DE112010001784T5 - Afokale galileische vorsatzoptik mit hoher pupillenvergrösserung - Google Patents

Afokale galileische vorsatzoptik mit hoher pupillenvergrösserung Download PDF

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James A. Frazier
J. Brian Caldwell
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FM Assets Pty Ltd
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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Abstract

Eine afokale galileische Vorsatzlinse (10) wird offenbart, wobei die Optik umfasst: entlang einer optischen Achse (A1) eine erste Linsengruppe (108) mit insgesamt negativer optischer Leistung und eine zweite Linsengruppe (109) mit insgesamt positiver Leistung. Die erste und zweite Linsengruppe sind angeordnet um eine galileische Konfiguration zu definieren. Die Optik weist ebenfalls Austritts- sowie Eintrittspupillen auf, definiert durch einen Blendenstopp (110), mit jeweils Durchmessern DEX und DEN, die eine Pupillenvergrößerung PM = DEX/DEN > 4 definieren und in einigen Ausführungsformen PM > 10. Die afokale galileische Vorsatzoptik weist ebenfalls einen Längenparameter auf, definiert durch LP > 200 und in einigen Ausführungsformen LP > 700. Die extreme Länge des afokalen galileischen Vorsatzes ermöglicht das Fotografieren oder Filmen von Objekten, die abgelegen oder in anderer Weise schwer zu fotografieren sind, während auch eine relativ große Tiefenschärfe bereitgestellt wird.

Description

  • PRIORITÄTSANSPRUCH
  • Diese Anmeldung beansprucht die Priorität aus der US-Patentanmeldung Seriennr. 12/387,001, eingereicht am 27. April 2009.
  • Hintergrund – Stand der Technik
  • Gebiet der Erfindung
  • Die vorliegende Erfindung bezieht sich allgemein auf optische Systeme für Standbild- oder Filmkameras, einschließlich Digitalkameras, Videokameras, insbesondere auf afokale Vorsatzoptiken und insbesondere auf afokale Vorsatzoptiken vom galileischen Typ mit einer hohen Pupillenvergrößerung.
  • Technischer Hintergrund
  • Das US-Patent Nr. 5,727,236 , das für Frazier am 10. März 1998 erteilt wurde, beschreibt ein optisches System, das die Merkmale einer Weitwinkeloptik, einer Deep-Field- bzw. Tieffeld-Optik bzw. Optik mit großer Tiefenschärfe und einer Nahfokussierungsoptik aufweist. Das optische System zielt darauf ab, ein Bild mit Tiefenschärfe zu erzielen, d. h. es möglich zu machen, Makroobjekte im Vordergrund im Fokus aufzunehmen, während die Unendlichkeit auch im Fokus gehalten wird. Das System des US-Patents Nr. 5,727,236 umfasst ein Objektiv, eine Feldlinse bzw. eine Feldoptik und eine Relay- bzw. Vor- bzw. Zwischenoptik, sequentiell auf einer optischen Achse angeordnet und in einem Objektivzylinder oder einem Objektivtubus untergebracht. Das Objektiv bildet ein Zwischenbild bei oder nahe der Feldoptik, entweder vor oder hinter der Feldoptik.
  • Das Objektiv kann beim Fokus im Unendlichen fixiert sein und kann eine weit geöffnete Blende zum Bilden des Zwischenbildes mit einer größeren Größe als ansonsten für ein Objektiv dieser Fokuslänge bzw. Brennweite normal ist, aufweisen. Die Feldoptik und die Relayoptik übertragen dasselbe Bild an ein kleineres endgültiges Bild auf einer Filmebene. Die Relayoptik ist eine Makrooptik und kann eine Iris und einen fokussierenden Mechanismus aufweisen, so dass das Objektiv und die Feldoptiken nicht erforderlich sind, um für die Blendenkontrolle und die Fokussierung verwendet zu werden. Ein Pechan-Prisma, ein Dachkantprisma und ein Spiegel zum Invertieren und Umdrehen (Zurückleiten) des Zwischenbilds werden im Tubus zwischen der Feld- und der Relayoptik bereitgestellt. Das Pechan-Prisma, das Dachkantprisma und der Spiegel stellen sicher, dass das endgültige Bild bei der Filmebene die normale Orientierung des endgültigen Bildes aufweist (anstatt invertiert und umgedreht zu sein). Ein derartiges optisches System erfordert eine wesentliche Menge an Licht, um eine gute Schärfentiefe (depth of field) bereitzustellen. Auch weist das optische System eine wesentliche Anzahl an optischen Oberflächen auf (d. h. Luft zu Oberflächen optischer Medien). Jedes Mal, wenn ein Lichtstrahl sich von Luft zu Glas und wieder zu Luft bewegt, gibt es eine gewisse Degradation bzw. Verschlechterung des Bildes. Es kann bis zu 50 Luft-zu-Glas-Bereiche in einem derartigen optischen System geben.
  • Weiterhin sind das Pechan-Prisma oder dessen optisches Äquivalent und das Dachkantprisma sperrig und schwer und machen das optische System größer und schwerer als dies ansonsten der Fall wäre. Schnorchel-Sucher (Snorkel-type lenses) wurden für einige Zeit verwendet, aber sämtliche Typen weisen notwendige Änderungen der Kamerakonfiguration auf und bringen die Objektivsysteme getrennt direkt am Kamerakörper an. Schnorchel-Sucher ermöglichen den Zugang zu schwierigen Photosituationen, einschließlich-Tabletop-Photographie oder bodennahe Photographie. Die Schärfentiefe ist grundsätzlich dieselbe wie mit normalen Objektiven.
  • Unvorteilhafterweise erfordern derartige Linsen das Entfernen eines Zoomobjektivs von der Kamera. Weiterhin erfordert dies Zeit für die Konfiguration bzw. den Aufbau der Kamera. Weiterhin erfordern derartige Schnorchelsucher höhere Lichtniveaus und folglich weisen diese größere Beleuchtungskosten auf. Doppelachsen-Schwenkobjektivsysteme mit Bildrotatoren wurden verwendet, um mit der Einstellung und dem Filmen schwieriger Situationen umzugehen. Der Bildrotator korrigiert die Bildorientierung, um die Kamerageometrie zu korrigieren, selbst wenn die Kamera auf dem Kopf stehend oder seitlich orientiert ist. Die schwenkbare Spitze des optischen Linsensystems ermöglicht niedrige bodennahe Aufnahmen, die ohne weiteres erhalten werden können, indem die Kamera vom Boden weggehalten wird, oder durch entweder Decken- oder Überkopf-Aufnahmen, während die Kamera in einer horizontalen Oientierung verbleibt.
  • Unvorteilhafterweise jedoch sind derartige Doppelachsen-Schwenkobjektivsysteme kostspielig herzustellen, weil derartige Systeme eine große Anzahl von Linsenelemementen und Prismen aufweisen. Typischerweise haben derartige Systeme bis zu etwa 15 Objektivlinsen zum Behandeln verschiedener Aufnahme- bzw. Akzeptanzwinkel (angle of acceptance). Weiterhin platzieren derartige optische Linsensysteme ein Zoomobjektiv vor dem System. Die verschiedenen Objektive fügen der Vorderseite einer Kamera, an der die Objektive angebracht werden, ein signifikantes Gewicht hinzu, und vergrößern die Gesamtlänge, wobei die Drehgelenke zu weit hinten liegen. Dies führt dazu, dass das Objektivsystem und die Kamera schlecht benutzbar sind. Daher sind derartige Objektive schwierig ökonomisch herzustellen und mühsam zu verwenden. Weiterhin ist eine große Lichtmenge erforderlich, um derartige Objektive zu handhaben. Typischerweise hat das Objektivsystem eine Blende von f 5,6 oder kleiner (z. B. f 8).
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
  • Ein erster Aspekt der Erfindung ist eine afokale galileische Vorsatzoptik. Die Optik umfasst entlang einer optischen Achse in der Reihenfolge von einer Objektseite zu einer Bildseite eine erste Linsengruppe mit einer insgesamt negativen optischen Leistung und eine zweite Linsengruppe mit einer insgesamt positiven Leistung und angeordnet relativ zur ersten Linsengruppe, um eine galileische Konfiguration zu definieren. Das Objektiv umfasst ebenfalls Austritts- und Eintrittspupillen mit jeweiligen Durchmessern DEX und DEN, die eine Pupillenvergrößerung PM = DEX/DEN > 4 definieren.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die afokale galileische Vorsatzoptik wie oben kurz beschrieben, wobei PM ≥ 6, bevorzugter PM ≥ 8 und noch bevorzugter PM ≥ 10 ist.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist die afokale galileische Vorsatzoptik wie oben kurz beschrieben, wobei die erste Linsengruppe eine erste Fläche aufweist und die zweite Linsengruppe eine letzte Fläche aufweist. Eine Scheitelpunktlänge VL ist durch den axialen Abstand zwischen der ersten und der letzten Fläche definiert. Ein Strahl außerhalb der Achse, der mit einem Winkel von 1° zur optischen Achse in das System eintritt und der die vordere Fläche bei einer Höhe H1 von der optischen Achse schneidet, schneidet die letzte Fläche SL an der optischen Achse und definiert in Kombination mit der Scheitelpunktlänge VL einen Längenparameter LP, der definiert ist als LP = |VL/H1| > 200, bevorzugter LP > 300, bevorzugter LP > 500 und noch bevorzugter LP > 700.
  • Ein weiterer Aspekt der Erfindung ist ein Abbildungssystem, das eine Kamera umfasst mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens), wobei die afokale Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) funktionsfähig gekoppelt ist.
  • Es versteht sich, dass sowohl die vorangehende allgemeine Beschreibung, als auch die nachfolgende detaillierte Beschreibung Ausführungsformen der Erfindung darstellen und beabsichtigt sind, einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis der Art und des Charakters der Erfindung, wie sie beansprucht wird, bereitzustellen. Die beigefügten Zeichnungen sind enthalten, um ein weiteres Verständnis der Erfindung bereitzustellen, und sind in diese Beschreibung einbezogen und stellen einen Teil dieser dar. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und zusammen mit der Beschreibung dienen sie zur Erläuterung der Prinzipien und Betriebsweise der Erfindung.
  • KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
  • 1 ist eine Seitenaufrissansicht eines Weitwinkel-, Tieffeld- (deep-field), nahfokussierenden optischen Systems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, einschließlich einer teilweisen Querschnittsansicht einer negativen Linseneinheit- bzw. Objektiveinheit;
  • 2 ist eine Seitenaufrissansicht eines Weitwinkel-, Tieffeld- (deep-field), nahfokussierenden optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, einschließlich einer teilweisen Querschnittsansicht einer negativen Linseneinheit- bzw. Objektiveinheit;
  • 3 ist eine Seitenaufrissansicht eines Weitwinkel-, Tieffeld- (deep-field), nahfokussierenden optischen Systems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, einschließlich einer teilweisen Querschnittsansicht einer negativen Linseneinheit- bzw. Objektiveinheit;
  • 4 ist eine Seitenaufrissansicht eines Weitwinkel-, Tieffeld- (deep-field), nahfokussierenden optischen Systems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 5 ist eine Seitenaufrissansicht eines dualen Weitwinkel-, Tieffeld- (deep-field), nahfokussierenden optischen Systems gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung;
  • 6 ist eine Seitenaufrissansicht von zwei Vorsatzoptiken gemäß Ausführungsformen der Erfindung, die zur Verwendung mit einer Video- oder Filmkamera geeignet sind;
  • 7 ist eine Seitenaufrissansicht einer Vorsatzoptik gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung, die zur Verwendung mit einer Video- oder Filmkamera geeignet ist;
  • 8 ist eine Seitenaufrissansicht eines Doppelschwenkobjektivsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung mit einer Video- oder Filmkamera geeignet ist;
  • 9 ist eine Seitenaufrissansicht eines Doppelschwenkobjektivsystems gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die zur Verwendung mit einer Video- oder Filmkamera geeignet ist;
  • 10 ist ein schematisches Diagramm eines ersten Beispiels (Beispiel 1) einer afokalen Vorsatzoptik, veranschaulichend eine Anzahl von Schlüsselmaßnahmen für Parameter, die zur Charakterisierung der afokalen Vorsatzoptik verwendbar sind;
  • 11 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro mm (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für Beispiel 1 von 10;
  • 12 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm von Beispiel 1;
  • 13 ist ein schematisches Diagramm eines zweiten Beispiels (Beispiel 2) der afokalen Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung;
  • 14 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro mm (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für Beispiel 2;
  • 15 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm von Beispiel 2;
  • 16 und 17 sind schematische Diagramme eines dritten Beispiels (Beispiel 3) der afokalen Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung für jeweils unendlichen und nahen Fokus;
  • 18 und 19 sind Darstellungen des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro mm (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für sowohl unendliche als auch nahe Fokuspositionen für Beispiel 3;
  • 20 und 21 sind Darstellungen der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm für sowohl unendliche als auch nahe Fokuspositionen für Beispiel 3;
  • 22 ist ein schematisches Diagramm des vierten Beispiels (Beispiel 4) der afokalen Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung;
  • 23 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro mm (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für Beispiel 4;
  • 24 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm für Beispiel 4;
  • 25 ist ein schematisches Diagramm eines fünften Beispiels (Beispiel 5) der afokalen Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung;
  • 26 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro mm (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für Beispiel 5;
  • 27 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm für Beispiel 5;
  • 28 ist ein schematisches Diagramm eines sechsten Beispiels (Beispiel 6) der afokalen Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung;
  • 29 stellt die MTF-Fokusdurchgangskurve von Beispiel 6 zusammen mit dem abbildungsfehlerfreien Fall dar und veranschaulicht eine vergrößerte Tiefenschärfe (depth-of-focus) mit zwei Wellen von sphärischen Abbildungsfehlern; und
  • 30 ist ein schematisches Diagramm der afokalen Vorsatzoptik, wie gezeigt, funktionsfähig verbunden mit einem Objektiv mit fester Brennweite PL einer Kamera CA.
