DE102021103323A1 - Pannini lens and imaging optical device - Google Patents

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    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
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    • G02OPTICS
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    • G02B13/00Optical objectives specially designed for the purposes specified below
    • G02B13/06Panoramic objectives; So-called "sky lenses" including panoramic objectives having reflecting surfaces

Abstract

Es wird ein Objektiv 1 angegeben, das bildformende optische Elemente 2 mit nichtrotationssymmetrisch wirkenden gekrümmten Flächen aufweist, die entlang einer optischen Achse z angeordnet sind. Die bildformenden optischen Elemente 2 sind derart ausgebildet und angeordnet, dass ein auf einer Bildfläche 3 zu formendes Bild eine Pannini-Abbildung mit folgenden Merkmalen ist: gleicher Abbildungsmaßstab in der Bildmitte entlang jeder Richtung in der Bildfläche 3, gerade vertikale Abbildung gerader vertikaler Linien über das gesamte Bildfeld und tonnenförmige Verzeichnung des Objektraums in horizontaler Richtung.Daneben werden ein abbildendes optisches Gerät 10, ein mobiles Endgerät 100 sowie ein Set umfassend ein Objektiv 1 oder ein abbildendes optisches Gerät 10 und eine Gebrauchsanleitung 201 angegeben.An objective 1 is specified, which has image-forming optical elements 2 with non-rotationally symmetrical curved surfaces, which are arranged along an optical axis z. The image-forming optical elements 2 are designed and arranged in such a way that an image to be formed on an image area 3 is a Pannini image with the following features: equal image scale in the center of the image along each direction in the image area 3, straight vertical imaging of straight vertical lines across the entire image field and barrel distortion of the object space in the horizontal direction. In addition, an imaging optical device 10, a mobile terminal device 100 and a set comprising a lens 1 or an imaging optical device 10 and instructions for use 201 are specified.

Description

Die Erfindung betrifft ein Objektiv, ein abbildendes optisches Gerät, ein mobiles Endgerät sowie ein Set umfassend ein Objektiv oder ein abbildendes optisches Gerät und eine Gebrauchsanweisung.The invention relates to a lens, an imaging optical device, a mobile terminal device and a set comprising a lens or an imaging optical device and instructions for use.

Als ideale Abbildung gilt die rektilineare Projektion auf eine Ebene, auch als gnomonische Projektion bezeichnet. Eine rektilineare Projektion ist eine Zentralprojektion, bei der das Projektionszentrum im Mittelpunkt des abzubildenden Körpers liegt. Sie entspricht der Abbildung einer Lochkamera, d. h. jeder Punkt des 3-dimensionalen Objektraums wird entlang einer geraden Linie durch das Loch, welches das perspektivische Zentrum PC der Projektion bildet, auf eine Ebene, die sog. Bildebene, abgebildet. Die Normale der Bildebene, die durch das perspektivische Zentrum PC verläuft, ist als optische Achse z definiert. Der Winkel d zwischen der optischen Achse z und dem Lichtstrahl vom Objektpunkt Ob durch das perspektivische Zentrum PC heißt Objektwinkel.The ideal mapping is the rectilinear projection onto a plane, also known as gnomonic projection. A rectilinear projection is a central projection where the projection center is at the center of the body to be imaged. It corresponds to the imaging of a pinhole camera, i. H. each point of the 3-dimensional object space is mapped onto a plane called the image plane along a straight line through the hole forming the perspective center PC of the projection. The normal of the image plane passing through the perspective center PC is defined as the optical axis z. The angle d between the optical axis z and the light ray from the object point Ob through the perspective center PC is called the object angle.

Der Abstand zwischen perspektivischem Zentrum PC und Bildebene entlang der optischen Achse z wird mit f bezeichnet. Ersetzt man das Loch durch eine einfache, begrenzte Linse, dann entspricht f der Brennweite der Linse, wenn diese Objektpunkte in unendlich großer Entfernung scharf auf die Bildebene abbildet. Die Bildhöhe, also der Abstand, den der vom Objektpunkt Ob ausgehende Lichtstrahl in der Bildebene von der optischen Achse z hat, wird mit h' bezeichnet. Dann ist die rektilineare bzw. gnomonische Abbildung definiert als: h ' = ƒ tan ϑ

Figure DE102021103323A1_0001
The distance between the perspective center PC and the image plane along the optical axis z is denoted by f. If the hole is replaced by a simple, limited lens, then f corresponds to the focal length of the lens if these object points are sharply imaged onto the image plane at an infinitely large distance. The image height, i.e. the distance that the light beam emanating from the object point Ob has in the image plane from the optical axis z, is denoted by h'. Then the rectilinear or gnomonic mapping is defined as: H ' = ƒ tan ϑ
Figure DE102021103323A1_0001

Die rektilineare Projektion bildet gerade Linien unabhängig von ihrer Lage und Orientierung im Objektraum als gerade Linie in die Bildebene ab. Sie führt zu den bekannten Gesetzen der Zentralperspektive: Parallele Linien treffen sich am Horizont auf der Augenlinie alle in einem einzigen Fluchtpunkt. In einer senkrecht zur Projektionsachse positionierten Ebene werden alle geraden Linien identisch abgebildet, insbesondere bleiben horizontale und vertikale Linien horizontal und vertikal. Abweichungen von dieser Projektion werden als Verzeichnung bezeichnet. Fotoobjektive sollen in der Regel verzeichnungsfrei sein.The rectilinear projection depicts straight lines as a straight line in the image plane, regardless of their position and orientation in the object space. It leads to the well-known laws of central perspective: parallel lines all meet at the horizon on the line of the eye in a single vanishing point. In a plane positioned perpendicular to the projection axis, all straight lines are imaged identically, in particular horizontal and vertical lines remain horizontal and vertical. Deviations from this projection are referred to as distortion. Camera lenses should generally be distortion-free.

Um eine weitgehende Verzeichnungsfreiheit zu erreichen steigt mit zunehmendem Gesichtsfeldwinkel, engl. field-of-view, FOV, der technologische Aufwand erheblich. Bei Objektiven ab 90° FOV, insbesondere bei Objektiven über 110° FOV wird meist eine erhebliche tonnenförmige Verzeichnung zugelassen, die als Fischaugenlook bezeichnet wird. Fischaugenobjektive bilden einen FOV von bis zu 180° oder darüber hinaus, z. B. auch 230°, ab, wobei Linien am Bildfeldrand sehr stark gekrümmt sind. Diese Objektive sind erheblich einfacher aufgebaut als die genannten rektilinearen Objektive.In order to achieve an extensive freedom from distortion, the field of view increases. field-of-view, FOV, the technological effort is considerable. With lenses from 90° FOV, especially with lenses over 110° FOV, a considerable barrel distortion is usually permitted, which is referred to as the fish-eye look. Fisheye lenses form a FOV of up to 180° or more, e.g. B. also 230 °, from where lines at the edge of the field are very strongly curved. These lenses have a much simpler structure than the rectilinear lenses mentioned.

Für einen Großteil fotografischer Situationen, aufgenommen mit Weitwinkelobjektiven, ist eine rektilineare Perspektive sehr nachteilhaft. Bei Gruppenaufnahmen erscheinen Personen am Bildrand dicker, ihre Köpfe werden eiförmig deformiert dargestellt. Diese Verzeichnung dreidimensionaler Objekte wird als rektilineare perspektivische Verzeichnung, manchmal auch passend zu der Darstellung von Eierköpfen als elliptische Verzeichnung, bezeichnet. Der Grund für die rektilineare perspektivische Verzeichnung ist, dass die rektilineare Projektion 3-dimensionaler Objekte zum Feldrand hin in radialer Richtung zunehmend breiter wird.For the majority of photographic situations captured with wide-angle lenses, a rectilinear perspective is very disadvantageous. In group shots, people appear fatter at the edges of the image, and their heads are shown as egg-shaped deformed. This distortion of three-dimensional objects is referred to as rectilinear perspective distortion, sometimes referred to as elliptical distortion to match the depiction of eggheads. The reason for the rectilinear perspective distortion is that the rectilinear projection of 3-dimensional objects becomes progressively wider towards the edge of the field in the radial direction.

Außer bei der Fotografie von Personen gibt es sehr viele weitere Motive, für die eine rektilineare Perspektive bildgestalterisch sehr ungünstig ist. Beispielsweise führen in der Innenraumfotografie rektilineare Objektive zu einer sehr großen Raumtiefe, was oft sehr ungünstig ist. So erscheinen Bereiche am Ende des Raumes häufig sehr klein, während seitliche Bereiche, z. B. Seitenwände, übergroß und unnatürlich gestreckt dargestellt sind.Apart from photographing people, there are many other motifs for which a rectilinear perspective is very unfavorable in terms of image design. For example, in interior photography, rectilinear lenses lead to a very large spatial depth, which is often very unfavorable. Areas at the end of the room often appear very small, while lateral areas, e.g. B. side walls, oversized and unnaturally stretched.

Das Thema „Perspektivische Darstellung des dreidimensionalen Raums“ ist in den vergangenen Jahren im Bereich der Computer Vision behandelt worden, z. B. in Carroll R., Agrawal M., Agrawala A. Optimizing content-preserving projections for wide-angle images. In SIGGRAPH '09: ACM SIGGRAPH 2009 papers (New York, NY, USA, 2009), ACM, pp. 1-9.The topic of "perspective representation of three-dimensional space" has been dealt with in the field of computer vision in recent years, e.g. B. Carroll R., Agrawal M., Agrawala A. Optimizing content-preserving projections for wide-angle images. In SIGGRAPH '09: ACM SIGGRAPH 2009 papers (New York, NY, USA, 2009), ACM, pp. 1-9.

Alternative Darstellungen der Projektion des 3D-Raums sind zum Teil in CAD-Programmen, 3D-Renderern oder Computerspielen umgesetzt worden. Die Entwicklung einiger projektiver Darstellungen in der Computergraphik ist aus Analysen von Gemälden von Künstlern der vergangenen Jahrhunderte entsprungen.Alternative representations of the projection of 3D space have been partially implemented in CAD programs, 3D renderers or computer games. The development of some projective representations in computer graphics arose from analysis of paintings by artists over the past centuries.

Bedeutende Maler haben die Perspektive als Stilmittel für die Bildkomposition genutzt, wie Leonardo da Vinci in „Das letzte Abendmahl“. Bedeutende italienische Vedutenmaler, wie Piranesi oder Canaletto, sind in einigen Gemälden bewusst von der Zentralperspektive abgewichen. Canaletto verwendete eine Camera Obscura für die realistische Darstellung der räumlichen Perspektive, modifizierte aber die Proportionen bewusst, um zentrale Bildinhalte hervorzuheben. In seinem Gemälde vom Markusplatz in Venedig folgen die Seitengebäude separaten Fluchtpunkten. Sie laufen perspektivisch korrekt auf die gleiche Augenlinie zu wie die Fluchtlinien (Bodenplatten) des zentralen Markusplatzes, so dass die Verletzung der Zentralperspektive für den Betrachter unauffällig bleibt. Die Seitengebäude laufen spitzer auf den Fluchtpunkt zu als der Markusplatz, so dass dem Betrachter eine größere räumliche Tiefe suggeriert wird. Auf diese Weise wird die lange Fassade der Gebäude gestaucht wiedergegeben und die Gebäude im fernen Zentrum, Markusdom und Markusturm, erscheinen relativ vergrößert.Important painters used perspective as a stylistic device for composition, such as Leonardo da Vinci in “The Last Supper”. Important Italian vedute painters, such as Piranesi or Canaletto, deliberately deviated from the central perspective in some paintings. Canaletto used a camera obscura to realistically depict spatial perspective, but deliberately modified the proportions to emphasize central image content. In his painting of St. Mark's Square in Venice, the side buildings follow separate vanishing points. Perspectively correct, they run towards the same eye line as the vanishing lines (floor slabs) of the central St. Mark's Square, so that the violation of the central perspective remains unnoticeable to the viewer. The side buildings are more pointed towards the vanishing point than St. Mark's Square, so that a greater spatial depth is suggested to the viewer. In this way, the long facade of the buildings is rendered compressed and the buildings in the far center, St. Mark's Basilica and St. Mark's Tower, appear relatively enlarged.

Der Vedutenmaler Giovanni Paolo Pannini (1691-1765) wurde von Canaletto stark beeinflusst, wählte aber einen anderen Weg. Eine Analyse seiner Gemälde von Computergraphik-Wissenschaftlern in Sharpless, T.K., Postle, B., German, D.G. Pannini: A New Projection for Rendering Wide Angle Perspective Images, Computational Aesthetics in Graphics, Visualization and Imaging. The Eurographics Association (2010), im Folgenden als Sharpless et al. bezeichnet, ergab, dass deren Perspektive nicht gnomonisch ist, obwohl es zunächst so wirkt. Alle Säulen und vertikalen Linien im Gemälde „The Interior of Saint Peter's with the Visit of the Duc de Choiseul“, 1756-57. Giovanni Paolo Panini. Oil on canvas; 164.3 x 223.5 cm. The Boston Athenaeum dargestellten Petersdom sind als gerade Linien wiedergegeben. Auch die Fluchtlinien in die Tiefe des Doms erscheinen gerade. Im Gegensatz zum oben diskutierten Gemälde von Canaletto gibt es nur einen einzigen Fluchtpunkt. Bei der genaueren Analyse des Gemäldes stellte sich jedoch heraus, dass trotzdem die Seitenflügel gestaucht dargestellt sind, so dass trotz Weitwinkelperspektive der Mittenflur mit Berninis Ziborium trotz großer Entfernung noch relativ groß erscheint und die Seitenbereiche nicht zu dominant erscheinen. Diese Stauchung zum horizontalen Rand hin wird erzielt durch eine nicht-gnomonische Projektion in horizontaler Richtung. Sie ist horizontal gegenüber der gnomonischen Abbildung tonnenförmig verzeichnet.The veduta painter Giovanni Paolo Pannini (1691-1765) was strongly influenced by Canaletto, but chose a different path. An analysis of his paintings by computer graphics scientists in Sharpless, T.K., Postle, B., German, D.G. Pannini: A New Projection for Rendering Wide Angle Perspective Images, Computational Aesthetics in Graphics, Visualization and Imaging. The Eurographics Association (2010), hereinafter referred to as Sharpless et al. called, revealed that their perspective is not gnomonic, although it initially appears so. All the columns and vertical lines in the painting The Interior of Saint Peter's with the Visit of the Duc de Choiseul, 1756-57. Giovanni Paolo Panini. oil on canvas; 164.3x223.5 cm. The Boston Athenaeum are shown as straight lines. The vanishing lines into the depths of the cathedral also appear straight. Unlike the Canaletto painting discussed above, there is only a single vanishing point. However, on closer analysis of the painting, it turned out that the side wings are compressed, so that despite the wide-angle perspective, the central corridor with Bernini's ciborium still appears relatively large despite the great distance and the side areas do not appear too dominant. This compression towards the horizontal edge is achieved by a non-gnomonic projection in the horizontal direction. It is barrel-shaped horizontally compared to the gnomonic figure.

Da eine Vielzahl der Gebäude, die Pannini darstellte, erhalten sind, konnten Sharpless et al. die gewählte perspektivische Projektion über Reverse Engineering ermitteln, mit dem Ergebnis, dass Pannini generell in vertikaler Richtung die rektilineare Projektion wählte und in horizontaler Richtung eine andere, die den Bildinhalt zum Bildrand hin staucht. Die Analyse ergab, dass die Projektion in horizontaler Richtung in verschiedenen Gemälden nicht einheitlich gewählt wurde, in einigen annähernd stereographisch, in anderen eher zylindrisch.Because many of the buildings Pannini depicted survive, Sharpless et al. determine the selected perspective projection via reverse engineering, with the result that Pannini generally chose the rectilinear projection in the vertical direction and another one in the horizontal direction, which compresses the image content towards the edge of the image. The analysis showed that the projection in the horizontal direction was not chosen uniformly in different paintings, in some approximately stereographic, in others more cylindrical.

Sharpless et al. haben eine Parametrisierung der „Pannini-Projektion“ vorgeschlagen. 1 zeigt die Definition der hierfür genutzten Koordinaten, wobei die Koordinaten an die allgemeinen Konventionen der geometrischen Optik angepasst wurden, das heißt die optische Achse wird bezeichnet mit z, die horizontale Richtung mit x und die vertikale Richtung mit y. Außerdem wird zwischen einem Objektpunkt Ob = (x,y,z) ∈ ℝ3 des Objektraums „ohne Strich“ und dem projizierten Bildpunkt in der Bildebene Im = (x',y') ∈ ℝ2 „mit Strich“ unterschieden. Zudem können Parameter des optischen Systems eingeführt werden: Wenn das Licht aus Unendlich kommt, genügt der Parameter f', die bildseitige Brennweite.Sharpless et al. have proposed a parameterization of the "Pannini projection". 1 shows the definition of the coordinates used for this, whereby the coordinates have been adapted to the general conventions of geometric optics, i.e. the optical axis is denoted by z, the horizontal direction by x and the vertical direction by y. In addition, a distinction is made between an object point Ob = (x,y,z) ∈ ℝ 3 of the object space "without a line" and the projected image point in the image plane Im = (x',y') ∈ ℝ 2 "with a line". In addition, parameters of the optical system can be introduced: If the light comes from infinity, the parameter f', the image-side focal length, is sufficient.

Der Objektpunkt Ob befindet sich in einer y-Tangentialebene, die durch die y-Achse verläuft und in der x-z-Ebene einen Winkel ϕ zwischen y-Tangentialebene und z-Achse, also der optischen Achse, einschließt. Von Ob trifft ein Strahl, der Objektstrahl s, unter dem Winkel d zur optischen Achse auf den Koordinatenursprung O. Es ist zu beachten, dass der objektseitige Winkel bzw. Objektwinkel d des Strahls „windschief“ zur optischen Achse z definiert ist und nicht in der y-Tangentialebene liegt. Der dreidimensionale Raum ist entlang der Strahlen zum perspektivischen Zentrum PC auf einer Kugel, der Panosphäre, abgebildet. Der Treffpunkt des Objektstrahls s mit der Panosphäre ist P. Da alle Objektstrahlen normal zur Panosphäre durch den Koordinatenursprung O verlaufen, gibt es eine eindeutige Zuordnung von Ob zu P.The object point Ob is located in a y-tangential plane that runs through the y-axis and encloses an angle ϕ in the x-z plane between the y-tangential plane and the z-axis, ie the optical axis. From Ob, a ray, the object ray s, meets the coordinate origin O at the angle d to the optical axis. It should be noted that the object-side angle or object angle d of the ray is defined “skew” to the optical axis z and not in the y-tangent plane lies. The three-dimensional space is mapped onto a sphere, the panosphere, along the rays to the perspective center PC. The meeting point of the object ray s with the panosphere is P. Since all object rays run normal to the panosphere through the origin O, there is a clear assignment of Ob to P.

Diese Panosphäre im Objektraum kann man sich direkt vor der Bildfläche (x',y'), bei der es sich in der Regel um eine Bildebene handelt, transformiert denken (gespiegelt, d. h. mit entgegengesetztem Vorzeichen). Nun definiert die perspektivische Transformation entlang welchen Weges jeder Punkt auf der Panosphäre auf die Bildfläche abgebildet wird: Vom perspektivischen Zentrum PC verläuft der Hauptstrahl t (engl. chief ray, Hauptstrahl des gesamten Bildstrahlenbündels) durch P in die Bildfläche. Die Lage des perspektivischen Zentrums PC kann mit d, dem Abstand des perspektivischen Zentrums PC zum Koordinatenursprung O, parametrisiert werden. Das perspektivische Zentrum PC ist die Mitte der Eintrittspupille, d. h. der Schnittpunkt der optischen Achse z mit der Eintrittspupille.This panosphere in object space can be thought of as transformed (mirrored, i.e. of opposite sign) directly in front of the image plane (x',y'), which is usually an image plane. Now the perspective transformation defines along which path each point on the panosphere is mapped onto the image surface: From the perspective center PC the chief ray t runs through P into the image surface. The position of the perspective center PC can be parameterized with d, the distance between the perspective center PC and the coordinate origin O. The perspective center PC is the center of the entrance pupil, i. H. the intersection of the optical axis z with the entrance pupil.

Beispielsweise wird bei gnomonischer Perspektive (d = 0) entlang der Normalen der Panosphäre abgebildet, bei orthographischer Perspektive (d → ∞) entlang der Normalen der Bildebene oder bei stereographischer Perspektive (d = 1) entlang der Richtung ausgehend von der gegenüberliegenden Seite der Panosphäre im Bildraum, im Schnittpunkt mit der optischen Achse z. Für verschiedene Gemälde Panninis wurden für den Parameter d Werte zwischen 1,3 und 715365 ermittelt.For example, gnomonic perspective (d = 0) maps along the normal to the panosphere, orthographic perspective (d → ∞) along the normal to the image plane, or stereographic perspective (d = 1) along the direction from the opposite side of the panosphere im Image space, at the intersection with the optical axis z. Values between 1.3 and 715365 were determined for the parameter d for various paintings by Pannini.

Die von Sharpless et al. vorgeschlagene Parametrisierung der allgemeinen Pannini-Transformation in modifizierter Schreibweise für die optische Abbildung lautet: x ' ƒ ' = h ' = s i n φ d + 1 d + c o s φ

Figure DE102021103323A1_0002
y ' ƒ ' = v ' = t a n ϑ d + 1 d + c o s φ
Figure DE102021103323A1_0003
The Sharpless et al. proposed parameterization of the general Pannini transform in modified notation for optical imaging is: x ' ƒ ' = H ' = s i n φ i.e + 1 i.e + c O s φ
Figure DE102021103323A1_0002
y ' ƒ ' = v ' = t a n ϑ i.e + 1 i.e + c O s φ
Figure DE102021103323A1_0003

Hierbei ist v' die vertikale Bildkoordinate und h' die horizontale Bildkoordinate. Die Bildkoordinaten sind mit der Brennweite f' normiert. Die horizontale Bildkoordinate h' liegt im Wertebereich [-h'max, +h'max]. Das gesamte Bildfeld hat also die „Bildbreite 2*h'max. Der Parameter d ≥ 0 ∈ R kennzeichnet eine unendliche Schar möglicher Transformationen, wobei d = 0 eine rektilineare bzw. gnomonische Transformation ergibt, sowohl in vertikaler als auch in horizontaler Richtung. Für d = 0 ergeben sich aus den Gleichungen I und II: x ' ƒ ' = t a n φ

Figure DE102021103323A1_0004
y ' ƒ ' = t a n ϑ c o s φ
Figure DE102021103323A1_0005
Here v' is the vertical image coordinate and h' is the horizontal image coordinate. The image coordinates are normalized with the focal length f'. The horizontal image coordinate h' is in the value range [-h'max, +h'max]. The entire image field has the "image width 2*h'max. The parameter d ≥ 0 ∈ R characterizes an infinite family of possible transformations, where d = 0 results in a rectilinear or gnomonic transformation, both in the vertical and in the horizontal direction. For d = 0, Equations I and II yield: x ' ƒ ' = t a n φ
Figure DE102021103323A1_0004
y ' ƒ ' = t a n ϑ c O s φ
Figure DE102021103323A1_0005

Die Parametrisierung von Sharpless et al. kann verallgemeinert werden. Eine Projektion des Objektraums, die im Folgenden als „Pannini-Abbildung“ oder „Pannini-Perspektive“ bezeichnet wird, ist durch folgende Merkmale charakterisiert:

  1. 1. Die Mitte des Bildes ist nicht verzerrt. Die Brennweite bzw. der Abbildungsmaßstab sind in der Bildmitte gleich.
  2. 2. Vertikale gerade Linien werden über das gesamte Bildfeld als gerade vertikale Linien abgebildet.
  3. 3. Der Objektraum ist in horizontaler Richtung gegenüber der rektilinearen Abbildung tonnenförmig verzeichnet, d. h. die Abweichung zum gnomonischen Bildort ist horizontaler Richtung monoton steigend.
The parameterization by Sharpless et al. can be generalized. A projection of the object space, referred to below as "Pannini mapping" or "Pannini perspective", is characterized by the following features:
  1. 1. The center of the image is not distorted. The focal length or image scale are the same in the center of the image.
  2. 2. Vertical straight lines are displayed as straight vertical lines over the entire field of view.
  3. 3. The object space is barrel-shaped in the horizontal direction compared to the rectilinear image, ie the deviation from the gnomonic image location increases monotonically in the horizontal direction.

