DE19918338A1

DE19918338A1 - Variolinsensystem

Info

Publication number: DE19918338A1
Application number: DE19918338A
Authority: DE
Inventors: Takashi Enomoto
Original assignee: Asahi Kogaku Kogyo Co Ltd
Current assignee: Pentax Corp
Priority date: 1998-04-22
Filing date: 1999-04-22
Publication date: 1999-10-28
Also published as: US6297914B1; JPH11305123A

Abstract

Ein Variolinsensystsem enthält eine positive erste Linsengruppe (11) und eine negative zweite Linsengruppe (12), die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind. Zur Brennweitenänderung ist der Abstand der beiden Linsengruppen (11, 12) veränderbar. Die positive erste Linsengruppe (11) enthält ein negatives erstes Linsenelement, ein aus Kunststoff gefertigtes zweites Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche und ein positives drittes Linsenelement, die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind. Das Variolinsensystem erfüllt folgende Bedingungen: DOLLAR A (1) 3,5 < f¶T¶/f¶1G¶ < 4,5 DOLLAR A (2) -4,7 < f¶T¶/f¶2G¶ < -3,7 DOLLAR A (3) 63 < nu¶dL3¶ DOLLAR A worin f¶T¶ die Brennweite des gesamten Variolinsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite f¶1G¶ die Brennweite der positiven ersten Linsengruppe (11), f¶2G¶ die Brennweite der negativen zweiten Linsengruppe (12) und nu¶dL3¶ die Abbe-Zahl bezüglich des in der positiven ersten Linsengruppe (11) enthaltenen positiven dritten Linsenelementes bezeichnet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Variolinsensystem für eine Kompaktkamera.

Bei einem Variolinsensystem für eine Kompaktkamera ist keine besonders lange hintere Bildweite erforderlich, es sei denn, dieses Linsensystem ist für eine ein äugige Spiegelreflexkamera (SLR) bestimmt, die Platz für einen hinter dem Foto objektiv angeordneten Spiegel benötigt. Bei einer Kompaktkamera wird deshalb im allgemeinen ein Tele-Linsensystem verwendet, in dem von der Objektseite aus betrachtet eine positive und dann eine negative Linsengruppe vorgesehen sind. Dagegen wird in einer einäugigen Spiegelreflexkamera im allgemeinen ein Retro fokus-Linsensystem eingesetzt, das von der Objektseite aus betrachtet zunächst eine negative und dann eine positive Linsengruppe hat.

In einem mit zwei Linsengruppen ausgestatteten Tele-Variolinsensystem ist die Verteilung der Brechkraft über die vordere und die hintere Linsengruppe wichtig im Hinblick auf die Verringerung der Aberrationen und den kompakten Aufbau der Kamera. Weiterhin ist es zur Verringerung der bei der Brennweitenänderung auf tretenden Aberrationsschwankungen erforderlich, die Aberrationen in jeder Lin sengruppe zu korrigieren. Es bereitet jedoch Schwierigkeiten, die Aberrationen in einem Variolinsensystem zu korrigieren, in dem der halbe Feldwinkel bei der Einstellung kürzester Brennweite etwa 35° und das Brennweitenverhältnis etwa 2,5 beträgt. Aus diesem Grunde ist in der Vergangenheit die Anzahl der Linsen elemente und der verkitteten Linsenelemente angestiegen, so daß im Stand der Technik ein mit drei Linsengruppen ausgestattetes Variolinsensystem zur Anwendung kommt. Diese Gesichtspunkte haben zu einem Ansteigen der Herstel lungskosten geführt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Variolinsensystem anzugeben, das bei der Einstellung kürzester Brennweite einen halben Feldwinkel von etwa 35° erreicht, ein Brennweitenverhältnis von etwa 2,5 hat und insgesamt kompakt aufgebaut ist, während es die Aberrationen in jeder Linsengruppe ausreichend korrigiert und die bei der Brennweitenänderung auftretenden Aberrationsschwankungen verringert.

Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein mit zwei Linsengruppen ausgestat tetes Variolinsensystem anzugeben, das kostengünstiger ist und eine geringere Anzahl von Linsenelementen hat.

