DE3143137C2

DE3143137C2 - Reflexions-ausblendende, fokussierende optische Vorrichtung

Info

Publication number: DE3143137C2
Application number: DE3143137A
Authority: DE
Inventors: William Edwin San Leandro Calif. Humphrey
Original assignee: Humphrey Instruments Inc
Current assignee: Allergan Humphrey
Priority date: 1980-10-31
Filing date: 1981-10-30
Publication date: 1985-10-03
Also published as: GB2087590A; JPS6058441B2; US4415239A; DE3143137A1; GB2087590B; AU549667B2; CH653140A5; AU7685381A; CA1159289A; JPS57135901A

Abstract

Es wird eine Reflexionen ausblendende oder auswerfende sphärische Linsenanordnung beschrieben. Mindestens zwei optische Elemente, die jeweils zylindrische Komponenten aufweisen, sind längs einer optischen Achse angeordnet. Die Elemente sind jeweils gegeneinander gekreuzt, so daß die kombinierte optische Gesamtwirkung die einer insgesamt sphärischen Linse ist. Jedes Linsenelement mit einer zylindrischen Komponente ist gegenüber einer senkrecht auf der optischen Achse stehenden Ebene geneigt. Längs der optischen Achse eintretendes Licht wird an den definierten optischen Grenzflächen so reflektiert, daß keine Rückkehr oder Weiterleitung längs der optischen Achse auftritt, d.h. die Reflexionen werden ausgeblendet. Vorzugsweise wird eine Linsenanordnung mit drei oder mehr Linsenelementen mit zylindrischen Komponenten verwendet, wobei die Nahepunkte der jeweiligen geneigten Linsenelemente mit gleichen Winkelabständen um die optische Achse verteilt sind. Eine bevorzugte Ausführung enthält drei geneigte sphärische Linsenelemente - typischerweise mit positiver Brechkraft - wobei die einem Ende der Linsenanordnung zugewendeten Nahepunkte jedes Elementes mit Winkelabständen von 120 ° um die optische Achse verteilt sind.

Description

F i g. 1B eine Endansicht der Vorrichtung nach Fig. IA,

Fig. IC eine Seitenansicht der Vorrichtung nach Fig. IA,

Fig. ID eine perspektivische Ansicht ähnlich Fig. IA, wobei die Außenabschnitte der Zylinderlinsen weggelassen sind,

F i g. 2A eine perspektivische Darstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels mit drei geneigten sphärischen Linsrn,

Fig.2B eine Seitenansicht der Vorrichtung nach F i g. 2A und

Fig.2C eine Endansicht der Vorrichtung nach F i g. 2A mit stark verdünnten Linsen.

F i g. 1A zeigt eine optische Achse O von einer Lichtquelle zu einem Detektor. Längs der optischen Achse O sind drei Zylinderlinsen Ci, C₂, C₃ angeordnet, die mit ÜDertriebener Länge dargestellt sind, um die Winkelausrichtung der Zylinderlinsen Q, C₂, C₃ gegenüber der optischen Achse O besser darstellen zu können. An den Schnittpunkten der Zylinderlinsen C,, C₂, C₃ mit der optischen Achse O sind senkrecht zur optischen Achse O Bezugsebenen Pi, P₂ und P₃ eingezeichnet.

F i g. 1B zeigt, daß die Zylinderlinse in Vertikalrichtung so ausgerichtet ist, daß ihr Nahepunkt N durch die Neigung der Zylinderlinse G um einen Winkel tx in der angezeigten Richtung über der optischen Achse an dem der Lichtquelle zugewendeten Ende der optischen Vorrichtung liegt

Die Zylinderlinse C₂ mit ihrer Bezugsebene P₂ ist gegenüber dieser um den gleichen Winkel oc so geneigt, daß ihr der Lichtquelle zugewendeter Nahepunkt A/mit einem Winkel 120° gegenüber dem Nahepunkt N der Zylinderlinse Q gedreht ist Die Zylinderlinse C₂ ist gegenüber der Ebene P₂ um einen Winkel geneigt, der vorzugsweise gleich dem Neigungswinkel « der Zylinderlinse Ci in bezug auf deren Ebene P\ ist Die auf die Ebene Pi projisierte Längsachse der Zylinderlinse G bildet eine vertikale Linie, während die auf die Ebene P₂ projizierte Längsachse der Zylinderlinse C₂ eine gegenüber der genannten Linie um 60° versetzte Linie bildet. Die jeweiligen Nahepunkte Λ/der Zylinderlinsen Ci, C₂ sind gegeneinander versetzt und durch einen Winkel von 120° getrennt.

