allerdings noch mit einer die Abbildungsqualität verschlechternden Schutzschicht versehen werden.Diffractive structures are used in simple optical systems has been known for a long time and is particularly popular when using Plastic lenses used for optical devices, which minimize the Production costs are in the foreground. From US-A-5,581,405 for so-called called disposable cameras a hybrid lens known, the one imaging surface is formed by a conventional refractive convex surface and the other imaging concave surface is provided with a diffractive structure. In the DE 41 10 614 A1 is the use of a diffractive structure also for glasses len glasses have been proposed. To protect the diffractive structure, this must be but still with a protective layer that deteriorates the image quality be provided.

Die Erfindung beruht nun auf der Überlegung, daß auch in hochwertigen opti schen Systemen für Fernrohr- oder Lupenbrillen, bei denen hinsichtlich der Abbil dungsqualität keine Abstriche gemacht werden dürfen, d. h. im Bereich der opti schen Sehhilfen für hochgradig sehbehinderte Personen, der Einsatz eines hybri den optischen Systems auch bei Verwendung einfacher technischer Herstellungs verfahren, insbesondere Kunststoff-Spritzgußverfahren, ohne Verlust an Abbil dungsqualität möglich ist, da sich die diffraktive Struktur geschützt auf einer im Inneren des Fernrohr- oder Lupensystems angeordneten Oberfläche befinden kann, so daß abbildungsverschlechternde Schutzschichten nicht erforderlich sind.The invention is based on the consideration that even in high quality opti systems for telescope or magnifying glasses, in which with regard to Fig quality must not be compromised, d. H. in the area of opti visual aids for highly visually impaired people, the use of a hybri the optical system even when using simple technical manufacturing process, especially plastic injection molding, without loss of image quality is possible because the diffractive structure is protected on an im Surface located inside the telescope or magnifying glass system can, so that deteriorating protective layers are not required.

Als Objektivlinse ist vorzugsweise eine plankonvexe Linse vorgesehen, wobei die diffraktive Struktur auf der planen Fläche angeordnet ist. Insbesondere ist die dif fraktive Struktur auf einer asphärisch gekrümmten Fläche angeordnet. Mit einer solchen Linse ist es sowohl möglich, die chromatischen Aberrationen als auch die Quer- sowie Winkelaberationen weitgehend zu kompensieren.A plano-convex lens is preferably provided as the objective lens, the diffractive structure is arranged on the flat surface. In particular, the dif fractive structure arranged on an aspherically curved surface. With a such lens it is possible both chromatic aberrations and To largely compensate for transverse and angular aberrations.

Die diffraktive Struktur wird vorzugsweise durch insbesondere mehr als 100 kon zentrische sägezahnartige Ringzonen gebildet wird, deren Oberflächen konvex gekrümmt sind. Dadurch ist sichergestellt, daß die jeweils aus einer Ringzone kommenden und im Fokus zusammentreffenden Lichtstrahlen zumindest bei einer Wellenlänge alle dieselbe Pasenverzögerung haben.The diffractive structure is preferably by in particular more than 100 con centric sawtooth-like ring zones is formed, the surfaces of which are convex are curved. This ensures that each one from a ring zone coming and in the spotlight meet at least one Wavelength all have the same phase delay.

Insbesondere ist die diffraktive Struktur auf der Grundlage einer Konstruktionswel lenlänge von 546.074 nm berechnet. Dadurch kann für den gesamten sichtbaren Bereich eine besonders günstige Beugungseffektivität herbeigeführt werden.In particular, the diffractive structure is based on a construction world length of 546,074 nm was calculated. This can be seen for the whole A particularly favorable diffraction effectiveness can be brought about in this area.

Vorzugsweise bestehen die Objektivlinse und die Okularlinse aus demselben Werkstoff. Bei einem in dieser Weise aufgebauten optischen System hat sich ge zeigt, daß durch diese Maßnahme eine besonders effiziente Korrektur der Aberra tionen möglich ist.The objective lens and the eyepiece lens preferably consist of the same Material. In an optical system constructed in this way, ge shows that a particularly efficient correction of the aberra tion is possible.

