DE3213910C2

DE3213910C2 -

Info

Publication number: DE3213910C2
Application number: DE3213910A
Authority: DE
Inventors: Masatake Kunitachi Tokio/Tokyo Jp Kato
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 1981-04-17
Filing date: 1982-04-15
Publication date: 1991-12-05
Also published as: DE3213910A1; JPS57172310A; JPS6135532B2; US4478496A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Varioobjektiv gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Es sind Varioobjektive bekannt, die von vorne nach hinten einen Teil mit veränderbarer Brennweite aus drei Linsengruppen, die in dieser Reihenfolge positive, negative und positive Brechkraft haben, und einen ortsfesten Teil aufweist, wobei die zweite Linsengruppe axial zur Änderung der Brennweite und die dritte Linsengruppe axial in reziproker Weise zur Kompensierung der Bildverschiebung aufgrund der Änderung der Brennweite bewegt werden. Bei diesem Varioobjektivtyp bleibt die erste Linsengruppe, die zur Fokussierung dient, während der Brennweitenverstellung fest, wodurch sich der Vorteil ergibt, daß der Abstand vom Frontscheitel des Objektivs zur Bildebene, d. h. die Gesamtlänge des Objektivs, zwischen der Weitwinkeleinstellung und der Teleeinstellung nicht geändert wird. Diese Art von Varioobjektiven hat jedoch den Nachteil, daß eine Erhöhung des Brennweitenverstellverhältnisses und der relativen Öffnung ein starkes Ansteigen der Gesamtlänge des Objektivs und des Durchmessers des vorderen Linsenelements hervorruft, so daß die Kompaktheit verloren geht. Aus diesem Grunde haben die meisten Varioobjektive dieses Typs, wie sie beispielsweise in der JP-OS 49-899, den JP-OSen 51-37 247 und 15-63 635 und den US-PSen 42 23 981 und 42 40 699 beschrieben sind, ein Verhältnis der Gesamtlänge des Objektivs bei Teleeinstellung zur Brennweite (Televerhältnis) von etwa 1; sogar im besten Falle beträgt dieses Verhältnis 0,97. Folglich ergibt sich, wenn man bei Bestimmung der Gesamtlänge des Objektivs in Rechnung stellt, daß eine gute Aberrationskorrektur bei der Teleeinstellung erzielt werden kann, da die Gesamtlänge des Objektivs während der Brennweitenverstellung nicht geändert wird, daß in der Weitwinkeleinstellung das Objektiv vergleichsweise groß verglichen mit Objektiven fester Brennweite derselben Brennweite ist. Dies ist nachteilig, wenn das Objektiv am Kamerakörper untergebracht werden soll, oder wenn das Objektiv getragen werden soll.

Es sind deshalb Anstrengungen unternommen worden, diese Nachteile zu beseitigen und gleichzeitig eine sehr gute Abbildung mit einer verringerten Zahl von Linsen dadurch zu erreichen, daß ein Varioobjektivtyp gewählt wird, bei dem sich die Gesamtlänge des Objektivs zur Telestellung hin vergrößert, sowie dadurch, daß ein guter Kompromiß zwischen den Forderungen eine geeignete Brechkraftverteilung zu haben, und Nockenschlitze gemäßigter Krümmung zur Steuerung der Bewegung der Linsengruppe zu verwenden, getroffen wird. Beispiele für Varioobjektive dieser Art sind in der US-PS 37 84 283 und der offengelegten JP-OS 55-1 61 207 beschrieben, bei denen der in seiner Brennweite veränderliche Teil mit einer ersten Linsengruppe positiver Brechkraft und einer zweiten Linsengruppe negativer Brechkraft versehen ist, wobei die zweite Linsengruppe über den gesamten Brennweitenverstellbereich zur Änderung der Brennweite in einer Richtung verschoben wird, während gleichzeitig die erste Linsengruppe axial verschoben wird, um die Bildverschiebung zu kompensieren. Da bei diesem Typ jedoch die erste Linsengruppe, die einen relativ großen Außendurchmesser und ein großes Gewicht hat, längs eines gewundenen Nockenschlitzes bewegt wird, werden große Kräfte auf den Betätigungsmechanismus in der Objektivfassung ausgeübt, und die Toleranzen, innerhalb derer die Teile des Mechanismus ökonomisch gefertigt werden können, führen unweigerlich zu einer Verschlechterung des Objektivs. Deshalb hat dieser Objektivtyp hauptsächlich bei Objektiven für 8 mm-Schmalfilm Anwendung gefunden.