  • In der nachfolgenden Beschreibung werden ähnliche Bezugszeichen verwendet, um die gleichen oder ähnliche Elemente zu bezeichnen.
  • DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
  • Es wird nun im Detail Bezug genommen auf die vorliegenden bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung, von denen Beispiele in den beigefügten Zeichungen veranschaulicht sind. Wo immer möglich werden gleiche oder ähnliche Bezugszeichen in den Zeichnungen verwendet, um gleiche oder ähnliche Teile zu bezeichnen. Verschiedene Modifikationen und Veränderungen können in den nachfolgenden Beispielen innerhalb des Umfangs der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, und Aspekte der verschiedenen Beispiele können in verschiedener Art und Weise vermischt werden, um noch weitere Beispiele zu erhalten. Demgemäß ist der wahre Umfang der vorliegenden Erfindung aus der Gesamtheit der vorliegenden Offenbarung im Hinblick aber nicht beschränkt auf die hier beschriebenen Ausführungsformen zu verstehen.
  • Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierende optische Systeme werden nachfolgend offenbart. Vorsatzoptiken und Kameras, umfassend Vorsatzoptiken, sind ebenfalls nachfolgend beschrieben. Ferner werden nachfolgend ein Doppelschwenkobjektivsystem und Kameras, umfassend derartige Doppelschwenkobjektivsystem, beschrieben. In der nachfolgenden Beschreibung werden zahlreiche spezifische Einzelheiten, einschließlich spezieller Filmformate, Linsenmaterialien, spezieller gewinkelter Prismaeinheiten, Kopplungsmechanismen, Tubuslängen, Prismeneinheiten und dergleichen dargestellt. Jedoch wird es für den Fachmann im Stand der Technik aus der Offenbarung offensichtlich sein, dass Modifkationen und/oder Substitutionen gemacht werden können, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Unter anderen Umständen können spezifische Details wegelassen werden, um die Erfindung nicht zu verschleiern. Wo auf Merkmale in irgendeiner oder mehreren der beigefügten Zeichnungen verwiesen wird, die gleiche oder ähnliche Bezugszeichen aufweisen, haben diese Merkmale für die Zwecke dieser Beschreibung dieselbe (dieselben) Funktion(en) oder Betriebsweise(n), sofern keine gegenteilige Intention vorliegt. Ähnliche Merkmale sind mit ähnlichen Bezugszeichen in den Zeichnungen angegeben (z. B. negative Linsencluster (negative lens cluster) 1110 und 1210 in den 1 und 2) aus Gründen der Kürze.
  • 1.1 Ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nah-fokussierendes optisches System
  • 1 veranschaulicht ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nah-fokussierendes optisches System 1100 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Das optische System 1100 umfasst eine negative Linseneinheit 1110, bzw. Objektiveinheit einen optionalen Objekivzylinder 1150 (der irgendeiner von verschiedener Länge sein kann) und ein Relayobjektiv 1160, die in dieser Reihenfolge angeordnet sind. Das Relayobjektiv 1160 kann ein Makroobjektiv sein. Das optische System 1100 kann auf der Vorderseite einer Kamera (nicht gezeigt) montiert sein. Die Kamera kann eine Standbild- oder Filmkamera, eine Videokamera, eine Digitalkamera oder dergleichen darstellen. Hinter dem (Makro-)Relayobjektiv 1160 ist eine Filmebene 1170 der Kamera positioniert mit einem Abstand, so dass das endgültige Bild des optischen Systems auf die Filmebene 1170 fokussiert ist. Die Filmebene 1170 repräsentiert symbolisch die Bildebene für den Film in einer Kamera oder den lichtempfindlichen Sensor („CCD”, charge coupled device) einer Digital- oder Videokamera. Der Objektivtubus 1150 und das Relayobjektiv 1160 werden nur als Blockelemente dargestellt, da zahlreiche Komponenten dieser Typen eingesetzt werden können, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann irgendeine Anzahl von Standardmakroobjektiven eingesetzt werden. Weiterhin können die Komponenten des Systems 1100 maßgeschneidert werden, um an das eingesetzte Makroobjektiv angepasst zu sein. Derartige Komponenten sind dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt. Ferner ist der Objektivtubus 1150 unter Verwendung einer gestrichelten Linie in seinem zentralen Bereich dargestellt, um anzudeuten, dass der Tubus 1150 irgendeine einer Anzahl verschiedener Längen aufweisen kann, wieder ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Längere Objektive können bevorzugt sein. Standardlängen des Objektivtubus können beispielsweise 1 Fuß (1'), 18 Zoll und 2 Fuß (2') umfassen. Die verwendete Länge wird durch Faktoren bestimmt, einschließlich des Durchmessers der Blende der negativen Objektiveinheit, der Leistung des (Makro-)Relayobjektivs und dem Film- oder Videoformat, das eingesetzt wird (z. B. führt ein kleineres Format zu eifern längeren Objektiv). In einer Ausführungsform der Erfindung kann ein extrem langes optisches System aufgebaut werden. Ein derartiges System kann einen 2 Fuß (2') langen Tubus zwischen einem negativen Objektivcluster oder Linsen bzw. Objektiveinheiten (die als Objektiv dienen) und dem Makro-Relayobjektiv umfassen. Die negative Objektiveinheit 1110 fungiert als Objektiv. Negative Linsen 1110 verschiedener Leistung können verwendet werden, so dass eine Wahl hinsichtlich des Aufnahmewinkels (angle of acceptance) bestehen kann. Die negative Objektiveinheit 1110 kann auf verschiedene Art und Weise implementiert werden, vorausgesetzt die Einheit bleibt in ihrer Funktion negativ. D. h. die negative Objektiveinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Objektiveinheit austreten als ob die Lichtstrahlen von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Objektiveinheit ausgestrahlt würden. Weiterhin kann die Einheit 1110 sowohl positive als auch negative Objektivelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in ihrer Gesamtfunktion negativ. Alle positiven Linsenelemente sind positive Linsen geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Objektiveinheit bleibt negativ.
  • In der in 1 gezeigten Ausführungsform umfasst die negative Objektiveinheit 1110 einen negativen Linsencluster. Der negative Linsencluster kann umfassen (von links nach rechts in 1): eine plan-konkave Linse 1114, eine konkav-konkave Linse 1116 und eine Dublett-Linse 1118. Die Dublett-Linse 1118 kann eine konkav-konkave Linse aufweisen, die mit einer plan-konvexen Linse gebondet bzw. verbunden ist. In dieser Ausführungsform umfasst die negative Objektiveinheit 1110 weiterhin ein Tubusgehäuse 1112, wobei die Linsen 1114, 1116 und 1118 darin untergebracht sind. Beide Linsen 1114 und 1116 sind in ringförmigen Nuten, gebildet in der inneren Fläche des Tubusgehäuses 1112 mit einer komplementären Passform, gelagert.
  • Das optische System 1100 umfasst nur die negative Objektiveinheit 1110 als ein Objektiv und das Relay(Makro)-Objektiv 1160. Das System 1100 erfordert keine Feldoptik. Das System 1160 erfordert kein Pechan-Prisma oder dessen Äquivalent, kein Dachkantprisma oder einen Spiegel. Die Ausführungsform der Erfindung verwendet einen negativen Linsencluster oder ein negatives Objektiv anstelle eines positiven Objektivs. Dies ist im Gegensatz zu existierenden Systemen, die ein positives Objektiv verwenden, das ein Bild erzeugt, das auf dem Kopf steht und die Verwendung eines Spiegels oder von Prismen erfordert, um die Orientierung des Bildes zu korrigieren. Alternativ kann dies unter Verwendung einer Reihe von gleichmäßig beabstandeten positiven Feld- oder Relayoptiken durchgeführt werden. Weiterhin erfordert die Verwendung eines positiven Objektivs im vorliegenden System die Verwendung einer Feldoptik, um das Bild des (positiven) Objektivs zu vergrößern. Die Verwendung der negativen Objektiveinheit 1110 als Objektiv vereinfacht das optische System 1100, da das Bild, das durch die (Makro-)Relayoptik 1160 fokussiert wird, bereits in korrekter Art und Weise aufrecht vorliegt.
  • Aufgrund der Größe eines negativen Objektivbilds ist eine Feldoptik nicht erforderlich, um das Bild zu vergrößern. Die Größenanforderungen der negativen Objektiveinheit 1110 werden eher durch die Leistung der Makrorelayoptik 1160 und den erforderlichen Arbeitsabstand, die Aperturgröße der negativen Objektiveinheit, der Leistung der Makrorelayoptik und dem verwendeten Film- oder Videoformat bestimmt. Wenn eine 1:1 100 mm Makrorelayoptik einen Arbeitsabstand von 1 Fuß (1') ergibt, ergibt eine 1:1 200 mm Makrorelayoptik einen Arbeitsabstand von 2 Fuß (2'). Beispielsweise kann eine 55 oder 60 mm Makrorelayoptik einen guten Tiefenschärfen(deep focus)-Bereich liefern. In einer derartigen Ausführungsform ist die negative Objektiveinheit 1110 nahe an der Makrorelayoptik 1160. Dies kann einen deutlichen Vorteil in Ausführungsformen für Standbildanwendungen darstellen, beispielsweise da die negative Objektiveinheit 1110 (d. h. die als Objektiv agiert) einen einfachen Schraubvorsatz darstellen kann. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Makrorelayoptik 1160 ein Zoomobjektiv umfassen oder Zoomobjektivkomponenten aufweisen. In den Ausführungsformen der Erfindung gibt es wesentlich weniger Luft-zu-Glas-zu-Luft-Bereichen und daher wenig oder praktisch keine Bilddegradation bzw. -verschlechterung. Beispielsweise kann es in einer Ausführungsform der Erfindung nur 2 oder 3 derartige Luft-zu-Glas-zu-Luft-Bereichen geben.
  • Negative Objektive sind weniger weitwinklig, wenn sie mit einem positivem Element hintereinander verwendet werden. Die negative Objektiveinheit 1110 kann eine bewegbare Zoomkomponente umfassen, die in Zoomobjektiven verwendet wird und sehr befriedigend als Objektiv arbeitet. Negative Linsencluster 1110 kombinieren positive und negative Linsenelemente, aber bleiben in der Funktion negativ.
  • 1.2 Ein weiteres Weitwinkel-, Tieffeld-, nah-fokussierendes optisches System
  • 2 veranschaulicht ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nah-fokussierendes optisches System 1200 gemäß einer anderen Ausführungsform der Erfindung. Das optische System 1200 umfasst eine negative Objektiveinheit 1210, einen optionalen Objektivzylinder 1250 und eine Makrorelayoptik 1260, wieder in dieser Reihenfolge aufgebaut. Das optische System 1200 kann auf der Vorderseite einer Kamera (nicht gezeigt) angebracht werden und vom hier zuvor angeführten Typ sein. Die negative Objektiveinheit 1210 kann in einer Vielzahl von Wegen implementiert sein, vorausgesetzt dass die Einheit in Funktion negativ bleibt. D. h. die negative Objektiveinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Objektiveinheit austreten als ob die Lichtstrahlen von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Objektiveinheit ausgestrahlt würden.
