DE10215434A1

DE10215434A1 - Objektiv und Objektivserie

Info

Publication number: DE10215434A1
Application number: DE10215434A
Authority: DE
Inventors: Bertram Achtner; Elke Schmidt; Juergen Noffke; Bo Moeller; Dietmar Gaengler
Original assignee: Carl Zeiss AG
Current assignee: Carl Zeiss AG
Priority date: 2002-04-08
Filing date: 2002-04-08
Publication date: 2003-10-23
Anticipated expiration: 2022-04-09
Also published as: JP2003307672A; US7016120B2; DE10215434B4; US20030189767A1

Abstract

Objektiv mit einer objektivseitig angeordneten Frontgruppe, einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Fokusgruppe und einer nachfolgenden Linsengruppe mit Blende, wobei die Linsengruppe mit Blende mindestens zwei Kittglieder und/oder zwei Positivlinsen aufweist und/oder der Backfokus einstellbar ist und Objektivserie, bei der alle Objektive der Objektivserie ein einheitliches äußeres Erscheinungsbild aufweisen, und/oder die Blende bei allen Objektiven, ausgehend von der Bildebene, an der selben Stelle angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft Objektive mit einer objektivseitig angeordneten Frontgruppe, einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Fokusgruppe und einer nachfolgenden Linsengruppe mit Blende. Diese Objektive sind insbesondere geeignet für HDTV Anwendungen (High Definition Television Anwendung).
Aus dem Buch Bauelemente der Optik von Naumann und Schröder, 6. Auflage, Seite 388 ist ein Photoobjektiv bekannt, dass eine Frontgruppe, eine axial verschiebbare Fokusgruppe und eine Linsengruppe mit Blende umfasst, bekannt.
Von der Firma Fujinon sind HDTV Objektive bekannt, die unter der Bezeichnung "Cinestyle Lens Series" im April 2000 vorgestellt worden sind und werden ab Juli 2001 für den weltweiten Vertrieb im Internet unter der Adresse http:/ / www.fujinon.co.jp/news/010515.htm beworben.
Aus der WO 00/30348 ist ein Adapter für die Ankopplung von Photoobjektiven an eine Videokamera bekannt. Auch dieser Adapter ist für den Einsatz im High Definition TV vorgesehen, was daran zu erkennen ist, dass eine Prismenanordnung für die spektrale Zerlegung in die einzelnen Farbkanäle vorgesehen ist. Durch diese Zerlegung in einzelne Farbkanäle kann eine hochqualitative Aufnahme erreicht werden.
Aus der EP 84 15 83 A1 ist ein optischer Adapter, durch den die Verwendung von Objektiven bei einer elektronischen Kamera ermöglicht wird, bekannt. Auch bei diesem Adapter ist die Auftrennung in einzelne Farbkanäle vorgesehen.
Der Erfindung lag die Aufgabe zugrunde, die Herstellungskosten für Objektive bzw. Objektivserien, die für den Einsatz beim HDTV (High Definition TV) geeignet sind, zu reduzieren.
Weiterhin lag der Erfindung die Aufgabe zugrunde das Handling der verschiedenen Objektive einer Objektivserie zu vereinfachen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die im Anspruch 1, 2, 3 oder 9 angegebenen Merkmale gelöst. Durch die Maßname in der Linsengruppe mit der Blende mindestens zwei Kittglieder vorzusehen, konnten die optischen Eigenschaften verbessert werden, insbesondere die chromatische Aberration verringert werden. Bei Objektiven, die bei HDTV Kameras eingesetzt werden sollen, werden hohe Anforderungen an die Auflösung, an eine minimale chromatische Aberration, an einen bildseitig telezentrischen Hauptstrahlengang und eine kleine Öffnungszahl, sowie an einen geringen Helligkeitsabfall gestellt.
