DE19755565A1

DE19755565A1 - Linsenanordnungssystem

Info

Publication number: DE19755565A1
Application number: DE19755565A
Authority: DE
Inventors: Mark Marshall Meyers
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1996-12-20
Filing date: 1997-12-15
Publication date: 1998-06-25
Also published as: JPH10186107A; US5822125A

Description

Die Erfindung betrifft ein kompaktes Linsensystem mit kurzer Brennweite und einer Vielzahl von Linsenanordnungen. Die Erfindung ist besonders für die Verwendung in fotografischen oder digitalen Kameras sowie in digitalen Cam cordern geeignet, ohne allerdings darauf beschränkt zu sein.

Es ist wünschenswert, sehr kompakte Kameras herzustellen. Um eine kom pakte Kamera herzustellen, muß man in der Lage sein, ein sehr kompaktes Aufnahmelinsensystem (auch als Objektiv bezeichnet) herzustellen. Die Kom paktheit eines Linsensystems ist durch seine Gesamtlänge definiert, d. h. wie groß der Abstand von dem vorderen Scheitelpunkt der Oberfläche der vorder sten Linse des Linsensystems zur Bildebene des Linsensystems ist. Dieser Abstand hängt oft von der Brennweite des Linsensystems ab. Je kürzer die Brennweite des Linsensystems ist, um so kompakter wird es. In einem her kömmlichen Linsensystem wird die Größe des Bildformats nur durch zwei Parameter bestimmt, und zwar der Brennweite FL des Linsensystems und dem Bildfeldwinkel e. Dies wird in Fig. 1 gezeigt. Die Beziehung dieser beiden Parameter ist durch folgende Gleichung definiert:

h = FL x Tan(θ/2)

wobei h die Halbdiagonale des erforderlichen Formats (auch als Bildhöhe be zeichnet) und θ/2 des Bildfeldwinkels ist.

Um bei kürzer werdender Brennweite des Linsensystems das gleiche Bildfor mat zu erhalten (d. h. um eine gegebene Bildhöhe h beizubehalten), muß das Linsensystem ein größeres Bildfeld verarbeiten. Je größer aber das Bildfeld wird, um so schwieriger wird es, bestimmte Linsenaberrationen zu korrigieren. Wenn das halbe Bildfeld θ/2 größer als 30-35° ist, werden Koma, Astigmatis mus und Bildfeldkrümmung zu vorherrschenden Aberrationen und beeinträchti gen die Bildqualität negativ. Ein herkömmliches Linsensystem kann nicht kom pakt sein, eine akzeptable Bildqualität liefern, eine kurze Brennweite aufweisen und mit einem großen Bildfeld aufwarten. Das Bemühen, die Brennweite kurz zu halten, steht im Konflikt mit dem Bemühen, das Bildfeld nicht zu groß wer den zu lassen.

Aus der Natur sind Linsenanordnungen bereits bekannt. Die Augen einer Fliege umfassen beispielsweise eine Anordnung kleinster Linsenelemente (auch als Facetten bezeichnet). Die von der Fliege bekannten Linsenanordnungen werden benutzt, um Masken für das Fotoätzverfahren herzustellen. Dies wurde in "SPIE HANDBOOK OF PHOTOGRAPHlC SCIENCE", Teil 21, Seite 1236, herausgegeben von John Wiley und Söhne, beschrieben.

Linsenanordnungen wurden auch für andere Zwecke verwendet. Das US-Patent 5,351,151 beschreibt einen doppelten Linsenanordnungstransflektor für kombinierte räumliche und spektrale Filteranwendungen. In diesem Transflektor liegen die Brennebenen von zwei Anordnungen übereinander. Ein kollimierter Strahl, der auf die erste Linsenanordnung fällt, tritt aus der zweiten Lin senanordnung ebenfalls als kollimierter Lichtstrahl aus und erzeugt somit kein Bild. Ein nahezu kollimierter einfallender Strahl tritt als nahezu kollimierter Strahl an der zweiten Linsenanordnung aus. Dieses Patent (Sp. 7) beschreibt zudem, daß die aus der zweiten Anordnung austretenden Lichtstrahlen in be zug zueinander ungeordnet sind und weiterer optischer Mittel bedürfen, um geordnet zu werden. Dieses Patent beschreibt zudem, daß für einen weit ent fernten Gegenstand keine wirkliche Abbildung gebildet wird, und daß die Ab bildung ein virtuelles Bild ist (Sp. 5, Zeile 67). Die vorhandenen Strahlen diver gieren also, statt zu konvergieren. Wenn ein lichtempfindliches Medium hinter der zweiten Anordnung plaziert wird, wird auf dem lichtempfindlichen Medium kein Bild erzeugt.

US-A-4,739,416 und US-A-4,632,522 beschreiben eine Linsenbaugruppe zur Verwendung in einer Fotokopiervorrichtung. Die in US-A-4,632,522 beschrie bene Linsenbaugruppe umfaßt zwei Linsenanordnungen, die derart konfiguriert sind, daß sie einen nahen Gegenstand auf eine zugeordnete Bildebene (als Schirm bezeichnet) noch einmal abbilden. Die Brennebene der ersten Linsen anordnung befindet sich auf halber Strecke zwischen der ersten Linsenanord nung und der Zwischenbildebene der Bildabschnitte. Da die zweite Linsenan ordnung derart konfiguriert ist, daß sie einen Gegenstand noch einmal abbildet, der in der zuvor genannten Zwischenbildebene liegt, wird alles, was sich in Nähe der Brennebene der ersten Linsenanordnung befindet, von der zweiten Linsenanordnung nicht einwandfrei noch einmal abgebildet. Diese Linsenan ordnung ist also nicht in der Lage, einen entfernten Gegenstand auf der Abbil dungsebene (d. h. Bildschirm) abzubilden. Darüber hinaus erfassen benach barte Linsen Teile desselben Bildfeldes. Dies führt zu einer Vielzahl von ver setzten und sich teilweise überlagernden Bildern. In einer Kameraanwendung ist dies denkbar ungeeignet.

In der Strahlenlenkoptik wurden Gruppen von zwei Linsenanordnungen ver wendet. Derartige Gruppen werden in US-A-5,059,008 und US-A-5,015,080 beschrieben. Die Linsenanordnungen dieser Gruppen sind nicht darauf aus gelegt, unterschiedliche Teile eines Bildfeldes zu erfassen. Statt dessen sind die Gruppen von Linsenanordnungen derart konfiguriert, daß sie einen kolli mierten Lichtstrahl erzeugen, der in verschiedenen Winkeln aus dem optischen System austritt. Diese Gruppen von Linsenanordnungen erzeugen keine Bilder und sind von daher nicht zur Verwendung in einem Bilderzeugungssystem ge eignet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein sehr kompaktes und einfach herzustellendes Linsenanordnungssystem mit kurzer Brennweite und einer hervorragenden Bildqualität über ein großes Bildfeld hinweg bereitzustellen. Dies wird erfindungsgemäß mit der gemäß den Ansprüchen 1, 12 oder 16 be schriebenen Erfindung erreicht.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die Brennweite f₂ kürzer als die Brennweite f₁ und das Einzelbild ist ein zusammenhängendes Bild.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung stellen die erste und die zweite Linsenanordnung in Kombination ein Linsenanordnungssystem mit einer Gesamtlänge von weniger als 17 mm bereit.

Nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung genügt das Linsenan ordnungssystem einem Verhältnis 1,0<f₁/f₂<7,0.

Ebenfalls nach einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die zweite Linsenanordnung in einer Entfernung von größer gleich 1,2f₂ zur Zwischenbild ebene beabstandet.

Die Erfindung hat den Vorteil, daß das Linsenanordnungssystem kompakt ist, eine kurze Brennweite aufweist und Abbildungen über ein großes Bildfeld er zeugen kann.

