DE1950291A1

DE1950291A1 - Variofokales Linsensystem fuer Zoom-Objektive

Info

Publication number: DE1950291A1
Application number: DE19691950291
Authority: DE
Inventors: Souichi Nakamura
Original assignee: Nippon Kogaku KK
Current assignee: Nikon Corp
Priority date: 1968-10-08
Filing date: 1969-10-06
Publication date: 1970-04-16
Also published as: GB1280213A; US3609005A

Description

Nippon, Case 92 NipponKogakuK.K. .

Variofokales Linsensystem, für Zoom-Objektive

Die Erfindung bezieht sich auf ein variofokales Linsensystem für Zoom-Objektive mit einem Zoom-Verhältnis (Verhältnis von grösster zu kleinster Brennweite) von mehr als 20 des Typus, bei welchem das variofokale Linsensystem aus drei Wirkungsgruppen, nämlich aus einer konvexen, einer konkaven und einer konvexen Linsengruppe, aufgehaut ist, wobei die zweite Wirkungs gruppe über einen weiten Bereich zur Brennweitenverstellung verschiebbar ist, und zwar bei gleichzeitiger Verschiebung der dritten Wirkungs gruppe in der jeweils entgegengesetzten Richtung, um die Lage der Bildebene konstant zu halten. (Der Ausdruck "Variofokales Linsensystem" wird hier zur Zeichnung des optischen Systems benutzt, das aus einer Wirkungs gruppe hauptsächlich zur Fokussierung besteht, ferner aus einer Wirkungs gruppe hauptsächlich zur Änderung der Brennweite sowie· einer Linsengruppe hauptsächlich zum Konstanthalten der Bildebene des Zoom-Objektivs. Diesem Vario-Teil folgt dann eine als Relais •linse wirkende Wirkungs gruppe nach, um das Zoom-Objektiv zu vervollständigen).

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Im Falle eines Zoom-Objektivs mit hohem Zoom-Verhältnis treten die folgenden Probleme auf.

(1) Die chromatische Aberration auf der Seite längerer Brennweiten muss korrigiert werden.

(2) Die sphärischen Überrationen im Bereich von der Brennweite

. in der Nähe von minimaler Brennweite χ v/Zoom-Verhältnis , bis zu längeren Brennweiten muss ausgeglichen werden, während die chromatische oder Farbänderung, die durch diesen Ausgleich verursacht wird, korrigiert werden muss.

(3) Die Koma bei längeren Brennweiten muss korrigiert werden durch einen geeigneten Abgleich der Erfüllung der Sinus-Bedingungen.

(4) Die Aberrationen infolge einer Verschiebung über einen weiten Bereich der ersten Wirkungs gruppe (Fokussierwirkungsgruppe) für Nahaufnahmen müssen stabilisiert werden.

Im Hinblick auf das Obige hat die vorliegende Erfindung als Hauptziel, ein variofokales Linsensystem für ein Zoom-Objektiv mit ultra-hohem Zoom-Verhältnis bereitzustellen, das ausgezeichnete Eigenschaften hat und bei dem praktisch alle die bei üblichen Zoom-Objektiven auftretenden Probleme eliminiert sind, ohne hierzu die Apertur über den ganzen Brennweitenverstellbereich zu variieren.

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Die Erfindung ist in den Ansprüchen gekennzeichnet und anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert; es zeigen: .

Fig. 1 eine Schnittansicht durch ein 8mm■■•Laufbildkameraobjektiv (für Super 8) als ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung,

Fig. 2A den Korrektionszustand des Objektivs nach Fig. 1 bei bis D

der kürzesten, einer ersten mittleren, einer zweiten

mittleren, bzw. der längsten Brennweite,

Fig. 3 eine Schnittansicht durch ein ITV-Aufnahmeobjektiv als zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung und

Fig. 4A den Korrektionszustand des Objektivs nach Fig. 3 bei

bis D

dessen kürzester, einer ersten mittleren, einer zweiten mittleren bzw. der längsten Brennweite.

