DE1241637B

DE1241637B - Three-lens wide angle lens

Info

Publication number: DE1241637B
Application number: DE1966Z0012440
Authority: DE
Inventors: Dr Erhard Glatzel; Dr Hans Schulz
Original assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Current assignee: Carl Zeiss SMT GmbH
Priority date: 1966-09-28
Filing date: 1966-09-28
Publication date: 1967-06-01

Description

Vorliegende Erfindung betrifft ein aus drei durch Dreilinsiges Weitwinkelobjektiv Luftabstände voneinander getrennten Einzellinsen bestehendes Weitwinkelobjektiv mit außergewöhnlich geformten Linsen: Zwei relativ dicker-stark meniskenförmig durchgebogene Zerstreuungslinsen schließen, deutlich durch Lufträume getrennt; eine ebenfalls relativ dicke Sammellinse ein, wobei diese Zerstreuungslinsen jeihre hohle Seite der Sammellinse zukehren. In der Mitte der Sammellinse -befindet sich die Blende (Ort der engsten Strahlenemschnürung) des Objektivs mit festem Durchmesser. Alle.Begrenzungsflächen der Linsen (Radien) kehren ihre hohle Seite dieser Blende zu. Die Zerstreuungslinsen besitzen je weitgehend die Eigenschaft konzentrischer Linsen; d. h., die Mittelpunkte 'ihrer _ Radien . haben je relativ kleine Abstände.The present invention relates to a three-by-three wide angle lens Individual lenses separated from each other by air gaps existing wide-angle lens with unusually shaped lenses: two relatively thick, strongly meniscus-shaped, curved ones Close diverging lenses, clearly separated by air spaces; one too relatively thick converging lens, these diverging lenses on each hollow side turn to the converging lens. The diaphragm is located in the middle of the converging lens (Location of the narrowest constriction of rays) of the objective with a fixed diameter. All boundaries of the lenses (radii) turn their hollow side towards this aperture. The diverging lenses each largely have the property of concentric lenses; d. i.e., the midpoints 'of their _ radii. each have relatively small distances.

Mit einer solchen Linsenanordnung ist es möglich, bei einem Öffnungsverhältnis von etwa 1 : 8 und einem Bildwinkel bis etwa 120° die sphärischen, komatischen, astigmatischen und chromatischen Abbildungsfehler zu korrigieren und darüber hinaus, als besonderen Vorteil, die Bildfeldkrümmung und die Verzeichnung zu beheben.With such a lens arrangement it is possible at an aperture ratio of about 1: 8 and an angle of view of up to about 120 ° the spherical, comatic, correct astigmatic and chromatic aberrations and beyond, as a special advantage to eliminate the curvature of field and the distortion.

Aus der Theorie, insbesondere aus der Theorie »dünner Linsen«, ist bekannt, daß es bei Verwendung von drei Linsen neben der Lösung mit positiven Außenlinsen,-die eine zerstreuende Linse einschließen, noch die zweite Lösung mit negativen Außenlinsen, die eine sammelnde Linse einschließen, gibt. Ein praktisches Ausführungsbeispiel zu der zweiten Lösung ist aber bisher nicht bekanntgeworden. Es soll hier ein solches Objektiv gemäß der Erfindung an einem Ausführungsbeispiel vorgestellt werden; zunächst aber soll diese Lösung mit negativen Außenlinsen von der Theorie hergeleitet werden, wobei das Problem in folgender Weise spezialisiert werden soll: Dazu sollen neben den Brechkräften dreier dünner Linsen (p1, p2 und 99, nur noch deren Abstände dl und d2 und dabei zunächst das Problem im Fall symmetrischer Objektive: rpl = p3, dl = d2 betrachtet werden.From the theory, especially from the theory of "thin lenses", it is known that when three lenses are used, in addition to the solution with positive outer lenses, which include a divergent lens, there is also the second solution with negative outer lenses, which include a converging lens , gives. A practical embodiment of the second solution has not yet become known. Such an objective according to the invention is to be presented here using an exemplary embodiment; But first, this solution with negative outer lenses is to be derived from the theory, whereby the problem is to be specialized in the following way: In addition to the refractive powers of three thin lenses (p1, p2 and 99, only their distances dl and d2 and first of all the Problem in the case of symmetrical lenses: rpl = p3, dl = d2 must be considered.