Varioobjektive gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sind auch aus der DE-AS 12 69 817 oder der FR-OS 22 03 089 bekannt.

So lehrt zum Beispiel die DE-AS 12 69 817 in ihrer Fig. 4 zur Brennweiten-Veränderung des gesamten Objektivs die lineare Verschiebung der zweiten Linsengruppe, während die erste Linsengruppe auf einer stark gekrümmten Bahn bewegt wird. Die die Bewegung der ersten Linsengruppe bewirkende Steuerkurve muß eine entsprechende Steigung aufweisen, wobei bei starken Steigungsänderungen entsprechend hohe Kräfte über die die Linsengruppe führenden Elemente übertragen werden müssen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Varioobjektiv mit einer ersten Linsengruppe I positiver Brechkraft, einer zweiten Linsengruppe II negativer Brechkraft und einer dritten Linsengruppe III positiver Brechkraft zu schaffen, die in dieser Reihenfolge von vorne angeordnet sind, wobei die erste Linsengruppe I geradlinig bewegt wird, und gleichzeitig die zweite Linsengruppe II auf einer nach vorne konvexen Kurve bewegt wird und wobei die auf die Linsenfassung der zweiten Linsengruppe wirkenden Kräfte vergleichsweise klein sind, so daß Gewicht und Größe dieser Linsenfassung verringerbar sind.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird mittels der Ungleichungen im Anspruch 1 ein Bereich festgelegt, der einerseits die Verschiebewege bzw. die Steigung der Steuerkurven der ersten und zweiten Linsengruppe definiert, so daß eine weiche bzw. gleichmäßige Verschiebung der zweiten Linsengruppen sichergestellt werden kann. Eine gleichmäßige Verschiebung bedeutet hierbei, daß keine starken Änderungen bzw. Schwankungen der Steigungen der Steuerkurve auftreten und daß die zweite Linsengruppe möglichst wenig bewegt wird. Durch die gleichmäßige und geringe Verschiebung werden die auf die Linsenfassung wirkenden Kräfte verringert, so daß auch deren Dimensionierung hinsichtlich Gewicht und Größe verringert werden kann. Andererseits wird durch den durch die Ungleichungen festgelegten Bereich auch ein zu starkes Anwachsen der Objektivschnittweite verhindert.

Im folgenden wird auf die Herleitung der Formel

eingegangen.

Da die Linsengruppe III ortsfest ist, ist die Berücksichtigung ihrer Brennweite f_III in eine Bedingung zur Aufrechterhaltung der Lage der Bildebene irrelevant und es ist somit ausreichend, den Bildpunkt der Linsengruppe II konstant zu halten.

Der Abstand der Linsengruppe II zu dem Bildpunkt ist

Unter Berücksichtigung des Abstandes zwischen den Hauptpunkten der Linsengruppe I und der Linsengruppe II in der Weitwinkelstellung ergibt sich:

Die Linsengruppe I wird aus ihrer Weitwinkelstellung um den Betrag ξ zur Objektseite und die Linsengruppe II aus ihrer Weitwinkelstellung um den Betrag η zur Bildseite bewegt. Als Abstand zwischen dem Bildpunkt und der Linsengruppe II ergibt sich somit

Die Bedingung zur Konstanthaltung der Bildebene der Linsengruppe II ergibt sich aus (2) und (3) zu

