DE1422574A1 - Optisches Weitwinkelsystem - Google Patents

Description

1422574 PATENTANWALT DIPL-ING. HANS WERNER GRAF

FERNRUF 77620$ . SCHWINDSTRASSE 8 . 6000 FRANKFURT A. M. , 28. Februar 1968

Akte 2024/an

Aktenzeichen: P 14 22 574.2 Anmelder : David L. Puller

Optisches Weitwinkelsystem

Die Erfindung betrifft optische Weitwinkelsysteme, also Systeme, deren Brennweite kleiner als die Bilddiagonale ist.

Es ist bekannt, Weitwinkelsysteme als fotografische Objektive zu benutzen. Die bekannten Weitwinkelobjektive lassen sich jedoch wegen ihrer Kompliziertheit nicht in größerem Umfang benutzen. Die bekannten Ausbildungsformen, die hier als Super-Weitwinkelobjektive bezeichnet werden sollen, erfordern gewöhnlich

besondere Ausgleichsplatten bzw. Filme und ein kompliziertes Blenden- und Auslösesystem, um verhältnismäßig unverzerrte Bilder zu erhalten. Aus diesem Grunde haben sich derartige Weitwinkelobjektive nicht gut einführen können.

co Demgegenüber besteht das erfindungsgemäße Weitwinkelobjektiv aus

*■* zwei verschiedenen, einander überlagerten optischen Systemen, daß **** ein verzeichnungsfreies klares Abbild des abzubildenden Gegenstano

£* des auf einer gewölbten Oberfläche entsteht, welche die lichtem- *** pfindliche Schicht bzw. den Film trägt. Das eine der beiden optischen Systeme, das periskopisohe System (diese Bezeichnung soll

besagen, daß dieses System in der Art des von Steinheil angegebenen "Periskop's" ausgebildet sein soll), führt-die vertikalen Lichtbänder zusammen, während das andere System, das konzentrische System, die horizontalen Lichtbänder zusammenführt. Die Anordnung ist so getroffen, daß die auf diese Weise entstehenden zwei Brennpunkte genau zusammenfallen und dabei einen halbzylindrischen Ort für die Brennpunkte bilden. Die verschiedenen Teile, aus welchen das zusammengesetzte Objektiv erfindungsgemäß zusammengebaut ist, sind derart in Beziehung zueinander gebracht, daß die Vergrößerung in der Vertikalen und in der Horizontalen gleich ist, so daß das £<Bild die Größenverhältnisse des abzubildenden Gegenstandes beibehält. Mit anderen Worten, ein mit dem erfindungsgemäßen optischen System erzeugtes Bild ist kongruent zum Bildgegenstand.

Insbesondere ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung, die Erzeugung eines Weitwinkelobjektivs, welches in der Lage ist, ein Bild großer Ausdehnung ohne merkliche Verzeichnung hervorzubringen. Dabei ist der Einfluß sphärischer Fehler, chromatischer Fehler in Längsrichtung und quer dazu, komatischer Fehler, Verzeichnung und von Astigmatismus auf ein Minimum herabgedrückt.

Weiter ist Gegenstand der Erfindung ein Weitwinkelobjektiv, das einen weiten Spielraum, zur Verwendung für optische Systeme ermöglicht.

Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand des in den beiliegenden Zeichnungen dargestellten Ausführungs-

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Beispiels erläutert. Es zeigen:

Pig. 1 einen Horizontalschnitt durch das Objektiv Pig. 2 einen Querschnitt entlang der Linie 5-5 der Pig. 1, und Pig. 3 die Einzelteile des Objektivs in auseinandergezogener perspektivischer Darstellung.

Das Objektiv 50 ist aus mehreren konzentrischen Linsen zusammengesetzt, die eine gemeinsame, vertikal verlaufende Rotationsachse A₁ aufweisen mit einer gemeinsamen optischen Achse A₂ und einem gemeinsamen Zentralpunkt C, in welchem sich die Achsen A₁ und A₂ schneiden. Im einzelnen setzt sich das Objektiv 50 zusammen aus einer Frontlinse 51» zwei Zwischenlinsen 52 und 53 sowie einer Rücklinse 54.