Die Erfindung löst diese Aufgaben durch die Merkmale des Anspruchs i. Vorteil hafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand der Figuren näher erläutert. Darin zei gen:

Fig. 1 die Linsenanordnung eines ersten Ausführungsbeispiels des Vario linsensystems nach der Erfindung,

Fig. 2A, 2B, 2C und 2D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 1 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 3A, 3B, 3C und 3D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 1 bei Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 4A, 4B, 4C und 4D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 1 bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 5 die Linsenanordnung eines zweiten Ausführungsbeispiels,

Fig. 6A, 6B, 6C und 6D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 5 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 7A, 7B, 7C und 7D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 5 bei Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 8A, 8B, 8C und 8D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 5 bei der Einstellung längster Brennweite,

Fig. 9 die Linsenanordnung eines dritten Ausführungsbeispiels,

Fig. 10A, 10B, 10C und 10D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 9 bei der Einstellung kürzester Brennweite,

Fig. 11A, 11B, 11C und 11D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 9 bei der Einstellung mittlerer Brennweite,

Fig. 12A, 12B, 12C und 12D die Diagramme der Aberrationen der Linsenanordnung nach Fig. 9 bei der Einstellung längster Brennweite und

Fig. 13 die Bewegung der Linsengruppen des Variolinsensystem bei der Brennweitenänderung.

Ein Variolinsensystem enthält eine positive erste Linsengruppe 11 und eine ne gative zweite Linsengruppe 12, die in der genannten Reihenfolge von der Objekt seite aus betrachtet angeordnet sind. Zur Brennweitenänderung wird der Abstand zwischen der positiven ersten Linsengruppe 11 und der negativen zweiten Lin sengruppe 12 variiert. Wie an Hand der in Fig. 13 angedeuteten Bewegungswege der positiven ersten Linsengruppe 11 und der negativen zweiten Linsengruppe 12 angedeutet, werden diese beiden Linsengruppen unter Verringerung ihres ge genseitigen Abstandes gemeinsam bewegt, um ausgehend von der Einstellung kürzester Brennweite zur Einstellung längster Brennweite eine Brennweitenände rung durchzuführen. Eine Blende S ist zwischen der ersten Linsengruppe 11 und der zweiten Linsengruppe 12 angeordnet und so ausgebildet, daß sie sich ge meinsam mit der ersten Linsengruppe 11 bewegt. Die Scharfeinstellung kann an dererseits entweder durch die positive erste Linsengruppe 11 oder durch das ge samte Linsensystem erfolgen.

Die positive erste Linsengruppe 11 enthält ein negatives erstes Linsenelement, ein aus Kunststoff gefertigtes zweites Linsenelement mit mindestens einer asphä rischen Fläche und ein positives drittes Linsenelement, die in der genannten Rei henfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind.

Ist bei der Einstellung kürzester Brennweite unter Verkleinerung des am nächsten zum Objekt hin angeordneten Linsenelementes ein halber Feldwinkel von mehr als 35° erforderlich, so ist das erste Linsenelement vorzugsweise als negatives Linsenelement ausgebildet. In einem Linsensystem wie dem oben erläuterten, mit zwei Linsengruppen versehenen Variolinsensystem, in dem die zur Brennweitenänderung erforderliche Bewegungsstrecke unter Erreichung eines größeren Brennweitenverhältnisses verringert ist, um so eine Kompaktkamera bereitzustellen, ist die sphärische Aberration in der positiven ersten Linsengruppe 11 unterkorrigiert, da die Brechkraft jeder Linsengruppe stark wird. Um die sphärische Aberration effizient zu korrigieren, ist das zweite Linsenelement der positiven ersten Linsengruppe 11 aus Kunststoff gefertigt und hat mindestens ei ne asphärische Fläche.

Die chromatische Aberration bei der Brennweitenänderung kann durch eine ge eignete Abbe-Zahl des dritten Linsenelementes gut korrigiert werden. Zusätzlich enthält die negative zweite Linsengruppe 12 vorzugsweise ein Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche. Wegen dieser asphärischen Fläche kann die Anzahl der Linsenelemente einer hinteren Unterlinsengruppe der negativen zweiten Linsengruppe verringert werden, und die Verzeichnung kann korrigiert werden.

Die Bedingung (1) des Anspruchs 1 betrifft die Brechkraft der positiven ersten Linsengruppe 11. Ist die Bedingung (1) erfüllt, so wird die Bewegungsstrecke der positiven ersten Linsengruppe 11 verringert. Das gesamte Linsensystem kann so kompakt gefertigt werden, und die in der ersten Linsengruppe 11 auftretenden Aberrationen können gut korrigiert werden.

