DE19724022A1

DE19724022A1 - Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem

Info

Publication number: DE19724022A1
Application number: DE1997124022
Authority: DE
Inventors: Tetsuya Abe; Takayuki Ito
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1996-06-06
Filing date: 1997-06-06
Publication date: 1997-12-11
Also published as: JPH09325267A

Description

Die Erfindung betrifft ein optisch gekoppeltes Bildaufnahme- /Suchersystem mit einem Objektiv, einer Bildaufnahmefläche, einem Okularsystem und einem hinter dem Objektiv angeordneten optischen Trennsystem zum Aufteilen eines Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, dem Okularsystem zugeordnetes Lichtbündel.

Ein solches Bildaufnahme-/Suchersystem wird in einer CCD-Ka mera, beispielsweise einer kleinen Videokamera, einer Digi talkamera oder einer elektronischen Überwachungskamera etc. verwendet.

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

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

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

In einem von dem optischen Bildaufnahmesystem unabhängigen optischen Sucher weichen für ein Objekt, dessen Objektentfer nung von einer spezifizierten Entfernung, d. h. von einer Re ferenzobjektentfernung abweicht, der Aufnahmebereich des Bild aufnahmesystems und der Sichtbereich des Suchers voneinander ab. Die Abweichung des Sichtbereichs des Suchers von dem Auf nahmebereich des Bildaufnahmesystems wird als Parallaxe be zeichnet.

Optisch gekoppelte Sucher, die von dem Bildaufnahmesystem ab gezweigt angeordnet sind, zeigen zwar keine Parallaxe, erfül len jedoch nur schwer die Anforderungen hinsichtlich der Mi niaturisierung und der Bequemlichkeit beim Betrachten des Ob jekts durch den Sucher. Wird die Größe der Bildebene des Bildaufnahmesystems (CCD) verringert, um den Sucher zu ver kleinern, so wird zugleich die Größe der in dem abgezweigten Lichtweg das optischen Suchers angeordneten primären Bilder zeugungsfläche verringert, und der sichtbare Abstrahlwinkel, d. h. der Sehwinkel wird klein, so daß das zu betrachtende Bild verkleinert wird und Schwierigkeiten beim Betrachten durch den Sucher auftreten.

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

Aufgabe der Erfindung ist es, ein optisch gekoppeltes Bild aufnahme-/Suchersystem mit einem kleinen Bildaufnahmesystem und einem optischen Sucher anzugeben, durch den ein Bild deutlich zu sehen ist und der von dem Bildaufnahmesystem ab gezweigt angeordnet ist.

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

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher er läutert. Darin zeigen:

Fig. 1A die schematische Darstellung eines optische gekop pelten Bildaufnahme-/Suchersystems,

Fig. 1B die Ansicht eines Prismas und eines Feldrahmens in Richtung des Pfeils 1B nach Fig. 1A,

Fig. 2 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnah mefläche,

Fig. 3A, 3B, 3C, 3D und 3E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 2,

Fig. 4 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensy stem,

Fig. 5A, 5B, 5C und 5D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 4,

Fig. 6 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu einer Bildaufnah mefläche,

Fig. 7A, 7B, 7C, 7D und 7E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 6,

Fig. 8 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels, ausgehend von dem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsensy stem,

Fig. 9A, 9B, 9C und 9D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 8,

Fig. 10 die schematische Darstellung der Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels, ausgehend von einem Objektivlinsensystem bis zu der Bildaufnahme fläche,

Fig. 11A, 11B, 11C, 11D und 11E die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 10,

Fig. 12 die schematische Darstellung der Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels, ausgehend von ei nem Objektivlinsensystem bis zu einem Okularlinsen system, und

Fig. 13A, 13B, 13C und 13D die Diagramme der Aberrationen des Linsensystems nach Fig. 12.

Das optisch gekoppelte Bildaufnahme-/Suchersystem gemäß der Erfindung enthält ein Objektivlinsensystem 10, ein optisches Trennsystem (Strahlteiler) 20, ein optisches Verkleinerungs system 30 mit positiver Brechkraft und eine Bildaufnahmeflä che I, die nach Fig. 1A ausgehend von der Objektseite in der genannten Reihenfolge angeordnet sind. Eine Kondensorlinse c, ein Prisma P mit drei Reflexionsflächen r1, r2 und r3 und ein Okularlinsensystem 50 sind ausgehend von der Objektseite in der genannten Reihenfolge in dem durch das optische Trenn system 20 abgezweigten Lichtpfad angeordnet. Die bildseitig angeordnete ebene Fläche der Kondensorlinse c begrenzt einen Feldrahmen F. Vier reflektierende Flächen, nämlich die re flektierende Fläche des Strahlteilers 20 und die drei Re flexionsflächen r1, r2 und r3 des Prismas P, bauen ein opti sches Umkehrsystem auf. EP bezeichnet den Augenpunkt. Vor der Bildaufnahmefläche I ist eine Glasabdeckung 31 (mit einem Filter) in Form einer ebenen Platte angeordnet. In Fig. 1A ist das optische Verkleinerungssystem 30 durch ein positives Linsenelement dargestellt.