Diese Definition enthält im Gegensatz zur oben angegebenen Parametrisierung zum Beispiel auch die zylindrische Perspektive, wonach in horizontaler Richtung x proportional zu d ist („f-ϑ-Abbildung“) und in vertikaler Richtung rektilinear.In contrast to the parameterization given above, this definition also contains, for example, the cylindrical perspective, according to which x is proportional to d in the horizontal direction (“f-ϑ mapping”) and rectilinear in the vertical direction.

Auf Echtzeitplattformen in der Computer Graphik ist die Pannini-Perspektive mittlerweile etabliert. Sie wurde kürzlich in den wichtigsten Entwicklerplattformen für 3D Echtzeitvisualisierung, Unreal Engine oder Unity, implementiert.The Pannini perspective is now established on real-time platforms in computer graphics. It has recently been implemented in the main developer platforms for real-time 3D visualization, Unreal Engine or Unity.

In der Fotografie oder Cinematographie ist die Pannini-Perspektive dagegen unbekannt. Die in Unity oder Unreal Engine für Animation oder Computerspielen implementierten Transformationen lassen sich zwar prinzipiell auf die Software für die Bildbearbeitung übertragen, insbesondere bei der Nachbearbeitung professioneller Filmproduktionen. Es gibt aber keine optimierte digitale Abbildungskette: Das bedeutet, dass die Bildqualität (Auflösung, Kontrast) zum Teil erheblich leidet und auch, dass bei der Aufnahme vorhandene Bildinformationen bei der Darstellung verloren gehen.In photography or cinematography, on the other hand, the Pannini perspective is unknown. The transformations implemented in Unity or Unreal Engine for animation or computer games can in principle be transferred to the software for image processing, especially in the post-processing of professional film productions. However, there is no optimized digital imaging chain: This means that the image quality (resolution, contrast) sometimes suffers considerably and also that the image information that is available during the recording is lost during the display.

Es sei noch bemerkt, dass sich die hier vorgeschlagene Realisierung der Abbildung klar von der anamorphotischen Abbildung abgrenzt, die im professionellen Film weit verbreitet ist: Bei der anamorphotischen Abbildung wird zwar, ähnlich wie bei der Pannini-Abbildung, ein verschieden großes Objektfeld in horizontaler und vertikaler Richtung auf den Bildsensor (gleicher Geometrie) abgebildet. Allerdings wird dies durch die Wahl verschiedener Brennweiten oder Abbildungsmaßstäbe in horizontaler und vertikaler Richtung erzielt. Dies macht, im Gegensatz zur optischen Pannini-Abbildung, einen zweistufigen Prozess notwendig, um die Deformation des Bildes bei der Wiedergabe wieder zu kompensieren.It should also be noted that the implementation of the imaging proposed here is clearly distinguished from anamorphic imaging, which is widespread in professional film: with anamorphic imaging, similar to Pannini imaging, an object field of different sizes is used in the horizontal and vertical direction on the image sensor (same geometry). However, this is achieved by choosing different focal lengths or imaging scales in the horizontal and vertical directions. In contrast to optical Pannini imaging, this necessitates a two-stage process in order to compensate for the deformation of the image during reproduction.

Außerdem charakterisiert die Pannini-Abbildung die Verdichtung der Bildinformation in horizontaler Richtung (bei konformer Abbildung gerader Linien in vertikaler Richtung). Dies ist bei der anamorphotischen Abbildung nicht der Fall. Die tonnenförmige Verzeichnung, meist in beiden Richtungen horizontal wie vertikal, in einigen patentierten und kommerziell erhältlichen anamorphotischen Weitwinkelobjektiven ist eine Folge eines einfachen Konstruktionsprinzips.In addition, the Pannini mapping characterizes the compression of the image information in the horizontal direction (in the case of conformal mapping of straight lines in the vertical direction). This is not the case with anamorphic imaging. The barrel distortion, mostly in both horizontal and vertical directions, in some patented and commercially available wide-angle anamorphic lenses is a result of a simple design principle.

In horizontaler Richtung kommt dies der Pannini-Perspektive nahe, allerdings sind krumme vertikale Linien unerwünscht. Mit Integration der benötigten afokalen Komponenten, wie beschrieben in US 2013 / 0 022 345 A1 , lässt sich eine starke Verzeichnung auch bei Weitwinkelobjektiven vermeiden.Horizontally, this is close to Pannini perspective, but crooked vertical lines are undesirable. With integration of the required afocal components as described in U.S. 2013/0 022 345 A1 , severe distortion can be avoided even with wide-angle lenses.

Die anamorphotische Abbildung genügt also nicht den o. g. Merkmalen 1. und 3. der Pannini-Abbildung. Es gibt trotzdem bei der Pannini-Abbildung eine Ähnlichkeit zur anamorphotischen Abbildung, die hier erwähnt sei, weil sie in der Cinematographie mit Anamorphoten sehr geschätzt und teilweise trotz erheblicher Mehrkosten der Grund für ihre Nutzung ist. Defokussierte Spitzlichter im Bildhintergrund erscheinen bei anamorphotischer Abbildung oval. So haben Lichter z. B. von Straßenbeleuchtung eine „kerzenähnliche“ Form, was viele Filmer schätzen, wie auch, dass ein Ändern der Fokusebene dynamisch wie vertikales „Ziehen“ der Schärfe wirkt.The anamorphic image does not meet the above mentioned. Features 1st and 3rd of the Pannini illustration. Nevertheless, there is a similarity between Pannini imaging and anamorphic imaging, which should be mentioned here because it is very popular in cinematography with anamorphic lenses and is partly the reason for its use, despite the considerable additional costs. Defocused highlights in the image background appear oval in anamorphic imaging. For example, lights have Streetlights, for example, have a “candle-like” shape, which many filmmakers appreciate, as well as the fact that changing the focal plane has the dynamic effect of vertically “pulling” the sharpness.

Bei der Pannini-Abbildung gibt es in der Bildmitte ein rundes Bokeh, das zu den horizontalen Bildrändern zunehmend oval wird sowie in vertikaler Richtung ebenfalls länger, also „kerzenförmig“. Dies resultiert daraus, dass der lokale Abbildungsmaßstab zum horizontalen Bildrand hin kleiner wird. Da vorliegend im Wesentlichen von Weitwinkelabbildungen mit in der Regel großer Tiefenschärfe ausgegangen wird, ist dieser Effekt nicht so stark wirksam wie bei Objektiven längerer Brennweite, aber dennoch bei größeren Bildformaten deutlich sichtbar.In the Pannini image there is a round bokeh in the center of the image, which becomes increasingly oval towards the horizontal edges of the image and also longer in the vertical direction, i.e. "candle-shaped". This results from the fact that the local image scale decreases towards the horizontal edge of the image. Since in the present case it is essentially wide-angle images with a generally large depth of field that are assumed, this effect is not as effective as with lenses of a longer focal length, but it is still clearly visible with larger image formats.

Darüber hinaus gibt es einen zweiten Objektivtyp, dessen Abbildung sich klar von der Pannini-Abbildung unterscheidet, sogenannte panomorphe Objektive, insbesondere als Alternative zu zirkularen Fish-Eye-Objektiven, die den gesamten Halbraum auf die Bildebene abbilden. Diese ermöglichen eine Extremweitwinkelaufnahme mit einem Aspektverhältnis ungleich 1:1 in horizontaler und vertikaler Richtung. Da Bildsensoren in der Regel rechteckig sind, können diese daher besser ausgenutzt werden. Diese Objektive verwenden zylindrische oder torische Linsen. Allerdings unterscheidet sich die Abbildung fundamental von der Pannini-Abbildung - weder bleiben vertikale Linien gerade, noch ist die horizontale Abbildung tonnenförmig verzeichnet. Vielmehr ist das Gegenteil der Fall. Der lokale Abbildungsmaßstab wird zum horizontalen Bildrand größer, so dass sich die ungünstige perspektivische Abbildung noch verstärkt. Folglich werden die o. g. Merkmalen 2. und 3. der Pannini-Abbildung nicht erfüllt.In addition, there is a second type of lens whose image is clearly different from the Pannini image, so-called panomorph lenses, particularly as an alternative to circular fish-eye lenses that image the entire hemisphere onto the image plane. These enable extremely wide-angle shots with an aspect ratio that is not equal to 1:1 in the horizontal and vertical directions. Since image sensors are usually rectangular, they can therefore be better utilized. These lenses use cylindrical or toric lenses. However, the figure differs fundamentally from the Pannini figure - vertical lines neither remain straight nor is the horizontal figure barrel-shaped. Rather the opposite is the case. The local image scale increases towards the horizontal edge of the image, so that the unfavorable perspective image becomes even stronger. Consequently, the above Characteristics 2. and 3. of the Pannini illustration not fulfilled.

Wie bereits erwähnt, ist aus dem Stand der Technik die Erzeugung von Pannini-Abbildungen mittels digitaler Transformation bekannt. Eine solche digitale Transformation weist jedoch mehrere Nachteile auf, die mit zunehmenden Gesichtsfeldwinkel immer stärker zum Tragen kommen. Zum einen ist nach digitaler Transformation eines mit einem Fischaugenobjektiv aufgenommen Bilds eine Beschränkung des Bildausschnitts erforderlich, wobei ein Großteil der aufgenommenen Bildinformation verloren geht.As already mentioned, the generation of Pannini images by means of digital transformation is known from the prior art. However, such a digital transformation has several disadvantages, which become more and more important with increasing field of view angles. On the one hand, after the digital transformation of an image recorded with a fisheye lens, the image section has to be restricted, with a large part of the recorded image information being lost.

Zum anderen werden bei der Fischaugenabbildung Informationen am Rand des Objektfelds auf dem äquidistanten Raster des Bildsensors „gequetscht“ aufgenommen. Bei diesem Vorgang geht unweigerlich Auflösung von Objektdetails am Bildrand verloren. Außerdem sinkt der Kontrast. Die fehlende Auflösung und die Kontrastreduktion bleiben nach der Transformation auf rektilineare oder Pannini-Perspektive natürlich verloren, so dass sowohl Auflösung wie auch Kontrast im Bildfeld sehr stark variieren.On the other hand, in fisheye imaging, information is "squeezed" at the edge of the object field on the equidistant grid of the image sensor. In this process, resolution of object details at the edge of the image is inevitably lost. In addition, the contrast decreases. The lack of resolution and the reduction in contrast are of course lost after the transformation to rectilinear or Pannini perspective, so that both resolution and contrast vary greatly in the image field.

Vor diesem Hintergrund ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Möglichkeiten aufzufinden, mit denen Pannini-Abbildungen ohne die vorstehend erläuterten Nachteile aufgenommen und/oder wiedergegeben werden können.Against this background, it is the object of the present invention to find ways in which Pannini images can be recorded and/or reproduced without the disadvantages explained above.

Gelöst wird diese Aufgabe durch die Gegenstände der unabhängigen Ansprüche. Die abhängigen Ansprüche betreffen spezielle Ausgestaltungen dieser erfindungsgemäßen Lösungen.This problem is solved by the subject matter of the independent claims. The dependent claims relate to special configurations of these solutions according to the invention.

Ein Grundgedanke der Erfindung ist es, die Aufnahme und Wiedergabe in Pannini-Perspektive mit rein optischen Mitteln, also ohne das Erfordernis einer digitalen Transformation, umzusetzen.A basic idea of the invention is to implement the recording and playback in Pannini perspective with purely optical means, ie without the need for digital transformation.

Ein erster Aspekt der Erfindung betrifft ein Objektiv. Das Objektiv kann beispielsweise als Objektiv für eine Kamera, z. B. eine Filmkamera oder ein Fotokamera, oder als Objektiv für eine Projektionseinrichtung ausgebildet sein. Das Objektiv weist bildformende optische Elemente mit ein oder mehreren nichtrotationssymmetrisch wirkenden gekrümmten Flächen auf, die entlang einer optischen Achse angeordnet sind. Das Objektiv kann insbesondere als Weitwinkelobjektiv ausgebildet sein, z. B. mit einem diagonalen Bildwinkel von 60 ° und größer, bevorzugt 75 ° und größer, weiter bevorzugt 85 ° und größer. Das Objektiv kann auch als Zoomobjektiv ausgebildet sein.A first aspect of the invention relates to an objective. The lens can be used, for example, as a lens for a camera, e.g. B. a film camera or a photo camera, or as a lens for a projection device be trained. The lens has image-forming optical elements with one or more non-rotationally symmetrical curved surfaces, which are arranged along an optical axis. The lens can be designed in particular as a wide-angle lens, z. B. with a diagonal angle of view of 60 ° and larger, preferably 75 ° and larger, more preferably 85 ° and larger. The lens can also be designed as a zoom lens.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die bildformenden optischen Elemente derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ein auf einer Bildfläche zu formendes Bild eine Pannini-Abbildung ist. Eine solche Pannini-Abbildung ist durch folgende Merkmale gekennzeichnet: gleicher Abbildungsmaßstab in der Bildmitte entlang jeder Richtung in der Bildfläche (Merkmal 1), gerade vertikale Abbildung gerader vertikaler Linien über das gesamte Bildfeld (Merkmal 2) und tonnenförmige Verzeichnung des Objektraums in horizontaler Richtung (Merkmal 3).According to the invention, it is provided that the image-forming optical elements are designed and arranged in such a way that an image to be formed on an image surface is a Pannini image. Such a Pannini map is characterized by the following features: equal magnification at image center along each direction in the image plane (feature 1), straight vertical mapping of straight vertical lines across the entire image field (feature 2), and barrel distortion of object space in the horizontal direction ( Feature 3).

Unter der „Bildmitte“ ist der Bereich auf der Bildfläche in unmittelbarer Umgebung zur optischen Achse zu verstehen.The "centre of the image" means the area on the image surface in the immediate vicinity of the optical axis.

Merkmal 1 bedingt, dass die Brennweite des Objektivs im Bereich der Strahlen, die die Bildmitte erzeugen, in x- und y-Richtung ebenfalls gleich ist. Aufgrund des gleichen Abbildungsmaßstabs in der Bildmitte ist die Mitte des Bildes nicht verzerrt. Geringfügige Abweichungen, d. h. Abweichungen, die für den Betrachter nicht wahrnehmbar sind, sind zulässig. Solche geringfügigen Abweichungen können beispielsweise maximal 15 % betragen, d. h. der Stauchungs- bzw. Streckungsfaktor in der Bildmitte darf maximal 15 % vom Ideal „keine Verzerrung“ abweichen.Feature 1 requires that the focal length of the lens in the area of the rays that generate the center of the image is also the same in the x and y directions. Due to the same magnification in the center of the image, the center of the image is not distorted. Minor deviations, i. H. Deviations that are imperceptible to the viewer are permissible. Such minor deviations can, for example, amount to a maximum of 15%, i. H. the compression or stretching factor in the center of the image may deviate from the ideal “no distortion” by a maximum of 15%.

Merkmal 2 bedeutet, dass vertikale gerade Linien über das gesamte Bildfeld als gerade vertikale Linien abgebildet werden. Auch hierbei sind geringfügige Abweichungen, d. h. Abweichungen, die für den Betrachter nicht wahrnehmbar sind, zulässig. Solche geringfügigen Abweichungen können beispielsweise maximal 5 % betragen. Die Abweichung von 5 % bezieht sich dabei auf die sogenannte „TV-Verzeichnung“, die die Krummheit einer gewünscht geraden Linie beschreibt. Die TV-Verzeichnung ist als Änderung des Abstandes von der Bildmitte zum oberen Bildrand geteilt durch den Abstand vom unteren Bildrand zum oberen Bildrand definiert. Es wird also gemessen, wie stark das Bild einer geraden Linie am Bildrand, insbesondere am langen Bildrand eines rechtseckigen Formats, durchgebogen ist. Diese Durchbiegung wird auf die gesamte Bildhöhe bezogen und als Prozentwert ausgedrückt.Feature 2 means that vertical straight lines are imaged as straight vertical lines over the entire field of view. Here, too, minor deviations, i. H. Deviations that are imperceptible to the viewer are permissible. Such minor deviations can amount to a maximum of 5%, for example. The deviation of 5% refers to the so-called "TV distortion", which describes the crookedness of a desired straight line. TV distortion is defined as the change in distance from the center of the picture to the top of the picture divided by the distance from the bottom of the picture to the top of the picture. It is therefore measured how much the image is bent by a straight line at the edge of the image, in particular at the long edge of a rectangular format. This deflection is related to the total image height and expressed as a percentage.

Merkmal 3 bedeutet, dass der Bildraum in horizontaler Richtung gegenüber der rektilinearen Abbildung tonnenförmig verzeichnet ist, d. h. die Abweichung zum gnomonischen Bildort ist in horizontaler Richtung monoton steigend. Da die Abweichung als Polynom 3. Ordnung ausgedrückt werden kann, bedeutet dies, dass die Abweichungen in Richtung des vertikalen Bildrands immer größer werden. Mit anderen Worten wird die Bildinformation in Richtung vertikaler Bildrand zunehmend zusammengequetscht, d. h. breite Bereiche werden schmaler abgebildet.Feature 3 means that the image space is barrel-wrapped in the horizontal direction compared to the rectilinear mapping, i. H. the deviation from the gnomonic image location increases monotonically in the horizontal direction. Since the deviation can be expressed as a 3rd order polynomial, this means that the deviations increase towards the vertical edge of the image. In other words, the image information is increasingly squeezed in the direction of the vertical edge of the image, i. H. wide areas are mapped narrower.

Die Pannini-Abbildung kann auf einer beliebig geformten Bildfläche, beispielsweise einer ebenen Bildfläche, z. B. auf einer ebenen Fläche eines Bildsensors im Falle einer Film- oder Fotokamera oder einer ebenen Projektionsfläche im Falle eines Projektionsobjektivs, geformt werden. Andere Formen der Bildfläche, z. B. zylindrische oder torische Bildflächen können ebenfalls genutzt werden. Die Ausbildung und Anordnung der bildformenden optischen Elemente erfolgt dabei derart, dass auf der gewählten Bildfläche eine Pannini-Abbildung erzeugt werden kann.The Pannini image can be placed on an arbitrarily shaped image surface, for example a flat image surface, e.g. B. on a flat surface of an image sensor in the case of a film or photo camera or a flat projection surface in the case of a projection lens. Other forms of the picture surface, e.g. B. cylindrical or toric image surfaces can also be used. The design and arrangement of the image-forming optical elements is carried out in such a way that a Pannini image can be generated on the selected image area.

Das erfindungsgemäße Objektiv zeichnet sich dadurch aus, dass eine Pannini-Abbildung mit den Merkmalen 1 bis 3 direkt mit ausschließlich optischen Mitteln erzeugt werden kann. Ein solches Objektiv wird nachfolgend auch als Pannini-Objektiv bezeichnet. Es ist also weder eine digitale Transformation des Bildes erforderlich noch werden mehrere optische Systeme benötigt, um die Pannini-Abbildung zu erzeugen.The lens according to the invention is characterized in that a Pannini image with features 1 to 3 can be generated directly using exclusively optical means. Such a lens is also referred to below as a Pannini lens. Thus, no digital transformation of the image is required, nor are multiple optical systems required to generate the Pannini image.

Konkrete und allgemein gültige Angaben zu den zu verwendenden optischen Elementen und deren Anordnung können - mit Ausnahme des Vorhandenseins mindestens eines optischen Elements mit einer nichtrotationssymmetrisch wirkenden gekrümmten Fläche - nicht getroffen werden, da diese u. a. von den weiteren Objektiveigenschaften, der gewählten Bildfläche sowie dem geplanten Einsatzzweck abhängen. So kann beispielsweise eine bestimmte optische Wirkung mittels eines einzigen optischen Elements oder aber durch mehrere optische Elemente erzeugt werden.Concrete and generally applicable information on the optical elements to be used and their arrangement - with the exception of the presence of at least one optical element with a non-rotationally symmetrical curved surface - cannot be given, since these are e.g. depend on the other lens properties, the selected image area and the intended purpose. For example, a certain optical effect can be generated by means of a single optical element or by a plurality of optical elements.

Zudem legt der konkrete Einsatzzweck den Rahmen für die mindestens zu erfüllenden Eigenschaften des Objektivs, u. a. Anspruch an die Bildqualität, technologische Voraussetzungen und Kosten, fest. Mit anderen Worten kann sich der Aufbau von Pannini-Objektiven je nach konkreter vorgesehener Anwendung deutlich voneinander unterscheiden, z. B. Anwendung des Pannini-Objektivs in einer Smartphonekamera, einer Aktionsvideokamera (engl. Actioncam), als Kameraobjektiv für eine Spiegelreflexkamera oder eine spiegellose Systemkamera, als Kameraobjektiv in der professionellen Cinematographie, als Projektionsobjektiv etc. Außerdem besteht auch die Möglichkeit, bereits existierende Objektive mit Vorsatz- oder Backadapter-Optiken derart zu modifizieren, dass ein Pannini-Objektiv erhalten wird, so dass folglich die Auswahl und Anordnung der zusätzlichen bildformenden optischen Elemente vom bereits vorhandenen Objektiv abhängig ist.In addition, the specific purpose of use defines the framework for the minimum properties to be met by the lens, including image quality requirements, technological requirements and costs. In other words, the construction of Pannini lenses can differ significantly depending on the specific intended application, e.g. B. Use of the Pannini lens in a smartphone camera, an action video camera (action cam), as a camera lens for a reflex camera or a mirrorless system camera, as a camera lens in professional cinematography, as a projection lens, etc. There is also the possibility of using existing lenses with To modify attachment or back adapter optics in such a way that a Pannini lens is obtained, so that consequently the selection and arrangement of the additional image-forming optical elements is dependent on the existing lens.

Ein weiteres Anwendungsfeld umfasst afokale Systeme, also Ferngläser, Spektive, Teleskope etc. Bei vielen dieser Systeme, insbesondere bei den terrestrischen Systemen, ist es vorteilhaft den objektseitigen Sehfeldwinkel in horizontaler Richtung zu vergrößern. Hierbei spielt es keine Rolle, wenn die Information am Rand des Sehfelds gestaucht und damit schlechter aufgelöst ist, sondern es geht nur darum peripher Informationen am Sehfeldrand grob zu sehen, ohne das Auge vom Okular nehmen zu müssen (z. B. Wild- oder Vogelbeobachtung mit Fernglas/Spektiv; im Fall der peripheren Detektion Schwenk auf vergrößertes Hauptsehfeld). Daraus ergibt sich, dass ein Pannini-Objektiv für ein solches afokales System einen deutlich anderen Aufbau aufweist, als ein Pannini-Objektiv für eine Foto- oder Filmkamera. Folglich ist der konkrete Aufbau des Pannini-Objektivs stark abhängig vom gewünschten Einsatzzweck.Another field of application includes afocal systems, ie binoculars, spotting scopes, telescopes, etc. In many of these systems, particularly in terrestrial systems, it is advantageous to increase the object-side visual field angle in the horizontal direction. It doesn't matter if the information at the edge of the field of view is compressed and therefore has poorer resolution, it's just a matter of roughly seeing peripheral information at the edge of the field of view without having to take your eye off the eyepiece (e.g. wildlife or bird watching with binoculars/spotting scope; in the case of peripheral detection, swivel to enlarged main field of view). It follows that a Pannini lens for such an afocal system has a significantly different structure than a Pannini lens for a photo or film camera. Consequently, the specific structure of the Pannini lens is highly dependent on the desired application.

Anhand der nachfolgend erläuterten allgemeinen Vorgehensweise sowie anhand der beigefügten Ausführungsbeispiele wird der Fachmann in die Lage versetzt, ein Objektiv mit zur Erzeugung einer Pannini-Abbildung geeignet ausgebildeten und angeordneten optischen Elementen aufzufinden.Using the general procedure explained below and using the attached exemplary embodiments, those skilled in the art will be able to find an objective with optical elements that are suitably designed and arranged for generating a Pannini image.

Für eine optische Realisierung der Pannini-Abbildung ohne digitale Transformation der Bildkoordinaten sind ein oder mehrere nichtrotationssymmetrische wirkende optische Elemente notwendig, um den Strahlenverlauf in verschiedenen Bereichen unterschiedlich beeinflussen zu können und dadurch u. a. die gewünschte Verzeichnung erzielen zu können. Daneben können selbstverständlich auch rotationssymmetrisch wirkende optische Elemente vorhanden sein.For an optical realization of the Pannini image without digital transformation of the image coordinates, one or more non-rotationally symmetrical acting optical elements are necessary in order to be able to influence the beam path differently in different areas and thereby, among other things. to achieve the desired distortion. In addition, of course, optical elements that act in a rotationally symmetrical manner can also be present.

