DE102018108818A1

DE102018108818A1 - Kompaktes Objektiv

Info

Publication number: DE102018108818A1
Application number: DE102018108818.3A
Authority: DE
Inventors: Henning Mehnert; Thomas Steinich
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2018-04-13
Filing date: 2018-04-13
Publication date: 2019-10-17
Also published as: WO2019197528A1

Abstract

Es wird ein Objektiv, insbesondere für eine spiegellose Systemkamera, bereitgestellt, wobei das Objektiv (1) eine erste Linse (7) mit positiver Brechkraft, eine zweite Linse (8) mit negativer Brechkraft, eine dritte Linse (9) mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse (10) mit negativer Brechkraft aufweist,wobei die Linsen (7-10) in der genannten Reihenfolge ausgehend von der Objektseite entlang einer optischen Achse (OA) des Objektivs (1) hintereinander angeordnet sind,wobei die erste und zweite Linse (7, 8) eine erste Optikgruppe (11) mit positiver Brechkraft sowie die dritte und vierte Linse (9, 10) eine zweite Optikgruppe (12) mit positiver Brechkraft bilden,wobei zwischen der zweiten und dritten Linse (8, 9) eine erste Blende (13) angeordnet ist unddie Optikgruppen (11, 12) unabhängig voneinander, mindestens eine der Linsen (7-10) unabhängig von den anderen Linsen (7-10) und/oder die erste Blende (13) unabhängig von den anderen Linsen (7-10) entlang der optischen Achse (OA) verschiebbar ist/sind, um die Fokusposition und/oder die Abbildungsleistung zu ändern.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Objektiv, insbesondere für eine spiegellose Systemkamera. Weiter betrifft die Erfindung eine Kamera und ein optisches System, welches das Objektiv umfasst, als auch eine Verwendung des Objektivs auf unterschiedlichen Gebieten.
Da im Vergleich zu Spiegelreflexkameras bei einer spiegellosen Systemkamera kein Klappspiegel mehr vorhanden ist, ist bei spiegellosen Systemkameras die Schnittweite (der Abstand zwischen der Linse des Objektivs, die am nächsten zum Bildsensor ist, und dem Bildsensor) geringer als bei Spiegelreflexkameras.
Es soll daher ein Objektiv, insbesondere für eine spiegellose Systemkamera, bereitgestellt werden, dass diese geringere Schnittweite berücksichtigt, möglichst kompakt ist und gleichzeitig gute Abbildungseigenschaften bereitstellt. Ferner soll eine spiegellose Systemkamera mit einem solchen Objektiv bereitgestellt werden.
Die Erfindung ist in den unabhängigen Ansprüchen 1, 15, 17 und 18 definiert. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Das erfindungsgemäße Objektiv, insbesondere für eine spiegellose Systemkamera, weist eine erste Linse mit positiver Brechkraft, eine zweite Linse mit negativer Brechkraft, eine dritte Linse mit positiver Brechkraft und eine vierte Linse mit negativer Brechkraft auf, wobei die Linsen in der genannten Reihenfolge ausgehend von der Objektseite entlang einer optischen Achse des Objektivs hintereinander angeordnet sind. Die erste und zweite Linse bilden eine erste Optikgruppe mit positiver Brechkraft. Die dritte und vierte Linse bilden eine zweite Optikgruppe mit ebenfalls positiver Brechkraft. Zwischen der zweiten und dritten Linse ist eine erste Blende angeordnet, wobei die Optikgruppen unabhängig voneinander, mindestens eine der Linsen unabhängig von den anderen Linsen und/oder die erste Blende unabhängig von den anderen Linsen entlang der optischen Achse verschiebbar ist/sind, um die Fokusposition und/oder die Abbildungsleistung zu ändern.
Mit diesem Aufbau kann ein sehr kompaktes Objektiv mit guten Abbildungseigenschaften bereitgestellt werden. Insbesondere kann das Objektiv wenig Linsen (z.B. genau die vier Linsen) aufweisen, wodurch das Objektiv kompakt und mit geringem Gewicht bereitgestellt werden kann. Die Linsen können einen kleinen Linsendurchmesser aufweisen, was wiederum zu einer reduzierender Große und Gewicht führen kann.
Die Änderung der Abbildungsleistung kann insbesondere ein Verbessern der Abbildungsleistung sein. Unter der Abbildungsleistung des Objektivs wird hier insbesondere das allgemeine Vermögen des Objektivs verstanden, ein Abbild (bzw. eine Abbildung) bestimmter Güte oder Qualität zu liefern. Die Abbildungsleistung ist z.B. höher je geringer ein oder mehrere Abbildungsfehler, wie z.B. sphärische Aberration, Astigmatismus, Koma, Bildfeldwölbung, Verzeichnung, Farbquerfehler, Farblängsfehler und/oder Gaußfehler, sind.
Die Verschiebbarkeit von mindestens zwei Elementen einer Objektivgruppe, die die Linsen, die Optikgruppen und die erste Blende umfasst, kann insbesondere so vorgegeben sein, dass sie (z.B. die beiden Optikgruppen) stets nur in derselben Richtung um unterschiedliche Wegstrecken verschiebbar sind.
Die Verschiebbarkeit der beiden Optikgruppen kann insbesondere so vorgesehen sein, dass die Wegstrecke, um die die erste Optikgruppe zur Änderung von einer ersten zu einer zweiten Fokusposition verschoben wird, größer ist als die Wegstrecke, um die die zweite Optikgruppe zur Änderung von der ersten zur zweiten Fokusposition verschoben wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Objektiv kann mindestens eine der Grenzflächen der Linsen der ersten Optikgruppe und/oder mindestens eine der Grenzflächen der Linsen der zweiten Optikgruppe asphärisch gekrümmt sein. Es können natürlich auch mehrere Grenzflächen der Linsen der ersten Optikgruppe sowie mehrere Grenzflächen der Linsen der zweiten Optikgruppe asphärisch gekrümmt sein. Vorteilhaft ist es beispielsweise, wenn eine Grenzfläche der Linsen der ersten Optikgruppe sowie zwei Grenzflächen der Linsen der zweiten Optikgruppe asphärisch gekrümmt sind. Eine asphärisch gekrümmte Grenzfläche ist bevorzugt eine rotationssymmetrische asphärische Grenzfläche.