Wenn man diese Gleichung auflöst, ergibt sich

f_I²f_II - e′₁₂f_If_II + ξf_If_II - ηf_If_II + f_If_II² - e′₁₂f_II² + ξf_II² - ηf_II-²
- e′₁₂f_If_II + e′₁₂²f_II - ξe′₁₂f_II + ηe′₁₂f_II + ηf_I² + ηf_If_II - ηe′₁₂f_I
+ ξηf_I - η²f_I + ηf_If_II + ηf_II² - ηe′₁₂f_II + ξηf_II - η²f_II - ηe′₁₂f_I
-ηe′₁₂f_II + ηe′₁₂² - ξηe′₁₂ + η²e′₁₂ - f_I²f_II + e′₁₂f_If_II - f_If_II² + e′₁₂f_II²
+ e′₁₂f_If_II - e′₁₂²f_II - ξf_If_II + ξe′₁₂f_II + ηf_If_II - ηe′₁₂f_II
= O

und somit

η²(e′₁₂ - f_I - f_II) + η{(e′₁₂ - f_I - f_II) (e′₁₂ - f_I - f_II - ξ) - f_II²} + ξf_II² = O

Zur Vereinfachung wird definiert:

P = e′₁₂ - f_I - f_II + Q
Q = -f_II²/(e′₁₂ - f_I - f_II)

somit ergibt sich

Die Steigung der Steuerkurve der Linsengruppe II erhält man durch Differenzierung der Gleichung (6). Somit erhält man für das Verhältnis eines kleinen Verschiebeweges dη zum Verschiebeweg dξ der Linsengruppe I.

Aus (6) folgt:

= 2η - ξ + P

Somit ergibt sich die Gleichung (7) zu

Der Fall (-) ist hierbei physikalisch nicht bedeutend. Somit ergibt sich:

Diese Gleichung repräsentiert die Steigung der Steuerkurve der Linsengruppe II.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1-6 Schnittbilder von Ausführungsbeispielen 1-6 des erfindungsgemäßen Varioobjektivs,

Fig. 7a 1-3 - Fig. 7c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 1,

Fig. 8a 1-3 bis Fig. 8c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 2,

Fig. 9a 1-3 - Fig. 9c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 3,

Fig. 10a 1-3 - Fig. 10c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 4,

Fig. 11a 1-3 - Fig. 11c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 5,

Fig. 12a 1-3 - Fig. 12c 1-3 die Bildfehler des Objektivs gemäß Fig. 6.

Die erste Linsengruppe I hat eine positive Brennweite f_I und die zweite Linsengruppe II hat eine negative Brennweite f_II, wobei die Hauptebenen der ersten und der zweiten Linsengruppe I und II einen Abstand e′₁₂ in der Weitwinkelstellung haben. η und ξ bezeichnet die Größe der Verschiebung der ersten und der zweiten Linsengruppe I bzw. II aus der Weitwinkelstellung als Startstellung, wobei die Verschiebung positives Vorzeichen hat, wenn sie von vorne nach hinten in Richtung der optischen Achse gemessen wird, mit den vorstehend genannten Größen wird definiert:

P = (e′₁₂ - f_I - f_II) + Q, und

Q = -(f_II)²/(e′₁₂ - f_I - f_II).

Wenn dann ξ monoton geradlinig geändert wird, kann das Verhältnis der Größe der Bewegung dη zu der Bewegung dξ wie folgt ausgedrückt werden:

dη/dξ = (η + Q)/(2η - ξ + P)

Aus dieser Gleichung sieht man, das ausgedrückt in Axialabständen zwischen der Weitwinkel und Telestellung, die von der ersten und zweiten Linsengruppe I bzw. II eingenommen werden, wenn man die letztere durch ξ_T und η_T ausdrückt, je kleiner der Wert von |dη/dξ|, der durch einsetzen von ξ_T und η_T in dξ und dη erhalten wird, desto leichter das Herstellungsverfahren für die erforderlichen Nockenschlitze wird. Da sich die erste Linsengruppe I und die zweite Linsengruppe II axial in entgegengesetzten Richtungen zueinander bei der Brennweitenverstellung verschieben, ist, je größer die Axialverschiebung dη bezogen auf die Axialverschiebung dξ ist, desto größer der Unterschied zwischen der aufzubringenden Arbeit, so daß sie nicht weich vollzogen werden kann.

Hinsichtlich des Bemühens den Wert dη_T/dξ_T zu minimieren, ist zu sagen, daß, je größer die Brennweite f_I der ersten Linsengruppe I und je kleiner die Brennweite f_II der zweiten Linsengruppe II und je kleiner der Abstand e′₁₂ zwischen den Hauptebenen der ersten und zweiten Linsengruppe I und II ist, die Minimierung desto vorteilhafter erzielt werden kann.

