DE69731691T2

DE69731691T2 - Optisches System mit variabeler Vergrösserung und dieses System verwendende Bildaufnahmevorrichtung

Info

Publication number: DE69731691T2
Application number: DE69731691T
Authority: DE
Inventors: Nanba Ohta-ku Norihiro
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1996-07-19
Filing date: 1997-07-17
Publication date: 2005-12-01
Anticipated expiration: 2017-07-18
Also published as: EP0822434A3; EP0822434B1; US6163400A; JP3292051B2; JPH1039209A; DE69731691D1; EP0822434A2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Fachgebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein variables optisches Vergrößerungssystem sowie ein Bildaufnahmegerät, welches das gleiche verwendet, insbesondere betrifft die Erfindung eine optische Anordnung, die geeignet ist, in einer Videokamera, einer Standbild-Videokamera, einem Kopiergerät und dergleichen verwendet zu werden, welche ausgelegt sind, eine Veränderung der Verstärkung umzusetzen, indem als optische Vergrößerungs-Veränderungseinheit eine optische Einheit verwendet wird, die dezentrierte Reflexionsflächen aufweist.
Beschreibung des Standes der Technik
Es ist bekannt, dass als variables optisches Vergrößerungssystem ein optisches System von dem Typ, der nur aus Strahlbrechungslinsen besteht, vorgesehen wurde. In solch einem herkömmlichen optischen System sind Strahlbrechungslinsen hinsichtlich der optischen Achse rotationssymmetrisch angeordnet, wobei jede Strahlbrechungslinse eine sphärische Fläche oder asphärische Fläche mit Rotationssymmetrie aufweist.
Zusätzlich sind vordem verschiedene optische Fotografiesysteme bzw. bildaufnehmende Systeme vorgeschlagen worden, die Reflexionsflächen, wie etwa konkave Spiegel oder konvexe Spiegel, verwenden, und als katadioptrisches System ist ebenso ein optisches System wohlbekannt, welches sowohl ein Reflexionssystem als auch ein Strahlbrechungssystem verwendet.
27 ist eine schematische Ansicht eines sogenannten optischen Spiegelsystems, welches aus einem konkaven Spiegel und einem konvexen Spiegel besteht. In dem in der 27 gezeigten optischen Spiegelsystem wird ein Objekt-Lichtbündel 104 von einem Objekt an einem konkaven Spiegel 101 reflektiert und läuft, während es konvergiert, in Richtung einer Objektseite, und nachdem es an einem konvexen Spiegel 102 reflektiert wurde, wird das Objekt-Lichtbündel 104 mittels einer Linse 101 gebrochen und bildet ein Bild des Objektes auf einer Bildebene 103 aus.
Dieses optische Spiegelsystem basiert auf dem Aufbau eines sogenannten Cassegrain-Reflexionsteleskops und ist dafür vorgesehen, die Gesamtlänge des optischen Systems durch Beugung zu reduzieren, und zwar indem die beiden entgegenwirkenden Reflexionsspiegel, der optische Weg eines Tele-Linsensystems, das aus Strahlbrechungslinsen besteht und eine große Gesamtlänge aufweist, verwendet werden.
Aus ähnlichen Gründen sind aus dem Fachgebiet eines Objektiv-Linsensystems, das ebenso einen Teil eines Teleskops begründet, zusätzlich zu dem Cassegrain-Typ verschiedene andere Typen bekannt, die ausgelegt sind, die Gesamtlänge eines optischen Systems zu reduzieren, und zwar indem eine Vielzahl von Reflexionsspiegeln verwendet wird.
Wie es anhand der zuvor gegebenen Beschreibung ersichtlich ist, wurde vordem vorgeschlagen, ein kompaktes optisches Spiegelsystem bereitzustellen, in welchem ein optischer Weg anstelle von Linsen, die gewöhnlich in einer Bildaufnahmelinse verwendet werden, dessen Gesamtlänge groß ist, unter Verwendung von Reflexionsspiegeln effizient gekrümmt wird.
Im allgemeinen jedoch weist das optische Spiegelsystem, wie etwa das Cassegrain-Reflexionsteleskop das Problem dahingehend auf, dass ein Teil eines Objekt-Lichtstrahls durch den konvexen Spiegel 102 abgeblockt wird. Dieses Problem besteht infolge der Tatsache, dass der konvexe Spiegel 102 in dem Bereich angeordnet ist, durch welchen das Objekt-Lichtbündel 104 hindurchläuft.
Um dieses Problem zu lösen, wurde vorgeschlagen, ein optisches Spiegelsystem bereitzustellen, welches dezentrierte Reflexionsspiegel verwendet, um zu verhindern, dass ein Abschnitt des optischen Systems den Bereich blockiert, durch welchen das Objekt-Lichtbündel 104 hindurchläuft, das heißt, um einen Haupt-Lichtstrahl des Objekt-Lichtbündels 104 von einer optischen Achse 105 zu separieren.
28 ist eine schematische Ansicht des in der US-Patentschrift Nr. 3,674,334 offenbarten optischen Spiegelsystems. Dieses optische Spiegelsystem löst das zuvor beschriebene Abblock-Problem, indem ein Teil der Reflexionsspiegel verwendet wird, die um die optische Achse rotationssymmetrisch sind.
In dem in der 28 gezeigten optischen Spiegelsystem sind ein konkaver Spiegel 111, ein konvexer Spiegel 113 sowie ein konkaver Spiegel 112 in der Reihenfolge des Durchganges des Lichtbündels angeordnet, und diese Spiegel 111, 113 und 112 sind Reflexionsspiegel, die hinsichtlich einer optischen Achse 114 rotationssymmetrisch sind, wie es mittels der zweipunktierten Linien in der 28 gezeigt ist. In dem dargestellten optischen Spiegelsystem wird ein Hauptstrahl 116 eines Objekt-Lichtbündels 115 von der optischen Achse 114 separiert, um eine Abschattung des Objekt-Lichtbündels 115 zu verhindern, und zwar indem, wie es in der 28 gesehen wird, lediglich der obere Abschnitt des konkaven Spiegels 111 verwendet wird, der oberhalb der optischen Achse 114 angeordnet ist, wie es in der 28 gesehen wird, lediglich der untere Abschnitt des konvexen Spiegels 113 verwendet wird, der unterhalb der optischen Achse 114 angeordnet ist, und indem, wie es in der 28 gesehen wird, lediglich der untere Abschnitt des konkaven Spiegels 112 verwendet wird, der unterhalb der optischen Achse 114 angeordnet ist.
Die US-Patentschrift Nr. 5,144,476 beschreibt ein variables Vergrößerungssystem, welches vier optische Einheiten aufweist, wobei jede Einheit eine Einzel-Reflexionsfläche hat, in welchem die Vergrößerung erzielt wird, indem zumindest zwei der vier optischen Einheiten entlang eines Referenzachsen-Lichtbündels bewegt werden. Dieses optische System ist im Prinzip ähnlich zu dem in der 28 gezeigten herkömmlichen optischen System.
29 ist eine schematische Ansicht des in der US-Patentschrift Nr. 5,063,586 offenbarten Spiegelsystems. Das dargestellte optische Spiegelsystem löst das zuvor erwähnte Problem, indem die Mitten-Achse von jedem Reflexionsspiegel von einer optischen Achse dezentriert und der Haupt-Lichtstrahl eines Objekt-Lichtbündels von der optischen Achse separiert werden. Wie es in der 29 gezeigt ist, in welcher eine Achse senkrecht zu einer Objektebene 121 als optische Achse 127 definiert wird, sind ein konvexer Spiegel 122, ein konkaver Spiegel 123, ein konvexer Spiegel 124 sowie ein konkaver Spiegel 125 in der Reihenfolge des Durchganges des Lichtbündels angeordnet, und die Mitten-Koordinaten und Mitten-Achsen 122a, 123a, 124a und 125a (die Achsen, die jeweils die Mitten der Reflexionsflächen und die Mitten der Krümmungen hiervon verbinden) der Reflexionsflächen der jeweiligen Spiegel 122 bis 125 von der optischen Achse 127 dezentriert angeordnet. In dem dargestellten optischen Spiegelsystem wird verhindert, dass jeder der Reflexionsspiegel ein Objekt-Lichtbündel 128 abschattet, indem der Umfang der Dezentrierung sowie der Krümmungsradius von jeder der Flächen geeignet eingestellt werden, so dass ein Objektbild effizient auf einer Bildebene 126 ausgebildet wird.
Zusätzlich offenbaren ebenso die US-Patentschrift Nr. 4,737,021 sowie die US-Patentschrift 4,265,510 eine Anordnung zum Verhindern des Abschattungsproblems, indem ein Teil eines Reflexionsspiegels verwendet wird, der hinsichtlich einer optischen Achse rotationssymmetrisch ist, oder eine Anordnung zum Verhindern des Abschattungsproblems, indem die Mitten-Achse des Reflexionsspiegels von der optischen Achse dezentriert angeordnet wird.
Ein Beispiel eines optischen katadioptrischen Systems, welches sowohl einen Reflexionsspiegel als auch eine Strahlbrechungslinse verwendet und welches eine Vergrößerungs-Veränderungsfunktion aufweist, ist ein Weltraum-Teleskop, wie etwa jenes, das in jeder der US-Patentschriften Nr. 4,477,156 und 4,571,036 offenbart wird. Das Weltraum-Teleskop verwendet einen parabolischen Reflexionsspiegel als primären Spiegel und weist durch Verwendung eines Erfle-Okulars eine Vergrößerungs-Veränderungsfunktion auf.
Ein anderes variables optisches Vergrößerungssystem ist bekannt, welches die Bild-Ausbildungsvergrößerung (Brennweite) eines optischen Fotografiesystems bzw. optischen Bildaufnahmesystems verändert, indem eine Vielzahl von Reflexionsspiegeln, die einen Teil des zuvor erwähnten Typs des optischen Spiegelsystems begründen, relativ bewegt werden.
Beispielsweise offenbart die US-Patentschrift Nr. 4,812,030 eine Technik zum Ausführen einer Veränderung der Vergrößerung des optischen Fotografiesystems, indem in der Konstruktion des in der 27 gezeigten Cassegrain-Reflexionsteleskops die Entfernung zwischen dem konkaven Spiegel 101 und dem konvexen Spiegel 102 sowie die Entfernung zwischen dem konvexen Spiegel 102 und der Bildebene 103 relativ zueinander variiert werden.
30 ist eine schematische Ansicht einer in der US-Patentschrift Nr. 4,812,030 offenbarten anderen Ausführungsform. In der dargestellten Ausführungsform fällt ein Objekt-Lichtbündel 138 von einem Objekt auf einen ersten konkaven Spiegel 131 und wird an diesem reflektiert und läuft als konvergierendes Lichtbündel in Richtung einer Objektseite und fällt auf einen ersten konvexen Spiegel 132 ein. Das Lichtbündel wird an dem ersten konvexen Spiegel 132 in Richtung einer Bild-Ausbildungsebene reflektiert und fällt als ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel auf einen zweiten konvexen Spiegel 134 ein. Das Lichtbündel wird an dem zweiten konvexen Spiegel 134 reflektiert und fällt als ein divergierendes Lichtbündel auf einen zweiten konkaven Spiegel 135 ein. Das Lichtbündel wird an dem zweiten konkaven Spiegel 135 als konvergierendes Lichtbündel reflektiert und bildet ein Bild des Objektes auf der Bildebene 137 aus. In dieser Anordnung wird ein Zoomen bewirkt und die Brennweite des gesamten optischen Spiegelsystems variiert, indem eine Entfernung 133 zwischen dem ersten konkaven Spiegel 131 und dem ersten konvexen Spiegel 132 sowie eine Entfernung 136 zwischen dem zweiten konvexen Spiegel 134 und dem zweiten konkaven Spiegel 135 variiert werden.
In der in der US-Patentschrift Nr. 4,993,818 offenbarten Anordnung wird ein mittels des in der 27 gezeigten Cassegrain-Reflexionsteleskops ausgebildetes Bild zweitrangig durch ein anderes in einer hinteren Stufe vorgesehenes optisches Spiegelsystem ausgebildet, und die Vergrößerung des gesamten optischen Fotografiesystems wird variiert, indem die Bild-Ausbildungsvergrößerung von diesem optischen Bild-Ausbildungs-Spiegelsystem zweiter Ordnung variiert wird.
In jedem der zuvor beschriebenen Reflexionstypen von optischen Fotografiesystemen ist eine große Anzahl von Bestandskomponenten erforderlich, und individuelle optische Komponenten müssen mit hoher Genauigkeit bestückt werden, um das erforderliche optische Leistungsvermögen zu erzielen. Da im einzelnen die relative Positionsgenauigkeit von jedem der Reflexionsspiegel streng ist, ist es unabdingbar, die Position und den Winkel von jedem der Reflexionsspiegel einzustellen.
Ein vorgeschlagener Ansatz, um dieses Problem zu lösen, besteht darin, den während der Bestückung auftretenden beiwohnenden Fehler der optischen Komponenten zu beseitigen, indem etwa ein Spiegelsystem als Block ausgebildet wird.