Übersteigt f_T/f_1G die obere Grenze, so werden die Aberrationen der positiven er sten Linsengruppe größer, so daß die bei der Brennweitenänderung auftretenden Aberrationsschwankungen nicht ausreichend korrigiert werden können. Unter schreitet f_T/f_1G die untere Grenze, so wird die Bewegungsstrecke der positiven ersten Linsengruppe 11 bei der Brennweitenänderung länger, und das gesamte Variolinsensystem kann nicht kompakt gefertigt werden.

Die Bedingung (2) des Anspruchs 1 betrifft die Brechkraft der negativen zweiten Linsengruppe 12. Ist die Bedingung (2) erfüllt, so wird die Bewegungsstrecke der negativen zweiten Linsengruppe 12 verringert. Das gesamte Variolinsensystem kann so kompakt gefertigt werden, und die in der negativen zweiten Linsengruppe 12 erzeugten Aberrationen können gut korrigiert werden. Übersteigt f_T/f_2G die obere Grenze, so wird die Bewegungsstrecke der negativen zweiten Linsen gruppe 12 länger, so daß das gesamte Variolinsensystem nicht kompakt genug gefertigt werden kann. Unterschreitet f_T/f_2G die untere Grenze, so werden die Aberrationen in der negativen zweiten Linsengruppe 12 größer, so daß die bei der Brennweitenänderungen auftretenden Aberrationsschwankungen nicht aus reichend korrigiert werden können.

Die Bedingung (3) des Anspruchs 1 betrifft die Abbe-Zahl des positiven dritten Linsenelementes, das als einzelnes Linsenelement ausgebildet ist. Ist die Bedin gung (3) erfüllt, können die chromatischen Aberrationen, die über den von der Einstellung kürzester Brennweite bis zur Einstellung längster Brennweite rei chenden Brennweitenbereich auftreten, durch ein einzelnes Linsenelement, d. h. das dritte Linsenelement, korrigiert werden. Unterschreitet ν_dL3 die untere Grenze, so kann die chromatische Aberration, die über den von der Einstellung kürzester Brennweite bis zur Einstellung längster Brennweite reichenden Brennwei tenbereich auftritt, durch das dritte Linsenelement nicht ausreichend korrigiert werden.

Die Bedingung (4) des Anspruchs 2 betrifft den Asphärizitätswert eines Linsen elementes in der negativen zweiten Linsengruppe 12, das mindestens eine asphärische Fläche hat. Ist die Bedingung (4) erfüllt, so kann die Verzeichnung gut korrigiert werden. Übersteigt ΔV_ASP die obere Grenze, so wird der Asphärizi tätswert so groß, daß das Linsenelement, an dem die asphärische Fläche aus zubilden ist, nur schwer herzustellen ist. Unterschreitet ΔV_ASP die untere Grenze, so korrigiert die asphärische Fläche die Verzeichnung nicht effizient genug, so daß die Korrektion der Aberrationen nicht ausreicht.

Die Beziehung zwischen den Asphärizitätskoeffizienten und den Aberrationskoef fizienten wird im folgenden diskutiert. Die Form einer asphärischen Fläche ist all gemein wie folgt definiert:

x = cy²/{1+[1-(1+K)c²y²]^1/2}+A4y⁴+A6y⁶+A8y⁸+A10y¹⁰+ . . .;

worin
y den Abstand von der optischen Achse,
x den Abstand von einer Tangentialebene des asphärischen Scheitels,
c die Krümmung des asphärischen Scheitels (1/r),
K die Kegelschnittkonstante,
A4 einen Asphärizitätskoeffizienten vierter Ordnung,
A6 einen Asphärizitätskoeffizienten sechster Ordnung,
A8 einen Asphärizitätskoeffizienten achter Ordnung und
A10 einen Asphärizitätskoeffizienten zehnter Ordnung bezeichnet.

Um aus Gleichung die Aberrationskoeffizienten zu erhalten, wird folgende Substitution durchgeführt, um K durch 0 zu ersetzen (Bi = Ai, wenn K = 0).

B4 = A4+Kc³/8
B6 = A6+(K²+2K)c⁵/16
B8 = A8+5(K³+3K²+3K)c⁷/128
B10 = A10+7(K⁴+4K³+6K²+4K)c⁹/256.

Man erhält so folgende Gleichung:

x = cy²/{1+[1-c²y²]^1/2}+B4y⁴+B6y⁶+B8y⁸+B10y¹⁰+ . . .;

Wird die Brennweite f auf 1,0 normiert, so transformiert sich der resultierende Wert wie folgt. Die folgenden Gleichungen werden in oben stehende Gleichung substituiert:

X = x/f, Y = y/f, C = fc
α4 = f³B4, α6 = f⁵B6, α8 = f⁷B8, α10 = f⁹B10.