In dem optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystem wird das durch das Objektivlinsensystem 10 und das optische Ver kleinerungssystem 30 erzeugte Bild auf die Bildaufnahmefläche I fokussiert. Das durch das Objektivlinsensystem 10 und die Kondensorlinse C erzeugte Bild wird auf den Feldrahmen F fo kussiert, der eine primäre Bilderzeugungsfläche begrenzt, so daß das Bild durch das optische Umlenksystem und das Okular linsensystem 50 als ein aufrecht stehendes reelles Bild gese hen werden kann. Die Kondensorlinse bildet das durch das Objektivlinsensystem 10 und das optische Trennsystem 20 er zeugte Bild auf das Okularlinsensystem 50 ab.

Ein signifikantes Merkmal der Erfindung besteht darin, daß das optische Verkleinerungssystem 30 zwischen dem hinter dem Objektivlinsensystem 10 angeordneten optischen Trennsystem 20 und der Bildaufnahmefläche I vorgesehen ist. Das zwischen dem optischen Trennsystem 20 und der Bildaufnahmefläche I ange ordnete optische Verkleinerungssystem 30 macht die Bildauf nahmefläche (CCD) I klein und erhöht so die Effizienz des op tischen Systems.

Die Formel (1) des Anspruchs 2 gibt den Abbildungsmaßstab des optischen Verkleinerungssystems 30 an. Da der Aufbau des op tischen Trennsystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem zu dem Okularlinsensystem der gleiche wie bei einem herkömm lichen optischen System ist, muß die Größe der primären Bild erzeugungsfläche des Okularlinsensystems im wesentlichen identisch der Größe für ein herkömmliches System sein. Um folglich die primäre Bilderzeugungsfläche des Okularlinsensy stems gegenüber der verkleinerten Bildebene des CCD-Elements zu vergrößern, ist der Abbildungsmaßstab des optischen Ver kleinerungssystems vorzugsweise klein, um der Formel (1) zu genügen. Übersteigt der Abbildungsmaßstab die obere Grenze, so ist das Verhältnis zwischen der Größe der Bildebene des Okularlinsensystems und der Bildebene des CCD-Elements zu klein, um die Aufgabe der Erfindung zu lösen. Ist der Abbil dungsmaßstab kleiner als die untere Grenze in der Formel (1), so kann zwar das CCD-Element klein ausgeführt werden, aber die Brechkraft des optischen Verkleinerungssystems nimmt zu, wodurch die Anzahl der das optische Verkleinerungssystem auf bauenden Linsen größer wird, so daß die Länge des Gesamtlin sensystems ansteigt. Dies steht dem Ziel der Miniaturisierung des optischen Systems entgegen.

Enthält das optische Verkleinerungssystem mindestens ein po sitives Linsenelement und mindestens ein negatives Linsenele ment, so können die chromatischen Aberrationen korrigiert werden. Ist ferner das optische Verkleinerungssystem aus ei nem Glas mit hohen Brechungsindex hergestellt, das der fol genden Formel (2) genügt, so kann nicht nur die Linsendicke des optischen Verkleinerungssystems verringert, sondern auch die Bildfeldkrümmung effektiv korrigiert werden.

1,7 < N_P, 1,7 < N_N (2)

worin

N_P der Brechungsindex des positiven Linsenelements,
N_N der Brechungsindex des negativen Linsenelements ist.

Im folgenden werden drei Ausführungsbeispiele 1, 2 und 3 des optisch gekoppelten Bildaufnahme-/Suchersystems an Hand nume rischer Daten diskutiert.

Ausführungsbeispiel 1

Die Fig. 2 bis 5 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Fig. 2 zeigt die Linsenanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildauf nahmefläche I, und die Fig. 3A bis 3E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Fig. 4 zeigt die Lin senanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektiv linsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die Fig. 5A bis 5D zeigen die Diagramme der Aberrationen dieser Linsenanordnung. Die Tabellen 1 und 2 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Lin sensystems ausgehend von dem optischen Trennsystem 20 bis zu dem Okularlinsensystem 50.