Die Frontlinse 51 und die Zwischenlinsen 52 und 53 bilden ringförmige Körper. Die Rücklinse 54 besteht aus dem Vordersegment 55 und dem Rückensegment 56·

In Fig. 1 ist das konzentrische System als Horizontalschnitt durch die optische Achse A₂ dargestellt. Die Außenfläche der Frontlinse 51 besxtz-fcuen Radius R₁ und ihre Innenfläche einen kürzeren Radius Rg. Ferner besitzt die äußere Zwischenlinse 52 den Außenradius R,, der im wesentlichen gleich ist dem Radius R₃. Der Radius R. der Innenfläche der äußeren Zwischenlinse 52 ist kleiner als R,. Die innere Zwischenlinse 53 hat für die äußere Oberfläche den Radius Rc und für die Innenfläche den Radius Rg. Die Rückenlinse 54 hat für die außen liegende Oberfläche den Ra-

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dius Rj und für die innen liegende Oberfläche den Badius

Die Fig. 2 zeigt das periskopische System als Vertikalschnitt ■ durch die optische Achse A₂. Die Frontlinse bildet im wesentlichen ein Rechteck mit praktisch ungewölbten Oberflächen der einander parallel verlaufenden Vorder- und Rückseiten. Es ist zu sehen, daß die Linse 51 durch Verschwenken eines Rechtecks um 18O° zu einem Ringsegment geformt ist. Die Zwischenlinsen 52 und 53 sind entgegengesetzt durchgebogene Menisken. Die äußere konvexe Oberfläche der Linse 52 in der Vertikalen hat den Radius Rq, die innere gekrümmte Oberfläche der Linse 52 in der Vertikalen hat den Radius R_1Q. Ähnlich hat die äußere konkave Oberfläche der Linse 53 in der Vertikalen den Radius R₁₁ und die innere Oberfläche der Linse 53 den Radius R₁₂* Piß- 2 zeigt weiter, daß die Rücklinse 54 aus zwei ineinander übergehende, im Querschnitt im wesentlichen Rechtecke bildenden Teile besteht.

Die Radien R- bis Rg verlaufen konzentrisch und gehen von der Rotationsachse A₁ aus. Die Radien Rg bis R₁₂ gehen von verschiedenen Punkten Pg, P₁₀, P₁₁ und P₁₂ aus, die auf der optischen Achse A₂ liegen.

Zum besseren Verständnis einer Linse 50 nach der Erfindung sind in der folgenden Tabelle I Werte einer ausgeführten Bauart angegeben:

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_ 5 —

Tabelle I

Linse
Prontlinse 51

Brechungsindex

Radius

Rücklinse 54
Vordersegment 55
Rückensegment 56
Brennlänge - 9.8445

1.4886

Äußere Zwischenlinse 52 1.4366

Innere Zwischenlinse 53 1.4866

1.4866

R₁ * 7.1089 R₉ = 4.8066 F^ = 4.8066 R^ a 4.4066 R₉ * 2.8500

R s 4.000

H₅ * 3.5066 R₆ = 3.1066 R₁₁ =c 4.000

R₁₂ « 2.8500

R₇ β 3-1066 Rr * 9.0445

Wie am besten aus Pig. 1 ersichtlich, werden bei der Herstellung der Linse 54 von entgegengesetzter Seite entlang der Quermittellinie Α-, Vertikalschlitze auf die Rotationsachse A₁ hin eingebracht, die kurz vor Erreichung derselben enden, so daß zwischen den beiden Schlitzenden ein kurzer Steg liegt. Lichtundruchlässige Beläge 60 und 61 sind in die Schlitze eingesetzt und bilden

co ein Paar diametral gegenüberliegende Blenden. Die inneren Rän-

to der derselben definieren eine vertikale Blendenöffnung 62 in der

*- Linse 54, durch welches alles Licht hindurchtritt. Es ist klar,

daß die durch die Blenden 61 und 62 gebildete Öffnung vorausberechnet und im gewünschten Umfang variiert werden kann.

Eine zweite Blende 64 (Fig. 3) ist zwischen den Zwischenlinsen 52

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und 53 eingebaut. Diese zweite Blende hat die Form eines gewölbten Streifens mit einem horizontal verlaufenden Langloch 63· Aus Pig. 3 ist zu ersehen, daß die Enden der oberen und unteren Händer des Langloches 63 im Streifen 64 nach oben bzw. unten gekrümmt, z.B. elliptisch verlaufen, Auf diese Weise wird mehr von den Seiten des Objektivs 50 herrührendes Licht durchgelassen als Licht, welches von einem Objekt unmittelbar vor der Front des Objektivs 50 stammt. Die Wirkung dieser zweiten Blende besteht darin, eine gleichmäßige Beleuchtungsstärke des Films zu erreichen, weil das unter einem Winkel durch die Blendenöffnung 62 tretende Licht einen weniger weiten Bereich zu durchmessen fcat alsLicht, welches entlang der optischen Achse A/, durchtritu.

