WO2013131539A1 - Object lens - Google Patents

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WO2013131539A1
WO2013131539A1 PCT/EP2012/003863 EP2012003863W WO2013131539A1 WO 2013131539 A1 WO2013131539 A1 WO 2013131539A1 EP 2012003863 W EP2012003863 W EP 2012003863W WO 2013131539 A1 WO2013131539 A1 WO 2013131539A1
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WO
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lens
vfl
image
focal length
afocal
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PCT/EP2012/003863
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German (de)
French (fr)
Inventor
Witold Hackemer
Original Assignee
Qioptiq Photonics Gmbh & Co. Kg
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Publication date
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    • G02B3/12Fluid-filled or evacuated lenses
    • G02B3/14Fluid-filled or evacuated lenses of variable focal length

Definitions

  • the invention relates to a lens with a liquid lens.
  • Liquid lenses also referred to as liquid lenses or fluid lens or VFL, are well known.
  • a liquid lens consists of two non-mixing ones
  • Liquids that have different refractive indices and electrical properties By applying an electric field, the liquid lens changes its refractive index and thus its focal length, so that in this way optical functions such as focusing or focal length variation in the VFL application can be realized.
  • Such liquid lenses are known for example from WO 99/18456.
  • VFL Focal length
  • VFL Varioptic Type Arctic A316
  • the invention has for its object to provide a lens with a liquid lens whose imaging performance and sufficient focus over the known
  • Fig.6 - a graphic on the theory of the afocal system
  • Fig. 7a - a representation of a thin lens L of focal length f in the imaging from the infinite
  • FIG. 1d - VFL application example No.2 (exemplary embodiment) / MTF for the main color and four image heights y '[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 and 2.0 when imaging a nearby object (beta' -0.11)
  • the invention is based on the following considerations:
  • VFL refractive power of a liquid lens described above, also referred to below as VFL, in the range of -13 Dpt to +35 Dpt, at first glance, presents a chance of simple variation of focal length and focusing distance in many optical devices. These typical functions could be performed without moving systems or system parts, ie lead to stationary systems.
  • VFL introduces a variable Petzval sum into the system
  • the VFL is a hyperchromatic lens of very low equivalent Abbe number (-14.3), it introduces a variable chromatic aberration into the system,
  • the searched functions are:
  • Difficulty "A” apparently makes it difficult or difficult to achieve a planar image in the system for two lens power states of the VFL, a phenomenon that does not occur in the theory of classical variable focal length instruments.
  • a first application example of a VFL is considered below.
  • the lens has a focal length f 0 , a f-number k and an image circle diameter 2y '.
  • w arctan (y Vfo), where w is the object-side field angle and y 'is the image height.
  • the wave-optical image depth is the
  • the real VFL additionally loads the system with the clamshell defect (astigmatism). This is the theory-compliant for the Aperturblendenlage in question, and the
  • Fig. 2 shows the course of the two shells and Fig. 3 the descent of the
  • FIG. 4a shows the monochromatic MTF for the case of powerlessness of the VFL (image from the infinite).
  • the choice of the spatial frequencies shown depends, inter alia, on the pixel size of the electronic image imagers (CCD / CMOS) available today.
  • Difficulty "B" apparently makes it impossible or difficult to achieve a stable correction of chromaticity error in the system for two VFL lens power states.
  • this correction state is only influenced by the material characteristics of the lens material and the refractive power distribution of the lenses in the system.
  • the refractive power ⁇ 2 of the objective is determined by the detector format (2y ') and the object-side field (2w).
  • each component (lens) of which consists of a defined medium having its own Abbe number an equivalent Abbe number can be calculated.
  • the equivalent Abbe number V eq states what value the regular Abbe number V (e) of a single lens with the focal length f (e) would have to have a chromatic property that is similar to that of the above optical system or group.
  • the regular Abbeiere an optical medium is:
  • V (e) [n (e) - 1] / [n (F ') - n (C)]
  • the difficulty "C” makes the construction of zoom lenses seem impossible or difficult.
  • the proof is provided by the extended invariant according to Helmholtz-Lagrange (Optical Invariant).
  • the fluid lens available from Varioptic, referred to above, can be used only at the point of closest constriction of all the rays in the system where the pharoid waist Dphar is ⁇ 2.3 mm.
  • the Dphar ascents in front of and behind the waistline may only be moderate (tunnel effect), which means that a geometric limit value requirement is imposed on the
  • the principal ray angle VFL m of the direct lens environment and the meridional shortening of the ray bundle striving for the image corner is to be set in the VFL location.
  • To focus on near objects (beta ' -1/10) in front of the lens 0.3 - 0.5 * R yq) in the off-axis region (polychromatic, 420-680 nm).
  • Lens front group can be achieved.
  • an afocal system in the light direction
  • Fig.6 For this see Fig.6.
  • FIG. 7a shows a positive lens with focal length f and a beam path from left to right, where rays coming from an infinite object axis point are focused in focus F '.
  • Fig. 7b shows the same lens with an upstream afocal system AB.
  • the afocal system consists of a (in the light direction) group A of negative refractive power and a group B of positive refractive power, we speak of an afocal Galileo system in retroposition.
  • the angular magnification of such an afocal system is positive (without image inversion) and 0 ⁇ M A « ⁇ 1.
  • a means has been defined with a small power variation .DELTA..DELTA. ⁇ of the actuator L a strong, by the factor ⁇ ⁇ higher effective power variation ⁇ ⁇ to produce in the system.
  • the afocal system AB can have a transverse magnification ⁇ ⁇ or a reciprocal of the angular magnification I ⁇ ⁇ of 3 to 4.
  • the maximum refractive power of the control lens can be reduced by a factor of 3 to 4, which corresponds to the sought size.
  • a small maximum refractive power of the Stellinse relieves the Petzval sum in the system according to formula (1), so that the field curvature and the resulting defocusing in the field according to formula (2).
  • VFL - application example No.2 VFL - application example No.2:
  • SA fixed, focusable objective
  • a liquid lens is preceded by an optical system which is or contains an optical galley system in retro-division.
  • an optical system which is or contains an optical galley system in retro-division.
  • (stationary) lens is understood according to the invention a lens in which a
  • Focusing and / or focal length variation without moving assemblies is realized.
  • the afocal galileo system AB in retroposition is called AFO.
  • VFL The L lens of adjustable refractive power
  • Arctic A316 The L lens of adjustable refractive power is referred to below as VFL (for example, the one commercially available under the name Arctic A316 from Varioptic
  • Liquid lens can be used).
  • AFO + VFL a basic objective HO is set.
  • SA stationary anastigmatism
  • the aperture stop APE in direct VFL proximity in the air space must be too HO.

Abstract

The invention relates to an object lens (SA) with at least one fluid lens (VFL), which is preceded according to the invention by an afocal or quasi-afocal optical system. The afocal system preferably is or includes an optical Galileo system (AB) in retro position.

Description

Objektiv  lens
Die Erfindung betrifft ein Objektiv mit einer Flüssigkeitslinse. The invention relates to a lens with a liquid lens.
Flüssigkeitslinsen, die auch als Flüssiglinsen oder Fluid Lens oder VFL bezeichnet werden, sind allgemein bekannt. Eine Flüssigkeitslinse besteht aus zwei sich nicht mischenden Liquid lenses, also referred to as liquid lenses or fluid lens or VFL, are well known. A liquid lens consists of two non-mixing ones
Flüssigkeiten, die unterschiedliche Brechzahlen und elektrische Eigenschaften aufweisen. Durch Anlegen eines elektrischen Feldes verändert die Flüssigkeitslinse ihre Brechzahl und damit ihre Brennweite, so dass auf diese Weise optische Funktionen wie eine Fokussierung oder eine Brennweitenvariation in der VFL- Applikation realisiert werden kann. Liquids that have different refractive indices and electrical properties. By applying an electric field, the liquid lens changes its refractive index and thus its focal length, so that in this way optical functions such as focusing or focal length variation in the VFL application can be realized.