Ein herkömmliches Beispiel, in welchem eine Vielzahl von Reflexionsflächen als Block gebildet wird, ist ein optisches Prisma, wie etwa ein Pentagonal-Dachprisma oder ein Porro-Prisma, welche beispielsweise in einem optischen Suchersystem verwendet werden. Da in dem Fall von solch einem Prisma eine Vielzahl von Reflexionsflächen integral gebildet wird, sind die relativen positionellen Beziehungen zwischen den jeweiligen Reflexionsflächen mit hoher Genauigkeit eingestellt, so dass eine Einstellung der relativen Positionen zwischen den entsprechenden Reflexionsflächen nicht erforderlich ist. Im übrigen besteht die Hauptfunktion des Prismas darin, ein Bild umzudrehen, indem die Richtung, in welcher sich ein Lichtstrahl bewegt, verändert wird, und jede der Reflexionsflächen besteht aus einer ebenen Fläche.
Ein anderer Typ eines optischen Systems, wie etwa ein Prisma, welches Reflexionsflächen mit Krümmungen aufweist, ist ebenso bekannt.
31 ist eine schematische Ansicht des wesentlichen Abschnittes des optischen Beobachtungssystems, welches in der US-Patentschrift Nr. 4,775,217 offenbart ist. Dieses optische Beobachtungssystem ist ein optisches System, welches einen Beobachter nicht nur in die Lage versetzt, eine Außenszene zu beobachten, sondern den Beobachter ebenso in die Lage versetzt, ein Display-Bild, das auf einem Informations-Displayteil angezeigt wird, zu beobachten, und zwar in der Gestalt eines Bildes, welches die Außenszene überlappt.
In diesem optischen Beobachtungssystem wird ein Display-Lichtbündel 145, welches von dem auf einem Informations-Displayteil 141 angezeigten Display-Bild austritt, an einer Fläche 142 reflektiert und läuft in Richtung einer Objektseite und fällt auf eine Halbspiegelfläche 143 ein, die eine konkave Fläche begründet. Nachdem das Display-Lichtbündel 145 an der Halbspiegelfläche 143 reflektiert wurde, wird das Display-Lichtbündel 145 in ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel durch die Strahlbrechungskraft der Halbspiegelfläche 143 gebildet. Dieses im wesentlichen parallele Lichtbündel wird durch eine Fläche 142 gebrochen und läuft durch diese Fläche hindurch und bildet ein vergrößertes virtuelles Bild des Displaybildes aus und tritt in eine Pupille 144 eines Beobachters ein, so dass der Beobachter das Display-Bild erkennt.
In der Zwischenzeit trifft ein Objekt-Lichtbündel 146 von einem Objekt auf eine Fläche 147 auf, die im wesentlichen parallel zu der Reflexionsfläche 142 ist, und wird dann mittels der Fläche 147 gebrochen und erreicht die Halbspiegelfläche 143, die eine konkave Fläche ist. Da die konkave Fläche 143 mit einem aufgedampften halbtransparenten Film beschichtet ist, läuft ein Teil des Objekt-Lichtbündels 146 durch die konkave Fläche 143, wird durch die Fläche 142 gebrochen und läuft durch die Fläche 142 hindurch und tritt in die Pupille 144 des Beobachters ein. Von daher kann der Beobachter visuell das Display-Bild als ein Bild erkennen, welches die Außenszene überlappt.
32 ist eine schematische Ansicht des wesentlichen Abschnittes des in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 2-297516 offenbarten optischen Beobachtungssystems. Dieses optische Beobachtungssystem ist ebenso ein optisches System, welches einen Beobachter nicht nur in die Lage versetzt, eine Außenszene zu beobachten, sondern den Beobachter ebenso in die Lage versetzt, ein auf einem Informations-Displayteil angezeigtes Display-Bild als ein Bild zu beobachten, welches die Szene überlappt.
In diesem optischen Beobachtungssystem läuft ein Display-Lichtbündel 154, welches von einem Informations-Displayteil 150 austritt, durch eine ebene Fläche 147, die einen Teil eines Prismas Pa begründet und trifft auf eine parabolische Reflexionsfläche 151 auf. Das Display-Lichtbündel 154 wird an der Reflexionsfläche 151 als konvergierendes Lichtbündel reflektiert und bildet ein Bild auf einer Brennebene 157 aus. Gleichzeitig erreicht das an der Reflexionsfläche 151 reflektierte Display-Lichtbündel 154 die Brennebene 156, während es zwischen zwei parallelen ebenen Flächen 157 und 158 totalreflektiert wird, die einen Teil des Prismas Pa begründen. Von daher wird die Reduzierung der Dicke des gesamten optischen Systems erzielt.
Dann wird das Display-Lichtbündel 154, welches von der Brennebene 156 als divergierendes Lichtbündel austritt, zwischen der ebenen Fläche 157 und der ebenen Fläche 158 totalreflektiert und trifft auf eine Halbspiegelfläche 152 auf, die aus einer parabolischen Fläche besteht. Das Display- Lichtbündel 154 wird an der Halbspiegelfläche 152 reflektiert, und gleichzeitig wird nicht nur ein vergrößertes virtuelles Bild eines Display-Bildes ausgebildet, sondern es wird auch mittels der Strahlbrechkraft der Halbspiegelfläche 152 das Display-Lichtbündel 154 in ein im wesentlichen paralleles Lichtbündel gebildet. Das erzielte Lichtbündel läuft durch die Fläche 157 hindurch und erreicht eine Pupille 153 des Beobachters, so dass der Beobachter das Display-Bild erkennen kann.
In der Zwischenzeit läuft ein Objekt-Lichtbündel 155 von außerhalb durch eine Fläche 158b, die einen Teil eines Prismas Pb begründet, dann durch die Halbspiegelfläche 152, die aus einer parabolischen Fläche besteht, dann durch die Fläche 157 und trifft dann auf die Pupille 153 des Beobachters ein. Von daher erkennt der Beobachter visuell das Display-Bild als ein Bild, welches die Außenszene überlappt.
Als weiteres Beispiel, welches eine optische Einheit an einer Reflexionsfläche eines Prismas verwendet, sind optische Köpfe für optische Aufnehmer in beispielsweise den japanischen Patentanmeldungen Nr. Hei 5-12704 und Hei 6-139612 offenbart. In diesen optischen Köpfen wird, nachdem das von einem Halbleiterlaser ausgegebene Licht an einer Fresnel-Fläche oder einer Hologrammfläche reflektiert wurde, das reflektierte Licht auf einer Fläche oder einer Scheibe fokussiert, und das von der Scheibe reflektierte Licht wird zu einem Detektor geführt.
Jedoch ist in jedem der zuvor erwähnten optischen Systeme, die lediglich aus herkömmlichen optischen Strahlbrechungseinheiten bestehen, eine Blende in der Innenseite des optischen Systems angeordnet, und eine Eintrittspupille ist in vielen Fällen bei einer Position tief in dem optischen System gebildet. Dieses führt zu dem Problem dahingehend, dass je größer die Entfernung zu einer Pupillenebene wird, welche bei einer Position liegt, die am nächsten zu der Objektseite aus der Sicht der Blende ist, desto größer der effektive Strahldurchmesser der Eintrittspupille mit der Vergrößerung des Lichtwinkels wird.
In jedem der zuvor beschriebenen optischen Spiegelsysteme mit dezentrierten Spiegeln, die in den US-Patentschriften Nr. 3,674,334, 5,063,586 und 4,265,510 offenbart sind, ist die Bestückungsstruktur von jedem der Reflexionsspiegel äußerst kompliziert, und es ist sehr schwierig, die Bestückungsgenauigkeit der Reflexionsspiegel sicherzustellen, da die individuellen Reflexionsspiegel mit verschiedenen Beträgen der Dezentrierung angeordnet sind. In beiden der zuvor beschriebenen optischen Fotografiesystemen mit den Vergrößerungs-Veränderungsfunktionen, welche in den US-Patentsschriften Nr. 4,812,030 und 4,993,818 offenbart sind, ist eine hohe Anzahl von Bestandskomponenten, wie etwa ein Reflexionsspiegel oder eine Bild-Ausbildungslinse, erforderlich, und es ist notwendig, jedes optische Teil mit hoher Genauigkeit zu bestücken, um das erforderliche optische Leistungsvermögen zu realisieren.
Da im einzelnen die relative Positionsgenauigkeit der Reflexionsspiegel streng ist, ist es notwendig, die Position sowie den Winkel von jedem der Reflexionsspiegel einzustellen. Wie bekannt, weisen herkömmliche Reflexionstypen der optischen Fotografiesysteme Konstruktionen auf, die für eine sogenannte Tele-Linse geeignet sind, welche ein optisches System mit einer großen Gesamtlänge und einem geringen Sichtwinkel verwendet. Wenn jedoch ein optisches Fotografiesystem erzielt werden muss, welches Sichtwinkel von einem Standard-Sichtwinkel zu einem weiten Sichtwinkel benötigt, muss die Anzahl der Reflexionsflächen, die zur Aberrations-Korrektur erforderlich sind, erhöht werden, so dass eine weit höhere Komponentengenauigkeit und Bestückungsgenauigkeit erforderlich sind, und die Kosten und die Gesamtgröße des optischen Systems neigen dazu, zuzunehmen.
Das zuvor beschriebene optische Beobachtungssystem, welches in der US-Patentschrift Nr. 4,775,217 (Bezugnahme auf 31) offenbart ist, wird als ein optisches Beobachtungssystem geringer Größe realisiert, welches aus einer ebenen Strahlbrechfläche sowie einer konkaven Halbspiegelfläche besteht. Jedoch müssen die Austrittsfläche 142 für das Lichtbündel 145 von dem Informations-Displayteil 141 und für das Lichtbündel 146 von der Außenseite als Gesamt-Reflexionsfläche für das Lichtbündel 145 verwendet werden, welches von dem Informations-Displayteil 141 austritt, so dass es schwierig ist, der Fläche 142 eine Krümmung zu geben, und bei der Austrittsfläche 142 wird keine Aberrations-Korrektur bewirkt.
Das zuvor beschriebene optische Beobachtungssystem, welches in der japanischen Patent-Offenlegungsschrift Nr. Hei 2-297516 (Bezugnahme auf 32) offenbart ist, wird als optisches Beobachtungssystem geringer Größe realisiert, welches aus einer ebenen Strahlbrechfläche, einer parabolischen Reflexionsfläche sowie einem Halbspiegel besteht, der aus einer parabolischen Fläche besteht. In diesem optischen Beobachtungssystem sind die Eintrittsfläche 158 und die Austrittsfläche 157 für das Objekt-Lichtbündel 155 von der Außenseite so gebildet, um sich zu erstrecken bzw. auszudehnen, so dass ihre entsprechenden Ausbauflächen als Total-Reflexionsflächen zum Führen des Lichtbündels 154 verwendet werden können, das von dem Informations-Displayteil 150 austritt. Aus diesem Grund ist es schwierig, den entsprechenden Flächen 158 und 157 Krümmungen zu geben, und weder auf der Eintrittsfläche 158 noch auf der Austrittsfläche 157 wird eine Aberrations-Korrektur bewirkt.
Der Anwendungsbereich von beiden optischen Systemen für optische Aufnehmer, die beispielsweise in den japanischen Patent-Offenlegungsschriften Nr. Hei 5-12704 und Hei 6-139612 offenbart sind, ist auf das Fachgebiet eines optischen Erfassungssystems begrenzt, und keines von ihnen erfüllt das Bild-Ausbildungsleistungsvermögen, welches im einzelnen für Bildaufnahmegeräte erforderlich ist, die eine Bildaufnahmevorrichtung vom Flächentyp, wie etwa eine CCD, verwenden.
KURZE ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein variables optisches Hochleistungs-Vergrößerungssystem bereitzustellen, welches vier außeraxiale optische Einheiten aufweist, wobei sich zwei von ihnen relativ bewegen, um die Vergrößerung des variablen optischen Vergrößerungssystems zu variieren, wobei das variable optische Vergrößerungssystem ausgelegt ist, die Vergrößerung zu variieren, während die optische Weglänge von einem Objekt zu einer End-Bildebene variiert wird, und zwar während die End-Bild-Ausbildungsebene räumlich fixiert ist, so dass die Dicke des variablen optischen Vergrößerungssystems trotz seines weiten Sichtwinkels und trotz der Tatsache, dass seine Gesamtlänge in einer bestimmten Richtung kurz ist sowie trotz der Tatsache, dass seine Dezentrierungs-Aberration über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung vollständig korrigiert wird, gering ist.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Bildaufnahmegerät bereitzustellen, welches das zuvor erwähnte variable optische Hochleistungs-Vergrößerungssystem verwendet.
Eine andere Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein variables optisches Vergrößerungssystem bereitzustellen, welches zumindest eine der nachfolgenden Wirkungen und Vorteile aufweist, sowie ein Bildaufnahmegerät bereitzustellen, welches solch ein variables optisches Vergrößerungssystem verwendet.
Da eine Blende an der Objektseite des variablen optischen Vergrößerungssystems oder in der Umgebung der ersten Fläche angeordnet ist, und da ein Objektbild in dem variablen optischen Vergrößerungssystem mehrfach ausgebildet wird, können der effektive Durchmesser sowie die Dicke des variablen optischen Vergrößerungssystems trotz seines weiten Sichtwinkels klein gemacht werden.
Da jede optische Einheit eine Vielzahl von Reflexionsflächen mit geeigneten Strahlbrechungskräften aufweist, und da die Reflexionsflächen in einer dezentrierten Art und Weise angeordnet sind, kann der optische Weg in dem variablen optischen Vergrößerungssystem in eine gewünschte Formgebung gekrümmt werden, um die Gesamtlänge des variablen optischen Vergrößerungssystems in einer festgelegten Richtung zu verringern.