In Fig» 3 sind ein Paar sich überlappender bogenförmiger dünner Metallplättchen 65 und 66 eingezeichnet. Diese dienen als gegeneinander bewegbarer Ob j ekti wer Schluß bei Benutzung des erfindungsgemäßen Linsensystems alsKameraobjektiv.

Wie Fig. 1 zeigt, liegen die verschiedenen Linsen symmetrisch zur optischen Achse A£ und konzentrisch zur gemeinsamen Ro^Ctationsachse A₁» Vorzugsweise ist der Durchmesser der Frontlinse 51 kleiner als der Durchmesser des rückseitigen Segments 56 der Rücklinse 54. Dagegen sind relativ zur Frontlinse 51 die Linsen 52, 51 und das Segment 55 stufenweise kleiner im Durchmesser. So ist jede Linse eingeschachtelt in der in Richtung nach vorn nächstfolgenden Linse. Die Deckflächen der Linsen 51, 52, 53. und des Segments 55 liegen in einer Ebene, das Segment 56 ist stärker,, aber alle Deckflächen liegen in parallelen Ebenen.

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Bei der speziellen Ausführung des Objektivs 50 basiert die Wirkung auf dem periskopischen System der Linsen 52 und 53· Es wurde festgestellt, daß eine Anzahl bekannter fotografischer Objektive sswischen den Linsen 51 und 54 eingebaut werden können und dadurch punkabbildend wirken. Z.B. kann eineCooke-Triplet-Linse leicht die vorliegenden periskopischen Linsen 52 und 53 ersetzen. Nach der weiter unten beschriebenen Methode lassen sich die Dimensionen einer Linse mit möglicherweise verschiedenen Charakteristiken der Abbildung bzw. Bilderzeugung berechnen, die aber auf denselben Grundteilen basieren und ähnliche Aufgaben erfüllen. In den folgenden Ausführungen wird die periskopische Kombination der vorliegenden Bauweise analysiert.

Bei der Auswahl der Radien für die Konvex-konkaven-Linsen 52 und 53 wird zweckmäßig so verfahren, daß die Luftlinse zwischen diesen beiden Linsen so klein wie möglich ist und genügend Platz dazwischen liegt, um die zweite Blende 64 und deren Verschlußplättchen 65 und 66 einsetzen zu können. Dies führt zu^iner Reduzierung der sphärischen Aberration,

Es sei daran erinnert, daß es notwendig ist, zwischen die innere Oberfläche der Zwischenlinse 53 und dem Brennpunkt ¹¹F" in Pig. 2

_o ein festes, transparentes Medium, z.B. Glas oder Kunststoff in

co Form der Rücklinse 54 einzubringen. Dadurch wird der Brennpunkt

-* "F" der periskopischen Linsen 52 und 53 durch Hinzufügen der Glas-ο oder Kuratstoff linse 54 in einen kurzen Abstand *t" hinter die «° Rückfläche der RUcklinse 54 verlegt (Vergl. Pig. 2). Es ist ZWeckmäßig, eine genügende Entfernung "t¹· vorzusehen, wenn ein lichtempfindlicher Film das an der Rückfläche der RUcklinse 54 entste-

hende gewölbte Bild aufnimmt, so daß irgendwelcher Staub oder kleine Kratzer nicht auf den Film projiziert werden. Gleichzeitig soll sich der Film so nahe wie möglich an der gekrümmten Rück-

• fläche der Rücklinse 54 befinden, so daß der Radius Rg, welcher von der Brechkraft der Linse 54 bestimmt wird, so groß wie möglieh ist und dadurch zur Verringerung der sphärischen Aberration im konzentrischen System der Fig. 1 beiträgt.

Die Bestimmung der Radien R,, R₄, R₁-, Rg, R~ und Rg steht somit im Zusammenhang mit den periskopischen Linsen 52 und 53 sowie der Rücklinse 54. Der zweite Hauptpunkt der Linsen 52, 53 und

• wird zunächst wie üblich berechnet. Dazu muß beachtet werden, daß der Ort des zweiten Hauptpunktes mit der Rotationsachse A₁ zusammenfällt. Betrachtet man die Fig. 1, so ergibt sich bei dem vorliegenden konzentrischen optischen System, bei einer Änderung der Radien, solange diese von dem gleichen Punkt ausgehen, das Einmünden in den zweiten Hauptpunkt im Zentrum der Anordnung. Daher gehen vorliegend die Radien der Linsen 52 und 53 sowie 54, nämlich die Radien R^, R₄, R,-> Rg, Ry und Rg, vom zweiten Hauptpunkt des konzentrischen Systems aus, welcher gleichzeitig mit der Achse A₁ zusammenfällt.