Als Werkstoff ist vorzugsweise ein thermoplastisches Polymer, insbesondere Po lymethylmetacrylat (PMMA), vorgesehen, das die Herstellung der diffraktiven Struktur auf der Objektivlinse beim Spritzgießen der Objektivlinse ermöglicht. In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist sowohl an die Okularlinse als auch an die Objektivlinse einstückig ein Tubus angeformt, die in einander gesteckt sind und zugleich das Gehäuse für das gesamte optische Sy stem bilden. Dies ermöglicht eine besonders kostengünstige Herstellung des opti schen Systems.The material is preferably a thermoplastic polymer, in particular Po lymethyl methacrylate (PMMA), which is used to manufacture the diffractive Structure on the objective lens when injection molding the objective lens. In a further advantageous embodiment of the invention, both the Eyepiece lens and a tube integrally formed on the objective lens, which in are plugged into each other and at the same time the housing for the entire optical system stem. This enables a particularly inexpensive manufacture of the opti system.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist eine der Tuben mit einem Füh rungszapfen versehen, der in einem anderen Tubus schraubenförmigen Um fangsrichtung verlaufenden Schlitz geführt ist. Dies ermöglicht eine einfache indi viduelle Schärfeneinstellung des optischen Systems.In a further advantageous embodiment, one of the tubes has a guide provided in a different tube helical order traversing slot is guided. This enables a simple indi visual focus adjustment of the optical system.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen. Es zei gen:To further explain the invention, reference is made to the drawing. It shows gene:

Fig. 1 eine Fernrohrbrille mit einem optischen System gemäß der Erfindung in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 1 is a telescopic spectacles having an optical system according to the invention in a perspective view;

Fig. 2 ein optisches System gemäß der Erfindung in einem Längsschnitt, Fig. 2 shows an optical system according to the invention in a longitudinal section;

Fig. 3 das optische System in einer seitlichen Draufsicht, Fig. 3, the optical system, in a lateral plan view

Fig. 4 eine Schnittdarstellung der im optischen System verwendeten Linsen, Fig. 4 of the lenses used in the optical system is a sectional view,

Fig. 5 eine vergrößerte Darstellung der diffraktiven Struktur und des Strahlen gangs der Lichtstrahlen. Fig. 5 is an enlarged view of the diffractive structure and the rays of the light rays.

Gemäß Fig. 1 sind die Brillengläser 2 einer Fernrohr- oder Lupenbrille 4 jeweils mit einem optischen System 6 versehen, dessen optische Achse auf die Augen achse des Brillenträgers beispielsweise mit Hilfe des in der DE 35 30 649 C2 er läuterten Verfahren angepaßt sind.Referring to FIG. 1, the lenses are each provided 2 of a Telescopic or magnifying spectacles 4 with an optical system 6, the optical axis to the visual axis of the wearer, for example, using the 35 30 649 C2 it läuterten method are adapted in DE.

Das optische System 6 ist gemäß dem in Fig. 2 dargestellten Ausführungsbeispiel ein galileisches Fernrohrsystem, das eine Objektivlinse 8 mit zumindest einer bre chenden (refraktiven) konvexen abbildende Oberfläche 10 aufweist, der eine bi konkave Okularlinse 12 zugeordnet ist, die ein aufrechtes Bild eines Gegenstan des erzeugt. The optical system 6 is, according to the exemplary embodiment shown in FIG. 2, a Galilean telescope system which has an objective lens 8 with at least one refractive (refractive) convex imaging surface 10 , which is assigned a bi-concave eyepiece lens 12 , which is an upright image of an object of the generated.

Die der Okularlinse 12 zugewandte Oberfläche 14 der Objektivlinse 8 ist plan. In einer alternativen vorteilhaften Ausgestaltung kann die Oberfläche 14 zur zusätzli chen Korrektur von Aberrationen, insbesondere der sphärischen Aberration, eine schwach gekrümmte asphärische Rotationsfläche sein. Die Oberfläche 14 ist mit einer in der Darstellung nicht erkennbaren diffraktiven Struktur versehen, die es ermöglicht, eine kurze Brennweite auch mit einer relativ dünnen Linse zu erzeu gen.The surface 14 of the objective lens 8 facing the eyepiece lens 12 is flat. In an alternative advantageous embodiment, the surface 14 for the additional correction of aberrations, in particular the spherical aberration, can be a slightly curved aspherical surface of revolution. The surface 14 is provided with a diffractive structure which cannot be seen in the illustration and which makes it possible to produce a short focal length even with a relatively thin lens.

Objektivlinse 8 und Okularlinse 12 bestehen aus einem thermoplastischen Werk stoff und sind insbesondere durch ein Kunststoff-Spritzgußverfahren jeweils in einem Arbeitsgang hergestellt. Sowohl an die Objektivlinse 8 als auch an die Okularlinse 12 ist jeweils einstückig ein Tubus 16 bzw. 18 angeformt, mit dem die Objektivlinse 8 und die Okularlinse 12 ineinandergesteckt werden können. Die Tuben 16,18 sind auf ihren Oberflächen aufgerauht und bilden zugleich das Ge häuse des optischen Systems 6. Mit Hilfe eines Klemmrings 20 wird das optische System 6 in einer vorgefertigten Öffnung des Brillenglases 2 fixiert.Objective lens 8 and eyepiece lens 12 are made of a thermoplastic material and are each produced in one operation, in particular by a plastic injection molding process. Both to the objective lens 8 and the eyepiece lens 12, a tube 16 and 18 respectively formed integrally with the objective lens 8 and the eyepiece lens can be inserted into each other 12th The tubes 16 , 18 are roughened on their surfaces and at the same time form the housing of the optical system 6 . With the aid of a clamping ring 20 , the optical system 6 is fixed in a prefabricated opening of the spectacle lens 2 .

