DE19527255A1

DE19527255A1 - Kameralinse

Info

Publication number: DE19527255A1
Application number: DE1995127255
Authority: DE
Inventors: Joseph Raymond Bietry; Alan Edward Lewis
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1994-08-17
Filing date: 1995-07-26
Publication date: 1996-02-22
Also published as: FR2723789A1; JPH0869092A

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einfache optische Einzellinsen und insbesondere auf einlinsige Landschafts linsen, die besonders für den Einsatz als Aufnahmeobjektiv in Einfachkameras, wie beispielsweise Einwegkameras, geeig net sind.

Eine Landschaftslinse besteht aus einem einfachen positiven Meniskus und einer Aperturblende. Diese Anordnung ist seit ca. 150 Jahren bekannt und wurde ursprünglich in Verbindung mit lichtempfindlichen Materialien von derart niedriger spektraler Empfindlichkeit im Blaubereich benutzt, daß zu friedenstellende Ergebnisse bei großen Blendenzahlen ohne Farbkorrektur erzielbar waren.

Moderne Einzellinsen-Objektive, die in einfachen fotografi schen Kameras, beispielsweise Einwegkameras, zum Einsatz kommen, werden normalerweise aus Materialien mit niedriger Dispersion und niedrigem Brechungsindex hergestellt, um einen Farbortsfehler zu minimieren. Um die Schwierigkeiten bei der Korrektur des Farbfehlers in einem Einzellinsen system zu verringern, orientierten sich die Linsenkonstruk tionen an der Verringerung der Dispersion (durch Verwendung von Materialien mit niedrigem Brechungsindex und hoher Abbe- Zahl (normalerweise Kunststoff), um die notwendige Leistung zu erzielen und die numerische Apertur (NA) der Linse zu verringern.

Die Aperturblende wird bei einer Landschaftslinse zur Mini mierung des Komafehlers benutzt. Zur Verringerung der Koma gibt es bekanntermaßen für eine Aperturblende eine optimale Lage auf der konkaven Seite eines Meniskus. Eine sinnvolle Korrektur der astigmatischen Feldkrümmung kann auch durch "Biegen" des Linsenelements erzielt werden. Somit reduziert die Meniskusform einen weiteren Fehler.

Der Öffnungsfehler kann zwar durch Biegen geringfügig redu ziert werden, aber nur zu Lasten der astigmatischen Feld krümmung, und da der Öffnungsfehler durch Begrenzen der Aperturblendenöffnung einzuschränken war, wurde entsprechend verfahren. Die relative Öffnung herkömmlicher Landschafts linsen war daher auf eine Blendenzahl von mindestens F/11 beschränkt. Zudem war ihr Bildfeldwinkel wegen der einset zenden Verschlechterung der Abbildungsqualität auf 20° oder weniger begrenzt; (vgl. Jacobs, Fundamentals of Optical Engineering, McGraw-Hill, N.Y. (1943)).

Die Landschaftslinse arbeitet bei kleiner Öffnung zufrieden stellend, z. B. bei F/45 bis F/22. Bei größerer Öffnung, z. B. F/8 bis F/11, ist die Abbildung an den Bildrändern aufgrund unzureichend gelenkter schräger Bildstrahlen nicht so gut wie im Bildzentrum. Herkömmlicherweise wird die Abbildung an den Bildrändern dadurch korrigiert, daß man eine kleine Blende oder zusätzliche Linsenelemente benutzt. Ersteres ist fotografisch unerwünscht, letzteres wirtschaftlich nicht ver tretbar. Obwohl einige Einwegkameras aus zwei Elementen be stehende Linsen verwenden, erfordert dies ein tieferes Gehäu se und zusätzlichen Aufwand und macht das Linsensystem schwe rer und teurer. Derlei scheidet daher insbesondere bei Ein wegkameras, die leicht, kompakt und preisgünstig sein müssen, aus.

Landschaftslinsen sind von einfacher Bauart und daher preis günstig. Eine verbesserte Landschaftslinse wäre daher für den Einsatz in modernen Kameras wünschenswert. Versuche, solche Linsen für moderne Kameras, Aufnahmeobjektive und Filme zu verbessern, wurden häufig unternommen und z. B. in US-A-5,278,597 beschrieben, worauf nachfolgend noch einzu gehen ist, sowie in der US-Patentanmeldung 08/292,349, HYBRID REFRACTIVE/DIFFRACTIVE ACHROMATIC CAMERA LENS AND CAMERA USING SUCH (CIP aus der US-Patentanmeldung 08/175,708), die einen anderen Ansatz für eine Einzellinsen kamera beschreibt. Die vorliegende Erfindung bezieht sich ebenfalls auf Verbesserungen für eine Landschaftslinse.

Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine fotografische Kamera mit einer Landschaftslinse für ein nutzbares Öffnungsverhältnis von F/8 bis F/16, insbesondere F/9 bis F/11, zu schaffen.

Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Landschaftslinse und eine Kamera mit einer selbst bei einem Bildfeldwinkel von mindestens 30°, vorzugsweise 33° oder größer, zufriedenstellenden Abbildungsleistung zu schaffen.

Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden durch eine fotografische Kamera gelöst, die die folgenden Merkmale aufweist: (1) ein Kameragehäuse zur Aufnahme des Films und (ii) ein optisches System, bestehend aus: einem Meniskus mit einer Asphäre auf der Frontseite des Linsenelements, einer Aperturblende, die zwischen dem Linsenelement und einem zylindrisch gekrümmten Filmabschnitt angeordnet ist, dessen konkave Fläche dem Linsenelement zugewandt ist und einen Krümmungsradius R aufweist, wobei |R| 85 |R| 95 mm ist.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist die Linse derart angeordnet, daß sie einen Bildwinkel von 65° w 68° aufweist, wobei w ein gesamtes Bildfeld be deutet.

Gemäß einem anderen Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist das Linsenelement bei einer Blendenzahl im Bereich von 8 F/# 12 nutzbar und besitzt eine Brennweite f im Bereich von 28 bis 35 mm.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer fotografischen Kamera 100 mit Kameragehäuse 5. Eine erfindungsgemä ße Linse 10 ist im Abstand zum fotografischen Film 15, auf dem ein Aufnahmeobjekt abgebildet wird, an geordnet, wobei die Linse eine vordere gekrümmte Fläche 1 und eine hintere konkav gekrümmte Fläche 2 aufweist;

Fig. 2A-2D Kurvendarstellungen des Abbildungsfehlers der Linse 10 gemäß Fig. 1. Fig. 2A zeigt eine Kurve des Öffnungsfehlers. Fig. 2B zeigt eine Kurve des Farb ortsfehlers. Fig. 2C zeigt einen Kurvenverlauf der Verzeichnung, während Fig. 2D Kurvenverläufe der sagittalen Bildfeldwölbung (S) und der tangentialen Bildfeldwölbung (T) bei drei verschiedenen Wellen längen zeigt;

Fig. 3 eine Kurvendarstellung der polychromen Modulations übertragungsfunktion, MTF, der Linse 10 aus Fig. 1;

Fig. 4 eine Kurvendarstellung der polychromen Modulations übertragungsfunktion, MTF, entsprechend einem Bild feld von 0,7, d. h. einem Bildfeldwinkel von 24,8° der Linse 10 aus Fig. 1;

Fig. 5 eine Kurvendarstellung der polychromen Modulations übertragungsfunktion, MTF, entsprechend dem gesamten Bildfeld, d. h. einem Bildfeldwinkel von 33,4°der Linse 10 aus Fig. 1.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 wird eine Landschaftslinse 10 für sichtbares Licht zur Verwendung in Kameras beschrieben, insbesondere für den Einsatz in einer Einwegkamera 100 mit einem Kameragehäuse 5, einer Hinter- oder Aperturblende ST, einem fotografischen Film 15, der so angeordnet ist, daß darauf eine Abbildung mittels der Linse erzeugt wird. Die Kamera 100 umfaßt weiter bekannte Mittel für den Filmtrans port sowie einen Verschluß zur Belichtung des Films durch Abbilden einer zu fotografierenden Szene. Die Linse 10 ist ein konvex-konkaves (d. h. Meniskus) Einzelelement mit einer ersten, an der Objektseite konvex gekrümmten Fläche 1 und einer der ersten gekrümmten Fläche 1 gegenüberliegenden kon kav gekrümmten Fläche 2. Es handelt sich dabei grundlegend um eine Landschaftslinse. Beide Flächen 1 und 2 verlaufen senk recht zur optischen Achse der Linse. Die brechende Linse be steht aus optisch durchlässigem Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,45 und einer V-Zahl von grö ßer als 50. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Brechungsindex 1,49 und die V-Zahl 57,4. Geeignetes und be vorzugtes Material ist jedes formbare Material, wie z. B. optischer Kunststoff oder Glas. Im Falle gepreßter Linsen elemente wird Kunststoffmaterial eher bevorzugt, da es preisgünstiger und leichter zu formen ist. Die Blendenzahl beträgt F/10, die Linse besitzt einen Bildfeldwinkel von 33,4°. Die Gesamtdicke der Linse kann weniger als 4 mm, vor zugsweise 1,0 bis 3,0 mm betragen. In vorliegender Ausfüh rungsform ist sie 1,645 mm dick. Die Brennweite der erfin dungsgemäßen Landschaftslinsen kann 28 bis 35 mm, vorzugs weise 32 bis 35 mm betragen. Gemäß der Erfindung wird eine Landschaftslinse (d. h. ein Meniskus) mit einer Brennweite im Bereich von 32 bis 35 mm und Blendenzahlen von F/9 bis F/11 geschaffen. Die Brennweite der Linse 10 beträgt 32,84 mm. Der Mittelpunkt des Basiskrümmungsradius der konvexen Fläche 1 liegt 6,33 mm davon entfernt rechts auf der optischen Ach se. Die Fläche 1 ist asphärisch und kann mittels folgender Gleichung beschrieben werden:

Die asphärische Krümmung schwächt die Brechkraft in Richtung des Randes ab (d. h. die Linse wird in Richtung des Rand bereichs der Öffnung negativer). Der Betrag der asphärischen Verformung ist Tabelle 2 zu entnehmen. Y/R in Tabelle 2 ist die relative Öffnung der asphärischen Fläche, wobei Y/R=1 eine halbe Öffnung von 4 mm für diese Ausführungsform dar stellt.

Die Meniskusform des Linsenelements und die asphärische Brechungsfläche dienen primär zur Verringerung der astigma tischen Feldkrümmung und des Öffnungsfehlers in der von der Linse erzeugten reellen Abbildung. Das für das Linsenelement bevorzugte Material ist Polymethylmethacrylat. Es ist leicht formbar und vereinfacht die Herstellung des mit einer asphä rischen Fläche zu versehenden Linsenelements. Zudem mini miert die hohe Abbe-Dispersionszahl (v=57,4) des Polymethyl methacrylats (PMMA) das Entstehen von Farbfehlern in der vom Linsenelement erzeugten Abbildung. Tabelle 1 zeigt beispiel haft Abmessungen und Abstände, wobei der Index n in der Mit te des an der Nennwellenlänge λ = 546,1 nm gemessenen Be reichs liegt, der Brechungsindex 1,49 ist und die V-Zahl 57,4 beträgt.

Tabelle 1

Tabelle 2

Die Linse der ersten Ausführungsform hat eine Nenn- oder mittlere Wellenlänge von λ = 546,1 nm. Die Linse ist um diese mittlere Wellenlänge auf eine Bandbreite von 440 bis 650 nm optimiert und analysiert. Die Linse ist ferner so ausgelegt, daß sie in einer Kamera gekrümmter Filmebene ver wendbar ist. Die Filmebene ist derart gekrümmt, daß sie einen Zylinderabschnitt bildet, dessen konkave Fläche der Fläche 2 der Linse zugewandt ist. Obwohl der Stand der Tech nik einlinsige Meniskuselemente beschreibt, die jeweils in Verbindung mit einer gekrümmten Filmebene verwendet werden, besaßen derartige Filmebenen einen Krümmungsradius zwischen 100 und 160 mm (absolute Radien). Gemäß einem Ausführungs beispiel der vorliegenden Erfindung liegt der günstigste Krümmungsradius für den zylindrisch geführten Film bei ca. -90 mm, d. h. 85 |R| 95 mm, wobei dessen konkave Fläche der Linse zugewandt ist.

Obwohl US-A-5,278,597 offenbart, daß der Krümmungsradius R für den Film zwischen -80 und -250 mm liegen muß, um eine akzeptable Abbildungsqualität zu erhalten, wiesen alle be schriebenen Ausführungsformen Krümmungsradien zwischen -100 und -200 mm auf. Die meisten anderen Konstruktionen weisen einen Krümmungsradius von -120 bis -140 mm auf. Der Grund dafür liegt darin, daß es unter Objektivrechnern allgemein bekannt ist, daß es mit zunehmender Filmkrümmung zu größeren Abweichungen der Abbildungsqualität in Filmbildbereichen zwischen Längs- und der sich parallel zur Zylinderachse er streckenden Querdimension des zylindrisch gekrümmten Films kommt. Da die Objektivkonstrukteure allgemein der Überzeu gung waren, daß solche Qualitätsabweichungen bei stärkerer Filmkrümmung progressiv zunähmen, vermeiden sie Krümmungs radien von unter 100 mm. Demgegenüber war jedoch festzustel len, daß bei Blendenzahlen von F/9 und höher (d. h. F/11 bis F/16) die Landschaftslinse genügend Schärfentiefe besitzt, um einen mit mindestens einem Krümmungsradius im Bereich von -85 bis -95 mm geführten Film ohne wahrnehmbare Verschlech terung der Abbildungsqualität anwenden zu können. Weiterhin wurde festgestellt, daß dieser Radienbereich mit der Feld krümmung und der Verzeichnung der Linse übereinstimmt, so daß Feldkrümmung und Verzeichnung kompensiert werden, der art, daß nach Überführen des Films in Planlage und anschlie ßendem Kopieren die resultierende Bildqualität besser ist. Da es von Vorteil ist, daß die Linse so viel Licht wie mög lich sammelt, sollte die Blendenzahl der Linse bei F/9 lie gen. Gute Ergebnisse werden bei Linsen mit Blendenzahlen im Bereich F/9 bis F/11 erzielt.