Eine Vielzahl der optischen Einheiten, die das variable optische Vergrößerungssystem begründen, ist jeweils als ein transparenter Körper gebildet, an welchem zwei Strahlbrechungsflächen sowie eine Vielzahl von Reflexionsflächen integral derart ausgebildet sind, dass jede der Reflexionsflächen in einer dezentrierten Art und Weise angeordnet ist, und dass jeder der Reflexionsflächen eine geeignete Strahlbrechkraft gegeben wird.
Demgemäss kann die Dezentrierungs-Aberration des variablen optischen Vergrößerungssystems über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung vollständig korrigiert werden.
Da jede optische Vergrößerungs-Veränderungseinheit als ein transparenter Körper gebildet ist, an welchem zwei Strahlbrechungsflächen sowie eine Vielzahl von gekrümmten oder ebenen Reflexionsflächen integral ausgebildet sind, ist es nicht nur möglich, die Gesamtgröße des variablen optischen Vergrößerungssystems zu reduzieren, sondern es ist ebenso möglich, das Problem der außerordentlich strengen Anordnungsgenauigkeit (Bestückungsgenauigkeit) zu lösen, welches häufig mit Reflexionsflächen erfahren wurde.
Da die vierte optische Einheit eine fixierte außeraxiale optische Einheit ist, wird die Aberrations-Korrektur weit einfacher, und im Hinblick auf die Gestaltung ist es möglich, flexibel verschiedenen Anordnungen bzw. Bauarten eines Bildaufnahmemediums Rechnung zu tragen, und es ist möglich, eine Bildaufnahme-Lichtbündel-Einführblende für das Bildaufnahmegerät vorzusehen.
Um die zuvor genannten Aufgaben zu lösen, ist gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung ein variables optisches Vergrößerungssystem nach dem Patentanspruch 1 bereitgestellt, welches eine Blende sowie vier außeraxiale optische Einheiten aufweist, die hinsichtlich eines Referenzachsen-Lichtstrahles geneigt sind, und in welchem das variable optische Vergrößerungssystem ausgelegt ist, eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation durchzuführen, indem zumindest zwei der außeraxialen optischen Einheiten bewegt werden, und die gesamte optische Weglänge von einer festgelegten Position an der Objektseite zu der End-Bildebene entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls verändert sich während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation, wenn ein Lichtstrahl, der von einem Objekt austritt und in das variable optische Vergrößerungssystem eintritt und durch eine Mitte der Blende des variablen optischen Vergrößerungssystems hindurchläuft und eine Mitte einer End-Bildebene erreicht, als Referenzachsen-Lichtstrahl dargestellt wird; ein Referenzachsen-Lichtstrahl, der auf irgendeine Fläche des variablen optischen Vergrößerungssystems eintrifft oder in irgendeine der optischen Einheiten eintritt, als eine Eintritts-Referenzachse der zuvor erwähnten jeden Fläche oder der zuvor erwähnten jeden optischen Einheit dargestellt wird; ein Referenzachsen-Lichtstrahl, der aus der zuvor erwähnten jeden Fläche oder der zuvor erwähnten jeden optischen Einheit austritt, als eine Austritts-Referenzachse der zuvor erwähnten jeden Fläche oder der zuvor erwähnten jeden optischen Einheit dargestellt wird; ein Schnittpunkt der Eintritts-Referenzachse mit der zuvor erwähnten jeden Fläche als ein Referenzpunkt dargestellt wird; eine Richtung, in welcher sich der Referenzachsen-Lichtstrahl von einer Objektseite in Richtung einer Bildebene entlang der Eintritts-Referenzachse bewegt, als eine Richtung der Eintritts-Referenzachse dargestellt wird; und eine Richtung, in welcher der Referenzachsen-Lichtstrahl sich von der Objektseite in Richtung der Bildebene entlang der Austritts-Referenzachse bewegt, als eine Richtung der Austritts-Referenzachse dargestellt wird.
Es seien in dem variablen optischen Vergrößerungssystem die entsprechenden vier außeraxialen optischen Einheiten erste, zweite, dritte und vierte optische Einheiten in dieser Reihenfolge von der Objektseite entlang des Referenzachsen-Lichtstrahles, dann sind in Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der ersten außeraxialen optischen Einheit die gleichen zueinander und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse von sowohl der zweiten als auch der dritten außeraxialen optischen Einheit um 180° verschieden voneinander. Die erste sowie die dritte außeraxiale optische Einheit sind ausgelegt, dass sie sich bewegen, um die Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu bewirken.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in dem variablen optischen Vergrößerungssystem die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse von sowohl der ersten als auch der zweiten außeraxialen optischen Einheit gleich zueinander, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der dritten außeraxialen optischen Einheit unterscheiden sich um 180° voneinander. Die erste und die dritte außeraxiale optische Einheit sind ausgelegt, dass sie sich bewegen, um die Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu bewirken.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung sind in dem variablen optischen Vergrößerungssystem die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse von sowohl der ersten als auch der zweiten außeraxialen optischen Einheit gleich zueinander, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der dritten außeraxialen optischen Einheit unterscheiden sich um 180° voneinander. Die zweite und die dritte außeraxiale optische Einheit sind ausgelegt, dass sie sich bewegen, um die Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu bewirken.
Die außeraxiale optische Einheit ist eine optische Einheit, welche als transparenter Körper gebildet ist, an welchem zwei Strahlbrechflächen sowie eine oder mehrere außeraxiale Reflexionsflächen integral ausgebildet sind.
Die Blende ist an der Objektseite einer außeraxialen optischen Einheit angeordnet, die am nächsten zu der Objektseite liegt.
Eine außeraxiale optische Einheit, die die nächste zu der End-Bildebene von sämtlichen der vier außeraxialen optischen Einheiten ist, ist während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation fixiert, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse von solch einer außeraxialen optischen Einheit sind hinsichtlich zueinander geneigt.
In Übereinstimmung mit einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Bildaufnahmegerät bereitgestellt, welches das zuvor erwähnte variable optische Vergrößerungssystem aufweist, wobei das Bildaufnahmegerät ausgelegt ist, ein Bild des Objektes auf einer Bildaufnahmefläche eines Bildaufnahmemediums auszubilden.
Die zuvor erwähnten und anderen Aufgaben, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand der nachfolgend angegebenen detaillierten Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen sowie anhand der numerischen Beispiele ersichtlich, die in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen zu lesen ist.
KURZE BESCHREIBUNG DER VERSCHIEDENEN ANSICHTEN DER ZEICHNUNGEN
1 ist eine Ansicht der Grundanordnung einer ersten Ausführungsform eines variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der Erfindung;
2 ist eine erläuternde Ansicht, die die erste Ausführungsform in der Gestalt eines koaxialen Systems zeigt;
3 ist eine Ansicht der Konstruktion einer ersten optischen Einheit der ersten Ausführungsform;
4 ist eine perspektivische Ansicht der ersten optischen Einheit der ersten Ausführungsform;
5 ist eine Ansicht der Grundanordnung einer zweiten Ausführungsform des variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der Erfindung;
6 ist eine Ansicht der Grundanordnung der dritten Ausführungsform des variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung;
7 ist eine erläuternde Ansicht, die die dritte Ausführungsform in der Gestalt eines koaxialen Systems zeigt;
8 ist eine Ansicht eines Koordinatensystems für jede der Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung.
9 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 1 relativ zu seinem Weitwinkel-Ende;
10 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 1 relativ zu seiner Mitten-Position;
11 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 1 relativ zu seinem Tele-Ende;
12 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 1 relativ zu dem Weitwinkel-Ende;
13 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 1 relativ zu der Mitten-Position;
14 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 1 zu dem Tele-Ende;
15 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 2 relativ zu seinem Weitwinkel-Ende;
16 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 2 relativ zu seiner Mitten-Position;
17 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 2 relativ zu seinem Tele-Ende;
18 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 2 relativ zu dem Weitwinkel-Ende;
19 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 2 relativ zu der Mitten-Position;
20 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 2 relativ zu dem Tele-Ende;
21 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 3 relativ zu seinem Weitwinkel-Ende;
22 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 3 relativ zu seiner Mitten-Position;
23 ist eine optische Querschnittsansicht des Numerischen Beispiels 3 relativ zu seinem Tele-Ende;
24 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 3 relativ zu dem Weitwinkel-Ende;
25 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 3 relativ zu der Mitten-Position;
26 ist eine Auftragung der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 3 relativ zu dem Tele-Ende;
27 ist eine Ansicht der Grundanordnung eines Cassegrain-Reflexionsteleskops;
28 ist eine erläuternde Ansicht, die ein erstes Verfahren zum Verhindern der Abschattung zeigt, indem ein Haupt-Lichtstrahl von der optischen Achse eines optischen Spiegelsystems verschoben wird;
29 ist eine erläuternde Ansicht, die ein zweites Verfahren zum Verhindern der Abschattung durch Verschiebung eines Haupt-Lichtstrahls von der optischen Achse eines optischen Spiegelsystems zeigt;
30 ist ein konzeptionelles Diagramm eines optischen Zoom-Systems, welches herkömmliche Reflexionsspiegel einsetzt;
31 ist ein konzeptionelles Diagramm eines optischen Beobachtungssystems, dessen Prisma eine Reflexionsfläche mit einer Krümmung aufweist; und
32 ist ein konzeptionelles Diagramm eines anderen optischen Beobachtungssystems, dessen Prisma eine Reflexionsfläche mit einer Krümmung aufweist.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Nachfolgend werden detailliert unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung beschrieben.
Das variable optische Vergrößerungssystem gemäß der vorliegenden Erfindung weist keine symmetrische Achse wie die optische Achse eines gewöhnlichen optischen Systems auf. Aus diesem Grund ist in dem variablen optischen Vergrößerungssystem eine „Referenzachse" festgelegt, und die Anordnungen und Konstruktionen der verschiedenen Elemente des optischen Systems werden nachfolgend auf der Basis der Referenzachse beschrieben.
Zunächst wird die Definition der Referenzachse erläutert. Im allgemeinen ist die „Referenzachse" in einem optischen System als ein optischer Weg definiert, entlang welchem ein einzelner Referenzstrahl mit einer Referenz-Wellenlänge von einer Objektebene zu einer Bildebene läuft. Da der Referenzstrahl noch nicht anhand lediglich dieser Definition festgelegt ist, wird ein Referenzachsen-Lichtstrahl normalerweise in Übereinstimmung mit einem der beiden nachfolgend angegebenen Prinzipien festgelegt:

(1) Wenn eine Achse mit Symmetrie, die teilweise gleichförmig ist, in einem optischen System vorhanden ist, und eine Korrektur der Aberration mit hinreichender Symmetrie erzielt werden kann, wird ein Lichtstrahl, der sich entlang der Achse, die eine Symmetrie aufweist, bewegt, als Referenzachsen-Lichtstrahl festgelegt.
(2) Wenn eine Symmetrieachse im allgemeinen in einem optischen System fehlt oder wenn eine Symmetrieachse teilweise vorhanden ist, jedoch eine Korrektur der Aberration nicht mit hinreichender Symmetrie erzielt werden kann, wird ein Lichtstrahl, der von der Mitte einer Objektebene (die Mitte des Bereiches einer Szene, die beobachtet oder fotografiert werden muss) kommt, und nachdem er sequentiell durch spezielle Flächen in dem optischen System hindurchgelaufen ist, durch die Mitte der in dem optischen System bereitgestellten Blende hindurchläuft, oder ein Lichtstrahl, der durch die Mitte der in dem optischen System bereitgestellten Blende hindurchläuft und die Mitte einer End-Bildebene erreicht, als Referenzachsen-Lichtstrahl festgelegt, und der optische Weg des Referenzachsen-Lichtstrahls wird als Referenzachse festgelegt.

Die in der zuvor beschriebenen Art und Weise definierte Referenzachse weist im allgemeinen eine gebogene Formgebung auf. Hier sei angenommen, dass jede Fläche einen Referenzpunkt aufweist, welcher der Schnittpunkt der Fläche mit einem Referenzachsen-Lichtstrahl ist, und dass die Referenzachsen-Lichtstrahlen, die an der Objekt- und Bildseite von jeder Fläche angeordnet sind, jeweils Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse genannt werden. Zusätzlich weist die Referenzachse eine Richtung auf, und die Richtung ist eine Richtung, in welcher sich der Referenzachsen-Lichtstrahl fortbewegt, um ein Bild auszubilden. Von daher sind die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse an der Eintritts- und Austrittsseite von jeder Fläche jeweils vorhanden. Die Referenzachse wird durch individuelle Flächen in einer festgelegten Reihenfolge hiervon gebrochen oder ändert ihre Richtung in Übereinstimmung mit dem Strahlbrechungsgesetz und erreicht letztendlich eine Bildebene. Wenn im übrigen eine optische Einheit (optisches System) eine Vielzahl von Flächen aufweist, wird ein Referenzachsen-Lichtstrahl, der auf eine Fläche eintrifft, die am nächsten zu der Objektseite liegt, als Eintritts-Referenzachse der optischen Einheit (des optischen Systems) definiert, und ein Referenzachsen-Lichtstrahl, der von einer Fläche austritt, die am nächsten zu der Bildseite liegt, wird als Austritts-Referenzachse der optischen Einheit (des optischen Systems) definiert. Die Definitionen der Richtungen der jeweiligen Eintritts- und Austritts-Referenzachsen sind die gleichen wie jene der Richtungen der Eintritts- und Austritts-Referenzachsen von jeder Fläche.