Das variofokale Linsensystem der Erfindung umfasst eine erste, konvexe Wirkungsgruppe I, eine zweite, konkave Wirkungsgruppe II und eine dritte, konvexe Wirkungsgruppe III, wobei die Gruppe II über einen weiten Bereich zur Brennweitenverstellung verschiebbar ist, und zwar bei gleichzeitiger Verschiebung der Gruppe III in der jeweils entgegengesetzten Richtung, um die Lage der Bildebene konstant zu halten. Dabei besitzt die Gruppe I zumindest drei konvexe

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Komponenten, von denen zumindest die Frontkomponente ein gekittetes Linsenglied ist. Ferner besitzt die Gruppe II zumindest drei konkave Komponenten, von denen zumindest die Hinterkomponente ein gekittetes Linsenglied ist. Schliesslich besitzt die dritte Linsengruppe zumindest drei konvexe Komponenten, von denen zumindest die Hinterkomponente ein gekittetes Linsenglied mit zum Objekt hin konkaver Kittfläche ist.

Des weiteren sollten entsprechend der Erfindung die folgenden Systembedingungen erfüllt sein:

<0 (D

R₉ + R₁₀

°'^8< ^< ⁵'° i²⁾

R₉ - R₁₀

1,2 < -—■ < 1,5 (3a)

^f2a ■'■■
2,0 < -~ < 6,0 (3b)

2ab

0,7<-R/f₃< 1,0 (4a)

0, 8<nf/nr < 1,0 (4b)

hierin bedeuten

R₁, R die Krümmungsradien der Vorder- bzw.Hinterfläche des

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ersten gekitteten Linsengliedes der Gruppe I, R_Q, R_1n die Krümmungsradien der Vorder- bzw. Hinterfläche der ersten Komponente der Gruppe II,

f die Brennweite der Gruppe II,

f , die Brennweite der Gruppe II ausser deren letztes gekittetes et afc)

Linsenglied,

f die Brennweite der ersten Komponente der Gruppe II, f die Brennweite der Gruppe III,

R den Krümmungsradius der Kittfläche des letzten gekitteten Linsengliedes der Gruppe III und

nf und nr die Brechungsindizes der konvexen bzw. konkaven Linsenelemente, die das letzte gekittete Linsenglied der Gruppe III bilden.

Nachstehend sei die Bedeutung der vorstehenden Bedingungen erläutert.

Wenn der Wert der Bedingung (R + RoZR₁ - R_Q) grosser als Null ist, so können nicht nur die Krümmung der Bildfläche sondern auch andere Aberrationen für unendliche Objektentfernung bei sowohl minimaler als auch maximaler Brennweite ausgeglichen werden, sind jedoch kürzere Objektentfernungen gegeben, beispielsweise das 5-10-fache der maximalen Brennweite des Zoom-Objektivs, dann werden die

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Bildflächenkrümmung, die sphärische Aberration und andere Aberrationen bei längeren Brennweiten unausgeglichen, so dass die Eigenschaften des Zoom-Objektivs schädlich beeinflusst werden.

Wenn andererseits der Wert kleiner als I₃ 5 ist, wird es schwierig sein, die Aberrationen gegeneinander bei unendlicher Objektentfernung auszugleichen. Insbesondere wird die konvexe Ausbiegung zum Objekt hin grosser, so dass die Auswahl der Gläsertypen zum Ausgleichen des achromatischen Verhaltens der ganzen ersten Wirkungs gruppe unmöglich wird. Es ist daher unmöglich, eine solche Linsengruppe als Wirkungsgruppe I herzustellen.

Die Bedingungen (2) und (3) dienen zur Minimalisierung der Farbänderung der sphärischen Aberration infolge von Änderungen der sphärischen Aberrationen höherer Ordnung und der erhöhten Koma, die durch die Unausgeglichenheit der Sinus-Bedingungen im Bereich von mittleren Brennweiten bis zur maximalen Brennweite verursacht werden, und die sehr schwierig in befriedigender Weise zu lösen sind, wenn es sich um ein Zoom-Objektiv mit einem ultra-hohen Zoom-Verhältnis handelt.

Wenn das Verhältnis der Bedingung (3) oberhalb der oberen Grenze

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gelegen ist, ist die sphärische Aberration durch die d-Linie überkorrigiert, so dass die Färb- oder chromatische Variation der sphärischen Aberrationen für Lichtstrahlen, deren Wellenlängen kürzer als die der d-Linie sind, stark erhöht werden. Wenn anderer seits das Verhältnis kleiner als die untere Grenze ist, rührt eine Färb- oder chromatische Variation der sphärischen Aberrationen von den unterkorrigierten sphärischen Aberrationen bei der maximalen Brennweite her.