Q Vor dem Eingehen auf die Aufgabe der Erontlinse 5!soll ihre Auf-

O₀ gäbe zunächst analysiert werden:

-* 1) Die periskopische Kombination der Linsen 52 und 53 plus der ο Linse 54 ergibt einen Brennpunkt in kurzem Abstand hinter der *° Rückfläche des Linsensegments 56.

2) Das konzentrische System der Fig. 1 ohne die Frontlinse 51 ist dargelegt worden. Die Brennweite der Frontlinse ist noch zu

untersuchen.

Es ist für die Brennweite des konzentrischen Systems notwendig, daß dieee im wesentlichen mit jener aus den das periskopische System bildenden Linsen 52, 53 und 54 zusammenfällt, uu so die Brennpunkte der beiden Systeme in Übereinstimmung zu bringen. Dabei sei darauf hingewiesen, daß irgend eine hinzugefügte Ringlinse 51, welche mit den anderen Linsen des Systeme konzentrisch liegt, keine Veränderung der Lage des zweiten. Hauptpunktes de3 konzentrischen Systems der Pig. 1 verursacht.

Da der Radius R- des Segments 55 relativ klein ist, ist die Brennweite des konzentrischen Systems beträchtlich kürzer als die Brennweite der periskopischen Kombination der Linsen 52, 53 und 54. Daher ist es notwendig, die Brennweite der konzentrischen Kombination zu verlängern auf jede des periskopischen Systems, ohne dabei deren Brennweite im wesentlichen zu beeinflussen. Da3 wird durch Hinzufügen der ringförmigen Frontlinse 51 erreicht.

Die Innenfläche der Linse 51 liegt im wesentlichen der Vorderfläche der Linse 52 an, weil ein möglichst kleiner Luftspalt zwischen den beiden Linsen erwünscht ist. Der Außenradius R. der Linse 51 ist bestimmt durch die Brennweite, die im konzentrischen System erreicht werden muß, so daß diese zusammenfällt mit der Brennweite des periskopischen Systems. Die Ringlinse 51 jedoch beeinträchtigt nicht nennenswert die periskopische Kombination der Linsen 52, 53 und 54 der Fig. 2 bei den üblichen Entfernungen des abzubildenden Gegenstandes (nahezu unendlich). &4D

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Palls gewünscht^ kann die Rückfläche des Linsensegments 56, besonders nahe der oberen und unteren Randkanten, schwach konkav ausgebildet sein, um im periskopischen System eine plankonkave Li^s -zu beschaffen. Auf diese Weise wird üis Veränderung d&s Brennpunktes von der Vertikalen zwischen dem Lichteinfall in cer Eorisäontalebene der optischen Achse A^ und dem Lichteinfall unter einem Winkel über oder unter jener Ebene genauer in den Brennpunkt auf dem bogenförmigen Brennpunktort gebracht, welchen der Film besitzt. Der größere Effekt dieser leichten Konkavität der Rückfläche des Linsensegments 56 besteht darin, daß die Fokalfläche des konzentrischen Systems umgebildet wird, weil sie anliegend den äußersten rückseitigen Randkanten einen größeren Radius anstelle des Radius Rg liefert, wobei die schräg duroh dis Optik 50 tretenden horizontalen Lichtbänder weniger stark durch den größeren Radius gebeugt werden, was einen mehr zylindrischen ort für die Brennpunkte entlang dem Film ergibt. Auf das periskopische System hat dieser Radius eine weniger deutliche Wirkung* Insgesamt wird durch das so vertikal verlaufende Bildfeld der Astigmatismus auf ein Minimum verringert.

Zu der erfindungsgeraäßen Linsenbauart sei nochmals auf folgendes hingewiesen:

In dem konzentrischen System der Fig. 1 ist die sphärische Aberration abhängig davon, daß der Radius Rg so groß wie möglich, der Radius R. so klein wie möglich und alle Luftabstände ebenfalls so schmal wie möglich gehalten sind, Eine wirksame- Kontroils isr, auoii durch geslgaete Wahl der Größe der ersten Blende erreicht,

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- 11 um wahlweise die durch das konzentrische System am genauesten

kommenden Strahlen nutzbar zu machen.

In dem in Fig. 2 gezeigten periskopischen System ist die sphärische Aberration ein wichtiges Problem. Die gute Lösung besteht in den nicht sphärischen Oberflächen der Linsen 52 und 53» um die sphärische Aberration sehr klein zu halten.