Der an die Objektivlinse 8 angeformte Tubus 16 ragt mit seiner vom Brillenglas 2 abgewandten Stirnseite 22 über den außenliegenden Scheitelpunkt S der Objek tivlinse 8 hinaus, so daß diese beim Absetzen der Brille gegen mechanische Zer störung geschützt ist.The molded onto the objective lens 8 tube 16 protrudes with its end face 22 facing away from the spectacle lens 2 over the outer apex S of the objective lens 8 , so that it is protected against mechanical interference when the glasses are removed.

Eine nutförmige, in Längsrichtung des Tubus 16 an seinem Außenumfang ange ordnete Aussparung 24 dient zur Aufnahme eines Haltezapfens 26 eines opti schen Vorsatzsystems 28, beispielsweise ein Farb- oder Sonnenfilter, das die Gestalt eines Deckels hat und auf den Tubus 16 aufgesteckt werden kann.A groove-shaped, in the longitudinal direction of the tube 16 on its outer circumference arranged recess 24 serves to receive a holding pin 26 of an optical attachment system 28 , for example a color or sun filter, which has the shape of a lid and can be attached to the tube 16 .

In der seitlichen Draufsicht gemäß Fig. 3 ist zu erkennen, daß der innere Tu bus 18 mit einem schraubenförmig verlaufenden Schlitz 30 versehen ist, in dem ein am äußeren Tubus 16 angeordneter Führungszapfen 32 geführt ist, so daß der Abstand zwischen Objektivlinse 8 und Okularlinse 12 verändert werden kann. In the side plan view of FIG. 3 it can be seen that the inner Tu is provided bus 18 with a helical slot 30 in which a is arranged on the outer tube 16 guide pin 32 is guided so that the distance between the objective lens 8 and eyepiece 12 can be changed.

Fig. 4 zeigt die Objektiv- und Okularlinse 8 bzw. 12 des optischen Systems 6 in einer vergrößerten Darstellung. Die mit der diffraktiven Struktur 34 versehene Oberfläche 14 ist im Bereich der optischen Achse 36 vergrößert dargestellt und wird durch eine Struktur gebildet, wie sie beispielsweise aus dem Lehrbuch "Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications" edited by Jari Turu nen and Frank Wyrowski, Akademie Verlag, Berlin, 1997, ISBN 3-05-501733-1, Seiten 82 ff. näher dargestellt ist. In diesem Ausführungsbeispiel werden die ein zelnen Ringzonen 38 durch konvex gekrümmte Flächen gebildet, deren Krüm mungsverlauf so gewählt ist, daß die optische Weglänge der Lichtstrahlen einer Ringzone 38 bis zum Brennpunkt für alle Lichtstrahlen auf der Ringzone 38 gleich ist, unabhängig ob diese aus dem Außenbereich oder Innenbereich der betreffen den Ringzone 38 kommen. 8 and 12, Fig. 4 shows the lens and eyepiece of the optical system 6 in an enlarged view. The surface 14 provided with the diffractive structure 34 is shown enlarged in the region of the optical axis 36 and is formed by a structure such as that, for example, from the textbook "Diffractive Optics for Industrial and Commercial Applications" edited by Jari Turuen and Frank Wyrowski, Akademie Verlag, Berlin, 1997, ISBN 3-05-501733-1, pages 82 ff. In this embodiment, the individual ring zones 38 are formed by convexly curved surfaces, the curvature of which is chosen such that the optical path length of the light rays of a ring zone 38 to the focal point is the same for all light rays on the ring zone 38 , regardless of whether they come from the outside or the interior of the ring zone 38 in question.