Derartige Flüssigkeitslinsen sind beispielsweise durch WO 99/18456 bekannt. Such liquid lenses are known for example from WO 99/18456.
Im Jahr 2002 wurde eine Flüssigkeitslinse variabler Brechkraft (Fluid Lens) bekannt und verfügbar gemacht (Varioptic, Lyon, Frankreich). Diese Flüssigkeitslinse variabler In 2002, a liquid lens of variable power (Fluid Lens) was known and made available (Varioptic, Lyon, France). This liquid lens variable
Brennweite (VFL) verfügt über brauchbare Konstruktionsparameter und eine brauchbare Abbildungsleistung. Gemeint sind hier vor allem die Wellenfrontdeformation und ihre Focal length (VFL) has useful design parameters and useful imaging performance. Above all, this refers to the wavefront deformation and their
Stabilität in Bezug auf die variable Lage der Linse im Gravitationsfeld. Stability with respect to the variable position of the lens in the gravitational field.
Über die Wirkungsweise und Parameter einer typischen VFL (z.B. Varioptic Typ Arctic A316) informiert:„Arctic 316 Technica data Sheet, Vers.l - December 2010". Information on the operation and parameters of a typical VFL (e.g., Varioptic Type Arctic A316): "Arctic 316 Technica data Sheet, Vers.l - December 2010".
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Objektiv mit einer Flüssigkeitslinse anzugeben, dessen Abbildungsleistung und ausreichende Fokussierung gegenüber den bekannten The invention has for its object to provide a lens with a liquid lens whose imaging performance and sufficient focus over the known
Objektiven mit Flüssigkeitslinse verbessert ist. Lenses with liquid lens is improved.
Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 angegebene Erfindung gelöst. This object is achieved by the invention defined in claim 1.
Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. Advantageous and expedient developments of the invention are specified in the dependent claims.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausfuhrungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Dabei bilden alle beschriebenen, in der Zeichnung dargestellten und in den Patentansprüchen beanspruchten Merkmale für sich genommen sowie in beliebiger technisch sinnvoller Kombination miteinander den Gegenstand der Erfindung, unabhängig von ihrer Beschreibung bzw. Darstellung in der Zeichnung sowie unabhängig von Ihrer Zusammenfassung in den Patentansprüchen und deren Rückbeziehung. The invention will now be described with reference to an exemplary embodiment with reference to the accompanying drawings. All described, illustrated in the drawings and claimed in the claims features taken alone and in any technically meaningful combination with each other, the subject matter of the invention, regardless of their description or representation in the drawing and independently of their summary in the claims and their dependency.
Es zeigt: It shows:
Fig.la - VFL-Applikationsbeispiel No.l / ideales Objektiv IO mit Flüssigkeitslinse VFL, Abbildung aus dem Unendlichen (beta' = 0) Fig.la - VFL application example No.l / ideal objective IO with liquid lens VFL, image from the infinite (beta '= 0)
Fig.lb - VFL-Applikationsbeispiel No.l / ideales Objektiv IO mit Flüssigkeitslinse VFL, Abbildung eines nahe liegenden Objekts bei dem Abbildungsmaßstab beta' = - 0.10 Fig.lb - VFL application example No.l / ideal lens IO with liquid lens VFL, image of a near-object at the magnification beta '= - 0.10
Fig.lc - VFL-Applikationsbeispiel No.l / Konstruktionsdaten des idealen Objektivs IO mit Flüssigkeitslinse in den Stellungen für Unendlich und für beta' = -0.10 Fig.lc - VFL application example No.l / construction data of the ideal lens IO with liquid lens in the positions for infinity and for beta '= -0.10
Fig.2 - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / Bildfeldwölbung und Astigmatismus bei beta' = -0.1 Fig.2 - VFL application example No.1 / field curvature and astigmatism at beta '= -0.1
Fig.3 - VFL-Applikationsbeispiel No.1 / Verlauf der Strehlschen Fig.3 - VFL application example No.1 / course of Strehlschen
Definitionshelligkeit im Feld bei beta' = -0.1  Definition brightness in the field at beta '= -0.1
Fig.4a - VFL-Applikationsbeispiel No.l / MTF für die Hauptfarbe "e" für den Achspunkt (y1 = 0) und für die maximale Bildhöhe y' = 2.0 mm bei der Abbildung aus dem Unendlichen (beta1 = 0) 4 a - VFL application example No. 1 / MTF for the main color "e" for the axis point (y 1 = 0) and for the maximum image height y '= 2.0 mm in the mapping from the infinite (beta 1 = 0)
Fig.4b - VFL-Applikationsbeispiel No.l / MTF für die Hauptfarbe "e" für den Achspunkt (y' = 0) und für die maximale Bildhöhe y' = 2.0 mm bei der Abbildung eines nahe liegenden Objekts bei beta' = - 0.1 FIG. 4 b - VFL application example No. 1 / MTF for the main color "e" for the axis point (y '= 0) and for the maximum image height y' = 2.0 mm when imaging a nearby object at beta '= - 0.1
Fig.5 - VFL-Applikationsbeispiel No.l / normierter Farbortsfehler eingeführt durch VFL bei beta' = - 0.1 Fig.5 - VFL application example No.l / normalized color locus introduced by VFL at beta '= - 0.1
Fig.6 - eine Grafik zur Theorie des afokalen Systems Fig.7a - eine Darstellung einer dünnen Linse L der Brennweite f bei der Abbildung aus dem Unendlichen Fig.6 - a graphic on the theory of the afocal system Fig. 7a - a representation of a thin lens L of focal length f in the imaging from the infinite
Fig.7b - wie in Fig.7a, jedoch mit einem vorgeschalteten afokalen System AB mit Vergrößerung ΜΑΠ Fig.7b - as in Fig.7a, but with an upstream afocal system AB with magnification ΜΑ Π
FigJc - wie in Fig.Tb, jedoch mit einem nahe liegenden, nach Unendlich abgebildeten Objektpunkt F Fig. 1c - as in Fig. Tb, but with a nearby object point F, shown at infinity
Fig.8 - VFL-Applikationsbeispiel No.2 das Layout eines Ausführungsbeispieles eines erfindungsmäßigen Objektivs in Form eines stationären Anastigmaten Figure 8 - VFL Application Example No.2 the layout of an embodiment of an inventive lens in the form of a stationary Anastigmaten
Fig.9 - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / die Fig.9 - VFL application example No.2 (embodiment) / the
Konstruktionsdaten des Objektivs gemäß Fig. 8 in den Stellungen für Unendlich (beta' = 0) und für beta' = -0.1 1 Construction data of the objective according to FIG. 8 in the positions for infinity (beta '= 0) and for beta' = -0.1 1
Fig.10a - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausfuhrungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung aus dem Unendlichen (beta1 = 0) 10 a - VFL application example No.2 (exemplary embodiment) / MTF for the main color and four image heights y '[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 and 2.0 when imaging from the infinite (beta 1 = 0)
Fig.10b - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.03) 10b - VFL application example No.2 (exemplary embodiment) / MTF for the main color and four image heights y '[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 and 2.0 when imaging a nearby object (beta' = -0.03)
Fig.10c - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.06) 10c - VFL application example No.2 (exemplary embodiment) / MTF for the main color and four image heights y '[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 and 2.0 in the image of the near object (beta' = -0.06)
Fig.1 Od - VFL-Applikationsbeispiel No.2 (Ausführungsbeispiel) / MTF für die Hauptfarbe und vier Bildhöhen y'[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 und 2.0 bei der Abbildung nahe liegenden Objekts (beta' = -0.11) Der Erfindung liegen folgende Überlegungen zugrunde: FIG. 1d - VFL application example No.2 (exemplary embodiment) / MTF for the main color and four image heights y '[mm]: 0.0, 1.0, 1.5 and 2.0 when imaging a nearby object (beta' = -0.11) The invention is based on the following considerations:
Die Variabilität der Brechkraft einer oben beschriebenen Flüssigkeitslinse, die nachfolgend auch kurz als VFL bezeichnet wird, im Bereich von -13 Dpt bis +35 Dpt offenbart auf den ersten Blick eine Chance auf einfache Variation der Brennweite und Einstellentfernung in vielen optischen Geräten. Diese typischen Funktionen könnten ohne bewegte Systeme bzw. Systemteile ausgeführt werden, also zu stationären Systemen fuhren. The variability in refractive power of a liquid lens described above, also referred to below as VFL, in the range of -13 Dpt to +35 Dpt, at first glance, presents a chance of simple variation of focal length and focusing distance in many optical devices. These typical functions could be performed without moving systems or system parts, ie lead to stationary systems.