1 ist eine Ansicht der Grundanordnung einer ersten Ausführungsform des variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. In der 1 bezeichnet die Bezugsziffer 11 eine Blende, die Bezugsziffer 12 bezeichnet einen Referenzachsen-Lichtstrahl, der von der Apertur-Mitte der Blende 11 zu der Mitte einer End-Bildausbildungsebene läuft, und die Bezugsziffern 13, 14, 15 und 16 bezeichnen optische Einheiten, wobei jede Einheit (nicht dargestellte) Reflexionsflächen aufweist, die hinsichtlich des Referenzachsen-Lichtstrahles 12 geneigt sind. (In der vorliegenden Spezifikation werden Reflexionsflächen, die hinsichtlich des Referenzachsen-Lichtstrahles geneigt sind, als außeraxiale Reflexionsflächen bezeichnet, und optische Einheiten, die solche außeraxialen Reflexionsflächen aufweisen, werden außeraxiale optische Einheiten genannt.) Die erste optische Einheit 13, die zweite optische Einheit 14, die dritte optische Einheit 15 sowie die vierte optische Einheit 16 sind entlang des Referenzachsen-Lichtstrahles in dieser Reihenfolge von einer Objektseite angeordnet. Die Bezugsziffer 17 bezeichnet eine End-Bildausbildungsebene (in welcher die Bildaufnahmefläche eines Bildaufnahmemediums, wie etwa einer CCD, angeordnet ist).
Der Referenzachsen-Lichtstrahl 12 läuft durch die Apertur-Mitte der Blende 11, dann durch die erste bis dritte optische Einheit 13 bis 15 in der Gestalt eines Lichtstrahls, der durch die außeraxialen Reflexionsflächen gekrümmt ist, und erreicht dann die Mitte der End-Bildausbildungsebene 17. Sowohl die erste optische Einheit 13 als auch die vierte optische Einheit 16 sind eine außeraxiale optische Einheit, durch welche der Referenzachsen-Lichtstrahl 12 hindurchläuft, wobei seine Eintritts- und Austritts-Richtungen zueinander die gleichen sind, während sowohl die zweite optische Einheit 14 als auch die dritte optische Einheit 15 eine außeraxiale optische Einheit ist, durch welche der Referenzachsen-Lichtstrahl 12 hindurchläuft, wobei seine Eintritts- und Austritts-Richtungen entgegengesetzt zueinander sind.
Es ist möglich, ein variables optisches Vergrößerungssystem zu realisieren, indem zumindest zwei optische Einheiten in der in 1 gezeigten Anordnung bewegbar ausgeführt werden. In der ersten Ausführungsform wird seine Vergrößerungs-Veränderungsoperation durch die Bewegung der ersten optischen Einheit 13 und der dritten optischen Einheit 15 realisiert. Die Blende 11, die zweite optische Einheit 14, die vierte optische Einheit 16 sowie die End-Bildausbildungsebene 17 sind physikalisch während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation fixiert. Wenn von daher die Brennweite der ersten Ausführungsform von ihrem Weitwinkel-Ende in Richtung ihres Tele-Endes mit der Bewegung der ersten optischen Einheit 13 variiert wird, wird die Entfernung zwischen der Blende 11 und der ersten optischen Einheit 13 größer, während die Entfernung zwischen der ersten optischen Einheit 13 und der zweiten optischen Einheit 14 kürzer wird. Mit der Bewegung der dritten optischen Einheit 15 wird die Entfernung zwischen der zweiten optischen Einheit 14 und der dritten optischen Einheit 15 sowie die Entfernung zwischen der dritten optischen Einheit 15 und der vierten optischen Einheit 16 größer. Mit der Bewegung der dritten optischen Einheit 15 wird die gesamte optische Weglänge von der Blende 11 zu der End-Bildausbildungsebene 17 länger.
2 ist eine erläuternde Ansicht, die die erste Ausführungsform in der Gestalt eines koaxialen Systems zeigt. In der 2 sei angenommen, dass e_0W, e_1W, e_2W, e_3W und e_4W Entfernungen von individuellen optischen Einheiten zu individuellen optischen Einheiten relativ zu dem Weitwinkel-Ende darstellen, es sei angenommen, dass e_0T, e_1T, e_2T, e_3T und e_4T die entsprechenden Entfernungen der optischen Einheiten zu optischen Einheiten relativ zu dem Tele-Ende darstellen, und es sei angenommen, dass d1 und d3 die relativen Beträge der Bewegungen der ersten optischen Einheit 13 und der dritten optischen Einheit 15 darstellen, dann werden die nachfolgenden Beziehungen erzielt: e0T = e0W + d1 e1T = e1W – d1 e2T = e2W + d3 e3T = e3W + d3 e4T = e4W
Von daher wird eine gesamte optische Weglänge L_T für das Tele-Ende durch die nachfolgende Gleichung unter Verwendung einer gesamten Weglänge L_W für das Weitwinkel-Ende ausgedrückt: LT = LW + 2d3.
Obwohl in der ersten Ausführungsform die End-Bildausbildungsebene 17 physikalisch fixiert ist, wenn die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes variiert wird, wird demgemäss die gesamte optische Weglänge länger. Da wie obig erläutert die optische Einheit, durch welche der Referenzachsen-Lichtstrahl hindurchläuft, wobei sich seine Eintritts-Richtung und seine Austritts-Richtung voneinander um 180° unterscheiden, als dritte optische Einheit 15 verwendet wird, kann das variable optische Vergrößerungssystem derart aufgebaut werden, dass die zweite optische Einheit 14, die vierte optische Einheit 16 und die End-Bildausbildungsebene 17 fixiert sind, wohingegen zwei optische Einheiten, das heißt, die erste optische Einheit 13 und die dritte optische Einheit 15, physikalisch bewegbar sind. Demgemäss ist, wie es in der 2 gezeigt wird, die optische Anordnung des variablen optischen Vergrößerungssystems derart, dass drei optische Einheiten bewegbar sind, und eine Bildebenen-Position variabel ist.
Ferner kann das variable optische Vergrößerungssystem der ersten Ausführungsform insgesamt dünn ausgeführt werden, weil die Blende 11 an der Objektseite angeordnet ist, und da ein Bild zu der End-Bildausbildungsebene 17 durch das Ausbilden von Zwischenbildern in dem optischen Weg überführt wird. Im einzelnen ist die erste optische Einheit 13 als ein Vorder-Blendentyp des optischen Objektsystems gebildet, welches ein Zwischenbild mit einer Bildgröße ausbildet, die nicht größer als in etwa eine bei dem Weitwinkel-Ende in der End-Bildausbildungsebene 17 erzielbare Bildgröße ist, und die nachfolgenden optischen Einheiten überführen dieses Zwischenbild, ohne dass die Bildgröße vergrößert wird, wodurch das gesamte variable optische Vergrößerungssystem dünn ausgeführt werden kann.
3 ist eine Ansicht, die den Aufbau der ersten optischen Einheit 13 der ersten Ausführungsform zeigt. Die erste optische Einheit 13 weist einen transparenten Körper 61 auf, an welchem zwei Strahlbrechflächen und vier nach innen reflektierende Flächen integral ausgebildet sind. Wie es in der 3 gezeigt ist, weist die erste optische Einheit 13 Strahlbrechflächen 62 und 67, die an dem transparenten Körper gebildet sind, sowie nach innen reflektierende Flächen 63, 64, 65 und 66, die an dem transparenten Körper 61 gebildet sind, auf, und die entsprechenden nach innen reflektierenden Flächen 63, 64, 65 und 66 sind als Reflexionsspiegel mittels Aufdampfung oder einem anderen ähnlichen Prozess ausgebildet. 4 ist eine perspektivische Ansicht der ersten optischen Einheit 13. Da sämtliche Reflexionsflächen integral in der zuvor beschriebenen Art und Weise ausgebildet sind, wird die relative positionelle Genauigkeit von jeder der Flächen im Vergleich zu einer Anordnung hoch, in welcher individuelle Flächen unabhängig ausgebildet sind, so dass auf eine Einstellung der Positionen, Neigungen oder dergleichen der jeweiligen Flächen verzichtet werden kann. Da zusätzlich Bauteile zum Stützen der Reflexionsflächen nicht erforderlich sind, kann die erforderliche Anzahl der Bestandskomponenten reduziert werden.
Ein Lichtbündel, das durch die Blende 11 hindurchläuft, tritt in die erste optische Einheit 13 durch die Strahlbrechfläche 62 entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls 12 ein und tritt aus der Strahlbrechfläche 67 aus, nachdem es wiederholt an den nach innen reflektierenden Flächen 63, 64, 65 und 66 reflektiert wurde. Während dieser Zeit wird ein erstes Zwischenbild in der Umgebung der Reflexionsfläche 64 ausgebildet. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass die Blende 11, die Strahlbrechfläche 62 und die Reflexionsfläche 63 einen Vorder-Blendentyp eines Objektivsystems begründen, welches als Bildebene eine Ebene verwendet, in welcher das erste Zwischenbild ausgebildet wird.
Das erste Zwischenbild wird mittels der Reflexionsflächen 65 und 66 als zweites Zwischenbild überführt. Die erste optische Einheit 13 der ersten Ausführungsform ist von daher als eine dünne außeraxiale optische Einheit gebildet, in welcher das erste Zwischenbild unmittelbar hinter der Blende 11 ausgebildet wird und von einer Reflexionsfläche zu einer anderen Reflexionsfläche überführt wird. Im übrigen bedeutet der Begriff „dünn" oder andere Ausdrücke, die hierin verwendet werden, dass die Dicke, die in der Richtung senkrecht zu der Blattfläche der 3 genommen wird, klein ist.
Wenn in der ersten Ausführungsform ein paralleles Lichtbündel auf die Strahlbrechfläche 62 der ersten optischen Einheit 13 eintrifft, tritt das Einfalls-Lichtbündel von der Strahlbrechfläche 67 als divergierendes Lichtbündel aus. Anders ausgedrückt bedeutet dies, dass der transparente Körper 61 als optische Einheit funktioniert, die mittels einer kompakten optischen Anordnung ein Bild weiterleitet, welche aus konkaven Reflexionsflächen besteht, wobei jede eine positive Strahlbrechkraft aufweist, und welche insgesamt eine negative Strahlbrechkraft aufweist.
Zusätzlich ist sowohl die zweite optische Einheit 14, die dritte optische Einheit 15 als auch die vierte optische Einheit 16 ebenso als transparenter Körper gebildet, der zwei Strahlbrechflächen und eine Vielzahl von nach innen reflektierenden Reflexionsflächen ähnlich zu der ersten optischen Einheit 13 aufweist. Obwohl in der erläuternden Ansicht der 2 die erste Ausführungsform als eine optische Anordnung gezeigt wird, die keine Zwischenbilder aufweist, realisiert demgemäss in der Praxis die erste Ausführungsform die in der 2 gezeigte Vergrößerungs-Veränderungsoperation, indem ein Bild durch Ausbilden von Zwischenbildern in den entsprechenden optischen Einheiten überführt wird.
Ferner verwendet die erste Ausführungsform als zweite und dritte optische Einheiten außeraxiale optische Einheiten, durch jede der Referenzachsen-Lichtstrahl hindurchläuft, wobei seine Eintritts-Richtung und seine Austritts-Richtung entgegengesetzt zueinander sind. Demgemäss ist die Gesamtlänge des variablen optischen Vergrößerungssystems in der Richtung der Eintritts-Referenzachse äußerst klein ausgeführt.
5 ist eine Ansicht der Grundanordnung einer zweiten Ausführungsform des variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die zweite Ausführungsform unterscheidet sich von der ersten Ausführungsform darin, dass die als zweite optische Einheit verwendete, zuvor erwähnte optische Einheit durch eine andere optische Einheit ersetzt ist, durch welche die Referenzachse hindurchläuft, wobei die Eintritts-Richtung und die Austritts-Richtung hiervon die gleichen zueinander sind. Da, wie es in der 2 gezeigt ist, die zweite Ausführungsform ausgelegt ist, um ihre Vergrößerungs-Veränderungsoperation mit der fixierten zweiten optischen Einheit zu bewirken, ist das koaxiale System der zweiten Ausführungsform ähnlich zu dem der ersten Ausführungsform.
6 ist eine Ansicht der Grundanordnung einer dritten Ausführungsform des variablen optischen Vergrößerungssystems gemäß der vorliegenden Erfindung. Die dritte Ausführungsform unterscheidet sich von der zweiten Ausführungsform darin, dass die als die vierte optische Einheit verwendete, zuvor erwähnte optische Einheit durch eine andere optische Einheit ersetzt ist, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse verschiedene Richtungen aufweisen, die zueinander geneigt sind, und darin, dass die dritte Ausführungsform ausgelegt ist, um seine Vergrößerungs-Veränderungsoperation durchzuführen, während die zweite und dritte optische Einheit bewegt werden.
7 ist eine erläuternde Ansicht, welche die dritte Ausführungsform in Gestalt eines koaxialen Systems zeigt. In der 7 sei angenommen, dass e_0W, e_1W, e_2W, e_3W und e_4W Entfernungen von individuellen optischen Einheiten zu optischen Einheiten relativ zu dem Weitwinkel-Ende darstellen, es sei angenommen, dass e_0T, e_1T, e_2T, e_3T und e_4T die entsprechenden Entfernungen der optischen Einheiten zu optischen Einheiten relativ zu dem Tele-Ende darstellen, und es sei angenommen, dass d2 und d3 die entsprechenden Beträge der Bewegungen der zweiten optischen Einheit 14 und der dritten optischen Einheit 15 darstellen, dann werden die nachfolgenden Beziehungen erzielt: e0T = e0W e1T = e1W – d2 e2T = e2W + d2 + d3 e3T = e3W + d3 e4T = e4W
Von daher wird die gesamte optische Weglänge L_T für das Tele-Ende mittels der nachfolgend angegebenen Gleichung unter Verwendung der gesamten optischen Weglänge L_W für das Weitwinkel-Ende ausgedrückt: LT = LW + 2·d3.
