DE2911794C2

DE2911794C2 -

Info

Publication number: DE2911794C2
Application number: DE2911794A
Authority: DE
Inventors: Kazuo Tokio/Tokyo Jp Tanaka
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1978-03-27
Filing date: 1979-03-26
Publication date: 1992-03-05
Also published as: GB2021799B; US4281906A; GB2021799A; DE2911794A1; JPS6140970B2; FR2421401B1; JPS54127322A; FR2421401A1

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Varioobjektiv gemäß dem Oberbegriff vom Patentanspruch 1.

Ein solches Varioobjektiv ist bekannt (DE-OS 22 04 553). Dieses bekannte Varioobjektiv hat einen Aufbau, der grundsätzlich ein verhältnismäßig kompaktes Objektiv, insbesondere eine kurze Baulänge, und zugleich gute Abbildungsleistungen ermöglicht. Das bekannte Objektiv erreicht bei akzeptablen Werten der Aberrationen eine relative Öffnung von 1 : 2,0 und ein Varioverhältnis von 10.

Grundsätzlich angestrebt ist eine weitere Verringerung von Abmessungen und Gewicht des Varioobjektivs sowie eine Vergrößerung der Lichtstärke und des Variobereichs. Dies könnte dadurch erzielt werden, daß die Brechkräfte der einzelnen Linsengruppen erhöht werden. Dabei entstehen jedoch zusätzliche Probleme hinsichtlich der Aberrationen, wobei es insbesondere schwierig werden kann, die Petzvalsumme zu korrigieren.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das gattungsgemäße Varioobjektiv dahingehend zu verbessern, daß es zugleich einen großen Variobereich und eine große relative Öffnung aufweist sowie kompakt ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 aufgeführten Merkmale gelöst. Nicht allein, jedoch insbesondere ermöglicht die Einhaltung der Bedingung (c), daß bei kompakter Ausbildung des Varioobjektivs ein Varioverhältnis von ungefähr 13 sowie eine maximale relative Öffnung von 1 : 2 erreicht werden.

Die Bedingungen (a) und (b) des erfindungsgemäßen Varioobjektivs sind im Zusammenhang mit dem gattungsbildenden Varioobjektiv nicht bekannt; sie werden jedoch von dem in der DE-OS 22 04 553 beschriebenen Ausführungsbeispiel erfüllt.

Eine vorteilhafte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Varioobjektivs ist im Unteranspruch gekennzeichnet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung näher erläutert.

Fig. 1(A) und 1(B) sind Schnittbilder eines ersten Ausführungsbeispiels des Varioobjektivs in Weitwinkelstellung bzw. Telestellung.

Fig. 2(A) und 2(B) sind grafische Darstellungen von Abbildungsfehlern des Varioobjektivs nach Fig. 1.

Fig. 3(A) und 3(B) sind Schnittbilder eines zweiten Ausführungsbeispiels des Varioobjektivs.

Fig. 4(A) und 4(B) sind grafische Darstellungen von Abbildungsfehlern des Varioobjektivs nach Fig. 3.

Fig. 5 ist ein Schnittbild eines dritten Ausführungsbeispiels des Varioobjektivs.

Fig. 6 ist eine grafische Darstellung zur Erläuterung einer asphärischen Fläche.

Fig. 7(A) und 7(B) sind grafische Darstellungen von Abbildungsfehlern des Varioobjektivs nach Fig. 5.

Bei einem Varioobjektiv mit vier Linsengruppen, nämlich einer ersten Linsengruppe für die Fokussierung, einer negativen zweiten Linsengruppe und einer negativen dritten Linsengruppe für die Brennweitenänderung und einer während der Fokussierung bzw. Scharfeinstellung und der Brennweitenänderung ortsfesten vierten Linsengruppe, die in dieser Reihenfolge von der Objektseite aufeinanderfolgend angeordnet sind, kann die Länge des Varioteils und damit die Länge des gesamten Objektivs wirksam dadurch verringert werden, daß die zweite und die dritte Linsengruppe in folgendem Zusammenhang bewegt werden:

|β₂W|<1, |β₃W|<1

|β₂T|<1, |β₃T|<1 (1)

wobei β₂W der Abbildungsmaßstab der zweiten Linsengruppe in der Weitwinkel stellung ist, β₃W der Abbildungsmaßstab der dritten Linsengruppe in der Weitwinkelstellung ist, β₂T der Abbildungsmaßstab der zweiten Linsengruppe in der Telestellung ist und β₃T der Abbildungsmaßstab der dritten Linsengruppe in der Telestellung ist. Die Ungleichungen (1) haben die physikalische Bedeutung, daß während der Brennweitenänderung aus der Weitwinkelstellung in die Telestellung die zweite Linsengruppe monoton von vorne nach hinten bewegt wird, während die dritte Linsengruppe in Hin- und Herbewegung zuerst nach vorne in Richtung des Objektes und dann nach hinten bewegt wird.