Bekanntlich verschwinden. bei symmetrischen Objektiven, wenn diese noch von den Strahlengängen symmetrisch durchsetzt werden, eine Reihe von Bildfehlern, wie Koma, Verzeichnung und chromatische Vergrößerungsdifferenz. Reste dieser Bildfehler sind zwar vorhanden, wenn symmetrische Objektive nicht symmetrisch durchsetzt werden, z. B. wenn das Objekt im Unendlichen und das Bild im Endlichen liegt, wie im folgenden angenommen sei, aber es ist nur ein Problem der Feinkorrektion, diese Reste mit Hilfe von dann zuzulassenden Asymmetrien im Objektiv zu beheben. Es bleiben hier nur drei Unbekannte 991, 99, und dl, zu deren Bestimmung folgende drei . Gleichungen genommen werden sollen Die Gesamtbrechkraft wird auf 1 normiert. Aus 99i + 992 + p3 dl p1 (p2 + p3) 42 p3 (T1 + p2) + dl 42 g'19'2 'P3 = 1 folgt für den Spezialfall des symmetrischen Objektivs: (1 - d, (p1) (2 (p1 + % + p2 - di 991 p2) = 1. (1) Ferner soll die hintere Schnittweite s' vorgegeben sein.As you know, disappear. with symmetrical lenses, if these are still symmetrically penetrated by the beam paths, a number of image defects such as coma, distortion and chromatic magnification difference. Remnants of these image errors are present when symmetrical lenses are not symmetrically interspersed, z. B. if the object is at infinity and the image is at finite, as is assumed in the following, but it is only a problem of fine correction to correct these residues with the help of asymmetries in the lens that are then permitted. There remain only three unknowns 991, 99, and dl, the following three to determine them. Equations to be taken The total refractive power is normalized to 1. From 99i + 992 + p3 dl p1 (p2 + p3) 42 p3 (T1 + p2) + dl 42 g'19'2 'P3 = 1 follows for the special case of the symmetrical lens: (1 - d, (p1) (2 (p1 +% + p2 - di 991 p2) = 1. (1) Furthermore, the back focal length s' should be specified.

Bei einer Gesamtbrechkraft von.-1 gilt: 1 - dl Pl - 42 ( 99 l + (P2) +_ ` dl. 42 9'i 992 = S', und im Spezialfall des symmetrischen Objektivs: 1 - dl (2 (PI + 9P2 - dl Pi (P2) = S' (2) Als dritte Bestimmungsgleichung soll die Petzvalbedingung mit hinzugenommen-werden. Diese lautet: n1, n2 und n3 sind die Brechzahlen der drei Linsen.With a total refractive power of -1 the following applies: 1 - dl Pl - 42 ( 99 l + (P 2) + _ ` dl. 42 9'i 992 = S ', and in the special case of the symmetrical lens: 1 - dl (2 ( PI + 9P2 - dl Pi (P 2) = S ' (2) The Petzval condition should be added as the third determining equation. n1, n2 and n3 are the refractive indices of the three lenses.

Bei der symmetrischen Bauart erhält man mit Zunächst sei eine weitere Vereinfachung vorgenommen mit n1 = n2 und P = 0. Dabei ergibt sich aus (3 a) 29'1+p2=0. (3) (Weiter unten soll auch die Lösung für den allgemeinen Fall P + 0 und n1 + n2 angegeben werden.) Als Ergebnis erhält man jetzt leicht, wobei erst noch Gleichung (1) mit Hilfe von (2) für die spätere Verwendung vereinfacht werden soll: wenn dl + 0 ist.With the symmetrical design you get with First, a further simplification is made with n1 = n2 and P = 0. From (3 a) 29'1 + p2 = 0 results. (3) (The solution for the general case P + 0 and n1 + n2 will also be given below.) The result is now easy, with equation (1) being simplified for later use with the aid of (2) shall be: when dl + 0.

Gleichung (3) ergibt: r22 = -29p, und dies, in (2) eingesetzt: 1 - 2 d12 rp,2 = s' . (5) (4) und (5) sind zwei Bestimmungsgleichungen für die beiden Unbekannten dl und p, mit s' als Parameter. (5) ist eine quadratische Gleichung für das Produkt d, - (p, mit den beiden Lösungen: Wie gleich gezeigt werden wird, führt das obere Vorzeichen der Wurzel auf die Lösung mit positiven Außenlinsen und das untere Vorzeichen auf die Lösung mit negativen Außenlinsen.Equation (3) gives: r22 = -29p, and this, inserted in (2): 1 - 2 d12 rp, 2 = s'. (5) (4) and (5) are two defining equations for the two unknowns dl and p, with s' as the parameter. (5) is a quadratic equation for the product d, - (p, with the two solutions: As will be shown shortly, the upper sign of the root leads to the solution with positive outer lenses and the lower sign to the solution with negative outer lenses.