Die Erfindung wird im folgenden anhand in der Zeichnung dargestellter Ausfüh rungsbeispiele näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 ein optisches System nach dem Stand der Technik;

Fig. 2 ein optisches System, das in einer verwandten Anmeldung be schrieben wird;

Fig. 3 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen, bei spielhaften Linsenanordnungssystems;

Fig. 4 eine schematische Schnittansicht eines Linsenanordnungs systems einer ersten bevorzugten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung;

Fig. 4A die Positionierung der Linsen des Linsenanordnungssystems in Beziehung zueinander und in Relation zur Zwischenbildebene;

Fig. 5 eine Draufsicht der Streulichtplatte und der Linsen der ersten Linsenanordnung;

Fig. 6 eine Seitenansicht der Streulichtplatte und der Linsenanordnung;

Fig. 7 die Streulichtblendenanordnung;

Fig. 8A-C drei mögliche Konfigurationen einer Verschlußplatte;

Fig. 9A u. 9B die zweite Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linsenan ordnungssystems;

Fig. 10 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linsen anordnungssystems;

Fig. 11 die Draufsicht der in Fig. 10 gezeigten Ausführungsform;

Fig. 12 eine andere Ausführungsform des erfindungsgemäßen Linsen anordnungssystems;

Fig. 13 eine Draufsicht der Linsenkonturen und Streulichtscheiben für die erfindungsgemäße Linsenanordnung 10;

Fig. 14 eine Schnittansicht entlang der Schnittlinien 2-2 der Linsenan ordnung aus Fig. 13;

Fig. 15A eine Schnittdarstellung einer zentralen Linse der ersten Linsen anordnung;

Fig. 15B und 15C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 15A dargestellte Linse;

Fig. 16A eine Schnittdarstellung der Linse der ersten Linsenanordnung in einem Bildfeldwinkel von 16°;

Fig. 16B und 16C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 16A dargestellte Linse;

Fig. 17A eine Schnittdarstellung der Linse der ersten Linsenanordnung in einem Bildfeldwinkel von 24°;

Fig. 17B und 17C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 17A dargestellte Linse;

Fig. 18 und 19 vordere und hintere perspektivische Ansichten einer Linse;

Fig. 20 eine Schnittdarstellung der Linse aus Fig. 19;

Fig. 21A u. 21B eine über einer Linsenanordnung angeordnete Aperturanord nung, wobei die sphärische Fläche jeder Linse durch topografi sche Linien definiert ist, wobei die physischen Linsenmittel punkte hinsichtlich der Mittelpunkte der Bildabschnitte (in Fig. 21A) divergieren und hinsichtlich der Mittelpunkte der Bildab schnitte konvergieren (in Fig. 21B);

Fig. 22 eine Schnittdarstellung einer ersten Linsenanordnung mit einer Anordnung von Bildblenden und einer Anordnung von Aper turblenden, die vor dieser Linsenanordnung positioniert sind;

Fig. 23 eine Schnittdarstellung einer ersten Linsenanordnung mit einer Anordnung von Bildblenden vor dieser Linsenanordnung und einer Anordnung von Aperturblenden zwischen der Linsenan ordnung und der Zwischenbildebene;

Fig. 24A eine Schnittdarstellung des Abschnitts einer Linse, die einem Bildfeldwinkel von 0° zugeordnet ist;

Fig. 24B u. 24C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 24A dargestellte Linse;

Fig. 25A eine Schnittdarstellung des Abschnitts einer Linse, der ein Bild feldwinkel von 14° zugeordnet ist;

Fig. 25B u. 25C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 25A dargestellte Linse;

Fig. 26A eine Schnittdarstellung des Abschnitts einer Linse, der ein Bild feldwinkel von 20° zugeordnet ist;

Fig. 26B u. 26C die tangentialen und sagittalen Strahlenaberrationskurven für die in Fig. 26A dargestellte Linse;

Fig. 27 eine Schnittdarstellung einer mittig angeordneten Linse, die zum nochmaligen Abbilden einer Linsenanordnung verwendet wird; und

Fig. 28 einen kleinen Teil eines Linsenanordnungssystems mit einer integrierten Bildfeldanordnung zum nochmaligen Abbilden.

Zum leichteren Verständnis wurden, soweit möglich, gleiche Elemente mit glei chen Bezugsziffern versehen.

Beschreibung des Linsenanordnungsystems

Ein neuer und vielversprechender Ansatz für Digitalkameras mit einer neuen Kombination aus Linsenanordnung und CCD-Anordnung wird in den verwand ten Anmeldungen Nr. 08/652,735 und 08/663,887 beschrieben. Diese Linsen anordnungen erzeugen mehrere Bildabschnitte eines länglichen Gegenstands O. Diese Bildabschnitte sind in bezug zueinander nicht einwandfrei ausgerich tet. Die Vielzahl von Linsen einer gegebenen Linsenanordnung erzeugt ein Gesamtbild, das sowohl unzusammenhängend als auch "ungeordnet" ist, so daß die oberen und unteren Bereiche dieser Bildabschnitte nicht miteinander korrespondieren (siehe Fig. 2). Die Bildabschnitte befinden sich in einer Ebene, die eine CCD-Anordnung beinhaltet. Die von diesen Bildabschnitten dargestellten Bildinformationen werden von einer CCD-Anordnung angenom men und verarbeitet, wobei ein fertiges, "geordnetes" Bild I zwecks Anzeige erzeugt wird. Weil das auf der eine CCD-Anordnung beinhaltenden Ebene er zeugte Gesamtbild ungeordnet ist, eignet es sich nicht für die direkte Betrach tung oder für die Filmfotografie. Es kann in Digitalkameras ohne eine spezielle CCD-Anordnung und/oder ohne weitere Verarbeitung nicht verwendet werden.

Das Linsenanordnungssystem 1 der vorliegenden Erfindung erzeugt ein Bild I eines langgestreckten Gegenstands O. Das Linsenanordnungssystem 1 kann ein breites Bildfeld erfassen (mindestens +/-30° und vorzugsweise +/-35° oder mehr). Dieses Linsenanordnungssystem kann aber auch in Systemen nützlich sein, die ein Bildfeld von +/-10° (oder größer) erfassen. Das Linsenanord nungssystem 1 wird detailliert im Rahmen der Ausführungsformen 100, 200, 300, 400 beschrieben. Das Linsenanordnungssystem 1 umfaßt eine Bildfeld begrenzungsanordnung und zwei oder mehr Linsenanordnungen 10, wie in Fig. 3 gezeigt.

Eine der Linsenanordnungen 10 arbeitet als Abbildungslinse und wird als Ab bildungslinsenanordnung bezeichnet. Die andere Linsenanordnung 10 arbeitet als eine Relaislinse (d. h. Linse für die nochmalige Abbildung) und wird als Lin senanordnung für die nochmalige Abbildung bezeichnet. Jede Linsenanord nung 10 umfaßt eine Vielzahl (über 4) kleiner Linsenelemente 12 (hier auch als Linsen bezeichnet). Jede Linsenanordnung 10 kann zehn, hunderte, tausende oder Millionen von Linsen 12 enthalten.

Die Gesamtlänge des Linsenanordnungssystems 1 wird von der vordersten Linsenanordnungsfläche der Abbildungsebene gemessen. Vorzugsweise ist die Gesamtlänge des Linsenanordnungssystems kleiner als 17 mm und vorzugs weise kleiner als 12 mm und möglichst kleiner als 8 mm und am besten kleiner als 5 mm. Dies ermöglicht die Herstellung sehr kompakter fotografischer und digitaler Kameras sowie Videocamcorder.

Die optische Brechkraft der Linsen 12 der Linsenanordnung 10 ist derart, daß das Linsenanordnungssystem eine Brennweite aufweist, die kürzer als 15 mm ist, und vorzugsweise zwischen 0,5 und 15 mm liegt. Die Linsen 12 haben typi scherweise einen freien Öffnungsdurchmesser von ca. 1 bis 2 mm. Je weniger Linsen sich in der Anordnung befinden, um so größer sind die freien Öffnungs durchmesser dieser Linsen. Die freien Öffnungsdurchmesser der einzelnen Linsen können 2 mm überschreiten. Falls das Bildfeld des Linsenanordnungs systems sehr groß ist, weisen die Linsenanordnungen tendenziell eine große Anzahl von Linsen auf. Je mehr Linsen sich in der Anordnung befinden, je kür zer kann die Brennweite der Linsenanordnung sein. Eine Anordnung mit einer großen Zahl von Linsen kann in eine kleinere, kompaktere Verpackung passen.

Die Linsen 12 sind auf einem gemeinsamen Träger 13 angeordnet. Vorzugs weise ist dieser Träger 0,5 bis 2,5 mm dick. Er kann dicker sein, doch ist dies nicht wünschenswert, weil dadurch die gesamte Linsenanordnung an Kompaktheit verliert. Wenn der Träger zu dünn ist, kann er jedoch zu zer brechlich sein. Vorzugsweise ist der Träger 1 bis 2 mm dick. Die spezifischen Parameter für die hier beispielhaft verwendeten Linsen werden nachstehend in dieser Anmeldung beschrieben.

Gemäß einer ersten Ausführungsform umfaßt das Linsenanordnungssystem 100 eine Vielzahl von Linsenanordnungen 10, die wiederum eine erste Linsen anordnung 110 und eine zweite Linsenanordnung 120 umfassen, wie in Fig. 4 gezeigt. Die Linsenanordnung 110 arbeitet als Abbildungslinse, die Linsenan ordnung 120 arbeitet als Relaislinse. Jede Linsenanordnung 110, 120 umfaßt eine Vielzahl von Linsen 12. Die Linsenanordnungen 110 und 120 können tau sende von Linsen 12 umfassen.