Durch die Maßnahme bei der die Blende umfassenden Linsengruppe bildseitig zwei einzelne Linsen positiver Brechkraft konnte ein positiver Effekt auf die optischen Eigenschaften des Objektives erzielt werden.
Für den Einsatz von Objektiven bei HDTV Kameras hat es sich als vorteilhaft erwiesen, einen Backfocus vorzusehen, durch den eine Anpassung der Schnittweite an die jeweilige Kamera ermöglicht wird. Dadurch können die Objektive an verschiedene Kameras von verschieden Herstellen angepasst werden. Durch diesen Backfocus können Toleranzen, die an der Schnittstelle der Kamera zum Objektiv auftreten, kompensiert werden. Dadurch kann die Vermeidung einer Defokussierung gewährleistet werden, die zu einem starken Qualitätsverlust führen würde. Für die Bereitstellung des Backfocus ist vorgesehen, dass die Linsen des Objektivs in ihrer Gesamtheit in axialer Richtung, vorzugsweise um mindestens ±0,2 mm, verschiebbar angeordnet sind.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, mindestens eine Linse eines Kittgliedes aus einem Glas mit einer anormalen Dispersion, wie beispielsweise Fluorkron oder Phosphatkron, vorzusehen.
Durch die Maßnahme bei einer Objektivserie bei allen Objektiven die Blende in Bezug auf die Bildebene an identischer Position im Objektiv anzuordnen, konnten die Herstellungskosten reduziert werden.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, bei einer Objektivserie bei allen Objektiven die gleiche Blende zu verwenden und lediglich deren maximalen oder minimalen Durchmesser von Objektiv zu Objektiv anzupassen. Dies erspart die Entwicklung von mehreren Blenden und bring Vorteile bei der Objektivmontage.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, dass alle Objektive der Objektivserie identische Baulänge aufweisen. Dies hat insbesondere Vorteile in Bezug auf die Herstellungskosten.
Weiterhin hat es sich als vorteilhaft herausgestellt, bei den Objektiven einer Objektivserie die Anordnung von den vorgesehenen Betätigungselementen bei allen Objektiven an der selben Stelle vorzusehen. Damit wird das Handling für den Benutzer wesentlich vereinfacht. Die Griffposition zur Betätigung eines Betätigungselementes, wie beispielsweise der Fokussierung, ist bei allen Objektiven der erfindungsgemäßen Objektivserie gleich.
Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, das alle Objektive der Objektivserie für die Realisierung eines telezentrischen Hauptstrahlenganges eine Austrittspupillenlage von < 500 mm von der Bildebene entfernt aufweisen.
Weitere vorteilhafte Maßnahmen sind in weiteren Unteransprüchen beschrieben.
Anhand der Fig. 1 bis 8 wird nachfolgend eine Objektivserie näher beschrieben.
Es zeigt:
Fig. 1 optisches Erscheinungsbild der Objektive einer Objektivserie in 3D Darstellung,
Fig. 2 Äußeres Erscheinungsbild eines Objektivs einer Objektivserie in Seitenansicht
Fig. 3 Struktureller Aufbau einer Linsenanordnung der Objektive
Fig. 4 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite 39,84 mm,
Fig. 5 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite 20,1 mm,
Fig. 6 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite von 13,98 mm,
Fig. 7 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite von 10,01 mm,
Fig. 8 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite 7,05 mm,