Der grundsätzliche Aufbau einer Flüssigkeitslinse ist dem Fachmann allgemein bekannt und wird daher hier nicht näher erläutert. The basic structure of a liquid lens is generally known to the person skilled in the art and will therefore not be explained in more detail here.
Eine theoretische Analyse der Parameter der VFL in Hinblick auf die Applizierbarkeit im optischen Instrumentenbau, vor allem in Systemen mit einem nennenswerten A theoretical analysis of the parameters of the VFL with regard to the applicability in optical instrument making, especially in systems with a significant
Informationsübertragungsfaktor, also jenen, die simultan über einen größeren endlichen Wert von Apertur und Feld verfügen müssen, zeigt folgende Schwierigkeiten auf: Information transfer factor, that is, those which must simultaneously have a larger finite value of aperture and field, presents the following difficulties:
A. die VFL führt eine variable Petzvalsumme in das System ein, A. the VFL introduces a variable Petzval sum into the system,
B. die VFL ist eine hyperchromatische Linse einer sehr niedrigen equivalenten Abbezahl (-14.3), sie führt einen variablen Farbortsfehler in das System ein,  B. the VFL is a hyperchromatic lens of very low equivalent Abbe number (-14.3), it introduces a variable chromatic aberration into the system,
C. Sehr kleine freie Apertur DVFL = 2.3mm bei einer Tunnelbauweise (VFL-Länge = 2.0mm). C. Very small free aperture D VF L = 2.3mm for tunnel construction (VFL length = 2.0mm).
Betrachten wir den Einfluss der o.g. Schwierigkeiten in Bezug auf den Bau der stationären Objektive mit anastigmatischer Bildfeldebnung mit einem totalen Objektsehfeld 2w > 40° und einer Blendenzahl k < 3.0. Consider the influence of the o.g. Difficulties regarding the construction of stationary objectives with anastigmatic field flattening with a total object field 2w> 40 ° and a f-number k <3.0.
Die gesuchten Funktionen sind: The searched functions are:
1. Fokussierung für Objektive konstanter Brennweite 1. Focusing for lenses of constant focal length
2. Brennweitenvariation und Fokussierung für Varioobjektive (Zoom).  2. Focal length variation and focusing for zoom lenses (zoom).
Die Schwierigkeit„A" macht es anscheinend unmöglich bzw. erschwert es, eine planare Abbildung im System für zwei Linsenbrechkraftzustände der VFL zu erreichen. Dieses Phänomen tritt in der Theorie klassischer Instrumente variabler Brennweite nicht auf. Hierzu wird nachfolgend ein erstes Applikationsbeispiel einer VFL betrachtet. Difficulty "A" apparently makes it difficult or difficult to achieve a planar image in the system for two lens power states of the VFL, a phenomenon that does not occur in the theory of classical variable focal length instruments. For this purpose, a first application example of a VFL is considered below.
VFL - Applikationsbeispiel No.l : VFL - Application Example No.l:
Einem idealen, aberrationsfreien Objektiv IO (Komponentennummer i = 2) soll zwecks Einstellung auf nahe liegende Objekte eine VFL (i = 1) vorgeschaltet werden. Hierzu siehe Fig.la,b,c. Das Objektiv verfügt über eine Brennweite f0, eine Blendenzahl k und einen Bildkreisdurchmesser 2y'. An ideal, aberration-free objective IO (component number i = 2) should be preceded by a VFL (i = 1) for adjustment to nearby objects. For this see Fig.la, b, c. The lens has a focal length f 0 , a f-number k and an image circle diameter 2y '.
Es gelten bekannte Gaußsche Zusammenhänge (System in der Luft: n = n' = 1): Known Gaussian relationships apply (system in the air: n = n '= 1):
k =1 / 2sin(u'), wo u' der bildseitige Öffnungswinkel k = 1 / 2sin (u '), where u' is the image-side opening angle
w = arctan(y Vfo), wo w der objektseitige Feldwinkel und y' die Bildhöhe sind. w = arctan (y Vfo), where w is the object-side field angle and y 'is the image height.
Mit der VFL soll ein Abbildungsmaßstab ß' = y'/y von mindestens -0.1 erreicht werden. With the VFL a magnification β '= y' / y of at least -0.1 should be achieved.
Typische Werte für ein einem %"-Detektor angepasstes Objektiv sind hierbei beispielsweise: Brennweite f0 = 3.14, Blendenzahl k = 2.8, Bildkreisdurchmesser 2y' = 4.0, Feldwinkel 2wTypical values for a lens adapted to a% "detector are, for example: focal length f 0 = 3.14, f-number k = 2.8, image circle diameter 2y '= 4.0, field angle 2w
= 65° = 65 °
Es soll der große Variationsbereich der positiven Brechkräfte von 0 Dpt bis +35 Dpt genutzt werden, d.h. im brechkraftlosen Zustand der Fokussierungslinse werden durch das stationäre System VFL+IO Objekte aus dem Unendlichen scharf abgebildet. Da zwischen dem Objektiv und VFL ein Zustand der optischen Kollimation herrscht, kann die für das Erreichen des Abbildungsmaßstabs beta' = -0.1 notwendige Brennweite der Fokussierlinse wie folgt definiert werden: fvFL = - £>/ ß'. Dies entspricht der Brechkraft OVFL = 000 : fvFL und führt im oberen Applikationsfall zu einem Wert von ~32 Dpt. The large variation range of the positive refractive powers from 0 Dpt to +35 Dpt should be used, ie in the powerless state of the focusing lens, objects from the infinite are sharply imaged by the stationary system VFL + IO. Since there is a state of optical collimation between the objective and VFL, the focal length of the focusing lens necessary for achieving the magnification factor beta '= -0.1 can be defined as follows: fvFL = - £ > / β'. This corresponds to the refractive power O VF L = 000: fvFL and leads to a value of ~ 32 Dpt in the upper application case.
In diesem Zustand belastet die VFL das System mit einer starken positiven Petzvalsumme: In this state, the VFL loads the system with a strong positive Petzval sum:
(1) Dieses hat einen Petzvalradius RPeB = - 65.5 zur Folge. Dieser Radius beschreibt die Krümmung der Bildschale in ihrem paraxialen Bereich, also jenes natürlichen Bildortes, der im Fall des korrigierten Astigmatismus und konform mit dem Petzval - Theorem den Ort einer scharfen Abbildung im Feld darstellt. In der Theorie der Abbildungsfehler der dritten Ordnung (Seidelscher Raum) kann eine solche Bildschale als rotationssymmetrische Parabel ausgelegt werden. Der Defokussierungsweg, also die Ablage für einen Bildpunkt mit der idealen Bildhöhe y* von einer Abbildungsebene ist: ds'pete = y'2/2Rpet2 (2) (1) This results in a Petzvalradius R PeB = - 65.5. This radius describes the curvature of the image shell in its paraxial region, ie that natural image location which, in the case of corrected astigmatism and in conformity with the Petzval theorem, represents the location of a sharp image in the field. In the theory of aberrations of the third order (Seidel's space), such an image shell can be designed as a rotationally symmetric parabola. The defocusing path, ie the storage for a pixel with the ideal image height y * from an imaging plane, is: ds'p ete = y ' 2 / 2Rp et2 (2)
Hierzu siehe Fig.2. For this see Fig.2.