Nichtrotationssymmetrisch wirkende optische Elemente können entweder tatsächlich nichtrotationssymmetrisch ausgebildete optische Elemente sein, die derart entlang der optischen Achse, z. B. senkrecht zur optischen Achse, angeordnet sind, dass die Nichtrotationssymmetrie nicht z. B. durch Verkippen aufgehoben wird, oder es können rotationssymmetrisch ausgebildete optische Elemente sein, die derart entlang der optischen Achse angeordnet sind, dass sie dennoch nichtrotationssymmetrisch wirken, beispielsweise durch Verkippung gegenüber der optischen Achse.Optical elements that act non-rotationally symmetrical can either actually be non-rotationally symmetrical optical elements that are positioned in such a way along the optical axis, e.g. B. are arranged perpendicular to the optical axis, that the non-rotational symmetry is not z. B. is canceled by tilting, or it can be rotationally symmetrical optical elements that are arranged along the optical axis in such a way that they still do not appear rotationally symmetrical, for example by tilting relative to the optical axis.

Als nichtrotationssymmetrisch wirkende gekrümmte Flächen können beispielsweise zylindrisch gekrümmte, torische Flächen oder Freiformflächen genutzt werden.For example, cylindrically curved, toric surfaces or free-form surfaces can be used as non-rotationally symmetrical curved surfaces.

Die optischen Elemente des Objektivs können optisch wirksame Flächen aufweisen, die als Linsen (Brechung) oder Spiegel (Reflexion) wirken. Zudem können optische Elemente auch als diffraktive Elemente (Beugung) realisiert sein. Unter Letzteres fallen auch optische Metaflächen.The optical elements of the lens can have optically effective surfaces that act as lenses (refraction) or mirrors (reflection). In addition, optical elements can also be implemented as diffractive elements (diffraction). The latter also includes optical meta surfaces.

Bevorzugt können optisch wirksame Flächen verwendet werden, die symmetrisch zur x-Achse und zur y-Achse des Objektivs sind, z. B. zylindrisch gekrümmte Flächen, torische Flächen oder entsprechend ausgebildete Freiformflächen.Optically active surfaces can preferably be used which are symmetrical to the x-axis and to the y-axis of the lens, e.g. B. cylindrically curved surfaces, toroidal surfaces or correspondingly designed free-form surfaces.

Unter „x-Achse“ ist dabei die in horizontaler Richtung in einem rechten Winkel zur z-Achse, die der optischen Achse entspricht, ausgerichtete Achse zu verstehen. Unter „y-Achse“ ist die in vertikaler Richtung in einem rechten Winkel zur z-Achse ausgerichtete Achse zu verstehen.The “x-axis” here means the axis aligned in the horizontal direction at a right angle to the z-axis, which corresponds to the optical axis. The "y-axis" means the axis oriented in the vertical direction at right angles to the z-axis.

Zylindrisch gekrümmte Flächen sind gekennzeichnet durch einen Radius (entweder rx oder ry), der positiv oder negativ bzw. konvex oder konkav sein kann. Der jeweils andere Radius ist unendlich. Eine zylindrisch gekrümmte Fläche entspricht dabei einem Ausschnitt einer Mantelfläche eines senkrechten Kreiszylinders.Cylindrically curved surfaces are characterized by a radius (either rx or ry), which can be positive or negative, convex or concave. The other radius is infinite. A cylindrically curved surface corresponds to a section of a lateral surface of a vertical circular cylinder.

Unter einer „torische Fläche“ ist eine Fläche zu verstehen, die zwei zueinander senkrechte Hauptschnitte unterschiedlicher Krümmung besitzt und bei der die Querschnitte in beiden Hauptschnitten nominell kreisförmig sind. Es handelt sich also um symmetrische Flächen, deren beide Flächenradien endlich groß sein können und ein beliebiges Vorzeichen haben. Überdies umfasst die torische Flächenform zusätzlich auf der torischen Fläche eine rotationssymmetrische Asphäre. Diese ist üblicherweise durch eine konische Konstante k und einen Satz von Polynomkoeffizienten a4, a6,... gegeben.A "toric surface" is a surface that has two mutually perpendicular principal sections of different curvature and where the cross-sections in both principal sections are nominal are circular. It is therefore a matter of symmetrical surfaces whose two surface radii can be finitely large and have any sign. In addition, the toric surface shape also includes a rotationally symmetrical asphere on the toric surface. This is usually given by a conic constant k and a set of polynomial coefficients a4, a6,...

Bei Freiformflächen ist die Asphäre im Allgemeinen nicht rotationssymmetrisch.In the case of free-form surfaces, the asphere is generally not rotationally symmetrical.

Für letztere gibt es eine Vielzahl von Flächendarstellungen, z. B. „anamorphic asphere“ (jeweils in x- und y-Richtung unabhängiger Radius, konische Konstante und Polynomkoeffizienten), X-Y-Polynom (Radius, konische Konstante und gemischte Polynomkoeffizienten xmyn) oder entsprechende Darstellungen mit Zernike-Polynomen oder anderen orthogonalen Funktionssystemen.For the latter there is a large number of surface representations, e.g. B. "anamorphic asphere" (in each case in x- and y-direction independent radius, conical constant and polynomial coefficients), XY-polynomial (radius, conical constant and mixed polynomial coefficients x m y n ) or corresponding representations with Zernike polynomials or other orthogonal ones functional systems.

Unter einer „Freiformfläche“ ist im weiteren Sinn eine komplexe Fläche zu verstehen, die sich insbesondere mittels gebietsweise definierter Funktionen, insbesondere zweimal stetig differenzierbarer gebietsweise definierter Funktionen darstellen lässt. Beispiele für geeignete gebietsweise definierte Funktionen sind (insbesondere stückweise) polynomiale Funktionen (insbesondere polynomiale Splines, wie z.B. bikubische Splines, höhergradige Splines vierten Grades oder höher, oder polynomiale non-uniform rational B-Splines (NURBS)). Hiervon zu unterscheiden sind einfache Flächen, wie z. B. sphärische Flächen, asphärische Flächen, zylindrische Flächen, torische Flächen, die zumindest längs eines Hauptmeridians als Kreis beschrieben sind. Eine Freiformfläche braucht insbesondere keine Achsensymmetrie und keine Punktsymmetrie aufzuweisen und kann in unterschiedlichen Bereichen der Fläche unterschiedliche Werte für den mittleren Flächenbrechwert aufweisen. Die Herstellung einer Freiformfläche auf einem optischen Element erfolgt in der Regel durch spanendes Bearbeiten des optischen Elements, also beispielsweise durch Fräsen, im Rahmen eines CNC-Verfahrens, in dem die Freiformfläche numerisch gesteuert auf der Basis einer mathematischen Beschreibung der Fläche hergestellt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Freiform blank zu pressen. Hierfür muss die negative Pressform mit entsprechenden Zugaben für temperaturabhängigen Schrumpf, mit CNC-Verfahren bearbeitet werden.A “freeform surface” is to be understood in a broader sense as a complex surface that can be represented in particular by means of functions defined in certain areas, in particular functions defined in different areas that can be continuously differentiated twice. Examples of suitable region-wise defined functions are (particularly piecewise) polynomial functions (particularly polynomial splines, such as bicubic splines, fourth-degree or higher degree splines, or polynomial non-uniform rational B-splines (NURBS)). A distinction must be made between simple surfaces such as e.g. B. spherical surfaces, aspherical surfaces, cylindrical surfaces, toric surfaces, which are described at least along a main meridian as a circle. In particular, a free-form surface does not need to have axial symmetry and point symmetry and can have different values for the mean surface refractive index in different areas of the surface. A free-form surface is usually produced on an optical element by machining the optical element, for example by milling, as part of a CNC process in which the free-form surface is produced under numerical control on the basis of a mathematical description of the surface. However, it is also possible to blank press the free form. For this purpose, the negative press mold must be processed with the appropriate allowances for temperature-dependent shrinkage using CNC processes.

Mit diesen symmetrisch zur x-Achse und zur y-Achse des Objektivs ausgebildeten Flächen kann das optische System, also die Gesamtheit der bildformenden optischen Elemente, entlang einer einzigen optischen Achse angeordnet werden. Die Flächengeometrie gilt besonders für die Flächenform, also die Deformation der Oberfläche, kann sich aber zusätzlich vorteilhaft auch bei einer entsprechend symmetrischen Berandung der optischen Fläche auswirken. Ebenso können sich separate Feldblenden mit Symmetrie um x- und y-Achse vorteilhaft auswirken. Berandungen von optischen Flächen oder von Feldblenden beschneiden Lichtbündel eines Objektpunkts. Dies wird als „Vignettierung“ bezeichnet und verringert optische Bildfehler. Dies ermöglicht es Objektive mit höherer Öffnung bei hinreichend guter Schärfe in den Bildecken zu realisieren. Als Folge der Beschneidung des Lichtbündels gelangt jedoch weniger Licht an den Rand des Bildfelds, so dass es also dort dunkler wird. Das Vorhandensein von Symmetrieachsen vereinfacht sowohl die Auslegung des optischen Systems wie auch dessen Montage und Justage erheblich.With these surfaces designed symmetrically to the x-axis and to the y-axis of the lens, the optical system, that is to say all of the image-forming optical elements, can be arranged along a single optical axis. The surface geometry applies in particular to the surface shape, ie the deformation of the surface, but can also have an additional advantageous effect if the optical surface has a correspondingly symmetrical boundary. Likewise, separate field diaphragms with symmetry about the x and y axes can have an advantageous effect. Boundaries of optical surfaces or field stops cut off the light beam of an object point. This is called "vignetting" and reduces optical artifacts. This enables lenses with a larger aperture to be realized with sufficiently good sharpness in the corners of the image. However, as a result of the clipping of the light beam, less light reaches the edge of the image field, so that it becomes darker there. The presence of symmetry axes considerably simplifies both the design of the optical system and its assembly and adjustment.

Die gewünschte tonnenförmige Verzeichnung kann beispielsweise mittels der Objektivkonfiguration „-, Aperturblende, +“ erreicht werden, d. h. mit einer Konfiguration, bei der der objektseitige Objektivteil eine negative Brechkraft und der bildseitige Objektivteil eine positive Brechkraft aufweist, wobei objektseitiger und bildseitiger Objektivteil durch die Aperturblende voneinander abgegrenzt werden.The desired barrel distortion can be achieved, for example, using the lens configuration "-, aperture stop, +", i. H. with a configuration in which the object-side lens part has a negative refractive power and the image-side lens part has a positive refractive power, the object-side and image-side lens parts being separated from one another by the aperture stop.

Nach der Seidel'schen Bildfehlertheorie ist der Verzeichnungskoeffizient 3. Ordnung, D C = h [ B p i   i p + ( u ' p 2 u p 2 ) / 2 ]

Figure DE102021103323A1_0006
mit B p = n ( n ' n ) w p ( u ' p + i p ) 2 n ' h   n ' k u ' k ,
Figure DE102021103323A1_0007
mit h Objekt(Bild)-Höhe, n, n' Brechungsindices der Medien an der Grenzfläche, i Strahleinfallswinkel an der Grenzfläche, u Strahlwinkel zur optischen Achse, nk' den Brechungsindex zwischen letzter optischer Fläche und Bildfläche und uk' den entsprechenden Strahlwinkel zur optischen Achse zwischen letzter optischer Fläche und Bildfläche und w Strahlhöhe an der Grenzfläche zur optischen Achse. Der Index „p“ kennzeichnet dabei den Hauptstrahl, der durch die Pupillenmitte verläuft; die entsprechenden nicht indizierten Größen den Marginalstrahl des Achsbüschels (siehe Warren Smith (1993), Modern Lens Design, McGraw-Hill, Seite 447 und 448). Aus diesem Ausdruck folgt, dass eine einzelne positive Linse (beliebiger Form) hinter der Blende zu einer tonnenförmigen Verzeichnung führt, genauso wie eine negative Linse vor der Blende. Folglich führt eine Konfiguration mit negativer Linse, dann Blende, dann positive Linse auch zu einer tonnenförmigen Verzeichnung.According to Seidel's theory of aberrations, the distortion coefficient is of the 3rd order, D C = H [ B p i i p + ( and ' p 2 and p 2 ) / 2 ]
Figure DE102021103323A1_0006
With B p = n ( n ' n ) w p ( and ' p + i p ) 2 n ' H n ' k and ' k ,
Figure DE102021103323A1_0007
with h object (image) height, n, n' refractive indices of the media at the interface, i ray incidence angle at the interface, u ray angle to the optical axis, n k ' the refractive index between the last optical surface and the image surface and uk ' the corresponding ray angle to the optical axis between the last optical surface and the image surface and w ray height at the interface to the optical axis. The index “p” designates the principal ray that runs through the center of the pupil; the corresponding non-indexed sizes den Axial tuft marginal ray (see Warren Smith (1993), Modern Lens Design, McGraw-Hill, pp. 447 and 448). From this expression it follows that a single positive lens (of any shape) behind the stop will produce barrel distortion, as will a negative lens in front of the stop. Consequently, a negative lens, then aperture, then positive lens configuration also results in barrel distortion.

Gemäß der ersten Pannini-Bedingung sind die Brennweiten in x- und y- gleich, f x = f y ,

Figure DE102021103323A1_0008
bzw. für endliche Objektentfernungen die Abbildungsmaßstäbe, β x = β y .
Figure DE102021103323A1_0009
According to the first Pannini condition, the focal lengths in x and y are equal, f x = f y ,
Figure DE102021103323A1_0008
or for finite object distances the image scales, β x = β y .
Figure DE102021103323A1_0009

Als Freiheitsgerade zur Realisierung der gewünschten perspektivischen Projektion in horizontaler und vertikaler Richtung stehen nur die Flächenformen (Radien und höhere Ordnung Deformationen) und nicht die Flächenabstände zur Verfügung. Ausgehend von einer symmetrischen Objektivanordnung für die rektilineare Projektion in vertikaler Richtung muss die Brechkraft der Anordnung in horizontaler Richtung vorn, also objektnah, stärker negativ und hinten, also bildnah, stärker positiv werden. Die feldnahen Linsen vorn und hinten der rektilinearen Richtung werden in der tonnenförmig deformierten Richtung vorn divergierender und hinten konvergierender.Only the surface shapes (radii and higher-order deformations) and not the surface distances are available as lines of freedom for realizing the desired perspective projection in the horizontal and vertical direction. Starting from a symmetrical lens arrangement for rectilinear projection in the vertical direction, the refractive power of the arrangement in the horizontal direction must be more negative at the front, i.e. close to the object, and more positive at the back, i.e. close to the image. The near-field lenses in front and behind the rectilinear direction become more front-diverging and rear-converging in the barrel deformed direction.

Für die Erzeugung einer Pannini-Abbildung auf einem ebenen Bildsensor oder allgemein einer rotationssymmetrischen, zum Beispiel einer sphärischen Bildfläche, wird ein Pannini-Objektiv mit mindestens zwei nicht-rotationssymmetrisch wirkenden optischen Komponenten, z. B. zylindrischen oder torischen Linsen, benötigt. Ansonsten wäre die Brennweite in der Bildmitte in horizontaler und vertikaler Richtung ungleich, weil die Änderung einer einzigen Teilbrechkraft ohne Änderung von Abständen zwischen den Komponenten (diese sind in beiden Schnitten x und y gleich) auch die Gesamtbrechkraft verändert.A Pannini lens with at least two non-rotationally symmetrical optical components, e.g. B. cylindrical or toric lenses required. Otherwise, the focal length at the center of the image would be unequal in the horizontal and vertical directions, because changing a single component power without changing distances between the components (which are the same in both slices x and y) also changes the total power.

Dies kann, zumindest für moderate und große numerische Aperturen, auch nicht umgangen werden, indem achsnah lokal in beiden Richtungen eine gleiche Brechkraft gewählt wird, aber außeraxial an einer einzigen Stelle die Brechkraft geändert wird, beispielsweise durch eine feldnahe Asphäre, die axial lokal die gleiche Brechkraft hat, aber die zum Rand hin eine unterschiedliche Krümmung annimmt. Der Grund dafür ist, dass sich dann auch lokal die Bildlage ändert, d. h. es würde eine Bildschale eingeführt werden, weil sich die Petzvalsumme ϕ j n j

Figure DE102021103323A1_0010
ändert und damit auch der Petzvalradius im Bild.This cannot be avoided, at least for moderate and large numerical apertures, by choosing the same refractive power locally in both directions close to the axis, but changing the refractive power at a single point off-axis, for example by using an asphere close to the field that is locally the same in the axial direction has refractive power, but which assumes a different curvature towards the edge. The reason for this is that the position of the image then also changes locally, ie an image shell would be introduced because the Petzval sum ϕ j n j
Figure DE102021103323A1_0010
changes and with it the Petzval radius in the image.

In einem Objektiv mit zwei nicht-rotationsymmetrischen Gruppen mit den Brechkräften φx,1, φx,2 in x-Richtung und φy,1, φy,2 in y-Richtung muss die Gesamtbrechkraft φ = 1/f' für das gesamte Objektiv, ϕ = ϕ 1 + ϕ 2 d H E ϕ 1 ϕ 2

Figure DE102021103323A1_0011
gleich sein. Der Abstand der Hauptebenen der beiden Teilsysteme ist mit dHE bezeichnet. Dieser Abstand dHE ist beim Pannini-Objektiv für die x- und y-Komponente gleich, so dass gelten muss: ϕ x ,1 + ϕ x ,2 d H E ϕ x ,1 ϕ x ,2 = ϕ y ,1 + ϕ y ,2 d H E ϕ y ,1 ϕ y ,2
Figure DE102021103323A1_0012
In a lens with two non-rotationally symmetrical groups with the refractive powers φ x,1 , φ x,2 in the x-direction and φ y,1 , φ y,2 in the y-direction, the total refractive power must be φ = 1/f' for the entire lens, ϕ = ϕ 1 + ϕ 2 i.e H E ϕ 1 ϕ 2
Figure DE102021103323A1_0011
be equal. The distance between the main planes of the two subsystems is denoted by d HE . With the Pannini lens, this distance d HE is the same for the x and y components, so that the following must apply: ϕ x ,1 + ϕ x ,2 i.e H E ϕ x ,1 ϕ x ,2 = ϕ y ,1 + ϕ y ,2 i.e H E ϕ y ,1 ϕ y ,2
Figure DE102021103323A1_0012

Bei einem in y-Richtung gegebenen Objektiv, ohne Beschränkung der Allgemeinheit (allgemeiner charakterisiert durch ein bestimmtes Verhältnis der Teilbrechkräfte) angenommen als symmetrisches System, ϕx,1 = ϕx,2 ≡ ϕx, muss gelten 2 ϕ x d H E ϕ x 2 = ϕ y ,1 + ϕ y ,2 d H E ϕ y ,1 ϕ y ,2 .

Figure DE102021103323A1_0013
In the case of an objective given in the y-direction, assumed as a symmetrical system without loss of generality (characterized more generally by a specific ratio of the partial refractive powers), ϕ x,1 = ϕ x,2 ≡ ϕ x must apply 2 ϕ x i.e H E ϕ x 2 = ϕ y ,1 + ϕ y ,2 i.e H E ϕ y ,1 ϕ y ,2 .
Figure DE102021103323A1_0013

In vertikaler Richtung wird die Verzeichnung durch den quasi-symmetrischen Aufbau des Objektivs korrigiert, in horizontaler Richtung dagegen kann die gewünschte Verzeichnung der nahe stereographischen Perspektive durch einen Retrofokusaufbau erreicht werden.In the vertical direction, the distortion is corrected by the quasi-symmetrical structure of the lens, in the horizontal direction, on the other hand, the desired distortion of the near stereographic perspective can be achieved by a retrofocus structure.

Wird eine bestimmte perspektivische Transformation gefordert, beispielsweise stereographisch oder equiangular, dann ist nicht gewährleistet, dass auch die Petzval-Bedingung streng erfüllbar ist. Eine streng erfüllte Petzval-Bedingung bedeutet aber nur, dass eine vollständige Bildfeldebnung für eine beliebige Apertur möglich ist. Bei moderaten Aperturen ist es hingegen durchaus möglich, eine gute Pannini-Abbildung mit nur zwei torischen oder zylindrischen Linsen zu erreichen.If a specific perspective transformation is required, for example stereographic or equiangular, then there is no guarantee that the Petzval condition can also be strictly satisfied. However, a strictly fulfilled Petzval condition only means that a complete image field flattening is possible for any aperture. With moderate apertures, on the other hand, it is quite possible to achieve good Pannini imaging with just two toric or cylindrical lenses.

Eine andere Möglichkeit der Realisierung einer Pannini-Abbildung mit einfachem Objektivaufbau ist folgende: Es ist bekannt, dass die Petzvalbedingung für die Ebnung der Bildschale die Komplexität des Objektivs, d. h. Linsenzahl, Größe, Länge, Gewicht etc. wesentlich bestimmt. Dies gilt insbesondere für Objektive mit großer Öffnung und größere Bildformate (d. h. kleine Tiefenschärfe und damit erhöhte Anforderung an die Bildfeldebnung), insbesondere für Weitwinkelobjektive, für die die Bildebnung über einen sehr großen Bereich von Raumwinkeln gewährleistet sein muss.Another way of realizing a Pannini image with a simple lens structure is as follows: It is known that the Petzval condition for the flattening of the image shell reduces the complexity of the lens, i. H. Number of lenses, size, length, weight etc. essentially determined. This applies in particular to lenses with a large aperture and larger image formats (i.e. small depth of field and thus increased requirements for image field flattening), especially for wide-angle lenses, for which image flattening must be guaranteed over a very large range of solid angles.

Es ist auch bekannt, dass ein sphärisch gekrümmtes Bildfeld, bei dem der Krümmungsmittelpunkt dem Objektiv zugewandt ist, die Komplexität erheblich reduzieren kann, insbesondere für die genannten höhergeöffneten Weitwinkelobjektive. Beispielsweise kann mit sehr einfach aufgebauten, nahezu konzentrischen Objektiven aus wenigen sphärischen Elementen eine vergleichbar gute Abbildung erreicht werden wie mit Objektiven mit mehr als einem Dutzend Linsen oder asphärischen Linsen für die Abbildung auf einer Ebene.It is also known that a spherically curved field of view, with the center of curvature facing the lens, can significantly reduce complexity, particularly for the wider aperture lenses mentioned. For example, with very simply constructed, almost concentric lenses made up of a few spherical elements, an image that is as good as that achieved with lenses with more than a dozen lenses or aspheric lenses for imaging on one plane.

Ein vergleichsweise einfacher Objektivaufbau kann auch bei Verwendung nicht ebener Bildflächen, z. B. zylindrisch gekrümmter Bildflächen, erreicht werden. Es ist zu erwarten, dass zylindrisch gekrümmte Bildflächen, z. B. Bildsensoren, wesentlich einfacher zu realisieren sind als sphärisch gekrümmte. Ein Problem bei sphärisch gekrümmten Bildsensoren ist nämlich, dass die gleichmäßige Krümmung auf ein quadratisches Pixelgitter verschiedene Scherkräfte auf die Rasterelemente bewirkt, da die Orientierung der einzelnen Pixel zur Flächenkrümmung variiert. Dies ist bei einem zylindrisch gekrümmten Bildsensor anders, da in jeder Richtung x oder y homogen die gleichen Kräfte wirken.A comparatively simple lens structure can also be used when using non-flat image areas such. B. cylindrically curved image surfaces can be achieved. It is to be expected that cylindrically curved image surfaces, e.g. B. image sensors, are much easier to implement than spherically curved. A problem with spherically curved image sensors is that the uniform curvature on a square pixel grid causes different shearing forces on the grid elements, since the orientation of the individual pixels to the surface curvature varies. This is different with a cylindrically curved image sensor, since the same forces act homogeneously in each x or y direction.

Deshalb kann es möglich sein, Pannini-Abbildungen auf zylindrisch gekrümmten Bildflächen mit einem sehr großen Gesichtsfeldwinkel in der Größenordnung des gesamten Halbraums zu realisieren, im Gegensatz zu rotationssymmetrischen Fischaugenabbildungen auf rotationssymmetrisch gekrümmten Bildflächen. Wie bereits erwähnt, kann eine Pannini-Abbildung bereits mit zwei torischen Elementen erzeugt werden, solange die Apertur nicht sehr groß (Öffnungsverhältnis f/8 oder kleiner) ist. Ebenso ist es möglich, eine Pannini-Abbildung mit lediglich zwei torischen Elementen zu realisieren, wenn die Apertur relativ groß, der Gesichtsfeldwinkel hingegen nicht sehr groß ist.It may therefore be possible to realize Pannini images on cylindrically curved image surfaces with a very large field of view angle on the order of the entire hemisphere, in contrast to rotationally symmetrical fisheye images on rotationally symmetrically curved image surfaces. As already mentioned, a Pannini image can already be generated with two toric elements as long as the aperture is not very large (focal ratio f/8 or smaller). It is also possible to realize a Pannini image with only two toric elements if the aperture is relatively large but the field of view angle is not very large.