Die restlichen Grenzflächen der Linsen sind bevorzugt sphärisch gekrümmt.
Die beiden Optikgruppen sind insbesondere so ausgebildet, dass die jeweiligen beiden Linsen voneinander beabstandet angeordnet sind und ihr Abstand nicht änderbar ist. Man kann auch sagen, dass die beiden Optikgruppen frei von verkitteten Grenzflächen sein können.
Die erste Blende (die z.B. eine Aperturblende ist) kann Bestandteil der ersten oder der zweiten Optikgruppe und mit dieser entlang der optischen Achse verschiebbar sein. Insbesondere ist der Abstand der ersten Blende zur dritten Linse nicht änderbar.
Ferner kann in dem Objektiv eine zweite Blende für eine Optimierung der Abbildungsleistung angeordnet sein. In der vorzuweisenden Ausführungsform ist die zweite Blende als eine Komablende ausgebildet und sie ist der Bestandteil der zweiten Optikgruppe und mit dieser entlang der optischen Achse verschiebbar. Der Abstand der Komablende zur dritten Linse kann veränderbar oder nicht veränderbar sein. Die Komablende kann auch zur ersten Optikgruppe gehören. Ferner kann neben mindestens einer der Linsen, neben mindestens einer der Optikgruppen und/oder neben der ersten Blende eine zweite oder weitere Blende angeordnet sein.
Die Aperturblende kann so ausgebildet sein, dass ihr Durchmesser änderbar ist. Die Komablende ist bevorzugt so ausgebildet, dass ihr Durchmesser nicht änderbar ist. Natürlich kann die erste Blende, die zweite Blende und jede weitere Blende entweder mit änderbarem Durchmesser oder mit nicht änderbarem Durchmesser ausgebildet sein.
Ferner kann das erfindungsgemäße Objektiv mit fester Brennweite ausgebildet und die Brennweite so gewählt sein, dass bei einem an der Systemkamera, die einen Bildsensor aufweist, montierten Zustand des Objektivs das Verhältnis von Schnittweite, die der Abstand der dem Bildsensor zugewandten Grenzfläche der vierten Linse zum Bildsensor der Systemkamera ist, folgende Ungleichung erfüllt: 0,2 ≤ Schnittweite/Brennweite ≤ 0,55. Insbesondere kann folgende Ungleichung erfüllt sein: 0,2 ≤ Schnittweite/Brennweite ≤ 0,4.
Das Objektiv kann so ausgelegt sein, dass der halbe diagonale Bildwinkel größer oder gleich als 20° und kleiner oder gleich als 30° ist.
Das Objektiv kann einen ersten Aktuator zur Bewegung der ersten Optikgruppe und einen zweiten Aktuator zur Bewegung der zweiten Optikgruppe sowie eine Steuereinheit zur Steuerung der Aktuatoren aufweisen, wobei die Steuereinheit die Aktuatoren zur Änderung der Fokuslage stets so ansteuert, dass beide Optikgruppen nur in derselben Richtung aber um unterschiedliche Wegstrecken verschoben werden. Somit werden beide Optikgruppen entweder zum Bildsensor oder weg vom Bildsensor bewegt.
Das Objektiv kann für jedes zu bewegende Element einer Objektivgruppe, die die Linsen, die Optikgruppen und die erste Blende umfasst, einen Aktuator zur Bewegung des entsprechenden Elementes der Objektivgruppe aufweisen, wobei die Steuereinheit den bzw. die Aktuatoren zur Änderung der Fokuslage und/oder der Abbildungsleistung ansteuert.
Das Objektiv kann so ausgebildet sein, dass in einem Speicher (beispielsweise in einem Speicher der Steuereinheit) die möglichen Positionen der beiden Optikgruppen abgelegt sind und die Steuereinheit basierend darauf die entsprechende Verschiebung zur Änderung der Fokuslage durchführt.
Die Linsen des erfindungsgemäßen Objektives können als Glas-Linsen oder Kunststoff-Linsen ausgebildet sein.
Das erfindungsgemäße Objektiv kann so ausgebildet sein, dass es genau vier Linsen aufweist.
Es wird ferner eine Kamera (insbesondere eine spiegellose Systemkamera) mit einem erfindungsgemäßen Objektiv (einschließlich aller Weiterbildungen) und einem Bildsensor bereitgestellt.
Die spiegellose Systemkamera ist insbesondere dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor frei von einem Klappspiegel (bzw. einem wegklappbaren Spiegel), wie er beispielsweise bei Spiegelreflexkameras vorgesehen ist, ist. Somit ist zwischen dem Objektiv und dem Bildsensor kein Klappspiegel vorgesehen. Alternativ kann, falls Bedarf besteht, das Objektiv an eine Spiegelreflexkamera mittels eines passenden Adapters gekoppelt werden. In diesem Fall kann der Adapter eine optische Anordnung mit zusätzlichen optischen Elementen, wie z.B. Linsen, Spiegeln (auch dichroitischen), Prismen, Blenden und/oder diffraktiven optischen Elementen, umfassen.
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in den angegebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung einsetzbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, die ebenfalls erfindungswesentliche Merkmale offenbaren, noch näher erläutert. Diese Ausführungsbeispiele dienen lediglich der Veranschaulichung und sind nicht als einschränkend auszulegen. Beispielsweise ist eine Beschreibung eines Ausführungsbeispiels mit einer Vielzahl von Elementen oder Komponenten nicht dahingehend auszulegen, dass alle diese Elemente oder Komponenten zur Implementierung notwendig sind. Vielmehr können andere Ausführungsbeispiele auch alternative Elemente und Komponenten, weniger Elemente oder Komponenten oder zusätzliche Elemente oder Komponenten enthalten. Elemente oder Komponenten verschiedener Ausführungsbespiele können miteinander kombiniert werden, sofern nichts anderes angegeben ist. Modifikationen und Abwandlungen, welche für eines der Ausführungsbeispiele beschrieben werden, können auch auf andere Ausführungsbeispiele anwendbar sein. Zur Vermeidung von Wiederholungen werden gleiche oder einander entsprechende Elemente in verschiedenen Figuren mit gleichen Bezugszeichen bezeichnet und nicht mehrmals erläutert. Von den Figuren zeigen:

1 eine schematische Ansicht einer erfindungsgemäßen spiegellosen Systemkamera 3 mit einem erfindungsgemäßen Objektiv 1;
2 einen schematischen Linsenschnitt des erfindungsgemäßen Objektivs 1, wobei das Objektiv 1 nach unendlich fokussiert ist;
3 eine Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 in gleicher Weise wie in 2, wobei das Objektiv 1 in den Nahbereich fokussiert ist;
4 ein Diagramm zur Erläuterung der Bildfeldwölbung des erfindungsgemäßen Objektivs 1für die in 2 gezeigte Fokusstellung;
5 ein Diagramm zur Erläuterung der Verzeichnung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 für die in 2 gezeigte Fokusstellung;
6 ein Diagramm zur Erläuterung der sphärischen Aberration des erfindungsgemäßen Objektivs 1 für die in 2 gezeigte Fokusstellung;
7 ein Diagramm zur Erläuterung der Bildwölbung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 für die in 3 gezeigte Fokusstellung;
8 ein Diagramm zur Erläuterung der Verzeichnung des erfindungsgemäßen Objektivs 1 für die in 3 gezeigte Fokusstellung;
9 ein Diagramm zur Erläuterung der sphärischen Aberration des erfindungsgemäßen Objektivs 1 für die in 3 gezeigte Fokusstellung, und
10 einen schematischen Linsenschnitt des erfindungsgemäßen Objektivs 1 gemäß eines weiteren Ausführungsbeispiels, wobei das Objektiv 1 nach unendlich fokussiert ist.

Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel ist ein erfindungsgemäßes Objektiv 1 an einem Gehäuse 2 einer spiegellosen Systemkamera 3 montiert. Auf der Oberseite des Gehäuses 2 ist ein Auslöser 4 und an der Rückseite ein Bildschirm 5 angeordnet. Im Gehäuse 2 ist ein schematisch angedeuteter Bildsensor 6 angeordnet.
Bei der spiegellosen Systemkamera 3 ist zwischen dem Objektiv 1 und dem Bildsensor 6 kein Klappspiegel mehr vorgesehen, wie dies bei Spiegelreflexkameras der Fall ist, so dass die spiegellose Systemkamera 3 keinen optischen Sucher mehr aufweist. Die Funktion des Suchers wird über den Bildschirm 5 realisiert, der das Bild des Bildsensors 6 darstellt. Aufgrund des Wegfalls des Klappspiegels ist die Bautiefe der spiegellosen Systemkamera 3 kleiner als bei einer Spiegelreflexkamera, so dass dies beim Design von Objektiven für spiegellose Systemkameras 3 berücksichtigt werden kann.
In 2 ist ein schematischer Linsenschnitt des Objektivs 1 für eine Fokuseinstellung unendlich gezeigt.
Wie der Darstellung in 2 entnommen werden kann, weist das Objektiv 1 eine erste, eine zweite, eine dritte und eine vierte Linse 7, 8, 9, 10 auf, die in dieser Reihenfolge ausgehend von der Objektseite entlang einer optischen Achse OA des Objektivs 1 hintereinander angeordnet sind.
Die erste und dritte Linse 7, 9 weisen jeweils positive Brechkraft und die zweite und vierte Linse 8, 10 weisen jeweils negative Brechkraft auf.
Die erste und zweite Linse 7, 8 sind voneinander beabstandet angeordnet und bilden eine erste Optikgruppe 11, die entlang der optischen Achse OA verschiebbar ist, wobei der Abstand der beiden Linsen 7, 8 dabei konstant bleibt. Die dritte und vierte Linse 9, 10 bilden eine zweite Optikgruppe 12 und sind voneinander beabstandet. Die zweite Optikgruppe 12 ist entlang der optischen Achse OA verschiebbar angeordnet, wobei der Abstand der dritten und vierten Linse 9, 10 dabei konstant bleibt. Zwischen der zweiten und dritten Linse 8 und 9 ist eine Aperturblende 13 mit verstellbarem Durchmesser sowie eine Komablende 14 mit konstantem Durchmesser angeordnet.
Die Aperturblende 13 ist von der Komablende 14 beabstandet und die Komablende 14 ist von der dritten Linse 9 beabstandet. Sowohl die Aperturblende 13 als auch die Komablende 14 sind Teil der zweiten Optikgruppe 12 und werden bei der Bewegung der zweiten Optikgruppe 12 ebenfalls bewegt, wobei die Abstände der Aperturblende 13 und der Komablende 14 von der dritten Linse 9 konstant bleiben.
Sowohl die erste Optikgruppe 11 als auch die zweite Optikgruppe 12 weist jeweils positive Brechkraft auf.
Die vier Linsen 7-10 weisen jeweils zwei Grenzflächen auf, die ausgehend von der Objektseite entlang der optischen Achse OA zum Bildsensor 6 hin mit dem Bezugszeichen G1, G2, ...G8 bezeichnet sind. Die Grenzfläche G4 der zweiten Linse 8 sowie beide Grenzflächen G7 und G8 der vierten Linse 10 sind jeweils asphärisch gekrümmt. Die restlichen Grenzflächen G1, G2, G3, G5 und G6 sind jeweils sphärisch gekrümmt.