  • Die Einheit 1210 kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente umfassen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Objektiv(e) sind positive Linsenelemente mit geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ. In der in 2 gezeigten Ausführungsform umfasst die negative Linseneinheit 1210 einen negativen Linsencluster. Der negative Linsencluster kann wieder eine plankonkave Linse 1214, eine konkav-konkave Linse 1216 und eine Dublett-Linse 1218 umfassen. Die Dublett-Linse 1218 kann eine konkav-konkave Linse, gebunden an eine plankonvexe Linse, aufweisen. Diese Komponenten sind in einem Tubusgehäuse 1212 untergebracht.
  • Hinter der Makrorelay-Optik 1260 ist eine Filmebene 1270 der Kamera mit einem Abstand positioniert, so dass das endgültige Bild des optischen Systems auf die Filmebene 1270 fokussiert wird. Das in 2 gezeigte System 1200 ist ein einfaches Objektiv mit hoher Tiefenschärfe vom „Sonden”-Typ, das für Video- und Kinokameras einschließlich 35 mm, 16 mm und verschiedene Videoformate verwendet werden kann.
  • Der negative Linsencluster 1210 kann genauso aufgebaut sein wie derjenige, der in 1 gezeigt ist, und kann von dem Typ sein, der in einem Zoomobjektiv eingesetzt wird, um ein Bild zu zoomen. Ein optionaler Aspheron-Vorsatz oder Vorsatz vom Aspheron-Typ 1280 kann genauso eingesetzt werden. Der optionale Aspheron-Vorsatz oder Vorsatz vom Aspheron-Typ 1280 kann eine lineare Verzerrung korrigieren und kann den Weitwinkel vergrößern. Die negativen Objektive vom Aspheron-Typ 1280 halten das Bild ohne große Verzerrung linear, genauso wie sie den Öffnungs- bzw. Aufnahme- bzw. Akzeptanzwinkel vergrößern. Wieder sind der lange Objektivtubus 1250 und die Makrorelay-Optik 1260 nur als Blockelemente dargestellt. In dieser Ausführungsform der Erfindung wird ein langes optisches System bereitgestellt. Die Makrorelay-Optik 1260 kann eine 55, 60, 105 oder 200 mm Optik darstellen. Das Makrorelay-Optikmodul kann einen Blendenkontrollmechanismus 1262 sowie einen Aperturkontrollmechanismus 1264 aufweisen.
  • In weiteren Ausführungsformen der Erfindung kann die Makrorelay-Optik 1260 ein Zoomobjektiv darstellen oder Zoomobjektivkomponenten aufweisen. Optional kann das System 1200 eine zusätzliche Optik 1266, gekoppelt zwischen den Tubus 1250 und der Makrorelay-Optik 1260, aufweisen. Die zusätzliche Optik 1266 ermöglicht, dass ein kürzerer Objektivtubus eingesetzt werden kann. Die zusätzliche Optik 1266 kann nützlich sein, weil diese bewirkt, dass das Makroobjektiv weniger Licht verliert als ansonsten der Fall wäre.
  • 1.3. Noch ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System
  • 3 veranschaulicht ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System 1300 gemäß noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das optische System 1300 umfasst eine negative Linseneinheit 1310 und eine Makrorelay-Optik 1360, aufgebaut in dieser Reihenfolge. Die negative Linseneinheit 1310 kann in einer Vielzahl von Wegen implementiert sein, vorausgesetzt dass die Einheit in Funktion negativ bleibt. Das heißt, die negative Linseneinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Die Einheit 1310 kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Linse(n) ist/sind positive Linsenelemente geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ.
  • In der in 3 gezeigten Ausführungsform umfasst die negative Linseneinheit 1310 einen negativen Linsencluster. Der negative Linsencluster kann eine plan-konkave Linse 1314, eine konkav-konkave Linse 1316 und eine Dublett-Linse 1318 aufweisen. Die Dublett-Linse 1318 kann eine konkav-konkave Linse, gebunden an eine plan-konvexe Linse, aufweisen. Diese Komponenten sind in einem Tubusgehäuse 1312 untergebracht. Das optische System 1300 kann auf der Vorderseite einer Kamera (nicht gezeigt) des hier zuvor angegeben Typs, z. B. einer Standbildkamera, angebracht sein. Hinter der Makrorelay-Optik 1360 ist eine Filmebene 1370 der Kamera mit einem Abstand positioniert, so dass das endgültige Bild des optischen Systems auf die Filmebene 1370 fokussiert wird. Das in 3 gezeigte System 1300 kann als Vorsatzoptik mit großer Tiefenschärfe für digitale und Standbildkameras (z. B. 35 mm) ausgeführt sein.
  • Der negative Linsencluster 1310 kann genauso wie derjenige, gezeigt in 1, aufgebaut sein, aber kann von dem Typ sein, der in einem Zoomobjektiv eingesetzt wird, um ein Bild zu zoomen. Die negative Linseneinheit 1310 ist mit der Makrorelay-Optik (z. B. 55 mm oder 60 mm) unter Verwendung eines passenden Schraubvorsatzes direkt gekoppelt. In dieser Ausführungsform weist die negative Linseneinheit 1310 ein Teil mit Außengewinde auf und die Makrorelay-Optik 1360 weist ein entsprechendes Teil mit Innengewinde auf, das mit der Fokuskontrolle 1362 verbunden ist. Die Fokuskontrolle 1362 und die Blendenkontrolle 1364 sind in der Makrorelay-Optik bereitgestellt. In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Makrorelay-Optik 1360 ein Zoomobjektiv darstellen oder Zoomobjektivkomponenten aufweisen.
  • 1.4. Noch ein weiteres Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System
  • 4 veranschaulicht ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System 1400 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Das optische System 1400 umfasst eine negative Linseneinheit 1410, ein Dispersionsprisma 1480, einen Objektivtubus 1450 und eine Makrorelay-Optik 1460, aufgebaut in dieser Reihenfolge. Die negative Linseneinheit 1410 kann in einer Vielzahl von Wegen ausgeführt sein sein, vorausgesetzt dass die Einheit in Funktion negativ bleibt. Das heißt, die negative Linseneinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Die Einheit 1410 kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Linse(n) ist/sind positive Linsenelemente mit geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ. In dieser Ausführungsform, wie in 4 gezeigt, umfasst die negative Linseneinheit 1410 eine einzelne negative Linse.
  • Alternativ kann die negative Linseneinheit einen negativen Linsencluster aufweisen, wie in irgendeiner der 1 bis 3 gezeigt. In dieser Ausführungsform kann ein 60° Dispersionsprisma eingesetzt werden. Weiter ist der Objektivtubus 1450 mit der Makrorelay-Optik 1460, hinter der die Filmebene 1470 angeordnet ist, drehbar gekoppelt. Die Makrorelay-Optik 1460 umfasst die Apertur- und Fokuskontrollmechanismen (nicht separat in den 2 und 3 gezeigt).
  • In anderen Ausführungsformen der Erfindung kann die Makrorelay-Optik 1460 ein Zoomobjektiv darstellen oder Zoomobjektivkomponenten aufweisen. Wie in 4 gezeigt, ist die negative Linseneinheit 1410 mit einer geneigten Fläche des Prismas 1480 verbunden, so dass die Einheit 1410 außerhalb der Achse ausgerichtet ist relativ zur zentral longitudinalen Achse des Objektivtubus 1450. Dieser Abweichungsaspekt ermöglicht, dass der Objektivtubus 1450 gedreht werden kann, um die korrekte Kamerageometrie in bestimmten schwierigen Positionen, z. B. aus einer Fußbodenposition, zu erhalten. Somit kann beispielsweise die Kamera auf den Boden gesetzt werden, um Bilder mit schwierigen Winkeln aufzunehmen. Dies ermöglicht einfachen Zugang zu schwierigen Perspektiven. Die Drehung des Linsentubus verbessert diesen Aspekt, und erlaubt beispielsweise Überkopf- und Hänge- bzw. Deckenaufnahmen.
  • 1.5. Noch ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System
  • 5 veranschaulicht ein duales Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System 1500 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Der duale Objektivaufbau 1500 ist zur Verwendung in einer Kammer bzw. einem Fach fester Größe oder einer Kameraluke, in einem Flugzeugrumpf (nicht gezeigt) angepasst. Zwei Makrorelay-Objektive 1510, 1510, 1512 sind in Position befestigt, jeweils gegenüberliegend und optisch ausgerichtet mit einer jeweils negativen Linseneinheit 1520, 1520, 1522. Beispielsweise können die Makrorelay-Optiken 1510, 1512 f 2,8 Micro-Nikon Makrorelay-Objektive darstellen, die eine Blende von f 2,8 bereitstellen, die tagsüber eine Kameraeinstellung mit Verschlusszeitenpriorität bereitstellen und nachts eine Kameraeinstellung mit Blendenpriorität. Beispielsweise können die negativen Linseneinheiten 55 mm negative Linsencluster darstellen. Die Markrorelay-Optiken und die negativen Linseneinheiten funktionieren und können in der hier zuvor beschriebenen Art und Weise aufgebaut sein. Die negativen Linseneinheiten 1520, 1520, 1522 sind jeweils in Position relativ zu den jeweiligen Markrorelay-Optiken 1510, 1510, 1512 mit einem Halterahmen 1530 befestigt, der aus Metall hergestellt sein kann. Auf diese Art und Weise sind Objektivtuben nicht erforderlich. Ein Glaselement 1540, eingehängt unterhalb des Halterahmens 1530, umschließt die duale Linsenkonfiguration 1500 im Flugzeugrumpf. In dieser Ausführungsform stellt jede Kombination von Makrorelay-Optik und negativer Linseneinheit 1510, 1510, 1512 und 1520, 1520, 1522 einen 100°-Blickwinkel bereit. Die Blickwinkel überlappen. Mit der Ausführungsform der Erfindung können beispielsweise zwei 35 mm Kameras anstelle einer 70 mm Kamera verwendet werden. Die negativen Linseneinheiten und die Makrorelay-Optiken können auf einer Achse in einem Lokalisierungsrahmen mit Registerleiste gehalten werden. Während Kombinationen zweier negativer Linseneinheiten und Makrorelay-Optiken in dieser Ausführungsform gezeigt sind, wird vom Fachmann im Stand der Technik im Lichte dieser Offenbarung geschätzt werden, dass andere Anzahlen in die Praxis umgesetzt werden können, einschließlich einer Kombination einer einzelnen negativen Linseneinheit und einer Makrorelay-Optik In anderen Ausführungsformen der Erfindung können die Markorelay-Optiken 1510, 1512 jeweils ein Zoomobjektiv oder Zoomobjektivkomponenten aufweisen. In den in den 1 bis 5 gezeigten Ausführungsformen kann die Makrorelay-Optik ein bewegliches Zoomobjektiv oder bewegliche Zoomobjektivkomponenten aufweisen.
  • Die vorangehenden Ausführungsformen der Erfindung umfassen weniger Degradation bzw. Verschlechterung eines Bildes aufgrund weniger Komponenten und daher weniger Luft-zu-Glas-zu-Luft-Degradation. Auch invertiert der negative Linsencluster als Objektiv das resultierende Bild zur korrekten Orientierung, wodurch es für die Ausführungsformen der Erfindung möglich wird, Spiegel und Prismen, die für vorliegende Systeme erforderlich sind, wegzulassen. In den Ausführungsformen der Erfindung können verschiedene Objektivlängen eingesetzt werden, wodurch die Objektive für verschiedene Kameras und Filmformate geeignet sind.
  • 2.0 Überblick über Tubusvorsatzoptiken
  • Die Ausführungsformen der hier nachfolgend beschriebenen Erfindung können massive Tiefenschärfe (depth of field) bereitstellen. Das heißt, die Ausführungsformen der Erfindung liefern ein Weitwinkel-, Tieffeld-, nahfokussierendes optisches System. Einige Ausführungsformen der Erfindung verneinen die Notwendigkeit, ein Zoomobjektiv von der Kamera zu entfernen, indem die Vorsatzoptik an dem Zoomobjektiv angebracht wird, wodurch beim Aufbau der Kamera Zeit gespart wird. Weiterhin erhöhen die Ausführungsformen der Erfindung die Tiefenschärfe, was für Table-top-Makrofotografie nützlich ist. Noch weiterhin sind die Ausführungsformen der Erfindung in der Lage dies mit in großem Maße reduzierten Lichtniveaus durchzuführen, wodurch die erforderliche Lichtmenge reduziert wird und somit Kosten für die Beleuchtung gespart werden.