In dieser Ausführungsform werden die Linsen 12 der ersten Linsenanordnung 110 als Linsen 130 bezeichnet. Jede Linse 130 hat eine positive Brechkraft. Sie weist eine Brennweite f₁ von 3,0 mm und die Blendenzahl F/2 auf. Jede Linse 130 arbeitet für sich als Abbildungslinse. Jede Linse 130 ist derart ausgebildet, daß sie ein eindeutiges Segment des Bildfeldes aufnimmt und daß sie einen umgekehrten Bildabschnitt entsprechend diesem Bildfeldsegment erzeugt. Jede Linse 130 erzeugt also einen kleinen, diskreten und umgekehrten Abschnitt 135 des Gesamtbildes. Die Bildabschnitte sind nicht zusammenhän gend und sind auch nicht zueinander so einwandfrei ausgerichtet, als daß sie eine direkte Betrachtung oder eine Filmfotografie zulassen würden (siehe Fig. 4). Die zweite Linsenanordnung 120 wird benötigt, um diese von der ersten Linsenanordnung 110 erzeugte Vielzahl von Bildabschnitten 135 (die auf der Zwischenbildebene 136 angeordnet sind) noch einmal derart abzubilden, daß aus dieser Vielzahl von Bildabschnitten 135 ein einziges, zusammenhängendes und richtig ausgerichtetes Bild I gebildet wird. Die Linsen 12 der zweiten Linsenanordnung 120 werden als Linsen 140 bezeichnet. Diese Linsen 140 haben eine positive Brechkraft. Sie weisen eine Brennweite f₂ von 0,5 mm und die Blendenzahl F/2 auf. Jede Linse 140 entspricht einer Linse aus der Vielzahl von Linsen 130 auf der ersten Linsenanordnung 110. Jede Linse 140 arbeitet als Relaislinse. Das heißt, daß jede Linse 140 der zweiten Linsenanordnung 120 einen Bildabschnitt 135, der von der entsprechenden Linse 130 auf der ersten Linsenanordnung 110 erzeugt wurde, noch einmal abbildet und diesen Bildabschnitt noch einmal umkehrt. Das Bild I kann auf einer beliebigen licht empfindlichen Oberfläche gebildet werden, u. a. auf fotografischem Film, auf Fotopapier oder auf einer CCD-Anordnung.

In einigen Digitalkameraanwendungen kann es vorzugsweise der Fall sein, daß das auf den lichtempfindlichen Pixeln der Abtastanordnung erzeugte Bild I nicht zusammenhängend ist, weil diese Pixel nicht im wesentlichen benachbart zu einander angeordnet sind. In diesem Fall bilden die Linsen 140 die Vielzahl der "ungeordneten" Bildabschnitte 135 in einer Vielzahl von geordneten endgülti gen Bildabschnitten ab, die ein gesamtes, richtig ausgerichtetes und zusam menhängendes Bild I des Gegenstands O bilden.

Die Brennweiten f₁ der Linsen 130 sind relativ kurz, vorzugsweise kürzer als 15 mm und möglichst kürzer als 12 mm oder noch besser kürzer als ca. 10 mm und am besten in Bereich von 2 bis 7 mm. Wie zuvor erwähnt, beträgt die Brennweite in dieser Ausführungsform 3 mm. Sie kann allerdings 1 mm oder 0,5 mm kurz sein. Je kürzer die Brennweite f₁ ist, um so kompakter ist die Ge samtlänge des Linsenanordnungssystems. Je kürzer die Brennweite f₁ ist (bei dem gegebenen Bildfeld für jede Linse 120), um so kleiner ist aber auch der Zwischenbildabschnitt 135. Wenn f₁ also im Bereich von 1 mm bis 0,5 mm (oder noch kürzer) liegt, können die Bildabschnitte 135 möglicherweise zu klein werden, um auf einem Film noch einmal einwandfrei abgebildet werden zu können. Wenn Film als lichtempfindliches Medium benutzt wird, ist die Film korngröße einer der Hauptfaktoren für die Bestimmung der kleinstmöglichen Größe der Bildabschnitte 135. In Digitalkameraanwendungen kann die Brenn weite f₁ auf die Größe der lichtempfindlichen Pixel beschränkt werden. Vor zugsweise sollte f₁ daher größer als 0,5 mm und vorzugsweise größer als 1,0 mm sein.

Fig. 4 zeigt, daß die erste Linsenanordnung 110 Bildabschnitte 135 (auf einer Zwischenbildebene 136) eines Gegenstandes O bildet, der in einem Motivab stand d₁ zum vorderen Scheitelpunkt der Mittellinse 130 beabstandet ist. Der Motivabstand d₁ ist vorzugsweise größer oder gleich dem Zwanzigfachen der Brennweite f₁ der Linse 130 (d. h. d₁ ist mehr als das Zwanzigfache von f₁, wo bei f₁ kleiner als 15 mm ist). Jeder Gegenstand, der in einem typischen Be trachtungsabstand für die Kameraanwendungen angeordnet ist (d. h. 300 mm oder mehr zur Kamera entfernt), wird bei Motivabständen angeordnet sein, die für die erste Linsenanordnung 110 praktisch im Bereich von unendlich liegen. Die Zwischenbildebene 136 dient als Motivebene für die Linsenanordnung 120 und sollte sich in einem Abstand d₂ hinter der Brennebene F der ersten Anord nung befinden, wobei der Abstand d kleiner 5% von f₁ ist. Die Ausführungsform dieses Linsenanordnungssystems ist daher gegenüber Veränderungen der Motivposition unempfindlich. Dies wird schematisch in Fig. 4A gezeigt, wobei der Abstand d₂ stark übertrieben dargestellt wird.

Um eine vernünftige bildseitige Brennweite zu erhalten, sollte das Verhältnis von f₁ zu f₂ zwischen 1 und 10 betragen, wobei f₁ die Brennweite der vorderen Linsenanordnung 110 ist und f₂ die Brennweite der hinteren Linsenanordnung 120. Dieses Verhältnis sollte vorzugsweise zwischen 1 und 7 und möglichst sogar zwischen 1 und 5 liegen. Je kürzer f₂ ist, um so kompakter ist das ge samte Linsenanordnungssystem. Wenn das Verhältnis der beiden Brennweiten f₁/f₂ kleiner als 1 wird, wird die bildseitige Brennweite zu groß, worunter die Kompaktheit des Linsenanordnungssystems leidet. Wenn das Verhältnis der beiden Brennweiten f₁/f₂ größer als 20 wird, wird das Bildfeld der Relaislinsen 140 recht groß, die Korrektur der Aberrationen des Linsenanordnungssystems wird schwierig, und die Bildqualität leidet. Wie zuvor erwähnt, ist f₁ in dieser Ausführungsform 3,0 mm und f₂ ist 0,5 mm. Der Wert des Verhältnisses von f₁ zu f₂ beträgt 6,0. Der Abstand zwischen der zweiten Anordnung (Relaisanordnung) und der Zwischenbildebene 136 sollte größer oder 1,2 × f₂ sein, um eine praktikable Gesamtlänge zu erzielen. Falls es wünschenswert ist, die Bildabschnitte 135 auf der Abbildungsebene noch einmal im Vergröße rungsverhältnis 1 : 1 abzubilden, sollten die Linsen 140 von der Zwischenbild ebene um einen Abstand d₃ beabstandet sein, der gleich 2 × f₂ ist (siehe Fig. 4A). Die Abbildungsebene würde in einem Abstand d₄ angeordnet sein (wobei d₄ gleich dem Zweifachen von f₂ ist, und f₂ die Brennweite der Linsen 140 ist), und zwar hinter der zweiten Linsenanordnung. Die bildseitige Brennweite des Linsenanordnungssystems kann größer als 2 × f₂ sein, wenn von den Linsen 140 eine stärkere Vergrößerung als 1 : 1 verlangt wird. Das Linsenanordnungs system 100 hat eine bildseitige Brennweite von ca. 1,7 mm. Die Gesamtlänge T des Linsenanordnungssystems 100 beträgt ca. 5,2 mm.

Eine lichtundurchlässige Streulichtplatte 150 mit mehreren Öffnungen 155 ist vor der Linsenanordnung 110 angeordnet Fig. 5 und 6). Sie kann als eine Aperturblendenanordnung dienen. Die Öffnungen 155 der Streulichtplatte 150 sind mit den einzelnen Linsen 130 ausgerichtet, damit die richtigen Lichtstrah len durch das Linsenanordnungssystem treten können. Die Größe und Form der Linsen 130 entspricht der Größe und Form der Öffnungen 155. Der lichtun durchlässige Bereich der Streulichtplatte 150 verhindert, daß Lichtstrahlen zwi schen den Linsenelementen hindurchtreten, dann weiter in das Linsenanord nungssystem als unerwünschte Streulichtstrahlen treten und die Bildqualität vermindern. Die Funktion der Streulichtplatte 150 kann auch in die Struktur der Linsenanordnung 110 integriert werden, indem man den Träger der Linsenan ordnung 110 in allen nicht von den Linsen 130 belegten Bereichen gegen Licht undurchlässig macht.