Je stärker die Brechkraft der positiven ersten Linsengruppe für die Scharfeinstellung und der negativen zweiten und dritten Linsengruppe für die Brennweitenänderung gewählt wird, umso kleiner können die Ausmaße des Varioobjektivs gemacht werden. Wenn jedoch die Brechkräfte der einzelnen Linsengruppe von brauchbaren Werten abweichen, wird die negative Petzval-Summe, des Varioteils zu groß dafür, mittels der dem Varioteil folgenden vierten Linsengruppe kompensiert zu werden. Diese Einschränkung ist folgendermaßen bestimmt:

wobei f₁ die Brennweite der ersten Linsengruppe ist, f₂ die Brennweite der zweiten Linsengruppe ist und f₃ die Brennweite der dritten Linsengruppe ist. Wenn die Ungleichung (3) nicht eingehalten wird, ist die Brechkraft der dritten Linsengruppe gesteigert, so daß daher die Krümmungsradien der einzelnen Linsenflächen und insbesondere der Krümmungsradius der vordersten Linsenfläche der dritten Linsengruppe in einem derartigen Ausmaß vergrößert, daß nicht nur die Petzval-Summe, sondern auch die Änderungen der sphärischen Aberration bei der Brennweitenänderung zulässige Werte übersteigen.

Zur Verkleinerung der Masse und der Größe der ersten Linsengruppe muß die folgende Ungleichung eingehalten werden:

wobei f_T die Brennweite des Varioobjektivs in der Telestellung ist und F_T die maximale relative Öffnung in der Telestellung ist. Wenn die Ungleichung (4) nicht eingehalten wird, wird eine Korrektur der sphärischen Aberration in der Telestellung und in der Nähe dieser Einstellung unmöglich. Das gleichzeitige Einhalten der vorstehend genannten Bedingungen (2), (3) und (4) führt zu einer guten Korrektur der Abbildungsfehler bzw. Aberrationen und insbesondere der Petzval-Summe, die sich bei Nichteinhaltung der Bedingungen aus der Verkleinerung der Masse und der Größe ergeben würden.

Die vorstehende Betrachtung betrifft ein Objektiv aus "dünnen Linsen". Bei praktischer Ausführung des Objektivs mit "dicken Linsen" ist es nicht immer möglich, eine mechanische gegenseitige Störung zwischen der ersten Linsengruppe und der zweiten Linsengruppe bzw. dem Variator sowie zwischen dem Variator und der dritten Linsengruppe bzw. dem Kompensator zu vermeiden. Aufgrund dessen sind bei dem Varioobjektiv die folgenden Maßnahmen für den Aufbau und die Anordnung der einzelnen Linsen in der ersten und der zweiten Linsengruppe getroffen:

Zunächst wird die Sicherstellung eines ausreichenden Luftabstands zwischen der ersten und der zweiten Linsengruppe in Betracht gezogen. Zu diesem Zweck ist die erste Linsengruppe aus zumindest drei, vorzugsweise vier Linsen aufgebaut, wobei von vorne nach hinten eine negative erste Linse, eine positive zweite Linse, eine positive dritte Linse und eine positive vierte Linse vorgesehen sind und wobei eine Luftlinse zwischen der ersten und der zweiten Linse mit ausreichender negativer Brechkraft vorgesehen ist. Um dies zu erleichtern, wird vorzugsweise die axiale Dicke der Luftlinse größer als diejenige der ersten Linse und dünner als diejenige der positiven zweiten Linse gewählt. Wenn die Dicke der Luftlinse kleiner als diejenige der negativen ersten Linse ist, wird es unmöglich, eine Lage des hinteren Hauptpunkts der ersten Linsengruppe an der Bildseite derselben zu erwarten, während es bei einer Luftlinse, die dicker als die positive zweite Linse ist, unmöglich wird, die Entstehung von von der Öffnung abhängigen Aberration nahe und bei der Telestellung zu verhindern, obwohl dabei die Tendenz zu einer Verschiebung des hinteren Hauptpunkts nach hinten günstig ist.