Werden zur Realisierung der Pannini-Abbildung statt zwei torischen Elementen drei oder mehr torische Elemente verwendet, so werden wesentlich mehr Freiheitsgrade eröffnet, um Pannini-Objektive sowohl für große Gesichtsfeldwinkel als auch für große Aperturen zu erhalten. Bei Pannini-Objektiven mit drei torischen Elementen treten die Lichtpfade im Objektiv auf deutlich verschiedenen Höhen durch die Linsenelemente. Neben hinreichend Freiheitsgraden zur gleichzeitigen Korrektur der Verzeichnung und Bildschale ermöglicht dies auch die Korrektur weiterer Bildfehler, wie z. B. des Farbquerfehlers. Beispielsweise kann durch die Wahl einer Eintrittspupillenlage für die stereographische Abbildungsrichtung mit einer stark gekrümmten Frontlinse näher am Objektiveingang erreicht werden, dass das Licht auf einer kleineren Höhe die Linse durchtritt und einen vergleichbaren Farbquerfehler erzeugt wie in vertikaler Richtung.If, instead of two toric elements, three or more toric elements are used to realize the Pannini image, significantly more degrees of freedom are opened up in order to obtain Pannini lenses both for large field of view angles and for large apertures. In Pannini lenses with three toric elements, the light paths in the lens pass through the lens elements at significantly different heights. In addition to sufficient degrees of freedom for the simultaneous correction of distortion and image shell, this also enables the correction of other image errors, such as e.g. B. the transverse chromatic aberration. For example, by choosing an entrance pupil position for the stereographic imaging direction with a strongly curved front lens closer to the objective entrance, the light can pass through the lens at a lower height and produce a transverse chromatic aberration comparable to that in the vertical direction.

Eine generelle Vorgehensweise zum Erreichen der gewünschten tonnenförmigen Verzeichnung in horizontaler Richtung beruht auf der Erkenntnis, dass Strahlenbündel unabhängig voneinander beeinflussbar sein müssen. Hierbei werden vorrangig feldnahe Elemente beeinflusst, während pupillennahe Elemente von geringer Bedeutung sind.A general procedure for achieving the desired barrel-shaped distortion in the horizontal direction is based on the knowledge that bundles of rays must be able to be influenced independently of one another. Elements close to the field are primarily influenced here, while elements close to the pupil are of little importance.

Optische Flächen, die ein Subaperturverhältnis zwischen größer 0,5 und 1, insbesondere zwischen 0,7 und 1, aufweisen, werden als „pupillennah“ bezeichnet. „Feldnahe“ optische Flächen weisen dagegen ein Subaperturverhältnis zwischen 0 und 0,5, insbesondere zwischen 0 und 0,3, auf. Das Subaperturverhältnis SAR einer optischen Fläche eines optischen Elements im Strahlengang ist definiert als der Quotient zwischen dem Subaperturdurchmesser DSA und dem optisch freien Durchmesser DCA, d. h. SAR = DSA / DCA. Der Subaperturdurchmesser DSA ist der maximale Durchmesser einer Teilfläche des optischen Elementes, die mit Strahlen eines von einem gegebenen Feldpunkt ausgehenden Strahlbündels beleuchtet wird. Der optisch freie Durchmesser DCA ist der Durchmesser des kleinsten Kreises um eine Referenzachse des optischen Elements, wobei der Kreis denjenigen Bereich der Fläche des optischen Elements einschließt, der durch alle vom Objektfeld kommenden Strahlen ausgeleuchtet wird. In einer Feldebene, z. B. Objektebene oder Bildebene, gilt demnach SAR = 0, in einer Pupillenebene SAR = 1.Optical surfaces that have a subaperture ratio between greater than 0.5 and 1, in particular between 0.7 and 1, are referred to as “near the pupil”. In contrast, optical surfaces that are “near the field” have a subaperture ratio of between 0 and 0.5, in particular between 0 and 0.3. The subaperture ratio SAR of an optical surface of an optical element in the beam path is defined as the quotient between the subaperture diameter DSA and the optically free diameter DCA, ie SAR = DSA / DCA. The subaperture diameter DSA is the maximum diameter of a partial area of the optical element that is illuminated with rays of a beam bundle emanating from a given field point. The optically free diameter DCA is the diameter of the smallest circle around a reference axis of the optical element, the circle enclosing that area of the surface of the optical element that is illuminated by all rays coming from the object field. In a field level, e.g. B. object plane or image plane, SAR = 0 applies accordingly, in a pupil plane SAR = 1.

Ausgehend von rotationssymmetrischen Elementen können folglich insbesondere feldnahe Elemente in ihrer Geometrie und Anordnung variiert werden, um eine Pannini-Abbildung zu erlangen. Die Wirkung von Freiformflächen ist dabei umso effektiver, je kleiner der zugehörige Subaperturdurchmesser DSA ist.Starting from rotationally symmetrical elements, the geometry and arrangement of elements close to the field in particular can be varied in order to obtain a Pannini image. The effect of free-form surfaces is all the more effective the smaller the associated sub-aperture diameter DSA is.

Für die oben angegebenen Transformationen der Objektwinkel (ϑ, ϕ) in Bildkoordinaten (x', y') bzw. skalierte Bildkoordinaten (h', v') gemäß den Gleichungen I und II können anhand beispielhafter Daten für Brennweite und Bildweite die zahlenmäßigen Zuordnungen angegeben werden, wobei die Objektwinkel in Grad angegeben werden. Da die Bildkoordinaten, z. B. Positionen auf dem Bildsensor, bei der Berechnung gegeben sind, werden die Objektwinkel als Funktion der Bildkoordinaten benötigt. Für die horizontale Koordinate ergibt sich c o s φ = H d ± ( H d ) 2 ( H + 1 ) ( H d 2 1 ) H + 1

Figure DE102021103323A1_0014
mit H = ( h ' d + 1 ) 2
Figure DE102021103323A1_0015
For the above transformations of the object angles (ϑ, ϕ) into image coordinates (x′, y′) or scaled image coordinates (h′, v′) according to Equations I and II, the numerical assignments can be specified using exemplary data for focal length and image length where the object angles are specified in degrees. Since the image coordinates, e.g. B. positions on the image sensor, are given in the calculation, the object angles are required as a function of the image coordinates. For the horizontal coordinate we get c O s φ = H i.e ± ( H i.e ) 2 ( H + 1 ) ( H i.e 2 1 ) H + 1
Figure DE102021103323A1_0014
With H = ( H ' i.e + 1 ) 2
Figure DE102021103323A1_0015

Daraus ergibt sich die vertikale Komponente mit t a n ϑ = v ' ( d + c o s φ ) d + 1 .

Figure DE102021103323A1_0016
This results in the vertical component with t a n ϑ = v ' ( i.e + c O s φ ) i.e + 1 .
Figure DE102021103323A1_0016

Mit der Abkürzung S ( c o s φ ) = d + 1 d + c o s φ

Figure DE102021103323A1_0017
ergeben sich damit die expliziten Winkel als Funktion der Bildkoordinaten (h', v') nach Ersetzen von Gleichung V φ ( h ' ) = a t a n 2 ( h ' , S ( c o s φ ) c o s φ ) | c o s φ = c ( h ' )
Figure DE102021103323A1_0018
ϑ ( h ' , v ' ) = a t a n 2 ( v ' , S ( c o s φ ) ) | c o s φ = c ( h ' )
Figure DE102021103323A1_0019
With the abbreviation S ( c O s φ ) = i.e + 1 i.e + c O s φ
Figure DE102021103323A1_0017
the explicit angles result as a function of the image coordinates (h', v') after replacing Equation V φ ( H ' ) = a t a n 2 ( H ' , S ( c O s φ ) c O s φ ) | c O s φ = c ( H ' )
Figure DE102021103323A1_0018
ϑ ( H ' , v ' ) = a t a n 2 ( v ' , S ( c O s φ ) ) | c O s φ = c ( H ' )
Figure DE102021103323A1_0019

Die nachfolgenden Tabellen 1 und 2 listen die sich ergebenden Winkel für verschiedene h-Werte und v-Werte auf. Tabelle 1a: Horizontale Winkel bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,0 11,3 21,8 31,0 38,7 45,0 50,2 9 0,0 11,3 21,8 31,0 38,7 45,0 50,2 6 0,0 11,3 21,8 31,0 38,7 45,0 50,2 3 0,0 11,3 21,8 31,0 38,7 45,0 50,2 0 0,0 11,3 21,8 31,0 38,7 45,0 50,2 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 1b: Vertikale Winkel bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 38,7 38,1 36,6 34,4 32,0 29,5 27,1 9 31,0 30,5 29,1 27,2 25,1 23,0 21,0 6 21,8 21,4 20,4 18,9 17,3 15,8 14,4 3 11,3 11,1 10,5 9,7 8,9 8,0 7,3 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 2a: Horizontale Winkel bei Pannini-Projektion, d = 1, h - stereograhisch, v - rektilinear, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,0 11,4 22,6 33,4 43,6 53,1 61,9 9 0,0 11,4 22,6 33,4 43,6 53,1 61,9 6 0,0 11,4 22,6 33,4 43,6 53,1 61,9 3 0,0 11,4 22,6 33,4 43,6 53,1 61,9 0 0,0 11,4 22,6 33,4 43,6 53,1 61,9 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 2b: Vertikale Winkel bei Pannini-Projektion, d = 1, h - stereograhisch, v - rektilinear, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 38,7 38,4 37,6 36,3 34,6 32,6 30,5 9 31,0 30,7 30,0 28,8 27,3 25,6 23,8 6 21,8 21,6 21,0 20,2 19,0 17,7 16,4 3 11,3 11,2 10,9 10,4 9,8 9,1 8,4 0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 0,0 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tables 1 and 2 below list the resulting angles for various h-values and v-values. Table 1a: Horizontal angles for rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.0 11.3 21:8 31.0 38.7 45.0 50.2 9 0.0 11.3 21:8 31.0 38.7 45.0 50.2 6 0.0 11.3 21:8 31.0 38.7 45.0 50.2 3 0.0 11.3 21:8 31.0 38.7 45.0 50.2 0 0.0 11.3 21:8 31.0 38.7 45.0 50.2 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 1b: Vertical angles in rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 38.7 38.1 36.6 34.4 32.0 29.5 27.1 9 31.0 30.5 29.1 27.2 25.1 23.0 21.0 6 21:8 21:4 20.4 18.9 17.3 15.8 14.4 3 11.3 11.1 10.5 9.7 8.9 8.0 7.3 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 2a: Horizontal angles in Pannini projection, d = 1, h - stereographic, v - rectilinear, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.0 11.4 22.6 33.4 43.6 53.1 61.9 9 0.0 11.4 22.6 33.4 43.6 53.1 61.9 6 0.0 11.4 22.6 33.4 43.6 53.1 61.9 3 0.0 11.4 22.6 33.4 43.6 53.1 61.9 0 0.0 11.4 22.6 33.4 43.6 53.1 61.9 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 2b: Vertical angles in Pannini projection, d = 1, h - stereographic, v - rectilinear, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 38.7 38.4 37.6 36.3 34.6 32.6 30.5 9 31.0 30.7 30.0 28.8 27.3 25.6 23.8 6 21:8 21:6 21.0 20.2 19.0 17.7 16.4 3 11.3 11.2 10.9 10.4 9.8 9.1 8.4 0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 0.0 h' → 0 3 6 9 12 15 18

Entlang der Feldhalbierenden in vertikaler Richtung (h = 0) ergibt sich in beiden Fällen eine rektilineare Perspektive, also gleiche Zuordnungen von Objektwinkel zu Bildhöhe. Beispielsweise ergibt sich bei der Maximalhöhe ein gleicher Objektwinkel von 38,7° zur optischen Achse.In both cases, along the field bisector in the vertical direction (h = 0), a rectilinear perspective results, i.e. the same allocation of object angle to image height. For example, the same object angle of 38.7° to the optical axis results at the maximum height.

In horizontaler Richtung entlang der Feldhalbierenden (v = 0) ist der Maximalwinkel rektilinear 50,2°, während gemäß Pannini (d = 1) bzw. stereographisch 61,9° noch abgebildet werden. In der Nähe der Bildmitte ist die Zuordnung von Objektwinkeln zu Bildhöhen nahezu identisch, da die Brennweite in beiden Richtungen gleich ist.In the horizontal direction along the field bisecting line (v = 0), the maximum angle is rectilinear 50.2°, while according to Pannini (d = 1) or stereographically 61.9° are still imaged. Near the center of the image, the assignment of object angles to image heights is almost identical, since the focal length is the same in both directions.

Für andere Brennweiten und Bildweiten können die sich ergebenden Winkel entsprechend berechnet werden.The resulting angles can be calculated accordingly for other focal lengths and image widths.

Für die Bedingungen an das optische Design sind diese ermittelten Zuordnungen zu erfüllen. Dies kann beispielsweise in einer Ebene direkt vor dem Objektiv erfolgen. Dazu ist es zweckmäßig, die Richtung des Hauptstrahls im Objektraum durch den Richtungskosinus auszudrücken, also die Komponenten (L,M,N)=(sinϕ cosϑ, sinϑ, cosϕ cosϑ). Dieser Vektor ist normiert, so dass L2 + M2 + N2 = 1 und die Richtung durch zwei Komponenten bereits eindeutig festgelegt sind.These determined assignments must be fulfilled for the conditions of the optical design. This can be done, for example, in a plane directly in front of the lens. For this it is useful to express the direction of the main ray in the object space by the direction cosine, ie the components (L,M,N)=(sinϕ cosϑ, sinϑ, cosϕ cosϑ). This vector is normalized so that L 2 + M 2 + N 2 = 1 and the direction are already clearly defined by two components.

Es ist zu beachten, dass Objektwinkel und Bildpositionen zugeordnet werden, die Objektposition (z. B. Strahldurchtritt auf Ebene vor Objektiveintritt) dabei jedoch frei ist. Insbesondere ist es nicht notwendig, dass sich alle Objektstrahlen objektseitig in ein und demselben Schnittpunkt („Eintrittspupille“) treffen. Damit ist eine (im Allgemeinen geringfügige) Parallaxe der Hauptstrahlen zulässig, gleichbedeutend damit, dass die Eintrittspupille kein Punkt ist, sondern räumlich verteilt ist. Dies ist insbesondere bei Fischaugenobjektiven üblich. Tabelle 3a: Werte für L = sin(ϕ)*cos(ϑ) bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,000 0,154 0,298 0,424 0,530 0,615 0,684 9 0,000 0,169 0,324 0,457 0,566 0,651 0,717 6 0,000 0,183 0,348 0,487 0,596 0,680 0,744 3 0,000 0,192 0,365 0,507 0,617 0,700 0,762 0 0,000 0,196 0,371 0,514 0,625 0,707 0,768 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 3b: Werte für M = sin(ϑ) bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,625 0,617 0,596 0,566 0,530 0,492 0,456 9 0,514 0,507 0,487 0,457 0,424 0,391 0,359 6 0,371 0,365 0,348 0,324 0,298 0,272 0,248 3 0,196 0,192 0,183 0,169 0,154 0,140 0,127 0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 3c: Werte für N = cos(ϕ)*cos(ϑ) bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,781 0,772 0,745 0,707 0,662 0,615 0,570 9 0,857 0,845 0,811 0,762 0,707 0,651 0,598 6 0,928 0,913 0,870 0,811 0,745 0,680 0,620 3 0,981 0,962 0,913 0,845 0,772 0,700 0,635 0 1,000 0,981 0,928 0,857 0,781 0,707 0,640 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 3d: Werte für L2+M2+N2 bei rektilinearer Projektion, rotationssymmetrisch, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 4a: Werte für L = sin(ϕ)*cos(ϑ) bei Pannini-Projektion, d = 1, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,000 0,155 0,305 0,444 0,568 0,674 0,761 9 0,000 0,170 0,333 0,482 0,613 0,721 0,807 6 0,000 0,184 0,359 0,517 0,652 0,762 0,846 3 0,000 0,194 0,378 0,541 0,680 0,790 0,873 0 0,000 0,198 0,385 0,550 0,690 0,800 0,882 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 4b: Werte für M = sin(ϑ) bei Pannini-Projektion, d = 1, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,625 0,621 0,610 0,592 0,568 0,539 0,507 9 0,514 0,511 0,500 0,482 0,459 0,433 0,404 6 0,371 0,368 0,359 0,345 0,326 0,305 0,282 3 0,196 0,194 0,189 0,180 0,170 0,158 0,145 0 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 4c: Werte für N = cos(ϕ)*cos(ϑ) bei Pannini-Projektion, d = 1, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 0,781 0,768 0,732 0,673 0,596 0,505 0,406 9 0,857 0,843 0,800 0,731 0,643 0,541 0,431 6 0,928 0,911 0,862 0,784 0,685 0,571 0,451 3 0,981 0,962 0,906 0,821 0,714 0,592 0,466 0 1,000 0,980 0,923 0,835 0,724 0,600 0,471 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Tabelle 4d: Werte für L2+M2+N2 bei Pannini-Projektion, d = 1, 36 × 24 mm2, Brennweite f = 15 mm v' ↓ 12 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 h' → 0 3 6 9 12 15 18 It should be noted that object angles and image positions are assigned, but the object position (e.g. beam passage on the plane in front of the lens entrance) is free. In particular, it is not necessary for all object rays to meet at one and the same point of intersection (“entrance pupil”) on the object side. A (generally slight) parallax of the principal rays is thus permissible, which means that the entrance pupil is not a point but is spatially distributed. This is particularly common with fisheye lenses. Table 3a: Values for L = sin(ϕ)*cos(ϑ) for rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.000 0.154 0.298 0.424 0.530 0.615 0.684 9 0.000 0.169 0.324 0.457 0.566 0.651 0.717 6 0.000 0.183 0.348 0.487 0.596 0.680 0.744 3 0.000 0.192 0.365 0.507 0.617 0.700 0.762 0 0.000 0.196 0.371 0.514 0.625 0.707 0.768 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 3b: Values for M = sin(ϑ) for rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.625 0.617 0.596 0.566 0.530 0.492 0.456 9 0.514 0.507 0.487 0.457 0.424 0.391 0.359 6 0.371 0.365 0.348 0.324 0.298 0.272 0.248 3 0.196 0.192 0.183 0.169 0.154 0.140 0.127 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 3c: Values for N = cos(ϕ)*cos(ϑ) for rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.781 0.772 0.745 0.707 0.662 0.615 0.570 9 0.857 0.845 0.811 0.762 0.707 0.651 0.598 6 0.928 0.913 0.870 0.811 0.745 0.680 0.620 3 0.981 0.962 0.913 0.845 0.772 0.700 0.635 0 1,000 0.981 0.928 0.857 0.781 0.707 0.640 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 3d: Values for L 2 +M 2 +N 2 with rectilinear projection, rotationally symmetrical, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 4a: Values for L = sin(ϕ)*cos(ϑ) for Pannini projection, d = 1, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.000 0.155 0.305 0.444 0.568 0.674 0.761 9 0.000 0.170 0.333 0.482 0.613 0.721 0.807 6 0.000 0.184 0.359 0.517 0.652 0.762 0.846 3 0.000 0.194 0.378 0.541 0.680 0.790 0.873 0 0.000 0.198 0.385 0.550 0.690 0.800 0.882 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 4b: Values for M = sin(ϑ) for Pannini projection, d = 1, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.625 0.621 0.610 0.592 0.568 0.539 0.507 9 0.514 0.511 0.500 0.482 0.459 0.433 0.404 6 0.371 0.368 0.359 0.345 0.326 0.305 0.282 3 0.196 0.194 0.189 0.180 0.170 0.158 0.145 0 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 0.000 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 4c: Values for N = cos(ϕ)*cos(ϑ) for Pannini projection, d = 1, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 0.781 0.768 0.732 0.673 0.596 0.505 0.406 9 0.857 0.843 0.800 0.731 0.643 0.541 0.431 6 0.928 0.911 0.862 0.784 0.685 0.571 0.451 3 0.981 0.962 0.906 0.821 0.714 0.592 0.466 0 1,000 0.980 0.923 0.835 0.724 0.600 0.471 h' → 0 3 6 9 12 15 18 Table 4d: Values for L 2 +M 2 +N 2 in Pannini projection, d = 1, 36 × 24 mm 2 , focal length f = 15 mm v' ↓ 12 1 1 1 1 1 1 1 9 1 1 1 1 1 1 1 6 1 1 1 1 1 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1 1 1 1 1 1 h' → 0 3 6 9 12 15 18

Die Optimierung des konkreten Objektivdesigns kann mit üblichen Optikdesignprogrammen, wie z. B. Code-V, Zemax Optic Studio, OSLO, erfolgen, wobei die Richtungskosinusse wie auch andere äquivalente Strahlwinkel wie angegeben eingeben und als Randbedingung festgelegt werden können.The optimization of the concrete lens design can be carried out with standard optical design programs, such as e.g. B. Code-V, Zemax Optic Studio, OSLO, where the direction cosines as well as other equivalent ray angles can be entered as indicated and set as boundary conditions.

Das Pannini-Objektiv kann in einer Vielzahl von Anwendungsbereichen genutzt werden, z. B. in der Cinematografie, DSLR-Fotografie (DSLR, engl. digital single lens reflex), CSC-Fotografie (CSC, engl. compact system camera), in Actioncams, in der Fotografie mit mobilen Endgeräten und den entsprechenden Projektionsanwendungen.The Pannini lens can be used in a variety of applications, e.g. B. in cinematography, DSLR photography (DSLR, English digital single lens reflex), CSC photography (CSC, English compact system camera), in action cams, in photography with mobile devices and the corresponding projection applications.

Selbstverständlich kann das Pannini-Objektiv mit einer geeigneten digitalen Transformation kombinierbar sein, beispielsweise zur Verzeichnungskorrektur, Warping etc., so dass gezielt Anforderungen an die Bildqualität, z. B. in Hinblick auf Auflösung, Kontrast, chromatische Aberrationen etc., im Bildfeld eingehalten werden können.Of course, the Pannini lens can be combined with a suitable digital transformation, for example for distortion correction, warping, etc., so that specific image quality requirements, e.g. B. in terms of resolution, contrast, chromatic aberrations, etc., can be maintained in the image field.

Trotz der Notwendigkeit nichtrotationssymmetrisch wirkende optische Elemente zu verwenden, bietet die rein optische Umsetzung der Pannini-Perspektive in Form des beschriebenen Objektivs gegenüber einer digitaloptischen Lösung Vorteile, die umso größer werden, je weitwinkliger der aufgenommene Bereich ist. Im Vergleich zu einer Fischaugenabbildung nach Transformation in eine rektilineare Darstellung, bei der sich der zunächst rechteckige Bildausschnitt auf einen großen sternförmigen Bereich verteilt, so dass bei dessen rechteckiger Beschneidung, z. B. zur Betrachtung an einem Monitor, ein Großteil der aufgenommenen Bildinformation verloren geht, bleibt die gesamte Bildinformation erhalten. Zudem kann auch am Bildrand ein hohe Auflösung von Objektdetails erreicht werden, wobei auch der Kontrast erhalten bleibt. Folglich kann ein Bildfeld mit einer geringen Variation der Auflösung sowie des Kontrasts erhalten werden.Despite the need to use non-rotationally symmetrical optical elements, the purely optical implementation of the Pannini perspective in the form of the lens described offers advantages over a digital-optical solution, which become greater the wider the recorded area is. In comparison to a fisheye image after transformation into a rectilinear representation, in which the initially rectangular image section is distributed over a large star-shaped area, so that when it is cropped rectangularly, e.g. B. for viewing on a monitor, a large part of the recorded image information is lost, the entire image information is retained. In addition, a high resolution of object details can also be achieved at the edge of the image, with the contrast being retained. Consequently, an image field with little variation in resolution as well as contrast can be obtained.

Vorteilhafterweise kann das Objektiv eine Feldblende aufweisen, deren Form von einer Kreisform und einer Rechteckform abweicht.Advantageously, the lens can have a field stop, the shape of which deviates from a circular shape and a rectangular shape.

Bekanntlich ist die Verwendung von Feldblenden essentiell bei Fotoobjektiven, insbesondere bei Wechselobjektiven für größere Bildformate, z. B. 36 × 24 mm2. Die Strahlenbündel zum Feldrand werden mittels der Feldblende zunehmend beschnitten. Dies erleichtert die Korrektur der Bildfehler erheblich.As is well known, the use of field stops is essential for photographic lenses, especially for interchangeable lenses for larger image formats, e.g. B. 36 × 24 mm 2 . The beams of rays towards the edge of the field are increasingly cut off by the field stop. This makes it much easier to correct the image errors.