Das Bildfeld der ersten Linsenanordnung 110 ist durch eine lichtundurchlässige Streulichtblendenanordnung 160 begrenzt (Fig. 7). Die Streulichtblenden anordnung 160 umfaßt eine bildfeldbegrenzende, lichtundurchlässige Platte 162 mit einer Vielzahl von Aperturen 165 und einer Vielzahl von Streulichtwän den 167. Diese Streulichtwände 167 absorbieren aus der Linse 130 austre tende Streulichtstrahlen (A) und verhindern somit, daß sich diese Strahlen ent weder zu einem anderen (ungeeigneten) Bildsegment 135 fortpflanzen, oder daß sie von den Wänden reflektiert werden und sich zu dem Bildsegment fort pflanzen, das diesem Linsenelement 130 zugeordnet ist. Die Streulichtwände 167 können auch als Abstandshalter zwischen der Linsenanordnung 110 und der Zwischenbildebene dienen. Die mit einer Vielzahl von Aperturen 165 ver sehene lichtundurchlässige Platte 162 dient als Bildfeldblende. Insbesondere ist die lichtundurchlässige Platte 162 in oder in Nähe der Zwischenbildebene 136 angeordnet. Jede Apertur 165 umrahmt einen kleinen Bildabschnitt 135, der von einer der Linsen 130 erzeugt wird, und in Verbindung mit dem lichtun durchlässigen Abschnitt der Platte 162 dient diese Apertur als eine Bildfeld blende für diese Linse. Der lichtundurchlässige Abschnitt der Platte 162 hält zudem unerwünschte Bildfeldstrahlen B ab und verhindert, daß sich diese Strahlen zur Relaislinsenanordnung 120 fortpflanzen. In Nähe der lichtun durchlässigen Platte 162 ist ein Verschluß 170 angeordnet. Er besteht aus einer Reihe von Öffnungen 175 in einer lichtundurchlässigen Verschlußplatte 172. Beispiele für den Verschluß 170 werden schematisch in Fig. 8A-8C dar gestellt. Der Verschluß 170 kann vor oder hinter der Zwischenbildebene ange ordnet sein. Die Öffnungen 175 des Verschlusses 170 sind mit den lichtun durchlässigen Bereichen der lichtundurchlässigen Platte 162 ausgerichtet, können jedoch versetzt werden, beispielsweise durch einen federbetriebenen Mechanismus M, derart, daß die Öffnungen auf die Öffnungen 165 ausrichtbar (Fig. 7) sind, um das lichtempfindliche. Medium für die gewünschte Zeit zu be lichten. Damit diese Art von Verschlußmechanismus funktioniert, müssen die in Nähe der Brennebene der Abbildungslinsen 130 angeordneten Zwischenbild abschnitte gleich oder kleiner als die Hälfte der Abstände zwischen (den Mit telpunkten) der Linsen 130 sein. Es kann auch eine andere Verschlußanord nung verwendet werden. Beispielsweise können herkömmliche Verschlüsse, wie ein Brennebenenverschluß oder ein Irisverschluß vor dem Linsenanord nungssystem angeordnet werden, um zu verhindern, daß der lichtempfindliche Bereich belichtet wird. Wenn ein herkömmlicher Verschluß verwendet wird, kann der Abstand zwischen den Bildabschnitten 135 kleiner oder größer als die Hälfte des Abstands zwischen den Mittelpunkten der Linsen sein.

Das Linsenanordnungssystem 200 der zweiten Ausführungsform der vorlie genden Erfindung ist schematisch in Fig. 9A und 9B dargestellt. Das Linsenan ordnungssystem 200 umfaßt drei Linsenanordnungen 110, 115 und 120. Die Linsenanordnungen 110 und 120 der zweiten Ausführungsform haben die glei che Funktion wie die Linsenanordnungen 110 und 120 der ersten Ausfüh rungsform. Die Linsenanordnung 110 ist die Abbildungslinsenanordnung, und die Linsenanordnung 120 ist die Relaislinsenanordnung. Die Linsenanordnung 120 umfaßt eine Vielzahl von Linsen 140. Die Linsenanordnung 115 dient als Kollektivlinse. Sie ist in oder in Nähe der Zwischenbildebene angeordnet und beugt die Bildfeldstrahlen zur optischen Achse der einzelnen Linse, so daß die Linsenbündel auf jeder Linse 140 kleiner werden. Die Bildfeldlinsenanordnung 115 ist insbesondere in Linsenanordnungssystemen mit einem großen Bildfeld nützlich, da sie mehr Lichtstrahlen zur Linsenanordnung 120 schickt und somit kleinere Linsen 140 in der Linsenanordnung 120 ermöglicht. In diesem System können die lichtundurchlässige Platte 162 und der Verschluß 170 entweder vor oder hinter der Bildfeldlinsenanordnung 115 angeordnet sein, wobei Fig. 9B die Bildfeldlinsenanordnung 115 hinter der lichtundurchlässigen Platte und dem Verschluß zeigt. Wie zuvor erwähnt, sind die Öffnungen 175 des Verschlusses 170 mit den lichtundurchlässigen Bereichen der lichtundurchlässigen Platte 162 ausgerichtet, können jedoch versetzt werden, beispielsweise durch einen federbetriebenen Mechanismus M, derart, daß die Öffnungen auf die Öffnungen 165 ausrichtbar sind, um das lichtempfindliche Medium für die ge wünschte Zeit zu belichten. In Fig. 9A befindet sich der Verschluß in der ge schlossenen Stellung, während sich in Fig. 9B der Verschluß in der geöffneten Stellung befindet. Wie in der vorherigen Ausführungsform dient die Zwischen bildebene 136 als Motivebene für die Linsenanordnung 120 und sollte in einem Abstand d₂ hinter der Brennebene F der ersten Anordnung angeordnet sein, wobei der Abstand d₂ kleiner als 5% von f₁ ist. Dieses Linsenanordnungssystem ist daher unempfindlich gegenüber Veränderungen in der Motivposition.

Das Linsenanordnungssystem 300 der dritten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung ist schematisch in Fig. 10 dargestellt. Das Linsenanordnungs system 300 umfaßt zwei Linsenanordnungen 110 und 120. Die Linsenanord nungen 110 und 120 des Linsenanordnungssystems 300 haben die gleiche Funktion wie die Linsenanordnungen 110 und 120 der ersten Ausführungsform. Die Linsenanordnung 110 ist die Abbildungslinsenanordnung. Sie besteht aus einer Vielzahl von Linsen 130. In dem Linsenanordnungssystem 300 sind alle Linsen 130 mit Ausnahme einer zentralen Linse nicht mittig angeordnet. Ihre jeweilige optische Achse 18 sowie ihre Linsenraum-Symmetrieachse 14 überlagern sich also nicht. Dies wird in Fig. 11 dargestellt. Die Linsenraum-Symmetrieachse ist als eine Symmetrieachse des Raums definiert, der von einer einzelnen Linse belegt wird. Die Parameter für eine beispielhafte Linse 110 werden detailliert in der nachstehenden Beschreibung der Linsenkompo nenten beschrieben. Durch diese Anordnung der Linsen auf der Linsenanord nung 110 kann jedes einzelne Bildsegment 135 mittig auf der Linsenraum-Symmetrieachse 14 der entsprechenden Linse 130 angeordnet sein. Die ent sprechende Linse 140 der zweiten Linsenanordnung 120 kann dadurch unmit telbar hinter ihrer entsprechenden Linse 130 angeordnet sein. Die optische Achse 18' der zweiten Linsenanordnung 120 kann kolinear mit der Linsenraum-Symmetrieachse 14 der ersten Linsenanordnung 110 sein. Dies macht ein sehr kompaktes Linsenanordnungssystem möglich.

Das Linsenanordnungssystem 400 der vierten Ausführungsform der vorliegen den Erfindung ist schematisch in Fig. 12 dargestellt. Das Linsenanordnungs system 400 umfaßt zwei Linsenanordnungen 110 und 120. Die Linsenanord nungen 110 und 120 des Linsenanordnungssystems 400 haben die gleiche Funktion wie die Linsenanordnungen 110 und 120 der dritten Ausführungsform. Die Linsenanordnung 110 ist die Abbildungslinsenanordnung. Sie besteht aus einer Vielzahl von Linsen 130. In dem Linsenanordnungssystem 400 sind alle Linsen 130 mit Ausnahme einer zentralen Linse "geneigte" Linsen. Der mittlere Strahl in deren Bildfeld verläuft also nicht senkrecht zur Zwischenbildebene 136. Diese Anordnung wird in der nachstehenden Beschreibung der Lin senkomponenten beschrieben. Die Linsenanordnung 120 ist die Relaislinsen anordnung (oder die Anordnung zum nochmaligen Abbilden) und umfaßt eine Vielzahl von Linsen 140. Die Linsenanordnung 120 ist darauf ausgelegt, als Bildfeldlinsenanordnung zu dienen. Die vorderen Flächen der Linsen 140 sind also konvex. Die vordere Fläche (Objektiv) der Linsenanordnung 120 ist in oder in Nähe der Zwischenbildebene angeordnet und beugt die Bildfeldstrahlen zur optischen Achse 18' der Linse 140 der zweiten Linsenanordnung 120. Die hin tere Linsenfläche S₄ (d. h. die der Abbildungsebene gegenüberliegende Fläche) der Linsenanordnung 120 dient zum nochmaligen Abbilden. Die Linsenanord nung 120 bildet die Vielzahl der umgekehrten Bildsegmente 135, die in der Zwischenbildebene angeordnet sind, nochmals als einwandfrei ausgerichtetes Bild auf der Abbildungsebene ab. Dieses Bild ist zusammenhängend, wenn das Linsenanordnungssystem die Abbildung auf einem Film vornimmt. Es kann zu sammenhängend oder unzusammenhängend sein, wenn als lichtempfindliche Oberfläche eine CCD-Anordnung oder eine ähnliche Anordnung zum Einsatz kommt.