Diese Luftlinse ist durch das Einhalten der folgenden Bedingung bestimmt:

0,43<|P · f₁|< 0,46 (5)

wobei P die Summe der Brechkräfte der beiden Linsenflächen der vorstehend genannten ersten Linse und der vorderen Linsenfläche der vorstehend genannten zweiten Linse ist. Die Ungleichung (5) die die Brechkraftverteilung innerhalb der ersten Linsengruppe betrifft, wird nachstehend erläutert. Damit die erste und die zweite Linsengruppe einander nicht berühren, ist es erforderlich, den hinteren Hauptpunkt der ersten Linsengruppe so nahe wie möglich bei deren Rückseite anzuordnen. Da die Brechkraft der ersten Linsengruppe positiv ist, wird dieses Erfordernis dadurch erfüllt, daß die negativen Elemente der ersten Linsengruppe soweit wie möglich nach vorne gelegt werden. Um dies zu verwirklichen, ist bei dem Varioobjektiv die Brechkraft der zwischen der negativen ersten und der positiven zweiten Linse gebildeten negativen Luftlinse gesteigert und/oder der vorderen Linsenfläche der negativen ersten Linse eine negative Brechkraft erteilt. Wenn die untere Grenze der Ungleichung (5) unterschritten wird und dennoch die gewünschte Lage des hinteren Hauptpunktes erreicht werden soll, müßte die negative Brechkraft der vorderen Linsenfläche an der negativen ersten Linse so groß gemacht werden, daß eine Korrektur der Verzeichnung bei den Weitwinkelstellungen erschwert wäre. Wenn die obere Grenze der Ungleichung (5) überschritten wird und dennoch die gewünschte Lage des Hauptpunktes erreicht werden soll, müßte die negative Brechkraft der Luftlinse so groß gemacht werden, daß eine Überkorrektur des Astigmatismus bei den mittleren Brennweiten stellungen auftreten würde.

Um die Brechkräfte der einzelnen Linsengruppen gemäß den Ungleichungen (2) und (3) zu verteilen und trotzdem einen ausreichenden axialen Abstand zwischen der zweiten und der dritten Linsengruppe beizubehalten, ist bei dem Varioobjektiv die zweite Linsengruppe vorzugsweise aus drei Linsen mit vier Linsenelementen aufgebaut, die in der Anordnung von vorne nach hinten eine nach vorne zu konvexe negative Meniskuslinse, eine bikonkave Linse und ein Kittglied aus einer bikonkaven Linse und einer bikonvexen Linse sind. Ein wesentlicher Gesichtspunkt besteht dabei darin, daß durch Aufteilung der Brechkraft der zweiten Linsengruppe auf die Meniskuslinse und die bikonkave Linse die Gesamtdicke der zweiten Linsengruppe vermindert wird sowie ferner der vordere Hauptpunkt der zweiten Linsengruppe soweit wie möglich nach vorne gebracht wird. Eine derartige Verteilung der Brechkraft der zweiten Linsengruppe auf die beiden Elemente bzw. Teile ergibt den Vorteil, daß die durch die erste Linsengruppe bei den Weitwinkelstellungen hervorgerufene Verzeichnung leicht korrigiert werden kann. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß der Krümmungsradius der hintersten Linsenfläche in der zweiten Linsengruppe gleich demjenigen der vordersten Linsenfläche der dritten Linsengruppe gemacht werden kann, wodurch eine weitere Verminderung der Länge des Objektivs erleichtert werden kann.

In den Fig. 1, 3 und 5 sind drei ausgewählte Ausführungsbeispiele des Varioobjektivs dargestellt. In Fig. 1 weist das Varioobjektiv eine positive erste Linsengruppe I mit Flächen R₁ bis R₈, eine negative zweite Linsengruppe II mit Flächen R₉ bis R₁₅, eine negative dritte Linsengruppe III mit Flächen R₁₆ bis R₁₈, eine Blende R₁₉ und eine positive vierte Linsengruppe IV mit Flächen R₂₀ bis R₃₄ auf, die in dieser Reihenfolge von der Objektseite her angeordnet sind, wobei die Fig. 1 (A) die Weitwinkelstellung des Objektivs zeigt, während die Fig. 1(B) die Telestellung des Objektivs darstellt. Die unterschiedlichen Abbildungsfehler bzw. Aberrationen des Varioobjektivs gemäß Fig. 1 in der Weitwinkel- und der Telestellung sind in den Fig. 2(A) bzw. 2(B) gezeigt. Dieses Varioobjektiv kann entsprechend den numerischen Daten aufgebaut werden, die nachstehend für Krümmungsradien r, Axialabstände d zwischen einer i-ten und einer (i+1)-ten Linsenfläche, die Abbezahlen V für die verschiedenen Linsen und die entsprechenden Brechzahlen N für die spektrale Linie α angegeben sind.