  • Die partielle Verwendung des „Teleendes” des Zoomobjektivs kann nach wie vor verwendet werden, um die Tiefenschärfe (field size) und den Aufnahmewinkel des Gegenstands zu verändern. Ein partieller Zoom kann während der Aufnahme durchgeführt und erreicht werden.
  • Zwei Formen von Vorsatzoptiken werden hier nachfolgend beschrieben, nämlich eine gerade Sichteinheit und eine abgewinkelte (z. B. 60°) Sichteinheit. Aufgrund der Drehung um eine Hauptachse kann die abgewinkelte Sichteinheit den Zugang zu schwierigen Objektivplatzierungssituationen ermöglichen. Kontrollen von Fokus, Blende und Zoom können bei dem jeweiligen Objektiv, das mit der Kamera zur Verfügung gestellt wird, durchgeführt werden.
  • 2.1. Eine direkte nach vorne gerichtete Tubusvorsatzoptik
  • 6 ist ein Blockdiagramm und veranschaulicht zwei Vorsatzoptiken 1630, 1660 zur Verwendung mit einer Kamera 1600, z. B. einer Videokamera oder Filmkamera. Die Kamera 1600 weist ein Zoomobjektiv 1610 auf, das mit seiner optischen Achse ausgerichtet ist. Beispiele derartiger Kameras umfassen Sony-, JVC-, Canon-Videokameras mit Zoomobjektiven oder 16 mm oder 35 mm Filmkameras mit Zoomobjektiven. Eine der Vorsatzoptiken 1630 ist eine direkt nach vorne gerichtete Vorsatzoptik gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Diese Vorsatzoptik 1630 umfasst einen Kopplungsmechanismus 1632 für passgenauen Eingriff mit dem Zoomobjektiv 1610 der Kamera 1600. Wie in 6 dargestellt, umfasst der Kopplungsmechanismus 1632 an sich ein zylindrisches Teil mit Außengewinde zum passgenauen Interagieren mit einem zylindrischen Gegenteil mit Innengewinde (nicht gezeigt) eines Kamera-Zoomobjektivs 1610. Andere Kopplungsmechanismen können verwendet werden ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann eine Clipanordnung vom Bajonett-Typ den mit Gewinde versehenen Teil/Gegenstück-Kopplungsmechanismus 1632 von 6 mit entsprechender Anpassung der Zoomobjektivhaube bzw. Gegenlichtblende ersetzen. Ein Objektivzylinder oder Objektivtubus (nachfolgend einfach „Tubus”) 1638 ist mit einem Enden mit dem Kopplungsmechanismus 1632 gekoppelt. Beispielsweise kann der Tubus 1638 eine Länge zwischen 12 und 18 Zoll aufweisen aber andere Tubuslängen können eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Wie in 6 gezeigt, ist der Tubus 1638 ein längliches zylindrisches Teil und weist einen kleineren Durchmesser auf als derjenige des Kopplungsmechanismus 1632 zum Eingriff mit dem Zoomobjektiv 1610. Somit kann ein Kegelstumpfabschnitt mit einer zylindrischen Randleiste den länglichen Tubus 1638 mit dem Kopplungsmechanismus 1632 verbinden. Wenn der Kopplungsmechanismus 1632 und der Tubus 1638 denselben oder im Wesentlichen denselben Durchmesser aufweisen, können offensichtlich der Kegelstumpfabschnitt und die Randleiste weggelassen werden. Für Diskussionszwecke werden nachfolgend der Kegelstumpfabschnitt und die Randleiste als Teil des Kopplungsmechanismus angesehen, da der Einsatz dieser Teile von den Anforderungen an den Kopplungsmechanismus 1632 abhängt.
  • Eine zusätzliche Optik, die ein Nahbereichsobjektiv oder einen Diopter 1634 darstellt (nachfolgend einfach „Diopter” oder „Diopterlinse”) wird zwischen dem Tubus 1638 und dem Kopplungsmechanismus 1632 in dieser Ausführungsform angeordnet. Der Diopter 1634 fokussiert das Zoomobjektiv auf eine negative Linseneinheit 1640, wie hier nachfolgend beschrieben. Da der Diopter 1634 einen größeren Durchmesser als der Tubus 1638, aber einen kleineren Durchmesser als der Kopplungsmechanismus 1632 aufweist, ist der Diopter 1634 in dieser Ausführungsform im Kegelstumpfabschnitt und der Randleiste untergebracht. Jedoch können Variationen hinsichtlich der Position und Unterbringung des Diopters 1634 in die Praxis umgesetzt werden ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Die negative Linseneinheit 1640 ist mit dem anderen Ende des länglichen Tubus 1638 gekoppelt. Irgendeine Anzahl von negativen Linsenelementen und/oder negativen Linsenclustern, die dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt ist, kann vorliegen, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Gegebenenfalls kann die Vorsatzoptik 1630 auch eine Objektivhaube bzw. Gegenlichtblende aufweisen (wie in 6 gezeigt), um die negative Linseneinheit 1640 am Ende des Tubus 1638 zu schützen. Der Kopplungsmechanismus 1632, der Diopter 1634, der längliche Tubus 1638 und die negative Linseneinheit 1640 sind alle konzentrisch mit der optischen Achse der Kammer 1610 ausgerichtet. Somit bildet die Vorsatzoptik 1630 gemäß dieser Ausführungsform eine direkte nach vorne gerichtete Tubusvorsatzoptik. Die negative Linseneinheit 1640 bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Die Einheit kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Linse(n) sind positive Linsenelemente geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ.
  • 2.2. Eine abgewinkelte Tubusvorsatzoptik
  • Die andere Vorsatzoptik 1660 von 6 ist eine abgewinkelte Vorsatzoptik gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Vorsatzoptik 1660 umfasst ebenfalls einen Kopplungsmechanismus 1662 für passgenauen Eingriff mit dem Zoomobjektiv 1610 der Kamera 1600. Dieser Kopplungsmechanismus 1662 kann von derselben Struktur und Aufbau wie derjenige des Kopplungsmechanismus 1632 sein und geeignete Variationen und Substitutionen können hierfür durchgeführt werden, wie beschrieben mit Verweis auf den Kopplungsmechanismus 1632. Ein Tubus 1668 kann mit einem Ende direkt (nicht gezeigt) mit dem Kopplungsmechanismus 1662 gekoppelt sein.
  • Wieder kann beispielsweise der Tubus 1668 eine Länge zwischen 12 und 18 Zoll haben, aber andere Tubuslängen können in der Praxis eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Jedoch kann der Tubus 1668 mit dem Kopplungsmechanismus 1662 durch einen Drehmechanismus 1666 gekoppelt sein, der es dem Tubus 1668 ermöglicht, um 360° gedreht zu werden, wie hier nachfolgend in größeren Einzelheiten beschrieben. Der Drehmechanismus 1666 kann eine Drehringanordnung aufweisen, die eine 360° Drehung des länglichen Tubus zulässt. Wieder, wie in 6 gezeigt, weist der Tubus 1668 einen kleineren Durchmesser auf als derjenige des Kopplungsmechanismus 1662 für Eingriff mit der Zoomlinse 1610. Somit kann ein Kegelstumpfabschnitt mit einer zylindrischen Randleiste den länglichen Tubus 1668 oder den Drehmechanismus 1666 mit dem Kopplungsmechanismus 1662 verbinden. Ein Diopter 1664 ist zwischen dem Tubus 1668 und dem Kopplungsmechanismus 1662 in dieser Ausführungsform angeordnet. Der Diopter 1664 fokussiert das Zoomobjektiv auf eine negative Linseneinheit 1640, wie nachfolgend beschrieben.
  • Ein Umlenkprismenteil 1672 ist mit dem anderen Ende des länglichen Tubus 1668 gekoppelt. In der in 6 gezeigten Ausführungsform ist dieses Prismenteil 1672 ein 60° Umlenkprisma aber andere Umlenkprismen können in der Praxis eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Eine negative Linseneinheit 1670 ist auf der geneigten Fläche des Prismas 1672 relativ zur longitudinalen Achse des Tubus 1668 angeordnet. Wieder kann irgendeine Anzahl von negativen Linsenelementen und/oder Linsenclustern, die dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt ist, eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen.
  • Auch die Vorsatzoptik 1660 kann eine Objektivhaube bzw. Gegenlichtblende (wie in 6 gezeigt) aufweisen, um die negative Linseneinheit 1670 an diesem Ende des Tubus 1668 zu schützen. Der Drehmechanismus 1666 ermöglicht die Neigung des Prismas 1672 und daher dass die negative Linseneinheit 1670 um bis zu 360° gedreht werden kann. Somit bildet die Vorsatzoptik 1630 gemäß dieser Ausführungsform eine abgewinkelte Tubusvorsatzoptik. Die negative Linseneinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Die Einheit kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Linse(n) ist/sind positive Linsenelemente geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ.
  • 2.3 Eine weitere abgewinkelte Tubusvorsatzoptik
  • Noch eine weitere Vorsatzoptik 1760 ist in 7 gezeigt, umfassend eine abgewinkelte Vorsatzoptik gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Diese Vorsatzoptik C360 umfasst einen Kopplungsmechanismus 1762 für passenden Eingriff mit einer Kamera (nicht gezeigt). Dieser Kopplungsmechanismus 1762 kann von derselben Struktur und demselben Aufbau sein, wie demjenigen des Kopplungsmechanismus 1632 und geeignete Variationen und Substitutionen können durchgeführt werden, wie beschrieben in Bezug auf den Kopplungsmechanismus 1632.
  • Verschiedene Kopplungen, wie mit den anderen Ausführungsformen können verwendet werden, um für verschiedene Kameras zu passen. Ein Tubus 1768 kann an einem Ende direkt (nicht gezeigt) mit einer Markrolinseneinheit mit Zoom 1780 gekoppelt sein, die beispielsweise ein f2.8 100 mm Markoobjektiv sein kann. Ihrerseits kann die Markolinseneinheit mit Zoom 1780 mit dem Kopplungsmechanismus 1762 verbunden sein. Jedoch kann der Tubus 1768 mit der Makrolinseneinheit 1780 durch einen geeigneten Drehmechanismus gekoppelt sein, der dem Tubus 1768 eine Drehung um 360° ermöglicht. Die Makrolinseneinheit mit Zoom 1780 ist kein Zoomobjektiv mit einem Makromodus. In dieser Ausführungsform ist die Makrolinseneinheit mit Zoom 1780 auf die negativen Linseneinheit 1770 fokussiert. Diese Ausführungsform weist eine geeignete Makrolinseneinheit auf.
  • Wie in 7 gezeigt, kann in dieser Ausführungsform ein Einschubfilter 1782 zwischen dem Tubus 1768 und der Makrolinseneinheit mit Zoom 1780 angeordnet werden. Dies kann ein extern drehbarer Einstopp-Polarisator sein. Die Makrolinseneinheit 1780 kann einen Fokusring 1766 und einen manuellen Zoomkontollring 1763 umfassen, der die Option aufweisen kann, an den der Kamera eigenen Zoomkontrollschalter anzukoppeln. Der Tubus 1768 kann eine optische Planfläche als Verschlussmechanismus 1767 aufweisen, um den Tubus 1768 zu verschließen. Auch der Tubus 1768 kann für eine Schnellanbringung an die Markolinseneinheit 1780 angepasst sein.
  • Verschiedene Tubuslängen können in die Praxis umgesetzt werden, um für verschiedene Formate zu passen. Beispielsweise kann eine Einheit für einen 35 mm Film und eine weitere für andere Formate vorliegen. In einer Ausführungsform können der Tubus 1768 und ein Umlenkprisma 1772 etwa 300 mm lang und wasserdicht sein, um tauchfähig zu sein.
  • Das Dispersionsumlenkprisma 1772 ist mit dem anderen Ende des länglichen Tubus 1768 gekoppelt. In dieser Ausführungsform ist das Prismenteil 1772 ein 60° Umlenkprisma, aber andere Umlenkprismen können in der Praxis eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Eine negative Linseneinheit 1770 ist auf der geneigten Oberfläche des Prismas 1772 relativ zur longitudinalen Achse des Tubus 1768 angeordnet. Der Tubus 1768 und daher das Umlenkprisma 1772 und die negative Linseneinheit 1770 können um 360° gedreht werden. Die negative Linseneinheit 1770 kann eine asphärische negative Optik darstellen.