Fig. 2-5 zeigen Kurven der Bildfehler und MTF-Kurven der Linsenleistung. Die Leistungsanalyse verläuft entlang des idealen sphärischen Radius zu einer Bildfeldecke des zylin drisch geführten Films. Für das Filmformat 135 beträgt die ser Radius -130 mm. Die idealen Radien sind für andere For mate unterschiedlich. Der Radius von -130 mm wurde nur für Analysezwecke verwendet. Der tatsächliche Krümmungsradius des Films beträgt -90 mm. Er wird entlang der längeren Bild felddimension gemessen. In Querrichtung des Films ist der Krümmungsradius unendlich groß. Es sei darauf hingewiesen, daß die MTF-Werte auf der Linsenachse bei Frequenzen von 10 bis 20 Linienpaaren/mm bei 0,45 oder höher liegen, die mitt lere MTF bei einem Bildfeld von 0,7 und Frequenzen zwischen 10 und 20 höher als 0,3 ist, und die MTF bei 10 Linienpaaren/mm bei 0,5, und bei 5 Linienpaaren/mm bei 0,7 liegt.

Aus der vorausgehenden Beschreibung ist offensichtlich, daß mit der Erfindung eine Einzellinse zur Verwendung als Kame raobjektiv in einfachen oder Einweg-Kameras erhalten wird. Durch Nutzung der Eigenschaften dieser Linse wird eine äußerst hohe Fehlerkorrektur erzielt.

Die erfindungsgemäße Linse ist nicht nur auf den Einsatz in Einwegkameras beschränkt, sondern kann bei jeder einfachen fotografischen Kamera oder anderen Bildaufnahmevorrichtungen und, insbesondere in solchen Systemen, bei denen zur Fokus sierung des Lichts im sichtbaren Spektrum Einzellinsenkompo nenten oder -elemente einsetzbar sind, angewendet werden.

Obwohl im beschriebenen Ausführungsbeispiel die Brennweite 32,84 mm beträgt, ist die erfindungsgemäße Linse insbesonde re für den Einsatz in preiswerten Kameras geeignet, bei spielsweise (jedoch keineswegs ausschließlich) in Einweg- Kameras mit Brennweiten zwischen 32 und 35 mm und einer Blendenzahl von F/8 bis F/12, insbesondere F/9 bis F/11.

Claims

1. Im sichtbaren Spektralbereich arbeitendes einlinsiges opti sches System für eine Einweg- oder Einfachkamera, mit einem Einzelmeniskus (10), der aus einer Einzellinse (10) mit einem Körper aus einem optisch durchlässigen Material mit einem Brechungsindex von mindestens 1,45 besteht, wobei der Körper auf seinen einander gegenüberliegenden Seiten eine erste bzw. zweite Fläche (1 bzw. 2) aufweist, und mit einer zwischen der Einzellinse und dem Film (15) angeordneten Aperturblende ST, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellinse (10) zur Belich tung eines zylindrisch gekrümmten Films (15) dient, wobei dessen Krümmungsradius 85 bis 95 mm beträgt und die Einzel linse derart angeordnet ist, daß sie den folgenden Bildwinkel hat:
65° < w < 68°, wobei w ein volles Bildfeld bedeutet.

2. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Brechungsindex 1,49 beträgt.

3. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellinse (10) mit einer Blendenzahl in einem Bereich von 8 F/# 12 arbeitet und eine Brennweite f im Bereich von 28 bis 35 mm besitzt.

4. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellinse (10) mit einer Blendenzahl in einem Bereich von 9 F/# 11 arbeitet.

5. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzellinse (10) mit einer Blendenzahl in einem Bereich von 8 F/# 12 arbeitet und eine Brennweite f im Bereich von 32 bis 35 mm besitzt.

7. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine konkave Fläche des Meniskus (10) dem Film (15) zugewandt ist.

8. Optisches System nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Film (15) einen Krümmungsradius von 87 R 95 mm hat.

9. Optisches System nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die konkave Fläche (2) des Meniskus (10) dem Film (15) zuge wandt ist.

10. Einzellinse nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die asphärische Fläche die Einzellinse (10) in Richtung des Rand bereichs der freien Öffnung schwächt.

11. Einwegkamera (100) mit

a) einem Kameragehäuse (5);
b) einem in dem Kameragehäuse (5) befindlichen Film (15), dessen zu belichtender Abschnitt zylindrisch gekrümmt ist, gekennzeichnet durch eine am Kameragehäuse angeordnete und zur Belichtung des Films (15) dienende Einzellinse in Form eines Meniskus (10), wobei der zu belichtende Filmabschnitt einen Krümmungsradius von 85 |R| 95 hat.