Die wirksame Anwendung der zweiten Blende bewirkt eine brachbare Kontrolle der sphärischen Aberration.

Die erfindungsgemäße konzentrische und periskopische Kombination vermeidet weitgehend Farbfehler und Koma selbst bei den ungünstigsten Entfernungen des Objekts.

Längs verlaufende Farbfehler sind in beiden Systemen nicht besonders korrigiert, sie sind bei Verwendung von Glas- oder Kunststoff mit niedriger Dispersion minimal.

Die Verkettung von Astigmatismus · und vertikale Bildwölbung beim vorliegenden Objektiv 50 soll nachstehend erläutert werden.

Es liegen zwei Brennflächen vor. Die eine rührt von dem konzentrischen System her, das in Fig. 1 dargestellt ist, die andere von dem periskopischen System, das in Fig. 2 dargestellt ist. Der Unterschied zwischen diesen beiden Brennflächen an irgendeiner Stelle im Bild ist ein Maß für den Astigmatismus de^Objektivs.

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Mit einem erfindungsgemäßen Objektiv ist in dieser Hinsicht eine Korrektur möglich, was mit bekannten Objektiven nicht möglich ist. Man kann z.B. eine Brennfläche ohne Störung der anderen Brennfläche einfach dadurch verändern, daß man den Radius R₁ vergrößert oder verkleinert. So läßt sich das geringste Ausmaß von Astigmatismus mit der flachstmöglichen Vertikalkrümmung erzielen. Das Zusammenwirken der vertikalen Bildwölbung mit der astigmatischen Abweichung wird so augenfällig.

Patentansprüche

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Claims (1)

1. U22574

   - 13 Patentansprüche

   1. Weitwinkelsystem, das aus mehreren optischen Linsen zusammengesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Prontlinse (51) zwei Zwischenlinsen (52 und 53) sowie eine Rücklinse (54) vorgesehen sind, welche eine gemeinsame vertikal verlaufende Rotationsachse (A₁) und eine gemeinsame optische Achse (A₂) aufweisen, die sich im Zentralpunkt (C) schneiden, weiter dadurch gekennzeichnet, daß die Radien dieser konzentrischen Linsen (51, 52, 53» 54) von außen nach innen abnehmen und von der Rotationsachse (A₁) ausgehen, wobei die Linsen (51, 52 und 53) ringförmige Körper bilden und die Rücklinse aus zwei im Durchmesser unterschiedlich großen Segmenten besteht, einem kleinen, von der Linse (53) umfaßten äußeren Segment (55) mit einem Randkreis mit dem Radius (R^) und einem großen inneren Segment (56) mit einem Randkreis mit dem Radius (Rq), wobei die Linsen (52 und 53) entgegengesetzt durchgebogene Menisken bilden, deren innere und äußere Krümmungsradien von verschiedenen Punkten der optischen Achse (A₂) ausgehen, weiter dadurch gekennzeichnet, daß entlang der Mittellinie am Übergang zwischen dem äußeren Segment (55) und dem inneren Segment (56) von beiden Außenseiten her nach innen zu Blenden vorgesehen sind und eine zweite Blende mit einem Langloch im Abstand von dieser im Bereich der Ringlinsen (52 und 53) angeordnet ist.

   2. Weitwinkelsyatem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Blende von der vertikal verlaufenden

   4.9,

   schmalen Blendenöffnung (62) in der Rotationsachse (Af) aus nach beiden Seiten in die Quermittellinie (AO zwischen den Linsensegmenten (55 und 56) verläuft und aus lichtundurchlässigen Belägen (60, 61) besteht, während die im Linsensystem weiter vorn zwischen den Linsen (53 und 52) eingebaute zweite Blende (64) halbzylinderförmig mit einem Langloch (63) ausgebildet ist, das in der Mitte schmaler gehalten ist als an den Enden.

   3· Weitwinkelsystem nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch folgende Abmessungen der Einzellinsen bei einem gleichchen Brechungsindex aller Linsen und einer Brennweite von 9,8445 cm
   Frontlinse 51 ■ Radien

   Äußere Zwischenlinse 52 " Innere Zwischenlinse 53

   Rücklinse 54 Vordersegment 55 Rückensegment 56

   ^R1 = 7.1089 R₂ = 4.8066 ^R3 = 4.8066 ^R4 = 4.4066 R₉ = 2.8500 ^R10 β 4.000 ^R5 = 3.5066 ^R6 = 3.1066 ^R11 = 4.000 ^R12 = 2.8500 R₇ = 3.1066 ^R8 - 9.0445

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