  • Während die Ausführungsform von 7 als Sichtfeldeinheit mit Winkelabweichung bzw. abgewinkelte Sichteinheit beschrieben wurde, wird der Fachmann im Stand der Technik es schätzen, dass eine andere Ausführungsform in die Praxis umgesetzt werden kann unter Verwendung einer direkten nach vorne gerichteten Sichtfeldeinheit, wie derjenigen von 6. Die negative Linseneinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Die Einheit kann sowohl positive als auch negative Linsenelemente aufweisen, vorausgesetzt die Kombination bleibt in der Gesamtfunktion negativ. Jegliche positive Linse(n) ist/sind positive Linsenelemente mit geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit bleibt negativ.
  • Weiterhin können Kameras gemäß den Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden, die eine Vorsatzoptik aufweisen, wie hier zuvor beschrieben, mit einem Zoomobjektiv der Kamera oder eine Vorsatzoptik mit einer Makrolinseneinheit mit Zoom. Beispiele derartiger Video- oder Filmkameras sind dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt.
  • 3.0 Überblick über optische Doppelschwenk-Objektivsysteme
  • Die nachfolgenden Ausführungsformen der Erfindung können massive Tiefenschärfe bereitstellen, wodurch Subjekte sowohl im Vordergrund als auch im Hintergrund im Fokus sind. Dies ist für Table-top-Makrofotografie nützlich. Weiterhin können die nachfolgenden Ausführungsformen der Erfindung dies bei in großem Maße reduziertem Lichtniveaus durchführen, wodurch die erforderliche Lichtmenge reduziert und somit die Kosten der Beleuchtung gespart werden.
  • Einige Ausführungsformen der Erfindung verneinen die Notwendigkeit ein Zoomobjektiv oder Markoobjektiv von einer Kamera zu entfernen, indem die Doppelschwenk-Vorsatzoptik an dem Zoomobjektiv oder Makroobjektiv angebracht wird, wodurch beim Aufbau der Kamera Zeit gespart wird. Einige Ausführungsformen der Erfindung werden einfach an einem vorliegenden Zoomobjektiv oder Makroobjektiv einer Kamera befestigt, was die Weglassung zusätzlicher optischer Geräte ermöglicht und die damit in Zusammenhang stehenden Kosten vermeidet. Die teilweise Verwendung des „Teleendes” eines Zoomobjektivs kann nach wie vor verwendet werden, um die Tiefenschärfe (field size) und den Aufnahmewinkel des Gegenstands zu verändern. Partieller Zoom kann während der Aufnahme durchgeführt und erreicht werden.
  • 3.1 Doppelschwenk-Vorsatzoptik
  • 8 veranschaulicht eine Anordnung von 1800 eines optischen Doppelschwenk-Objektivsystems 1870 gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Die Vorsatzoptik 1870 kann mit einer Kamera 1810 verwendet werden, z. B. einer Videokamera oder einer Filmkamera. Dieses System 1870 wird als eine Doppelschwenkoptik für eine Kamera 1810 umgesetzt, die ein Zoomobjektiv oder Makroobjektiv 1812 aufweist, das an der Kamera 1810 angebracht ist, und das mit der optischen Achse der Kamera ausgerichtet wird. Beispiele derartiger Kameras umfassend Sony-, JVC-, Canon-Videokameras mit Zoomobjektiven oder 16 mm oder 35 mm Kinofilmkameras mit Zoomobjektiven. Diese stellen nur Beispiele von Kameras dar, mit denen diese und andere Ausführungsformen der Erfindung in die Praxis umgesetzt werden können.
  • Die Vorsatzoptik 1870 umfasst einen Kopplungsmechanismus 1820 zum passgenauen Eingriff mit dem vorliegenden Zoomobjektiv oder Makroobjektiv 1812 der Kamera 1810. Wie in 8 gezeigt, ist der Kopplungsmechanismus 1820 in dieser Ausführungsform ein zylindrisches Teil mit Außengewinde zum Eingriff in ein zylindrisches Gegenteil mit Innengewinde (nicht gezeigt) des Zoomobjektivs oder Makroobjektivs 1812. Jedoch können andere Kopplungsmechanismen, die dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt sind, in der Praxis eingesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Beispielsweise kann eine Clipanordnung vom Bajonett-Typ den mit Gewinde versehenen Teil/Gegenteil-Kopplungsmechanismus 1820 von 8 ersetzen, mit jeweiliger Anpassung des Zoomobjektivs oder Makroobjektivs 1812 der Kamera 1810.
  • Das System umfasst ein vorliegendes Zoomobjektiv mit Naheinstellung, eine Diopterzusatzoptik 1880 oder ein Makroobjektiv 1812. Die Diopteroptik 1880 kann im Zoomobjektiv angebracht sein oder an das Zoomobjektiv 1812 angekoppelt sein. Andere Konfigurationen können umgesetzt werden, vorausgesetzt die Diopteroptik 1880 ist angeordnet, um das vorliegende Zoomobjektiv 1812 auf eine negative Linseneinheit 1860 zu fokussieren, wie hier nachfolgend erläutert. Der Diopter 1880 fokussiert das Zoomobjektiv 1812 auf ein virtuelles Bild der negativen Linseneinheit 1860. Ansonsten wird das Makroobjektiv 1812 auf die negative Linseneinheit fokussiert. Das Zoomobjektiv oder das Makroobjektiv 1812 ist im System 1870 eine Relay-Optik.
  • Ein zylindrisches Gehäuse 1834 ist an den Kopplungsmechanismus 1820 gekoppelt. Gegebenenfalls ist das zylindrische Gehäuse 1834 an dem an den Kopplungsmechanismus 1820 angrenzenden Ende angepasst, um ein Einschubfiltersystem 1822 aufzunehmen, das bevorzugt von der oberen Seite des Gehäuses 1834, wie in 8 gezeigt, eingeführt wird. Das zylindrische Gehäuse bildet ebenfalls einen Teil eines Bildrotators 1830. Bevorzugt umfasst der Bildrotator 1830 ein Pechan-Prisma 1832, angeordnet im Bildrotator 1830. Das Pechan-Prisma 1832 ist ein optisches Linsenelement, das ein Bild drehen kann. Der Bildrotator 1830 weist eine drehbare Außenhülse auf, die an das Pechan-Prisma gekoppelt ist, das sieh manuell um seine longitudinale Achse drehen kann, um das Bild unter Verwendung des Pechan-Prismas 1832 zu drehen. In einer alternativen Ausführungsform kann ein Dove-Prisma (dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt) anstelle eines Pechan-Prismas im Bildrotator 1830 eingesetzt werden.
  • Ein Dove-Prisma ist ein reflektives Prisma, geformt aus einem kegelstumpfartigen rechtwinkligen Prisma, das ein Bild invertieren kann. Die Doppelschwenk-Vorsatzoptik 1870 umfasst weiterhin zwei Drehmechanismen 1840, die bevorzugt Drehringe darstellen. Ein Drehring 1840 koppelt den Bildrotator 1830 mit einem abgewinkelten (im Seitenaufriss) Gehäuse 1842, das eine dreieckige oder weitgehend dreieckige Form aufweisen kann. Das abgewinkelte Gehäuse 1842 weist ein Amici-Dachkantprisma 1844 auf, angeordnet innerhalb des Gehäuses 1842. Das Prisma 1844 kann Licht um 90° durch das gewinkelte Gehäuse 1842 ablenken und gleichzeitig ein Bild invertieren.
  • Somit wird die longitudinale optische Achse, die in der Zeichnung horizontal durch den Bildrotator 1830 und das Zoomobjektiv (mit Diopter) oder das Makroobjektiv 1812 verläuft, duch das Amici-Dachkantprisma 1844 um 90° gedreht, so dass die optische Achse in einer vertikalen Art und Weise in der Zeichnung nach unten orientiert ist.
  • Wie in 8 gezeigt, ist ein weiteres gewinkeltes Gehäuses 1850 mit dem gewinkelten Gehäuse 1842 über den zweiten Drehring 1840 gekoppelt. In der gewinkelten Fläche 1854 des gewinkelten Gehäuses 1850 ist ein Oberflächenspiegel 1852 angebracht. Das gewinkelte Gehäuse 1854 ist bei der Fläche entgegengesetzt zum Spiegel 1852 mit der negativen Linseneinheit 1860 gekoppelt. Die negative Linseneinheit 1860 fungiert als ein Objektiv und ist eine abgeschlossene Einheit. Irgendeine Anzahl von negativen Linsenelementen und/oder negativen Linsenclustern, die dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt sind, kann in der negativen Linseneinheit 1860 umgesetzt werden, ohne vom Umfang und Gedanken der Erfindung abzuweichen. Die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit ist eine negative Linse. Das heißt, die negative Linseneinheit bewirkt, dass auftreffende parallele Lichtstrahlen aus der negativen Linseneinheit austreten, wie Lichtstrahlen, die von einem Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit ausgestrahlt werden. Einige Elemente der negativen Linseneinheit können eine positive Linse (positive Linsen) darstellen, vorausgesetzt sie sind positive Linsenelemente mit geringer Leistung und die Gesamtfunktion der negativen Linseneinheit 1860 bleibt negativ.
  • Die negativen Linsenelemente verschiedener Leistungen können in der negativen Linseneinheit 1860 eingesetzt werden, so dass es eine Wahl an Aufnahmewinkeln geben kann. Die negative Linseneinheit 1860 kann in einer Vielzahl von Wegen implementiert werden, vorausgesetzt die Einheit bleibt in Funktion negativ. In der in 8 gezeigten Ausführungsform umfasst die negative Linseneinheit 1860 einen negativen Linsencluster. In 8 umfasst die negative Linseneinheit 1860 (von links nach rechts) eine plan-konkave Linse 1862, eine konkav-konkave Linse 1864 und eine Dublett-Linse 1866, 1868. Die Dublett-Linse 1866, 1868 kann eine konkav-konkave Linse 1866, gebunden an eine plan-konvexe Linse 1868, aufweisen.
  • Die negative Linseneinheit 1860 kann eine asphärische negative Optik darstellen. Der Drehring 1840 zwischen dem abgewinkelten Gehäuse 1842 und dem Bildrotator 1830 lässt zu, dass die negative Linseneinheit 1860, das abgewinkelte Gehäuse 1854 und das abgewinkelte Gehäuse 1842 um die longitudinale Achse, die sich durch den Bildrotator 1830 erstreckt, die in 8 in einer horizontalen Art und Weise orientiert ist, gedreht wird. Der andere Drehring 1840 zwischen dem gewinkelten Gehäuse 1842 und dem gewinkelten Gehäuse 1854 ermöglicht, dass das gewinkelte Gehäuse 1854 und die negative Linseneinheit 1860 sich um eine vertikale Achse drehen.
  • Die Lichtstrahlen, die vom Fokuspunkt auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit 1860 „ausgestrahlt” werden, werden vom Amici-Dachkantprisma 1844 um 90° (von horizontal zu vertikal) reflektiert. Das Prisma 1844 dreht die Lichtstrahlen um 90° und invertiert das Bild. Das Pechan-Prisma 1832 kann verwendet werden, um das Bild zu drehen, so dass das Bild in einer normalen (nicht invertierten) Orientierung vorliegt, wie dies bei der negativen Linseneinheit 1860 der Fall ist. In dieser Art und Weise kann stets ein korrekt orientiertes Bild ausgewählt werden, indem der Bildrotator 1830 eingestellt wird. Der Diopter 1880 fokussiert das Zoomobjektiv 1812 auf das Bild auf der Auftreffseite der negativen Linseneinheit 1860. Der Diopter 1880 ist zum Fokussieren des Markoobjektivs 1812 auf die negative Linseneinheit nicht erforderlich.
  • In der vorangehenden Ausführungsform der Erfindung ist das Zoomobjektiv (mit Diopter) oder Makroobjektiv 1812 hinter der Vorsatzoptik 1870 angeordnet und addiert sich hier daher nicht zum Gewicht am vorderen Ende der Vorsatzoptik 1870. Weiterhin kann das Zoomobjektiv 1812 das Sichtfeld einstellen, anstelle des Erfordernisses vieler kostspieliger Objektivlinsen am vorderen Ende des Systems 1870. Vorteilhafterweise bleibt die Vorsatzoptik 1870 kompakt und ist viel leichter.
  • 3.2 Ein weiteres optisches Doppelschwenklinsensystem
  • 9 veranschaulicht ein optisches Doppelschwenklinsensystem 1900 gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung. Wieder kann die Vorsatzoptik 1900 mit einer Kamera (nicht gezeigt) eingesetzt werden, z. B. einer Videokamera oder einer Filmkamera. Im Hinblick auf 9 sind die Merkmale, die die gleichen Bezugszeichen wie in 8 haben, dieselben Merkmale und weisen dieselbe Funktion (dieselben Funktionen) oder Betriebsweise(n) auf, sofern keine gegenteilige Intention vorliegt. Die Beschreibung derartiger Merkmale und ihres Aufbaus werden bei der Beschreibung von 9 aus Gründen der Kurze deshalb nicht wiederholt.