Die Bedingung (2) sei nachstehend unter der Annahme untersucht, dass die Bedingung (3) erfüllt ist. Ist das Verhältnis R_g + R₁₀/R_g-R_I grosser als 5, so wird die Sinus-Bedingung zu stark negativ auf der Seite der maximalen Brennweite, so dass sich die Koma erhöhen wird. Wenn andererseits das Verhältnis kleiner als 0, 8 ist, wird die Sinus-Bedingung zu stark positiv, so dass sich die Koma gleichfalls erhöht. Deshalb muss die Apertur auf der Seite der längeren Brennweiten reduziert werden. Das letzte gekittete Linsenglied der Wirkungsgruppe II, die die Bedingungen (2) und (3) erfüllt, dient zum Erhalt einer geeigneten Kombination der Gläsertypen zur Ausführung der geeigneten Korrektur der chromatischen Aberrationen, die der Wirkungs gruppe II als Ganzes auferlegt werden, so dass dadurch ein geeigneter Aberrationsabgleich erhalten wird.

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Die Bedingung (4b) muss erfüllt sein, um die Färb- oder chromatische Variation der sphärischen Aberration infolge der Änderungen der sphärischen Aberrationen höherer Ordnung im Bereich von mittleren bis zu längeren Brennweiten zu verbessern. Wenn beide Bedingungen (4a) und (4b) erfüllt sind, können verschiedene Linsenfehler ausgeglichen werden, und insbesondere ist die Koma im gesamten Vergrösserungsbereich befriedigend korrigiert. Das heisst, wenn der Wert von - R/fn kleiner ist als 0, 7, dann wird die Koma bei mittleren Brennweiten zunehmen, so dass die Aberrationen nicht im ganzen Vergrösserungsbereich gut ausgeglichen werden können. Liegt andererseits der Wert oberhalb 1,0, so ist die sphärische Aberration bei der maximalen Brennweite unterkorrigiert, so dass es sehr schwierig sein wird, ein konstantes Apertur-Verhältnis im ganzen Vergrösserungsbereich aufrecht zu erhalten.

Nachdem das Variofokalsystem, das die vorstehend beschriebenen Bedingungen erfüllt, erhalten wird, kann die Petzval-Summe des dem Vario-Teil folgenden Relaislinsensystems geeignet korrigiert werden, und zwar unter Berücksichtigung des Verhältnisses von Brennweitenvariationsbereich des Vario-Teils zur Gesamtbrennweite des gesamten Zoom-Objektivs, wodurch ein Zoom-Objektiv hoher Güte auf relativ einfache Weise erhalten werden kann.

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Nachstehend sind zwei Ausführungsbeispiele im einzelnen beschrieben.

Fig. 1 zeigt die Schnittansicht eines 8 mm-Laufbildkamera-Zoom-Objektives als die erste Ausführungsform der Erfindung. Ein durchgerechnetes Ausführungsbeispiel mit einer relativen Blendenöffnung von F/1₁ 8 und einer Brennweite von 6, 0 bis 128/5 hat die im Anspruch 3 wiedergegebenen Daten, wobei die in den Figuren und auch in den Ansprüchen benutzten Bezeichnungen die übliche Bedeutung haben, also R . . . die Krümmungsradien der einzelnen Linsenflächen, d . . , die axialen Linsendicken bzw. Luftabstände, n₁. . . die Brechungsindizes und Vd₁. ... die Abbezahl der jeweiligen Linsenglieder, sämtlich von der Objektseite her fortlaufend durchnummeriert, bedeuten.

Bei diesem Ausführungsbeispiel hatte die Relais-Wirkungsgruppe IV einen einfachen Aufbau, und zwar aus einer konkaven Einzellinse, einer konvexen Einzellinse und einem Doublett. Jedoch kann, falls erforderlich, die konvexe Einzellinse und das Doublett durch ein anderes, komplexeres System, z.B. ein Triplet ersetzt werden. Die beiden in das optische System eingeschalteten Prismen dienen zum Abzweigen eines Teils der Lichtstrahlen zu einem Sucher sowie

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zur Belichtungsmessung und sind nicht wesentlicher Bestandteil der Erfindung. ".·...

Fig. 2 zeigt den Korrektionszustand des ersten Beispiels bei der minimalen Brennweite von f * 6, O₃ einer ersten mittleren Brennweite von f * 22, 2, einer zweiten mittleren Brennweite von f » 49, 5 und bei der maximalen Brennweite von f = 128, 5. Man sieht, dass die einzelnen Linsenfehler im ganzen Zoom-Bereich gut auskorrigiert sind.