Wie zu sehen ist, sind die Mittelpunkte der Linsen 130 in bezug zu den Mittel punkten der entsprechenden Linsen 140 versetzt. Das Linsenanordnungs system 400 ist nicht so kompakt wie das Linsenanordnungssystem 300. Um die gleiche Abbildungsgröße wie bei dem Linsenanordnungssystem 300 zu erzie len, muß die Linsenanordnung 110 des Linsenanordnungssystems 400 nämlich größer sein als die Linsenanordnung 120.

BEISPIEL 1

Bezug nehmend auf Fig. 13 wird eine Linsenanordnung 10 mit einer Anordnung aus achromatischen, brechenden/beugenden Linsen 12 oder mit brechenden Linsen gebildet. Eine derartige Anordnung kann als erste Anordnung 110 in der ersten, zweiten bzw. dritten Ausführungsform des Linsenanordnungssystems benutzt werden. Diese Ausführungsformen werden nun in der Beschreibung des Linsenanordnungssystems beschrieben. Es ist hier zu beachten, daß der Mittelpunkt der optischen Achse 18 jeder Linse 12 um einen Abstand d relativ zum festen Abstand X zwischen den einzelnen Zellen versetzt ist, und zwar als Funktion des Radialabstands zur optischen Achse der zentralen Linse. Die um die optischen Achsen 18 jeder Linse 12 dargestellten Linien 15 sind topografische Linien, die die Höhenänderungen der Linsenoberfläche bezeichnen. Eine lichtundurchlässige Maske 16 füllt die Bereiche zwischen den Linsen 12 auf, um zu verhindern, daß sich Streulicht in dem optischen System weiter fortpflanzt. Die in Fig. 13 dargestellte Anordnung stellt nur einen kleinen Teil einer Anordnung dar, der in einer tatsächlichen Kamera zum Einsatz kommt. In einer tatsächlichen Implementierung werden mehr Linsen zur Bildung einer Anordnung benutzt. Es können auch andere Konfigurationen der Linsen 12 benutzt werden, beispielsweise derart, daß man die äußere Periphe rie jeder Linse quadratisch, sechseckig oder kreisförmig gestaltet, ohne damit vom Gegenstand dieser Erfindung abzuweichen.

Um für die Linsenanordnung 10 unterschiedliche Bildfeldwinkel zu sehen, ist die optische Achse 18 der Linsen 12 in der Linsenanordnung in einem Abstand angeordnet, der zunehmend größer wird als der Abstand von Mittelpunkt zu Mittelpunkt der einzelnen Zellen der Linsenanordnung. Wie zuvor erwähnt, nimmt der Versatz d der optischen Achse 18 der Linsen radial vom Mittelpunkt der Anordnung zu. Dadurch, daß eine Linse aus dem Mittelpunkt verschoben wird, beginnen sich die Strahlen von den Bildfeldwinkeln außerhalb der Achse senkrecht zur Zwischenbildebene zu neigen. Indem man die optische Achse 18 der Linse radial weiter nach außen bewegt, wobei der Abstand zum Mittelpunkt der Anordnung wächst, entspringt die winkelige Lage des Gegenstandes an dem Bildfeldmittelpunkt für eine gegebene Linse zunehmend aus zur Achse versetzten Segmenten des Gesamtbildfeldes (siehe Fig. 14).

Die erforderliche Dezentrierung für eine Linse 12 mit einer Brennweite FL_i, die erforderlich ist, um den Strahl von dem gewünschten Bildfeldwinkel in den Mit telpunkt der Bildfeldblende des Linsenanordnungselements zu beugen, kann aus den Gleichungen zur Paraxialstrahlengangsbestimmung ermittelt werden. Die Paraxialgleichungen lauten:

y'=y_o+nu(t/n)
n'u'=n_ou_o-yθ

wobei folgendes gilt:
y' = die Höhe nach der Fortpflanzung zur nächsten Fläche
y_o = die Höhe an der vorherigen Fläche
u = paraxialer Neigungswinkel (Radianten)
u_o = der Neigungswinkel vor der Brechung
θ= die Brechkraft des Linsenanordnungselements (θ=1/FL_i)
n = der Brechungsindex des Mediums

Der Versatz d für eine gegebene Linse mit der Brechkraft θ=(1/FL_i, die erfor derlich ist, um den Mittelstrahl von einem gegebenen Einfallswinkel u_o nach der Brechung auf einen gewünschten Winkel u' zu beugen, ist durch folgende Gleichung gegeben:

d=y=(n_ou_o-n'u')FL_i

Die Erfindung benutzt eine Anordnung von Linsen, wobei der lokale Versatz der optischen Achsen der Linsen sich als Funktion der radialen Position in bezug zum Mittelpunkt der optischen Achse des Linsenanordnungssystems verändert, so daß:

d(r)=(n_ou_o(r)-nu'(r)/FL_i

Die Erfindung besteht daraus, daß der Mittelpunktsabstand der Linsen derart eingestellt ist, daß für den Mittelstrahl innerhalb eines Bildfeldes einer gegebe nen Linse (siehe Fig. 14) u'(r)=0 ist. In diesem Fall ist der Mittelpunktsabstand d, der für ein gegebenes Element erforderlich ist, ungefähr eine lineare Funk tion des Radialabstands des Elements zu der optischen Achse des Systems.

Bezug nehmend auf Fig. 14 ist die Linsenanordnung 10 über einer Zwischen bildebene angeordnet und erzeugt eine Vielzahl von Bildsegmenten 135. Neben der Zwischenbildebene 136 kann ein Verschluß angeordnet sein. Die Linsenanordnung 10 wird von den Verschlüssen anhand von Abstandshaltern 22 beabstandet, die auch als Streulichtwände dienen können. Wie aus Fig. 14 zu ersehen ist, können die lichtundurchlässigen Streulichtbereiche 16 auf der Linsenanordnung 10 mit einer Bildfeldblende (Aperturplatte 40) kombiniert werden, um das Bildfeld eines bestimmten Fotosensors derart zu begrenzen, daß dieser das Bildfeld seines Nachbarn nur unwesentlich überlagert. Die Aperturplatte 40 ist vorzugsweise ca. 0,5 mm bis 2 mm zur Fläche der Linsen anordnung 10 beabstandet. Um ein von jeder einzelnen Linse 12 betrachtetes Bildfeld weiter zu definieren, kann die Aperturplatte 40 aus einer Schicht durchsichtigen Glases bestehen, das auf einer Seite mit einem Fotolackmuster versehen ist. Die Mittelpunkte der Aperturen in der Aperturplatte 40 sind auf den Mittelpunkt des Bildfeldes (CFOV) einer entsprechenden Linse ausgerich tet. Die Abstände der Aperturmittelpunkte in der Aperturplatte 40 wachsen als Funktion der Radialposition jeder Linse radial zum Mittelpunkt der Anordnung an, wodurch die Aperturplatte etwas größer wird als die zugeordnete Linsen anordnung. Die Kombination der Streulichtbereiche 16 mit der Aperturplatte 40 und/oder der -lichtundurchlässigen Platte 162 sowie eine gegebene Linsen brennweite legen das Bildfeld für eine bestimmte Linse der Linsenanordnung fest. Die Linsenanordnung 10 kann durch Ätzen eines lichtempfindlichen Musters in Quarz oder als Epoxidabdruck auf einem Quarzträger oder als Fotolackierung auf einem Glasträger oder durch Spritzgießen als Kunststoffteil ausgebildet werden.

Die Linsen 12 bilden in Verbindung mit der entsprechenden Bildfeldblende (etwa der Aperturplatte 40) und/oder der lichtundurchlässigen Platte 162 Bilder mit einem kleinen Bildfeldsegment auf einer Zwischenbildebene 136 ab. Indem die Linsen 12 mit einem Mittelpunktsabstand d der optischen Achse 18 gebildet werden, der sich radial über die Linsenanordnung vergrößert, vergrößert sich auch der Winkel zu dem auf die Linsen 12 einfallenden Strahl als Funktion der radialen Position dieser Linsen auf der Anordnung. Indem man die Mittel punktsabstände jeder Linse entsprechend einstellt, bezieht sich jeder Bildab schnitt auf ein eindeutiges oder anderes Segment der Szene.