Für einen planaren Detektor (CCD, CMOS) mit der Bildhöhe y' = 2.00 beträgt die For a planar detector (CCD, CMOS) with the image height y '= 2.00 is the
Defokussierung ds'petz = - 3 Ιμπι. Das entspricht der 3.7- fachen wellenoptischen Defocusing ds'p etz = - 3 Ιμπι. This corresponds to 3.7 times the wave optical
Abbildungstiefe, also ds' b'o.s ~ 3.7. Die wellenoptische Abbildungstiefe ist der Depth of image, so ds' b'o.s ~ 3.7. The wave-optical image depth is the
Defokussierungsweg eines idealen optischen Systems, bei welchem die relative Defocusing path of an ideal optical system in which the relative
Punktbildintensität (DEH) auf 80% ihres Maximalwertes absinkt. Ihr Wert hängt nur Wellenlänge λ und der Systemapertur A ' = n'*sin(u') ab und wird definiert:
Figure imgf000008_0001
Dot image intensity (DEH) drops to 80% of its maximum value. Its value depends only on wavelength λ and the system aperture A '= n' * sin (u ') and is defined:
Figure imgf000008_0001
Für ein beugungsbegrenztes System in der Luft (n' = 1) muss der Quotient ds' /b'o.8 < 1 sein. For a diffraction-limited system in the air (n '= 1), the quotient ds' /b'o.8 <1 must be.
Die reale VFL belastet das System zusätzlich mit dem Zweischalenfehler (Astigmatismus). Dies ist für die in Frage kommende Aperturblendenlage theoriekonform, und den The real VFL additionally loads the system with the clamshell defect (astigmatism). This is the theory-compliant for the Aperturblendenlage in question, and the
Zusammenhang zwischen der meridionalen, der sagittalen und der Petzvalschen Relationship between the meridional, the sagittal and the Petzvalschen
Bildfelalmimmung regelt für den Seidelraum der Bildfelalmimmung regulates for the Seidelraum the
Petzvalsche - Satz: Petzvalsche - sentence:
1 1
(4) (4)
R 'm, er Die Defokussierung der meridionalen und der sagittalen Bildschalen errechnet sich entsprechend: ds'mer = y'2/2RmerR'm, he The defocusing of the meridional and sagittal image shells is calculated accordingly: ds ' mer = y' 2 / 2R me r
Figure imgf000009_0001
Figure imgf000009_0001
Im gerechneten Beispiel, wo infolge der Umfokussierung auf ß' = -0.1 die in Einheiten der wellenoptischen Abbildungstiefe ausgedrückte reale Defokussierung am Feldrand folgende Parameter hat: ds'mer/ b'o.8 ~ 17.9 In the calculated example where due to the refocusing on β '= -0.1 the real defocusing at the edge of the field expressed in units of the wave-optical image depth has the following parameters: ds' mer / b'o. 8 ~ 17.9
ds'sag/ b'o.s ~ 7.3 zeigt Fig.2 den Verlauf der beiden Bildschalen und die Fig.3 den Abfall der ds' sag / b'o.s ~ 7.3, Fig. 2 shows the course of the two shells and Fig. 3 the descent of the
Definitionshelligkeit DEH in Funktion der Bildhöhe y'[mm]. Definition brightness DEH in function of image height y '[mm].
In der Domäne der Kontrastübertragung (vgl. hierzu Hopkins, H.H.: "The frequency response of a defocused optical System", Proc. Roy. Soc. A231 (1955), Hopkins. H.H.: "The In the domain of contrast transmission (see Hopkins, H.H .: "The frequency response of a defocused optical system", Proc. Roy Soc., A231 (1955), Hopkins, H.H .: "The
Aberration Permissible in Optical Systems", Proc. Phys. Soc. B70 (1957), Jozwicki, R.: "Instrumentaloptik", Verlag WNT, Warschau 1970 (polnisch)) bedingt die o.g. Aberration Permissible in Optical Systems ", Proc. Phys Soc., B70 (1957), Jozwicki, R .:" Instrumental Optics ", publisher WNT, Warsaw 1970 (Polish)) requires the o.g.
Defokussierung einen starken Abfall der MTF in Funktion der Bildhöhe y'[mm] schon für niedrige Ortsfrequenzen R[Lp/mm]. Defocusing a sharp drop in MTF in function of the image height y '[mm] even for low spatial frequencies R [Lp / mm].
Für die monochromatische Bewertung bei der Hauptwellenlänge "e" = 546.074 nm zeigt Fig.4b den MTF-V erlauf im Ortsfrequenzkontinuum bis R=200Lp/mm für den Achspunkt (y '= 0, oberste Kurve) und für die Bildhöhe y' = 2.00 (T - meridionaler Bildort, S - sagittaler Bildort). For the monochromatic evaluation at the main wavelength "e" = 546.074 nm, FIG. 4b shows the MTF progression in the spatial frequency continuum up to R = 200 lp / mm for the axis point (y '= 0, uppermost curve) and for the image height y' = 2.00 (T - meridional image location, S - sagittal image location).
Fig.4a zeigt die monochromatische MTF für den Fall der Brechkraftlosigkeit der VFL (Abbildung aus dem Unendlichen). Die Wahl der gezeigten Ortsfrequenzen richtet sich u.a. nach der Pixelgröße der heute verfügbaren elektronischen Bildaumehmer (CCD/CMOS). Dabei ist R^yq = 1/2P die Nyquistfrequenz für einen Detektor mit der Pixelgröße P. Die Schwierigkeit„B" macht es anscheinend unmöglich bzw. erschwert es, eine stabile Korrektion des Farbortsfehlers im System für zwei Linsenbrechkraftzustände der VFL zu erreichen. FIG. 4a shows the monochromatic MTF for the case of powerlessness of the VFL (image from the infinite). The choice of the spatial frequencies shown depends, inter alia, on the pixel size of the electronic image imagers (CCD / CMOS) available today. Where R ^ yq = 1 / 2P is the Nyquist frequency for a detector of pixel size P. Difficulty "B" apparently makes it impossible or difficult to achieve a stable correction of chromaticity error in the system for two VFL lens power states.
Die Bedingung für die Achromasie des Bildortes ist: The condition for the Achromasie of the picture place is:
Figure imgf000010_0001
Figure imgf000010_0001
hierbei sind: , - die Aperturstrahlhöhe auf der Linse , where:, the aperture beam height on the lens,
s'p - die bildseitige Systemschnittweite s' p - the image-side system intercept
Δ^- der longitudinale Farbunterschied des Bildortes (z.B. &s'p = s'F.-s'c. ), v; - die Abbezahl der Linse (z.B. ve =— ). Δ ^ - the longitudinal color difference of the image location (eg, s p = s ' F. -S' c .), V ; - Abbezahl the lens (eg v e = -).
nF. - nc.n F. - n c .
s'p= 0 ist die Voraussetzung für die Systemachromasie für zwei Wellenlängen (z.B. F' & o s ' p = 0 is the prerequisite for the system after-radiation for two wavelengths (eg F'& o
Man sieht, dass dieser Korrektionszustand lediglich von den Werkstoffkennzahlen des Linsenmaterials und der Brechkraftverteilung der Linsen im System beeinflusst wird. It can be seen that this correction state is only influenced by the material characteristics of the lens material and the refractive power distribution of the lenses in the system.
Ein zweigliedriges System VFL+IO, in dessen Gliedern das chromatische Verhalten mit den Brechkräften Φ; und den equivalenten Abbezahlen Vj beschrieben wird, kann im Ansatz als Dublettvariante (p = 2) aus dünnen Linsen (Interstitium = 0) dargestellt werden (VFL = 1 ; 10 = 2). A bipartite system VFL + IO, in whose terms the chromatic behavior with the powers Φ; and the equivalent Abbezahlen Vj is described in the approach as a doublet variant (p = 2) of thin lenses (interstitium = 0) are represented (VFL = 1, 10 = 2).