Analog ist die Ausrichtung der Zylinderlinse C₃ gegenüber der zur optischen Achse O senkrechten Ebene P₃ vorgenommen. Insbesondere ist der Nahepunkt N der Zylinderlinse C₃ gegenüber den Nahepunkten Λ/der Zylinderlinsen Ci und C₂ wiederum um 120° verdreht. Ebenso ist die Zylinderlinse C₃ gegenüber der Ebene P₃ um einen Winkel oc gekippt.

In Fig. IC erkennt man leicht die Wirkung der gekippten Zylinderlinsen Ci, C₂, C₃. Ein parallel zur optischen Achse verlaufender Lichtstrahl L wird überall dort, wo er auf eine Zylinderlinse Ci, C₂ oder C₃ trifft, reflektiert, wobei das reflektierte Licht unter einem Winkel 2a gegen die optische Achse aus der Vorrichtung herausreflektiert wird,

Fig. ID zeigt eine Linsenanordnung entsprechend Fi g. IA, wobei jedoch nur die Mittelstücke der Zylinderlinsen Ci, C₂, C₃ wie bei der praktischen Ausführung dargestellt sind.

Betrachtet man in Fig. IC einen Lichtstrahl L₂, der nicht parallel zur optischen Achse O verläuft, so erkennt man, daß die Zylinderlinsen Ci, C₂, C₃ in Kombination die gleiche Ablenkung für den Lichtstrahl L₂ ergeben. Fig. IC zeigt, daß die Neigung des Lichtstrahls L₂ in bezug auf die Zylinderlinse Ci durch die Kippung dieser Zylinderlinse Ci vergrößert wird. Jedoch wird in bezug auf die Zylinderlinsen C₂ und C₃ die Neigung des Lichtstrahls L₂ gegenüber diesen Zylinderiinsen C₂, C₃ reduziert Es kann allgemein festgestellt werden, daß dann, wenn die Ausrichtung eines achsenversetzten Strahls L₂ gegenüber einem Linsenelement kritischer wird, die restlichen Linsenelemente eine verbesserte Ausrichtung besitzen.
Die optische Vorrichtung entsprechend den Fig. IA

ίο bis 1B läßt sich sehr leicht aufbauen, da insbesondere die Zylinderiinsen Ci, C₂, C₃ nicht genau aufeinander abgestimmt zu sein brauchen. Sie können zunächst in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und danach zur Anpassung der Zylinderiinsen Q, C₂, C₃ und zur Erzeugung der erwünschten optischen Wirkung, typischerweise eines scharf fokussieren Bildes, um einen kleinen Winkel verdreht werden.

Entsprechend F i g. 1B besitzen die jeweiligen Nahepunkte N aller Linsenelemente Ci, C₂, C₃ gleiche Win-

'kelabstände voneinander. Dies ist keineswegs trivial. Bei achsenversetzten Strahlen, die gleichmäßig beim Durchlaufen der Vorrichtung aus den Zylinderlinsen abgelenkt werden sollen, ist es notwendig und erforderlich, daß die Nahepunkte in der dargestellten gleichen Winkelverteilung liegen.

F i g. 2A zeigt ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der beschriebenen Vorrichtung. Insbesondere sind hier drei sphärische Linsen S_u S₂, S₃ längs einer optischen Achse O angeordnet. Die Linsen Si, S₂, S₃ sind gegenüber zur optischen Achse O senkrecht stehenden Ebenen Pi, P₂, P₃ jeweils gekippt

Jede Linse Si, S₂, S₃ besitzt einen Nahepunkt N. In F i g. 2C ist zu sehen, daß der Nahepunkt Λ/der Linse Si vertikal über der optischen Achse O liegt. Der der Lichtquelle zugewendete Nahepunkt N der Linse S₂ besitzt einen Abstand von 120° gegenüber dem Nahepunkt N der Linse Si und ebenso weist der Nahepunkt N der Linse S₃ 120°-Abstände von den beiden anderen Nahepunkten Λ/der anderen Linsen S₂ und Si auf.

Es ist bekannt, daß eine gegenüber der optischen Achse gekippte sphärische Linse eine astigmatische Komponente hervorruft. Da die erzeugten astigmatischen Komponenten der gegen die optische Achse O gekippten Linsen Si, S₂, S₃ alle gleiche Winkelabstände gegeneinander besitzen, gleichen sie sich in ihrer Gesamtwirkung gegenseitig aus.