Man erhält somit folgende Gleichung:

X = CY²/{1+[1-C²Y²]^1/2}+α4Y⁴+α6Y⁶+α8Y⁸+α10Y¹⁰+ . . .

Der zweite und die nachfolgenden Terme definieren den Asphärizitätswert der asphärischen Fläche.

Die durch den Asphärizitätskoeffizienten α4 vierter Ordnung verursachten Aber rationsbeiträge dritter Ordnung erhält man wie folgt:

ΔI = h⁴Φ
ΔII = h³kΦ
ΔIII = h²k²Φ
ΔIV = h²k²Φ
ΔV = hk³Φ

worin
I den sphärischen Aberrationskoeffizienten,
II den Komakoeffizienten
III den Astigmatismuskoeffizienten
IV den Koeffizienten der sagittalen Bildfeldwölbung,
V den Verzeichnungskoeffizienten,
h1 die Höhe, in der ein paraxialer, auf der Achse liegender Strahl (on-axis- Strahl) auf die erste Fläche des eine asphärische Fläche enthaltenden opti schen Systems trifft,
h die Höhe, in der der paraxiale, auf der Achse liegende Strahl auf die asphärische Fläche des optischen Systems trifft, wenn h1 gleich 1 ist,
k1 die Höhe, in der ein paraxialer, außeraxialer Strahl der von einem außeraxialen Objektpunkt ausgeht und durch die Mitte der Eintrittspupille tritt, auf die erste Fläche des eine asphärische Fläche enthaltenden opti schen Systems trifft,
k die Höhe, in der der paraxiale, außeraxiale Strahl auf die asphärische Flä che des optischen Systems trifft, wenn k1 gleich -1 ist, bezeichnet, und

Φ = 8(N'-N)α4

gilt, worin
N den Brechungsindex des bezüglich der asphärischen Fläche objektseiti gen Mediums und
N' den Brechungsindex des bezüglich der asphärischen Fläche bildseitigen Mediums bezeichnet.

Numerische Daten der Ausführungsbeispiele sind in den folgenden Tabellen und Diagrammen angegeben. In den Diagrammen der chromatischen Aberrationen (axiale chromatische Aberration), dargestellt durch die sphärischen Aberrationen, zeigen die durchgezogenen Linien und die beiden Arten von gestrichelten Linien die chromatischen Aberrationen bei der d-Linie, der g-Linie bzw. der C-Linie an. Auch in den Diagrammen der lateralen chromatischen Aberration bezeichnen die durchgezogenen Linien und die beiden Arten von gestrichelten Linien die latera len chromatischen Aberrationen bei der d-Linie, der g-Linie bzw. der C-Linie. S bezeichnet das Sagittalbild und M das Meriodionalbild. F_NO bezeichnet die F-Zahl, f die Brennweite des gesamten Variolinsensystems, W den halben Feldwinkel und f_B die hintere Bildweite. R bezeichnet den Krümmungsradius der jeweiligen Lin senfläche, D die Dicke oder den Abstand, N_d den Brechungsindex bezüglich der d-Linie und ν_d die Abbe-Zahl bezüglich der d-Linie.

Ausführungsbeispiel 1

Fig. 1 zeigt die Linsenanordnung des ersten Ausführungsbeispiels des Variolin sensystems nach der Erfindung. Die Fig. 2A, 2B, 2C und 2D, die Fig. 3A, 3B, 3C und 3D sowie die Fig. 4A, 4B, 4C und 4D zeigen die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite, mittlerer Brennweite und längster Brennweite. In Tabelle 1 sind die numerischen Daten des ersten Ausführungsbeispiels angegeben. Die Flächen Nr. 1 bis 6 beziehen sich auf die positive erste Linsengruppe 11 und die Flächen Nr. 7 bis 10 auf die negative zweite Linsengruppe 12. Die positive erste Linsengruppe 11 besteht aus einem negativen ersten Linsenelement aus Glas (Flächen Nr. 1 und 2), einem zweiten Linsenelement aus Kunststoff mit einer objektseitigen asphärischen Flä che (Fläche Nr. 3) und einem positiven dritten Linsenelement aus Glas (Flächen Nr. 5 und 6). Diese Linsenelemente sind in der angegebenen Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet. Die negative zweite Linsengruppe 12 be steht aus einem vierten Linsenelement aus Kunststoff (Flächen Nr. 7 und 8) und einem fünften Linsenelement aus Glas (Flächen Nr. 9 und 10).