Fig. 3 zeigt das zweite Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in Anwendung auf ein ITV-Zoom-Objektiv. Die relative öffnung beträgt F/3, 5 und die Brennweite reicht von 13, 5 bis 285, 5. Die Entwurfsdaten haben die im Anspruch 4 gekennzeichneten Werte mit der obigen Bedeutung für die einzelnen Grossen.

Bei diesem Beispiel besteht die Relais -Wirkungsgruppe IV aus einer konkaven und einer konvexen Komponente, wobei die Brennweite einer jeden Wirkungsgruppe des Vario-Teils kürzer gemacht wurde, um ein kompaktes Objektiv zu erhalten. Deshalb sind, um die Petzval-Summe des Gesamtsystems daran zu hindern, negativ zu werden, die Brechungsindizes der konkaven Elemente der konvexen Kompo-

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nente der Relais-Wirkungsgruppe erhöht, während jene der konvexen Elemente erniedrigt sind, so dass insgesamt ein Ausgleich erhalten wurde.

Fig. 4 zeigt den Korrektions zustand des zweiten Beispiels bei der minimalen Brennweite von' f * 13, 5, einer ersten mittleren Brennweite von f * 49,4, einer zweiten mittleren Brennweite von f ■ 110,0 und der maximalen Brennweite von f * 285, 5. Man sieht, dass die verschiedenen Linsenfehler im ganzen Zoom-Bereich gut auskorrigiert sind.

Aus dem Obigen ist ersichtlich, dass zahlreiche Zoom-Objektive mit ultrahohem Zoom-Verhältnis und mit gutem Korrektions zustand im ganzen Zoom-Bereich bereitgestellt werden können, wenn die vorstehend beschriebenen Bedingungen (1) bis (4) erfüllt sind, so dass sie mit Vorteil auf zahlreichen Gebieten angewandt werden können.

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Claims

Patentansprüche

(\J Variofokales Linsensystem für Zoom-Objektive mit ultrahohem Zoom-Verhältnis, gekennzeichnet durch die Kombination einer ersten, konvexen Wirkungsgruppe I, einer zweiten, konkaven •Wirkungsgruppe II und

einer dritten, konvexen Wir kungs gruppe III, wobei ' - -

die Gruppe II über einen weiten Bereich zur Brennweitenverstellung verschiebbar ist, und zwar bei gleichzeitiger Verschiebung der Gruppe III in der jeweils entgegengesetzten Richtung, um die Lage der Bildebene konstant zu halten,

die Gruppe I drei konvexe Komponenten besitzt, von denen zumindest die Frontkomponente ein gekittetes Linsenglied ist, die Gruppe II drei konkave Komponenten besitzt, von denen zumindest die Hinterkomponente ein gekittetes Linsenglied ist, und die Gruppe III drei konvexe Komponenten besitzt, von denen zumindest die Hinterkomponente ein gekittetes Linsenglied mit zum Objekt hin konkaver Kittfläche ist.

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2. System nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch die folgenden Systembedingungen:

R₁ + Ro
-1,5 < -=r± ^- < O (1)

^Rl - ^R3

R + R

9 " 10

1,2 s ~~2 ( 1,5 (3 a)

2,0 < ~~- < 6,0 (3b)

2ab

0,7 < -Jr^- < 1,0 (4a)

0,8 < ~- < 1,0 (4b)

worin bedeuten

R₁, R die Krümmungsradien der Vorder-bzw. Hinterfläche des ersten gekitteten Linsengliedes der Gruppe 1,

R , R die Krümnaungsradien der Vorder- bzw. Hinterfläche der y x u

ersten konkaven Linse der Gruppe II, f die Brennweite der Gruppe II,

f die Brennweite der Gruppe II ausser deren Hinterkomponente, f„ die Brennweite der ersten Komponente der Gruppe H,

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f„ die Brennweite der Gruppe III, R den Krümmungsradius der Kittfläche des letzten gekitteten Linsengliedes der Gruppe III und -

nf, nr die Brechungsindizes des konkaven bzw. konvexen Elementes des letzten gekitteten Linsengliedes der Gruppe III.