Um die Leistung des Linsenanordnungssystems zu verbessern, kann die Lin senanordnung 10 eine Anordnung asphärischer Linsen sein. Doch sogar as phärische Linsen korrigieren keine Abweichung der Brennweite als Funktion der Wellenlänge, wenn diese Linsen aus einem einzelnen, brechenden Material gebildet werden. Daß heißt, daß sich die Punktgröße in der Bildebene als Funktion der Farbe ändert. Um diese chromatische Aberration zu korrigieren, kann anstelle einer Anordnung aus rein brechenden Linsen ein verbessertes Linsenanordnungssystem mit einer Anordnung aus beugenden/brechenden Hybridlinsen benutzt werden. Die Abbildungseigenschaften der brechenden Optik hängen stark von der Wellenlänge ab. Bei der Gestaltung einer brechen den Optik kann dieses Phänomen als direkte Abhängigkeit des äquivalenten Brechungsindex n(λ) von der Wellenlänge (λ) dargestellt werden:

n(λ)=[λ_c/λ](n_c-1)-1

Brechungselemente geben ihre gesamte Wellenstirnbeugung in einer extrem dünnen Schicht preis. Die wird in dem Sweat'schen Modell berücksichtigt, in dem die Brechungselemente als Material mit sehr hohem Index (n_c=10.000) modelliert werden, die auf jeder Seite eine sehr geringe Krümmung aufweisen (schwache Seiten). Die entsprechende Brennweite f(λ) kann dann aus folgen der Gleichung ermittelt werden:

f(λ)=[n(λ)-1]Δc

so daß

f(λ)=(λ_c/λ)fc

wobei λ_c = Wellenlänge im konstruktiven Zentrum ist.

Die resultierende Dispersion v_beug des Brechungselements ist:

woraus sich folgende Gleichung ergibt:

Für Konstruktionen mit λ_c = 587 nm, λ_s = 486 nm und λ_L = 656 nm ist der Wert für v_beug = -3,5.

Für andere Wellenlängenbänder, die von Interesse sind, kann ein entspre chender Wert v_beug sowie die Brechungsverteilung berechnet werden. Die direkte Abhängigkeit des entsprechenden Brechungsindex von der Wellenlänge führt zu einem kleinen, negativen Wert v_beug und einer hohen Wellenlän gendispersion, die einem optischen Brechungselement erster Ordnung (m=1) zugeordnet ist.

Aufgrund der von der Wellenlänge abhängigen Veränderung des Brechungs index unterliegt eine Einzellinse einer wellenlängenabhängigen Veränderung der Brennweite. Zwei Materialien mit unterschiedlichen Dispersionen können benutzt werden, um eine Doppellinse zu bilden, die bei zwei Wellenlängen die gleiche Brennweite und eine reduzierte Abweichung über das gesamte Spek trum aufweist. Die relative Verteilung der hierzu erforderlichen Brechkräfte er gibt sich aus:

Der negative Wert v_beug der Brechungsfläche ermöglicht die Achromatisierung einlinsiger Brechungs-/Beugungs-Hybridlinsen unter Verwendung von Beu gungs- und Brechungskomponenten mit positiver Brennweite. Zudem wird der für Doppellinsen erforderliche Wert der Brennweite sowie der Blendenzahl F/# verkleinert, weil Doppellinsen mit Beugungseigenschaften aus einer positiven Kronenlinse (mit geringer Dispersion) mit kürzerer Brennweite und kleinerer Blendenzahl F/# bestehen, als für eine Einzellinse erforderlich ist, sowie aus einem negativen Glaselement, das die Brennweite der Doppellinse auf den richtigen Wert erhöht und die Dispersion der positiven Linse kompensiert. Die ser Effekt führt zudem zu einer Größen- und Gewichtsreduzierung des positi ven Elements einer hybriden Brechungs-/Beugungslinse.

Für die herkömmliche Achromatisierung im sichtbaren Bereich (Linien d-e-f) mit PMMA-Kunststofflinsen (Polymethylmetacrylat) würde die Brechkraft in den Brechungs- und Beugungsbereichen wie folgt sein:

Φ_brech/Φ_gesamt=94,25%
Φ_beug/Φ_gesamt=5,75%

Fachleuten ist selbstverständlich klar, daß auch Träger aus Quarz oder opti schen Gläsern, wie BK7, oder Epoxidabdrucke auf Quarzträgern verwendbar sind.

Die Verwendung der beugenden/brechenden hybriden Achromatisierung er laubt die Verwendung beugender Oberflächen mit längeren Brennweiten und größeren Blendenzahlen. Ein beugendes Linsenelement mit großer Blenden zahl ist aufgrund der großen Zonenabstände einfacher herzustellen. Für eine Linse mit einer Blendenzahl von beispielsweise 3,0 und 2,0 würde die Analyse erster Ordnung der brechenden und beugenden Teile folgende Werte für Brennweite (f) und Blendenzahl (F/#) ergeben:

f_brech=3,186 mm F/#=2,12
f_beug=52,176 mm F)/#=34,8

Das setzt voraus, daß der beugende Teil der Linse ausschließlich für die chromatische Korrektur erster Ordnung verwendet wurde.

Die beugenden Linsen 12 werden in Fig. 15A, 16A und 17A für einen Bildfeld winkel von 0°, für einen Bildfeldwinkel von 16° und für einen vollen Bildfeldwin kel gezeigt. Bei einem Vergleich dieser Figuren ist zu beachten, daß sich die optische Achse 18 als Funktion des Feldwinkels radial nach außen bewegt. Die Streulichtblende 16 dient dem System als Aperturblende und begrenzt das Bildfeld einer gegebenen Linse 12.

Fig. 15B, 15C, 16B, 16C, 17B und 17C stellen die tangentialen und sagittalen Aberrationskurven für die jeweiligen Linsen dar. Bemerkenswert ist, daß die Gesamtpunktgröße einschließlich der chromatischen Aberration ca. 30 µm be trägt. Die Vollinien stellen eine Wellenlänge von 546,1 nm dar, die Punktlinien eine Wellenlänge von 656,1 nm und die Strich-Punkt-Linien eine Wellenlänge von 460,0 nm, was dem Licht im grünen, roten und blauen Bereich entspricht.

Die folgende Tabelle zeigt die optischen Konstruktionsparameter für die Lin senanordnungselemente bei 0°, 16° und 24°. Die Linsenanordnungselemente in den dazwischen liegenden Bildfeldwinkeln können aus diesen Werten inter poliert werden.

Beispiel 1.A

Linse im Winkel von 0°
Brennweite = 3,0 mm
Blendenzahl = 2,0

TABELLE 1

Beispiel 1.B

Linse im Winkel von 16°
Brennweite = 3,0 mm
Blendenzahl = 2,0

Tabelle 2

Beispiel 1.C

Linse im Winkel von 24°
Brennweite = 3,0 mm
Blendenzahl = 2,0

Tabelle 3

wobei das asphärische Flächenprofil wie folgt definiert ist:

das Profil der Beugungsphase ist definiert als:

wobei λ_o = 546,1 nm ist.

BEISPIEL 2

Bezug nehmend auf Fig. 18 und 19 ist die erste Linse 12, 130 ein Element einer ersten Linsenanordnung 110, die aus einer Vielzahl von Linsen gebildet wird. Eine derartige Anordnung kann als eine erste Linsenanordnung in der ersten, zweiten oder vierten Ausführungsform der Linsenanordnungssysteme benutzt werden. Jede Linse 12, 130 ist mit einem Beugungsmuster S' ausgebil det, das aus einer sphärischen Brechungsfläche S₁ besteht. Gegenüber der Seite S₁ liegt eine zweite Seite S₂ Seite S₂ ist eine asphärische Fläche. Die Facettenfläche des Beugungsmusters S' ist in der Schnittdarstellung aus Fig. 20 deutlich dargestellt. An einem Radius R₁ ist die zweite Seite S₂ konvex und geht am Radius R₂ in eine konkave Fläche über (wo R₂ größer als R₁ ist). Die zweite Seite S₂ wird durch eine polynome asphärische Fläche gebildet, die am Radius R₃ eine Einbuchtung aufweist (wobei R₃ größer als R₂ ist). Die ersten und zweiten Seiten stehen im wesentlichen senkrecht zur optischen Achse 18 der Linse 12. Die Linse 12 kann als Epoxidelement unter Verwendung einer Quarz- oder Fotolackmaske auf einem Glasträger gebildet werden, oder sie kann als Kunststoffteil in Spritzgießtechnik hergestellt werden.

Bezug nehmend auf Fig. 20 treten die einfallenden Lichtstrahlen 30 durch die Aperturplatte 40 und werden durch Linse 12, 130 auf einer Brennebene (F₁ 50) fokussiert. Die beugende/brechende Oberfläche aus S₁ und S' korrigiert die chromatischen Aberrationen und stellt den Großteil der Brechkraft, während die asphärische Fläche S₂ die Korrektur der bildfeldabhängigen Aberrationen, wie Petzval-Krümmung, Astigmatismus und Koma korrigiert. Die Linse hat eine Blendenzahl F# von 2,0 und eine Brennweite FL von 3 mm, wobei die Brenn weite allgemein jedoch von 1 mm bis 5,0 mm gehen könnte.