Obwohl in der dritten Ausführungsform die End-Bildausbildungsebene 17 physikalisch fixiert ist, wenn die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes variiert wird, wird demgemäss die gesamte optische Weglänge länger. In dem variablen optischen Vergrößerungssystem der dritten Ausführungsform sind die erste optische Einheit 13, die vierte optische Einheit 16 sowie die End-Bildausbildungsebene 17 fixiert, wohingegen zwei optische Einheiten, nämlich die zweite optische Einheit 14 und die dritte optische Einheit 15 bewegbar sind. Jedoch ist die optische Anordnung des variablen optischen Vergrößerungssystems derart, dass drei optische Einheiten, nämlich die zweite optische Einheit 14, die dritte optische Einheit 15 sowie die vierte optische Einheit 16 bewegbar sind, und eine Bildebenen-Position ist variabel. Da zusätzlich die vierte optische Einheit 16 während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation fixiert ist, kann die dritte Ausführungsform derart aufgebaut sein, dass die Eintritts-Richtung und die Austritts-Richtung des Referenzachsen-Lichtstrahls willkürliche Winkel aufweisen. Mit dieser Konstruktion ist es möglich, den Freiheitsgrad der Auslegung eines Festkörper-Bildaufnahmeelements oder dergleichen zu erhöhen, das in der End-Bildausbildungsebene 17 angeordnet werden muss; beispielsweise ist es möglich, eine CCD in einer Richtung verschieden von der Richtung der fotografischen Achse des optischen Systems anzuordnen.
Vor der Beschreibung der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung wird Bezug auf Begriffe genommen, die hierin verwendet werden, um verschiedene Bauelemente der numerischen Beispiele und Art und Weisen, die für sämtliche numerische Beispiele gemeinsam sind, auszudrücken.
8 ist eine erläuternde Ansicht eines Koordinatensystems, welches die Bestandsdaten eines optischen Systems gemäß der vorliegenden Erfindung definiert. In jedem der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung ist die i-te Fläche eine Fläche, die bei der i-ten Position, gezählt von einer Objektseite, von welcher ein Lichtstrahl in Richtung einer Bildebene läuft, liegt (in der 8 ist der Lichtstrahl durch punkt-gestrichelte Linien gezeigt und wird von nun an als Referenzachsen-Lichtstrahl bezeichnet).
In der 8 ist die erste Fläche R1 eine Blende, eine zweite Fläche R2 ist eine Strahlbrechfläche koaxial zu der ersten Fläche R1, eine dritte Fläche R2 ist eine Reflexionsfläche, die hinsichtlich der zweiten Fläche R2 geneigt ist, eine vierte Fläche R4 ist eine Reflexionsfläche, die hinsichtlich der dritten Fläche R3 verschoben und geneigt ist, eine fünfte Fläche R5 ist eine Reflexionsfläche, die hinsichtlich der vierten Fläche R4 verschoben und geneigt ist, und eine sechste Fläche R6 ist eine Strahlbrechfläche, die hinsichtlich der fünften Fläche R5 verschoben und geneigt ist. Alle der zweiten Fläche R2 bis der sechsten Fläche R6 sind an einer optischen Einheit angeordnet, die aus einem Medium, wie etwa Glas oder Kunststoff besteht. In der 8 ist solch eine optische Einheit als erste optische Einheit B1 gezeigt.
Demgemäss ist in der in der 8 gezeigten Anordnung das Medium zwischen einer (nicht dargestellten) Objektebene und der zweiten Fläche R2 Luft, die zweite Fläche R2 bis die sechste Fläche R6 sind an einem bestimmten gemeinsamen Medium angeordnet, und das Medium zwischen der sechsten Fläche R6 und einer (nicht dargestellten) siebten Fläche R7 ist Luft.
Da das optische System gemäß der vorliegenden Erfindung ein außeraxiales optisches System ist, weisen die Flächen, die einen Teil des optischen Systems begründen, keine gemeinsame optische Achse auf. Aus diesem Grund wird in jedem der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung ein absolutes Koordinatensystem festgelegt, wobei der Ursprung hiervon der Mittelpunkt eines effektiven Strahldurchmessers bei der ersten Fläche ist, die die Blende darstellt. In der vorliegenden Erfindung ist jede Achse des absoluten Koordinatensystems wie folgt definiert:
Z-Achse: eine Referenzachse, die durch den Ursprung hindurchläuft und die sich zu der zweiten Fläche R2 erstreckt;
Y-Achse: eine gerade Linie, die durch den Ursprung hindurchläuft und einen Winkel von 90° zu der Z-Achse in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn in einer Neigungsebene (an der Blattfläche der 8) ausbildet; und
X-Achse: eine gerade Linie, die durch den Ursprung hindurchläuft und die senkrecht zu sowohl der Z- als auch der Y-Achse steht (senkrecht zu der Blattfläche der 8).
Wenn die Oberflächenformgebung der i-ten Fläche, die einen Teil des optischen Systems begründet, ausgedrückt werden muss, ist es möglich, solch eine Oberflächenformgebung besser zu verstehen und zu erkennen, indem ein lokales Koordinatensystem festgelegt wird, wobei der Ursprung hiervon ein Punkt ist, bei welchem die Referenzachse die i-te Fläche schneidet, und indem die Oberflächenformgebung der i-ten Fläche ausgedrückt wird, indem vielmehr das lokale Koordinatensystem verwendet wird anstatt die Oberflächenformgebung der i-ten Fläche unter Verwendung des absoluten Koordinatensystems auszudrücken. Demgemäss sind in einigen numerischen Beispielen der vorliegenden Erfindung die Bestandsdaten hiervon hierin gezeigt, wobei die Oberflächenformgebung der i-ten Fläche durch ihr lokales Koordinatensystem ausgedrückt wird.
Der Neigungswinkel der i-ten Fläche in der Y-Z-Ebene wird durch einen Winkel θi (Einheit: Grad) ausgedrückt, der einen positiven Wert in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn hinsichtlich der Z-Achse des absoluten Koordinatensystems zeigt. Demgemäss sind, wie es in der 8 gezeigt ist, in jedem der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung die Ursprünge der lokalen Koordinatensysteme der entsprechenden Flächen auf der Y-Z-Ebene angeordnet. Die Neigung oder Verschiebung der Flächen erscheint nicht in der X-Z-Ebene oder der X-Y-Ebene. Zusätzlich sind die y- und z-Achse der lokalen Koordinaten (x, y, z) der i-ten Fläche um den Winkel θi in der Y-Z-Ebene hinsichtlich des absoluten Koordinatensystems (X, Y, Z) geneigt. Im einzelnen sind die x-, y- und z-Achsen der lokalen Koordinaten (x, y, z) in der nachfolgenden Art und Weise festgelegt:
z-Achse: eine gerade Linie, die durch den Ursprung der lokalen Koordinaten hindurchläuft, und die den Winkel θi mit der Z-Richtung des absoluten Koordinatensystems in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn in der Y-Z-Ebene aufspannt;
y-Achse: eine gerade Linie, die durch den Ursprung der lokalen Koordinaten hindurchläuft und die einen Winkel von 90° mit der z-Achse der lokalen Koordinaten in der Richtung entgegen dem Uhrzeigersinn in der Y-Z-Ebene aufspannt; und
x-Achse: eine gerade Linie, die durch den Ursprung der lokalen Koordinaten hindurchläuft und die senkrecht zu der Y-Z-Ebene steht.
Das optische System von jedem der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung variiert seine gesamte Brennweite (Vergrößerung) durch die Bewegung einer Vielzahl der optischen Einheiten. Bezugnehmend auf jedes der numerischen Beispiele, die die hierin gezeigten numerischen Daten aufweisen, sind der Schnittpunkt von seinem optischen System und die numerischen Daten hinsichtlich drei Positionen gezeigt, nämlich hinsichtlich einem Weitwinkel-Ende (W), einem Tele-Ende (T) und einer Mitten-Position (M).
Wenn die in der 8 gezeigte optische Einheit sich in der Y-Z-Ebene bewegt, nimmt der Ursprung (Yi, Zi) von jedem der lokalen Koordinatensysteme, die die Positionen der entsprechenden Flächen darstellen, einen für jede veränderte Vergrößerungsposition verschiedenen Wert an. Da jedoch in dem Fall der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung angenommen wird, dass sich zum Zwecke der Veränderung der Vergrößerung die optische Einheit lediglich in der Z-Richtung bewegt, wird der Koordinatenwert Zi durch Zi(W), Zi(M) und Zi(T) in der Reihenfolge des Weitwinkel-Endes, der Mitten-Position und des Tele-Endes ausgedrückt, die jeweils den drei Zuständen entsprechen, die durch das optische System angenommen werden.
Im übrigen stellen sich die Koordinatenwerte von jeder der Flächen, die derart bei dem Weitwinkel-Ende erzielt werden, und jeder der Flächen der Mitten-Position und dem Tele-Ende als eine Differenz zwischen den Koordinatenwerten, die bei dem Weitwinkel-Ende erzielt werden, und den Koordinatenwerten, die entsprechend bei der Mitten-Position und dem Tele-Ende erzielt werden, dar. Im einzelnen seien „a" und „b" der entsprechende Betrag der Bewegungen der optischen Einheit bei der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T) hinsichtlich des Weitwinkel-Endes (W), dann werden diese Beträge der Bewegungen durch die nachfolgenden Gleichungen ausgedrückt: Zi(M) = Zi(W) + a, Zi(T) = Zi(W) + b.
Wenn sich sämtliche Flächen in ihre Z-Plus-Richtungen bewegen, sind die Vorzeichen von „a" und „b" positiv, wohingegen die Vorzeichen von „a" und „b" negativ sind, wenn sie sich in ihre Z-Minus-Richtungen bewegen. Eine Flächen-zu-Flächen-Entfernung Di, die sich mit diesen Bewegungen verändert, ist eine Variable, und die Werte der Variablen bei den entsprechenden veränderten Vergrößerungspositionen sind gemeinsam in Tabellen gezeigt, auf die später Bezug genommen wird.
Das Symbol Di bezeichnet einen Skalar, der die Entfernung zwischen dem Ursprung der lokalen Koordinaten der i-ten Fläche und der der (i + 1)-ten Fläche darstellt. Die Symbole Ndi und νdi bezeichnen jeweils den Strahlbrechungsindex und die Abbe-Zahl des Mediums zwischen der i-ten Fläche und der (i + 1)-ten Fläche. In der 8 ist sowohl die Blende als auch die End-Bildausbildungsebene als eine ebene Fläche gezeigt.
Jedes der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung weist sphärische Flächen und asphärische Flächen mit Rotationsasymmetrie auf. Jede der sphärischen Flächen weist eine mittels eines Krümmungsradius R_i ausgedrückte sphärische Formgebung auf. Das Vorzeichen des Krümmungsradius R_i ist plus, wenn die Mitte der Krümmung in der z-Achsen-Plus-Richtung der lokalen Koordinaten angeordnet ist, wohingegen das Vorzeichen des Krümmungsradius R_i minus ist, wenn die Mitte der Krümmung in der z-Achsen-Minus-Richtung der lokalen Koordinaten angeordnet ist.
Jede der sphärischen Flächen weist eine Formgebung auf, die durch die nachfolgende Gleichung ausgedrückt wird:
Zusätzlich weist das optische System gemäß der vorliegenden Erfindung zumindest eine asphärische Fläche mit Rotationsasymmetrie auf, und ihre Formgebung wird durch die nachfolgend angegebenen Gleichungen ausgedrückt: A = (a + b)·(y2·cos2t + x2), B = 2a·b·cost[1 + {(b – a)·y·sint/{2a·b)} + [1 + {(b – a)·y·sint/(a·b)} – {y2/(a·b)} – {4a·b·cos2t + (a + b)2sin2t}X2/{4a2b2cos2t)]1/2].
Von daher: z = A/B + C02y2 + C11xy + C20x2 + C03y3 + C12xy2 + C21x2y + C30x3 + C04y4 + C13xy3 + C22x2y2 + C31x3y + C40x4 + C05y5 + C14xy4 + C23x2y3 + C32x3y2 + C41x4y + C50x5 + C06y6 + C15xy5 + C24x2y4 + C33x3y3 + C42x4y2 + C51x5y + C60x6.
In der zuvor genannten Gleichung für die gekrümmte Fläche stellt „A/B" die Formgebung einer quadratischen Fläche dar, und die Gleichung für die gekrümmte Fläche stellt die Formgebung einer asphärischen Fläche mit Rotationsasymmetrie dar, die auf der quadratischen Fläche basiert. Jedoch wird in jedem der numerischen Beispiele der vorliegenden Erfindung der Wert von „A/B" in der zuvor genannten Gleichung für die gekrümmte Fläche wie folgt festgelegt: A/B = 0.
Dies bedeutet eine Fläche mit Rotationsasymmetrie basierend auf einer ebenen Fläche. Im einzelnen wird die nachfolgende Bedingung unabhängig von dem Wert von „t" festgestellt: a = b = ∞.