Besonders bei hochgeöffneten Weitwinkelobjektiven bilden sich leicht große Gradienten der Wellenfront zum Pupillenrand hin aus, die den Bildkontrast erheblich reduzieren. Werden diese großen Wellenfrontfehler mit Hilfe von Blenden, die im feldnahen Bereich vorn und/oder hinten im Objektiv angeordnet sind, ausgeschnitten, kann der Kontrast auch an den Bildrändern erheblich erhöht werden. Diese Feldblenden werden deshalb auch „Komablenden“ genannt, weil Koma ein typischer dominierender Bildfehler ist, der durch die Feldblenden reduziert wird.Particularly with high-aperture wide-angle lenses, large gradients of the wavefront towards the edge of the pupil easily form, which considerably reduce the image contrast. If these large wavefront errors are cut out with the help of diaphragms, which are arranged in the front and/or rear of the lens in the area close to the field, the contrast can also be significantly increased at the edges of the image. These field stops are also called "coma stops" because coma is a typical, dominant image defect that is reduced by the field stops.

Der Feldbeschnitt geht jedoch mit einer Verringerung der Bestrahlungsstärke einher. Bei Fotoobjektiven sollte für jeden Bildpunkt die Bestrahlungsstärke kontrolliert werden. Typische Spezifikationen von erlaubten Variationen der Bestrahlungsstärken im Bild bei Weitwinkelobjektiven sind 2 bis 3 Blendenstufen (EV), also ein Faktor von 25 % oder etwas weniger im Vergleich zur Bildmitte. Sind die Helligkeitsunterschiede größer, wird dies besonders bei gleichmäßig hellen Motiven oft als störend empfunden. Oft wird der Randlichtabfall digital ausgeglichen. Dann ist jedoch das Rauschen am Feldrand gegenüber der Bildmitte erhöht.However, field pruning is accompanied by a reduction in irradiance. With camera lenses, the irradiance should be checked for each pixel. Typical specifications of permitted variations in irradiance in the image with wide-angle lenses are 2 to 3 f-stops (EV), i.e. a factor of 25% or slightly less compared to the center of the image. If the differences in brightness are greater, this is often perceived as annoying, especially with evenly bright subjects. The edge light drop is often digitally compensated. But then the noise at the edge of the field is higher than in the middle of the image.

Für ein gegebenes rechteckiges Bildfeld ergeben sich „Footprints“ auf den optischen Flächen, also Bereiche des für die Abbildung genutzten Lichts für jeden Objektpunkt. Die Gesamtheit dieser Footprints definiert den notwendigen Flächenbereich und damit die Berandung der Optikkomponente. 13 zeigt Footprintverteilungen eines Pannini-Objektivs in verschiedenen Ebenen. Im feldnahen Bereich ist der Bereich eckig, aber im Allgemeinen nicht rechteckig, im pupillennahen Bereich hingegen kreisrund (bei Wahl einer kreisrunden Pupille). 13 zeigt die Footprints in bestimmten Ebenen und macht deutlich, dass die Feldblenden die jeweils angedeutete Form hätten.For a given rectangular image field, there are "footprints" on the optical surfaces, i.e. areas of the light used for imaging for each object point. The totality of these footprints defines the necessary surface area and thus the boundary of the optical component. 13 shows footprint distributions of a Pannini lens in different planes. In the area close to the field, the area is angular, but generally not rectangular, while in the area close to the pupil it is circular (if a circular pupil). 13 shows the footprints in specific planes and makes it clear that the field stops would have the shape indicated.

Solche komplexeren Formen können vorteilhaft für minimale Bauformgrößen wie auch eine definierte Beeinflussung des Lichtabfalls im Bildfeld sein. Sie weichen damit von der Rechteckform oder Kreisform ab. Darüber hinaus ist es bei Pannini-Objektiven vorteilhaft, wenn die Feldblende nicht eben, sondern dreidimensional geformt ist, weiter vorteilhaft mit vier formgleichen Sektoren, also x-y-symmetrisch. Das bedeutet, dass die optimale Lage der Feldblende in z-Richtung in x-Richtung abweichen kann von der y-Richtung. Eine entsprechende dreidimensionale Form ist daher für eine gleichmäßige Bestrahlungsstärke oft vorteilhaft, allerdings nicht zwingend notwendig.Such more complex shapes can be advantageous for minimal design sizes as well as a defined influence on the light fall-off in the image field. They deviate from the rectangular or circular shape. In addition, it is advantageous with Pannini lenses if the field diaphragm is not flat but shaped three-dimensionally, further advantageous with four sectors of the same shape, i.e. x-y-symmetrical. This means that the optimal position of the field stop in the z-direction can deviate in the x-direction from the y-direction. A corresponding three-dimensional shape is therefore often advantageous for a uniform irradiance, but not absolutely necessary.

Gemäß verschiedenen Ausführungsvarianten können die bildformenden optischen Elemente derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das zu formende Bild auf einer ebenen Bildfläche formbar ist, d. h. die Pannini-Abbildung wird auf einer ebenen Bildfläche erzeugt.According to various embodiment variants, the image-forming optical elements can be designed and arranged in such a way that the image to be formed can be formed on a flat image surface, i. H. the Pannini image is generated on a flat image surface.

Dies ermöglicht die Verwendung bekannter ebener Bildflächen, z. B. ebener Bildsensoren bei der Erzeugung der Pannini-Abbildung. Das Pannini-Objektiv kann somit vorteilhaft zusammen mit bereits vorhandenen Komponenten eines abbildenden optischen Geräts verwendet werden.This allows the use of known planar image surfaces, e.g. B. flat image sensors in the generation of the Pannini image. The Pannini lens can thus be used advantageously together with already existing components of an imaging optical device.

Alternativ können die bildformenden optischen Elemente derart ausgebildet und angeordnet sein, dass das zu formende Bild auf einer zylindrisch gekrümmten Bildfläche formbar ist, d. h. die Pannini-Abbildung wird auf einer zylindrisch gekrümmten Bildfläche erzeugt.Alternatively, the image-forming optical elements can be designed and arranged in such a way that the image to be formed can be formed on a cylindrically curved image surface, i. H. the Pannini image is generated on a cylindrically curved image surface.

Wie bereits vorstehend erwähnt, kann dadurch eine Vereinfachung des Aufbaus des Pannini-Objektivs erreicht werden, so dass diese u. a. kostengünstig herstellbar ist.As already mentioned above, a simplification of the structure of the Pannini lens can be achieved in this way, so that it i.a. can be produced inexpensively.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Objektiv ein Kameraobjektiv oder ein Projektionsobjektiv sein.According to further embodiment variants, the lens can be a camera lens or a projection lens.

Das Kameraobjektiv kann beispielsweise für eine Fotokamera, also als Fotoobjektiv, oder für eine Filmkamera, also als Filmobjektiv, genutzt werden. Auch eine kombinierte Nutzung ist möglich. Weitere Anwendungen, z. B. in den Bereichen Beobachten, Messen, Qualifizieren, Quantifizieren, sind möglich.The camera lens can be used, for example, for a photo camera, ie as a photo lens, or for a film camera, ie as a film lens. Combined use is also possible. Other applications, e.g. B. in the areas of observation, measurement, qualification, quantification are possible.

Das Projektionsobjektiv kann entsprechend für eine Projektionseinrichtung genutzt werden. Im Vergleich zu einem Kameraobjektiv ist dabei der Lichtweg umgekehrt. An die Stelle der Bildebene bei einer Kamera mit dem als Kameraobjektiv ausgebildeten Pannini-Objektiv tritt das abzubildende Objekt, z. B. ein selbstleuchtendes OLED-Display, ein beleuchtetes Dia, etc. Die Projektionsfläche tritt an die Stelle der Objektebene. Analog zu einer gekrümmten Bildfläche kann das zu abzubildende bzw. zu projizierende Objekt gekrümmt sein oder das Objekt kann eben, hingegen die Projektionsfläche gekrümmt sein. Die Projektionsfläche kann beispielsweise dem Betrachter zugewandt gekrümmt sein und kann dadurch die Vorteile eines Kuppelkinos aufweisen.The projection lens can be used accordingly for a projection device. In comparison to a camera lens, the light path is reversed. The object to be imaged, e.g. B. a self-illuminating OLED display, an illuminated slide, etc. The projection surface takes the place of the object plane. Analogously to a curved image surface, the object to be imaged or projected can be curved or the object can be flat, but the projection surface can be curved. The projection surface can be curved towards the viewer, for example, and can therefore have the advantages of a domed cinema.

Die Ausbildung des Objektivs als Kamera- bzw. Projektionsobjektiv ermöglicht vorteilhaft die Aufzeichnung bzw. Wiedergabe von Pannini-Abbildungen.The formation of the lens as a camera or projection lens advantageously enables the recording or reproduction of Pannini images.

Gemäß weiteren Ausführungsvarianten kann das Objektiv ein Vorsatzobjektiv oder Backadapterobjektiv sein.According to further embodiment variants, the lens can be an attachment lens or a back adapter lens.

Mit anderen Worten kann das Objektiv als optisches System ausgebildet sein, das vor (Vorsatzobjektiv) bzw. nach (Backadapterobjektiv) einem weiteren Objektiv verwendet wird und z. B. die Brennweite oder Abbildungseigenschaften dieses weiteren Objektivs verändert. Die Pannini-Abbildung wird in diesem Fall mittels der Kombination beider Objektive erzeugt. Die konkrete Ausbildung und Anordnung der bildformenden optischen Elemente ist in diesem Fall abhängig vom Aufbau und den Eigenschaften des weiteren Objektivs.In other words, the lens can be designed as an optical system that is used before (attachment lens) or after (back adapter lens) another lens and z. B. changed the focal length or imaging properties of this other lens. In this case, the Pannini image is generated by combining both lenses. In this case, the specific design and arrangement of the image-forming optical elements depends on the structure and the properties of the further objective.

Durch die Ausbildung des Objektivs als Vorsatzobjektiv bzw. Backadapterobjektiv können bereits vorhandene Objektive flexibel eingesetzt werden, d. h. mit und ohne Vorsatzobjektiv bzw. Backadapterobjektiv zu Erzeugung von Pannini-Abbildungen bzw. anderen Abbildungen.Due to the design of the lens as an attachment lens or back adapter lens, existing lenses can be used flexibly, i. H. with and without an attachment lens or back adapter lens to create Pannini images or other images.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein abbildendes optisches Gerät mit einem Objektiv gemäß vorstehender Beschreibung.A further aspect of the invention relates to an imaging optical device with an objective as described above.

Sämtliche Ausführungen bezüglich des Objektivs lassen sich entsprechend auf das abbildende optische Gerät übertragen. Mit dem abbildenden optischen Gerät sind die Vorteile des Objektivs entsprechend verbunden.All statements regarding the lens can be transferred accordingly to the imaging optical device. The advantages of the lens are correspondingly connected with the imaging optical device.

Das abbildende optische Gerät kann beispielsweise als Kamera, z. B. als Fotokamera oder Filmkamera, ausgebildet sein, wobei die Kamera beispielsweise eine ebene oder zylindrisch gekrümmte Bildfläche aufweisen kann. Neben dem Objektiv weist die Kamera einen Bildsensor, vorzugsweise einen Vollformatbildsensor, auf.The imaging optical device can be used, for example, as a camera, e.g. B. as a photo camera or film camera, be designed, the camera can have, for example, a flat or cylindrically curved image surface. In addition to the lens, the camera has an image sensor, preferably a full-frame image sensor.

Alternativ kann das abbildende optische Gerät auch eine Projektionseinrichtung, ein Teleskop, ein Fernglas, ein Mikroskop etc. sein. Eine Projektionseinrichtung weist neben dem Projektionsobjektiv eine Lichtquelle auf.Alternatively, the imaging optical device can also be a projection device, a telescope, binoculars, a microscope, etc. A projection device has a light source in addition to the projection objective.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein mobiles Endgerät mit einem abbildenden optischen Gerät gemäß vorstehender Beschreibung.A further aspect of the invention relates to a mobile terminal device with an imaging optical device as described above.

Das mobile Endgerät kann beispielsweise als Smartphone, Tablet, Smartwatch, Datenbrille etc. ausgebildet sein. Insbesondere kann das mobile Endgerät ein als Kamera ausgebildetes abbildendes optisches Gerät aufweisen.The mobile end device can be in the form of a smartphone, tablet, smartwatch, data glasses, etc., for example. In particular, the mobile terminal device can have an imaging optical device designed as a camera.

Sämtliche Ausführungen bezüglich des abbildenden optischen Geräts und des zugehörigen Objektivs lassen sich entsprechend auf das mobile Endgerät übertragen. Mit dem mobilen Endgerät sind die Vorteile des abbildenden optischen Geräts und des zugehörigen Objektivs entsprechend verbunden. Ein weiterer Vorteil ist, dass durch die Implementierung des Objektivs in ein mobiles Endgerät Pannini-Abbildungen auch mobil erzeugt werden können.All statements regarding the imaging optical device and the associated lens can be transferred accordingly to the mobile terminal device. The advantages of the imaging optical device and the associated objective are correspondingly connected to the mobile terminal device. Another advantage is that by implementing the lens in a mobile device, Pannini images can also be generated on the go.

Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft ein sog. kit-of-parts, nämlich ein Set, das, erstens, ein Objektiv gemäß vorstehender Beschreibung oder ein abbildendes optisches Gerät nach vorstehender Beschreibung, und, zweitens, eine Gebrauchsanleitung mit Anweisungen, die einen Gebrauch des Objektivs bzw. des abbildenden optischen Geräts mit einer ebenen oder gekrümmten Bildfläche vorgeben, umfasst.A further aspect of the invention relates to a so-called kit-of-parts, namely a set which, firstly, includes a lens as described above or an imaging optical device as described above, and, secondly, an instruction manual with instructions for using the Specify the lens or the imaging optical device with a flat or curved image surface, includes.

Die Gebrauchsanleitung kann beispielsweise in Form eines Piktogramms oder einer Anleitung in Textform gestaltet sein. Sie legt den Gebrauch des Objektiv bzw. des abbildenden optischen Geräts entweder mit einer ebenen oder einer gekrümmten Bildfläche, z. B. einer zylindrisch gekrümmten Bildfläche, fest.The instructions for use can be designed, for example, in the form of a pictogram or instructions in text form. It defines the use of the lens or the imaging optical device with either a flat or a curved image surface, e.g. B. a cylindrically curved image surface.

Sämtliche Ausführungen bezüglich des Objektivs und des abbildenden optischen Geräts lassen sich entsprechend auf das Set übertragen. Mit dem Set sind die Vorteile des Objektivs bzw. des abbildenden optischen Geräts entsprechend verbunden.All statements regarding the lens and the imaging optical device can be transferred to the set accordingly. With the set, the advantages of the lens or the imaging optical device are connected accordingly.

Im Folgenden wird die Erfindung beispielhaft unter Bezugnahme auf die anliegenden Figuren anhand bevorzugter Ausführungsformen erläutert, wobei die nachfolgend dargestellten Merkmale sowohl jeweils für sich genommen als auch in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können. Es zeigen:

  • 1 Darstellung zur Veranschaulichung der Koordinaten zur Beschreibung der Pannini-Projektion;
  • 2a ein erstes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 2b das erste beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 3a ein zweites beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 3b das zweite beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 4a ein drittes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 4b das dritte beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 5a ein viertes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 5b das vierte beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 6a ein fünftes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 6b das fünfte beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 6c Verzeichnungsgitter des fünften beispielhaften Objektivs;
  • 6d Verlauf der Modulationstransferfunktion des fünften beispielhaften Objektivs;
  • 7a ein sechstes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 7b das sechste beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 7c Verzeichnungsgitter des sechsten beispielhaften Objektivs;
  • 8a ein siebentes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 8b das siebente beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 8c-e Queraberrationsdiagramme des siebenten beispielhaften Objektivs;
  • 8f Verlauf der Modulationstransferfunktion des siebenten beispielhaften Objektivs;
  • 9a ein achtes beispielhaftes Objektiv (X-Schnitt);
  • 9b das achte beispielhafte Objektiv (Y-Schnitt);
  • 10 eine schematische Darstellung eines beispielhaften abbildenden optischen Geräts;
  • 11 eine schematische Darstellung eines beispielhaften mobilen Endgeräts;
  • 12 eine schematische Darstellung eine beispielhaften Sets; und
  • 13 Footprints über das Bildfeld in verschiedenen Objektivebenen.
In the following, the invention is explained by way of example with reference to the enclosed figures using preferred embodiments, with the features presented below being able to represent an aspect of the invention, both individually and in various combinations with one another. Show it:
  • 1 Diagram to illustrate the coordinates to describe the Pannini projection;
  • 2a a first exemplary lens (X-cut);
  • 2 B the first exemplary lens (Y-cut);
  • 3a a second exemplary lens (X-cut);
  • 3b the second exemplary lens (Y-cut);
  • 4a a third exemplary lens (X-cut);
  • 4b the third exemplary lens (Y-cut);
  • 5a a fourth exemplary lens (X-cut);
  • 5b the fourth exemplary lens (Y-cut);
  • 6a a fifth exemplary lens (X-cut);
  • 6b the fifth exemplary lens (Y-cut);
  • 6c Distortion grating of the fifth example lens;
  • 6d Progression of the modulation transfer function of the fifth exemplary lens;
  • 7a a sixth example lens (X-cut);
  • 7b the sixth exemplary lens (Y-cut);
  • 7c Sixth Example Lens Distortion Grating;
  • 8a a seventh exemplary lens (X-cut);
  • 8b the seventh exemplary lens (Y-cut);
  • 8c-e transverse aberration diagrams of the seventh example lens;
  • 8f Course of the modulation transfer function of the seventh exemplary lens;
  • 9a an eighth exemplary lens (X-cut);
  • 9b the eighth exemplary lens (Y-cut);
  • 10 a schematic representation of an exemplary imaging optical device;
  • 11 a schematic representation of an exemplary mobile terminal device;
  • 12 a schematic representation of an exemplary set; and
  • 13 Footprints across the field of view in different lens planes.

1 dient der Veranschaulichung der Koordinaten zur Beschreibung der Pannini-Projektion. Diesbezüglich wird auf die Ausführungen in der einleitenden Beschreibung verwiesen. 1 serves to illustrate the coordinates for describing the Pannini projection. In this regard, reference is made to the explanations in the introductory description.

Die 2a und 2b zeigen das Objektiv 1 eines ersten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem ersten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein als kompaktes Weitwinkelobjektiv für spiegellose Kameras ausgebildetes Objektiv 1 zur Formung einer rektilinear-stereographische Pannini-Abbildung auf Format 36 × 24 mm2.the 2a and 2 B show the lens 1 of a first embodiment with a focus setting at infinity. This first exemplary embodiment is a lens 1 designed as a compact wide-angle lens for mirrorless cameras for forming a rectilinear-stereographic Pannini image in a format of 36×24 mm 2 .

Das Objektiv 1 der Öffnung f/7.5 und Brennweite 15 mm bildet einen Objektwinkel von (hFOV, vFOV) = (121°, 78°) ab und damit horizontal fast 25 % mehr als ein rektilineares Objektiv der gleichen Brennweite (hFOV_rect = 98°) und ohne perspektivische Verzeichnung. Das Objektiv 1 ist mit einer Baulänge von 33,4 mm sehr kurz. Das Verhältnis von Baulänge zur Sensordiagonale beträgt lediglich 0,77.Lens 1 with an opening of f/7.5 and a focal length of 15 mm forms an object angle of (hFOV, vFOV) = (121°, 78°) and is therefore almost 25% more horizontally than a rectilinear lens of the same focal length (hFOV_rect = 98°) and without perspective distortion. The lens 1 is very short with a length of 33.4 mm. The ratio of overall length to sensor diagonal is just 0.77.

Das Objektiv 1 weist fünf torische Linsen (ohne asphärische Ordnungen) als bildformende optische Elemente 2 auf. Die bildseitige Schnittweite beträgt 11,6 mm. Damit ist es möglich, dieses Objektiv 1 auch als Wechselobjektiv an bestimmten spiegellosen Kameras zu nutzen.The objective 1 has five toric lenses (without aspheric orders) as image-forming optical elements 2 . The focal length on the image side is 11.6 mm. This makes it possible to use this lens 1 as an interchangeable lens on certain mirrorless cameras.

In der nachfolgenden Tabelle 5 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des ersten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente 2 des ersten Ausführungsbeispiels sind mit A1 bis A12 bezeichnet. Tabelle 5: Konstruktionsgrunddaten des ersten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich A1 sphärisch unendlich unendlich 0 22,74 22,74 A2 X Toroid 357,956738 49,405612 1,00 1,804602 34,64 17,70 17,70 A3 X Toroid 23,879334 40,436790 4,15 15,41 15,41 A4 X Toroid 168,330868 -178,098135 3,00 1,804742 31,82 12,00 15,41 A5 X Toroid -60,849834 45,240455 14,13 13,81 13,81 A6 X Toroid 6,487694 6,095405 0,94 1,623215 46,00 3,01 3,01 A7 X Toroid 54,659318 42,141089 1,34 2,86 2,86 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 0,72 1,20 1,20 A9 X Toroid -14,523181 -21,662830 5,39 1,804200 46,50 1,72 1,72 A10 X Toroid -6,122898 -6,024103 0,78 3,62 3,62 A11 X Toroid -4,256482 -4,382202 1,98 1,805180 25,36 3,62 3,62 A12 X Toroid -12,314677 -19,228587 11,58 5,76 5,76 Bild eben unendlich unendlich 0 21,65 21,65 The basic construction data of the lens 1 of the first exemplary embodiment are given in Table 5 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements 2 of the first embodiment are denoted by A1 to A12. Table 5: Basic construction data of the first embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite A1 spherical infinite infinite 0 22.74 22.74 A2 X toroidal 357.956738 49.405612 1.00 1.804602 34.64 17.70 17.70 A3 X toroidal 23.879334 40.436790 4:15 15:41 15:41 A4 X toroidal 168.330868 -178.098135 3.00 1.804742 31.82 12.00 15:41 A5 X toroidal -60.849834 45.240455 14:13 13.81 13.81 A6 X toroidal 6.487694 6.095405 0.94 1.623215 46.00 3.01 3.01 A7 X toroidal 54.659318 42.141089 1.34 2.86 2.86 aperture stop spherical infinite infinite 0.72 1.20 1.20 A9 X toroidal -14.523181 -21.662830 5.39 1.804200 46.50 1.72 1.72 A10 X toroidal -6.122898 -6.024103 0.78 3.62 3.62 A11 X toroidal -4.256482 -4.382202 1.98 1.805180 25.36 3.62 3.62 A12 X toroidal -12.314677 -19.228587 11.58 5.76 5.76 picture even infinite infinite 0 21.65 21.65

Die Zeilen zeigen, von oben nach unten, die mit den 2a und 2b korrespondierenden Flächennummern der Linsen. Fläche A1 ist eine sog. Dummy-Fläche, die der besseren Darstellung in den Layout-Plots (2a und 2b) dient. Die Spalten zeigen, von links nach rechts, die Flächennummer, den Flächentyp (sphärisch, toroid etc.), den Scheitelradius der Flächenkrümmung in y- und y-Richtung, den Abstand zur Folgefläche (den Luftabstand respektive die Linsendicke), die Abbe-Zahl vd, den Brechungsindex nd und den halben Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x- und y-Richtung. Die Abbe-Zahl vd ist dabei definiert als: v d = n d 1 n F n C

Figure DE102021103323A1_0020
wobei nd, nF usw. die Brechungsindizes des Materials bei den Wellenlängen der entsprechenden Fraunhoferlinien 587,5618 nm (gelbe He-Linie), 486,1327 nm (blaue H-Linie) und 656,2725 nm (rote H-Linie) sind.The rows show, from top to bottom, those with the 2a and 2 B corresponding surface numbers of the lenses. Area A1 is a so-called dummy area, which is used for better representation in the layout plots ( 2a and 2 B) serves. The columns show, from left to right, the surface number, the surface type (spherical, toroidal, etc.), the apex radius of the surface curvature in the y- and y-direction, the distance to the following surface (the air gap or the lens thickness), the Abbe number v d , the refractive index n d and half the diameter of the optically used area in the x and y directions. The Abbe number v d is defined as: v i.e = n i.e 1 n f n C
Figure DE102021103323A1_0020
where nd, nF etc. are the refractive indices of the material at the wavelengths of the corresponding Fraunhofer lines 587.5618 nm (yellow He line), 486.1327 nm (blue H line) and 656.2725 nm (red H line) are.