In der nachfolgenden Tabelle 1 sind die Abstände der Grenzflächen G1-G8, der Blenden 13, 14 bezogen auf den Sensor 6 entlang der optischen Achse OA sowie die Krümmungsradien und die Brechungsindizes und die Abbe-Zahlen angegeben. Alternativ können die Linsen beispielweise aus folgenden Materialien: Polystyrol, Polyvinylacetat, Polypropylen, Polycarbonat, Polymethylmethacrylat oder Cycloolefin-Copolymer hergestellt werden. Tabelle 1:

Fläche	Radius (c) in [mm]	Abstand zur nächsten Fläche in [mm]	Nd	Vd
G1	13,539	3,50	1.59522	67.7
G2	51,190	0,98
G3	23,368	2,00	1 .72827	28.5
G4	12,933	4,52
13	Unendlich	6,78
14	Unendlich	5,23
G5	322,151	3,72	1.71300	53.8
G6	-21,275	3,84
G7	-13,028	1,00	1.51822	58.9
G8	-153,852	0,20
6	Unendlich	18,00

In den nachfolgenden Tabellen für die asphärisch gekrümmten Grenzflächen G4, G7 und G8 sind die Werte der Koeffizienten a_i der Asphärengleichung $z = \frac{c r^{2}}{1 + \sqrt{1 - c^{2} r^{2}}} + \sum_{i} a_{i} | r^{i} |$
angegeben, wobei z die Höhe der Asphäre, c die Krümmung (am Scheitel), r der radiale Abstand und a_i Asphärenkoeffizienten sind. Alle Koeffizienten a_i , die nicht in den Tabellen angegeben sind, sind Null. Fläche G4:

Koeffizient a_i mit i=

4 4,596e-005

6 7,340e-008

8 8,458e-009

Fläche G7:

Koeffizient a_i mit i=

4 2,507e-005

6 3,086e-007

8 9,008e-010

Fläche G8:

Koeffizient a_i mit i=

4 -1,194e-005

6 1 ,570e-007

8 -5,068e-010
Das Objektiv 1 weist eine feste Brennweite auf, die insbesondere so gewählt ist, dass der halbe diagonale Bildwinkel kleiner oder gleich als 30° und größer oder gleich als 20° ist.
Der beschriebene optische Aufbau ist so gewählt, dass das Verhältnis von Schnittweite S (Abstand der Grenzfläche G8 vom Bildsensor 6 entlang der optischen Achse OA) zur Brennweite folgende Bedingung erfüllt: $0,2 \leq Schnittweite/Brennweite \leq 0,55 .$
Insbesondere kann die folgende Bedingung erfüllt sein: $0,2 \leq Schnittweite/Brennweite \leq 0,4 .$
Bei der in 2 gezeigten Position der beiden Optikgruppen 11 und 12 ist das erfindungsgemäße Objektiv 1 nach Unendlich fokussiert. Um eine Fokussierung für geringere Abstände zu ermöglichen, werden die beiden Optikgruppen 11 und 12 entlang der optischen Achse OA in der gleichen Richtung bewegt. Jedoch werden die beiden Optikgruppen 11 und 12 nicht um die gleiche Wegstrecke bewegt, sondern um unterschiedliche Wegstrecken.
Zur Bewegung der Optikgruppen 11, 12 sind zwei Aktuatoren 15, 16 im Objektiv 1 vorgesehen, wobei der erste Aktuator 15 die erste Optikgruppe 11 und der zweite Aktuator 16 die zweite Optikgruppe 12 bewegt. Die beiden Aktuatoren 15, 16 werden mittels einer Steuereinheit 17 angesteuert. Die Steuereinheit 17 kann im Objektiv 1 oder im Kameragehäuse 2 angeordnet sein.
Um nun von der in 2 gezeigten Fokussierung nach Unendlich in den Nahbereich (hier der Abstand vom Objektiv 1, der am geringsten ist, in dem noch scharf abgebildet werden kann, z.B. bis 1 : 8) umzufokussieren, werden beide Optikgruppen 11 und 12 entlang der optischen Achse OA vom Bildsensor 6 weg bewegt. Die erste Optikgruppe wird bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel um 7,05 mm und die zweite Optikgruppe 12 wird hierbei um 5,69 mm verschoben. Der Bildsensor 6 ist hier als Kleinbildsensor mit einer Halbendiagonalen von 21,63 mm ausgebildet.
Die maximale Baulänge von der ersten Grenzfläche G1 bis zum Bildsensor 6 liegt bei der Fokusstellung nach Unendlich gemäß 2 vor und beträgt bei dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiel 49,8 mm. Die minimale Schnittweite S liegt bei der in 3 gezeigten Fokusstellung vor und beträgt 18,2 mm.
Die Performance bzw. die Abbildungsleistung des erfindungsgemäßen Objektivs ist ausgezeichnet, wie sich dem Diagramm für Bildfeldwölbung (4), Verzeichnung (5) und sphärische Aberration (6) für die in 2 gezeigte Fokusstellung nach Unendlich ergibt. Die Diagramme sind dem Fachmann bekannte Darstellungen.
Die Bildfeldwölbung in 4 ist in Millimeter für die Wellenlängen 436 nm, 546 nm, sowie 656 nm für sagittale und tangentiale Strahlen für die Fokusstellung aus 2 dargestellt. Es kommt hier im Wesentlichen darauf an, dass alle Kurven in einem Bereich von - 0,05 bis + 0,21 mm liegen. Die Bildfeldwölbung liegt in einem Bereich mit einer Breite von nicht mehr als 0,26 mm für einen Bildkreisdurchmesser von 43 mm und ändert sich näherungswiese direkt proportional zur Skalierung des Gesamtsystems (Objektiv mit Sensordiagonale). Zusätzlich ändert sich die Bildfeldwölbung abhängig von der Sensordiagonale entsprechend des Verlaufs der Kurven in 4.
In 5 ist die F-tan(Theta)-Verzeichnung in Prozent dargestellt.
In 6 ist die sphärische Aberration für die gleichen Wellenlängen wie in 4 in Millimeter dargestellt. Wesentlich ist, dass die longitudinale Aberration für Strahlen (z.B. für einen Pupillenradius von 8,7 mm) im Bereich von - 0,06 bis + 0,2 mm liegen.
Die sphärische Aberration liegt in einem Bereich mit einer Breite von nicht mehr als 0,26 mm für einen Bildkreisdurchmesser von 43 mm und ändert sich näherungswiese direkt proportional zur Skalierung des Gesamtsystems (Objektiv mit Sensordiagonale).
Die entsprechenden Diagramme für Bildfeldwölbung, Verzeichnung und sphärische Aberration für die Fokusstellung des Nahbereichs gemäß 3 sind in 7 bis 9 dargestellt.
