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Die
Erfindung betrifft ein fotografisches Weitwinkel-Zoom-Objektiv vom
Retrofokustyp mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
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Fotografische
Objektive vom Retrofokustyp weisen eine vom Objekt her gesehene
vordere Linsengruppe negativer Brechkraft (Vordergruppe) und eine
hintere Linsengruppe positiver Brechkraft (Hintergruppe) auf. Objektive
vom Retrofokustyp werden auch als solche vom umgekehrten Teleobjektivtyp bezeichnet.
Die Aperturblende ist bei diesen Objektiven üblicherweise entweder zwischen
der Vordergruppe und der Hintergruppe oder innerhalb der Hintergruppe
angeordnet.
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Aus
US 4 364 641 ist ein Weitwinkel-Zoom-Objektiv
dieses Aufbaus bekannt. Die Vordergruppe besteht aus drei einzelnen
negativen Menisken und einer Positivlinse. Die in Lichtrichtung
erste oder dritte Linsenfläche
sind asphärisch
geformt. Die Hintergruppe besteht aus mindestens sieben Linsengliedern,
von denen mindestens zwei zu einem Kittglied zusammengefaßt sind.
Die Brennweite kann zwischen 21,5 und 34,5mm variiert werden. Der
Bildwinkel beträgt
bis zu 90° mit
einer relativen Öffnung von
1:3,7.
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Aus
US 6 999 247 B2 ist
ein Weitwinkel-Projektions-Objektiv vom Retrofokustyp mit fester Brennweite
bekann. Der Frontlinsen-Meniskus ist mit zwei asphärischen
Flächen
ausgestattet.
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Aus
der
DD 221 570 A1 ist
ein fotografisches Weitwinkelobjektiv vom Retrofokustyp mit einer
festen Brennweite und einem Feldwinkel größer 90° bekannt. Die relative Öffnung ist
größer 1:1,28.
Das Objektiv weist einen insgesamt 11 Linsen umfassenden Aufbau
auf, der aus 7 Einzellinsen und 2, jeweils 2 Linsen enthaltenden
Kittgliedern besteht.
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Aus
der
DE 28 13 929 A1 ist
ebenfalls ein Weitwinkelobjektiv vom Retrofokustyp bekannt. Das dort
beschriebene Objektiv weist eine relative Öffnung von 1:3,5–4,0 und
einen Öffnungswinkel
von 80° auf.
Das Linsensystem weist 9 Linsen auf, die zu 8 Linsengliedern zusammengefasst
sind. Das Objektiv hat eine hintere Schnittweite, die dem etwa 1,3
bis 1,4 fachen der Brennweite entspricht und ist daher z.B. für die Verwendung
an Spiegelreflexkameras geeignet, bei denen zwischen Objektivbajonett
und damit der letzten Linse des Objektivs und der Bildebene in der
Kamera ausreichend Platz für
den Spiegelkasten vorhanden sein muss.
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Aus
der
US 2003/0234985
A1 ist ein als Super Weitwinkel-Zoom-Objektiv bezeichnetes Objektiv mit einer
Vordergruppe (G1) negativer Brechkraft und einer Hintergruppe (G2)
positiver Brechkraft bekannt. Der Aufbau entspricht daher dem Retrofokustyp.
Die Aperturblende ist bei diesem Objektiv innerhalb der Hintergruppe
angeordnet. Bei einer Veränderung
der Brennweite von 12,3mm auf 23,3mm vergrößert sich der Abstand zwischen
Hintergruppe und Bildebene, während
sich gleichzeitig der Abstand zwischen Vordergruppe und Bildebene
verkleinert. Das Objektiv weist 11 Linsen in 7 Gruppen auf. Die
Linsengruppen haben von der Objektebene her gesehen folgende Brechkraftfolge
(– – +, + +
+ –).
Die erste Linse der Vordergruppe ist als negativer Meniskus mit
beidseitigen asphärischen
Flächen
ausgebildet und das zweite Linsenglied besteht aus einem asphärischen Linsenelement,
welches aus Glas in Kombination mit Kunststoff gefertigt ist. Beide
Linsenelemente sind teuer in der Herstellung. Das dritte Linsenelement
der Vordergruppe ist ein positiver Meniskus, dessen konvexe Fläche der
Objektebene zugewandt ist.
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Das
positive erste Linsenglied der Hintergruppe ist als Kittglied mit
einer Brechkraftfolge der beiden Einzelelement von (– +) ausgestaltet
und zur Fokussierung entlang der optischen Achse verschiebbar gelagert.