  • Auch entsprechende Modifikationen und/oder Substitutionen von Merkmalen können, wie mit Bezug auf 8 beschrieben, durchgeführt werden. Die Vorsatzoptik 1900 umfasst eine negative Linseneinheit 1860, ein abgewinkeltes Gehäuse 1850 und einen Spiegel 1852, zwei Drehmechanismen 1840, ein weiteres abgewinkeltes Gehäuse 1842 sowie ein Dachkantprisma 1844 und einen Bildrotator 1830 und ein Pechan- oder Dove-Prisma 1832. Die Vorsatzoptik 1900 kann gegebenenfalls den Einschubfilter 1822, wie in 18, aufweisen oder dieses Merkmal kann weggelassen werden. Der Kopplungsmechanismus 1820 von 8 wird weggelassen.
  • Die Vorsatzoptik 1900 umfasst weiterhin eine Makrolinseneinheit mit Zoom 1910, die beispielsweise ein f 2,8 100 mm Makroobjektiv darstellen kann. Ihrerseits ist die Makrolinseneinheit mit Zoom 1910 mit einem Kopplungsmechanismus 1920 verbunden. Die Makrolinseneinheit 1910 kann mit dem Bildrotator 1830 durch einen geeigneten Drehmechanismus gekoppelt sein, in welchem Fall der Drehmechanismus 1840 zwischen dem Bildrotator 1830 und dem abgewinkelten Gehäuse 1842 weggelassen werden kann. Die Makrolinseneinheit mit Zoom 1910 ist kein Zoomobjektiv mit einem Makromodus. In dieser Ausführungsform fokussiert die Makrolinseneinheit mit Zoom 1910 auf die negative Linseneinheit 1860. Diese Ausführungsform weist eine dedizierte bzw. geeignete Makrolinseneinheit auf.
  • Ein Einschubfilter 1950 kann zwischen dem Bildrotator 1830 und der Makrolinseneinheit mit Zoom 1910 in dieser Ausführungsform angeordnet sein. Dies kann ein extern drehbarer Einstopp-Polarisator sein. Die Makrolinseneinheit 1910 kann einem Fokusring 1940 und einen manuellen Zoomkontrollring 1930 aufweisen, der die Option haben kann, an den der Kamera eigenen Zoomkontrollschalter anzukoppeln.
  • Die Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung liefern ein optisches Doppelschwenklinsensystem, das einfach an vorliegende Zoomobjektive (mit Diopter) oder Makroobjektive einer Kamera angebracht werden kann, wodurch die Kosten zusätzlicher optiseher Elemente vermieden werden. Die negative Linseneinheit ist viel einfacher mit einer im großen Rahmen reduzierten Anzahl von Linsenelementen. Weiterhin wird die Lichtmenge, die für dieses System benötigt wird, im großen Rahmen reduziert. Beispielsweise kann eine Blende von f2.8 oder f4 erreicht werden, abhängig von der verfügbaren maximalen Blende des Zoomobjektivs. Alle Steuerungen, wie Blende, Fokus und Zoom können am Zoomobjektiv oder Makroobjektiv der Kamera durchgeführt werden. Das optische Doppelschwenklinsensystem ermöglicht größere Vielseitigkeit für eine ansonsten umständliche Kamera- und Objektiveinheit.
  • Die Schwenkachsen und der Bildrotator können motorisiert sein. Beispielsweise kann dies zum Wiederholen von Filmsequenzen durchgeführt werden. Der Bildrotator kann verwendet werden, um die Kamera ohne Einstellung der gesamten Kamera oder des Stativs auszurichten („to dutch”)(Winkel). Mit den Ausführungsformen der Erfindung wird die verfügbare Tiefenschärfe mit viel geringeren Lichtniveaus erreicht als bei anderen Systemen, wodurch sowohl Zeit als auch Geld gespart werden.
  • Weiterhin können die Kameras gemäß den Ausführungsformen der Erfindung eingesetzt werden, die ein optisches Doppelschwenklinsensystem aufweisen, wie hier zuvor mit einem Zoomobjektiv oder Makroobjektiv 1812 der Kamera 1810 beschrieben. Beispiele derartiger Video- oder Filmkameras sind dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt.
  • Weiterhin können die Kameras gemäß den Ausführungsformen der Erfindung in die Praxis umgesetzt werden, die eine Doppelschwenk-Vorsatzoptik aufweisen, wie hier zuvor mit eifern Zoomobjektiv oder einem Makroobjektiv der Kamera beschrieben oder einer Doppelschwenk-Vorsatzoptik mit einer Makrolinseneinheit mit Zoom. Beispiele derartiger Video- oder Filmkameras sind dem Fachmann im Stand der Technik gut bekannt.
  • 3.3 Afokale galileische Vorsatzoptik mit hoher Pupillenvergrößerung
  • Ein Aspekt des vorliegenden Linsensystems der Erfindung ist ein optisches System mit afokaler galileischer Vorsatzoptik („afokale Vorsatzoptik”) mit hoher Pupillenvergrößerung. Afokale Weitwinkelvorsatzoptiken aus dem Stand der Technik sind ausnahmslos dazu da, die Weitwinkelfähigkeit des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens) zu vergrößern, an das sie angebracht sind. Im Falle, wo das Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) einen Zoom darstellt, ist die Weitwinkelvorsatzoptik fast immer dazu da, das verwendbare Sichtfeld bei der kürzesten Fokuslänge des Zoombereichs zu vergrößern. Mit „verwendbares Sichtfeld” ist gemeint, dass es keine nennenwerte Erhöhung der Vignettierung bei der kurzen Fokuslängenposition gibt.
  • Im Gegensatz hierzu ist die afokale Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung im Allgemeinen dazu gedacht, um mit einem Zoomobjektiv verwendet zu werden, das in Richtung des längeren Endes des Zoombereichs eingestellt ist, d. h. näher zum längeren Ende als zum kürzeren Ende. Dies ist der Fall, weil die afokale Vorsatzoptik eine sehr große Pupillenvergrößerung aufweist und die Vignettierung beim kürzeren Ende des Zoombereichs hervorrufen würde. Weiterhin ist die afokale Vorsatzoptik relativ lang, um Objekte zugänglich zu machen, die ansonsten schwierig zu fotografieren wären, aufgrund ihres Orts, anstelle der Bereitstellung kurzer effektiver Fokuslängen (EFL) für das Zoomobjektiv.
  • Es ist festzuhalten, dass afokale Weitwinkelvorsatzoptiken aus dem Stand der Technik entworfen wurden, um so kompakt wie möglich zu sein. Im Gegensatz hierzu ist die afokale Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung bewusst sehr lang ausgelegt, um besseren fotografischen Zugang zu liefern, um Prismen und/oder Spiegeln Raum zu geben, um das Sichtfeld abzuwinkeln und/oder zu drehen und ebenfalls eine relativ große Tiefenschärfe bereitzustellen.
  • Weiterhin weisen weitwinkelige Vorsatzoptiken aus dem Stand der Technik im Allgemeinen eine Pupillenvergrößerung (pupil magnification) PM (d. h. das Verhältnis von Austritts- zu Eintrittspupillendurchmesser) von weniger als 2 auf, wenn das Verzerrungsabbild geradlinig ist, obwohl die PM in extremen Fallen auf 4 oder 5 ansteigen kann. Im Gegensatz hierzu weist die afokale Vorsatzoptik der vorliegenden Erfindung eine wesentlich größere Pupillenvergrößerung PM auf, wie nachfolgend in größeren Einzelheiten erläutert.
  • In 10 ist ein schematisches Diagramm einer beispielhaften (Beispiel 1) afokalen Vorsatzoptik 10 dargestellt und veranschaulicht eine Anzahl von Schlüsselmaßnahmen für Parameter, die zur Charakterisierung der afokalen Vorsatzoptik verwendbar sind, nämlich die Pupillenvergrößerung PM und den Längenparameter LP, wie nachfolgend definiert. Die „Objektseite” und die „Bildseite” des Objektivs ist aus Gründen des Bezugs bezeichnet.
  • In Bezug auf 10 umfasst die afokale Vorsatzoptik 10, angeordnet entlang einer optischen Achse A1, eine vordere negative Linsengruppe 108 mit einer objektivseitigen ”ersten” oder „vorderen” Flache SF und einer rückwärtigen positiven Linsengruppe 109 mit einer am bildseitigen „letzten” oder „rückwärtigen” Fläche SL. Die Linsengruppen 108 und 109 werden derart angeordnet, dass die afokale Vorsatzoptik 10 eine galileische Konfiguration aufweist. Eine afokale Vorsatzoptik 10 weist eine Scheitelpunktlänge VL (vertex length) auf, die als axialer Abstand (z. B. in mm) zwischen der Frontlinsenfläche SF und der letzten Linsenfläche SL definiert ist. Zusätzlich weist die afokale Vorsatzoptik 10 ein halbes Sichtfeld (half-field-of-view) HFOV auf, das als das Sichtfeld in Grad definiert wird, gemessen von der optischen Achse im Objektraum. Das vollständige Sichtfeld (full field-of-view) FFOV ist 2·HFOV. Die afokale Anbringung 10 weist einen Blendenstop 110 auf, angeordnet bei oder bildseitig von der letzten Fläche SL, d. h. auf der Seite des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens) der letzten Fläche SL (siehe z. B. 28).
  • Ein Fachmann im Stand der Technik wird verstehen, dass die Austrittspupillen- und Eintrittspupillenpositionen und -größen definiert sind durch die Position und Größe des Blendenstopps 110 bzw. Aperturblende und versteht, wie die Größe und Position von jedem hiervon aus den speziellen Linsendesignparametern der afokalen Vorsatzoptik 10 bestimmt werden. Es ist festzuhalten, dass die Austrittspupille und der Blendenstopp 110 bzw. die Aperturblende die gleiche Größe und Position aufweisen, wenn der Blendenstopp bzw. die Aperturblende bildseitig auf der letzten Linsenfläche SL angeordnet ist. Somit werden der Blendenstopp bzw. die Aperturblende und die Austrittspupille beide durch das Bezugszeichen 110 in der nachfolgenden Erläuterung angegeben.
  • Die Eintrittspupille ist das Bild des Blendenstopps bzw. der Aperturblende, gesehen von der Vorderseite der afokalen Vorsatzoptik 10. Dessen Position ist angegeben durch die Verlängerung des Wegs eines Hauptstrahls, der von der Vorderseite der Linse eintritt, bis dieser die optische Achse A1 kreuzt. Für die afokale Vorsatzoptik 10 ist dies ein kurzer Abstand bildseitig des vorderen Elements 101 und ist aus Gründen der einfachen Veranschaulichung nicht so gezeigt. Es ist jedoch festzuhalten, dass die Position der Eintritts- und Austrittspupille nicht das ist, was für die Berechnung der Pupillenvergrößerung zählt, sondern stattdessen nur die Durchmesser. Die jeweiligen Durchmesser DEN und DEX der Eintritts- und Austrittspupille für ein afokales System sind das doppelte der jeweiligen Eintritts- und Austrittsrandstrahlhöhen und werden somit einfach vom Fachmann im Stand der Technik berechnet.
  • Eine afokale Vorsatzoptik 10 wird charakterisiert durch eine unüblich große Länge relativ zum Durchmesser der Frontfläche SF. Der Durchmesser der Vorderfläche SF hängt weitgehend vom FFOV ab. Demgemäß, mit Bezug auf den Naheinstellungseinsatz von 10, ist es üblich, einen Parameter H1 als Überschneidungshöhe bei der Vorderfläche SF zu definieren, mit einem Strahl außerhalb der Achse OR1, der in das System mit einem Winkel von 1° zur optischen Achse A1 eintritt und der die letzte Fläche SL bei der optischen Achse (nicht im Maßstab gezeigt) schneidet. Es ist festzuhalten, dass wenn der Blendenstopp bzw. die Aperturblende (aperture stop) AS bei der letzten Fläche SL angeordnet wurde, dann würde OR1 einen Hauptstrahl für einen Feldwinkel von 1° darstellen.