Die Ausführungsform mit sphärischen Linsen St, S₂, S₃ entsprechend F i g. 2A, 2B und 2C besitzt gegenüber der Ausführung mit Zylinderiinsen Ci, C₂, C₃ entsprechend F i g. 1A bis 1D Vorteile.

Erstens wird zur Erzielung eines Objektivs mit einer Brechkraft von 12 Dioptrien ein Linsensatz von drei sphärischen Linsen notwendig, die jeweils 4 Dioptrien Brechkraft besitzen. Dagegen müssen drei Zylinderlinsen mit 8 Dioptrien Brechkraft in der Ausführung nach F i g. IA bis 1D verwendet werden.

Zweitens werden die optischen Gesamtfehler des Linsensystems weiter reduziert Beispielsweise sind die Konvergenzebenen von Strahlen mit unterschiedlichen Winkelrichtungen effektiv in der Vorrichtung nach F i g. 2A die gleichen, während sie in der Vorrichtung nach F i g. IA effektiv nicht gleich sind.

Dei Linsen mit großer Krümmung muß deren Kippung genügend groß gewählt werden, damit alle Luft/ Glas-Zwischenflächen an diesem Element Licht aus der optischen Achse heraus reflektieren. Es ist hierbei zu beachten, daß, anders als bei Verwendung einer Antireflexbeschichtung, es bei der beschriebenen Vorrichtung

erforderlich ist, daß die Linsen jeweils iii ihrer Winkellage bestimmt werden. Diese einzuhaltende Winkellage kann empirisch bei der jeweiligen eingesetzten Linse und den vorkommenden Einfallswinkeln bestimmt werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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Claims

1 2 dungsfehlern, deren störender Einfluß mit dem Kipp-Patentansprüche: winkel zunimmt Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine

1. Reflexions-ausblendende, fokussierende opti- gattungsgemäße fokussierende, optische Vorrichtung sehe Vorrichtung mit zumindest einem Linsenele- 5 zu schaffen, bei der das an den einzelnen Flächen der ment, das gegenüber einer senkrecht auf der opti- Linssnelemente reflektierte Licht ausgeblendet wird sehen Achse stehenden Ebene gekippt ist, da- und bei der die insgesamt sich ergebenden optischen durch gekennzeichnet, daß drei Linsenele- Fehler der Vorrichtung reduziert werden.

mente (Q, C₂, Cy, Si, S₂, S₃) mit zylindrisch wirken- Diese Aufgabe wird erfindungsgeir.äß durch die den Komponenten entlang der optischen Achse (O) io kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 geausgerichtet sind, und daß die Zylinderachsen der löst

zylindrisch wirkenden Komponenten der Linsenele- Durch die erfindungsgemäße Anordnung von drei mente (Q, C₂, Cy, S\, S₂, S₃) jeweils gegenüber senk- Linsenelementen mit zylindrisch wirkenden Komporecht auf der optischen Achse (O) stehenden Ebenen nenten wird eine optische Vorrichtung mit den Eigenso gekippt sind, daß die in einer Richtung der opti- 15 schäften einer fokussierenden sphärischen Optik gesehen Achse (O) jeweils vor den senkrechten Ebenen schaffen, bei der nicht nur die störenden Reflexe ausgeliegenden Abschnitte der Zylinderachsen der zylin- blendet sondern auch die optischen Fehler der einzeldrischen Komponenten der Li.isenelemente (Q, C₂, nen Linsenelemente kompensiert sind. Die optischen C₃; Si, S₂, S₃) jeweils um 120° um die optische Achse Fehler und deren störender Einfluß auf die Abbildung (O) herum gegeneinander versetzt sind, um so die 20 sind somit bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung optische Wirkung einer sphärischen Linse zu erzie- deutlich reduziert Ein weiterer Vorteil besteht darin, len. daß in der erfindungsgemäßen Vorrichtung keine kon-

2. Reflexions-ausblendende, fokussierende opti- zentrischen Lichtfallen mehr vorgesehen werden müssche Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- sen, und daß insbesondere auf störende Zentralblenden zeichnet daß die Linsenelemente (Q, C₂, C₃) einen 25 verzichtet werden kann.

resultierenden positiven Zylinderanteil aufweisen. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß

3. Reflexions-ausblendende, fokussierende opti- nicht parallel zur optischen Achse durch die Linsenansche Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch Ordnung bindurchtretende Lichtstrahlen die einzelnen gekennzeichnet daß die Linsenelemente Zylinder- Linsenslemente so schneiden, daß alle durch gleiche linsen (Cu C₂, C₃) sind. 30 Glasstärken hindurchtreten. Infolgedessen werden ach-

4. Reflexions-ausblendende, fokussierende opti- senversetzte, durch die optische Anordnung hindurchsche Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn- tretende Strahlen mit unterschiedlichen Winkellagen zeichnet daß die Linsenelemente positive sphärische mit größerer Symmetrie gebrochen.

Linsen (Si, S₂, S₃) sind. Als weiterer Vorteil der Erfindung ergibt sich, daß die

35 Brechkräfte der Zylinderkomponenten der Linsenelemente jeder optischen Anordnung nicht genau aufein-

ander abgeglichen werden müssen, da durch eine kleine

Drehung der einzelnen Linsenelemente gegeneinander eine Linsenanordnung mit insgesamt sphärischer Brech-

40 kraft erzeugt werden kann.

Die Erfindung betrifft eine reflexions-ausblendende, Hier sei daran erinnert daß sphärische Linsen theore-

fokussierende optische Vorrichtung gemäß dem Ober- tisch als zwei gekreuzte Zylinderünsen mit gleicher

begriff des Patentanspruchs 1. Brechkrait beschrieben werden können. Darüber hinaus

Linsenanordnungen mit einer Vielzahl von optischen ergibt sich insgesamt ein Zylinderanteil, wenn eine sphä-

Elementen ergeben immer Reflexionsprobleme. Insbe- 45 rische Linse gegenüber einer senkrecht auf der opti-

sondere treten bei jeder Luft/Glas-Zwischenfläche Re- sehen Achse stehenden Ebene geneigt wird,

flexionen auf. Wenn derartige Reflexionen im wesentli- Bei einem besonders bevorzugten Aursführungsbei-

chen längs der optischen Achse der Linsenanordnung spiel der Erfindung ist daher vorgesehen, daß die Lin-

weitergeleitet werden, ergibt sich eins Reflexionsauf- Senelemente positive sphärische Linsen sind,

hellung. 50 Hierbei ist es besonders vorteilhaft, daß die Brech-

Es ist bekannt, undurchsichtige »schwarze Körper« kraft der einzelnen Linsen klein sein kann, wenn eine

zentral in die Linsenanordnung einzubringen. Unange- optische Vorrichtung mit größerer Brechkraft geschaf-

nehmerweise ergeben sich dadurch bei den meisten Lin- fen werden soll. Soll beispielsweise die optische Vor-

senanordnungen zentrale Aperturblenden, die insbe- richtung eine Brechkraft von 12 Dioptrien besitzen, so

sondere dann unerwünschte Auswirkungen haben kön- 55 brauchen die drei geneigten Linsen nur jeweils eine

nen, wenn eine derartige Linsenanordnung zur Beleuch- Brechkraft von 4 Dioptrien aufzuweisen,

tung von Detektoren für geringe Lichtpegel benutzt Ein zusätzlicher Vorteil dieses bevorzugten Ausfüh-

wird. rungsbeispiels der Erfindung besteht darin, daß die ef-

Aus der DE-OS 23 40 687 ist eine Beleuchtungsanord- fektive Konvergenzebene für Strahlen unterschiedli-

nung mit einer Lichtquelle und einer Linse bekannt. Die 60 eher Winkellage bei geneigten sphärischen Linsen die

Linse, die das von der Lichtquelle kommende Licht kol- gleiche ist.

limiert, besitzt eine der Lichtquelle zugewandte konka- Weitere Ausführungsbeispiele sind in den übrigen

ve Fläche, deren Krümmungsradius so gewählt ist, daß Unteransprüchen beschrieben.

sie ein reelles Spiegelbild der Lichtquelle entwirft das Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise andurch Kippen der optischen Achse der Linse gegen die 65 hand der Zeichnung näher erläutert; in dieser zeigt
optische Achse der Beleuchtungsanordnung aus dem Fig. IA eine perspektivische Darstellung eines Aus-Gerätestrahlengang herausgeführt wird. führungsbeispiels mit drei längs einer optischen Achse

Eine derartige Kippung führt zu zusätzlichen Abbil- angeordneten Zylinderlinsen,