In Tabelle 2 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis 12 dargestellt, da diese Daten identisch denen sind, die in Tabelle 1 aufgeführt sind. Die Linsenflächen Nr. 13 und 14 der Tabelle 1 und 2 entsprechen dem optischen Trennsystem 20, die Linsenflächen Nr. 15 bis 18 in Tabelle 1 entsprechen dem optischen Verkleinerungssystem, die Linsenflächen Nr. 19 und 20 in Tabelle 1 entsprechen der Glasabdeckung der Bildauf nahmefläche (CCD) I, die Linsenflächen 15 und 16 in Tabelle 2 entsprechen der Kondensorlinse, die Linsenflächen Nr. 17 und 18 in Tabelle 2 entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 19 bis 23 in Tabelle 2 entsprechen dem Okularlinsensystem 50, wobei Nr. 22 und 23 der Glasabdeckung entsprechen.

In den Diagrammen der Aberrationen stellt SA die sphärische Aberration dar, SC die Sinusbedingung, d-Linie, g-Linie und C-Linie die chromatischen Aberrationen, dargestellt durch die sphärische Aberration und die laterale chromatische Aberra tion bei der jeweiligen Wellenlänge, S die Sagittalstrahlen und M die Meridionalstrahlen.

In den Tabellen und den Zeichnungen ist F_NO die F-Zahl, F die Brennweite, W der halbe Feldwinkel, ER der Durchmesser der Austrittspupille (Augenring), B das sichtbare Gesichtsfeld (halber Sehwinkel des Abstrahlwinkels), f_B die hintere Bild weite, L_E der Pupillenabstand, f₁₀, f₃₀, f₅₀ die Brenn weite des Objektivlinsensystems 10, des optischen Verkleine rungssystems 30, der Kondensorlinse C bzw. des Okularsystems 50, R der Krümmungsradius, D die Linsendicke oder der Abstand zwischen den Linsen, N_d der Brechungsindex bei der d-Linie und ν_d die Abbe-Zahl bei der d-Linie. Die Tabellen 1 und 2 zeigen die Linsendaten der Linsensysteme nach Fig. 2 bzw. Fig. 4.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die rotationssymmetrische, asphärische Fläche kann im allge meinen wie folgt ausgedrückt werden.

x = Ch²/{1 + [1 - (1+K)C²h²]^1/2} + A4h⁴ + A6h⁶ + A8h⁸ + . . .

worin
h die Höhe über der Achse ist,
x der Abstand von einer Tangentialebene eines asphärischen Scheitels,
C die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
K eine Konizitätskonstante,
A4 ein Asphäritätsfaktor vierter Ordnung,
A6 ein Asphäritätsfaktor sechster Ordnung,
A8 ein Asphäritätsfaktor achter Ordnung.

Asphäritätsdaten

Nr. 19: K = 0,0, A4 = -0,11700×10^-4, A6 = 0,19620×10^-5
A8 = 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0
Nr. 21: K = 0,0, A4 = 0,13060×10^-3, A6 = 0,26740×10^-5
A8 = 0,0, A10 = 0,0, A12 = 0,0

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 6 bis 9 zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Er findung. Fig. 6 zeigt die Linsenanordnung eines Linsensystems ausgehend von dem Objektlinsensystem 10 bis zu der Bilderzeu gungsfläche I, und die Fig. 7A bis 7E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Fig. 8 zeigt die Lin senanordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektlin sensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die Fig. 9A bis 9D zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenan ordnung. Die folgenden Tabellen 3 und 4 zeigen Linsendaten des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsen systems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50.

In Tabelle 4 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis Nr. 10 gezeigt, da diese identisch mit den in Tabelle 3 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr. 11 und 12 in Tabelle 3 und 4 entsprechen dem optischen Trennsystem 20, die Linsen flächen 13 bis 16 in Tabelle 3 entsprechen dem optischen Ver kleinerungssystem, die Linsenflächen Nr. 17 und 18 in Tabelle 3 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmefläche (CCD) I, die Linsenflächen Nr. 13 und 14 in Tabelle 4 entsprechen der Kondensorlinse, die Linsenflächen 15 und 16 in Tabelle 4 entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Reflexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 17 bis 21 in Tabelle 4 entsprechen dem Okularlinsensystem 50, wobei Nr. 20 und Nr. 21 der Glasabdeckung entsprechen.