  • Die Pupillenvergrößerung PM ist definiert als der Austrittspupillendurchmesser DEX dividiert durch den Eintrittspupillendurchmesser DEN. DEX und DEN können herkömmlicherweise berechnet werden durch Aufzeichnen eines paraxialen Strahls PR1 durch das System. Der Strahl tritt in das System parallel zur optischen Achse mit einer Höhe PEN = 1 ein. Die Schnitthöhe des paraxialen Strahls PR1 ist dann gegeben durch PEX. Die Pupillenvergrößerung kann dann berechnet werden als PM = PEX/PEN = PEX.
  • Die afokale Vorsatzoptik 10 der vorliegenden Erfindung wird charakterisiert durch eine Pupillenvergrößerung PM > 4, bevorzugt PM ≥ 6, noch bevorzugter PM ≥ 8 und sogar noch bevorzugter PM ≥ 10.
  • Die afokale Vorsatzoptik 10 der vorliegenden Erfindung wird weiterhin charakterisiert durch einen Längenparameter LP, der definiert ist als: LP = |VL/H1| worin die Bezeichnung |x| den „absoluten Wert von X” bedeutet. In beispielhaften Ausführungsformen ist LP > 200, bevorzugt LP ≥ 300, sogar bevorzugter LP ≥ 500 und noch bevorzugter LP ≥ 700. Der Längenparameter ist ein quantitatives Maß der relativen Länge der afokalen Vorsatzoptik 10.
  • Ein Fachmann im Stand der Technik für Objektivdesign ist ohne Weiteres dazu in der Lage, die Parameter PM und LP für irgendeines der beispielhaften Objektive, die hier dargestellt sind, zu berechnen, genauso für irgendeine afokale Vorsatzoptik, für die das Design erhältlich ist oder die ohne Weiteres aus Standardnachbautechniken, die für Objektive verwendet werden, ermittelt werden können.
  • Sechs beispielhafte Designs für eine afokale Vorsatzoptik 10 sind nachfolgend dargestellt, zusammen mit dem MTF und Verzerrungsdarstellungen. MTF und Verzerrung wurden durch Platzieren einer 100 mm Paraxiallinse (nicht gezeigt) bei der Eintrittspupille (110, 210, etc.), einer afokalen Vorsatzoptik 10 und dann Beurteilung der Aberrationen in einer Ebene, angeordnet 100 mm von der paraxialen Linse, errechnet. Alle sechs beispielhaften afokalen Vorsatzoptiken weisen eine galileische negativ-positiv Linsengruppen auf. In Übereinstimmung bei sämtlichen Beispielen ist die Austrittspupille 160 mm von der hinteren Linsenfläche SL angeordnet. Dies ermöglicht eine Menge an Raum, um die Austrittspupille der Vorsatzoptik an die Eintrittspupille des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens), an dem die afokale Vorsatzoptik befestigt ist (siehe 28), anzupassen.
  • In den nachfolgenden Beispielen ist S# = Oberflächenzahl, TYP = Oberflächentyp (d. h. Standard ST oder asphärisch ASPH), R = Radius, T = Dicke, DIA = Linsendurchmesser, OBJ = Objekt, IM = Bild, INF = unendlich, STO = Blendenstopp und PAR = paraxial. Sämtliche Messungen werden in mm angegeben, sofern nicht anders angegeben. Asphärische Oberflächen werden durch die nachfolgende Gleichung beschrieben: Z = r2/(R(1 + (1 – (1 + k)r2/R2)1/2)) + C4r4 + C6r6 + C8r8 + C10r10 + C12r12 + C14r14 + C16r16, wobei Z die Verschiebung in Richtung der optischen Achse darstellt, gemessen von der polaren Tangentenebene, r ist die radiale Koordinate, R ist der Basisradius der Krümmung, k ist die konische Konstante und Ci ist die i-te-Ordnung der asphärischen Deformationskonstante.
  • Beispiel 1
  • Beispiel 1 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 10 gezeigt und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 1
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF - 0
    1 ST 88,15 4 N-PSK53 48
    2 ST 25,31 9 - 40
    3 ST –270,45 4 N-FK51 42
    4 ST 35,03 3 - 40
    5 ST 35,86 7 N-SF57 38
    6 ST INF 2 - 38
    7 ST INF 7 N-SK5 36
    8 ST –38,42 5 N-LASF43 36
    9 ST 38,26 280 - 30,5
    10 ST –861,03 11 N-SK16 72
    11 ST –80,84 4 N-KZFS8 76
    12 ST –144,38 160 - 76
    STO PAR - 100 - 60
    IM ST INF - - 7,9885533
  • Beispiel 1 weist ebenfalls die nachfolgenden Spezifikationen auf:
    Beispiel 1 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 4,43 mm
    Austrittspupillendurchmesser 60 mm
    Pupillenvergrößerung PM 13,56
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 57,1°
    Scheitelpunktlänge 336 mm
    Längenparameter LP 513
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • In Beispiel 1 ist die positive Gruppe 109 ein einfach verklebtes Dublett und somit korrigiert dieses in erster Linie die sphärische Aberration, Coma und longitudinale chromatische Aberration. Die fünf-elementige negative Gruppe 108 korrigiert in erster Linie Verzerrung, Astigmatismus und laterale chromatische Aberration.
  • 11 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro Millimeter (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen. 12 ist eine Darstellung für die Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm. Beide Darstellungen geben ausgezeichnete Abbildungsleistungsfähigkeit an.
  • Beispiel 2
  • Beispiel 2 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 13 gezeigt und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 2
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF 0
    1 ST INF 25 0
    2 ST 195,1199 4 S-BSM14 31,51449
    3 ST 44,36588 10 30,24148
    4 ST –660,3498 4 S-BSM14 30,93034
    5 ST 53,10739 6 S-TIH6 31,44814
    6 ST 140,4154 146,0878 31,42639
    7 ST –79,78889 5 S-BSL7 56,56599
    8 ST 326,3333 7,913365 60,87322
    9 ST 696,8776 14 S-BSM14 65,93368
    10 ST –82,96206 0,4999765 68,17091
    11 ST –1720,805 5 S-TIM2 68,74205
    12 ST 97,0454 12,5 S-BSM14 69,4879
    13 ST –241,7777 160 69,74354
    STO PAR - 100 - 60
    IM ST INF - - 6,008697
  • Beispiel 2 weist ebenfalls die nachfolgenden Spezifikationen auf:
    Beispiel 2 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 15 mm
    Austrittspupillendurchmesser 60 mm
    Pupillenvergrößerung PM 4
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 13,8°
    Scheitelpunktlänge 215 mm
    Längenparameter LP 209
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • Die positive Gruppe 209 umfasst vier Elemente (204, 205, 206 und 207) und kann die Astigmatismuskorrektur wesentlich beeinflussen. Die grundlegende Struktur von 209 ist ähnlich zu Tubusobjektiven, die herkömmlicherweise in Mikroskopen eingesetzt werden. Die negative Gruppe 208 ist relativ einfach und umfasst genau drei Elemente. Das afokale System ist außerordentlich gut korrigiert und würde vernachlässigbaren Einfluss auf das Aberrationsgleichgewicht irgendeines Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens) haben, an das es angebracht ist.
  • Beispiel #2 stellt ein Design nahe einem Extrem des GBO-Patentraums dar, worin sowohl PM als auch LP relativ klein sind.
  • 14 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro Millimeter (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen. 15 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm. Beide Darstellungen geben ausgezeichnete Abbildungsleistungsfähigkeit an.
  • Beispiel 3
  • Beispiel 3 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 16 und 17 gezeigt, für jeweils beide Unendlichkeits- und Nahfokuspositionen und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 3
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF 0
    1 ST INF 0 0
    2 ST 122,1312 4 S-BSM14 49,01134
    3 ST 57,58075 10,94886 46,13862
    4 ST –240,3315 4 S-BSM14 45,07852
    5 ST 55,95508 6 S-TIH6 44,52356
    6 ST 120,6615 453,1182 44,00591
    7 ST –68,36387 5 S-BSL7 56,50125
    8 ST 264,3109 10,40226 60,60683
    9 ST 573,009 14 S-BSM14 66,77078
    10 ST –83,70066 14,48841 68,68301
    11 ST –687,4014 5 S-TIM2 68,84998
    12 ST 184,2842 11 S-BSM14 69,2496
    13 ST –307,885 160 69,53463
    STO PAR - 100 - 60
    IM ST INF - - 5,903116
  • Beispiel 3 veranschaulicht ein Verfahren, in dem eine nahe Fokussierung in der vorliegenden Erfindung erreicht werden kann. In Beispiel 3 wird eine nahe Fokussierung erreicht durch Erhöhen des Luftspalts, der die negative Gruppe 308 von der positiven Gruppe 309 trennt. Insbesondere wird das Fokussieren von einem Objekt, angeordnet bei Unendlich und eines Objekts in Kontakt mit der Vorderseite durchgeführt durch Erhöhen der Dicke #6 von 453,1182 mm auf 530,4587 mm. Die Bildqualität bleibt für sämtliche Fokusabstände außerordentlich hoch.
  • Beispiel 3 weist die folgenden Spezifikationen auf:
    Beispiel 3 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 7,5 mm
    Austrittspupillendurchmesser 60 mm
    Pupillenvergrößerung PM 8
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 27°
    Scheitelpunktlänge 538 mm
    Längenparameter LP 357
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • Die 18 und 19 sind Darstellungen des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe von 25 Linienpaaren pro Millimeter (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen für sowohl Unendlich- als auch Nah-Fokuspositionen.
  • 20 und 21 sind Darstellungen für eine Verzerrung einer Bildhöhe IH = 3 mm jeweils beide Unendlich- und Nah-Fokuspositionen. Die Darstellungen geben ausgezeichnete Abbildungsleistungsfähigkeit an.
  • Beispiel 4
  • Beispiel 4 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 22 gezeigt und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 4
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF - 0
    1 ST INF 25 - 0
    2 ST 172,8747 4 Acryl 49,57537
    3 ASPH 28,13959 11,32702 43,03438
    4 ST –87,13057 3 S-LAL8 42,97893
    5 ST 43,50225 12,5 S-FTM16 44,06375
    6 ST –99,51582 354,0156 - 44,8324
    7 ST –66,18037 4 S-BSL7 58,68107
    8 ST 440,1247 4,018706 - 62,9463
    9 ST 1139,243 12,5 S-BSM14 65,10248
    10 ST –76,451 284,6348 - 66,69302
    11 ST –1501,181 5 S-TIM2 69,35217
    12 ST 270,971 10 S-BSM14 69,53155
    13 ST –410,1233 160 69,70328
    STO PAR - 100 - 60
    IM ST INF - - 6,008836
  • Die Werte für die asphärischen Parameter für die Fläche S3 sind wie folgt (jene Parameter, die nicht aufgelistet sind, haben einen Wert von 0):
    Beispiel 4 – Asphärenwerte
    Parameter Wert
    k –2,627492
    C4 9,0004874 × 10–6
    C6 –4,2217971 × 10–9
    C8 –1,1221548 × 10–12
    C10 1,9828446 × 10–15
  • Beispiel 4 hat die nachfolgenden Spezifikationen:
    Beispiel 4 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 4,5 mm
    Austrittspupillendurchmesser 13 mm
    Pupillenvergrößerung PM 13,3
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 43,2°
    Scheitelpunktlänge 705 mm
    Längenparameter LP 776
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • In Beispiel #4 wurden PM und LP jeweils auf 13,33 und 776 erhöht. Um die Verzerrung entsprechend zu korrigieren, wurde die zweite Fläche des ersten Elements 401 asphärisch ausgelegt. Das erste Element 401 ist aus Acryl hergestellt um ein kostengünstiges Formen in Massenproduktion zu ermöglichen. Jedoch kann dieses Vorderelement 401 auch aus Glas hergestellt sein.
  • 23 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro Millimeter (lp/mm) für tangentiale (T) und sagittale (S) Strahlen.
  • 24 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm. Spezielle Aufmerksamkeit wurde auf die Form der Verzerrungskurve gerichtet, um sicherzustellen, dass das System eine gute Wiedergabe gerader Linien aufweist. Dies wird erreicht durch Beschränkung der realen Bildhöhe bei 0,7 des Feldes um gleich dem 0,7-fachen der vollständigen feldrealen Bildhöhe zu sein. Die Darstellungen geben ausgezeichnete Abbildungsleistungsfähigkeit an.