Die Formgebung von jeder der Flächen mit Rotationsasymmetrie wird hinsichtlich der Y-Z-Ebene symmetrisch gemacht, indem in der zuvor genannten Gleichung für die gekrümmte Fläche lediglich die Ausdrücke hinsichtlich x mit geradzahligem Exponenten verwendet werden, und indem die anderen Ausdrücke mit ungeradzahligem Exponenten auf „0" gesetzt werden. Demgemäss wird in der vorliegenden Erfindung die nachfolgend gegebene Beziehung zwischen den Flächen mit Rotationsasymmetrie festgelegt: C11 = C12 = C30 = C13 = C31 = C14 = C32 = C50 = C15 = C33 = C51 = 0.
Ein horizontaler Halbwinkel des Sichtwinkels u_Y ist der maximale Sichtwinkel eines Lichtbündels, das auf die erste Fläche R1 in der Y-Z-Ebene der 8 eintrifft, während ein vertikaler Halbwinkel des Sichtwinkels u_X der maximale Sichtwinkel eines Lichtbündels ist, das auf die erste Fläche R1 in der X-Z-Ebene der 8 eintrifft.
Die Helligkeit des optischen Systems wird durch einen Eintritts-Pupillendurchmesser dargestellt. Der effektive Bildbereich in der Bildebene wird durch eine Bildgröße dargestellt. Die Bildgröße wird durch einen rechtwinkligen Bereich dargestellt, der eine in der y-Richtung des lokalen Koordinatensystems angenommene horizontale Größe sowie eine in der x-Richtung des lokalen Koordinatensystems angenommene vertikale Größe aufweist.
Hinsichtlich der numerischen Beispiele, die zusammen mit den Bestandsdaten dargestellt werden, sind ihre entsprechenden Auftragungen der Seiten-Aberration gezeigt. Jede der Auftragungen der Seiten-Aberration zeigt die Seiten-Aberrationen eines Lichtbündels von dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T), und die Seiten-Aberrationen sind jene des Lichtbündels, das unter einem Eintrittswinkel auf die Blende R1 eintrifft, wobei der Eintrittswinkel durch einen horizontalen Eintrittswinkel sowie einen vertikalen Eintrittswinkel definiert wird, die jeweils (u_Y, u_X), (0, u_X), (–u_Y, u_X), (u_X, 0), (0, 0) und (–u_Y, 0) betragen. In jeder der Auftragungen der Seiten-Aberration stellt die horizontale Achse die Höhe des Eintritts auf die Pupille und die vertikale Achse den Betrag der Aberration dar. Da jede der Flächen im Grunde genommen eine Formgebung aufweist, die symmetrisch hinsichtlich der Y-Z-Ebene ist, sind in jedem der numerischen Beispiele die Plus- und Minus-Richtung eines vertikalen Sichtwinkels die gleichen in der Auftragung der Seiten-Aberration. Aus diesem Grund wird auf die Auftragung der Seiten-Aberration relativ zu der Minus-Richtung zum Zwecke der Vereinfachung verzichtet.
Die numerischen Beispiele werden nachfolgend beschrieben:
Numerisches Beispiel 1
Das Numerische Beispiel 1 ist ein numerisches Beispiel der ersten Ausführungsform, und es ist ein variables optisches Vergrößerungssystem mit einem Vergrößerungs-Veränderungsverhältnis von in etwa 3,0×. Die 9, 10 und 11 sind in der Y-Z-Ebene genommene Querschnittsansichten, welche die entsprechenden optischen Wege des Numerischen Beispiels 1 relativ zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T) zeigen.
Es wird in der Reihenfolge von der Objektseite der Aufbau des Numerischen Beispiels 1 beschrieben. Die erste Fläche R1 ist eine Apertur-Ebene. Die erste optische Einheit B1 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die zweite Fläche R2 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die dritte bis sechste Fläche R3 bis R6, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die siebte Fläche R7 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die zweite optische Einheit B2 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die achte Fläche R8 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die neunte bis dreizehnte Fläche R9 bis R13, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die vierzehnte Fläche R14 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die dritte optische Einheit B3 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die fünfzehnte Fläche R15 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die sechzehnte bis zwanzigste Fläche R16 bis R20, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die einundzwanzigste Fläche R21 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die vierte optische Einheit B4 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die zweiundzwanzigste Fläche R22 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die dreiundzwanzigste bis sechsundzwanzigste Fläche R23 bis R26, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die siebenundzwanzigste Fläche R27 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die achtundzwanzigste Fläche R28 ist eine End-Bildebene, in welcher die Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung, wie etwa einer CCD, positioniert ist.
Die optischen Einheiten des Numerischen Beispiels 1 sind vier separate optische Einheiten, die ein variables optisches Vergrößerungssystem begründen. Die erste und dritte optische Einheit B1 und B3 sind optische Vergrößerungs-Veränderungseinheiten, die sich jeweils bewegen, um eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu bewirken.
Eine Bild-Ausbildungsoperation für ein Objekt, welches im Unendlichen liegt, wird nachfolgend beschrieben. Zunächst tritt ein Lichtbündel, das durch die Blende R1 hindurchgelaufen ist, in die erste optische Einheit B1 ein. In der ersten optischen Einheit B1 wird das Lichtbündel durch die zweite Fläche R2 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der dritten Fläche R3 bis der sechsten Fläche R6 reflektiert, dann durch die siebte Fläche R7 gebrochen und tritt dann aus der ersten optischen Einheit B1 aus. Während dieser Zeit wird ein Bild erster Ordnung in der Umgebung der vierten Fläche R4 ausgebildet, und ein Bild zweiter Ordnung wird zwischen der sechsten Fläche R6 und der siebten Fläche R7 ausgebildet. Eine Pupille ist in der Umgebung der fünften Fläche R5 ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die zweite optische Einheit B2 ein. In der zweiten optischen Einheit B2 wird das Lichtbündel durch die achte Fläche R8 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der neunten Fläche R9 bis der dreizehnten Fläche R13 reflektiert, dann durch die vierzehnte Fläche R14 gebrochen und tritt dann aus der zweiten optischen Einheit B2 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene dritter Ordnung zwischen der zehnten Fläche R10 und der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Tele-Ende befindet. Zwischen der dreizehnten Fläche R13 und der vierzehnten Fläche R14 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die dritte optische Einheit B3 ein. In der dritten optischen Einheit B3 wird das Lichtbündel durch die fünfzehnte Fläche R15 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der sechzehnten Fläche R16 bis zu der zwanzigsten Fläche R20 reflektiert, dann durch die einundzwanzigste Fläche R21 gebrochen und tritt dann aus der dritten optischen Einheit B3 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene vierter Ordnung zwischen der sechzehnten Fläche R16 und der siebzehnten Fläche R17 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der siebzehnten Fläche R17 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Tele-Ende befindet. In der Umgebung der neunzehnten Fläche R19 ist eine Pupille ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet.
Dann tritt das Lichtbündel in die vierte optische Einheit B4 ein. In der vierten optischen Einheit B4 wird das Lichtbündel durch die zweiundzwanzigste Fläche R22 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der dreiundzwanzigsten Fläche R23 bis zu der sechsundzwanzigsten Fläche R26 reflektiert, dann durch die siebenundzwanzigste Fläche R27 gebrochen und tritt dann aus der vierten optischen Einheit B4 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene fünfter Ordnung zwischen der dreiundzwanzigsten Fläche R23 und der vierundzwanzigsten Fläche R24 ausgebildet. In der Umgebung der fünfundzwanzigsten Fläche R25 ist eine Pupille ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet.
Dann bildet das Lichtbündel, welches aus der vierten optischen Einheit B4 ausgetreten ist, letztendlich ein Bild sechster Ordnung auf der achtundzwanzigsten Fläche R28 aus.
In dem Numerischen Beispiel 1 ist sowohl die erste optische Einheit B1 als auch die vierte optische Einheit B4 eine außeraxiale optische Einheit, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse in der Richtung die gleichen zueinander sind, wohingegen sowohl die zweite optische Einheit B2 als auch die dritte optische Einheit B3 eine außeraxiale optische Einheit ist, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse sich voneinander um 180° in der Richtung unterscheiden.
Nachfolgend wird die Vergrößerungs-Veränderungsoperation basierend auf der Bewegung der optischen Einheiten beschrieben. Während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation sind die Blende R1, die zweite optische Einheit B2, die vierte optische Einheit B4 und die Bildebene R28 fixiert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes ändert, bewegt sich die erste optische Einheit B1 in der Z-Plus-Richtung, während sich die dritte optische Einheit B3 in der Z-Minus-Richtung bewegt. Von daher wird während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes die Entfernung zwischen der ersten optischen Einheit B1 und der zweiten optischen Einheit B2 verringert, die Entfernung zwischen der zweiten optischen Einheit B2 und der dritten optischen Einheit B3 vergrößert und die Entfernung zwischen der dritten optischen Einheit B3 und der vierten optischen Einheit B4 vergrößert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes ändert, wird zusätzlich die gesamte optische Weglänge, die sich von der ersten Fläche R1 zu der achtundzwanzigsten Bildebene R28 erstreckt, länger.
Die 12, 13 und 14 zeigen Auftragungen der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 1 relativ jeweils zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T). Die jeweiligen Auftragungen der Seiten-Aberrationen zeigen Seiten-Aberrationen in den Y- und X-Richtungen, und zwar relativ zu sechs Lichtbündeln, die in das Numerische Beispiel 1 jeweils bei verschiedenen Einfallswinkeln von (u_Y, u_X), (0, u_X), (–u_Y, u_X), (u_Y, 0), (0, 0) und (–u_Y, 0) eintreten. Die horizontale Achse von jeder der Auftragungen der Seiten-Aberration stellt die Höhe des Eintritts in der Y- oder X-Richtung eines Lichtbündels dar, welches auf jede der Eintrittspupillen einfällt.
Wie es anhand dieser Figuren erkannt werden kann, ist das Numerische Beispiel 1 in der Lage, eine gut ausgeglichene Korrektur der Aberration bei jeder Brennweitenposition zu erzielen.
Zusätzlich ist das optische System des Numerischen Beispiels 1 8,9 mm dick, und zwar für eine Bildgröße von 3,76 mm × 2,82 mm. Weil im einzelnen im Numerischen Beispiel 1 jede der optischen Einheiten und das gesamte optische System eine geringe Dicke aufweisen und weil jede der optischen Einheiten aufgebaut werden kann, indem Reflexionsflächen an festgelegten Seiten eines scheibenförmigen transparenten Körpers gebildet werden, ist es möglich, auf einfache Weise ein variables optisches Vergrößerungssystem zu konstruieren, welches insgesamt dünn ist, und zwar indem ein Mechanismus angenommen wird, der bewirkt, dass sich zwei optische Einheiten entlang einer Fläche von einer Grundplatte bewegen.
Obwohl im übrigen eine chromatische Aberration durch eine Vielzahl der Strahlbrechflächen im Numerischen Beispiel 1 bewirkt wird, wird die Krümmung von jeder der Strahlbrechflächen geeignet festgelegt, so dass die chromatische Aberration über den gesamten Bereich der Veränderung der Verstärkung korrigiert wird.
Numerisches Beispiel 2
Das Numerische Beispiel 2 ist ein numerisches Beispiel der zweiten Ausführungsform, und es ist ein variables optisches Vergrößerungssystem mit einem Vergrößerungs-Veränderungsverhältnis von etwa 3,0×. Die 15, 16 und 17 sind in der Y-Z-Ebene genommene Querschnittansichten, die die entsprechenden optischen Wege des Numerischen Beispiels 2 relativ zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T) zeigen.
In der Reihenfolge von der Objektseite wird der Aufbau des Numerischen Beispiels 2 beschrieben. Die erste Fläche R1 ist eine Apertur-Ebene. Die erste optische Einheit B1 ist als transparenter Körper gebildet, an welchem die zweite Fläche R2 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die dritte bis sechste Fläche R3 bis R6, wobei jede von diesen eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die siebte Fläche R7 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die zweite optische Einheit B2 ist als transparenter Körper gebildet, an welchem die achte Fläche R8 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die neunte bis zwölfte Fläche R9 bis R12, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die dreizehnte Fläche R13 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die dritte optische Einheit B3 ist als transparenter Körper gebildet, an welchem die vierzehnte Fläche R14 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die fünfzehnte Fläche bis neunzehnte Fläche R15 bis R19, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die zwanzigste Fläche R20 (Austritt-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die vierte optische Einheit B4 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die einundzwanzigste Fläche R21 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die zweiundzwanzigste bis fünfundzwanzigste Fläche R22 bis R25, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die sechsundzwanzigste Fläche R26 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die siebenundzwanzigste Fläche R27 ist eine End-Bildebene, in welcher die Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung, wie etwa einer CCD, positioniert ist.
Die vier optischen Einheiten des Numerischen Beispiels 2 sind vier separate optische Einheiten, die ein variables optisches Vergrößerungssystem begründen. Die erste und dritte optische Einheit B1 und B3 sind optische Vergrößerungs-Veränderungseinheiten, die sich entsprechend bewegen, um eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu erzielen.