Bezug nehmend auf Fig. 21A und 21B sind die einzelnen Linsen 12 von Fig. 20 und 21 segmentiert und in einer Linsenanordnung 10 ausgebildet. Wie in Fig. 21A und 21B zu sehen ist, ist der Mittelpunkt der optischen Achse 18 jeder Linse 12 als Funktion des radialen Abstands zur optischen Achse der zentralen Linse versetzt, während in Fig. 21B die optischen Achsen 18 nach innen ver setzt sind. Die um die optischen Achsen 18 jeder Linse 12 dargestellten Linien 15 sind topografische Linien, die die Höhenänderungen der Linsenoberfläche bezeichnen. Eine Anordnung aus lichtundurchlässigen Bereichen 16, die auch als Aperturblenden dienen, füllt die Bereiche zwischen den Linsen 12 auf, um zu verhindern, daß sich Streulicht in dem optischen System weiter fortpflanzt. Die in Fig. 21A und 21B dargestellte Anordnung stellt nur einen kleinen Teil einer Anordnung dar, die in einer tatsächlichen Kamera zum Einsatz kommt. Die optische Achse jeder Linse und auch die Linse selbst ist nicht direkt über ihrem zugehörigen Bildabschnitt ausgerichtet. Statt dessen sind die Linsen derart versetzt, daß sie in regelmäßigen Intervallen auf der Zwischenbildebene 136 die Bildabschnitte 135 bilden. Es können auch andere Konfigurationen der Linsen benutzt werden, beispielsweise derart, daß man die äußere Peripherie jeder Linse quadratisch, sechseckig oder kreisförmig gestaltet, ohne damit vom Gegenstand dieser Erfindung abzuweichen.

Daß die Erfindung nur Teile der Linsen verwendet, liegt daran, daß für einen zugehörigen Bildabschnitt nur ein Bruchteil der Linse für ein bestimmtes ring förmiges Bildfeld benutzt wird.

Fig. 22 und 23 zeigen Schnittansichten entlang Linie 4-4 in Fig. 21A und 21B zur Darstellung der Linsenanordnung 10, 110, die über der Zwischenbildebene angeordnet ist und eine Anzahl von Bildabschnitten 135 bildet, die zahlenmäßig mindestens der Anzahl der die Anordnung 10, 110 bildenden Anzahl von Linsen entsprechen. Die Linsenanordnung 10, 110 wird durch Abstandshalter 167 zur Zwischenbildebene beabstandet, die gleichzeitig als Streulichwände dienen. Die Aperturplatte 40 begrenzt in Verbindung mit den Streulichwänden 167 und der Bildfeldblendenanordnung 42 das einem bestimmten Bildabschnitt zugeordnete Bildfeld, so daß es das Bildfeld seines Nachbarn nur unwesentlich überlagert. Die Bildfeldblendenanordnung 42 ist vorzugsweise ca. 0,5 mm bis 2 mm zur Fläche der Linsenanordnung 10 beabstandet.

Der Mittelpunkt der Aperturen in der Aperturplatte 40 und der Bildfeldblenden anordnung 42 ist auf den Mittelpunkt des Bildfeldes einer zugeordneten Linse ausgerichtet. Der Abstand der Mittelpunkte vergrößert sich als Funktion des Bildfeldwinkels jeder Linse zum Mittelpunkt der Anordnung, wodurch die Aper turplatte etwas größer als die zugeordnete Linsenanordnung wird. Die Verbin dung aus Aperturplatte 40 und Bildfeldblendenanordnung 42 unter einer gegebenen Linsenbrennweite legt das Bildfeld jeder Linse sowie die Position der Bildabschnitte auf der Zwischenbildebene fest.

Wie zuvor erwähnt, können verbesserte Linsenanordnungen mit einer Anord nung aus beugenden/brechenden Hybridlinsen verwendet werden, um die chromatische Aberration zu korrigieren, die durch Verwendung eines einfach brechenden Materials auftritt. Die beugenden Linsen 12 werden in Fig. 24A, 25A und 26A für einen Bildfeldwinkel von 0°, für eine Bildfeldwinkel von 14° und für einen vollen Bildfeldwinkel gezeigt. Bei einem Vergleich dieser Figuren ist zu beachten, daß sich die optische Achse 18 als Funktion des Feldwinkels radial nach außen bewegt, während die Zelle 14 senkrecht zur Ebene der Zwi schenbildebene 136 geneigt ist. Die Streulichtblende 16 dient dem System als Aperturblende und begrenzt das Bildfeld einer gegebenen Linse 12.

Fig. 24B, 24C, 25B, 25C, 26B und 26C stellen die tangentialen und sagittalen Aberrationskurven für die jeweiligen Linsen dar. Bemerkenswert ist, daß die Gesamtpunktgröße einschließlich der chromatischen Aberration ca. 30 µm be trägt. Die Vollinien stellen eine Wellenlänge von 546,1 nm dar, die Punktlinien eine Wellenlänge von 656,1 nm und die Strich-Punkt-Linien eine Wellenlänge von 460,0 nm, was dem Licht im grünen, roten und blauen Bereich entspricht.

Die folgende Tabelle zeigt die optischen Konstruktionsparameter für die mittig angeordneten Linsen.
Brennweite = 0,5 mm
Blendenzahl = 2,0

TABELLE 4

Wie zuvor erwähnt, ist das asphärische Flächenprofil durch Gleichung (1) defi niert:

Das Profil der Beugungsphase ist definiert als:

wobei λ_o = 546,1 nm ist.

Die Relaislinsenanordnung

Bezug nehmend auf Fig. 3 und 4 wird eine Relaislinsenanordnung 10 mit einer Anordnung aus Brechungslinsen 12 gebildet. Eine derartige Anordnung kann als zweite Linsenanordnung 120 (zum nochmaligen Abbilden) benutzt werden. In diesem Beispiel sind die Linsen aus Glas. Sie haben eine wirksame Brenn weite von 0,5 mm. Die nachfolgende Tabelle zeigt die optischen Konstruktions parameter für eine mittig angeordnete Linse aus Anordnung 120. Diese Linse wird in Fig. 27 dargestellt.

TABELLE 5

Linsenanordnungssystem mit integrierter Anordnung aus Kollektivlinse und Linse zum nochmaligen Abbilden

Ein Linsenanordnungssystem, wie etwa das in Fig. 10 und 12 gezeigte Linsen anordnungssystem 300, umfaßt eine erste Abbildungslinsenanordnung 110 mit einer Vielzahl von Linsen 130 und eine zweite Linsenanordnung 120 mit einer Vielzahl von Linsen 140. Die zweite Linsenanordnung 120 der dritten Ausfüh rungsform 300 des Linsenanordnungssystems ist eine Anordnung aus inte grierter Kollektivlinse und Linse zum nochmaligen Abbilden. Diese Anordnung 120 kann mit einer Anordnung aus achromatisierten brechenden/beugenden Linsen 12, 140 oder brechenden Linsen gebildet werden. Das Linsenanord nungssystem 300 ist in der Beschreibung des Linsenanordnungssystems be schrieben. Wie aus Fig. 19 zu sehen ist, ist die vordere (objektseitige) Fläche S₃ der Linsen 12 der Anordnung 120 aus integrierter Kollektivlinse und Linse zum nochmaligen Abbilden konvex und dicht zur Zwischenbildebene 136 be abstandet. Die Fläche S₃ übernimmt die Funktion der Kollektivlinse. Vorzugsweise ist die vordere Fläche S₃ dieser Linsen zur Zwischenbildebene etwas beabstandet (ca. 1 mm oder weniger), so daß auf der Oberfläche S₃ be findliche Staubpartikel oder Kratzer nicht auf der Zwischenbildebene 136 noch einmal abgebildet werden. In diesem Beispiel ist die vordere Fläche S₃ der Lin sen 12 der zweiten Linsenanordnung 0,19 mm zur Zwischenbildebene beab standet. Fläche S₄ der Linse 140 übernimmt (primär) die Relaisfunktion, d. h. sie weist eine positive optische Brechkraft auf und wird benutzt, um einen Bild abschnitt 135 auf der Abbildungsebene abzubilden. Die folgende Tabelle führt die optischen Konstruktionsparameter für die in Fig. 28 gezeigten Linsen auf. Die Linsen 12 der zweiten Linsenanordnung brauchen nicht aneinanderzusto ßen.

Tabelle 6

Obwohl die Erfindung unter Bezug auf eine bevorzugte Ausführungsform be schrieben wurde, ist die Erfindung natürlich nicht auf diese Ausführungsform beschränkt, sondern kann zahlreichen, Fachleuten bekannten Änderungen und Abwandlungen unterzogen werden, dabei den Schutzgegenstand zu verlassen.