  • Beispiel 5
  • Beispiel 5 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 25 gezeigt und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 5
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF - 0
    1 ST INF 25 - 0
    2 ST –3727,214 4 Acryl 59,99759
    3 ASPH 29,29989 41,83901 50,00801
    4 ST –42,31193 3 S-LAL8 36,45973
    5 ST 35,8772 20 S-FTM16 38,1729
    6 ST –65,91027 337,7155 - 40,98335
    7 ST –71,43676 4 S-BSL7 47,0801
    8 ST 249,9053 3,804346 - 49,36452
    9 ST 359,4984 12,63421 S-BSM14 51,09736
    10 ST –82,54795 275,2526 - 52,90696
    11 ST –1359,685 5 S-TIM2 49,45262
    12 ST 247,7238 12 S-BSM14 49,49473
    13 ST –406,0566 160 49,58836
    STO PAR - 100 - 40
    IM ST INF - - 5,970178
  • Die Werte für die asphärischen Parameter für die Fläche S3 sind wie folgt (jene Parameter, die nicht aufgelistet sind, haben einen Wert von 0):
    Beispiel 5 – Asphärenwerte
    Parameter Wert
    k –1,85985
    C4 7,5208229 × 10–7
    C6 6,6098168 × 10–9
    C8 –1,7891359 × 10–11
    C10 1,0881946 × 10–14
  • Beispiel 5 weist die nachfolgenden Spezifikationen auf:
    Beispiel 5 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 2 mm
    Austrittspupillendurchmesser 40 mm
    Pupillenvergrößerung PM 20
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 61,9°
    Scheitelpunktlänge 719 mm
    Längenparameter LP 963
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • In Beispiel #5 sind PM = 20 und LP = 963 beide relativ groß. Trotzdem ist die Frontgruppe 508 nach wie vor sehr einfach, wie in Beispiel #4 wird eine asphärische Fläche (S# = S3) auf dem Linsenelement 501 verwendet, um die Verzerrung auf einen akzeptabel niedrigen Wert zu halten.
  • 26 ist eine Darstellung des MTF (relativer Kontrast) gegen die Bildhöhe für 25 Linienpaare pro Millimeter (lp/mm) für tangentiale (T) und saggittale (S) Strahlen. 27 ist eine Darstellung der Verzerrung für eine Bildhöhe IH = 3 mm. Beide Darstellungen geben ausgezeichnete Abbildungsleistungsfähigkeit an.
  • Beispiel 6
  • Beispiel 6 einer afokalen Vorsatzoptik 10 ist in 28 gezeigt und weist die nachfolgende Linsenbeschreibung auf:
    Linsendesignvorschrift für Beispiel 6
    S# Typ R T Glas DIA
    Obj. INF INF INF - 0
    1 ST INF 25 - 43,32528
    2 ST –64,03251 4 S-BSM14 35,35575
    3 ASPH –5087,108 7,505806 35,30093
    4 ST –481,4665 4 S-BSM14 35,19297
    5 ST 77,76808 6 S-TIH6 35,31797
    6 ST 262,3411 437,6602 35,14401
    7 ST –69,34656 5 S-BSL7 53,04159
    8 ST 294,6483 10,7904 56,56423
    9 ST 628,3981 14 S-BSM14 62,56255
    10 ST –87,8117 35,0447 64,77761
    11 ST –811,338 5 S-TIM2 66,09511
    12 ST 190,1571 11 S-BSM14 66,53809
    13 ST –305,1073 160 -
    66,89365
    STO PAR - 100,03 - 60
    IM ST INF - - 6,008697
  • Die Werte für die asphärischen Parameter für die Fläche S3 sind wie folgt (jene Parameter, die nicht aufgelistet sind, haben einen Wert von 0):
    Beispiel 6 – Asphärenwerte
    Parameter Wert
    k –20,09723
    C4 –7,664269 × 10–7
    C6 1,1926043 × 10–8
    C8 –1,5117601 × 10–11
    C10 9,6130549 × 10–15
  • Beispiel 6 weist die nachfolgenden Spezifikationen auf:
    Beispiel 6 – Spezifikationen
    Eintrittspupillendurchmesser 7,5 mm
    Austrittspupillendurchmesser 60 mm
    Pupillenvergrößerung PM 8,0
    Austrittspupillenabstand 160 mm
    volles Sichtfeld 27°
    Scheitelpunktlänge 540 mm
    Längenparameter LP 397
    Wellenband Sichtbar (F, d, C)
  • Beispiel 6 ist ähnlich zu Beispiel 3 außer das zwei Wellen (d. h. 2λ für λ = 588 nm) der überkorrigierten sphärischen Aberration SA bewusst zum Design zugefügt wurden, um die Tiefenschärfe-(oder Tiefenfokus-)Charakteristika zu verbessern und die Bildwiedergabequalitäten außerhalb des Fokus zu modifizieren. In diesem Beispiel wird angenommen, dass ein defokussiertes Bild, um kritischerweise als scharf zu erscheinen, einen Kontrast von mindestens 0,1 bei 100 Linienpaaren pro Millimeter aufweisen muss.
  • 29 stellt die MTF-Fokusdurchgangskurve für Beispiel 6, verglichen mit einer aberrationsfreien Version von Beispiel 6 dar. Die Darstellung von 29 zeigt, dass der Tiefenfokus (depth of focus) im Gegenwart von zwei Wellen (2λ) einer sphärischen Aberration in einer Richtung etwa 2-mal so groß ist, verglichen mit dem Fall einer aberrationsfreien afokalen Vorsatzoptik. Beispielhafte Ausführungsformen einer afokalen Vorsatzoptik 10 umfassen ausgewählte sphärische Aberration im Bereich von etwa 0,2 Wellen bis etwa 2,5 Wellen. Häufig sind zwischen etwa 0,7 Wellen bis 1 Welle einer sphärischen Aberration SA (entweder unterkorrigiert oder überkorrigiert) ausreichend, um die Tiefenschärfe (depth-of-focus) wesentlich zu erhöhen, während die Bildqualität (z. B. des MTF) ausreichend hoch gehalten wird. Wie es der Fachmann im Stand der Technik schätzen wird, hängt die Größe der sphärischen Aberration in tolerabler Weise von der spezifischen Anwendung ab, für die die afokale Vorsatzoptik 10 eingesetzt werden soll. In bestimmten Beispielen können bis zu 10 Wellen sphärisch eingesetzt werden, um einen „weichen” Fokus bzw. Saftfokus oder „Portraiteffekt” zu erhalten.
  • 30 ist ein schematisches Diagramm eines Abbildungssystems 700, wobei die afokale Vorsatzoptik 10 mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) PL einer Kamera CA funktionsfähig gekoppelt ist.
  • Große Tiefenschärfe
  • Für einen vorgegebenen Objektabstand und Zerstreuungskreis ist die Tiefenschärfe in etwa proportional zu N/f2, wobei das N f/# darstellt und f ist die Fokuslänge, wie beschrieben in Kingslake „Optics in Photography" Seite 96, veröffentlicht von SPIE 1992. Um die Tiefenschärfe zu maximieren ist es daher sehr hilfreich, ein Objektiv mit sehr kurzer Fokuslänge bzw. Brennweite zu verwenden. Eine afokale Vorsatzoptik modifiziert die Fokuslänge bzw. Brennweite des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens) PL, an das es angebracht ist, gemäß f' = f/PM, wobei f die Fokuslänge des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) darstellt, PM ist die Pupillenvergrößerung der afokalen Vorsatzoptik und f' ist die Fokuslänge bzw. Brennweite des resultierenden Systems. Da die erfindungsgemäßen Vorsatzoptiken einen großen Wert für PM aufweisen, wirken sie so, dass die Fokuslänge des Objektivs mit Festbrennweite bzw. Grundobjektivs (prime lens) drastisch reduziert wird, was wiederum in einer sehr großen Tiefenschärfe resultiert. Auf einem praktischen Niveau ermöglicht dies, dass Objekte sowohl nahe als auch weit von der Linse entfernt gut im Fokus sind, was in Kombination mit dem Zugang zu schwierig zu erreichenden Räumen, bereitgestellt durch die außerordentliche Länge der Vorsatzoptik, dramatische fotografische und kinogemäße Abbildungen ermöglicht.
  • Es wird somit dem Fachmann im Stand der Technik offensichtlich, dass verschiedene Modifikationen und Variationen bei der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden können, ohne vom Gedanken und Umfang der Erfindung abzuweichen. Somit ist beabsichtigt, dass die vorliegende Erfindung die Modifikationen und Variationen dieser Erfindung umfasst, vorausgesetzt sie liegen im Umfang der beigefügten Ansprüche und ihrer Äquivalente.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Patentliteratur
    • US 5727236 [0003, 0003]
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • Kingslake „Optics in Photography” Seite 96, veröffentlicht von SPIE 1992 [0147]

Claims (20)

  1. Afokale galileische Vorsatzoptik, umfassend entlang einer optischen Achse: eine erste Linsengruppe mit insgesamt negativer optischer Leistung; eine zweite Linsengruppe mit insgesamt positiver Leistung, und angeordnet relativ zur ersten Linsengruppe, um eine galileische Konfiguration zu definieren; und Austritts- und Eintrittspupillen mit jeweils Durchmessern DEX und DEN, die eine Pupillenvergrößerung PM = DEX/DEN > 4 definieren.
  2. Afokaler galileischer Vorsatz gemäß Anspruch 1, wobei PM ≥ 6 ist.
  3. Afokaler galileischer Vorsatz gemäß Anspruch 1, wobei PM ≥ 8 ist.
  4. Afokaler galileischer Vorsatz gemäß Anspruch 1, wobei PM ≥ 10 ist.
  5. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 1, wobei: eine erste Linsengruppe eine erste Fläche aufweist, die zweite Linsengruppe eine letzte Fläche aufweist, mit einer Scheitelpunktlänge VL, definiert durch den axialen Abstand zwischen der ersten und der letzten Fläche; ein außerhalb der Achse liegender Strahl OR1, der in das System mit einem Winkel von 1° zur optischen Achse eintritt, und der die Vorderfläche bei einer Höhe H1 von der optischen Achse schneidet und der die letzte Fläche SL bei der optischen Achse schneidet, um einen Längenparameter LP = |VL/H1| > 200 zu definieren.
  6. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 5, wobei LP > 300.
  7. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 6, wobei LP > 500.
  8. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 7, wobei LP > 700.
  9. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 6, wobei: die erste Linsengruppe eine erste Fläche aufweist, die zweite Linsengruppe eine letzte Fläche aufweist, mit einer Scheitelpunktlänge VL, definiert durch den axialen Abstand zwischen der ersten und letzten Flache; ein außerhalb der Achse liegender Strahl OR1, der in das System mit einem Winkel von 1° zur optischen Achse eintritt, und der die vordere Fläche mit einer Höhe H1 von der optischen Achse schneidet und der die letzte Fläche SL bei der optischen Achse schneidet, um einen Längenparameter LP = |VL/H1| > 300 zu definieren.
  10. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 2, weiterhin umfassend eine Höhe der sphärischen Aberration SA zwischen etwa 0,2 Wellen und 2,5 Wellen bei einer ausgewählten Abbildungswellenlänge.
  11. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 10, weiterhin umfassend eine Höhe der sphärischen Aberration SA zwischen etwa 0,7 Wellen und 1 Welle.
  12. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 1, wobei die erste Linsengruppe mindestens ein negatives Meniskuslinsenelement aufweist.
  13. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 12, wobei die zweite Linsengruppe mindestens ein negatives Linsenelement und mindestens ein positives Linsenelement aufweist.
  14. Afokaler galileischer Vorsatz nach Anspruch 13, wobei die zweite Linsengruppe aus zwei negativen Linsenelementen und zwei positiven Linsenelementen besteht.
  15. Abbildungssystem umfassend: eine Kamera mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens); und ein afokaler Vorsatz von Anspruch 1, funktionsfähig gekoppelt mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens).
  16. Abbildungssystem nach Anspruch 15, wobei das Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) einen Zoombereich aufweist, der kürzere und längere Enden umfasst, und wobei das Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens) näher zum längeren Ende des Zoombereichs als zum kürzeren Ende des Zoombereichs angeordnet ist.
  17. Abbildungssystem umfassend: eine Kamera mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens); und ein afokaler Vorsatz von Anspruch 4, funktionsfähig gekoppelt mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens).
  18. Abbildungssystem umfassend: eine Kamera mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens); und dem afokalen Vorsatz von Anspruch 5, funktionsfähig gekoppelt mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens).
  19. Abbildungssystem umfassend: eine Kamera mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens); und dem afokalen Vorsatz von Anspruch 7, funktionsfähig gekoppelt mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens).
  20. Abbildungssystem umfassend: eine Kamera mit einem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens); und dem afokalen Vorsatz von Anspruch 9, funktionsfähig gekoppelt mit dem Objektiv mit Festbrennweite bzw. Grundobjektiv (prime lens).
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