Tabelle 1

Daten der asphärischen Flächen (nicht angegebene Koeffizienten sind Null (0,00)):

Ausführungsbeispiel 2

Fig. 5 zeigt die Linsenanordnung des zweiten Ausführungsbeispiels des Variolin sensystems. Die Fig. 6A, 6B, 6C und 6D, die Fig. 7A, 7B, 7C und 7D sowie die Fig. 8A, 8B, 8C und 8D zeigen die Diagramme der Aberrationen des Variolinsen systems bei der Einstellung kürzester Brennweite, mittlerer Brennweite und längster Brennweite. In Tabelle 2 sind die numerischen Daten des zweiten Aus führungsbeispiels angegeben. Die Linsenanordnung ist die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 2

Ausführungsbeispiel 3

Fig. 9 zeigt die Linsenanordnung des dritten Ausführungsbeispiels des Variolin sensystems. Die Fig. 10A, 10B, 10C und 10D, die Fig. 11A, 11B, 11C und 11D und die Fig. 12A, 12B, 12C und 12D zeigen die Diagramme der Aberrationen des Variolinsensystems bei der Einstellung kürzester Brennweite, mittlerer Brennweite und längster Brennweite. In Tabelle 3 sind die numerischen Daten des dritten Ausführungsbeispiels angegeben. Die Linsenanordnung ist die gleiche wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel.

Tabelle 3

Tabelle 4 zeigt die numerischen Daten der Ausführungsbeispiele 1 bis 3 für die Bedingungen (1) bis (4).

Tabelle 4

Wie aus Tabelle 4 hervorgeht, erfüllen die Ausführungsbeispiele die Bedingungen (1) bis (4). Die Aberrationen sind ausreichend korrigiert.

Das vorstehend erläuterte, mit zwei Linsengruppen ausgestattete Tele-Variolin sensystem stellt ein kompaktes und kostengünstiges Linsensystem dar. Insbe sondere hat dieses Linsensystem folgende Vorteile: Es enthält eine geringere Anzahl von Linsenelementen, es hat bei der Einstellung kürzester Brennweite ei nen halben Feldwinkel von etwa 35°, und es hat ein Brennweitenverhältnis von etwa 2,5, wobei die Aberrationen in jeder Linsengruppe ausreichend korrigiert und auch die bei der Brennweitenänderung auftretenden Aberrationsschwankungen verringert sind.

Claims

1. Variolinsensystem mit einer positiven ersten Linsengruppe (11) und einer negativen zweiten Linsengruppe (12), deren Abstand voneinander zur Brennweitenänderung veränderbar ist und die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind, wobei die erste Lin sengruppe ein negatives erstes Linsenelement, ein aus Kunststoff gefertig tes zweites Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche und ein positives drittes Linsenelement enthält, die von der Objektseite aus be trachtet in der genannten Reihenfolge angeordnet sind, und folgende Bedin gungen erfüllt sind:
3,5 < f_T/f_1G < 4,5 (1)
-4,7 < f_T/f_2G < -3,7 (2)
63 < ν_dL3 (3)
worin
f_T die Brennweite des gesamten Variolinsensystems bei der Einstellung längster Brennweite,
f_1G die Brennweite der positiven ersten Linsengruppe (11),
f_2G die Brennweite der negativen zweiten Linsengruppe (12) und
ν_dL3 die Abbe-Zahl bezüglich des in der ersten Linsengruppe (11) enthaltenen positiven dritten Linsenelementes bezeichnet.

2. Variolinsensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ne gative zweite Linsengruppe (12) ein Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche enthält und folgende Bedingung erfüllt ist:
0 < ΔV_ASP < 0,2 (4)
worin
ΔV_ASP den Wert der durch die asphärische Fläche verursachten Änderung eines Verzeichnungskoeffizienten unter der Bedingung bezeichnet, daß die Brennweite bei der Einstellung kürzester Brennweite auf 1,0 normiert ist.

3. Variolinsensystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die negative zweite Linsengruppe (12) ein aus Kunststoff gefertigtes viertes Linsenelement mit mindestens einer asphärischen Fläche und ein negatives fünftes Linsenelement enthält, die in der genannten Reihenfolge von der Objektseite aus betrachtet angeordnet sind.

4. Variolinsensystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das vierte Linsenelement positive Brechkraft hat.