Die 3a und 3b zeigen das Objektiv 1 eines zweiten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Es handelt sich ebenfalls um ein kompaktes Weitwinkelobjektiv für eine spiegellose Kamerathe 3a and 3b show the lens 1 of a second embodiment with a focus setting at infinity. It is also a compact wide-angle lens for a mirrorless camera

Das Objektiv 1 der Öffnung f/7,5 und Brennweite 15 mm bildet einen Objektwinkel von (hFOV, vFOV) = (121°, 78°) ab und damit horizontal fast 25 % mehr als ein rektilineares Objektiv der gleichen Brennweite (hFOV_rect=98°) und ohne perspektivische Verzeichnung. Das Objektiv 1 ist mit einer Baulänge von 26,7 mm extrem kurz. Das Verhältnis von Baulänge zur Sensordiagonale ist nur 0,62 und damit sogar kleiner als moderne Smartphoneobjektive.Lens 1 with an aperture of f/7.5 and a focal length of 15 mm depicts an object angle of (hFOV, vFOV) = (121°, 78°) and is therefore almost 25% more horizontally than a rectilinear lens of the same focal length (hFOV_rect=98 °) and without perspective distortion. The lens 1 is extremely short with a length of 26.7 mm. The ratio of overall length to sensor diagonal is only 0.62 and thus even smaller than modern smartphone lenses.

Das Objektiv 1 weist sechs Linsen, nämlich vier torische Linsen (ohne asphärische Ordnungen) und 2 sphärische Linsen als bildformende optische Elemente 2 auf. Eine der torischen Linsen ist eine Feldlinse unmittelbar vor der Bildebene zur Korrektur der spezifischen Verzeichnung sowie der Bildfeldkrümmung und Astigmatismus. Die Durchmesser der übrigen Linsen sind mit <11 mm sehr klein. Die Bildfläche ist eben. Die Modulationstransferfunktion bzw. Kontrastübertragungsfunktion MTF liegt durchgehend bei >50 % bei 20 Ip/mm.The objective 1 has six lenses, namely four toric lenses (without aspheric orders) and 2 spherical lenses as image-forming optical elements 2 . One of the toric lenses is a field lens just in front of the image plane to correct specific distortion, field curvature and astigmatism. The diameters of the other lenses are very small at <11 mm. The screen is flat. The modulation transfer function or contrast transfer function MTF is consistently >50% at 20 lp/mm.

In der nachfolgenden Tabelle 6 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des zweiten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des zweiten Ausführungsbeispiels sind mit B1 bis B14 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Tabelle 6: Konstruktionsgrunddaten des zweiten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsen-dicke) [mm] Brechungs-index nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich B1 sphärisch unendlich unendlich 0 5,68 5,68 B2 X Toroid 25,5966 -48,4669 0,22 1,608084 37,20 5,62 5,62 B3 X Toroid 8,5982 80,0715 0,1228 5,13 5,13 B4 X Toroid 10,0181 5,8814 0,4453 1,804742 31,82 4,16 4,16 B5 X Toroid 14,0519 4,9507 2 3,94 3,94 B6 X Toroid 9,9784 12,0444 3 1,804200 46,50 2,37 2,37 B7 Cylinder 23,6124 unendlich 0,1526 1,09 1,09 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 2 1,02 1,02 B9 sphärisch -15,6308 -15,6308 4 1,804200 46,50 3,20 3,20 B10 sphärisch -4,9415 -4,9415 0,6229 4,34 4,34 B11 sphärisch -4,5414 -4,5414 0,22 1,805180 25,36 4,34 4,34 B12 sphärisch -8,7073 -8,7073 12 5,62 5,62 B13 X Toroid 35,8747 -47,4697 3 1,805180 25,36 19,12 19,12 B14 sphärisch unendlich unendlich 0,3 21,10 21,10 Bild eben unendlich unendlich 0 21,67 21,67 21,67 21,67 The basic construction data of the lens 1 of the second exemplary embodiment are given in Table 6 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the second embodiment are denoted by B1 to B14. For a more detailed explanation of the basic design data, reference is made to the first exemplary embodiment. Table 6: Basic construction data of the second embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite B1 spherical infinite infinite 0 5.68 5.68 B2 X toroidal 25.5966 -48.4669 0.22 1.608084 37.20 5.62 5.62 B3 X toroidal 8.5982 80.0715 0.1228 5:13 5:13 B4 X toroidal 10.0181 5.8814 0.4453 1.804742 31.82 4:16 4:16 B5 X toroidal 14.0519 4.9507 2 3.94 3.94 B6 X toroidal 9.9784 12.0444 3 1.804200 46.50 2.37 2.37 B7 Cylinder 23.6124 infinite 0.1526 1.09 1.09 aperture stop spherical infinite infinite 2 1.02 1.02 B9 spherical -15.6308 -15.6308 4 1.804200 46.50 3.20 3.20 B10 spherical -4.9415 -4.9415 0.6229 4.34 4.34 B11 spherical -4.5414 -4.5414 0.22 1.805180 25.36 4.34 4.34 B12 spherical -8.7073 -8.7073 12 5.62 5.62 B13 X toroidal 35.8747 -47.4697 3 1.805180 25.36 19:12 19:12 B14 spherical infinite infinite 0.3 21:10 21:10 picture even infinite infinite 0 21.67 21.67 21.67 21.67

Die 4a und 4b zeigen das Objektiv 1 eines dritten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem dritten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein als Weitwinkelobjektiv mit Frontpupille ausgebildetes Objektiv 1 zur Formung einer rektilinear-stereographische Pannini-Abbildung, das als 4/28 mm Objektiv 1 für 35 mm-Format ausgebildet ist. Die Pupille (Systemblende) liegt direkt am Systemeingang vor der ersten Linse.the 4a and 4b show the lens 1 of a third embodiment with a focus setting at infinity. This third exemplary embodiment is a lens 1 designed as a wide-angle lens with a front pupil for forming a rectilinear-stereographic Pannini image, which is designed as a 4/28 mm lens 1 for a 35 mm format. The pupil (system diaphragm) is located directly at the system entrance in front of the first lens.

In der nachfolgenden Tabelle 7 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des dritten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des dritten Ausführungsbeispiels sind mit C1 bis C11 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Tabelle 7: Konstruktionsgrunddaten des dritten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitel-radius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitel-radius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich C1 sphärisch unendlich unendlich 5 7,45 7,45 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 2,88 1 , 607024 61,03 3,50 3,50 C3 sphärisch -9,346435 -9,346435 4,24 4,71 4,71 C4 sphärisch -7,108486 -7,108486 0,10 1,845594 23,81 6,13 6,13 C5 sphärisch -7,009878 -7,009878 0,75 6,13 6,13 C6 sphärisch -9,796425 -9,796425 0,10 1,669499 55,07 7,16 7,16 C7 X Toroid 44,649850 60,154512 3,19 9,85 9,85 C8 X Toroid -38,897582 -31,622852 30,14 1,846660 23,78 10,04 10,04 C9 X Toroid -17,177055 -22,760910 1 11,00 15,60 C10 X Toroid -27,063758 -49,241884 1 12,00 16,00 Bild eben unendlich unendlich 0 21,63 21,63 The basic construction data of the lens 1 of the third exemplary embodiment are given in Table 7 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the third embodiment are denoted by C1 to C11. For a more detailed explanation of the basic design data, reference is made to the first exemplary embodiment. Table 7: Basic construction data of the third embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite C1 spherical infinite infinite 5 7.45 7.45 aperture stop spherical infinite infinite 2.88 1, 607024 61.03 3.50 3.50 C3 spherical -9.346435 -9.346435 4.24 4.71 4.71 C4 spherical -7.108486 -7.108486 0.10 1.845594 23.81 6:13 6:13 C5 spherical -7.009878 -7.009878 0.75 6:13 6:13 C6 spherical -9.796425 -9.796425 0.10 1.669499 55.07 7:16 7:16 C7 X toroidal 44.649850 60.154512 3:19 9.85 9.85 C8 X toroidal -38.897582 -31.622852 30:14 1.846660 23.78 10.04 10.04 C9 X toroidal -17.177055 -22.760910 1 11.00 15.60 C10 X toroidal -27.063758 -49.241884 1 12.00 16.00 picture even infinite infinite 0 21.63 21.63

Die 5a und 5b zeigen das Objektiv 1 eines vierten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem vierten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein als Weitwinkelobjektiv hoher Öffnung für spiegellose Kamera ausgebildetes Objektiv 1 für größere Bildformate, wie beispielsweise 35 mm Format oder ähnlich. Das Objektiv 1 ist ein kompaktes stereographisch/rektilineares (d = 1) Pannini-Objektiv 2,8/21 mm für eine 36 mm × 24 mm spiegellose Vollformatkamera mit kurzem Abstand zur Bildebene mit einem Objektwinkelbereich (hFOV, vFOV) = (92,7°, 59,6°). Der horizontale maximale Feldwinkel entspricht f = 17 mm bei rektilinearer Abbildung. Das Objektiv 1 weist zwei torische Linsen direkt vor der ebenen Bildfläche 3 auf.the 5a and 5b show the objective 1 of a fourth exemplary embodiment with a focusing setting at infinity. This fourth exemplary embodiment is a lens 1 designed as a wide-angle lens with a high opening for mirrorless cameras for larger image formats, such as a 35 mm format or similar. Lens 1 is a compact 2.8/21mm stereographic/rectilinear (d=1) Pannini lens for a 36mm × 24mm full-frame mirrorless camera close to the image plane with an object angle range (hFOV, vFOV) = (92.7 °, 59.6°). The horizontal maximum field angle corresponds to f = 17 mm with rectilinear imaging. The objective 1 has two toric lenses directly in front of the flat image surface 3 .

In der nachfolgenden Tabelle 8 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des vierten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des vierten Ausführungsbeispiels sind mit D1 bis D19 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Tabelle 8: Konstruktionsgrunddaten des vierten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich D1 sphärisch unendlich unendlich 0,00 23,26 23,26 D2 sphärisch 15,714051 15,714051 1,00 1,487491 70,41 13,52 13,52 D3 sphärisch 10,300123 10,300123 12,19 10,23 10,23 D4 sphärisch -24,982293 -24,982293 10,66 1,654373 54,45 9,21 9,21 D5 sphärisch -12,248854 -12,248854 1,00 1,729215 29,62 7,60 7,60 D6 sphärisch -26,734382 -26,734382 0,10 7,29 7,29 D7 sphärisch 12,105863 12,105863 11,18 1,621801 60,04 6,00 6,00 D8 sphärisch -138,736214 -138,73621 0,10 4,24 4,24 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 2,44 4,19 4,19 D11 sphärisch -7,021519 -7,021519 1,00 1,755201 27,58 4,55 4,55 D12 sphärisch -11,818525 -11,818525 0,10 5,50 5,50 D13 sphärisch 45,009436 45,009436 1,00 1,755201 27,58 8,56 8,56 D14 sphärisch 24,773075 24,773075 4,35 1,620411 60,32 9,28 9,28 D15 sphärisch -39,706614 -39,706614 5,59 9,87 9,87 D16 X Toroid -10,738960 -12,086868 2,00 1,487491 70,41 13,00 9,00 D17 X Toroid -11,501059 -20,888060 1,87 12,35 11,00 D18 X Toroid -12,122687 -64,746762 1,40 1,620411 60,32 15,16 15,16 D19 zylindrisch -26,197053 unendlich 1,00 17,67 17,67 Bild eben unendlich unendlich 0,00 21,65 21,65 The basic construction data of the lens 1 of the fourth exemplary embodiment are given in Table 8 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the fourth embodiment are denoted by D1 to D19. For a more detailed explanation of the basic design data, reference is made to the first exemplary embodiment. Table 8: Basic construction data of the fourth embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite D1 spherical infinite infinite 0.00 23.26 23.26 D2 spherical 15.714051 15.714051 1.00 1.487491 70.41 13.52 13.52 D3 spherical 10.300123 10.300123 12:19 10:23 10:23 D4 spherical -24.982293 -24.982293 10.66 1.654373 54.45 9:21 9:21 D5 spherical -12.248854 -12.248854 1.00 1.729215 29.62 7.60 7.60 D6 spherical -26.734382 -26.734382 0.10 7.29 7.29 D7 spherical 12.105863 12.105863 11:18 1.621801 60.04 6.00 6.00 D8 spherical -138.736214 -138.73621 0.10 4.24 4.24 aperture stop spherical infinite infinite 2.44 4:19 4:19 D11 spherical -7.021519 -7.021519 1.00 1.755201 27.58 4.55 4.55 D12 spherical -11.818525 -11.818525 0.10 5.50 5.50 D13 spherical 45.009436 45.009436 1.00 1.755201 27.58 8.56 8.56 D14 spherical 24.773075 24.773075 4.35 1.620411 60.32 9.28 9.28 D15 spherical -39.706614 -39.706614 5.59 9.87 9.87 D16 X toroidal -10.738960 -12.086868 2.00 1.487491 70.41 13.00 9.00 D17 X toroidal -11.501059 -20.888060 1.87 12:35 11.00 D18 X toroidal -12.122687 -64.746762 1.40 1.620411 60.32 15:16 15:16 D19 cylindrical -26.197053 infinite 1.00 17.67 17.67 picture even infinite infinite 0.00 21.65 21.65

Die 6a und 6b zeigen das Objektiv 1 eines fünften Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem fünften Ausführungsbeispiel handelt es sich ebenfalls um ein als Weitwinkelobjektiv hoher Öffnung für spiegellose Kamera ausgebildetes Objektiv 1 für größere Bildformate, wie beispielsweise 35 mm Format oder ähnlich. Das Objektiv 1 ist ein kompaktes stereographisch/rektilineares (d = 1) Pannini-Objektiv 2,8/21 mm für eine 36 mm × 24 mm spiegellose Vollformatkamera mit kurzem Abstand zur Bildebene mit einem Objektwinkelbereich (hFOV, vFOV) = (92,7°, 59,6°). Der horizontale maximale Feldwinkel entspricht f = 17 mm bei rektilinearer Abbildung. Das Objektiv 1 weist zwei torische Linsen direkt vor der zylindrisch gekrümmten Bildfläche 3 auf.the 6a and 6b show the lens 1 of a fifth embodiment with a focus setting at infinity. This fifth exemplary embodiment is also a lens 1 designed as a wide-angle lens with a high aperture for mirrorless cameras for larger image formats, such as a 35 mm format or similar. Lens 1 is a compact 2.8/21mm stereographic/rectilinear (d=1) Pannini lens for a 36mm × 24mm full-frame mirrorless camera close to the image plane with an object angle range (hFOV, vFOV) = (92.7 °, 59.6°). The horizontal maximum field angle corresponds to f = 17 mm with rectilinear imaging. The objective 1 has two toric lenses directly in front of the cylindrically curved image surface 3 .

In der nachfolgenden Tabelle 9 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des fünften Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des fünften Ausführungsbeispiels sind mit E1 bis E19 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Tabelle 9: Konstruktionsgrunddaten des fünften Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitel-radius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich E1 sphärisch unendlich unendlich 0,00 25,75 25,75 E2 sphärisch 16,490360 16,490360 1,13 1,487491 70,41 14,61 14,61 E3 sphärisch 10,527654 10,527654 15,85 10,53 10,53 E4 sphärisch -20,903016 -20,903016 4,69 1,604917 61,15 8,54 8,54 E5 sphärisch -10,401604 -10,401604 0,95 1,665828 34,66 8,34 8,34 E6 sphärisch -23,033559 -23,033559 0,61 8,27 8,27 E7 sphärisch 17,969902 17,969902 5,12 1,579737 57,03 6,00 6,00 E8 sphärisch -28,456772 -28,456772 2,16 6,14 6,14 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 0,48 4,71 4,71 E11 sphärisch -11,822192 -11,822192 0,95 1,755191 27,58 4,75 4,75 E12 sphärisch -15,152096 -15,152096 0,10 4,40 4,40 E13 sphärisch 27,938190 27,938190 6,66 1,755200 27,58 6,25 6,25 E14 sphärisch 12,905729 12,905729 5,34 1,487492 70,41 8,07 8,07 E15 sphärisch -24,458006 -24,458006 3,49 8,60 8,60 E16 X Toroid -9,217725 -10,603640 2,00 1,743964 44,85 8,68 8,68 E17 X Toroid -14,114991 -26,633295 3,22 11,91 11,91 E18 X Toroid -19,452989 235,745697 2,50 1,620411 60,28 18,75 18,75 E19 X Toroid -61,798784 168,774134 1,74 21,68 21,68 Bild zylindrisch unendlich -84,493392 0,00 21,65 21,65 The basic construction data of the lens 1 of the fifth exemplary embodiment are given in Table 9 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the fifth embodiment are denoted by E1 to E19. Reference is made to the first exemplary embodiment for a more detailed explanation of the basic design data. Table 9: Basic construction data of the fifth embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] half the diameter of the optically used area in x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite E1 spherical infinite infinite 0.00 25.75 25.75 E2 spherical 16.490360 16.490360 1:13 1.487491 70.41 14.61 14.61 E3 spherical 10.527654 10.527654 15.85 10.53 10.53 E4 spherical -20.903016 -20.903016 4.69 1.604917 61:15 8.54 8.54 E5 spherical -10.401604 -10.401604 0.95 1.665828 34.66 8.34 8.34 E6 spherical -23.033559 -23.033559 0.61 8:27 8:27 E7 spherical 17.969902 17.969902 5.12 1.579737 57.03 6.00 6.00 E8 spherical -28.456772 -28.456772 2:16 6:14 6:14 aperture stop spherical infinite infinite 0.48 4.71 4.71 E11 spherical -11.822192 -11.822192 0.95 1.755191 27.58 4.75 4.75 E12 spherical -15.152096 -15.152096 0.10 4.40 4.40 E13 spherical 27.938190 27.938190 6.66 1.755200 27.58 6.25 6.25 E14 spherical 12.905729 12.905729 5.34 1.487492 70.41 8.07 8.07 E15 spherical -24.458006 -24.458006 3.49 8.60 8.60 E16 X toroidal -9.217725 -10.603640 2.00 1.743964 44.85 8.68 8.68 E17 X toroidal -14.114991 -26.633295 3.22 11.91 11.91 E18 X toroidal -19.452989 235.745697 2.50 1.620411 60.28 18.75 18.75 E19 X toroidal -61.798784 168.774134 1.74 21.68 21.68 picture cylindrical infinite -84.493392 0.00 21.65 21.65

6c zeigt das Verzeichnungsgitter des Objektivs 1 des fünften Ausführungsbeispiels. Dünn dargestellt ist das ideale Gitter, hervorgehoben (dickere Linien) dargestellt das mittels des Objektivs 1 des fünften Ausführungsbeispiels erhaltene Gitter, das die Merkmale der Pannini-Abbildung aufweist: Vertikale Linien bleiben nahezu vertikal, während der Abstand vertikaler Linien in horizontaler Richtung monoton abnimmt (horizontal tonnenförmige Verzeichnung). 6c shows the distortion grating of the lens 1 of the fifth embodiment. The ideal grating is shown thin, the grating obtained by means of the lens 1 of the fifth exemplary embodiment is shown highlighted (heavy lines) and has the characteristics of Pannini imaging: vertical lines remain almost vertical, while the spacing of vertical lines decreases monotonically in the horizontal direction ( horizontal barrel distortion).

6d zeigt den Verlauf der Modulationstransferfunktion des Objektivs 1 des fünften Ausführungsbeispiels. 6d shows the course of the modulation transfer function of the lens 1 of the fifth exemplary embodiment.

Die Modulationsübertragungsfunktion (MTF) gibt den Kontrast von Strukturen bestimmter Periode, gekennzeichnet durch die Ortsfrequenz periodischer Strukturen in Einheiten von Linienpaaren pro Millimeter (englisch: cycles per millimeter). Für typische Pixel-Perioden moderner Bildsensoren moderner DSLR- oder Systemkameras von etwa 5 Mikrometern ergibt sich eine Nyquistfrequenz von 100 Linienpaaren/Millimeter. Sehr feine, mit einem solchen Bildsensor noch reproduzierbar abgebildete Strukturen liegen bei etwa Nyquistfrequenz/3, also etwas mehr als 30 Lp/mm. Der MTF-Graph stellt den Kontrast ausgehend von groben periodischen Strukturen bis zu diesen feinen Strukturen im Bereich 0 bis 30 Lp/mm für verschiedene Bildpunkte im Bildfeld (siehe Legende neben dem Diagramm) dar. Die Bildleistung liegt bei 10 Lp/mm für nahezu das gesamte Bildfeld über 80 % (im Diagramm als Relativwert 0,8 angegeben) und bei 30 Lp/mm über 30 %, wobei der Kontrast in der Bildmitte höher ist als am Rand. Damit ist die Bildleistung dieses Pannini-Objektivs vergleichbar hoch wie die eines sehr guten konventionellen, rotationssymmetrischen Objektivs für eine professionelle Vollformat-Systemkamera.The modulation transfer function (MTF) gives the contrast of structures of a certain period, characterized by the spatial frequency of periodic structures in units of line pairs per millimeter (English: cycles per millimeter). A Nyquist frequency of 100 line pairs/mm results for typical pixel periods of modern image sensors of modern DSLR or system cameras of about 5 microns. Very fine structures that are still reproducibly imaged with such an image sensor are at around the Nyquist frequency/3, i.e. slightly more than 30 Lp/mm. The MTF graph shows the contrast starting from coarse periodic structures to these fine structures in the range 0 to 30 lp/mm for various pixels in the image field (see legend next to the diagram). The image performance is 10 lp/mm for almost that entire image field over 80% (shown in the diagram as a relative value of 0.8) and at 30 lp/mm over 30%, with the contrast in the center of the image being higher than at the edges. This means that the picture performance of this Pannini lens is as high as that of a very good, conventional, rotationally symmetrical lens for a professional full-frame system camera.

Die 7a und 7b zeigen das Objektiv 1 eines sechsten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem sechsten Ausführungsbeispiel handelt es sich ebenfalls um ein als Weitwinkelobjektiv hoher Öffnung für spiegellose Kamera ausgebildetes Objektiv 1 für größere Bildformate, wie beispielsweise 35 mm Format oder ähnlich. Das Objektiv 1 ist ein kompaktes stereographisch/rektilineares (d = 1) Pannini-Objektiv 2,8/18 mm für eine 36 mm x 24 mm spiegellose Vollformatkamera mit moderatem freien Abstand zur Bildebene mit einem Objektwinkelbereich (hFOV, vFOV) = (104°, 66°). Der horizontal abgebildete Bereich ist deutlich größer als bei einem rein rektilinear abbildenden Objektiv (104° gegenüber 88°) und reduziert 3D-Deformationen an den Bildrändern. Das Objektiv 1 enthält neben rotationssymmetrischen Linsen vor allem im Pupillen-näheren Bereich (davon eine asphärisch) im vorderen Bereich des Objektivs 1 vier torische Linsen (Linsen 1, 3, 4 und 5). Diese sind alle nur mit sphärischer Grundform ausgeführt (keine höheren Polynomkoeffizienten).the 7a and 7b show the lens 1 of a sixth embodiment with a focus setting at infinity. This sixth exemplary embodiment is also a lens 1 designed as a wide-angle lens with a high aperture for mirrorless cameras for larger image formats, such as a 35 mm format or similar. Lens 1 is a compact stereographic/rectilinear (d = 1) Pannini lens 2.8/18mm for a 36mm x 24mm mirrorless full frame camera with a moderate free distance to the image plane with an object angle range (hFOV, vFOV) = (104° , 66°). The horizontal image area is significantly larger than with a purely rectilinear imaging lens (104° compared to 88°) and reduces 3D deformations at the image edges. In addition to rotationally symmetrical lenses, the objective 1 contains four toric lenses (lenses 1, 3, 4 and 5) in the front area of the objective 1, especially in the area nearer the pupil (one of which is aspherical). These are all designed with a spherical basic shape (no higher polynomial coefficients).