Aufgrund verschiedenster Untersuchungen hat es sich ergeben, daß der Wert des Faktors, der Vorzugsweise realisiert werden sollte, im folgenden Bereich liegt:

0,4 <- dη/dξ < 5 (1)

Wenn die obere Grenze der Bedienung (1) überschritten wird, wird das Bewegungsverhältnis von dη/dξ so groß, daß sich die zweite Linsengruppe II nicht weich bewegen kann. Wenn andererseits die untere Grenze unterschritten wird, ergibt es sich trotz der Herstellungsvorteile bei der Steuerung der Linsengruppe I und II, daß f_I anwächst und mit dem Abnehmen von |f_II| die Schnittweite anwächst. Dies ist unerwünscht. Es ist zu beachten, daß die erste Linsengruppe I nicht nur geradlinig bewegt werden kann, sondern auch eine gekrümmte Bewegung vorgesehen werden kann, so daß die Bedingung (1) erfüllt ist.

Die Fig. 1-5 zeigen praktische Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Varioobjektivs, wobei jedes Ausführungsbeispiel von vorne nach hinten eine erste Linsengruppe I in Form einer positiven Linsengruppe zur Fokussierung und zur Konstanthaltung der Bildebene mit einer negativen Linse und mindestens einer positiven Linse, eine zweite Linsengruppe II in Form einer negativen Linsengruppe zur Änderung der Bildvergrößerung bzw. zur Änderung der Brennweite, und eine dritte Linsengruppe III in Form einer positiven Linsengruppe zur Bilderzeugung aufweist. Diese dritte Linsengruppe III hat eine vordere Unterlinsengruppe III_F und eine hintere Unterlinsengruppe III_R; Die vordere Unterlinsengruppe III_F hat zwei positive Linsen und mindestens eine negative Linse und die hintere Unterlinsengruppe III_R eine positive Linse und eine negative Linse. Wenn f_W die kürzeste Brennweite des Gesamtsystems, L_W die Gesamtlänge des Gesamtsystems, f_III die Brennweite der dritten Linsengruppe III, f_{III F} die Brennweite der vorderen Unterlinsengruppe III_F der dritten Linsengruppe III, N_3P der Brechungsindex der hintersten positiven Linse der vorderen Unterlinsengruppe III_F, N_3N der Brechungsindex der hintersten negativen Linse in derselben Gruppe und L3 die Länge der festen dritten Linsengruppe III sind, so erfüllen die Ausführungsbeispiele vorzugsweise die folgenden Bedingungen:

-1.2 < (e′₁₂ - f_I - f_II)/f_W < -0.7 (2)

0.8 < f_IIIF/f_III < 1.3 (3)

0.63 < L3/L_W < 0.74 (4)

N_3P < N_3N (5)

Von diesen Bedingungen dient die Bedingung (2) zur Realisierung einer vorgegebenen Bewegungsart, so daß die zweite Linsengruppe II längs eines Nockenschlitzes mit einer sanften Steigung bewegt wird; die Bedingung (3) und (4) dienen zur Kompensierung der Verschlechterung der Bildfehler, die durch die während der Brennweitenverstellung konstante Brechkraftverteilung der dritten Linsengruppe III entsteht, so daß sich eine gute Stabilität der Aberrationskorrektur des Gesamtsystems ergibt.

Die obere Grenze der Bedingung (2) stellt das minimale Verhältnis der Gesamtbewegung der ersten Linsengruppe I und der zweiten Linsengruppe II dar, das zu einer sanften Steigung des Nockenschlitzes der zweiten Linsengruppe führt, so daß eine weiche Brennweitenverstellung gewährleistet ist. Wenn die obere Grenze überschritten wird, wird, obwohl dies vorteilhaft für die Aberrationskorrektur ist, das Televerhältnis wesentlich erhöht, wodurch die optische Gesamtlänge ansteigt. Wenn andererseits die untere Grenze überschritten wird, steigt die Petzvalsumme in negativer Richtung an, was zu einer Überkorrektur der Bildfeldkrümmung führt, während der Astigmatismus und gleichzeitig die zonale sphärische Aberration ansteigen.