Aus (5a) kann geschrieben werden:
Figure imgf000010_0002
From (5a) can be written:
Figure imgf000010_0002
Die Brechkraft Φ2 des Objektivs ist durch das Detektorformat (2y') und objektseitiges Feld (2w) festgelegt. Die maximale Brechkraft der VFL hängt direkt mit dem definierten Abbildungsmaßstab (β') bei der Abbildung nahe liegender Objekte zusammen. Da aufgrund der Kollimation zwischen VFL und 10 die Aperturstrahlhöhen gleich sind (h2 = hi) und s'2 konstant bleiben muss (ein System ohne verstellbare Komponenten, stationärer Anastigmat), kann die Kompensation des Farbortsfehlers im System mittels Anpassung der equivalenten Abbezahl v2 im realen Objektiv jedoch nur für eine Brechkraft Φι der Fokussierungslinse erreicht werden. Für alle anderen Werte von Φι führt die VFL einen Farbfehler in die Abbildung ein. Fig.5 zeigt den Farblängsfehler in Einheiten der wellenoptischen The refractive power Φ 2 of the objective is determined by the detector format (2y ') and the object-side field (2w). The maximum refractive power of the VFL depends directly on the defined Image scale (β ') in the image of nearby objects together. Since due to the collimation between VFL and 10, the aperture beam heights are the same (h 2 = hi) and s' 2 must remain constant (a system without adjustable components, stationary anastigmat), the compensation of the color misregistration in the system can be done by adjusting the equivalent Abbe number v 2 in the real lens, however, can only be achieved for a refractive power Φι the focusing lens. For all other values of Φι, the VFL introduces a color error into the image. 5 shows the longitudinal chromatic aberration in units of the wave-optical
Abbildungstiefe b'o.s (DOF) für drei Zonenhöhen der Systemeintrittspupille. Depth of image b'o . s (DOF) for three zone heights of the system entrance pupil.
Definition equivalenter Abbezahl: Definition of equivalent Abbe number:
Für jedes optische System, welches sich aus vielen optischen Komponenten zusammensetzt, wovon jede Komponente (Linse) aus einem definierten Medium besteht, das eine eigene Abbezahl besitz, lässt sich eine equivalente Abbezahl errechnen. For each optical system composed of many optical components, each component (lens) of which consists of a defined medium having its own Abbe number, an equivalent Abbe number can be calculated.
Betrachten wir ein Wellenlängen-Tripel: Consider a wavelength triple:
F' = 479.9914 nm  F '= 479.9914 nm
e = 546.0740 nm  e = 546.0740nm
C = 643.8469 nm  C = 643.8469 nm
Für jede dieser Fraunhoferlinien berechnen wir die Systembrennweite: For each of these Fraunhofer lines we calculate the system focal length:
f(F), f(e), f (C)  f (F), f (e), f (C)
Für die Grenzlinien des Spektralintervalls berechnen wir den Brennweitenunterschied: df = f (F*) - f (C) For the boundary lines of the spectral interval we calculate the focal length difference: df = f (F * ) - f (C)
Der relative Brennweitenunterschied ist gleich dem negativen Kehrwert der equivalenten Abbezahl Veq eines optischen Systems oder einer optischen Baugruppe im System: df/f(e) = -l V«, The relative focal length difference is equal to the negative inverse of the equivalent Abbe number V eq of an optical system or optical assembly in the system: df / f (e) = -l V «,
Bemerkungen. 1. Die equivalente Abbezahl Veq sagt aus, welchen Wert die reguläre Abbezahl V(e) einer Einzellinse der Brennweite f (e) haben müsste, um eine chromatische Eigenschaft zu besitzen, die jener des o.g. optischen Systems bzw. der Gruppe gleicht. Remarks. 1. The equivalent Abbe number V eq states what value the regular Abbe number V (e) of a single lens with the focal length f (e) would have to have a chromatic property that is similar to that of the above optical system or group.
2. Die reguläre Abbezahl eines optischen Mediums ist: 2. The regular Abbezahl an optical medium is:
V(e) = [n(e) - l]/[n(F') - n(C)]  V (e) = [n (e) - 1] / [n (F ') - n (C)]
Mit diesem Ausdruck wird die "Dispersionskraft" eines Glases beschrieben; die Differenz n(F') - n(C') ist die Hauptdispersion des Glases. This term describes the "dispersion power" of a glass; the difference n (F ') - n (C') is the main dispersion of the glass.
3. In chromatisch korrigierten Systemen spricht man von der Hauptwellenlänge (Hauptfarbe) und von einem achromatischen Wellenlängenpaar. 3. In chromatically corrected systems one speaks of the main wavelength (main color) and of an achromatic wavelength pair.
Bei der Systemachromatisierung im VIS-Bereich sind: For system achromatization in the VIS area are:
- die Linie e ist die Hauptfarbe  - the line e is the main color
- die Linien F und C bilden das achromatische Wellenlängenpaar  - The lines F and C form the achromatic wavelength pair
4. Für die komerziell erhältliche Flüssigkeitslinse (VFL) vom Typ Arctic A316 der Fa. 4. For the commercially available liquid lens (VFL) of the type Arctic A316 of Fa.
Varioptic (siehe oben) ist die equivalente Abbezahl Veq = 14.34; Dir Wert ist in jeder Varioptic (see above) is the equivalent Abbe number V eq = 14.34; You value is in everyone
Linsenstellung bzw. bei jeder VFL-Linsenbrennweite gleich. Lens position, or the same for each VFL lens focal length.
Eine weitere Folge der Brechkraftvariation der hyperchromatischen VFL-Linse im System ist der variable Farbvergrößerungsfehler:
Figure imgf000012_0001
Another consequence of the refractive power variation of the hyperchromatic VFL lens in the system is the variable color magnification error:
Figure imgf000012_0001
Hier bedeuten: Here mean:
Δν' - der laterale Farbunterschied der Bildgröße y'x -y X2, welcher beim Vorhandensein des Farbortsfehlers zu einem Hauptstrahldurchstoßkoordinatenunterschied für zwei Wellenlängen AI, A2 in einer definierten Bildebene verallgemeinert werden kann. y' - Referenzbildhöhe in Hauptfarbe, definiert z.B. durch A = VAl - A2 Δν '- the lateral color difference of the image size y' x -y X2 , which can be generalized in the presence of chromaticity aberration to a Hauptstrahldurchstoßkoordinatenunterschied for two wavelengths AI, A2 in a defined image plane. y '- reference image height in main color, defined for example by A = VAl - A2
s\ · Objektschnittweite, bezogen auf die erste Linse ■ίρτ,ι - Eintrittspupillenschnittweite, bezogen auf die erste Linse s \ · object section, related to the first lens ■ ίρτ , ι - entrance pupil section, with respect to the first lens
A rj - Hauptstrahlhöhe auf der Linse i  A rj - principal ray height on the lens i
Sonstige Bezeichnungen siehe bei (5a)  Other names see at (5a)
Für ein zweigliedriges System (p = 2) resultiert: For a two-part system (p = 2) results:
Figure imgf000013_0001
Figure imgf000013_0001
Für die endliche Lage des Objekts und der Eintrittspupille kann Δ/= 0 dann erreicht werden, wenn der Klammerausdruck zu Null wird. Wenn beide Brechkräfte positiv und konstant sind, kann dies durch gegensätzliche Vorzeichen der Aperturstrahlhöhen und ihr entsprechendes Verhältnis (Korrektionspraxis einiger Okulartypen) oder gegensätzliche Vorzeichen der Hauptstrahlhöhen und ihr Verhältnis (Korrektionspraxis vieler Systeme mit innen liegender Aperturblende, z.B. Photoobjektive) erreicht werden. Ändert aber die erste Brechkraft ihren Wert (VFL- Wirkung), so entsteht zwangsläufig ein dieser Brechkraftänderung proportionaler Farbvergrößerungsfehler in der Abbildung. For the finite position of the object and the entrance pupil, Δ / = 0 can be achieved when the parenthetical expression becomes zero. If both refractive powers are positive and constant, this can be achieved by opposing signs of the aperture beam heights and their corresponding ratio (corrective practice of some types of eyepieces) or opposite signs of major beam heights and their ratio (correction practice of many internal aperture diaphragm systems, e.g., photo-objectives). But if the first refractive power changes its value (VFL effect), then inevitably a color magnification error proportional to this refractive power change arises in the image.