Zwischen dieser ersten und der zweiten ebenfalls positiven Linsengruppe,
die als Kittglied mit der Brechkraftfolge (+ –) ausgebildet ist, ist die
Aperturblende angeordnet. Die dritte Linsengruppe der Hintergruppe
ist ebenfalls als Kittglied ausgebildet und weist die Brechkraftfolge
(– +)
auf. Das letzte Linsenelement der Hintergruppe ist ein negativer
Meniskus mit einer der Bildebene zugewandten konvexen Fläche und
beidseitigen asphärischen Flächen.
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Das
Objektiv ist aufwändig
gefertigt und die fünf
asphärischen
Flächen
an drei Linsen bzw. Linsenelementen sind teuer in der Herstellung.
Insbesondere beidseitig vorgesehene asphärische Flächen an Linsen werfen Probleme
bei der Herstellung auf. Außerdem
sind diese Flächen
sehr anfällig
gegen Kipp- und Zentrierfehler und führen damit zu erhöhtem Montageaufwand.
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Der
Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, ein fotografisches Weitwinkel-Objektiv mit großem Bildwinkel
und einer variablen Brennweite f zwischen 16mm und 21mm, einer Öffnung von
1:4,0 und einer verbesserten Abbildungsleistung im Nahbereich bis etwa
0,50 m Objektentfernung zu schaffen. Eine weitere Aufgabe bestand
darin, die Herstellkosten zu reduzieren, indem die Anzahl der asphärischen
Flächen
verringert wird, asphärische
Flächen
möglichst nur
auf einer Seite der Linse vorzusehen und diese möglichst so zu gestalten, dass
sie kostengünstig herstellbar
sind.
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Diese
Aufgabe wird bei einem fotografischen Objektiv der eingangs genannten
Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte
Ausgestaltungen ergeben sich aus den Merkmalen der Unteransprüche.
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Zu
den in den Ansprüchen
angegebenen Lösungsmerkmalen
ist zu beachten, dass beim modernen Optik-Design üblicherweise
automatische Korrektionsprogramme, wie z.B. „code V" von Optical Research Association, eingesetzt
werden, die in der Lage sind, aus vorgegebenen Linsenfolgen und Brechkraftverteilungen
Vorschläge
für funktionsfähige Objektivsysteme
mit einem für
eine bestimmte Aufgabe optimiertem Korrektionszustand zu berechnen.
Aufgrund gezielter Veränderungen
einzelner Parameter durch den Optikkonstrukteur wird der automatisch
erreichte Korrektionszustand jeweils weiter verbessert.
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Mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 lassen sich auf diese Weise bereits
die Konstruktionsdaten für
Radien, Linsendicken, Linsenabstände,
Brechzahlen und Abbezahlen der einzusetzenden optischen Gläser gewinnen.
Bei Berücksichtigung
der in den Unteransprüchen
angegebenen Merkmale lassen sich die Konstruktionsparameter schrittweise
gezielt verbessern.
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In
der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des
erfindungsgemäßen Objektivs
schematisch dargestellt. Dabei zeigen
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1a den
Linsenschnitt durch ein Weitwinkel-Zoom-Objektiv in der Stellung
mit Brennweite f = 16mm,
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1b denselben
Linsenschnitt in der Stellung mit Brennweite f = 18mm,
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1c den
Linsenschnitt in der Stellung mit Brennweite f = 21mm.
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Bei
dem Objektiv nach 1(a–c) weist
die aus vier Linsengliedern (L1–L4)
bestehende Vordergruppe (VG–)
negative Brechkraft und die aus sechs Linsengliedern (L5–L10) bestehende
Hintergruppe (HG+) positive Brechkraft auf. Die Vordergruppe (VG–) und die
Hintergruppe (HG+) bewegen sich bei einer Brennweitenveränderung
von z.B. f = 10mm (1a) bis f = 21mm (1c)
aufeinander zu, während
sich der Abstand der Hintergruppe (HG+) zu einer Bildebene (BE)
gleichzeitig vergrößert. Zwischen der
fünften
Linse (L5) und dem Kittglied (L6, L7) ist eine Aperturblende (BL)
angeordnet.
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Die
Frontlinse (L1) ist als konvex-konkaver Meniskus negativer Brechkraft
aus einem hochbrechenden Glas (n > 1,80)
ausgebildet und weist vorzugsweise eine Teilbrennweite von f = –31mm auf. Die
zweite Linse (L2) der Vordergruppe (VG–) ist ebenfalls ein konvex-konkaver
Meniskus mit einer negativen Brechkraft und aus einem Glas im mittleren
Brechzahlbereich (1,5 < n < 1,75) gefertigt.
Es weist beispielsweise eine Teilbrennweite von f = –30mm auf.
Die Form der Linsenglieder (L1, L2) ermöglicht einen relativ großen Durchmesser,
der in vorteilhafter Weise für
die Erfassung eines großen Objekt-
oder Bildwinkels von z.B. größer 100°, vorzugsweise
107° geeignet
ist.