Claims

1. Linsenanordnungssystem (100, 200, 300, 400) zum Abbilden eines zuge ordneten Gegenstands auf einer Abbildungsfläche, gekennzeichnet durch

(i) eine erste Baugruppe, die eine Bildfeldbegrenzungsmaske (40, 162) und eine erste Linsenanordnung (110) mit einer zugeordneten Brenn ebene F aufweist, wobei die Linsenanordnung für ein komplettes Bild feld von über 20° geeignet ist und mehrere nichtaneinanderstoßende Bildabschnitte (135) des zugeordneten Gegenstands in einer Zwi schenbildebene (136) erzeugt, die im wesentlichen koplanar mit der der ersten Linsenanordnung (110) zugeordneten Brennebene F ist,
und wobei die Linsenanordnung (110) eine Vielzahl von aneinander stoßenden Linsen (12, 130) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Vielzahl von Linsen eine Brennweite f₁ von weniger als 15 mm hat und ein bestimmtes Segment des kompletten Bildfelds einnimmt, das dem zugeordneten Gegenstand gegenüberliegt, und diese Seg mente des kompletten Bildfelds zusammen das komplette Bildfeld er zeugen, und jede der Linsen (12, 130) einen dem jeweiligen Segment des kompletten Bildfelds entsprechenden Bildabschnitt (135) bildet; und
(ii) eine zweite Baugruppe, die eine zweite Linsenanordnung (120) auf weist, welche Licht von der ersten Baugruppe empfängt, wobei die zweite Linsenanordnung eine Vielzahl von aneinanderstoßenden Lin sen (12, 140) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Linsen (12, 140) der zweiten Linsenanordnung
- a) eine Brennweite f₂ von weniger als 15 mm hat,
- b) einen der in der Zwischenbildebene befindlichen Bildabschnitte (135) noch einmal abbildet und ein umgekehrtes Bild des Bildab schnitts (135) auf der Abbildungsfläche erzeugt, und
- c) zusammen mit anderen Linsen (12, 140) der zweiten Linsenan ordnung (120) ein einziges Bild (I) des zugeordneten Gegen stands erzeugt.

2. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite f₂ kleiner als die Brennweite f₁ ist und das einzige Bild ein zusammenhängendes Bild ist.

3. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsenanordnung (110) und die zweite Linsenanordnung (120) in Kombination ein Linsenanordnungssystem (100, 200) mit einer Gesamt brennweite von weniger als 17 mm bilden.

4. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsenanordnung (110) eine Brennweite von 7 mm hat und die erste Linsenanordnung (110) und die zweite Linsenanordnung (120) in Kombination das Linsenanordnungssystem (100) mit einer Gesamtbrenn weite von weniger als 8 mm bilden.

5. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß es der folgenden Gleichung genügt: 1.0<f₁/f₂<7.0

6. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zwischenbildebene (136) von ihrer zugeordneten Brennebene weniger als 5% der Brennweite f₁ beabstandet ist.

7. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Segment des kompletten Bildfelds weniger als 2 Grad beträgt.

8. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Linsenanordnungen (110, 120) aus mehr als 100 Linsen besteht.

9. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede der Linsen (12) in mindestens einer der Linsenanordnungen (110, 120) ein beugendes/brechendes Hybrid ist, um eine chromatische Aberra tion auszuschließen.

10. Linsenanordnungssystem (200) nach Anspruch 2, gekennzeichnet durch eine dritte Linsenanordnung (115), die sich in der Nähe der Zwischenbild ebene (136) befindet und zwischen der ersten Linsenanordnung (110) und der zweiten Linsenanordnung (120) angeordnet ist, wobei die dritte Lin senanordnung (115) eine Vielzahl von Linsen (12) aufweist.

11. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die dritte Linsenanordnung (115) in einem Abstand von bis zu 5% der Brennweite f₁ von der zugeordneten Brennebene F der ersten Linsenan ordnung (110) angeordnet ist und jede der Linsen (12) der dritten Linsen anordnung

a) eine optische Achse aufweist und
b) die Bildfeldstrahlen in Richtung der optischen Achse beugt und dadurch als Kollektivlinse fungiert.

12. Linsenanordnungssystem (300, 400) zum Abbilden eines zugeordneten Gegenstands auf einer Abbildungsfläche, gekennzeichnet durch

(i) eine erste Baugruppe, die eine Bildfeldbegrenzungsmaske (40, 42, 162) und eine erste Linsenanordnung (110) mit einer zugeordneten Brennebene F aufweist, wobei die Linsenanordnung (110) für ein kom plettes Bildfeld geeignet ist und mehrere Bildabschnitte (135) des zu geordneten Gegenstands einer Zwischenbildebene (136) erzeugt,
und wobei die Linsenanordnung (110) eine Vielzahl von Linsen (12, 130) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Vielzahl von Lin sen (12, 130) eine Brennweite f₁ hat und ein bestimmtes Segment des kompletten Bildfelds einnimmt, das dem zugeordneten Gegenstand gegenüberliegt, und diese Segmente des kompletten Bildfelds zusam men das komplette Bildfeld erzeugen, und jede der Linsen (12, 130) einen dem jeweiligen Segment des kompletten Bildfelds entsprechen den Bildabschnitt (135) bildet; und
(ii) eine zweite Linsenanordnung (120), welche Licht von der ersten Bau gruppe empfängt, wobei die zweite Linsenanordnung eine Vielzahl von Linsen (12,140) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Lin sen der zweiten Linsenanordnung
- a) eine Brennweite f₂ hat,
- b) eine objektseitige, konvexe Oberfläche S₃ aufweist, die in der Nähe der Zwischenbildebene (136) liegt
- c) eine bildseitige, konvexe Oberfläche S₄ aufweist, welche einen der Bildabschnitte (135), die in der Zwischenbildebene (136) liegen, noch einmal abbildet und ein umgekehrtes Bild des Bildabschnitts (135) auf der Abbildungsfläche erzeugt, und
- d) zusammen mit anderen Linsen der zweiten Linsenanordnung ein zusammenhängendes Bild (I) des zugeordneten Gegenstands er zeugt.

13. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die konvexe, objektseitige Oberfläche S₃ bis zu 1 mm von der Zwischen bildebene beabstandet ist.

14. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Brennweite f₂ kleiner als die Brennweite f₁ ist.

15. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß das komplette Bildfeld größer als 20° ist.

16. Linsenanordnungssystem zum Abbilden eines zugeordneten Gegenstands auf einer Abbildungsfläche, gekennzeichnet durch

(i) eine erste Baugruppe, die
- a) eine Streulichtblendenanordnung (160) und
- b) eine erste Linsenanordnung (110) mit einer zugeordneten Brenn ebene F aufweist, wobei die Linsenanordnung (110) ein komplet tes, dem zugeordneten Gegenstand gegenüberliegendes Bildfeld aufnimmt und mehrere Bildabschnitte (135) des zugeordneten Gegenstands in einer Zwischenbildebene (136) erzeugt,
und wobei die Linsenanordnung (110) eine Vielzahl von Linsen (130) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Vielzahl von Linsen (130) eine Brennweite f₁ hat und ein bestimmtes Segment des kom pletten Bildfelds aufnimmt, das dem zugeordneten Gegenstand gegen überliegt, und diese Segmente des kompletten Bildfelds zusammen das komplette Bildfeld erzeugen, und jede der Linsen (130) einen dem je weiligen Segment des kompletten Bildfelds entsprechenden Bildab schnitt (135) bildet;
wobei die Streulichtblendenanordnung (160)
- - eine Platte (150) mit einer Vielzahl von Öffnungen (155) von de nen jede mit den jeweiligen Linsen (130) der ersten Linsenanord nung (110) ausgerichtet ist,
- - eine Bildfeldbegrenzungsplatte (162) mit lichtundurchlässigen Be reichen und einer Vielzahl von Öffnungen (165), wobei die Bild feldbegrenzungsplatte (162) in der Zwischenbildebene (136) an geordnet ist, und
- - eine Vielzahl von Wänden (167), die sich zwischen den Linsen (130) und der Bildfeldbegrenzungsplatte (162) erstrecken, auf weist;
(ii) einer zweiten Baugruppe, die eine zweite Linsenanordnung (120) mit einer Vielzahl von Linsen (140) mit positiver Brechkraft aufweist, wobei jede der Linsen (140) der zweiten Linsenanordnung (120)
- a) einen der in der Zwischenbildebene (136) liegenden Bildab schnitte (135) noch einmal abbildet und ein umgekehrtes Bild des Bildabschnitts (135) auf der Abbildungsfläche erzeugt, und
- b) zusammen mit anderen Linsen der zweiten Linsenanordnung ein Bild (I) des zugeordneten Gegenstands erzeugt.

17. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 16, gekennzeichnet durch einen an der Zwischenbildebene (136) angeordneten Verschluß (170).

18. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschluß (170) einen geschlossenen und einen offenen Zustand hat und eine Vielzahl von Öffnungen (175) aufweist, die mit den lichtundurch lässigen Bereichen der Bildfeldbegrenzungsplatte (162) ausgerichtet sind, wenn sich der Verschluß in seinem geschlossenen Zustand befindet, und die mit den Öffnungen (165) der Bildfeldbegrenzungsplatte (162) ausge richtet sind, wenn sich der Verschluß in seinem offenen Zustand befindet.

19. Linsenanordnungssystem nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Größe der Bildabschnitte dem halben Abstand zwischen den Mittel punkten der Linsen (130) der ersten Linsenanordnung (110) entspricht oder kleiner ist.