Wenn man die Abkürzung setzt: Dieses für symmetrische Objektive aus drei dünnen Linsen allgemein gültige Ergebnis bringt gegenüber dem vereinfachten Ergebnis von (7) und (8) nichts wesentlich Neues. Zudem ist es wiederum Aufgabe der Feinkorrektion, eine Verschiedenheit der Brechzahlen n, und n2 und ein P + 0 auszunutzen.If you put the abbreviation: Compared to the simplified result of (7) and (8), this result, which is generally valid for symmetrical objectives made of three thin lenses, does not bring anything significantly new. In addition, it is again the task of the fine correction to utilize a difference in the refractive indices n and n2 and a P + 0.

Wesentlicher ist die Behebung einiger wichtiger, in der bis jetzt benutzten Theorie »dünner Linsen« nicht beachteter Bildfehler, wie vor allem die sphärische Abweichung, Astigmatismus und die schiefe sphärische Abweichung. Zu deren Behebung stehen noch die Linsendurchbiegungen und Linsendicken zur Verfügung. Die Lösungen mit positiven Außenlinsen sind seit langem bekannt.More essential is to fix some of the more important ones up until now used theory of "thin lenses" neglected image errors, such as above all the spherical deviation, astigmatism and the oblique spherical deviation. To their The lens deflections and lens thicknesses are still available to remedy this. the Solutions with positive outer lenses have long been known.

Mit kleinen Linsendicken und »normalen« Linsendurchbiegungen lassen sich diese Bildfehler beheben für relativ große Öffnungsverhältnisse bis rund 1 : 2,8, aber für nur relativ kleine Bildwinkel bis rund 2 iv,= 55 °. Die Lösung mit negativen Außenlinsen dagegen wird an einem Ausführungsbeispiel im folgenden vorgestellt. Erfindungsgemäß lassen sich die letztgenannten Bildfehler nur mit großen Linsendicken und außergewöhnlichen Linsendurchbiegungen zwar nur für kleine Öffnungsverhältnisse bis vorzugsweise rund 1: 8, aber dafür für sehr große Bildwinkel bis vorzugsweise 2 % = 120° beheben. erhält man aus (4) und dann aus (6) das gesuchte Ergebnis für d,, rpl und dann (p2 nach (3): Der nicht interessierende Fall d = 0, d. h. s' = 1 [und s' = -1 für das obere Vorzeichen in (7)] ist hier gemäß (4) ausgeschlossen.With small lens thicknesses and "normal" lens deflections, these image errors can be corrected for relatively large aperture ratios up to around 1: 2.8, but only for relatively small image angles up to around 2 iv = 55 °. The solution with negative outer lenses, on the other hand, is presented below using an exemplary embodiment. According to the invention, the last-mentioned image errors can only be eliminated with large lens thicknesses and unusual lens deflections, although only for small aperture ratios up to preferably around 1: 8, but for very large image angles up to preferably 2% = 120 °. one obtains from (4) and then from (6) the desired result for d ,, rpl and then (p2 according to (3)): The non-interesting case d = 0, ie s '= 1 [and s' = -1 for the upper sign in (7)] is excluded here according to (4).

Man erkennt jetzt leicht, daß in dem Bereich -1 < s' < 1 d für beide Lösungen immer positiv bleibt, und aus (6) folgt dann, was gezeigt werden sollte: Die Brechkräfte der Außenlinsen eines Triplets können einmal positiv und einmal negativ sein.One can now easily see that in the range -1 <s'<1 d always remains positive for both solutions, and from (6) follows what should be shown: The refractive powers of the outer lenses of a triplet can be positive and negative .

Ein Zahlenbeispiel soll das erläutern s' = 0,87828. Lösung mit positiven Außenlinsen: d, = 0,092; (p, = 2,69; rp2 = -5,38. Lösung mit negativen Außenlinsen d, = 0,152; (p, = -1,63; rp2 = 3,25.A numerical example should explain this s' = 0.87828. Solution with positive outer lenses: d, = 0.092; (p, = 2.69; rp2 = -5.38. Solution with negative outer lenses d, = 0.152; (p, = -1.63; rp2 = 3.25.