Der einzige Weg, für eine endliche Objektlage s\ den Farbquerfehler Ay' gleich Null und von den Variationen dc i unabhängig zu gestalten ist das Anstreben von = 0. The only way for a finite object position s \ to make the lateral color aberration Ay 'equal to zero and independent of the variations dc i is to strive for = 0.
Dies ist gleichbedeutend mit einem zentralen Durchgang des Hauptstrahls durch die VFL, was durch die direkte Nähe der Systemaperturblende APE zu der VFL gewährleistet werden muss. This is equivalent to central passage of the main beam through the VFL, which must be ensured by the close proximity of the system aperture stop APE to the VFL.
Dieses hat weitreichende Konsequenzen für die astigmatische Systembelastung und ihreThis has far-reaching consequences for the astigmatic system load and its
Korrektion. Correction.
Die Schwierigkeit„C" macht den Bau von Zoomobjektiven anscheinend unmöglich bzw. erschwert ihn. The difficulty "C" makes the construction of zoom lenses seem impossible or difficult.
Betrachten wir den Fall eines einfachsten Varioobjektivs mit den statischen Elementen und mit zwei Flüssigkeitslinsen, die einen Variator und einen Kompensator bilden können. Consider the case of a simplest zoom lens with the static elements and two liquid lenses that can form a variator and a compensator.
Selbst wenn man von der unzureichenden Variabilität im Bereich der negativen Brechkräfte absieht und auch wenn für eine der Flüssigkeitslinsen ein Ort minimaler lateraler Ausdehnung aller Pharoidstrahlen gefunden werden könnte, so steht für die zweite VFL-Linse kein zweiter Ort vergleichbarer Eigenschaft zur Verfügung In Kompaktsystemen entfällt die theoretische Möglichkeit für eine Konjugation der Pupille, siehe auch US20110299176 AI . Even if one disregards the insufficient variability in the range of negative refractive powers, and even if a location of minimal lateral extension of all pharoid rays could be found for one of the liquid lenses, there is no second for the second VFL lens Place of comparable property available In compact systems the theoretical possibility for a conjugation of the pupil is omitted, see also US20110299176 AI.
Den Beweis liefert die erweiterte Invariante nach Helmholtz-Lagrange (Optical Invariant). The proof is provided by the extended invariant according to Helmholtz-Lagrange (Optical Invariant).
I = hpr>k-nnic+iuic+i - hk+inic+iWk+i = ypr,knkUk - h^Wk (7) hk - Hohe des Aperturstrahls an der Fläche„k" I = hpr> k + -nnic iuic + i - + hk + inic IWK + i = ypr, knkUk - h ^ Wk (7) h k - height of the aperture ray on the surface of "k"
Uk - Aperturstrahlwinkel im Raum nach der Fläche„k"  Uk - Aperture ray angle in the space after the area "k"
hpr.k - Höhe des Hauptstrahls an der Fläche„k" hpr.k - height of main ray at area "k"
wk - Hauptstrahlwinkel im Raum nach der Fläche„k" w k - principal ray angle in the space after the area "k"
Die oben in Bezug genommene, von der Fa. Varioptic erhältliche Flüssigkeitslinse kann nur an jener Stelle engster Einschnürung aller Strahlen im System benutzt werden, an der die Pharoidtaille Dphar < 2.3 mm ist. Dabei dürfen die Dphar -Anstiege vor und hinter der Taille nur mäßig sein (Tunneleffekt), womit eine geometrische Grenzwertforderung an die The fluid lens available from Varioptic, referred to above, can be used only at the point of closest constriction of all the rays in the system where the pharoid waist Dphar is <2.3 mm. The Dphar ascents in front of and behind the waistline may only be moderate (tunnel effect), which means that a geometric limit value requirement is imposed on the
Hauptstrahlwinkel VFL m der direkten Linsenumgebung und an die meridionale Verkürzung der nach der Bildecke strebender Strahlenbündel im VFL-Ort zu stellen ist. The principal ray angle VFL m of the direct lens environment and the meridional shortening of the ray bundle striving for the image corner is to be set in the VFL location.
Die besonders bei größeren VFL-Brechkraftanstiegen induzierten Aberrationen bedingen einen starken Abbildungsleistungsabfall im System. Bei einem idealen theoretischen The aberrations induced especially with larger VFL power increases cause a strong degradation in the performance of the system. At an ideal theoretical
Weitwinkelobjektiv mit typischen Parametern für Chip, wie k = 2.8 und 2w = 65° bedingt eine zwecks Fokussierung auf nahe liegende Objekte (beta'= -1/10) vor das Objektiv gestellte Flüssigkeitslinse eine erste MTF-Nullstelle schon bei niedrigen Ortsfrequenzen (R = 0.3 - 0.5 * R yq) im off-axis Bereich (polychromatisch, 420 -680 nm). Wide-angle lens with typical parameters for chip, such as k = 2.8 and 2w = 65 ° requires a first MTF zero point even at low spatial frequencies (R =.) To focus on near objects (beta '= -1/10) in front of the lens 0.3 - 0.5 * R yq) in the off-axis region (polychromatic, 420-680 nm).
Damit erklärt sich der ausgebliebene Einzug dieser regelbaren Elemente in die auf der ersten Seite aufgeführten Gerätekategorien, aber auch die gescheiterte generelle Anwendung der ^an'opn'c-Linsen im Objektivbau im Mobile-Phone Bereich. This explains the lack of entry of these controllable elements into the device categories listed on the first page, as well as the failed general application of ^ on ' opn ' c lenses in lens construction in the mobile phone sector.
Es stellt sich damit die Frage, ob solche Flüssigkeitslinsen noch für den modernen This raises the question of whether such liquid lenses still for the modern
Objektivbau attraktiv sind. Für den miniaturisierten Objektivbau (stationäre Anastigmate für %" CMOS) müssten die Abbildungsfehler aus der aktiven VFL um den Faktor 3...4 kleiner werden. Bei der gegebenen Linse ist dies nur für kleine Brechkraftvariationen, also für sehr kleine Lens construction are attractive. For the miniaturized objective construction (stationary anastigmates for% "CMOS), the aberrations from the active VFL would have to be smaller by a factor of 3 ... 4. For the given lens, this is only for small refractive power variations, ie for very small ones
Brennweitenänderungen möglich. Die Folge ist ein absolut unzureichender Hub für die Objekteinstellung, also |ß'| = 0.033...0.025. Focal length changes possible. The result is an absolutely insufficient stroke for the object setting, ie | ß '| = 0.033 ... 0.025.
Daraus ergibt sich die Frage, wie mit einer kleinen Brechkraftvariation der Flüssigkeitslinse eine große, für den Abbildungsmaßstab von mindestens ß' = -0.1 ausreichende Variation der Brennweite der für die Einstellung auf nahe liegende Objekte zuständigen This raises the question of how, with a small refractive power variation of the liquid lens, a large variation of the focal length of the focal length for the adjustment to nearby objects is sufficient for the magnification of at least β '= -0.1
Objektivfrontgruppe erreicht werden kann. Lens front group can be achieved.