Die Bildfeldwölbung in 7 ist in Millimeter für die Wellenlängen 436 nm, 546 nm, sowie 656 nm für sagittale und tangentiale Strahlen dargestellt. Es kommt hier im Wesentlichen darauf an, dass alle Kurven in einem Bereich von - 0,03 bis + 0,30 mm liegen. Diese Werte gelten für einen Bildkreisdurchmesser von 43 mm und ändern sich bei anderen Sensordiagonalen.
In 8 ist die F-tan(Theta)-Verzeichnung in Prozent dargestellt.
In 9 ist die sphärische Aberration für die gleichen Wellenlängen wie in 7 in Millimeter dargestellt. Wesentlich ist, dass die longitudinale Aberration für Strahlen (z.B. für einen Pupillenradius von 8,7 mm) im Bereich von - 0,07 bis + 0,22 mm liegen. Diese Werte gelten für einen Bildkreisdurchmesser von 43 mm und ändern sich bei anderen Sensordiagonalen.
Aus den Darstellungen von 4 bis 9 kann klar entnommen werden, dass eine sehr hohe Abbildungsleistung für beide Fokusstellungen erzielt werden kann.
Für die Positionen der beiden Optikgruppen 11, 12 für Fokusstellungen die zwischen Unendlich und dem Nahbereich liegen, sind entsprechende Werte in Steuereinheit 17 hinterlegt. Nachdem in der Regel keine analytische Funktion für die Positionen der Optikgruppen 11, 12 in Abhängigkeit des Fokusabstandes aufstellbar ist, können für verschiedene Fokusabstände Werte als Stützstellen simuliert werden und dann durch diese Werte in bekannter Art und Weise z.B. eine Polynomfunktion gefittet werden, die dann zur Einstellung der entsprechenden Position der beiden Optikgruppen 11, 12 in der Steuereinheit 17 hinterlegt und von dieser zur Ansteuerung der Aktuatoren 15 und 16 genutzt wird.
Da das erfindungsgemäße Objektiv 1 genau vier Linsen 7-10 aufweist, kann es mit geringem Gewicht und niedrigen Kosten bereitgestellt werden, obwohl die beschriebenen hohen Abbildungsleistungen vorliegen.
Das Objektiv 1 kann fest mit dem Kameragehäuse 2 verbunden sein, so dass ein Auswechseln nicht möglich ist. Es ist jedoch auch möglich, dass das Objektiv 1 als auswechselbares Objektiv 1 ausgebildet ist, das mit dem Kameragehäuse 2 verbunden und von diesem gelöst werden kann. Dazu können bekannte Schraub- oder Bajonett-Verbindungen eingesetzt werden.
Das Objektiv 1 zusammen mit der spiegellosen Systemkamera 3 stellt eine erfindungsgemäße Kamera dar. Die spiegellose Systemkamera 3 kann weitere, dem Fachmann bekannte Merkmale aufweisen, die zum Betrieb der Systemkamera 3 notwendig sind.
In 10 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Objektives 1 gezeigt, dass den gleichen optischen Aufbau wie das in Verbindung mit 1-9 beschriebene Objektiv 1 aufweist. Das Objektiv 1 gemäß 10 ist nach unendlich fokussiert und weist im Unterschied zum bisher beschriebenen Objektiv 1 nicht zwei sondern sechs Aktuatoren 15, 16, 18, 19, 20 und 21 auf. Jeder Aktuator 15, 16 und 18-21 kann eine der Linsen 7-10 sowie eine der Blenden 13, 14 bewegen, so dass die jede Linse 7-10 und jede Blende 13, 14 für sich alleine und unabhängig von den anderen Linsen 7-10 bzw. Blende(n) 13, 14 entlang der optischen Achse OA verschoben werden kann, um z.B. die Fokusposition und/oder die Abbildungsleistung des Objektives 1 zu verstellen bzw. zu ändern.
Weiter kann das Objektiv ein Element eines optischen Systems sein, wobei das System zusätzlich mindestens ein Zubehörelement wie z. B. Makrolinse, USB Dock, Gegenlichtblende, Sonnenblende, Extender, Zoom Adapter, Telekonverter und Autofokus-Einheit umfasst. Die Autofokus-Einheit kann in das Objektiv eingebaut werden oder ein Teil einer Kamera sein oder als ein externes Element (z.B. HRLV-MaxSonar-EZ Ultraschall-Sensor) funktionieren. Ein Extender kann z.B. in der Form eines Adapters zum Koppeln des Objektivs an unterschiedliche Kameras mit unterschiedlichen Kamera-Mounts ausgebildet sein. Alternativ kann der Extender ein Adapter mit einer optischen Einordnung mit zusätzlichen optischen Elementen z.B. Linsen, Spiegeln (auch dichroitischen), Prismen, Blenden und diffraktiven optischen Elementen umfassen. Weiter betrifft die Erfindung eine Verwendung des Objektives auf mindestens einem der Gebiete von Industrielle Fotographie, Kinematographie, Kraftfahrzeuge, Automation, Positionierung der Objekte für Bearbeitung, Werkzeugmaschinen, Luft- & Raumfahrt, Medizinische Sensorik und Elektrofotografie.