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Der
Retrofokusaufbau mit Frontlinsen negativer Brechkraft (L1, L2) bewirkt
jedoch eine große Verzeichnung
in der Bildebene. Um diese Bildfehler zu beheben, ist erfindungsgemäß in der
Vordergruppe (VG–)
eine Linse mit mindestens einer asphärische Fläche vorgesehen. In besonders
vorteilhafter Weise wird die asphärische Fläche weit vorne, also an der
ersten Linse (L1) oder der zweiten Linse (L2) vorgesehen. Auf diese
Weise können
Verzeichnungsfehler besonders gut korrigiert werden. Da asphärische Linsen
mit großem
Durchmesser jedoch schwierig zu fertigen und deshalb teuer sind,
ist in besonders vorteilhafter Weise die asphärische Fläche an der konkaven Seite der
zweiten Linse (L2) angeordnet. Auf diese Weise ist ein guter Kompromiss zwischen
Größe der asphärischen
Linse und Kosten ihrer Herstellung realisiert.
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Das
dritte Linsenglied (L3) der Vordergruppe (VG–) weist negative Brechkraft
und niedrig brechendes Glas (n < 1,60)
auf. Das vierte Linsenglied (L4) ist aus hochbrechendem Glas (n > 1,80) gefertigt und hat
positive Brechkraft. Zwar bieten sich bei einer Ausbildung als zwei
Einzellinsen (L3) und (L4) für den
Optikdesigner in der Vordergruppe (VG–) vorteilhaft zusätzliche
Freiheitsgrade für
die Korrektion durch Radien- und Abstandsvariationen, jedoch erzeugen
Abstands- und Dickenfehler bekanntermaßen symmetrisch im Bildfeld
liegende Fehler und Zentrierfehler der Linsenmitten zueinander unsymmetrische
Bildfehler. In vorteilhafter Weise sind daher die dritte und vierte
Linse als Kittglied (L3, L4) zusammengefasst. Auf diese Weise verringert
sich die Toleranzempfindlichkeit gegenüber Abstands-, Dicken- und Zentrierfehlern
bei der Fertigung und Montage. Moderne Fertigungsmethoden für Kittglieder
schließen
Zentrierfehler zwischen den verkitteten Linsen aus. Dadurch ist
es möglich,
das Kittglied (L3, L4) entlang der optischen Achse zur Fokussierung
verschiebbar zu lagern. Die Beseitigung von eventuellen Zentrierfehlern
ist besonders wichtig, wenn das Fokussierglied nicht durch eine
Geradführung
axial verschoben wird, sondern zum Beispiel in einer Schneckenführung drehbar
geführt
ist. Die Teilbrennweite des Kittgliedes (L3, L4) beträgt z.B.
62mm.
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Vorteilhaft
ist das sehr nahe an der Aperturblende (BL) angeordnete Linsenglied
(L5), das als bikonvexe Linse aus niedrig brechendem Glas (n < 1,60) mit einer
asphärischen
Fläche
auf der Lichteintrittseite ausgeführt ist. Niedrig brechendes
Glas eignet sicht besonders gut zur Herstellung gepresster Asphären, die
kostengünstig
herstellbar sind. Der aufgrund der asphärischen Fläche erzeugte sehr starke Einfluss
auf Astigmatismus und Bildfeldwölbung
kann vorteilhaft zu Korrektionszwecken genutzt werden. Das Linsenglied
weist z.B. eine Teilbrennweite von f = 28mm auf.
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Das
sechste Linsenglied (L6) weist ein hochbrechendes Glas (n > 1,80) auf und ist
mit dem siebten Linsenglied (L7), welches eine anormale Teildispersion
und eine hohe Abbezahl (v > 65)
aufweist, als Kittglied (L6, L7) zusammengefasst. Auf diese Weise lassen
sich sphärische
Fehler und die Koma bis in den Randbereich des Bildfeldes besonders
gut korrigieren. Die Teilbrennweite f des Kittgliedes (L6, L7) beträgt z.B.
52mm.
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Erfindungsgemäß kann ferner
am Außenumfang
des sechsten Linsenglieds (L6) ein keilförmiger Einstich (E) definierter
Tiefe vorgesehen sein, um die Abbildungsleistung speziell in der
mittleren Bildfeldzone zu erhöhen.
Um Bildfeldzonen selektiv besonders wirkungsvoll zusätzlich vignettieren
zu können, ist
der Einstich mit schwarzem Lack ausgelegt.
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Die
in den ersten beiden Linsengliedern (L1, L2) verwendeten Gläser im mittleren
und höheren Brechzahlbereich
weisen eine kleine Abbezahl auf und verursachen damit eine relativ
hohe Farbzerstreuung. In besonders vorteilhafter Weise werden zur
Korrektur der Farbzerstreuung im siebten, achten und neunten Linsenglied
(L7, L8, L9) Gläser
mit anormaler Teildispersion eingesetzt. Die Linsenglieder acht
und neun sind zur besonders effektiven Korrektur des Farbfehlers
aus Gläsern
mit starker anormaler Teildispersion und als Kittglied (L8, L9)
mit einer negativen Teilbrennweite von z.B. f = –22mm zusammengefügt.