Ausgehend von diesen grundsätzlichen und für die Konzeptionierung von Objektiven mit Flüssigkeitslinsen grundlegenden Überlegungen, stellt die Erfindung den folgenden Based on these fundamental and for the conception of lenses with liquid lenses fundamental considerations, the invention provides the following
Lösungsansatz bereit: Solution ready:
In der Instrumentenoptik sind afokale Systeme und ihre Theorie bekannt. Im einfachsten Fall besteht ein afokales System (in Lichtrichtung) aus zwei Linsengruppen A und B, wobei der bildseitige Fokus der Gruppe A mit dem objektseitigen Fokus der Gruppe B koinzident ist. Hierzu siehe Fig.6. In instrument optics afocal systems and their theory are known. In the simplest case, an afocal system (in the light direction) consists of two lens groups A and B, wherein the image-side focus of the group A is coincident with the object-side focus of the group B. For this see Fig.6.
Die besonderen Transformationseigenschaften der Abbildung durch afokale Systeme beschreiben drei Vergrößerungsdefinitionen (Systeme in der Luft): The particular transformation properties of the image by afocal systems describe three magnification definitions (systems in the air):
Angulare Vergrößerung: M = tan(w') / tan(w)Angular magnification: M = tan (w ') / tan (w)
Figure imgf000015_0001
Figure imgf000015_0001
Transversale Vergrößerung: Mir = h' / hTransverse magnification: Mir = h '/ h
Figure imgf000015_0002
Figure imgf000015_0002
Longitudinale Vergrößerung: = ζ' / z Longitudinal magnification: = ζ '/ z
M = M2Tr Wird vor eine Linse L der Brennweite f ein afokales System mit einer angularen Vergrößerung MAU gestellt, so wird die effektive Brennweite des so gebildeten Systems: £β·= M * f. M = M 2 Tr If an afocal system with an angular magnification M AU is placed in front of a lens L of focal length f, the effective focal length of the system thus formed becomes: £ β * = M * f.
Fig.7a zeigt eine positive Linse mit Brennweite f und einen Strahlengang von links nach rechts, wo von einem im Unendlichen liegenden Objektachspunkt kommende Strahlen im Fokus F' fokussiert werden. 7a shows a positive lens with focal length f and a beam path from left to right, where rays coming from an infinite object axis point are focused in focus F '.
Fig.7b zeigt die gleiche Linse mit einem vorgeschalteten afokalen System AB. Besteht das afokale System aus einer (in Lichtrichtung) Gruppe A negativer Brechkraft und einer Gruppe B positiver Brechkraft, so spricht man von einem afokalen Galilei-System in Retrostellung. Die angulare Vergrößerung eines solchen afokalen Systems ist positiv (ohne Bildumkehr) und es gilt 0 < MA« < 1. Fig. 7b shows the same lens with an upstream afocal system AB. If the afocal system consists of a (in the light direction) group A of negative refractive power and a group B of positive refractive power, we speak of an afocal Galileo system in retroposition. The angular magnification of such an afocal system is positive (without image inversion) and 0 <M A «<1.
In einem so gebildeten System (AB + L) sind die Strahlen vor und hinter dem (AB) kollimiert, somit ändert sich die Lage des Fokus F' nicht. Die effektive Brennweite im System wird aber um den Faktor der Angularvergrößerung ΜΑΠ kürzer. In a system thus formed (AB + L), the rays in front of and behind the (AB) are collimated, thus the position of the focus F 'does not change. The effective focal length in the system, however, becomes shorter by the factor of angular enlargement ΜΑ Π .
Wird das System (AB + L) um 180° links-rechts umgeklappt oder wird der axiale If the system (AB + L) is flipped 180 ° left-right or is the axial
Objektpunkt aus dem Unendlichen verschoben und in einer solchen Entfernung links vor der Gruppe A des afokalen Systems positioniert, dass die aus der Linse L nach rechts Object point shifted from the infinite and positioned at such a distance left in front of the group A of the afocal system, that from the lens L to the right
verlaufenden Strahlen zu der optischen Achse und untereinander parallel sind extending beams to the optical axis and are parallel to each other
( ollimationszustand im Raum hinter L), so ändert das nichts (ollimation state in the room behind L), that does not change anything
an der effektiven Systembrennweite von (AB + L). at the effective system focal length of (AB + L).
Ändert L innerhalb des Systems (AB + L) ihre Brennweite von unendlich (L brechkraftlos) bis f, so ändert sich die effektive Brennweite feff des Systems (AB + L) von unendlich bis ΜΑΠ * f . Dabei werden die Objekte entsprechend von unendlich bis an den Systemfrontfokus F scharf nach unendlich abgebildet. Siehe Fig.7c. If L within the system (AB + L) changes its focal length from infinity (L powerless) to f, the effective focal length f eff of the system (AB + L) changes from infinity to ΜΑ Π * f. The objects are correspondingly imaged from infinity to the system front focus F sharp to infinity. See Fig.7c.
Damit ist ein Mittel definiert worden, mit einer kleinen Brechkraftvariation ΔΦ der Stelllinse L eine starke, um den Faktor ΜΑΠ höhere effektive Brechkraftvariation ΔΦ^ im System zu erzeugen. Das afokale System AB kann eine transversale Vergrößerung ΜτΓ bzw. einen Kehrwert der angularen Vergrösserung I ΜΑΠ von 3 bis 4 haben. Damit kann die maximale Brechkraft der Stelllinse um den Faktor 3 bis 4 verkleinert werden, was der gesuchten Größe entspricht. Thus, a means has been defined with a small power variation .DELTA..DELTA.Φ of the actuator L a strong, by the factor Μ ΑΠ higher effective power variation ΔΦ ^ to produce in the system. The afocal system AB can have a transverse magnification Μτ Γ or a reciprocal of the angular magnification I ΜΑ Π of 3 to 4. Thus, the maximum refractive power of the control lens can be reduced by a factor of 3 to 4, which corresponds to the sought size.
Eine kleine maximale Brechkraft der Stellinse entlastet die Petzvalsumme im System nach Formel (1), damit die Bildfeldwölbung und die daraus resultierende Defokussierung im Feld nach Formel (2). A small maximum refractive power of the Stellinse relieves the Petzval sum in the system according to formula (1), so that the field curvature and the resulting defocusing in the field according to formula (2).
Dies ist eine notwendige Basis für die aussichtsreiche Kompensation des durch VFL eingeführten Astigmatismus, dessen grundsätzliches Verhalten bei kleinen Bildhöhen bzw. Hauptstrahlwinkeln durch die Formel (4) beschrieben wird mit dem Ziel der anastigmatischen Bildfeldebnung. Beide Aspekte zusammen mit den farbvergrößerungsfehlerreduzierenden Maßnahmen nach Formel (6b) ermöglichen einen wesentlichen Anstieg der Modulation bei mittleren und hohen Ortsfrequenzen und einen homogenen Verlauf der MTF im Gesamtfeld, also eine dem planaren Detektor angepasste Abbildungseigenschaft der Optik des stationären Anastigmaten.  This is a necessary basis for the promising compensation of the astigmatism introduced by VFL, whose fundamental behavior at low image heights or main ray angles is described by the formula (4) with the aim of anastigmatic field flattening. Both aspects together with the color-magnification-error-reducing measures according to formula (6b) enable a significant increase in the modulation at medium and high spatial frequencies and a homogeneous course of the MTF in the total field, ie an imaging property of the stationary anastigmatics adapted to the planar detector.