Wenn man an Stelle der vereinfachten Bedingung (3) die allgemeine Bedingung (3 a) wählt mit n, - P und ' als Parameter, gelangt man mit den Abn,2 kürzungen zu folgender Lösung: Die großen Glasdicken der Zerstreuungslinsen, welche erfindungsgemäß je größer sind als die Dicken der benachbarten Lufträume, bewirken zusammen mit der stark meniskenförmigen Durchbiegung der negativen Außenlinsen einmal, daß der Wert der Petzvalsumme P in der für dünne Linsen gültigen Näherung (3 a) auch bei geebnetem Bildfeld erheblich größer als Null bleiben darf, wodurch die absoluten Brechkräfte kleiner werden können - wie es sich aus (9) und (10) für brauchbare Werte der Parameter gibt -, was sich auf alle zuletzt erwähnten Bildfehler günstig auswirkt, zum zweiten, daß die Durchstoßhöhen der Öffnungsstrahlen des Mittenbüschels an den Zerstreuungsflächen kleiner werden, wodurch sich eine bessere Korrektion der sphärischen Abweichung erzielen läßt.If one chooses the general condition (3 a) instead of the simplified condition (3) with n, - P and ' as parameters, one arrives with the Abn, 2 abbreviations to the following solution: The large glass thicknesses of the divergent lenses, which according to the invention are greater than the thicknesses of the neighboring air spaces, together with the strong meniscus-shaped deflection of the negative outer lenses, cause the value of the Petzval sum P in the approximation valid for thin lenses (3 a ) may remain significantly larger than zero even with a leveled image field, whereby the absolute refractive powers can be smaller - as can be seen from (9) and (10) for useful values of the parameters there - which has a favorable effect on all of the last-mentioned image errors, and secondly that the penetration heights of the opening rays of the central tuft are smaller at the surfaces of diffusion, whereby a better correction of the spherical deviation can be achieved.

Erfindungsgemäß sind die Zerstreuungslinsen derart meniskenförmig durchgebogen, daß die Mittelpunkte ihrer Begrenzungsradien je einen Abstand haben, der kleiner ist als jeweils 50°/o der zugehörigen Dicke der Zerstreuungslinse. Mit Hilfe dieser Maßnahme wird erreicht, daß die Einfallswinkel der Strahlen der schiefen Büschel an diesen Flächen relativ klein sind. Macht man erfindungsgemäß zudem noch die Dicke der mittleren Linse relativ groß, und zwar größer als die Summe der Dicken der Lufträume, und zudem die Lufträume je größer als 5'1, der Gesamtbrennweite des Objektivs, so kann man eine gute Korrektion sowohl der astigmatischen Bildfehler einschließlich der höheren Ordnung als auch der schiefen sphärischen Abweichung erzielen.According to the invention, the diverging lenses are meniscus-shaped bent so that the centers of their boundary radii each have a distance, which is less than 50% of the associated thickness of the diverging lens. With With the help of this measure it is achieved that the angle of incidence of the rays is oblique Clusters on these surfaces are relatively small. According to the invention, it is also done the thickness of the middle lens is relatively large, namely greater than the Sum of the thicknesses of the air spaces, and also the air spaces each greater than 5'1, the total focal length of the lens so you can get a good correction of both astigmatic aberrations including the higher order as well as the oblique spherical deviation achieve.