Eine Bild-Ausbildungsoperation wird nachfolgend für ein Objekt, welches im Unendlichen liegt, beschrieben. Zunächst tritt ein Lichtbündel, welches durch die Blende R1 hindurchgelaufen ist, in die erste optische Einheit B1 ein. In der ersten optischen Einheit B1 wird das Lichtbündel durch die zweite Fläche R2 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der dritten Fläche R3 bis der sechsten Fläche R6 reflektiert, dann durch die siebte Fläche R7 gebrochen und tritt dann aus der ersten optischen Einheit B1 aus. Während dieser Zeit wird ein Bild erster Ordnung in der Umgebung der vierten Fläche R4 ausgebildet, und ein Bild zweiter Ordnung wird zwischen der sechsten Fläche R6 und der siebten Fläche R7 ausgebildet. In der Umgebung der fünften Fläche R5 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die zweite optische Einheit B2 ein. In der zweiten optischen Einheit B2 wird das Lichtbündel durch die achte Fläche R8 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der neunten Fläche R9 bis der zwölften Fläche R12 reflektiert, dann durch die dreizehnte Fläche R13 gebrochen und tritt dann aus der zweiten optischen Einheit B2 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene dritter Ordnung zwischen der zehnten Fläche R10 und der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Tele-Ende befindet. In der Umgebung der zwölften Fläche R12 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die dritte optische Einheit B3 ein. In der dritten optischen Einheit B3 wird das Lichtbündel durch die vierzehnte Fläche R14 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der fünfzehnten Fläche R15 bis zu der neunzehnten Fläche R19 reflektiert, dann durch die zwanzigste Fläche R20 gebrochen und tritt dann aus der dritten optischen Einheit B3 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene vierter Ordnung zwischen der vierzehnten Fläche R14 und der fünfzehnten Fläche R15 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der fünfzehnten Fläche R15 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Tele-Ende befindet. In der Umgebung der achtzehnten Fläche R18 ist eine Pupille ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der siebzehnten Fläche R17 ausgebildet, wenn sich die Brennweite bei dem Tele-Ende befindet.
Dann tritt das Lichtbündel in die vierte optische Einheit B4 ein. In der vierten optischen Einheit B4 wird das Lichtbündel durch die einundzwanzigste R21 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der zweiundzwanzigsten Fläche R22 bis zu der fünfundzwanzigsten Fläche R25 reflektiert, dann durch die sechsundzwanzigste Fläche R26 gebrochen und tritt dann aus der vierten optischen Einheit B4 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene fünfter Ordnung in der Umgebung der dreiundzwanzigsten Fläche R23 ausgebildet. In der Umgebung der vierundzwanzigsten Fläche R24 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann bildet das Lichtbündel, welches aus der vierten optischen Einheit B4 ausgetreten ist, letztendlich ein Bild sechster Ordnung auf der siebenundzwanzigsten Fläche R27 aus.
Im Numerischen Beispiel 2 ist sowohl die erste optische Einheit B1, die zweite optische Einheit B2 als auch die vierte optische Einheit B4 eine außeraxiale optische Einheit, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse zueinander in der Richtung gleich sind, wohingegen die dritte optische Einheit eine außeraxiale optische Einheit ist, deren Eintritts-Referenzachse und Austritt-Referenzachse sich voneinander um 180° in der Richtung unterscheiden.
Nachfolgend wird die Vergrößerungs-Veränderungsoperation basierend auf der Bewegung der optischen Einheiten beschrieben. Während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation sind die Blende R1, die zweite optische Einheit B2, die vierte optische Einheit B4 sowie die Bildebene R27 fixiert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes verändert, bewegt sich die erste optische Einheit B1 in der Z-Plus-Richtung, während sich die dritte optische Einheit B3 in der Z-Minus-Richtung bewegt. Von daher wird während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes die Entfernung zwischen der ersten optischen Einheit B1 und der zweiten optischen Einheit B2 verringert, die Entfernung zwischen der zweiten optischen Einheit B2 und der dritten optischen Einheit B3 vergrößert und die Entfernung zwischen der dritten optischen Einheit B3 und der vierten optischen Einheit B4 vergrößert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes verändert, wird zusätzlich die gesamte optische Weglänge, die sich von der ersten Fläche R1 zu der siebenundzwanzigsten Bildebene R27 erstreckt, länger.
Die 18, 19 und 20 zeigen Auftragungen der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 2 relativ zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T). Die entsprechenden Auftragungen der Seiten-Aberration zeigen Seiten-Aberrationen in den Y- und X-Richtungen, und zwar relativ zu sechs Lichtbündeln, die in das Numerische Beispiel 2 bei verschiedenen Einfallswinkeln von jeweils (u_Y, u_X), (0, u_X), (–u_Y, u_X), (u_Y, 0), (0, 0) und (–u_Y, 0) eintreten. Die horizontale Achse von jeder der Auftragungen der Seiten-Aberration stellt die Höhe des Eintritts in der Y- oder X-Richtung eines Lichtbündels dar, welches auf jede der Eintrittspupillen einfällt.
Wie es anhand dieser Figuren erkannt werden kann, ist das Numerische Beispiel 2 in der Lage, eine gut ausgeglichene Korrektur der Aberration bei jeder Brennweitenposition zu erzielen.
Zusätzlich ist das optische System des Numerischen Beispiels 2 in etwa 6,6 mm dick, und zwar für eine Bildgröße von 3,76 mm × 2,82 mm. Weil im Numerischen Beispiel 2 jede der optischen Einheiten sowie das gesamte optische System eine geringe Dicke aufweisen, und weil jede der optischen Einheiten aufgebaut werden kann, indem Reflexionsflächen an festgelegten Seiten eines scheibenförmigen transparenten Körpers ausgebildet werden, ist es möglich, auf einfache Weise ein variables optisches Vergrößerungssystem aufzubauen, welches insgesamt dünn ist, und zwar indem ein Mechanismus angenommen wird, der bewirkt, dass sich zwei optische Einheiten entlang einer Fläche von einer Grundebene bewegen.
Obwohl im übrigen im Numerischen Beispiel 2 eine chromatische Aberration durch eine Vielzahl von Strahlbrechflächen bewirkt wird, ist die Krümmung von jeder Strahlbrechfläche geeignet festgelegt, so dass die chromatische Aberration über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung korrigiert wird.
Numerisches Beispiel 3
Das Numerische Beispiel 3 ist ein numerisches Beispiel der dritten Ausführungsform, und es ist ein variables optisches Vergrößerungssystem mit einem Vergrößerungs-Veränderungsverhältnis von in etwa 3,0×. Die 21, 22 und 23 sind in der Y-Z-Ebene genommene Querschnittsansichten, welche die entsprechenden optischen Wege des Numerischen Beispiels 3 relativ zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T) zeigen.
In der Reihenfolge von der Objektseite wird der Aufbau des Numerischen Beispiels 3 beschrieben. Die erste Fläche R1 ist eine Apertur-Ebene. Die erste optische Einheit B1 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die zweite Fläche R2 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die dritte bis sechste Fläche R3 bis R6, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die siebte Fläche R7 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die zweite optische Einheit B2 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die achte Fläche R8 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die neunte bis zwölfte Fläche R9 bis R12, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die dreizehnte Fläche R13 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die dritte optische Einheit B3 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die vierzehnte Fläche R14 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die fünfzehnte bis neunzehnte Fläche R15 bis R19, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die zwanzigste Fläche R20 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die vierte optische Einheit B4 ist als ein transparenter Körper gebildet, an welchem die einundzwanzigste Fläche R21 (Eintritts-Strahlbrechfläche), die zweiundzwanzigste bis vierundzwanzigste Fläche R22 bis R24, wobei jede hiervon eine dezentriert angeordnete, gekrümmte, nach innen reflektierende Fläche ist, sowie die fünfundzwanzigste Fläche R25 (Austritts-Strahlbrechfläche) ausgebildet sind. Die sechsundzwanzigste Fläche R26 ist eine End-Bildebene, in welcher die Bildaufnahmefläche einer Bildaufnahmevorrichtung, wie etwa einer CCD, positioniert ist.
Die optischen Einheiten des Numerischen Beispiels 3 sind vier separate optische Einheiten, die ein variables optisches Vergrößerungssystem begründen. Die zweite und dritte optische Einheit B2 und B3 sind optische Vergrößerungs-Veränderungseinheiten, die sich jeweils bewegen, um eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation zu bewirken.
Nachfolgend wird eine Bild-Ausbildungsoperation für ein Objekt, welches im Unendlichen liegt, beschrieben. Zunächst tritt ein Lichtbündel, das durch die Blende R1 hindurchgelaufen ist, in die erste optische Einheit B1 ein. In der ersten optischen Einheit B1 wird das Lichtbündel durch die zweite Fläche R2 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der dritten Fläche R3 bis der sechsten Fläche R6 reflektiert, dann durch die siebte Fläche R7 gebrochen und tritt dann aus der ersten optischen Einheit B1 aus. Während dieser Zeit wird ein Bild erster Ordnung in der Umgebung der vierten Fläche R4 ausgebildet, und ein Bild zweiter Ordnung wird zwischen der sechsten Fläche R6 und der siebten Fläche R7 ausgebildet. In der Umgebung der fünften Fläche R5 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die zweite optische Einheit B2 ein. In der zweiten optischen Einheit B2 wird das Lichtbündel durch die achte Fläche R8 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der neunten Fläche R9 bis der zwölften Fläche R12 reflektiert, dann durch die dreizehnte Fläche R13 gebrochen und tritt dann aus der zweiten optischen Einheit B2 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene dritter Ordnung zwischen der zehnten Fläche R10 und der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Weitwinkel-Ende befindet, oder in der Umgebung der elften Fläche R11 ausgebildet, wenn sich die Brennweite bei dem Tele-Ende befindet.
Dann tritt das Lichtbündel in die dritte optische Einheit B3 ein. In der dritten optischen Einheit B3 wird das Lichtbündel durch die vierzehnte Fläche R14 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der fünfzehnten Fläche R15 bis zu der neunzehnten Fläche R19 reflektiert, dann durch die zwanzigste Fläche R20 gebrochen und tritt dann aus der dritten optischen Einheit B3 aus. Während dieser Zeit wird eine Bild-Ausbildungsebene vierter Ordnung in der Umgebung der sechzehnten Fläche R16 ausgebildet, wenn sich die Brennweite bei dem Weitwinkel-Ende befindet, oder zwischen der sechzehnten Fläche R16 und der siebzehnten Fläche R17 ausgebildet, wenn sich die Brennweite beim Tele-Ende befindet. In der Umgebung der achtzehnten Fläche R18 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann tritt das Lichtbündel in die vierte optische Einheit B4 ein. In der vierten optischen Einheit B4 wird das Lichtbündel durch die einundzwanzigste R21 gebrochen, dann von Fläche zu Fläche an der zweiundzwanzigsten Fläche R22 bis zu der vierundzwanzigsten Fläche R24 reflektiert, dann durch die fünfundzwanzigste Fläche R25 gebrochen und tritt dann aus der vierten optischen Einheit B4 aus. Während dieser Zeit wird in der Umgebung der zweiundzwanzigsten Fläche R22 eine Bild-Ausbildungsebene fünfter Ordnung ausgebildet. In der Umgebung der dreiundzwanzigsten Fläche R23 ist eine Pupille ausgebildet.
Dann bildet das Lichtbündel, welches aus der vierten optischen Einheit B4 ausgetreten ist, letztendlich ein Bild sechster Ordnung auf der sechsundzwanzigsten Fläche R26 aus.
In dem Numerischen Beispiel 3 ist sowohl die erste optische Einheit B1 als auch die zweite optische Einheit B2 eine außeraxiale optische Einheit, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse in der Richtung zueinander gleich sind. Die dritte optische Einheit B3 ist eine außeraxiale optische Einheit, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse sich voneinander in der Richtung um 180° unterscheiden. Die vierte optische Einheit B4 ist eine außeraxiale optische Einheit, deren Eintritts-Referenzachse und Austritts-Referenzachse sich voneinander um in etwa 120° in der Richtung unterscheiden.
Nachfolgend wird die Vergrößerungs-Veränderungsoperation basierend auf der Bewegung der optischen Einheiten beschrieben. Während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation sind die Blende R1, die erste optische Einheit B1, die vierte optische Einheit B4 sowie die Bildebene R26 fixiert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes verändert, bewegt sich die zweite optische Einheit B2 in die Z-Minus-Richtung, während sich die dritte optische Einheit B3 in die Z-Plus-Richtung bewegt. Von daher wird während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes die Entfernung zwischen der ersten optischen Einheit B1 und der zweiten optischen Einheit B2 verringert, die Entfernung zwischen der zweiten optischen Einheit B2 und der dritten optischen Einheit B3 vergrößert und die Entfernung zwischen der dritten optischen Einheit B3 und der vierten optischen Einheit B4 vergrößert. Wenn sich die Brennweite von dem Weitwinkel-Ende in Richtung des Tele-Endes verändert, wird zusätzlich die gesamte optische Weglänge, die sich von der ersten Fläche R1 zu der sechsundzwanzigsten Ebene R26 erstreckt, länger.
Die 24, 25 und 26 zeigen Auftragungen der Seiten-Aberration des Numerischen Beispiels 3 relativ zu dem Weitwinkel-Ende (W), der Mitten-Position (M) und dem Tele-Ende (T). Die jeweiligen Auftragungen der Seiten-Aberration zeigen Seiten-Aberrationen in den Y- und X-Richtungen, und zwar relativ zu sechs Lichtbündeln, die in das Numerische Beispiel 3 bei verschiedenen Einfallswinkeln von jeweils (u_Y, u_X), (0, u_X), (–u_Y, u_X), (u_Y, 0), (0, 0) und (–u_Y, 0) eintreten. Die horizontale Achse von jeder der Auftragungen der Seiten-Aberration stellt die Höhe des Eintritts in der Y- oder X-Richtung eines Lichtbündels dar, das auf jede der Eintrittspupillen auftrifft.