VFL - Applikationsbeispiel No.2: VFL - application example No.2:
Für die Bildung eines unbewegten, fokussierbaren Objektivs (im Weiteren SA genannt) mit den im Applikationsbeispiel No.1 definierten Parametern sollen folgende Definitionen angenommen werden: The following definitions are to be assumed for the formation of a fixed, focusable objective (hereinafter called SA) with the parameters defined in Application Example No.1:
Erfindungsgemäß ist einer Flüssigkeitslinse ein optisches System vorgeschaltet, das ein optisches Galileisystem in Retrosteilung ist oder enthält. Unter einem unbewegten According to the invention, a liquid lens is preceded by an optical system which is or contains an optical galley system in retro-division. Under a motionless
(stationären) Objektiv wird erfindungsgemäß ein Objektiv verstanden, bei dem eine (stationary) lens is understood according to the invention a lens in which a
Fokussierungs- und/oder Brennweitenvariation ohne bewegte Baugruppen realisiert wird. Focusing and / or focal length variation without moving assemblies is realized.
Das afokale Galileisystem AB in Retrostellung wird im Weiteren AFO genannt. The afocal galileo system AB in retroposition is called AFO.
Seine angulare Vergrößerung ist MAB- Its angular magnification is MA B -
Die Linse L stellbarer Brechkraft wird im Weiteren VFL genannt (Beispielsweise kann die unter der Bezeichnung Arctic A316 von der Fa. Varioptic kommerziell erhältliche The L lens of adjustable refractive power is referred to below as VFL (for example, the one commercially available under the name Arctic A316 from Varioptic
Flüssigkeitslinse verwendet werden). In den Bildraum des Systems (AFO + VFL) wird ein Grundobjektiv HO gestellt. Liquid lens can be used). In the image space of the system (AFO + VFL) a basic objective HO is set.
Das Gesamtsystem des stationären Anastigmaten (SA) gemäß dem Ausführungsbeispiel ist somit: (AFO + VFL + HO), siehe Fig.8. The overall system of the stationary anastigmatism (SA) according to the embodiment is thus: (AFO + VFL + HO), see Fig.8.
Zwischen VFL und HO herrscht definitionsgemäß ein Zustand der Kollimation By definition, a state of collimation prevails between VFL and HO
(aberrationsbedingte Abweichungen für Aperturstrahlen von +/-10...20 mR ändern nichts an dem Begriff "Kollimation"). Damit ist der bildseitige Fokus F'Ho = F'SA der Ort des Detektors (Chip). (Aberration-related deviations for aperture beams of +/- 10 ... 20 mR do not change the term "collimation"). Thus, the image-side focus F ' H o = F'SA is the location of the detector (chip).
Im brechkraftlosen Zustand der VFL liegt die Objektebene im Unendlichen, bei beta' = -0.1 1 hat die VFL +7.55 Dpt, zeigt also eine um Faktor 4 kleinere Brechkraft, als im In the non-refractive state of the VFL, the object plane lies at infinity, at beta '= -0.1 1 the VFL has +7.55 Dpt, thus showing a factor of 4 smaller refractive power than in
Applikationsbeispiel No.l . Application Example No. 1.
Für die Brennweite des Grundobjektivs gilt: fko = ISA ^ ΜΑΠ The focal length of the basic objective is: fko = ISA ^ ΜΑ Π
Wegen des symmetrischen bzw. zentralen Haupstrahldurchgangs durch VFL (kleiner Farbvergrößerungsfehler) muss die Aperturblende APE in direkter VFL-Nähe im Luftraum zu HO sein. Because of the symmetrical central beam crossing through VFL (small color magnification error), the aperture stop APE in direct VFL proximity in the air space must be too HO.
In der Gleichung ΜΑΠ = tan(w') / tan(w) kann mit w und w* entsprechend der objektseitige und bildseitige
Figure imgf000018_0001
des afokalen Systems AFO bezeichnet werden.
In the equation ΜΑ Π = tan (w ') / tan (w), with w and w * corresponding to the object-side and image-side
Figure imgf000018_0001
of the afocal system AFO.
Für den Hauptstrahlwinkel im Raum zwischen AFO und VFL ist VFL = w' = arctan[MAn * tan(w)]. For the principal ray angle in the space between AFO and VFL, VFL = w '= arctan [MAn * tan (w)].
Für den Hauptstrahlwinkel im Raum zwischen VFL und HO ist: WVFL = HO · For the principal ray angle in the space between VFL and HO: WVFL = HO ·
Bei einem symmetrischen Durchgang aller Strahlen durch das VFL-Zentrum ist For a symmetric passage of all rays through the VFL center
WVFL ~ W'VFL Niedrige Hauptstrahlneigungen in den Lufträumen vor und hinter der VFL sind willkommene Folgen der AFO - Wirkung. Damit wird nicht nur ein verlustarmer energetischer Fluss in der relativ langen Struktur der VFL ermöglicht, sondern auch eine g nstige Minderung des unteren Komastrahlwinkels im Bildraum und damit eine verlustarme kohärente Anpassung an die Akzeptanzcharakteristik der Detektoren (CMOS, Mikrolinsen). W VFL ~ W'VFL Low main beam slopes in the air spaces in front of and behind the VFL are welcome consequences of the AFO effect. This not only allows a low-loss energetic flow in the relatively long structure of the VFL, but also a favorable reduction of the lower Komastrahlwinkels in the image space and thus a low-loss coherent adaptation to the acceptance characteristics of the detectors (CMOS, microlenses).
Eine andere Folge der AFO - Wirkung ist der dimensionale, seiner Brennweite proportionale Anstieg von HO und der bildseitigen Schnittweite S'F des Objektivs. Damit bleiben die Linsen noch sinnvoll ausfuhrbar und die Aspekte der Eintauchtiefe in die Kamera berücksichtigt (für solche ultrakurzen Brennweiten müssen die Werte s'p fsA > 2..A aus mechanischen Gründen erreicht werden). Another consequence of the AFO effect is the dimensional increase in HO proportional to its focal length and the focal length S'F of the objective. In this way, the lenses are still useful and the aspects of immersion depth into the camera are taken into account (for such ultrashort focal lengths, the values s'p fs A > 2..A must be reached for mechanical reasons).

Claims

Patentansprüche claims
1 . Objektiv, mit wenigstens einer Flüssigkeitslinse (VFL), der ein afokales oder quasi-afokales optisches System vorgeschaltet ist.  1 . Lens, with at least one liquid lens (VFL), which is preceded by an afocal or quasi-afocal optical system.
2. Objektiv nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die angulare Vergrößerung des afokalen Systems 0.2 < MAD < 0.7 ist. 2. Lens according to claim 1, characterized in that the angular magnification of the afocal system is 0.2 <MA D <0.7.
3. Objektiv nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das afokale System ein optisches Galileisystem (AB) in Retrostellung ist oder enthält. 3. Lens according to claim 1 or 2, characterized in that the afocal system is an optical Galileisystem (AB) in retro position or contains.
4. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) als Anastigmat ausgebildet ist oder einen Anastigmaten enthält. 4. Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (SA) is formed as Anastigmat or contains anastigmates.
5. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv als stationäres (unbewegtes) Objektiv insbesondere als stationärer Anastigmat, ausgebildet ist. 5. Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the lens is designed as a stationary (non-moving) lens, in particular as a stationary Anastigmat.
6. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) ein fokussierbares Objektiv ist und dass wenigstens eine Flüssigkeitslinse (VFL) zur Fokussierung des Objektivs (SA) ausgebildet ist. 6. Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (SA) is a focusable lens and that at least one liquid lens (VFL) for focusing the lens (SA) is formed.
7. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (SA) als Vario-Objektiv) ausgebildet und wenigstens eine Flüssigkeitslinse (VFL) zur Erzielung einer Brennweitenvariation ausgebildet und eingerichtet ist. 7. Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (SA) designed as a zoom lens) and at least one liquid lens (VFL) is designed and arranged to achieve a focal length variation.
8. Objektiv nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Flüssigkeitslinse (VFL) eine freie Apertur Ό?κ, > 3.4mm, insbesondere von DFrei~5.5mm, aufweist. 8. Lens according to one of the preceding claims, characterized in that the liquid lens (VFL) has a free aperture Ό? κ ,> 3.4mm, in particular of DF re ~ 5.5mm.
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