Fig. 9 Linsenschnitt eines Objektivs mit der Brennweite von 5,2 mm.
Anhand von Fig. 1 und 2 wird zunächst der prinzipielle Aufbau, der beispielhaft zu verstehen ist, eines Objektivs einer Objektivserie näher beschrieben. Das Objektiv 1 weist eine einheitliche Baulänge 2 für alle Objektive in einer Objektivserie auf. Kameraseitig ist das Objektiv mit einem Verbindungselement 6 versehen, durch das das Objektiv mit der Kamera fest verbunden werden kann. Auf der der Kamera zugewandten Seite ist das Objektiv mit einer Skalierung 7, durch die der eingestellte Backfokus angezeigt wird. Zur Einstellung des Backfokus ist ein Drehring 8 vorgesehen. Zur Arretierung eines eingestellten Backfokuses ist ein Drehknopf 9 vorgesehen, der gelöst werden muss damit eine Einstellung des Backfokus mittels des Drehringes 8 durchgeführt werden kann.
Der Drehring 11 ist für die Einstellung der Blende vorgesehen. Der Drehring 13 ist für die Fokussierung vorgesehen.
Anhand der in den Fig. 3 bis 9 dargestellten Linsenschnitte wird eine Objektivserie näher beschrieben. Alle Objektive sind vom Retrofocustyp, d. h. deren Schnittweite ist größer als deren Brennweite. Dies ist auf den speziellen Aufbau von HDTV Kameras zurückzuführen, die ein Strahlteilerprisma zur Farbaufteilung verwenden und daher eine entsprechend große bildseitige Schnittweite benötigen. Der strukturelle Aufbau ist in Fig. 3 verdeutlicht. Wie aus Fig. 3 zu ersehen ist, umfasst das Objektiv eine objektseitig angeordnete Frontgruppe, die fest angeordnet ist, eine Fokusgruppe 21, die entlang der optischen Achse des Objektivs verschiebbar angeordnet ist und eine mit einer Blende 25 versehene Linsengruppe 23, an die die Kamera mit dem Strahlenteilerprisma 5zur Aufteilung des Bildes in verschiedene Farbkanäle angrenzt. Durch Vorsehen einer Innenfokussierung war es möglich, dass alle Objektive eine einheitliche und konstante Baulänge aufweisen.
Bei den dargestellten Ausführungsbeispielen ist die strukturelle Struktur der Linsengruppe 23, in der die Blende 25 angeordnet ist, insoweit identisch, dass diese Linsengruppe jeweils zwei Kittglieder aufweist und wobei die letzten beiden, vor dem Strahlenteilerprisma 5 angeordneten Linsen Einzellinsen sind, die positive Brechkraft aufweisen. Aufgrund des ähnlichen Aufbaus der Linsengruppe 23 mit Blende 25 konnten Werkzeugkosten eingespart werden. Weiterhin konnte dadurch der Zusammenbau der Objektive vereinfacht werden.
In den Ausführungsbeispielen sind Beispiele für eine modulare Gruppe hinter der Blende für den Weitwinkelbereich angegeben. Der modulare Aufbau ist daran zu erkennen, dass an eine vorgegebene Linsengruppe positiver Brechkraft eine Linsengruppe negativer Brechkraft konstruiert wird, so dass ein neues Objektiv mit einer anderen Brennweite entsteht. Durch dieses Verfahren ist es insbesondere möglich besonders rationell eine Serie von Objektiven mit unterschiedlichen Brennweiten zu entwickeln, was sich vorteilhaft auf die Entwicklungskosten auswirkt.
Alle dargestellten Objektive sind nahezu beugungsbegrenzt im grünen Kanal. Der gesamte Objektivsatz hat eine einheitliche hohe Bildqualität, d. h. es tritt kein Leistungsabfall bei einem Objektivwechsel auf. Die TV-Verzeichnung ist bei allen Objektiven kleiner als 1%. Die TV-Verzeichnung, bezeichnet mit TVV, berechnet sich wie folgt:

V_diagonal = Verzeichnung entlang der Bilddiagonalen
V_längs = Verzeichnung entlang der Bildlängsseite ist.
Die Verzeichnung berechnet sich nach

y_paraxial = paraxiale Bildhöhe
y_x = reale Bildhöhe diagonal oder längs
Beim Durchfokussieren ändert sich im allgemeinen aufgrund der Innenfokussierung die Brennweite. Damit ändert sich auch der Abbildungsmaßstab und das Bild scheint sich beim Durchfokussieren aufzublähen oder stürzt in sich zusammen. Dies wird als Bildwinkeländerung oder Pumpen bezeichnet und berechnet sich nach der Formel:

w_i = Bildwinkel bei Fokusposition Unendlich
w_n = Bildwinkel bei Fokusposition Naheinstellung
Bei allen Objektiven ist das Pumpen im Fokusbereich von Unendlich bis zur kürzesten Naheinstellgrenze (Objekt zu Bildabstand OO' = 0,5 m) kleiner als 2%.
Alle Objektive haben einen telezentrischen Hauptstrahlengang der durch eine Austrittspupillenlage realisiert ist, die größer als 500 mm von der Bildebene entfernt ist.
Alle Objektive haben einen Backfokus, der eine Anpassung der Schnittweite an die jeweilige Kamera erlaubt. Ein Backfokus ist notwendig, da die Schnittstelle der Kamera zum Objektiv eine zu große Toleranz aufweist und eine dadurch hervorgerufene Defokussierung zu einem starken Qualitätsverlust führen würde.
Alle Objektive haben eine einheitliche Blendenlage, d. h. der Abstand der Blende zur Bildebene ist die selbe. Es kann in allen Objektiven der Serie die gleiche Blende verwendet werden. Lediglich der maximale oder minimale Durchmesser der Blende 25 muss von Objektiv zu Objektiv aufgrund der unterschiedlichen Eintrittspupillenradien. angepasst werden. Dies erspart die Entwicklung mehrerer Blenden und bringt Vorteile bei der Objektivmontage.
Die Linsendaten des in Fig. 4 dargestellten Linsenschnittes sind aus Tabelle 1 zu entnehmen. Tabelle 1 zu Beispiel 1
Die Brennweite des Objektives beträgt 39,84 mm. Die erste objektseitig angeordnete Linsenoberfläche ist die Fläche Nummer 2 und die fünfte und sechste Linse in Ausbreitungsrichtung des Lichtes mit den Flächen 10 bis 13 sind verschiebbar entlang der optischen Achse des Objektives 1 angeordnet. Durch diese Linsen wird die Fokusgruppe 21 gebildet. Mit Bezugszeichen 27 sind die Kittglieder der Linsengruppe 23 mit Blende 25 bezeichnet. Mit 5 ist die Prismenanordnung der HDTV Kamera bezeichnet.
In Tabelle 2 sind die Linsendaten des in Fig. 5 gezeigten Linsenschnittes eines Objektives zu entnehmen. Tabelle 2 Beispiel 2
Dieses Objektiv weist eine Brennweite von 20,1 mm auf. Die erste objektseitig angeordnete Linsenoberfläche ist die Linsenfläche Nummer 2. Durch die objektseitig angeordneten ersten fünf Linsen wird die Frontgruppe 19 gebildet. Durch die darauffolgenden Linsen 6 bis 9 wird die Fokusgruppe 21 gebildet. Durch die nach der Blende angeordneten Linsen wird zusammen mit der Blende die Linsengruppe 23 mit Blende 25 gebildet. Diese letzte Linsengruppe 23 weist eine Brennweite von 37,61 mm auf.
Aus Tabelle 3 sind die Linsendaten des in Fig. 6 dargestellten Linsenschnittes zu entnehmen. Tabelle 3 Beispiel 3
Bei diesem Ausführungsbeispiel umfasst die Fokusgruppe 21 drei Linsen. Der Fokusbereich 21 dieses Objektives reicht von 0,5 m bis unendlich.
Die Linsendaten zu dem in Fig. 7 dargestellten Linsenschnitt sind Tabelle 4 zu entnehmen. Tabelle 4 zu Beispiel 4
Bei diesem Objektiv wird die Frontgruppe 19 durch die ersten drei objektseitig angeordneten Linsen gebildet. Die Fokusgruppe 21 wird durch die darauffolgenden Linsen gebildet, an die sich die Linsengruppe mit Blende 18 anschließt.
Die Linsendaten zu dem in Fig. 8 dargestellten Linsenschnitt sind Tabelle 5 zu entnehmen. Tabelle 5 zu Beispiel 5
Bei diesem Objektiv wird die Frontgruppe 19 durch die ersten vier objektseitig angeordneten Linsen gebildet. Die darauffolgenden Linsen sind axial entlang der optischen Achse des Objektives verschiebbar angeordnet und bilden damit die Fokusgruppe 21. Die sich daran anschließenden Linsen stellen die Linsengruppe 23 mit Blende 25 dar.
Die Linsendaten zu dem in Fig. 9 dargestellten Linsenschnitt sind Tabelle 6 zu entnehmen. Beispiel: 6
Bei diesem Objektiv wird die Frontgruppe 19 durch die erste Einzellinse mit den zwei darauffolgenden Kittgliedern gebildet. Die Fokusgruppe 21 umfasst die beiden darauffolgenden Kittgliedern. An die Fokusgruppe schließt sich die Linsengruppe 23 mit Blende 25 an. Bei diesem Objektiv ist die erste objektseitige Fläche wie bei allen gezeigten Linsenschnitten, die Fläche Nummer 2. Bei diesem Objektiv handelt es sich bei dieser Fläche um eine asphärische Linsenoberfläche.
Die Brennweiten der Frontgruppe 19, der Fokusgruppe 21 und der Linsengruppe 23 mit Blende 25 sowie die Gesamtbrennweite des jeweiligen Objektives sind in der nachfolgenden Tabelle 7 aufgeführt. Teilbrennweiten
Bei dem in den Tabellen angegebenen Brechungsindex von 1,49702 handelt es sich um das Material Fluorkron, das eine anormale Dispersion aufweist.