Die Bedingung (4) dient zur Verkürzung der Gesamtlänge des Objektivs im Rahmen der Bedingung (3). Da bei diesen Ausführungsbeispielen das Objektiv in der Telestellung eine größere Gesamtlänge hat, ist das Verhältnis der Länge der dritten Linsengruppe III zur Gesamtlänge des Objektivs in der Weitwinkelstellung verglichen mit gewöhnlichen Varioobjektiven groß. Wenn die obere Grenze überschritten wird, wird die Gesamtlänge des Objektivs vergrößert, wodurch sich eine Vergrößerung des Durchmessers des Frontlinsenelements ergibt. Wenn die untere Grenze überschritten wird, wächst die Petzvalsumme in negativer Richtung an sowie die Verzeichnung in positiver Richtung, d. h. sie wird kissenförmig.

Die Bedingung (5) gibt eine Beziehung zwischen den Brechungsindizes der Gläser der hintersten positiven und der hintersten negativen Linse, die einen Teil der feststehenden vorderen Unterlinsengruppe III_F der dritten Linsengruppe III bildet. Die negative Linse der vorderen Unterlinsengruppe III_F hat einen größeren Brechungsindex als die positive Linse, so daß die Petzvalsumme nicht in negativer Richtung anwachsen kann, wodurch sich eine gute Korrektur der Bildfeldkrümmung ergibt.

In den Fig. 1-6 sind 6 Beispiele für spezielle Varioobjektive gezeigt, die die vorigen Bedingungen erfüllen und entsprechend den nachstehend angegebenen numerischen Daten aufgebaut werden können, wobei die Krümmungsradien mit R, die Blende mit SR, die axialen Dicken bzw. Luftabstände mit D und die Brechungsinizes mit Ni und die Abbe'schen Zahlen mit ν für die Spektrale d-Linie der Gläser der einzelnen Linsenelemente entsprechend der in der Zeichnung angegebenen Indizierung angegeben sind.

Beispiel 1

Beispiel 2

Beispiel 3

Beispiel 4

Beispiel 5

Beispiel 6

Claims

1. Varioobjektive mit einer verschiebbaren positiven ersten Linsengruppe, einer verschiebbaren negativen zweiten Linsengruppe und einer ortsfesten positiven dritten Linsengruppe, dadurch gekennzeichnet, daß die Bedingung 0,4 < (η + Q)/(2η - ξ + P) < 5,0erfüllt ist, mit
ξ bzw. η = Verschiebeweg der ersten bzw. zweiten Linsengruppe aus der Weitwinkel in die Telestellung,Q = - (f_II)²/(e′₁₂ - f_I - f_II)P = (e′₁₂ - f_I - f_II) + Q, wobeie′₁₂ der Hauptebenenabstand zwischen der ersten und zweiten Linsengruppe in der Weitwinkelstellung und
f_I bzw. f_II die Brennweite der ersten bzw. zweiten Linsengruppe ist.

2. Varioobjektiv nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Linsengruppe eine negative Linse und mindestens eine positive Linse und die dritte Linsengruppe zwei Untergruppen (III_F, III_R) hat, wobei die vordere Untergruppe (III_F) zwei positive Linsen und mindestens eine negative Linse und die hintere Linsengruppe (III_R) eine positive Linse und eine negative Linse aufweist.

3. Varioobjektiv nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die folgenden Bedingungen erfüllt sind: -1,2 < (e′₁₂ - f_I - f_II)/f_W < -0,7
0,8 < f_{III F}/f_III < 1,3
0,63 < L3/L_W < 0,74
N_3P < N_3Nwobei f_W die Brennweite des Objektivs in Weitwinkelstellung ist, L_W die Gesamtlänge des Objektivs in der Weitwinkelstellung, f_III, L_III die Brennweite und die Länge der dritten Linsengruppe,
f_{III F} die Brennweite der vorderen Untergruppe III_F, N_3P der Brechungsindex des Glases der positiven Linse, die am weitesten hinten in der vorderen Untergruppe III_F angeordnet ist, und N_3N der Brechungsindex des Glases der negativen Linsengruppe, die am weitesten hinten in derselben Untergruppe angeordnet ist, sind.