Claims

Objektiv, insbesondere für eine spiegellose Systemkamera, mit einer ersten Linse (7) mit positiver Brechkraft, einer zweiten Linse (8) mit negativer Brechkraft, einer dritten Linse (9) mit positiver Brechkraft und einer vierten Linse (10) mit negativer Brechkraft, wobei die Linsen (7-10) in der genannten Reihenfolge ausgehend von der Objektseite entlang einer optischen Achse (OA) des Objektivs (1) hintereinander angeordnet sind, wobei die erste und zweite Linse (7, 8) eine erste Optikgruppe (11) mit positiver Brechkraft sowie die dritte und vierte Linse (9, 10) eine zweite Optikgruppe (12) mit positiver Brechkraft bilden, wobei zwischen der zweiten und dritten Linse (8, 9) eine erste Blende (13) angeordnet ist und die Optikgruppen (11, 12) unabhängig voneinander, mindestens eine der Linsen (7-10) unabhängig von den anderen Linsen (7-10) und/oder die erste Blende (13) unabhängig von den anderen Linsen (7-10) entlang der optischen Achse (OA) verschiebbar ist/sind, um die Fokusposition und/oder die Abbildungsleistung zu ändern.
Objektiv nach Anspruch 1, wobei die Verschiebbarkeit von mindestens zwei Elementen einer Objektivgruppe, die die Linsen (7-10), die Optikgruppen (11, 12) und die erste Blende (13) umfasst, so vorgegeben ist, dass sie stets nur in derselben Richtung um unterschiedliche Wegstrecken verschiebbar sind.
Objektiv nach Anspruch 2, wobei die Verschiebbarkeit der beiden Optikgruppen (11, 12) so vorgegeben ist, dass die Wegstrecke, um die die erste Optikgruppe (11) zur Änderung von einer ersten zu einer zweiten Fokusposition verschoben wird, größer ist als die Wegstrecke, um die die zweite Optikgruppe (12) zur Änderung von der ersten zur zweiten Fokusposition verschoben wird.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, bei dem mindestens eine der Grenzflächen der Linsen (7, 8) der ersten Optikgruppe (11) und/oder mindestens eine der Grenzflächen der Linsen (9, 10) der zweiten Optikgruppe (12) jeweils asphärisch gekrümmt ist.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste und zweite Linse (7, 8) mit einem nicht änderbaren Abstand voneinander beabstandet sind und dritte und vierte Linse (9, 10) mit einem nicht änderbaren Abstand voneinander beabstandet sind.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei die erste Blende (13) Bestandteil der zweiten Optikgruppe (12) und mit dieser entlang der optischen Achse (OA) verschiebbar ist.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, bei dem eine zweite Blende (14) angeordnet ist und die in ihrem Durchmesser änderbar ist und/oder die entlang der optischen Achse (OA) verschiebbar ist.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei der Durchmesser der ersten Blende (13) änderbar ist.
Objektiv nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei der Durchmesser der ersten Blende (13) nicht änderbar ist und somit einen festen Wert aufweist.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Objektiv (1) mit fester Brennweite ausgebildet und die Brennweite so gewählt ist, dass bei einem an der Systemkamera (3), die einen Bildsensor (6) aufweist, montierten Zustand des Objektivs (1) das Verhältnis von Schnittweite, die der Abstand der dem Bildsensor (6) zugewandten Grenzfläche (G8) der vierten Linse (10) zum Bildsensor (6) der Systemkamera (3) ist, folgende Ungleichung erfüllt: 0,2 ≤ Schnittweite/Brennweite ≤ 0,55.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Objektiv (1) so ausgelegt ist, dass der halbe diagonale Bildwinkel (w) folgende Ungleichung erfüllt: 20° ≤ w ≤ 30°.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Objektiv (1) so ausgelegt ist, dass die F-Zahl folgende Ungleichung erfüllt: 2,0 ≤ F-Zahl ≤ 4,0.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, wobei das Objektiv (1) so ausgelegt ist, dass sowohl die Bildfeldwölbung als die sphärische Aberration in einem Bereich mit einer Breite von nicht mehr als 0,26 mm für einen Bildkreisdurchmesser von 43 mm liegen und sie sich jeweils direkt proportional zur Skalierung des Gesamtsystems ändern.
Objektiv nach einem der obigen Ansprüche, bei dem für jedes zu bewegende Element einer Objektivgruppe, die die Linsen (7-10), die Optikgruppen (11, 12) und die erste und zweite Blende (13) umfasst, ein Aktuator (15, 16) zur Bewegung des entsprechenden Elementes der Objektivgruppe vorgesehen ist, wobei die Steuereinheit (17) den bzw. die Aktuatoren (15, 16) zur Änderung der Fokuslage und/oder der Abbildungsleistung ansteuert.
Kamera mit einem Objektiv (1) nach einem der obigen Ansprüche und einem Bildsensor (6).
Kamera nach Anspruch 15, wobei zwischen dem Objektiv (1) und dem Bildsensor (6) kein wegklappbarer Spiegel angeordnet ist.
Optisches System mit einem Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1-14 und mindestens einem der Zubehörelemente aus der folgenden Gruppe: a. Makrolinse b. USB Dock c. Blende insbesondere Gegenlichtblende und Sonnenblende, d. Extender e. Zoom Adapter f. Telekonverter g. Autofokus-Einheit
Verwendung des Objektives nach einem der Ansprüche 1-14 auf mindestens einem der folgenden Gebiete: a. Industrielle Fotographie b. Kinematographie c. Kraftfahrzeuge d. Automation, insbesondere Positionierung, e. Werkzeugmaschinen f. Luft- & Raumfahrt g. Medizinische Sensorik h. Elektrofotografie