Claims

1. Objektiv mit einer objektivseitig angeordneten Frontgruppe, einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Fokusgruppe und einer nachfolgenden Linsengruppe mit Blende, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (25) umfassende Linsengruppe (23) mindestens zwei Kittglieder (27) aufweist.

2. Objektiv mit einer objektivseitig angeordneten Frontgruppe, einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Fokusgruppe und einer nachfolgenden Linsengruppe mit Blende, dadurch gekennzeichnet, dass bei der die Blende (25) umfassenden Linsengruppe (23) bildseitig zwei einzelne Linsen positiver Brechkraft angeordnet sind.

3. Objektiv mit einer objektseitig angeordneten Frontgruppe, einer entlang der optischen Achse verschiebbaren Fokusgruppe und einer nachfolgenden Linsengruppe mit Blende, dadurch gekennzeichnet, dass die die Blende umfassende Linsengruppe (23) mindestens zwei Kittglieder (27) und zwei einzelne positiv Linsen, die bildseitig angeordnet sind, umfasst.

4. Objektiv für HDTV Anwendungen, bei dem alle Linsen unter Beibehaltung ihrer relativen Anordnung zueinander in ihrer Gesamtheit zur Einstellung des Backfokus axial verschiebbar sind.

5. Objektiv nach Anspruch 4, dass die Merkmale eines der Ansprüche 1 bis 3 aufweist.

6. Objektiv nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsen des Objektivs (1) in ihrer Gesamtheit um mindestens ±0,2 mm verschiebbar sind.

7. Objektiv nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Linsengruppe (23) mit Blende (25) eine Brennweite im Bereich von 25 bis 40 mm aufweist.

8. Objektiv mindestens nach Anspruch 1 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine eines Kittgliedes aus einem Material mit einer anormalen Dispersion besteht.

9. Objektiv nach mindestens einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die TV Verzeichnung (TVV) kleiner als 1% ist, wobei sich die TV-Verzeichnung ergibt aus

V_diagonal = Verzeichnung entlang der Bilddiagonalen
V_längs = Verzeichnung entlang der Bildlängsseite.

10. Objektiv nach einem der vorrangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Austrittspupillenlage von mehr als 500 mm von der Bildebene entfernt für die Bereitstellung eines telezentrischen Hauptstrahlenganges vorgesehen ist.

11. Objektivserie umfassend eine Mehrzahl von Objektiven nach mindestens einem der vorangegangenen Ansprüche, wobei die Objektive unterschiedliche Brennweiten im Bereich von 5 bis 50 mm aufweisen.

12. Objektivserie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass alle Objektive (1) der Serie identische mechanische Baulänge (2) aufweisen.

13. Objektivserie nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die am Objektivgehäuse vorgesehenen Betätigungselemente (8, 9, 11, 13) bei allen Objektiven (1) an der selben Stelle angeordneten sind.

14. Objektivserie umfassend eine Mehrzahl von Objektiven, die eine Frontgruppe, eine axial verschiebbare Fokusgruppe und eine Blende umfassende Linsengruppe aufweisen, dadurch gekennzeichnet, dass die Blende (25) bei allen Objektiven im gleichen Abstand von der Bildebene des Objektivs (1) angeordnet ist.

15. Objektivserie nach mindestens einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Objektivserie mindestens 4 vorzugsweise 6 Objektive umfasst.

16. Fernsehrkamera mit einem Objektiv (1) nach mindestens einem der Ansprüche 1 bis 8.

17. Verfahren zur Entwicklung einer Objektivserie, indem die Struktur einer Linsengruppe (23) ausgegangen wird und weitestgehend nur die weiteren Linsengruppen zur Bereitstellung der gewünschten Brennweite modifiziert werden.