In der nachfolgenden Tabelle 10 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des sechsten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des sechsten Ausführungsbeispiels sind mit F1 bis F30 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Bei den Flächen F28 und F29 handelt es sich um eine Planplatte vor dem Bildsensor. Dies kann beispielsweise ein Schutzglas für den Bildsensor, optional mit integriertem Tiefpass- und/oder Infrarotfilter sein. Tabelle 10: Konstruktionsgrunddaten des sechsten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich F1 sphärisch unendlich unendlich 0 39,90 39,90 F2 X Toroid 37,722836 27,689931 5 1,641421 56,48 23,24 23,24 F3 X Toroid 21,47906 35,009513 4 21,42 21,42 F4 sphärisch 36,20163 36,201637 1,2 1,567632 63,42 18,81 18,81 F5 sphärisch 20,78268 20,782687 8,1738 15,47 15,47 F6 X Toroid 22,854153 -298,31126 1,2 1,643045 56,21 13,22 13,22 F7 X Toroid 15,421035 13,691903 4,4212 10,26 10,26 F8 X Toroid -140,89212 -1032,9409 6,8354 1,716442 30,76 10,31 10,31 F9 X Toroid -27,213747 60,431732 2,2772 9,00 9,00 F10 X Toroid -31,847556 136,41774 4,5455 1,749051 34,89 8,77 8,77 F11 X Toroid -58,323331 -32,773264 0,1 8,46 8,46 F12 sphärisch 37,120258 37,120258 1,2 1,719649 46,89 7,62 7,62 F13 sphärisch 8,9354474 8,9354474 3,8400 1,650688 42,51 6,71 6,71 F14 sphärisch 87,634394 87,634394 2,2648 6,50 6,50 F15 sphärisch -21,047456 -21,047456 4,4791 1,62041 60,32 6,18 6,18 F16 sphärisch -17,528962 -17,528962 0,1 6,21 6,21 Aperturblende sphärisch 1,00E+18 1,00E+18 0,1 5,99 5,99 F18 sphärisch 14,860628 14,860628 3,9661 1,62041 60,32 6,75 6,75 F19 sphärisch -24,982767 -24,982767 0,1 6,79 6,79 F20 sphärisch -28,191947 -28,191947 1,2 1,755201 27,58 6,76 6,76 F21 sphärisch 161,77107 161,77107 0,1 6,83 6,83 F22 sphärisch 15,006438 15,006438 1,2 1,755201 27,58 6,97 6,97 F23 sphärisch 10,561844 10,561844 4,4053 6,65 6,65 F24 sphärisch -13,637531 -13,637531 1,2 1,632956 35,09 6,75 6,75 F25 sphärisch 133,48804 133,48804 0,1 8,19 8,19 F26 asphärisch 118,10318 118,10318 4,4539 1,743972 44,85 8,65 8,65 F27 asphärisch -14,527636 -14,527636 22 9,10 9,10 F28 sphärisch 1,00E+18 1,00E+18 2,5 1,516800 64,17 20,49 20,49 F29 sphärisch 1,00E+18 1,00E+18 1,0375921 21,24 21,24 Bild sphärisch 1,00E+18 1,00E+18 0 21,74 21,74 The basic construction data of the lens 1 of the sixth exemplary embodiment are given in Table 10 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the sixth embodiment are denoted by F1 to F30. Reference is made to the first exemplary embodiment for a more detailed explanation of the basic design data. The surfaces F28 and F29 are flat plates in front of the image sensor. For example, this can be protective glass for the image sensor, optionally with an integrated low-pass and/or infrared filter. Table 10: Basic construction data of the sixth embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite F1 spherical infinite infinite 0 39.90 39.90 F2 X toroidal 37.722836 27.689931 5 1.641421 56.48 23.24 23.24 F3 X toroidal 21.47906 35.009513 4 21:42 21:42 F4 spherical 36.20163 36.201637 1.2 1.567632 63.42 18.81 18.81 F5 spherical 20.78268 20.782687 8.1738 15.47 15.47 F6 X toroidal 22.854153 -298.31126 1.2 1.643045 56.21 13:22 13:22 F7 X toroidal 15.421035 13.691903 4.4212 10:26 10:26 F8 X toroidal -140.89212 -1032.9409 6.8354 1.716442 30.76 10:31 10:31 F9 X toroidal -27.213747 60.431732 2.2772 9.00 9.00 F10 X toroidal -31.847556 136.41774 4.5455 1.749051 34.89 8.77 8.77 F11 X toroidal -58.323331 -32.773264 0.1 8.46 8.46 F12 spherical 37.120258 37.120258 1.2 1.719649 46.89 7.62 7.62 F13 spherical 8.9354474 8.9354474 3.8400 1.650688 42.51 6.71 6.71 F14 spherical 87.634394 87.634394 2.2648 6.50 6.50 F15 spherical -21.047456 -21.047456 4.4791 1.62041 60.32 6:18 6:18 F16 spherical -17.528962 -17.528962 0.1 6:21 6:21 aperture stop spherical 1.00E+18 1.00E+18 0.1 5.99 5.99 F18 spherical 14.860628 14.860628 3.9661 1.62041 60.32 6.75 6.75 F19 spherical -24.982767 -24.982767 0.1 6.79 6.79 F20 spherical -28.191947 -28.191947 1.2 1.755201 27.58 6.76 6.76 Q21 spherical 161.77107 161.77107 0.1 6.83 6.83 Q22 spherical 15.006438 15.006438 1.2 1.755201 27.58 6.97 6.97 Q23 spherical 10.561844 10.561844 4.4053 6.65 6.65 Q24 spherical -13.637531 -13.637531 1.2 1.632956 35.09 6.75 6.75 Q25 spherical 133.48804 133.48804 0.1 8:19 8:19 Q26 aspheric 118.10318 118.10318 4.4539 1.743972 44.85 8.65 8.65 F27 aspheric -14.527636 -14.527636 22 9.10 9.10 Q28 spherical 1.00E+18 1.00E+18 2.5 1.516800 64:17 20.49 20.49 Q29 spherical 1.00E+18 1.00E+18 1.0375921 21:24 21:24 picture spherical 1.00E+18 1.00E+18 0 21.74 21.74

In den Tabellen 11 und 12 sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen F26 und F27 gemäß der Definitionsgleichung der Scheitelpunktform angegeben.Tables 11 and 12 show the coefficients of the aspheric surfaces F26 and F27 according to the definition equation of the vertex shape.

Die Scheitelpunktform wird beschrieben durch die Gleichung: z : = r 2 / R 1 + 1 ( 1 + k ) * r 2 R 2 + A r 4 + B r 6 + C r 8 + D r 10 + E r 12 + F r 14 + G r 16   + H r 18 + J r 20

Figure DE102021103323A1_0021
wobei z die Pfeilhöhe, R den Scheitel-Krümmungsradius der Linsen, r den radialen Abstand mit r = x 2 + y 2 ,
Figure DE102021103323A1_0022
k die Kegelschnittkonstante und A, B, C, D, E, F, G, H, J den Verformungskoeffizienten der jeweiligen Ordnung bezeichnen. Bei sphärischen Linsen sind A = B = C = D = E = F = G = H = J = 0 sowie k = 0. Die Koeffizienten F, G, H und J (14. bis 20. Ordnung) sowie die Kegelschnittkonstante bzw. konische Konstante sind für alle angeführten asphärischen Flächen gleich Null. Der jeweilige Scheitelradius kann Tabelle 10 entnommen werden. Tabelle 11: Koeffizienten der asphärischen Fläche F26 Parameter Wert Y Radius 118,103182 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A -7,2715E-06 6.Ordnung - Koeffizient B 6,2427E-07 8.Ordnung - Koeffizient C 2,1914E-09 10.Ordnung - Koeffizient D -2,0630E-11 12.Ordnung - Koeffizient E 2,1543E-13 Tabelle 12: Koeffizienten der asphärischen Fläche F27 Parameter Wert Y Radius -14,5276361 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A 4,78E-05 6.Ordnung - Koeffizient B 1,73E-07 8.Ordnung - Koeffizient C 8,69E-09 10.Ordnung - Koeffizient D -2,81E-11 12.Ordnung - Koeffizient E 5,74E-13 The vertex shape is described by the equation: e.g : = right 2 / R 1 + 1 ( 1 + k ) * right 2 R 2 + A right 4 + B right 6 + C right 8th + D right 10 + E right 12 + f right 14 + G right 16 + H right 18 + J right 20
Figure DE102021103323A1_0021
where z is the vertex height, R is the vertex radius of curvature of the lenses, r is the radial distance right = x 2 + y 2 ,
Figure DE102021103323A1_0022
k denote the conic section constant and A, B, C, D, E, F, G, H, J denote the strain coefficient of the respective order. For spherical lenses, A = B = C = D = E = F = G = H = J = 0 and k = 0. The coefficients F, G, H and J (14th to 20th order) and the conic constant or conic constants are zero for all aspheric surfaces listed. The respective crest radius can be found in Table 10. Table 11: Coefficients of the aspheric surface F26 parameter value Y radius 118.103182 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A -7.2715E-06 6th order - coefficient B 6.2427E-07 8th order - coefficient C 2.1914E-09 10th order - coefficient D -2.0630E-11 12th order - coefficient E 2.1543E-13 Table 12: Coefficients of the aspheric surface F27 parameter value Y radius -14.5276361 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A 4.78E-05 6th order - coefficient B 1.73E-07 8th order - coefficient C 8.69E-09 10th order - coefficient D -2.81E-11 12th order - coefficient E 5.74E-13

7c zeigt das Verzeichnungsgitter des Objektivs 1 des sechsten Ausführungsbeispiels. Dünn dargestellt ist das ideale Gitter, hervorgehoben (dickere Linien) dargestellt das mittels des Objektivs 1 des sechsten Ausführungsbeispiels erhaltene Gitter, das die Merkmale der Pannini-Abbildung aufweist: Vertikale Linien bleiben nahezu vertikal, während der Abstand vertikaler Linien in horizontaler Richtung monoton abnimmt (horizontal tonnenförmige Verzeichnung). 7c shows the distortion grating of the lens 1 of the sixth embodiment. The ideal grating is shown thin, the grating obtained by means of the lens 1 of the sixth exemplary embodiment is shown highlighted (heavy lines) and has the characteristics of Pannini imaging: vertical lines remain almost vertical, while the spacing of vertical lines decreases monotonically in the horizontal direction ( horizontal barrel distortion).

Die 8a und 8b zeigen das Objektiv 1 eines siebenten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich. Bei diesem siebenten Ausführungsbeispiel handelt es sich um ein als Weitwinkelobjektiv für eine Spiegelreflexkamera ausgebildetes Objektiv 1 für größere Bildformate, wie beispielsweise 35 mm Format oder ähnlich. Das Objektiv 1 ist ein stereographisch/rektilineares (d = 1) Pannini-Objektiv 2,8/15 mm für eine Spiegelreflexkamera (freie Schnittweite <38,5 mm geeignet für Bajonettgrößen aller großer Hersteller). Der abgebildete Objektwinkel ist (hFOV, vFOV) = (121°, 78°), also horizontal fast 25 % mehr als ein rektilineares Objektiv dieser Brennweite (hFOV_rect = 98°) und ohne perspektivische Verzeichnung. Die Bildleistung, Kontrast und Korrektur chromatischer Bildfehler, ist auf dem Niveau eines Premium-Ultraweitwinkel-Objektivs wie des rektilinearen Distagon ZE/ZF 2,8/15 mm des Unternehmens ZEISS. Die Linsen 1 bis 6 sind torisch, eine Linse ist asphärisch (rotationssymmetrisch; direkt vor der Blende 4), die übrigen Linsen sind sphärisch.the 8a and 8b show the lens 1 of a seventh embodiment with a focus setting at infinity. This seventh exemplary embodiment is a lens 1 designed as a wide-angle lens for a single-lens reflex camera for larger image formats, such as a 35 mm format or similar. Lens 1 is a stereographic/rectilinear (d=1) Pannini lens 2.8/15 mm for a single lens reflex camera (free back focus <38.5 mm suitable for bayonet sizes from all major manufacturers). The imaged object angle is (hFOV, vFOV) = (121°, 78°), i.e. horizontally almost 25% more than a rectilinear lens of this focal length (hFOV_rect = 98°) and without perspective distortion. The image performance, contrast and correction of chromatic aberrations is on the level of a premium ultra wide-angle lens such as the rectilinear Distagon ZE/ZF 2.8/15 mm from ZEISS. The lenses 1 to 6 are toric, one lens is aspheric (rotationally symmetrical; directly in front of aperture 4), the other lenses are spherical.

In der nachfolgenden Tabelle 13 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des siebenten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des siebenten Ausführungsbeispiels sind mit G1 bis G34 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Bei den Flächen G33 und G34 handelt es sich um eine Planplatte vor dem Bildsensor. Dies kann beispielsweise ein Schutzglas für den Bildsensor, optional mit integriertem Tiefpass- und/oder Infrarotfilter sein. Tabelle 13: Konstruktionsgrunddaten des siebenten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich G1 sphärisch unendlich unendlich 0,0000 95,35 95,35 G2 X Toroid 64,2614 391,0810 2,0000 1,740151 51,24 44,00 60,96 G3 X Toroid 43,3883 47,5417 11,1476 42,64 42,64 G4 X Toroid 90,3465 42,9685 13,7524 1,772500 49,62 38,00 42,09 G5 X Toroid -561,6142 59,7751 8,9093 40,21 40,21 G6 X Toroid 224,2608 35,9615 2,0000 1,774476 44,81 26,00 26,71 G7 X Toroid 20,8860 21,4185 12,3333 16,70 19,76 G8 X Toroid -124,5899 74,4002 4,3490 1,812640 30,77 15,00 19,52 G9 X Toroid -108,5011 -2449,9520 0,1000 18,75 18,75 G10 X Toroid 57,3814 63,0516 2,0000 1,772500 49,62 16,52 16,52 G11 X Toroid 27,3627 19,0346 5,8868 13,82 13,82 G12 X Toroid 532,0721 -387,7512 2,0000 1,646896 57,73 13,67 13,67 G13 X Toroid 23,8293 27,2252 5,4020 12,72 12,72 G14 sphärisch 36,6704 36,6704 6,6577 1,518678 61,59 13,00 13,00 G15 sphärisch -54,4414 -54,4414 1,3986 13,00 13,00 G16 sphärisch -32,0092 -32,0092 3,4481 1,621037 60,26 12,97 12,97 G17 sphärisch -23,6910 -23,6910 0,1000 13,18 13,18 G18 sphärisch 20,3795 20,3795 3,5068 1,814681 24,72 10,95 10,95 G19 sphärisch 29,5298 29,5298 2,4248 1,768647 26,38 10,03 10,03 G20 sphärisch 31,5299 31,5299 5,9425 9,13 9,13 G21 asphärisch -22,8042 -22,8042 2,0000 1,772500 49,62 7,09 7,09 G22 asphärisch -27,6482 -27,6482 0,1000 6,65 6,65 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 0,1000 6,46 6,46 G24 sphärisch 299,7027 299,7027 2,0000 1,818803 24,59 6,46 6,46 G25 sphärisch 25,8718 25,8718 2,5837 1,627143 36,02 6,45 6,45 G26 sphärisch 88,9411 88,9411 1,4347 6,59 6,59 G27 X Toroid -88,9946 -93,0029 2,0000 1,833238 24,85 6,75 6,75 G28 X Toroid 85,7658 80,1435 0,4791 7,06 7,06 G29 sphärisch 65,7730 65,7730 5,3434 1,718137 52,50 7,24 7,24 G30 sphärisch -11,5281 -11,5281 2,0000 1,835037 25,72 7,51 7,51 G31 sphärisch -18,0142 -18,0142 35,1000 8,00 8,00 G33 sphärisch unendlich unendlich 2,5000 1,516800 64,17 20,73 20,73 G34 sphärisch unendlich unendlich 1,0000 21,28 21,28 Bild eben unendlich unendlich 0,0000 21,63 21,63 The basic construction data of the lens 1 of the seventh exemplary embodiment are given in Table 13 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the seventh embodiment are denoted by G1 to G34. Reference is made to the first exemplary embodiment for a more detailed explanation of the basic design data. The surfaces G33 and G34 are flat plates in front of the image sensor. For example, this can be protective glass for the image sensor, optionally with an integrated low-pass and/or infrared filter. Table 13: Basic construction data of the seventh embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite G1 spherical infinite infinite 0.0000 95.35 95.35 G2 X toroidal 64.2614 391.0810 2.0000 1.740151 51.24 44.00 60.96 G3 X toroidal 43.3883 47.5417 11.1476 42.64 42.64 G4 X toroidal 90.3465 42.9685 13.7524 1.772500 49.62 38.00 42.09 G5 X toroidal -561.6142 59.7751 8.9093 40.21 40.21 G6 X toroidal 224.2608 35.9615 2.0000 1.774476 44.81 26.00 26.71 G7 X toroidal 20.8860 21.4185 12.3333 16.70 19.76 G8 X toroidal -124.5899 74.4002 4.3490 1.812640 30.77 15.00 19.52 G9 X toroidal -108.5011 -2449.9520 0.1000 18.75 18.75 G10 X toroidal 57.3814 63.0516 2.0000 1.772500 49.62 16.52 16.52 G11 X toroidal 27.3627 19.0346 5.8868 13.82 13.82 G12 X toroidal 532.0721 -387.7512 2.0000 1.646896 57.73 13.67 13.67 G13 X toroidal 23.8293 27.2252 5.4020 12.72 12.72 G14 spherical 36.6704 36.6704 6.6577 1.518678 61.59 13.00 13.00 G15 spherical -54.4414 -54.4414 1.3986 13.00 13.00 G16 spherical -32.0092 -32.0092 3.4481 1.621037 60.26 12.97 12.97 G17 spherical -23.6910 -23.6910 0.1000 13:18 13:18 G18 spherical 20.3795 20.3795 3.5068 1.814681 24.72 10.95 10.95 G19 spherical 29.5298 29.5298 2.4248 1.768647 26.38 10.03 10.03 G20 spherical 31.5299 31.5299 5.9425 9:13 9:13 G21 aspheric -22.8042 -22.8042 2.0000 1.772500 49.62 7.09 7.09 G22 aspheric -27.6482 -27.6482 0.1000 6.65 6.65 aperture stop spherical infinite infinite 0.1000 6.46 6.46 G24 spherical 299.7027 299.7027 2.0000 1.818803 24.59 6.46 6.46 G25 spherical 25.8718 25.8718 2.5837 1.627143 36.02 6.45 6.45 G26 spherical 88.9411 88.9411 1.4347 6.59 6.59 G27 X toroidal -88.9946 -93.0029 2.0000 1.833238 24.85 6.75 6.75 G28 X toroidal 85.7658 80.1435 0.4791 7.06 7.06 G29 spherical 65.7730 65.7730 5.3434 1.718137 52.50 7.24 7.24 G30 spherical -11.5281 -11.5281 2.0000 1.835037 25.72 7.51 7.51 G31 spherical -18.0142 -18.0142 35.1000 8.00 8.00 G33 spherical infinite infinite 2.5000 1.516800 64:17 20.73 20.73 G34 spherical infinite infinite 1.0000 21:28 21:28 picture even infinite infinite 0.0000 21.63 21.63

In den Tabellen 14 und 15 sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen G21 und G22 gemäß der Definitionsgleichung der Scheitelpunktform angegeben. Tabelle 14: Koeffizienten der asphärischen Fläche G21 Parameter Wert Y Radius -22,804200 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A 0,000139131 6.Ordnung - Koeffizient B 9,321000E-07 8.Ordnung - Koeffizient C -1,585800E-08 10.Ordnung - Koeffizient D 6,957600E-11 Tabelle 15: Koeffizienten der asphärischen Fläche G22 Parameter Wert Y Radius -27,648200 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A 0,000171981 6.Ordnung - Koeffizient B 9,384600E-07 8.Ordnung - Koeffizient C -1,126200E-08 10.Ordnung - Koeffizient D 5,169000E-11 12.Ordnung - Koeffizient E -1,850900E-13 Tables 14 and 15 show the coefficients of the aspheric surfaces G21 and G22 according to the definition equation of the vertex shape. Table 14: Coefficients of the aspheric surface G21 parameter value Y radius -22.804200 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A 0.000139131 6th order - coefficient B 9.321000E-07 8th order - coefficient C -1.585800E-08 10th order - coefficient D 6.957600E-11 Table 15: Coefficients of the aspheric surface G22 parameter value Y radius -27.648200 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A 0.000171981 6th order - coefficient B 9.384600E-07 8th order - coefficient C -1.126200E-08 10th order - coefficient D 5.169000E-11 12th order - coefficient E -1.850900E-13

Die 8c bis 8e zeigen Queraberrationsdiagramme für das Objektiv 1 des siebenten Ausführungsbeispiels.the 8c until 8e show transverse aberration diagrams for the lens 1 of the seventh embodiment.

Queraberrationsdiagramme werden häufig verwendet, um die Bildleistung von Objektiven wie z. B. Fotoobjektiven zu dokumentieren: Die Ordinate kennzeichnet die Abweichung eines Strahls in der Bildebene Δy' vom Durchtrittspunkt des Hauptstrahls des gleichen Strahlbündels eines Objektpunkts in der Bildebene abhängig von der Pupillenkoordinate yEP (Abszisse). Die Skala der Ordinate ist 0,025 mm. Die Queraberration ist für verschiedene Feldpunkte dargestellt, gekennzeichnet durch das „relative Feld“ -1 ≤ x_normiert ≤ 1 und -1 ≤ y_normiert ≤ 1, wobei x_normiert = x/18 mm und y_normiert = y/12 mm (also Bildfeld einer Vollformat-Kamera 36 mm × 24 mm) bzw. auch (in Klammern) durch objektseitigen Feldwinkel, ausgedrückt durch x-, y-Komponente des Hauptstrahls im Objektraum relativ zur optischen Achse z, für drei verschiedene Wellenlängen des Lichts, nämlich 486 nm, 587 nm und 656 nm. Die Strahlabweichungen liegen für sämtliche Feldpunkte, sämtliche Wellenlängen und über die gesamte Öffnung deutlich innerhalb der Skala von +/-25 Mikrometer: Dies bedeutet, dass sowohl die Bildschärfe wie auch die Farbfehler für eine Kamera mit einem modernen Vollformat-Bildsensor über das gesamte Bildfeld sehr gut korrigiert sind.Transverse aberration diagrams are often used to measure the image performance of lenses such as B. photographic lenses: The ordinate characterizes the deviation of a ray in the image plane Δy' from the point of passage of the main ray of the same ray bundle of an object point in the image plane depending on the pupil coordinate y EP (abscissa). The scale of the ordinate is 0.025 mm. The transverse aberration is shown for different field points, characterized by the "relative field" -1 ≤ x_normalized ≤ 1 and -1 ≤ y_normalized ≤ 1, where x_normalized = x/18 mm and y_normalized = y/12 mm (i.e. image field of a full-frame camera 36 mm × 24 mm) or also (in brackets) by the object-side field angle, expressed by the x, y component of the principal ray in the object space relative to the optical axis z, for three different wavelengths of light, namely 486 nm, 587 nm and 656 nm. The beam deviations are well within the +/-25 micron scale for all field points, all wavelengths and across the entire aperture: This means that both the image sharpness and the color errors for a camera with a modern full-frame image sensor are over the entire field of view are very well corrected.

8f zeigt den Verlauf der Modulationstransferfunktion des Objektivs 1 des siebenten Ausführungsbeispiels. 8f shows the course of the modulation transfer function of the lens 1 of the seventh embodiment.

Wie beim Objektiv 1 des fünften Ausführungsbeispiels liegt auch hier die Bildleistung bei 10 Lp/mm für nahezu das gesamte Bildfeld über 80 % (im Diagramm als Relativwert 0,8 angegeben) und bei 30 Lp/mm über 30 %, wobei der Kontrast in der Bildmitte höher ist als am Rand. Damit ist die Bildleistung dieses Pannini-Objektivs vergleichbar hoch wie die eines sehr guten konventionellen, rotationssymmetrischen Objektivs für eine professionelle Vollformat-Systemkamera.As with lens 1 of the fifth exemplary embodiment, the image performance at 10 lp/mm for almost the entire image field is over 80% (indicated in the diagram as a relative value of 0.8) and at 30 lp/mm over 30%, with the contrast in the center of the image is higher than at the edge. This means that the picture performance of this Pannini lens is as high as that of a very good, conventional, rotationally symmetrical lens for a professional full-frame system camera.

Die 9a und 9b zeigen das Objektiv 1 eines achten Ausführungsbeispiels mit einer Fokussiereinstellung auf Unendlich, das die gleichen Kenndaten wie das Objektiv des siebenten Ausführungsbeispiels aufweist (stereographisch-rektilinear (d = 1) Pannini-Objektiv 2,8/15mm). Das Objektiv 1 enthält keine torische Flächen, sondern stattdessen 4 zylindrische Linsen (Linsen 1 bis 4), sowie wie beim siebenten Ausführungsbeispiel eine asphärische und sonst sphärische Linsen. Die Bildleistung ist vergleichbar gut wie diejenige des siebenten Ausführungsbeispiels. Allerdings sind die Frontlinsendurchmesser größer und das System schwerer. Die Verwendung in der Cinematographie wäre hier möglich.the 9a and 9b show the lens 1 of an eighth embodiment with a focusing setting at infinity, which has the same characteristics as the lens of the seventh embodiment (stereographic-rectilinear (d=1) Pannini lens 2.8/15mm). The objective 1 does not contain any toric surfaces, but instead 4 cylindrical lenses (lenses 1 to 4) and, as in the seventh exemplary embodiment, an aspherical and otherwise spherical lens. The image performance is comparable to that of the seventh embodiment. However, the front lens diameter is larger and the system is heavier. Use in cinematography would be possible here.