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3. System nach Anspruch 1 und 2, gefolgt von einer nachgeschalteten Relais-Wirkungsgruppe IV, gekennzeichnet durch die folgenden Daten:

R * 198,000

R₂ χ 115,617

R - 2025,800

Rx -250,898

1,9 IX₁ * 1,74 Vd₁ * 28,2

9,0 n_n » 1,51728 vd » 69,6

0,1

7,7 η * 1,51728 vd_g -69,6

-250,898

d » 1,9 η « 1,74 vd₄« 28,2

R_c * -582,377

R * 93,500

V⁰*¹

d * 6,1 η - 1,5168 vd « 64,2

\ d « 0,469 — 80,633

R « 260,459

R_Q - 85,74

d_g--l,l n₆» 1,744 vdg - 44,9

45,562

d_1{f 3,1 790,330

d,--l,l n_» 1,6968 vd « 55,6

0 09816/131 ß

21,493

R_1Q - -53,850

12 * ⁷-

I₁₃ - 0,85 n₈ » 1,5168

14

2.3,4

^d14 * ⁵' η. * 1,80518
y

R₁. - V 71,697

Iu

102,888 ~ 2,731

Ib

-1229,364 η * 1,62280

₁₇ « -167,880

₁₈ * 70, 667 _1n - ^154,32

17 "■ °· U₁₁ «1,62041

20

73,650

-141. 330 ^d20 ^R2l" 62, 2 ^R22- -23, 854 ^d21
d ^R23- 22 -655, 518 ^d23 ^R24-

n_I3.« 1,677SÖ
η_ΛΛ «1,740

d- - 2,143—22,135

vd_o « 64, 2

vd « 25,5 y

vd ■ 56, 9

vd =6Q, 3

1,62041 vd * 60,3

55,5 28,2

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is-

25

26

-33,884

23, 9

0,7

^d26⁼¹'²

28

29

32

33

35

οο

00 00 00

99,5
-21,336
26, 71
-16,559
-175,330

^ά27*^Ί>°

5,8 13,9

So"¹'³

d₃₁«2,9

^d32-⁰·²

^d33-⁵·³

S₄-¹'² _n » 1,5168
Io

64,2

n₁₆- 1,57501 vd^-41,3 η * 1,57501 vd_1? » 41,3

n_i8- 1,53172 vd₁₈ ■ 48, 9 n_i9= 1,60717 Vd₁₉- 40,2

n₂₀- 1,86074 vd^-23.1

worin bedeuten

R den Krümmungsradius,

d die mittlere Dicke der Linse oder den Zwischenraum benachbarter

Linsen,

η den

Brechungsindex der d-Linie des benutzten Glases und

die Abbe-Zahl des benutzten Glases.

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/JP

4. System nach Anspruch 1 und 2, gefolgt von einer nachgeschalteten Relais-Wirkungsgruppe IV/ gekennzeichnet durch die folgenden

Daten:

^Rl" 231, 320 ^di »2,2 ⁿi - 1, 74 Vd₁ » 28, 2 ^R2 " 135, 000 ^d2 »10,5 ⁿ2 » 1, 51728 Vd₂- 69, 6 ^R3 ⁼ 2366, 200 ^d3 » 0,1 ^R4 " 292, 56 ^d4 »9,0 ⁿ3 - 1, 51728 Vd₃ » 69, 6 ^R5 "■ -292, 56 ^d5 »2,2 ⁿ4 - 1, 74 Vd₄- 28, 2 *J ^R6' -679, 022 ^d6 »0,1 ^R7 " 107, 000 ^d7 »7,0 ⁿ5 - 1, 51835 vd_c -
5 60, 3 B ^R8^Ä 286, 42 ^d8 »0,867 ^ - 84, 392 ^R9 '"' 100, 000 ^d9 •1,0 ⁿ6 - 1. 744 Vd₆- 44, 9 Ό

53,150

920,850

25,120

^dii*

η » 1, 69680 vd_? » 55, 6

009816/1316

JS

* -60,240 -

d₁₃-0,8 n₈ - 1,5168 vd_g » 64,

» 27,300

d₁₄*6,0 n_g» 1,80518 vd_g - 25,5

s 86,718

d,_c » 119,549 ~ 2,699 15

»-1437,113

d_«4,0 η, _n- 1,62041 Vd₁ - 60,8

-70,000 -194, 57

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R_ig * 82,460

d, =3,7 η -1,62041 vd · - 60,3

R₂₀ - -17-9, 709

*20 82,460

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ΟΔ. -27, 86 ^d24 » L 1 ⁿ15 - 1, ,74 ^Vd15, ■ 28, 2 R^. - -932, 114

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009816/1316

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0 9 816/1 31 6

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