Gemäß Fig. 5 ist in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel bei einer Objektivlin se 8 mit einem Durchmesser von 25 mm eine diffraktive Struktur 32 mit 126 Ring zonen 38 vorgesehen. Der Brennpunkt F' einer solchen Struktur 32 befindet sich in einem Abstand von 1134,73 mm vom innenliegenden Scheitelpunkt S' der mit der diffraktiven Struktur 34 versehenen Oberfläche 14. Als Konstruktionswellen länge λ hat sich dabei die Wellenlänge 546,074 nm als besonders vorteilhaft her ausgestellt. Damit lassen sich die von den refraktiven Flächen des optischen Sy stems eingebrachten chromatischen Aberrationen besonders vorteilhaft kompen sieren. Die in der Figur angegebenen Zahlenbeispiele sind dabei auf der Grundla ge einer der ersten Beugungsordnung entsprechenden diffraktiven Abbildung be rechnet. Die Gesamtbrennweite der Objektivlinse beträgt 47,9 mm. Die refraktive abbildende Fläche 10 (Fig. 2) ist eine asphärische Fläche mit einem Krümmungs radius von etwa 24,5 mm und einer Dicke d von etwa 6 mm.According to Fig. 5, in a preferred embodiment at a Objektivlin se 8 having a diameter of 25 mm, a diffractive structure 32 with 126 annular zone 38 is provided. The focal point F 'of such a structure 32 is at a distance of 1134.73 mm from the inner vertex S' of the surface 14 provided with the diffractive structure 34 . As the construction wavelength λ, the wavelength 546.074 nm has proven to be particularly advantageous. This allows the chromatic aberrations introduced by the refractive surfaces of the optical system to be compensated for particularly advantageously. The numerical examples given in the figure are calculated on the basis of a diffractive image corresponding to the first diffraction order. The total focal length of the objective lens is 47.9 mm. The refractive imaging surface 10 ( FIG. 2) is an aspherical surface with a radius of curvature of approximately 24.5 mm and a thickness d of approximately 6 mm.

Die Oberfläche 14 kann in einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung zur weiteren Kompensation von Abbildungsfehlern auch asphärisch gekrümmt sein. In a further advantageous embodiment, the surface 14 can also be aspherically curved to further compensate for imaging errors.

Reference list

22nd

Brillenglas
Eyeglass lens

44th

Fernrohr- oder Lupenbrille
Telescope or magnifying glasses

66

optisches System
optical system

88th

Objektiv
lens

1010th

abbildende Fläche
imaging surface

1212th

Okularlinse
Eyepiece lens

1414

Oberfläche
surface

1616

, ,

1818th

Tubus
Tube

2020th

Klemmring
Clamping ring

2222

Stirnfläche
Face

2424th

Aussparung
Recess

2626

Haltezapfen
Retaining pin

2828

Vorsatzsystem
Attachment system

3030th

Schlitz
slot

3232

Führungszapfen
Guide pin

3434

diffraktive Struktur
diffractive structure

3636

optische Achse
optical axis

3838

Ringzone
S außenliegender Scheitelpunkt
F' Brennpunkt
S' innenliegender Scheitelpunkt
λ Konstruktionswellenlänge
d Dicke
Ring zone
S external vertex
F 'focus
S 'inner vertex
λ construction wavelength
d thickness

Claims

1. Optical system ( 6 ) for telescope or magnifying glasses ( 4 ) with a one-piece objective lens ( 8 ), which is provided on its surface ( 14 ) facing the eyepiece lens ( 12 ) with an imaging diffractive structure ( 34 ).

2. Optical system ( 6 ) according to claim 1, wherein the surface ( 14 ) of the objective lens ( 8 ) provided with the diffractive structure ( 34 ) is flat.

3. Optical system ( 6 ) according to claim 2, wherein the surface ( 14 ) of the objective lens ( 8 ) provided with the diffractive structure ( 34 ) is aspherically corrected.

4. Optical system ( 6 ) according to one of the preceding claims, in which the diffractive structure ( 34 ) by concentric sawtooth-like Ringzo NEN ( 38 ) is formed, the surfaces ( 14 ) are convexly curved.

5. Optical system ( 6 ) according to claim 4, in which at least 100 ring zones are provided.

6. Optical system ( 6 ) according to one of the preceding claims, in which the diffractive structure ( 34 ) is calculated on the basis of a construction wavelength of 546,074 nm.

7. Optical system ( 6 ) according to one of the preceding claims, in which the objective lens ( 8 ) and the eyepiece lens ( 12 ) are made of the same material.

8. Optical system ( 6 ) according to claim 7, in which a thermoplastic polymer is provided as the material.

9. Optical system ( 6 ) according to claim 8, in which the material is polymethyl methacrylate PMMA.

10. Optical system ( 6 ) according to claim 8 or 9, in which on the Okularlin se ( 12 ) and on the objective lens ( 8 ) in each case a tube ( 16 , 18 ) is integrally formed, which are inserted into each other and at the same time a housing form.

11. Optical system ( 6 ) according to claim 10, wherein one of the tubes ( 18 ) is provided with a guide pin ( 32 ) which leads in a helically in the other Tu bus ( 16 ) extending in the circumferential direction slot ( 30 ).