Linsenabstände bei der Brennweitenänderung mit einem Objekt im Abstand "∞"

Die Fig. 3 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Varioobjektivs mit einer ersten Linsengruppe I mit Flächen R₁ bis R₁₈, einer zweiten Linsengruppe II mit Flächen R₉ bis R₁₅, einer dritten Linsengruppe III mit Flächen R₁₆ bis R₁₈, einer Blende R₁₉ und einer vierten Linsengruppe IV mit Flächen R₂₀ bis R₃₁, wobei die Fig. 3(A) die Weitwinkelstellung zeigt, während die Fig. 3(B) die Telestellung des Varioobjektivs zeigt. Die verschiedenen Abbildungsfehler des Varioobjektivs gemäß Fig. 3 in der Weitwinkel- und der Telestellung sind in den Fig. 4(A) bzw. 4(B) gezeigt. Das Varioobjektiv kann entsprechend den nachstehend angegebenen numerischen Daten aufgebaut werden:

Linsenabstände bei der Brennweitenänderung mit einem Objekt im Abstand "∞"

Die Fig. 5 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Varioobjektivs mit einer ersten Linsengruppe I mit Flächen R₁ bis R₈, einer zweiten Linsengruppe II mit Flächen R₉ bis R₁₅, einer dritten Linsengruppe III mit Flächen R₁₆ bis R₁₈, einer Blende R₁₉ und einer vierten Linsengruppe IV mit Flächen R₂₀ bis R₃₆, in der Weitwinkelstellung. Die Flächen R₂₄ und R₂₉ sind als asphärische Flächen ausgebildet. Die Gleichung für diese asphärischen Flächen R₂₄ und R₂₉ in Abhängigkeit von dem Krümmungsradius r im achsnahen Bereich des Scheitelpunkts der asphärischen Fläche gemäß der Darstellung in Fig. 6 lautet:

wobei die folgenden Werte gelten:

Die unterschiedlichen Abbildungsfehler des Varioobjektivs nach Fig. 5 in der Weitwinkel- und der Telestellung sind in den Fig. 7 (A) bzw. 7(B) gezeigt. Dieses Varioobjektiv kann entsprechend den nachstehend angegebenen numerischen Daten aufgebaut werden:

Linsenabstände bei der Brennweitenänderung mit einem Objekt im Abstand "∞"

Claims

1. Varioobjektiv mit
einer positiven ersten Linsengruppe, die der Fokussierung dient,
einer negativen zweiten Linsengruppe, die zur Brennweitenänderung aus der Weitwinkel- in die Telestellung entlang der optischen Achse zur Bildseite hin bewegbar ist,
einer negativen dritten Linsengruppe, die bei einer derartigen Brennweitenänderung in Richtung des Objekts und wieder zurück bewegbar ist, und
einer ortsfesten positiven vierten Linsengruppe, wobei die erste Linsengruppe positive Linsen sowie objektseitig eine negative Linse als erste Linse aufweist, die zusammen mit einer ihr unmittelbar folgenden Luftlinse hoher negativer Brechkraft zerstreuend wirkt, wobei die hintere Hauptebene der ersten Linsengruppe nahe bei deren Rückseite und die vordere Hauptebene der zweiten Linsengruppe nahe bei deren Objektseite liegen und wobei gilt, (a) f₁ · F_T/f_T<1,1(b) |f₁/f₃|<1,9wobei
f₁ = Brennweite der ersten Linsengruppe,
f₃ = Brennweite der dritten Linsengruppe,
f_T = Brennweite des Varioobjektivs in der Telestellung, und
F_T = maximale relative Öffnung in der Telestellung
dadurch gekennzeichnet,
daß in der ersten Linsengruppe (I) auf die Luftlinse nur positive Linsen folgen und
daß zusätzlich die folgenden Bedingungen erfüllt sind:(c) 0,43<|P · f₁|<0,46(d) |f₃/f₂|<2,5wobei
f₂ die Brennweite der zweiten Linsengruppe ist und
P die Summe der Brechkräfte der beiden Linsenflächen der ersten Linse sowie der objektseitigen Linsenfläche der zweiten Linse der ersten Linsengruppe ist.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Linsengruppe (II) eine nach vorn konvexe negative Meniskuslinse, eine bikonkave Linse und ein Kittglied in der genannten Reihenfolge aufweist, das aus einer negativen Linse und einer positiven Linse aufgebaut ist.