In der nachfolgenden Tabelle 16 sind die Konstruktionsgrunddaten des Objektivs 1 des achten Ausführungsbeispiels angegeben, wobei der Toleranzbereich der angegebenen Werte ± 5 % sein kann. Die gekrümmten Flächen der bildformenden optischen Elemente des achten Ausführungsbeispiels sind mit H1 bis H34 bezeichnet. Zur näheren Erläuterung der Konstruktionsgrunddaten wird auf das erste Ausführungsbeispiel verwiesen. Bei den Flächen H33 und H34 handelt es sich um eine Planplatte vor dem Bildsensor. Dies kann beispielsweise ein Schutzglas für den Bildsensor, optional mit integriertem Tiefpass- und/oder Infrarotfilter sein. Tabelle 16: Konstruktionsgrunddaten des achten Ausführungsbeispiels Fläche Flächentyp Scheitelradius der Flächenkrümmung in y-Richtung [mm] Scheitelradius der Flächenkrümmung in x-Richtung [mm] Abstand zur Folgefläche (Luftabstand bzw. Linsendicke) [mm] Brechungsindex nd Abbe-Zahl vd halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in y-Richtung [mm] halber Durchmesser der optisch genutzten Fläche in x-Richtung [mm] Objekt sphärisch unendlich unendlich unendlich H1 sphärisch unendlich unendlich 0,0000 138,14 138,14 H2 zylindrisch 52,7797333 unendlich 6,1212 1,649091 33,75 50,00 109,00 H3 X Toroid 43,7019233 1234,6786 16,0226 43,70 87,67 H4 sphärisch 81,1934487 81,1934487 12,6841 1,758552 50,29 55,26 55,26 H5 zylindrisch unendlich 74,5305096 5,0599 50,36 50,36 H6 zylindrisch unendlich 71,1497869 2,0000 1,678241 31,33 37,00 42,84 H7 sphärisch 32,0775894 32,0775894 15,0614 29,28 29,28 H8 zylindrisch unendlich 172,124643 4,2314 1,846057 23,87 21,00 30,90 H9 zylindrisch -184,107889 unendlich 0,1000 30,19 30,19 H10 sphärisch 26,177257 26,177257 2,0000 1,772500 49,62 18,23 18,23 H11 sphärisch 12,3346843 12,3346843 7,8762 12,17 12,17 H12 sphärisch 131,967638 131,967638 2,0000 1,772500 49,62 12,75 12,75 H13 sphärisch 18,8408495 18,8408495 7,2076 11,60 11,60 H14 sphärisch 34,2094316 34,2094316 5,1036 1,636829 34,96 13,00 13,00 H15 sphärisch -39,5143747 -39,5143747 1,4420 13,00 13,00 H16 sphärisch -23,3116845 -23,3116845 2,6618 1,486562 84,47 13,10 13,10 H17 sphärisch -19,1550453 -19,1550453 0,1000 13,20 13,20 H18 sphärisch 32,8029406 32,8029406 3,1860 1,846660 23,78 9,82 9,82 H19 sphärisch 417,224372 417,224372 2,0000 1,772500 49,62 9,11 9,11 H20 sphärisch 34,514103 34,514103 2,2663 7,94 7,94 H21 asphärisch -15,0630912 -15,0630912 2,0000 1,772500 49,62 8,03 8,03 H22 asphärisch -16,6392759 -16,6392759 1,0000 7,59 7,59 Aperturblende sphärisch unendlich unendlich 1,0000 6,65 6,65 H24 sphärisch -99,1925698 -99,1925698 2,0000 1,809425 31,69 6,84 6,84 H25 sphärisch -560,395904 -560,395904 3,2878 1,486562 84,47 7,19 7,19 H26 sphärisch -20,9915023 -20,9915023 0,1000 7,57 7,57 H27 sphärisch -124,014065 -124,014065 2,0000 1,846660 23,78 7,70 7,70 H28 sphärisch 30,3251839 30,3251839 0,1000 7,99 7,99 H29 sphärisch 30,1437681 30,1437681 5,7879 1,506145 78,81 8,04 8,04 H30 sphärisch -12,6685526 -12,6685526 2,0000 1,833476 26,01 8,31 8,31 H31 sphärisch -15,9602156 -15,9602156 35,1000 9,00 9,00 H33 sphärisch unendlich unendlich 2,5000 1,516800 64,17 20,69 20,69 H34 sphärisch unendlich unendlich 1,0000 21,29 21,29 Bild eben unendlich unendlich 0,0000 21,84 21,84 The basic design data of the lens 1 of the eighth exemplary embodiment are given in Table 16 below, with the tolerance range of the given values being able to be ±5%. The curved surfaces of the image-forming optical elements of the eighth embodiment are denoted by H1 to H34. Reference is made to the first exemplary embodiment for a more detailed explanation of the basic design data. The surfaces H33 and H34 are flat plates in front of the image sensor. For example, this can be protective glass for the image sensor, optionally with an integrated low-pass and/or infrared filter. Table 16: Basic construction data of the eighth embodiment Surface surface type Crest radius of surface curvature in y-direction [mm] Crest radius of surface curvature in x-direction [mm] Distance to the following surface (air distance or lens thickness) [mm] refractive index n d Abbe number v d Half the diameter of the optically used area in the y-direction [mm] Half the diameter of the optically used area in the x-direction [mm] object spherical infinite infinite infinite H1 spherical infinite infinite 0.0000 138:14 138:14 H2 cylindrical 52.7797333 infinite 6.1212 1.649091 33.75 50.00 109.00 H3 X toroidal 43.7019233 1234.6786 16.0226 43.70 87.67 H4 spherical 81.1934487 81.1934487 12.6841 1.758552 50.29 55.26 55.26 H5 cylindrical infinite 74.5305096 5.0599 50.36 50.36 H6 cylindrical infinite 71.1497869 2.0000 1.678241 31:33 37.00 42.84 H7 spherical 32.0775894 32.0775894 15.0614 29.28 29.28 H8 cylindrical infinite 172.124643 4.2314 1.846057 23.87 21.00 30.90 H9 cylindrical -184.107889 infinite 0.1000 30:19 30:19 H10 spherical 26.177257 26.177257 2.0000 1.772500 49.62 18:23 18:23 H11 spherical 12.3346843 12.3346843 7.8762 12:17 12:17 H12 spherical 131.967638 131.967638 2.0000 1.772500 49.62 12.75 12.75 H13 spherical 18.8408495 18.8408495 7.2076 11.60 11.60 H14 spherical 34.2094316 34.2094316 5.1036 1.636829 34.96 13.00 13.00 H15 spherical -39.5143747 -39.5143747 1.4420 13.00 13.00 H16 spherical -23.3116845 -23.3116845 2.6618 1.486562 84.47 13:10 13:10 H17 spherical -19.1550453 -19.1550453 0.1000 13.20 13.20 H18 spherical 32.8029406 32.8029406 3.1860 1.846660 23.78 9.82 9.82 H19 spherical 417.224372 417.224372 2.0000 1.772500 49.62 9:11 9:11 H20 spherical 34.514103 34.514103 2.2663 7.94 7.94 H21 aspheric -15.0630912 -15.0630912 2.0000 1.772500 49.62 8.03 8.03 H22 aspheric -16.6392759 -16.6392759 1.0000 7.59 7.59 aperture stop spherical infinite infinite 1.0000 6.65 6.65 H24 spherical -99.1925698 -99.1925698 2.0000 1.809425 31.69 6.84 6.84 H25 spherical -560.395904 -560.395904 3.2878 1.486562 84.47 7:19 7:19 H26 spherical -20.9915023 -20.9915023 0.1000 7.57 7.57 H27 spherical -124.014065 -124.014065 2.0000 1.846660 23.78 7.70 7.70 H28 spherical 30.3251839 30.3251839 0.1000 7.99 7.99 H29 spherical 30.1437681 30.1437681 5.7879 1.506145 78.81 8.04 8.04 H30 spherical -12.6685526 -12.6685526 2.0000 1.833476 26.01 8:31 8:31 H31 spherical -15.9602156 -15.9602156 35.1000 9.00 9.00 H33 spherical infinite infinite 2.5000 1.516800 64:17 20.69 20.69 H34 spherical infinite infinite 1.0000 21:29 21:29 picture even infinite infinite 0.0000 21.84 21.84

In den Tabellen 17 und 18 sind die Koeffizienten der asphärischen Flächen H21 und H22 gemäß der Definitionsgleichung der Scheitelpunktform angegeben. Tabelle 17: Koeffizienten der asphärischen Fläche H21 Parameter Wert Y Radius -15,063091 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A 0,000145577 6.Ordnung - Koeffizient B 1,502400E-06 8.Ordnung - Koeffizient C -1,403700E-08 10.Ordnung - Koeffizient D 4,551600E-11 Tabelle 18: Koeffizienten der asphärischen Fläche H22 Parameter Wert Y Radius -16,639276 Konische Konstante (K) 0 4.Ordnung - Koeffizient A 0,000168764 6.Ordnung - Koeffizient B 8,622900E-07 8.Ordnung - Koeffizient C 5,969400E-09 10.Ordnung - Koeffizient D -1,936900E-10 12.Ordnung - Koeffizient E 1,286300E-12 Tables 17 and 18 show the coefficients of the aspheric surfaces H21 and H22 according to the definition equation of the vertex shape. Table 17: Coefficients of the aspherical surface H21 parameter value Y radius -15.063091 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A 0.000145577 6th order - coefficient B 1.502400E-06 8th order - coefficient C -1.403700E-08 10th order - coefficient D 4.551600E-11 Table 18: Coefficients of the aspherical surface H22 parameter value Y radius -16.639276 Conic constant (K) 0 4th order - coefficient A 0.000168764 6th order - coefficient B 8.622900E-07 8th order - coefficient C 5.969400E-09 10th order - coefficient D -1.936900E-10 12th order - coefficient E 1.286300E-12

10 zeigt ein beispielhaftes abbildendes optisches Gerät 10, das als Fotokamera ausgebildet ist. Das abbildende optische Gerät 10 weist ein Objektiv 1 mit mehreren bildformenden optischen Elementen 2 auf, die entlang der optischen Achse z angeordnet sind. Die bildformenden optischen Elemente 2 sind in 10 stilisiert in Form von vier Linsen dargestellt. Der tatsächliche Aufbau des Objektivs 1 kann beispielsweise dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel entsprechen. Neben dem Objektiv 1 verfügt das abbildende optische Gerät 10 über eine in einem Gehäuse 11 angeordnete Bildfläche 12, die in 10 eben dargestellt ist, alternativ jedoch auch gekrümmt, z. B. zylindrisch gekrümmt, sein kann. Die Bildfläche entspricht dem Bildsensor, der beispielsweise als Vollformatbildsensor 12 (Bildkreisdurchmesser 43,2 mm) ausgeführt sein kann. 10 shows an exemplary imaging optical device 10, which is designed as a photo camera. The imaging optical device 10 has an objective 1 with a plurality of image-forming optical elements 2 which are arranged along the optical axis z. The image-forming optical elements 2 are in 10 stylized in the form of four lenses. The actual structure of the lens 1 can correspond to the first to eighth exemplary embodiments, for example. In addition to the lens 1, the imaging optical device 10 has an image surface 12 arranged in a housing 11, which in 10 is shown flat, but alternatively also curved, z. B. cylindrically curved, can be. The image area corresponds to the image sensor, which can be designed, for example, as a full-frame image sensor 12 (image circle diameter 43.2 mm).

11 zeigt ein mobiles Endgerät 100 in einer schematischen Darstellung. Bei dem mobilen Endgerät 100 kann es sich beispielsweise um ein Smartphone handeln. Das mobile Endgerät 100 weist eine Kamera als abbildendes optisches Gerät 10 auf, die wiederum ein Objektiv 1 aufweist, das als Pannini-Objektiv ausgebildet ist. 11 shows a mobile terminal 100 in a schematic representation. The mobile terminal 100 can be a smartphone, for example. The mobile terminal 100 has a camera as imaging optical device 10, which in turn has a lens 1, which is designed as a Pannini lens.

12 zeigt ein Set 200, das ein Objektiv 1, beispielsweise ausgebildet wie unter Bezugnahme auf eine der 2 bis 9 erläutert, und eine Gebrauchsanleitung 201 mit Anweisungen 202 umfasst. Die Anweisungen 202 sind auf den Gebrauch des Objektivs 1 gerichtet und bestimmen, dass das Objektiv 1 mit einer ebenen Bildfläche 3 oder, alternativ, mit einer gekrümmten Bildfläche 3 zu verwenden ist. 12 shows a set 200, a lens 1, for example formed as with reference to one of 2 until 9 explained, and includes a user guide 201 with instructions 202. The instructions 202 are directed to the use of the lens 1 and specify that the lens 1 is to be used with a flat image surface 3 or, alternatively, with a curved image surface 3 .

Alternativ zu dem Objektiv 1 kann das Set 200 auch ein abbildendes optisches Gerät 10 mit einem solchen Objektiv 1 umfassen.As an alternative to the lens 1, the set 200 can also include an imaging optical device 10 with such a lens 1.

13 zeigt Footprints über das Bildfeld in verschiedenen Objektivebenen. Es wird auf die diesbezüglichen Erläuterungen in der vorstehenden Beschreibung verwiesen. 13 shows footprints across the field of view in different lens planes. Reference is made to the relevant explanations in the above description.

Es versteht sich, dass andere Ausführungsformen benutzt und strukturelle oder logische Änderungen vorgenommen werden können, ohne von dem Schutzumfang der vorliegenden Erfindung abzuweichen. Die Merkmale der hierin beschriebenen verschiedenen beispielhaften Ausführungsformen können miteinander kombiniert werden, sofern nicht spezifisch anders angegeben. Die Beschreibung der Ausführungsbeispiele ist deshalb nicht in einschränkendem Sinne aufzufassen, und der Schutzumfang der vorliegenden Erfindung wird durch die angefügten Ansprüche definiert. In den Figuren werden identische oder ähnliche Elemente mit identischen Bezugszeichen versehen, soweit dies zweckmäßig ist.It is understood that other embodiments may be utilized and structural or logical changes may be made without departing from the scope of the present invention. The features of the various exemplary embodiments described herein can be combined with one another unless specifically stated otherwise. The description of the embodiments is, therefore, not to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is defined by the appended claims. In the figures, identical or similar elements are provided with identical reference symbols, insofar as this is appropriate.

Der hier verwendete Ausdruck „und/oder“, wenn er in einer Reihe von zwei oder mehreren Elementen benutzt wird, bedeutet, dass jedes der aufgeführten Elemente alleine verwendet werden kann, oder es kann jede Kombination von zwei oder mehr der aufgeführten Elemente verwendet werden. Wird beispielsweise ein Objektiv beschrieben, das die Elemente A, B und/oder C, aufweist, kann das Objektiv A alleine, B alleine, C alleine, A und B in Kombination, A und C in Kombination, B und C in Kombination oder A, B und C in Kombination aufweisen.As used herein, the term "and/or" when used in a series of two or more items means that each of the listed items can be used alone, or any combination of two or more of the listed items can be used. For example, if a lens is described as having elements A, B, and/or C, the lens can be A alone, B alone, C alone, A and B in combination, A and C in combination, B and C in combination, or A , B and C in combination.

BezugszeichenlisteReference List

11
Objektivlens
22
bildformendes optisches Elementimage-forming optical element
33
Bildflächescreen
44
Aperturblende aperture stop
1010
abbildendes optisches Gerätimaging optical device
1111
GehäuseHousing
1212
Bildfläche screen
100100
mobiles Endgerätmobile device
200200
Setset
201201
GebrauchsanleitungInstructions for use
202202
Anweisung Instruction
A1 -A12A1-A12
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des ersten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the first embodiment
B1 - B14B1 - B14
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des zweiten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the second embodiment
C1 - C11C1 - C11
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des dritten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the third embodiment
D1 - D19D1 - D19
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des vierten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the fourth embodiment
E1 - E19E1 - E19
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des fünften Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the fifth embodiment
F1 - F30F1 - F30
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des sechsten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the sixth embodiment
G1 - G34G1 - G34
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des siebenten Ausführungsbeispielscurved surfaces of the image-forming optical elements of the seventh embodiment
H1 - H34H1 - H34
gekrümmte Flächen der bildformenden optischen Elemente des achten Ausführungsbeispiels curved surfaces of the image-forming optical elements of the eighth embodiment
di.e
Abstand des perspektivischen Zentrums zum KoordinatenursprungDistance from the perspective center to the coordinate origin
dHEdHE
Abstand der Hauptebenendistance of the main planes
DCADCA
optisch freier Durchmesseroptically clear diameter
DSADSA
Subaperturdurchmessersubaperture diameter
FOVFOV
Gesichtsfeldwinkel, engl. field-of-viewfield of view angle field of view
hFOVhFOV
horizontaler Gesichtsfeldwinkel, engl. horizontal field-of-viewhorizontal field of view angle horizontal field of view
vFOVvFOV
vertikaler Gesichtsfeldwinkel, engl. vertical field-of-viewvertical field of view angle vertical field of view
ff
Brennweitefocal length
f'f'
bildseitige Brennweiteimage-side focal length
hH
Objektkoordinate horizontale RichtungObject coordinate horizontal direction
h'H'
horizontale Bildkoordinatehorizontal image coordinate
ii
Strahlungseinfallswinkel an der GrenzflächeRadiation incidence angle at the interface
Imin the
Bildpunktpixel
Lplp
Linienpaareline pairs
MTFMTF
Modulationstransferfunktionmodulation transfer function
n, n'n, n'
Brechungsindices der Medien an der GrenzflächeRefractive indices of the media at the interface
nk'no'
Brechungsindex zwischen letzter optischer Fläche und BildflächeRefractive index between last optical surface and image surface
OO
Koordinatenursprungcoordinate origin
ObIf
Objektpunktobject point
PP
Treffpunkt des Objektstrahls mit der PanosphäreMeeting point of the object beam with the panosphere
PCpersonal computer
perspektivisches Zentrumperspective center
ss
Objektstrahlobject beam
SARSAR
Subaperturverhältnissubaperture ratio
tt
Hauptstrahlmain beam
uand
Strahlwinkel zur optischen AchseRay angle to the optical axis
uk'uk'
Strahlwinkel zur optischen Achse zwischen letzter optischer Fläche und BildflächeBeam angle to the optical axis between the last optical surface and the image surface
vv
Objektkoordinate vertikale RichtungObject coordinate vertical direction
v'v'
vertikale Bildkoordinatevertical image coordinate
ww
Strahlhöhe an der Grenzfläche zur optischen AchseRay height at the interface to the optical axis
xx
horizontale Richtunghorizontal direction
yy
vertikale Richtungvertical direction
ze.g
optische Achseoptical axis
(x,y,z)(x,y,z)
Koordinaten eines Objektpunkts im ObjektraumCoordinates of an object point in object space
(x',y')(x',y')
Koordinaten eines Bildpunkts in der BildebeneCoordinates of a pixel in the image plane
φφ
Winkel zwischen y-Tangentialebene und optische AchseAngle between y tangent plane and optical axis
φx,1, φx,2φx,1, φx,2
Brechkräfte in x-Richtungrefractive powers in x-direction
φy,1, φy,2φy,1, φy,2
Brechkräfte in y-Richtungrefractive powers in the y-direction
φφ
Gesamtbrechkrafttotal breaking power
ϑϑ
Objektwinkelobject angle

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturPatent Literature Cited

  • US 2013/0022345 A1 [0025]US 2013/0022345 A1 [0025]

Claims (15)

Objektiv (1), aufweisend bildformende optische Elemente (2) mit nichtrotationssymmetrisch wirkenden gekrümmten Flächen, die entlang einer optischen Achse (z) angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die bildformenden optischen Elemente (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass ein auf einer Bildfläche (3) zu formendes Bild eine Pannini-Abbildung mit folgenden Merkmalen ist: - gleicher Abbildungsmaßstab in der Bildmitte entlang jeder Richtung in der Bildfläche (3), - gerade vertikale Abbildung gerader vertikaler Linien über das gesamte Bildfeld und - tonnenförmige Verzeichnung des Objektraums in horizontaler Richtung.Objective (1), having image-forming optical elements (2) with non-rotationally symmetrically acting curved surfaces, which are arranged along an optical axis (z), characterized in that the image-forming optical elements (2) are designed and arranged in such a way that a image area (3) is a Pannini map with the following characteristics: - equal reproduction scale at the image center along each direction in the image area (3), - straight vertical mapping of straight vertical lines throughout the image field, and - barrel distortion of object space in horizontal direction. Objektiv (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die bildformenden optischen Elemente (2) optisch wirksame Flächen aufweisen, die symmetrisch zur x- Achse und y-Achse des Objektivs (1) sind und/oder dass das Objektiv (1) Feldblenden aufweist, die symmetrisch zur x- Achse und y-Achse des Objektivs (1) sind.Lens (1) after claim 1 , characterized in that the image-forming optical elements (2) have optically effective surfaces which are symmetrical to the x-axis and y-axis of the objective (1) and/or that the objective (1) has field diaphragms which are symmetrical to the x- Axis and y-axis of the lens (1) are. Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bildformenden optischen Elemente (2) zylindrisch gekrümmte Flächen, torische Flächen und/oder Freiformflächen aufweisen.Objective (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the image-forming optical elements (2) have cylindrically curved surfaces, toric surfaces and/or free-form surfaces. Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv eine Feldblende mit einer von einer Kreisform und Rechteckform abweichenden Form aufweist.Objective (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the objective has a field stop with a shape deviating from a circular and rectangular shape. Objektiv (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Feldblende dreidimensional geformt ist.Lens (1) after claim 4 , characterized in that the field stop is shaped three-dimensionally. Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die bildformenden optischen Elemente (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das zu formende Bild auf einer ebenen Bildfläche (3) formbar ist.Lens (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the image-forming optical elements (2) are designed and arranged in such a way that the image to be formed can be formed on a flat image surface (3). Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die bildformenden optischen Elemente (2) derart ausgebildet und angeordnet sind, dass das zu formende Bild auf einer zylindrisch gekrümmten Bildfläche (3) formbar ist.Lens (1) according to one of Claims 1 until 5 , characterized in that the image-forming optical elements (2) are designed and arranged in such a way that the image to be formed can be formed on a cylindrically curved image surface (3). Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) ein Kameraobjektiv oder ein Projektionsobjektiv ist.Lens (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (1) is a camera lens or a projection lens. Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Objektiv (1) ein Vorsatzobjektiv oder ein Backadapterobjektiv ist.Lens (1) according to one of the preceding claims, characterized in that the lens (1) is an attachment lens or a back adapter lens. Abbildendes optisches Gerät (10) mit einem Objektiv (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche.Imaging optical device (10) with an objective (1) according to one of the preceding claims. Abbildendes optisches Gerät (10) nach Anspruch 10, ausgebildet als Kamera.Imaging optical device (10) after claim 10 , trained as a camera. Abbildendes optisches Gerät (10) nach Anspruch 11, wobei die Kamera eine ebene oder zylindrisch gekrümmte Bildfläche (3) aufweist.Imaging optical device (10) after claim 11 , wherein the camera has a flat or cylindrically curved image surface (3). Abbildendes optisches Gerät (10) nach Anspruch 10, ausgebildet als Projektionseinrichtung.Imaging optical device (10) after claim 10 , designed as a projection device. Mobiles Endgerät (100) mit einem abbildenden optischen Gerät (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13.Mobile terminal (100) with an imaging optical device (10) according to one of Claims 10 until 13 . Set (200) umfassend: - ein Objektiv (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9 oder ein abbildendes optisches Gerät (10) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, und - eine Gebrauchsanleitung (201) mit Anweisungen (202), die einen Gebrauch des Objektivs (1) bzw. des abbildenden optischen Geräts (10) mit einer ebenen oder gekrümmten Bildfläche (3) vorgeben.Set (200) comprising: - a lens (1) according to any one of Claims 1 until 9 or an imaging optical device (10) according to one of Claims 10 until 13 , and - a user manual (201) with instructions (202) that specify the use of the lens (1) or the imaging optical device (10) with a flat or curved image surface (3).
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