Die chromatische Korrektion gelingt, wenn die Außenlinsen aus Gläsern mit kleinen Werten der Abbeschen Zahlen v, und v3 und die Sammellinse aus einem Glas mit einem merklich größeren Wert der Abbeschen Zahl v2 bestehen, wobei je um mindestens 0,01 größer sind als An Linsen Radien Scheitelabstände na a r r, = 0,7760 - , f 1,03759/f Li d,. = 0,5319 # f 1,80518 25,46 r2 = 0,2562 - f -3,14248/f d2 = 0,1802 # f r3 = 0,3779 - f 1,88677/f Lir d3 = 0,5099 - f 1,71300 53,89 r4 = -0,3672 - f 1,94184/f d4 = 0,1603 # f r5 = -0,2419 - f -3,32870/f Liii d5 = 0,3491 - f 1,80518 25,46 r6 = =0,5989 - f 1,34437/f Brennweite f . . . . . .. . . . . . . . . . . . . 1,0000 Schnittweite . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0,3028 - f Öffnungsverhältnis .............. 1: 8,0 Bildwinkel ..................... . L 60° Baulänge . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1,7313 - f Will man die eingangs bei der Herleitung der Lösung eines Triplets mit negativen Außenlinsen aus der Theorie »dünner Linsen« benutzten Bezeichnungen dl, d2 und s' mit den Werten dieses Ausführungsbeispiels vergleichen, so rnuß man beachten, daß diese Bezeichnungen bei einem System aus dicken Linsen in entsprechende Hauptebenenabstände übergehen. Für das Ausführungsbeispiel gilt bezogen auf f = 1: s' als Abstand der hinteren Hauptebene der letzten Linse von dem Brennpunkt des Gesamtobjektivs beträgt 0,87828; d, als Abstand zwischen der hinteren Hauptebene der ersten Linse und der vorderen Hauptebene der zweiten Linse beträgt 0,1238; d2 als Abstand zwischen der hinteren Hauptebene der zweiten Linse und der vorderen Hauptebene der dritten Linse beträgt 0,1328.The chromatic correction is successful if the outer lenses consist of glasses with small Abbe numbers v and v3 and the converging lens consist of a glass with a noticeably larger Abbe number v2, where are each at least 0.01 greater than At Lens radii vertex distances na a r r, = 0.7760 -, f 1.03759 / f Li d ,. = 0.5319 # f 1.80518 25.46 r2 = 0.2562 - f -3.14248 / f d2 = 0.1802 # f r3 = 0.3779 - f 1.88677 / f Lir d3 = 0.5099 - f 1.71300 53.89 r4 = -0.3672 - f 1.94184 / f d4 = 0.1603 # f r5 = -0.2419 - f -3.32870 / f Liii d5 = 0.3491 - f 1.80518 25.46 r6 = = 0.5989 - f 1.34437 / f Focal length f. . . . . ... . . . . . . . . . . . 1.0000 Back focal length. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 0.3028 - f Focal ratio .............. 1: 8.0 Angle ...................... L 60 ° Overall length. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1.7313 - f If one wants to compare the designations d1, d2 and s' used at the beginning in deriving the solution of a triplet with negative outer lenses from the theory of "thin lenses" with the values of this exemplary embodiment, one must note that these designations are used for a system of thick lenses merge into the corresponding main plane distances. For the exemplary embodiment, based on f = 1: s', the distance between the rear main plane of the last lens and the focal point of the overall objective is 0.87828; d, as the distance between the rear principal plane of the first lens and the anterior principal plane of the second lens is 0.1238; d2 as the distance between the rear main plane of the second lens and the front main plane of the third lens is 0.1328.

Die Brechkräfte haben die Werte: = -1,1440; 99, = 2,7388; (p3 = -1,1188. Mit den Brechzahlen aus der Tabelle ergibt sich daraus: In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung im Schnitt dargestellt, für welches die numerischen Werte aus der nachfolgenden Tabelle zu entnehmen sind. Es sind bezeichnet: mit L, bis Liii die Linsen, mit r, bis r6 die Radien, mit dl bis d5 die Scheitelabstände, mit nd die Brechzahlen, mit va die Abbeschen Zahlen für die d-Linie des Spektrums.The refractive powers have the values: = -1.1440; 99, = 2.7388; (p3 = -1.1188. With the refractive indices from the table we get: In the drawing, an exemplary embodiment according to the invention is shown in section, for which the numerical values can be found in the table below. The following are designated: with L to Liii the lenses, with r to r6 the radii, with dl to d5 the vertex distances, with nd the refractive indices, with above all the Abbe numbers for the d-line of the spectrum.

Claims

Claims: 1. Of three separated by air gaps Individual lenses existing spherical, comatic and astigmatic as well as on field curvature and distortion corrected wide angle lens characterized in that two strongly meniscus-shaped diverging lenses a biconvex converging lens in the middle of which the diaphragm is located, with the diverging lenses each turn its hollow surface towards this converging lens and where (measured in the axis) the thicknesses of the diverging lenses are greater than the thicknesses of the neighboring ones Air spaces and furthermore the thickness of the converging lens is greater than the sum of the thicknesses of the air spaces and these air spaces are larger than 5 ° / o of the total focal length of the objective, and that also the centers of the boundary radii of each of the two Diverging lenses have a distance from one another which is smaller than each 50% of the corresponding thickness of the diverging lens.

2. Objective according to claim 1, which is also chromatically corrected, characterized in that the reciprocal values of the Abbe numbers of the diverging lenses are each at least 0.01 greater than the reciprocal value of the Abbe number of the converging lens. References considered: British Patent Nos. 3799 of 1912, 733308; U.S. Patent Nos. 2,515,724, 2,604,012, 3166623.