Tabelle 3

Tabelle 4

Ausführungsbeispiel 3

Die Fig. 10 bis 13 zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Fig. 10 zeigt eine Linsenanordnung des Linsensystems ausge hend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahme fläche I, und die Fig. 11A bis 11E zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung. Fig. 12 zeigt die Linsenan ordnung des Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensy stem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50, und die Fig. 13A bis 13D zeigen die Diagramme der Aberrationen der Linsenan ordnung. In den folgenden Tabellen 5 und 6 sind Linsendaten das Linsensystems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu der Bildaufnahmefläche I bzw. Linsendaten des Linsen systems ausgehend von dem Objektivlinsensystem 10 bis zu dem Okularlinsensystem 50 aufgeführt.

In Tabelle 6 sind keine Linsendaten der Linsenflächen Nr. 1 bis 10 aufgeführt, da diese identisch mit den in Tabelle 5 aufgeführten sind. Die Linsenflächen Nr. 11 und 12 in Tabelle 5 und 6 entsprechen dem optischen Trennsystem 20, die Linsenflächen Nr. 13 bis 16 in Tabelle 5 entsprechen dem op tischen Verkleinerungssystem, die Linsenflächen 17 und 18 in Tabelle 6 entsprechen der Glasabdeckung der Bildaufnahmeflä che (CCD) I, die Linsenflächen Nr. 13 und 14 in Tabelle 6 entsprechen der Kondensorlinse, die Linsenflächen Nr. 15 und 16 in Tabelle 6 entsprechen dem Prisma P mit seinen drei Re flexionsflächen, und die Linsenflächen Nr. 17 bis 21 in Ta belle 6 entsprechen dem Okularsystem 50, wobei Nr. 20 und 21 der Glasabdeckung entsprechen.

Tabelle 5

Tabelle 6

Die folgende Tabelle 7 zeigt numerische Werte entsprechend der Formel (1) des ersten, zweiten und dritten Ausführungs beispiels.

Tabelle 7

Wie in Tabelle 7 zu sehen ist, erfüllen die drei Ausführungs beispiele die in der Formel (1) angegebene Anforderung. So können die Aberrationen angemessen korrigiert werden.

Für eine Kamera mit einem von dem Lichtweg des optischen Bildaufnahmesystems abgezweigt angeordneten optischen Sucher kann gemäß der Erfindung ein optisch gekoppeltes Bildauf nahme-/Suchersystem angegeben werden, in dem das Bild deut lich durch den optischen Sucher gesehen werden kann, ohne daß das optische Bildaufnahmesystem größer ausgebildet werden muß.

Claims

1. Optisch gekoppeltes Bildaufnahme-/Suchersystem mit einem Objektiv (10), einer Bildaufnahmefläche (I), einem Oku larsystem (50) und einem hinter dem Objektiv (10) ange ordneten optischen Trennsystem (20) zum Aufteilen eines Lichtbündels in ein erstes, der Bildaufnahmefläche (I) zugeordnetes Lichtbündel und ein zweites, dem Okularsy stem (50) zugeordnetes Lichtbündel, gekennzeichnet durch ein zwischen dem optischen Trennsystem (20) und der Bildaufnahmefläche (I) angeordnetes optisches Verkleine rungssystem (30).

2. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß es folgende Formel (1) erfüllt: 0,3 < M_R-i < 0,8 (1)worin M_R-i der Abbildungsmaßstab des optischen Verklei nerungssystems (30) ist.

3. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß das optische Verkleinerungssy stem (30) ein positives Linsenelement und ein negatives Linsenelement enthält.

4. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, daß es folgende Formel (2) erfüllt: 1,7 < N_p, 1,7 < N_n (2)worin N_p der Brechungsindex des positiven Linsenelements und N_n der Brechungsindex des negativen Linsenelements ist.

5. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine zwischen dem opti schen Trennsystem (20) und dem Okularsystem (50) angeord nete Kondensorlinse (C) positiver Brechkraft.

6. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Kondensorlinse (C) mit einer ebenen Fläche nahe dem optischen Okularsystem (50) ausgebildet ist.

7. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, daß an der ebenen Fläche der Kondensorlinse (C) ein Feldrahmen (F) ausgebildet ist.

8. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch ein optisches Bildum kehrsystem, das zwischen dem Objektiv (10) und dem Oku larsystem (50) angeordnet ist.

9. Bildaufnahme-/Suchersystem nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das optische Bildumkehrsystem das opti sche Trennsystem (20) und ein Prisma (P) mit drei Refle xionsflächen (r1, r2, r3) enthält.

10. Bildaufnahme-/Suchersystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das optische Trennsystem (20) einen Strahlteiler enthält.