Wie es anhand dieser Figuren erkannt werden kann, ist das Numerische Beispiel 3 in der Lage, eine gut ausgeglichene Korrektur der Aberration bei jeder Brennweitenposition zu erzielen.
Zusätzlich ist das optische System des Numerischen Beispiels 3 in etwa 7,7 mm dick, und zwar für eine Bildgröße von 3,76 mm × 2,82 mm. Weil im Numerischen Beispiel 3 jede der optischen Einheiten sowie das gesamte optische System eine geringe Dicke aufweisen, und weil jede der optischen Einheiten aufgebaut werden kann, indem Reflexionsflächen an bestimmten Seiten eines scheibenförmigen transparenten Körpers ausgebildet werden, ist es möglich, auf einfache Weise ein variables optisches Vergrößerungssystem aufzubauen, welches insgesamt dünn ist, und zwar indem ein Mechanismus angenommen wird, der bewirkt, dass sich zwei optische Einheiten entlang einer Fläche von einer Grundebene bewegen.
Obwohl im Numerischen Beispiel 3 eine chromatische Aberration durch eine Vielzahl von Strahlbrechflächen bewirkt wird, ist im übrigen die Krümmung von jeder der Strahlbrechflächen geeignet festgelegt, so dass die chromatische Aberration über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung korrigiert wird.
Jedes der zuvor beschriebenen numerischen Beispiele gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein variables optisches Vergrößerungssystem, welches zwei bewegbare optische Einheiten aufweist, jedoch in welchem drei optische Einheiten im Hinblick auf die optische Anordnung bewegbar sind und die gesamte optische Weglänge sich von einer Blende zu einer End-Ausbildungsebene während einer Vergrößerungs-Veränderungsoperation verändert. Demgemäss ermöglicht es jedes der zuvor beschriebenen numerischen Beispiele, den Freiheitsgrad der Aberrations-Korrektur zu erhöhen, und auf einfache Weise ein variables optisches Hochleistungs-Vergrößerungssystem zu erzielen.
Da zusätzlich jedes der zuvor beschriebenen numerischen Beispiele eine fixierte außeraxiale optische Einheit als vierte optische Einheit aufweist, wird die Aberrations-Korrektur weit einfacher, und es ist möglich, im Hinblick auf die Ausgestaltung, auf flexible Weise mit verschiedenen Layouts einem Bildaufnahmemedium und einer Bildaufnahme-Lichtbündel-Einführblende Rechnung zu tragen, die für ein Bild-Aufnahmegerät vorgesehen werden muss.
In Übereinstimmung mit der zuvor beschriebenen Anordnung und Konstruktion, erzielt die vorliegende Erfindung ein variables optisches Hochleistungs-Vergrößerungssystem, welches vier außeraxiale optische Einheiten aufweist, wobei sich zwei von ihnen relativ zueinander bewegen, um die Vergrößerung des variablen optischen Vergrößerungssystems zu verändern, wobei das variable optische Vergrößerungssystem ausgelegt ist, die Vergrößerung zu verändern, während die optische Weglänge von einem Objekt zu einer End-Bildebene variiert wird, wobei die End-Bildausbildungsebene räumlich fixiert ist, so dass die Dicke des variablen optischen Vergrößerungssystems gering ist, und zwar trotz seines weiten Sichtwinkels, und seine Gesamtlänge ist in einer festgelegten Richtung gering und seine Dezentrierungs-Aberration wird über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung vollständig korrigiert. Die vorliegende Erfindung erzielt ferner ein Bildaufnahmegerät, welches solch ein variables optisches Hochleistungs-Vergrößerungssystem verwendet.
Darüber hinaus erzielt die vorliegende Erfindung ein variables optisches Vergrößerungssystem mit zumindest einer der nachfolgend aufgeführten Wirkungen und Vorteile sowie ein Bildaufnahmegerät, welches solch ein variables optisches Vergrößerungssystem verwendet.
Da eine Blende an der Objektseite des variablen optischen Vergrößerungssystems oder in der Umgebung der ersten Fläche angeordnet ist, und da ein Objektbild mehrmals in dem variablen optischen Vergrößerungssystem ausgebildet wird, kann der effektive Durchmesser sowie die Dicke des variablen optischen Vergrößerungssystems gering ausgeführt sein, und zwar trotz seines weiten Sichtwinkels.
Da jede optische Einheit eine optische Einheit einsetzt, die eine Vielzahl von Reflexionsflächen mit geeigneten Strahlbrechkräften aufweist, und da die Reflexionsflächen in einer dezentrierten Art und Weise angeordnet sind, kann der optische Weg in dem variablen optischen Vergrößerungssystem in eine gewünschte Formgebung gekrümmt werden, um die Gesamtlänge des variablen optischen Vergrößerungssystems in einer festgelegten Richtung zu reduzieren.
Eine Vielzahl von optischen Einheiten, die das variable optische Vergrößerungssystem begründen, ist jeweils als ein transparenter Körper ausgebildet, an welchem zwei Strahlbrechflächen sowie eine Vielzahl von Reflexionsflächen integral derart ausgebildet sind, dass jede der Reflexionsflächen in einer dezentrierten Art und Weise angeordnet ist und dass jeder Reflexionsfläche eine geeignete Strahlbrechkraft gegeben wird. Demgemäss kann die Dezentrierungs-Aberration des variablen optischen Vergrößerungssystems über den gesamten Bereich der Veränderung der Vergrößerung vollständig korrigiert werden.
Da jede optische Vergrößerungs-Veränderungseinheit eine optische Einheit ist, die als transparenter Körper gebildet ist, an welcher zwei Strahlbrechflächen sowie eine Vielzahl von gekrümmten oder ebenen Reflexionsflächen integral ausgebildet sind, ist es nicht nur möglich, die gesamte Größe des variablen optischen Vergrößerungssystems zu reduzieren, sondern es ist ebenso möglich, das Problem der außerordentlich strengen Anordnungsgenauigkeit (Bestückungsgenauigkeit) zu lösen, welches häufig bei Reflexionsflächen auftritt.
Da die vierte optische Einheit eine fixierte außeraxiale optische Einheit ist, werden Korrekturen der Aberration weit einfacher, und es ist möglich, im Hinblick auf die Auslegung, flexibel verschiedenen Layouts eines Bildaufnahmemediums und einer Bildaufnahme-Lichtbündel-Einführblende Rechnung zu tragen, die für ein Bildaufnahmegerät vorgesehen werden muss.
Ein variables optisches Vergrößerungssystem, welches vier optische Einheiten aufweist, wobei jede Einheit eine Reflexionsfläche aufweist, die hinsichtlich eines Referenzachsen-Lichtstrahls geneigt ist, der ein Lichtstrahl ist, welcher von einer Apertur-Mitte eine Apertur-Blende zu einer Mitte einer End-Bildebene läuft, wobei das variable optische Vergrößerungssystem ausgelegt ist, eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation durchzuführen, indem zumindest zwei der vier optischen Einheiten entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls derart bewegt werden, um eine optische Weglänge zu variieren, die sich entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls von einer festgelegten Position an einer Objektseite zu der End-Bildebene erstreckt.

Claims

Variables optisches Vergrößerungssystem, welches vier optische Einheiten (13, 14, 15, 16) mit Reflexionsflächen aufweist, die hinsichtlich eines Referenzachsen-Lichtstrahls (12) geneigt sind, der durch einen Strahl definiert wird, welcher von einer Apertur-Mitte einer Apertur-Blende (11) zu einer Mitte einer End-Bildebene (17) läuft, wobei das variable optische Vergrößerungssystem ausgelegt ist, eine Vergrößerungs-Veränderungsoperation durchzuführen, und zwar indem zumindest zwei der vier optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls (12) bewegt werden, dadurch gekennzeichnet, dass jede der vier optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) eine Vielzahl der Reflexionsflächen aufweist, und dass in jeder der vier optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) der Referenzachsen-Lichtstrahl (12) an jeder der Vielzahl der Reflexionsflächen der optischen Einheit der Reihe nach reflektiert wird, und zwar nachdem der Referenzachsen-Lichtstrahl (12) in die optische Einheit eingetreten und bevor er hiervon ausgetreten ist.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach Anspruch 1, in welchem sich eine optische Weglänge, die sich entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls (12) von einer zuvor festgelegten Position an einer Objektseite zu der End-Bildebene (17) erstreckt, während der Vergrößerungs-Veränderungsoperation verändert.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, in welchem, wenn ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der in die optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) eintritt, als Eintritts-Referenzachse der optischen Einheiten dargestellt wird, folgendes gilt: ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der aus den optischen Einheiten austritt, wird als Austritts-Referenzachse der optischen Einheiten dargestellt; ein Schnittpunkt der Eintritts-Referenzachse mit jeder Oberfläche der optischen Einheiten wird als Referenzpunkt dargestellt; eine Richtung, in welcher entlang der Eintritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von einer Objektseite zu der Bildebene (17) läuft, wird als Richtung der Eintritts-Referenzachse dargestellt; eine Richtung, in welcher entlang der Austritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von der Objektseite zu der Bildebene (17) läuft, wird als Richtung der Austritts-Referenzachse dargestellt; und die vier optischen Einheiten werden entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls (12) jeweils erste optische Einheit (13), zweite optische Einheit (14), dritte optische Einheit (15) und vierte optische Einheit (16) in dieser Reihenfolge von der Objektseite bezeichnet; die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der dritten optischen Einheit (13) sind identisch zueinander, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse sowohl von der zweiten als auch von der dritten optischen Einheit (14, 15) unterscheiden sich voneinander um 180°, wobei sich die erste und die dritte optische Einheit (13, 15) zur Durchführung der Verstärkungs-Veränderungsoperation bewegen.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, in welchem, wenn ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der in die optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) eintritt, als Eintritts-Referenzachse der optischen Einheiten dargestellt wird, folgendes gilt: ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der aus den optischen Einheiten austritt, wird als Austritts-Referenzachse der optischen Achsen dargestellt; ein Schnittpunkt der Eintritts-Referenzachse mit jeder Oberfläche der optischen Einheiten wird als Referenzpunkt dargestellt; eine Richtung, in welcher sich entlang der Eintritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von einer Objektseite zu der Bildebene (17) bewegt, wird als Richtung der Eintritts-Referenzachse dargestellt; eine Richtung, in welcher sich entlang der Austritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von der Objektseite zu der Bildebene (17) bewegt, wird als Richtung der Austritts-Referenzachse dargestellt; und die vier optischen Einheiten werden entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls (12) jeweils erste optische Einheit (13), zweite optische Einheit (14), dritte optische Einheit (15) und vierte optische Einheit (16) in dieser Reihenfolge von der Objektseite genannt; die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse sowohl von der ersten als auch von der zweiten optischen Einheit (13, 14) sind identisch zueinander, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der dritten optischen Einheit (15) unterscheiden sich von einander um 180°, wobei sich die erste und dritte optische Einheit (13, 15) zur Durchführung der Verstärkungs-Veränderungsoperation bewegen.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach Anspruch 1 oder 2, in welchem, wenn ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der in die optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) eintritt, als Eintritts-Referenzachse der optischen Einheiten dargestellt wird, folgendes gilt: ein Abschnitt des Referenzachsen-Lichtstrahls (12), der aus den optischen Einheiten austritt, wird als Austritts-Referenzachse der optischen Einheiten dargestellt; ein Schnittpunkt der Eintritts-Referenzachse mit jeder Oberfläche der optischen Einheiten wird als Referenzpunkt dargestellt; eine Richtung, in welcher sich entlang der Eintritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von einer Objektseite zu der Bildebene (17) bewegt, wird als Richtung der Eintritts-Referenzachse dargestellt; eine Richtung, in welcher sich entlang der Austritts-Referenzachse der Referenzachsen-Lichtstrahl von der Objektseite zu der Bildebene (17) bewegt, wird als Richtung der Austritts-Referenzachse dargestellt; und die vier optischen Einheiten werden entlang des Referenzachsen-Lichtstrahls jeweils erste optische Einheit (13), zweite optische Einheit (14), dritte optische Einheit (15) und vierte optische Einheit (16) in dieser Reihenfolge von der Objektseite genannt; die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse sowohl von der ersten als auch von der zweiten optischen Einheit (13, 14) sind identisch zueinander, und die Richtung der Eintritts-Referenzachse und die Richtung der Austritts-Referenzachse der dritten optischen Einheit (15) unterscheiden sich voneinander um 180°, wobei sich die zweite und dritte optische Einheit (14, 15) zur Durchführung der Verstärkungs-Veränderungsoperation bewegen.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 5, in welchem jede der optischen Einheiten (13, 14, 15, 16) eine optische Einheit ist, die als transparenter Körper gebildet ist, an welchem zwei Strahlbrechungsflächen und die Vielzahl der außeraxialen Reflexionsflächen gebildet sind.
Variables optisches Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 3 bis 6, in welchem die Apertur-Blende (11) an einer Objektseite der ersten optischen Einheit (13) angeordnet ist.
Bildaufnahmevorrichtung, die das variable optische Vergrößerungssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7 aufweist, wobei die Bildaufnahmevorrichtung ausgelegt ist, ein Bild von einem Objekt auf einer Bildaufnahmefläche eines Bildaufnahmemediums auszubilden.