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Zur
Erzeugung eines möglichst
großen
Abstands der Austrittspupille von der Bildebene (BE) ist das zehnte
Linsenglied (L10) als konkav-konvexe Linse
positiver Brechkraft ausgebildet und beeinflusst zusätzlich in
vorteilhafter Weise die Verzeichnungskorrektur. Die Teilbrennweite
des zehnten Linsengliedes (L10) beträgt z.B. f = 44mm. Durch die Verlagerung
der Austrittspupille fallen die Randstrahlen in einem steileren
Winkel auf die Bildebene (BE), wodurch zusätzliche Bildfehler, insbesondere
bei einer digitalen Bildaufnahme vermieden werden.
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Ein
bekanntes Problem bei der Fokussierung eines Weitwinkel-Objektivs sind die
im Nahbereich oftmals verstärkt
auftretenden Bildfehler infolge einer systembedingten Bildfeldwölbung. Der
Ausgleich dieser im Nahbereich entstehenden Bildfehler wird bei
kürzeren
Brennweiten immer schwieriger. In vorteilhafter Weise ist daher
das Kittglied (L3, L4), welches wie bereits erwähnt der Fokussierung dient,
in der Weise korrigiert, dass sein Einfluss auf die Bildfeldwölbung des
Gesamtsystems beim Fokussieren im Nahbereich einer durch seine Verstellung
im Gesamtsystem bedingten Bildfeldwölbung entgegenwirkt. Zusätzlich kann
zur Veränderung
des Abstands bei der Naheinstellung das Kittglied (L3, L4) auf einem
relativ zur Fassung der übrigen
Linsenglieder verschiebbaren besonderen Fassungsteil angeordnet
sein. Der Luftabstand zwischen dem Kittglied (L3, L4) und dem vorausgehenden
Linsenglied (L2) kann zur verbesserten Fertigung des Objektivs einstellbar sein
und somit als Setzabstand verwendet werden. Durch Veränderung
des Setzabstands können Schwankung
der durch Fertigungstoleranzen bedingten Bildfeldwölbung kompensiert
werden. Durch eine gezielte Veränderung
des Abstands können
beim vorliegenden Objektiv am Ende des Montagevorganges die fertigungsbedingten
symmetrischen Toleranzen der Radien, Dicken und Abstände der
bereits in die Fassung eingesetzten Linsenglieder ausgeglichen werden.
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Zur
besonderen Verwendung an Messsucherkameras mit diskreten Maskenrahmen
weist das erfindungsgemäße Weitwinkel-Zoom-Objektiv
mehrere, vorzugsweise drei einrastbare Brennweitenstellungen auf.
In diesem Fall kann die Korrektion für diese diskreten Brennweiten
gezielt weiter optimiert werden da Zwischenbrennweiten wie bei herkömmlichen,
stufenlos einstellbaren Zoom-Objektiven keine Verwendung finden.
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Bei
Verwendung des Objektivs an einer digitalen Messsucherkamera mit
einem gegenüber
dem herkömmlichen
Kleinbildformat kleineren Bildsensor, verringern sich die Objektwinkel,
die zu den Brennweiten f = 16mm, 18mm und 21mm gehören, auf Werte
die beispielsweise den Brennweiten f = 21mm, 24mm und 28mm entsprechen
(Kleinbild-Äquivalenzbrennweite).
Auf diese Weise kann ein separater Aufstecksucher für die Brennweite
f = 21mm sowohl an einer analogen als auch an einer digitalen Messsucherkamera
verwendet werden.
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Mit
den vorgenannten Maßnahmen
lässt sich ein äußerst kompaktes
Weitwinkel-Zoom-Objektiv realisieren, das aufgrund der Verwendung
nur zweier asphärischer
Linsen kostengünstig
herstellbar ist und aufgrund der speziellen Innenfokussierung und
Korrektion des Fokussiergliedes hervorragende Abbildungsleistungen
auch im Nahbereich von 0,5m Objektabstand aufweist.
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- L1
bis L10
- erstes
bis zehntes Linsenglied
- L3,
L4
- Kittglied
aus drittem und viertem Linsenglied
- L6,
L7
- Kittglied
aus sechstem und siebtem Linsenglied
- L8,
L9
- Kittglied
aus achtem und neuntem Linsenglied
- VG–
- Vordergruppe
- HG+
- Hintergruppe
- BL
- Aperturblende
- E
- Einstich
- BE
- Bildebene